생물리학
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1. 개요
생물리학은 생물학적 현상을 연구하기 위해 물리학적 원리와 기술을 적용하는 학문이다. 1840년대 독일에서 초기 연구가 시작되었으며, 20세기 중반 윌리엄 T. 보비의 전기수술 개발, 에르빈 슈뢰딩거의 저서 출판 등을 거치며 발전했다. 현재는 분자생물학, 생화학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야와 융합 연구가 진행되며, 노벨 생리의학상 및 화학상 수상자를 배출했다. 하지만 생물학적 현상의 특이성을 고려하지 않는다는 비판도 존재한다.
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| 생물리학 |
|---|
2. 역사
생물리학은 현재까지도 지속적으로 진보하고 있는 학문이다. 생물리학의 역사는 정확하게 말하기 힘들다. 가장 초기 생물리학 교육의 시작은 1840년경 독일 베를린 학교에서 시작되었으며, 선구자로는 헤르만 폰 헬름홀츠, 에른스트 하인리히 베버, 카를 루트비히, 요하네스 페터 뮐러 등을 꼽는다.[9] 현재는 생물리학공동체 규모가 7000여 명 정도로 성장하였으며, 통계물리학적 접근 방법과 컴퓨터의 많은 발전으로 더욱 빠르게 성장하고 있다.
생물리학은 분자생물학, 생화학, 화학, 컴퓨터과학, 수학, 의학, 약리학, 물리학, 신경과학 등 다양한 분야와 융합하여 연구를 진행한다. 대학교 학부 수준보다는 주로 연구소 중심으로 연구가 이루어지며, 막스플랑크 협회 등이 대표적인 예이다.
루이지 갈바니의 연구는 이후 생물리학 분야의 기초를 마련했다. 초기 생물리학 연구 중 일부는 1840년대 베를린 생리학자 그룹에 의해 수행되었다.
윌리엄 T. 보비는 20세기 중반 이 분야의 발전을 이끈 선두 주자로 인정받고 있다. 그는 전기수술의 개발을 주도했다.
이 분야의 인기는 에르빈 슈뢰딩거의 저서 ''생명이란 무엇인가?''가 출판되면서 높아졌다. 1957년부터 생물리학자들은 생물리학회를 조직하여 현재 전 세계적으로 약 9,000명의 회원을 보유하고 있다.[10]
로버트 로젠과 같은 일부 저자들은 생물리학적 방법이 생물학적 현상의 특이성을 고려하지 않는다는 이유로 생물리학을 비판한다.[11]
3. 주요 연구 분야
생물리학은 어떤 분야와 공동 연구를 진행하느냐에 따라 매우 다양한 연구를 수행할 수 있다. 물리학뿐만 아니라 수학, 통계학의 모델과 실험 기술을 조직, 장기,[6] 개체군,[7] 생태계 등 더 큰 시스템에 적용하기도 한다.
최근에는 생물리학이라는 이름을 내건 조직이 대학 학과로 설립되기도 했지만, 분자생물학, 생화학, 화학, 정보공학, 수학, 의학, 약리학, 생리학, 물리학, 신경과학 등 많은 학과에서 학제 간 연구로 다루어진다.
생물리학의 연구 분야는 매우 광범위하며, 분자 및 세포 수준 연구, 시스템 및 계산 생물학, 의학 및 신경과학 응용, 그리고 기타 연구 분야를 포함한다.
각 연구 분야에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참조하면 된다.
