[125년 노벨상 시대를 담다]⑤다음 노벨상이 탄생할 미래 과학의 전선

양자·합성생물학·AI·핵융합
노벨상급 발견은 이미 시작됐다
'수상자'보다 '새로운 질문'
미래 노벨상이 보여줄 과학의 다음 10년

편집자주1901년 첫 시상 이후 125년. 과학은 한 명의 천재가 발견하던 시대에서 수천 명과 인공지능(AI)이 함께 연구하는 시대로 변했다. 아시아경제는 노벨상 125년을 통해 과학적 발견의 주체와 방식이 어떻게 달라졌는지, 그리고 노벨상은 이러한 변화를 얼마나 담아내고 있는지를 7회에 걸쳐 살펴본다.

이상엽 한국과학기술원(KAIST) 특훈교수가 연구실에서 미생물 배양 장치를 살펴보고 있다. 시스템대사공학을 개척한 이 교수는 최근 AI와 합성생물학의 결합이 과학적 발견과 생명공학의 새로운 가능성을 열고 있다고 강조했다. KAIST 제공

1984년 미국 UC버클리 연구진은 초전도체 미세 회로를 만들고 미시세계의 양자역학 현상이 거시적 전기회로에서도 나타나는지 검증했다. 40년이 지난 2025년, 세 사람은 '전기회로에서 거시적 양자역학적 터널링과 에너지 양자화를 발견한 공로'로 노벨물리학상을 받았다. 1980년대의 도전적 실험이 21세기 초전도 양자정보기술의 중요한 토대가 된 셈이다.

프리얌바다 나타라잔 미국 예일대 교수는 혁신적 발견을 "그 전날까지는 상상조차 못 했던 영역을 열어젖히는 일"로 정의했다. 미래 노벨상의 향방을 특정 인물이나 분야로 쉽게 단정할 수 없는 이유도 여기에 있다고 설명했다. 트랜지스터, 메신저리보핵산(mRNA), 청색 LED처럼 세상을 바꾼 위대한 발견들 역시 첫 등장 당시에는 미래의 파급력을 정확히 예고하지 못했다.

최근 미래 과학의 전선에서 가장 빠르게 변화하는 분야 중 하나는 생명과학이다. 20세기가 생명의 작동 원리를 밝혀내는 '발견'의 시대였다면, 21세기는 생명체의 기능을 원하는 방향으로 바꾸는 '설계'의 시대로 나아가고 있다. 그 중심에 생명체의 유전자와 작동 체계를 재설계해 새로운 기능을 만들어내는 합성생물학이 있다.

이상엽 카이스트(KAIST) 특훈교수가 개척한 시스템대사공학은 이러한 변화를 보여주는 대표적인 사례다. 시스템대사공학은 미생물이 영양분을 분해하고 물질을 만들어내는 과정을 분석한 뒤 그 경로를 재설계해 원하는 화학물질과 연료를 생산하는 '세포공장'을 만드는 기술이다. 여기에 AI를 결합하면 유망한 효소와 대사경로를 예측하고, 연구자가 실험으로 검증해 생산 효율을 높일 수 있다. 이 교수는 "AI와 합성생물학의 결합은 지금까지 없던 가능성을 열고 있다"며 "중요한 것은 기술로 인류에게 어떤 가치를 만들어내느냐에 있다"고 말했다.

AI 역시 발견의 주체로 진화 중이다. 2024년 알파폴드2의 수상을 시작으로, AI와 로봇이 가설 수립부터 실험, 결과 분석까지 연결하는 '자율 연구실(Self-driving Lab)'이 빠르게 발전하고 있다. 양자 기술과 핵융합 역시 다음 돌파구를 향해 달리고 있다. 양자 분야는 초전도 회로의 현상 관측을 넘어 오류에 취약한 큐비트를 안정적으로 제어하고 대규모로 확장하는 단계로 접어들고 있다.

70년 넘게 이어진 핵융합도 단순 반응 성공을 넘어, 플라스마의 장시간 안정 유지와 극한의 열·중성자를 견디는 소재 등 난제를 해결하며 에너지 패러다임 전환을 모색하고 있다. 이들 난제에서 근본적인 돌파구가 나온다면 물리학과 재료공학 전반의 중요한 발견으로 이어질 수 있다.

미래 노벨상 수상자가 누가 될지 지금은 알 수 없지만 그 발견의 씨앗은 이미 어느 연구실에서 자라고 있을지 모른다. 정진호 한국과학기술한림원장은 "노벨상을 받기 위해 특정 인재를 골라 육성하는 방식으로는 한계가 있다"며 "남이 만들어놓은 문제의 정답을 빨리 맞히는 연구자보다 지금까지 누구도 생각하지 못했던 가치 있는 화두를 던지는 연구자를 길러내야 한다"고 강조했다.

한국의 초전도 핵융합연구장치 KSTAR 내부에서 고온의 플라스마가 만들어진 모습. 핵융합 발전을 실현하려면 태양 내부와 같은 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 초고온 플라스마를 만들고 이를 안정적으로 오랫동안 유지해야 한다. KSTAR는 이러한 플라스마 제어 기술을 연구하는 국내 핵융합 연구장치다. 한국핵융합에너지연구원 제공

김종화 기자 justin@asiae.co.kr