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정하웅 교수, 도로 교통망에서의 사회적 비효율성 규명
- 도로신설이 오히려 교통체증을 유발하는 사회적 비효율성 정량화
- 물리학 분야 세계 최고 권위지‘피지컬 리뷰 레터스’9월 18일자에 게재예정- 경제학 분야 최고저널 ‘이코노미스트’9월 13일자에 소개
교통체증을 완화시키기 위해 길을 하나 더 만들었으나 오히려 체증이 심해질 수도 있을까? 광화문 거리 하나를 막아서 서울 전체 교통 환경을 개선시킬 순 없을까? 각자 자신에게 가장 빠른 길을 이용하는 ‘합리적자기중심주의’ 운전습관이 도리어 전체 교통망의 비효율을 일으킨다는 사실이 최근 한국과 미국의 물리학자들에 의해 밝혀졌다.
네트워크 과학의 전문가로 잘 알려진 우리학교 물리학과 및 바이오융합연구소 정하웅(鄭夏雄, 40세) 교수팀은 미국 샌타페이 연구소와 공동연구를 통해 교통망에서의 사회적 비효율성을 ‘행위자 기반 모형’을 통해 구현해 냈다. 이 연구결과는 물리학분야의 세계 최고 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 9월 18일자에 발표 예정이다.
복잡한 관계로 얽혀있는 인간 사회에 나타나는 비효율성을 줄이기 위한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있지만 그동안 비효율성의 정도를 정량화하는 것조차 쉽지가 않았다. 鄭 교수팀은 출발지에서 목적지까지의 차량소요시간을 이용하여 사회적 비효율성을 정의하였다. 즉 운전자마다 가장 빠른 길을 선택하는 모형설계를 통해 도시에서의 교통흐름을 재현해 냈다. 대부분의 운전자는 출발지에서 목적지까지 가장 빠른 이동경로를 선택하게 되고, 교통체증이 덜한 먼 길로 스스로 우회를 선택하는 운전자는 없었다. 만약 일부 운전자들이 우회를 선택해 준다면 도시 전체의 교통흐름은 훨씬 빨라질 수도 있겠지만 불행히도 이런 운전자는 존재하지 않는다. 결국 개인의 이익을 극대화하려는 합리적자기중심주의 행동이 전체의 효율성을 떨어뜨려 자신과 다른 사람 모두에게 악영향을 미치게 된다. 연구팀은 교통체증이 심한 미국의 뉴욕과 보스턴, 영국의 런던 등 대도시 도로망의 비효율성을 분석한 결과 도로망 비효율성이 최고 30%에 달한다는 사실에 주목, 현재 도로망 상태를 유지한 채로 적절하게 교통량을 우회, 분산시킬 수만 있다면 1시간 걸리던 거리를 40분 만에 주파할 수도 있다는 사실을 밝혀냈다. 또한 연구팀은 연구대상 도시의 교통 상황을 오히려 악화시키는 도로를 찾아냈는데[자료그림], 흔히 교통흐름을 개선시킬 것이라고 생각했던 도로들이 도리어 반대의 역할을 하는 경우가 상당히 많았다고 한다. 즉 차량수가 늘지 않은 상태에서도 효율성을 감안하지 않은 새로운 도로로 인하여 정체가 더 심해진다는 것이다.
이와 같은 사회적 비효율성에 대한 연구는 경제학에서 주 관심사였다. 이번 물리학자들의 연구는 새로운 관점에서 현실적 숫자를 제시한 것으로 경제학자들로부터도 관심을 모으고 있다. 세계적 경제학 잡지인 ‘이코노미스트’는 9월 13일자 판에 이슈 논문으로 이 연구결과를 소개하기도 했다.
도로망 설계 시 사회적 비효율성 점검을 강조한 정하웅 교수는 “이번에 개발한 방법을 더욱 발전시켜 직접적으로는 출퇴근시간의 짜증을 없애는 것과 네트워크 과학을 활용, 다양한 분야에 산재하는 사회적 비효율성을 해결하는 것이 연구의 궁극적인 목표다”라고 말했다.
[자료그림설명] 뉴욕 맨해튼의 도로망 분석: 도로의 색은 그 도로가 통제되었을 때 더 필요한 지체소요시간을 나타낸다. 빨간 색은 도로를 막으면 안되는 것이고 파란 색일 수록 도로를 막아도 차들이 빠른 시간 내에 우회 가능하다는 것이다. 점선부분으로 된 곳이 흥미 있는 곳으로, 그 도로를 막았을 때 체증은커녕 오히려 전체 소요시간이 줄어드는 현상을 나타낸다. 이 점선 도로가 잘못 설계된 도로를 나타낸다(브래스 패러독스)
용어설명 :행위자 기반 모형: 상호작용하는 많은 행위자들로 이루어진 작은 가상세계이다. 여기서 크게 행위자, 행위자가 활동하고 상호작용 하는 시스템 공간, 시스템에 영향을 끼치는 외부환경 등의 세 가지 요소로 구성되며, 이들 요소를 설계하여 조립하는 방식으로 모형을 만든다. 이 때문에 행위자 기반 모형으로 복잡계를 탐구하는 방법을 생성적 접근법 또는 구성적 접근법이라고 한다.