3. 1. 분자 및 세포 수준 연구
생물리학은 생화학과 분자생물학에서 다루는 생물학적 질문과 유사한 질문을 다루지만, 생체분자 현상의 물리적 기초를 찾고자 한다. 이 분야의 과학자들은 DNA, RNA, 단백질 생합성 간의 상호작용을 비롯한 세포의 다양한 시스템 간의 상호작용과 이러한 상호작용이 어떻게 조절되는지 연구한다.[6]
이러한 질문에 답하기 위해 형광 이미징 기술, 전자 현미경, X선 결정학, NMR 분광법, 원자간력 현미경(AFM), 소각 산란(SAS) (X선 및 중성자 (SAXS/SANS)) 등 다양한 기술이 사용된다. 이러한 기술들은 생물학적으로 중요한 구조를 시각화하는 데 자주 사용된다.[6] 단백질 역학은 중성자 스핀 에코 분광법으로 관찰할 수 있다. 구조의 구조 변화는 이중 편광 간섭계, 원편광 이색성, SAXS 및 SANS와 같은 기술을 사용하여 측정할 수 있다. 광학 족집게나 AFM을 사용한 분자의 직접 조작은 힘과 거리가 나노미터 수준인 생물학적 사건을 모니터링하는 데에도 사용할 수 있다. 분자 생물리학자들은 종종 복잡한 생물학적 사건을 상호 작용하는 개체의 시스템으로 간주하며, 통계 역학, 열역학, 화학 반응 속도론을 통해 이해할 수 있다. 다양한 분야의 지식과 실험 기술을 활용함으로써 생물리학자들은 개별 분자 또는 분자 복합체의 구조와 상호 작용을 직접 관찰, 모델링, 조작할 수 있다.[6]
구조 생물학이나 효소 동력학과 같은 전통적인 분자 및 세포 생물리학 주제 외에도, 현대 생물리학은 생체 전자공학에서 양자 생물학에 이르기까지 매우 광범위한 연구 범위를 포함한다.
3. 2. 시스템 및 계산 생물학
생물리학은 생화학과 분자생물학에서 다루는 생물학적 질문에 대해 물리적 기초를 탐구하는 학문이다. 이 분야의 과학자들은 DNA, RNA, 단백질 생합성 간의 상호작용을 포함한 세포 내 다양한 시스템 간의 상호작용과 그 조절 방식을 연구한다.
이러한 연구에는 형광 이미징 기술, 전자 현미경, X선 결정학, NMR 분광법, 원자간력 현미경(AFM), 소각 산란(SAS) 등이 활용된다. 특히, X선과 중성자(SAXS/SANS)을 이용해 생물학적 구조를 시각화한다. 단백질 역학은 중성자 스핀 에코 분광법으로 관찰하며, 구조 변화는 이중 편광 간섭계, 원편광 이색성, SAXS 및 SANS로 측정한다. 광학 족집게나 AFM을 이용한 분자 조작은 나노미터 수준의 생물학적 사건을 관찰하는 데 사용된다.
생물리학자들은 복잡한 생물학적 현상을 상호작용하는 시스템으로 간주하고, 통계 역학, 열역학, 화학 반응 속도론 등을 통해 이해한다. 이들은 다양한 분야의 지식과 실험 기술을 활용하여 개별 분자나 분자 복합체의 구조와 상호작용을 직접 관찰, 모델링, 조작한다.
현대 생물리학은 구조 생물학이나 효소 동력학 외에도 생체 전자공학부터 양자 생물학에 이르기까지 광범위한 연구를 포괄한다. 생물리학 모델은 단일 뉴런의 전기 전도 연구, 조직 및 전뇌의 신경 회로 분석 등에 활용된다.
의료 물리학은 물리학을 의학이나 보건 의료에 적용하는 분야로, 방사선학, 현미경, 나노 의학 등을 포함한다. 리처드 파인만은 나노 의학의 미래를 이론화하며 생체 기계의 의학적 용도를 제안했다. 파인만과 앨버트 히브스는 특정 수리 기계가 작아져 "의사를 삼키는" 것이 가능할 것이라고 예측했다.[8]
생물리학은 여러 학과에서 학제 간 연구로 다루어지는데, 그 예시는 다음과 같다.
