DNA로 암흑물질 찾는 방법

김제완의 과학세상(17)

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과학에 조금이라도 관심이 있는 분들은 DNA와 암흑물질에 관한 글들을 보셨을 것이다. 20세기의 가장 큰 발견 중 하나인 DNA의 이중나선구조를 규명하여 왓슨(J.Watson).크릭(F.H.C.Crick) 그리고 윌킨스(M.H.F.Wilkins)가 1962년 노벨생리의학상 을 받게 되었다. 왓슨은 34세의 젊은 나이에 노벨상을 받았으며, 당시 그는 미혼이었다.

그의 여자 친구는 자기가 데이트하는 남자가 노벨상을 받았다고 자랑하고 다녔다고 한다. DNA의 발견에 정말로 많은 공헌을 했지만 노벨상을 받지 못한 여성이 있었다. 로절린드 프랭클린(Rosalind Elsie Franklin: 1920~1958)이라는 여성으로 킹스 대학에서 X-선으로 물질의 구조를 연구하고 있었다. 그녀가 찍은 X-선 사진에는 DNA의 구조가 들어 있었다. 그녀는 두 가지 다른 구조를 발견했고, 그 하나를 A-DNA, 둘째를 B-DNA라고 이름 지었다고 전해진다.

DNA의 프랭클린과 A-DNA 사진. ⓒ Wikipedia

프랭클린과 A-DNA 사진. ⓒ Wikipedia

그녀의 논문은 왓슨과 크릭의 논문에 이어서 윌킨스와 그 공동 저자의 논문 다음 세 번째 논문으로 네이처(Nature)에 실렸다. 왓슨과 크릭이 쓴 논문은 사실상 로절린드 프랭클린의 X-선 사진에 그 근거를 두고 있다. 세 사람까지만 준다는 노벨상 규정 때문에 부득이 한 일일수도 있지만, 여성이기에 차별대우를 받은 것일 수도 있다는 묘한 여운을 남긴다.

암흑물질 처음 발견한 여성과학자 베라 루빈

암흑물질의 시작은 여성 과학자인 베라 루빈(Vera Rubin)이 그 첫 단추를 끼웠다. 그녀는 유명한 조지 가모브 (George Gamow : 1904~1968)를 지도교수로 모시고 조지타운대학교에서 1954년에 천문학으로 박사학위를 취득했다. 가모브는 ‘이상한 나라의 톰킨스씨’ 같은 대중 서적을 저술했을 뿐만 아니라 빅뱅이론의 개척자 가운데 한 사람이기도 하다

루빈은 줄곧 우리 은하계의 회전에 대해서 관심을 갖고 꾸준히 관측을 계획했다. 그러한 관측이 축적되면서 우리 은하계가 관측된 별만으로 이루어진 무게 중심을 돌고 있어야 하는데 외각으로 갈수록 보다 더 빠른 속도로 돌고 있다는 것을 발견하였다. 이는 우리 눈에 보이는 물질보다 보이지 않는 더 많은 물질이 은하계에 있어야 함을 말하고 있는 것이 되겠다.

암흑물질의 루빈. ⓒ Wikipedia

암흑물질 처음 발견한 루빈. ⓒ Wikipedia

눈에 보이지 않고, 만져지지도 않는 이 물질을 암흑물질이라고 부르게 되었다. 그 뒤에 과학자들이 더 조사한 바에 의하면 우리가 보고 만질 수 있는 원자로 된 물질은 이 우주 성분의 불과 4.9% 밖에 되지 않고, 암흑물질이 26.8%, 그리고 암흑에너지가 68.3% 임이 밝혀졌다.

그러니까 암흑물질과 보통 물질의 합이 우주 전체의 약 32%이고, 그 중에서 우리가 알고 있는 원자로 된 물질은 약 5% 이므로 전체 물질의 약 15%이고, 나머지 85%는 암흑물질이라고 하겠다. 즉, 물질의 85% 는 암흑물질이고, 15% 정도가 원자로 되어 있는 보통 물질이라고 하겠다.

이 암흑물질은 어떤 것일까? 정설은 없다. 어떤 과학자들은 질량을 갖는 무거운 중성미자들로 되어있을 것이라고도 하고, 서울대 김진의 교수 같은 분들은 아주 가벼운 엑시온(Axion) 이라고 하는 소립자로 되어있을 것이며, 이를 물리법칙의 원리에서 꼭 존재하여야만 하는 입자이지만 보이지 않는 엑시온(Invisible Axion) 이라고 부른다.

암흑물질을 찾는 방법에 대해서는 수많은 방법을 과학자들은 제안하고 있다. 그 중에서 DNA를 이용한 검출장치를 소개하겠다.

DNA 암흑입자 검출기. ⓒ 김제완

DNA 암흑입자 검출기. ⓒ 김제완

그림처럼 금박지로 덮인 상자에 DNA 다발을 달아놓는다. 암흑물질의 후보 가운데 윔프(WIMP)라는 소립자가 있을 수 있다. 윔프는 약하게 상호작용을 하는 무거운 입자, 즉(Weakly Interacting Massive Particle)의 약자이다. 우주에는 이런 입자들이 있다고 예상된다. 이 무거운 소립자가 DNA 검출기의 금박지를 치면 금의 원자가 튕겨 나올 가능성이 많다. 이 금의 원자가 금박지에 달려있는 DNA를 치면, 예민한 DNA의 이중나선에 결함을 주게 된다.

사실상 방사선을 많이 맞으면 암에 걸리는 이유이기도 하다. 암에 걸리는 자연의 원리가 과학자들이 찾고 있는 암흑물질의 발견을 돕고 있다는 것은, 자연은 항상 득과 실의 양면성이 있다는 것을 다시 한 번 일깨워 주고 있다.