| 학과 | 주요 연구 분야 |
|---|---|
| 생물학, 분자생물학 | 유전자 조절, 단일 단백질 역학, 생체 에너지학, 패치 클램프법, 생체역학, 바이러스 물리학 |
| 구조 생물학 | 단백질, 핵산, 지질, 탄수화물 및 이들의 복합체의 옹스트롬 분해능 구조 |
| 생화학, 화학 | 생체 분자 구조, siRNA, 핵산 구조, 구조-활성 관계 |
| 컴퓨터 과학 | 인공 신경망, 생체 분자 및 약물 데이터베이스 |
| 계산 화학 | 분자 동역학 시뮬레이션, 분자 도킹, 양자 화학 |
| 생물정보학 | 서열 정렬, 구조 정렬, 단백질 구조 예측 |
| 수학 | 그래프/네트워크 이론, 개체군 모델링, 동역학 시스템, 계통 발생학 |
| 의학 | 의학을 강조하는 생물리학 연구 (예: 혈류의 유체 역학, 호흡의 기체 물리학, 진단/치료의 방사선) |
| 신경 과학 | 신경망 연구(실험적, 이론적), 막 유전율 |
| 약리학, 생리학 | 채널유전체학, 전기생리학, 생체 분자 상호 작용, 세포막, 폴리케티드 |
| 물리학 | 네겐트로피, 확률 과정, 새로운 물리적 기술 및 기기 개발과 그 응용 |
| 양자 생물학 | 양자 역학을 생물학적 대상과 문제에 적용, 디코히어런스된 이성질체는 시간에 따른 염기 치환을 생성하며, 양자 컴퓨팅에 응용 가능성 시사 |
| 농학, 농업 | - |
3. 3. 의학 및 신경과학 응용
의료 물리학은 물리학을 의학이나 보건 의료에 적용하는 분야로, 방사선학에서 현미경과 나노 의학에 이르기까지 다양하다. 물리학자 리처드 파인만은 생체 기계를 이용한 나노 의학의 미래를 이론화했다. 그는 특정 수리 기계가 작아져서 "의사를 삼키는" 것이 가능해질 것이라고 제안했다.[8]생물리학적 모델은 단일 뉴런의 전기 전도 연구뿐만 아니라 조직과 전뇌의 신경 회로 분석에도 널리 사용된다. 의학 생물리학은 생리학과 밀접하게 관련되어 있으며, 신체의 다양한 측면과 시스템을 물리적, 수학적 관점에서 설명한다. 예를 들어 혈류의 유체 역학, 호흡의 기체 물리학, 진단/치료의 방사선 등이 있다.
3. 4. 기타 연구 분야
생물리학은 분자생물학, 생화학, 화학, 컴퓨터과학, 수학, 의학, 약리학, 물리학, 신경과학 등 다양한 분야와 융합하여 연구를 진행한다. 대학 학부 수준보다는 주로 연구소 중심으로 연구가 이루어지며, 막스플랑크 협회 등이 대표적인 예이다.생물리학은 생화학, 분자생물학과 유사하게 생체 분자 현상의 물리적 기초를 탐구한다. DNA, RNA, 단백질 생합성 등 세포 내 다양한 시스템 간의 상호작용과 조절 기전을 이해하는 연구를 수행한다. 이를 위해 형광 이미징, 전자 현미경, X선 결정학, NMR 분광법, 원자간력 현미경(AFM), 소각 산란(SAS) 등 다양한 기술을 활용한다.
단백질 역학은 중성자 스핀 에코 분광법으로 관찰하며, 구조 변화는 이중 편광 간섭계, 원편광 이색성, SAXS 및 SANS 등으로 측정한다. 광학 족집게나 AFM을 이용해 나노미터 수준의 힘과 거리에서 일어나는 생물학적 현상을 관찰하기도 한다. 분자 생물리학은 복잡한 생물학적 현상을 통계 역학, 열역학, 화학 반응 속도론 등으로 해석한다.
현대 생물리학은 구조 생물학, 효소 동력학 외에도 생체 전자공학, 양자 생물학 등 광범위한 연구를 포괄한다. 수학, 통계학 모델과 실험 기술을 조직, 장기,[6] 개체군,[7] 생태계 등에 적용하기도 한다. 생물리학적 모델은 뉴런의 전기 전도, 신경 회로 분석 등에 활용된다.
의료 물리학은 물리학을 의학에 적용하는 분야로, 방사선학, 현미경, 나노 의학 등이 해당된다. 리처드 파인만은 생체 기계를 이용한 나노 의학의 가능성을 제시하기도 했다.[8]
생물리학은 여러 학과에서 학제 간 연구로 다루어진다. 다음은 그 예시이다.
| 학과 | 주요 연구 분야 |
|---|---|
| 생물학, 분자생물학 | 유전자 조절, 단일 단백질 역학, 생체 에너지학, 패치 클램프법, 생체역학, 바이러스 물리학 |
| 구조 생물학 | 단백질, 핵산, 지질, 탄수화물 및 복합체의 옹스트롬 분해능 구조 |
| 생화학, 화학 | 생체 분자 구조, siRNA, 핵산 구조, 구조-활성 관계 |
| 컴퓨터 과학 | 인공 신경망, 생체 분자 및 약물 데이터베이스 |
| 계산 화학 | 분자 동역학 시뮬레이션, 분자 도킹, 양자 화학 |
| 생물정보학 | 서열 정렬, 구조 정렬, 단백질 구조 예측 |
| 수학 | 그래프/네트워크 이론, 개체군 모델링, 동역학 시스템, 계통 발생학 |
| 의학 | 의학 중심 생물리학 연구 (예: 유체 역학, 호흡 기체 물리학, 방사선) |
| 신경 과학 | 신경망 연구 (실험적/이론적), 막 유전율 |
| 약리학, 생리학 | 채널유전체학, 전기생리학, 생체 분자 상호 작용, 세포막, 폴리케티드 |
| 물리학 | 네겐트로피, 확률 과정, 새로운 물리적 기술 및 기기 개발과 응용 |
| 양자 생물학 | 양자 역학을 생물학적 문제에 적용, 디코히어런스된 이성질체를 통한 염기 치환 연구, 양자 컴퓨팅 응용 |
| 농학, 농업 | - |
4. 주요 기술
형광 이미징 기술, 전자 현미경, X선 결정학, NMR 분광법, 원자간력 현미경(AFM), 소각 산란(SAS) (X선 및 중성자(SAXS/SANS) 포함)은 생물학적으로 중요한 구조를 시각화하는 데 자주 사용된다.[6] 단백질 역학은 중성자 스핀 에코 분광법으로 관찰할 수 있다. 이중 편광 간섭계, 원편광 이색성, SAXS 및 SANS는 구조의 구조 변화를 측정하는 데 사용될 수 있다. 광학 족집게나 AFM을 이용하면 나노미터 수준의 힘과 거리에서 일어나는 생물학적 사건을 관찰할 수 있다. 분자 생물리학자들은 복잡한 생물학적 사건을 상호 작용하는 개체들의 시스템으로 간주하고, 통계 역학, 열역학, 화학 반응 속도론을 통해 이를 이해하려 한다. 생물리학자들은 다양한 분야의 지식과 실험 기술을 활용하여 개별 분자 또는 분자 복합체의 구조와 상호 작용을 직접 관찰, 모델링, 조작할 수 있다.
5. 생물리학 관련 노벨상 수상자
많은 생물리학 분야에서 노벨상 수상이 이루어졌지만, '생물리학'이라는 수상 분야가 없기에 노벨 생리학·의학상이나 노벨 화학상 등을 수상하였다.[13]
참조
[1]
백과사전
Biophysics {{!}} science
https://www.britanni[...]
2018-07-26
[2]
학술지
Q&A: What is biophysics?
2011-03-01
[3]
웹사이트
the definition of biophysics
http://www.dictionar[...]
2018-07-26
[4]
서적
The Grammar of Science
https://books.google[...]
[5]
서적
Biophysics: An Introduction
https://books.google[...]
Springer
2012-04-23
[6]
학술지
Mesoscale physical principles of collective cell organization
2018-07-01
[7]
학술지
The physics of life
2016-01-07
[8]
웹사이트
There's Plenty of Room at the Bottom
http://www.its.calte[...]
1959-12-01
[9]
서적
Applied Science
https://books.google[...]
Salem Press Inc.
2012-05-15
[10]
서적
Encyclopedia of Physical Science
https://books.google[...]
Infobase Publishing
[11]
학술지
The Inert vs. the Living State of Matter: Extended Criticality, Time Geometry, Anti-Entropy - An Overview
2012-01-01
[12]
간행물
Careers in Biophysics brochure
https://www.biophysi[...]
Biophysical Society
[13]
위키
List of biophysicists
:en:List_of_biophysi[...]
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