정하웅 교수 소개
KAIST 물리학과 정하웅 교수는 ‘복잡계 네트워크’라는 새로운 연구 분야를 개척했으며, 지금까지 물리학, 생물학, 컴퓨터와 관련된 네이처(Nature)誌 5편, 미국국립과학원 회보(PNAS) 3편, 피지컬 리뷰 레터스(Phys. Rev. Lett.)誌 6편 등을 포함한 통산 누적 피인용회수 5천여 회가 넘는 70여 편의 논문을 발표해 주목을 받았다. 현재는 물리학, 사회학, 경제학, 인터넷, 생물정보학 등에서의 다양한 학제간 연구를 통해 21세기 과학의 연구 주제로 떠오르고 있는 복잡계(Complex Systems)의 이해를 위해 노력 중이며, 많은 학술 논문 발표뿐만 아니라 과학기술 앰배서더로서 네트워크 과학에 대한 대중강연을 활발하게 펼치며 물리학의 저변확대에도 힘을 쏟고 있다.
2008.09.18 조회수 19127 -
이상엽교수팀, 시스템생물학 기반 산업용 미생물 개발 전략 제시
-생명공학분야 권위 리뷰지 “생명공학의 동향 (Trends in Biotechnology, Cell Press)” 표지 논문 게재
우리학교 생명화학공학과 및 바이오융합연구소 이상엽(李相燁, 44세, LG화학 석좌교수) 특훈교수와 바이오융합연구소 박진환(朴軫煥, 38세) 박사 연구팀이 다가오는 산업바이오텍 시대에 경쟁력을 갖추기 위한 시스템 생물학 기반의 미생물 대사공학 전략을 개발했다. 이 연구 결과는 셀(Cell)誌가 발행하는 생명공학 분야 최고 권위 리뷰지인 생명공학의 동향(Trends in Biotechnology) 8월호 표지 논문에 게재됐다. 교육과학기술부 게놈 정보 활용 통합 생물공정 개발 사업의 일환으로 수행한 이번 연구는 산업용 미생물을 개발함에 있어 유전체 및 기능 유전체 정보와 가상세포 시뮬레이션을 통합 적용하고, 발효 및 분리정제 공정까지 고려한 대사공학 방법을 제시함으로서 다가오는 바이오 기반 산업 시대에 경쟁력을 갖는 균주 개발 전략을 체계적으로 제시한 것으로 평가됐다.
유가가 고공행진을 계속하고 지구온난화 등 환경문제가 심각하게 대두되는 지금 세계 각국은 바이오매스를 이용하여 화학, 물질, 에너지 등을 생산하는 바이오기반 산업 시스템 구축에 박차를 가하고 있다. 미생물을 이용한 산업바이오텍 공정이 경쟁력을 갖추기 위해서는 자연계에서 분리된 미생물의 낮은 성능을 대폭 향상시키기 위하여 대사공학으로 미생물을 개량하여야 한다. 기존의 산업바이오텍에 사용되는 미생물 균주 제조 방법과 공정개발은 무작위 돌연변이화 및 균주의 일부분만 직관적으로 조작하는 방법에 의해 수행되었다. 하지만 이들은 원하지 않은 부분에도 돌연변이를 일으켜, 균주 전체의 대사 상태를 한눈에 볼 수 없으며, 향후 환경이 바뀌었을 때 추가 개발이 용이하지 않다는 단점이 있었다. 李 교수 연구팀은 시스템 생물학의 원리에 입각하여 크게 3 단계로 나누어 체계적으로 미생물을 개발하는 새로운 전략을 제시하였다. 1단계에서는 미생물의 조절 기작 등 연구를 통해 알게 된 사실에 기반하여 게놈상의 필요한 부위만을 조작, 초기 생산균주를 제작한다. 2단계에서는 시스템 수준의 분석을 통하여 확보한 오믹스 데이터와 가상세포의 시뮬레이션 결과를 융합, 세포내의 대사흐름 최적화를 통해 목적 산물을 최고 수율로 생산할 수 있는 균주를 제작한다. 마지막 3단계에서는 실제 생산 공정 개발 단계에서 생길 수 있는 문제점들을 시스템 생물학 기법에 입각하여 해결함으로써 우수 산업용 균주의 제조를 완료한다. 이 전략은 시스템 생물학 원리를 이용하여 균주 전체의 생리 대사 현상을 한눈에 파악하면서 균주의 대사공학적 개량이 가능하다는 점에서 기존의 방법과는 차별된 한 차원 높은 수준의 균주개발 전략이라고 할 수 있다.
이번 논문의 첫 번째 저자인 朴 박사는 "최근 연구팀에서 수행 중인 시스템 생물학 기법을 이용한 실제 균주 제작 과정의 경험과 결과를 토대로 전략을 확립 제시하였기 때문에 실제 생명공학 산업계에 종사하는 연구자들에게 실질적인 도움이 될 것으로 생각한다“고 말했다. 李 교수팀은 실제로 이 전략을 이용하여 최근 용도가 다양한 숙신산을 고효율로 생산하는 미생물과 고수율의 아미노산 (발린, 쓰레오닌) 생산균주, 바이오부탄올 생산균주 등을 개발한 바 있다.
<용어설명>
1) 가상세포: 세포내에서 일어나는 모든 효소 반응을 컴퓨터에서 재구성하여 실제 세포처럼 반응 시켜 결과를 예측하는 시스템을 말한다.
2) 대사공학: 세포의 대사 및 조절 회로를 체계적으로 조작하여 원하는 생산물을 고효율로 생산할 수 있도록 만드는 기술을 말한다.
3) 오믹스 (omics): 세포 또는 개체 내에서 발현되는 단백체(proteome), 전사체(transcriptome), 대사체(metabolome), 흐름체(fluxome) 등 생명현상과 관련된 중요한 물질에 대한 대량의 정보를 획득하여 이를 생물정보학 기법으로 분석하여 전체적인 생명현상을 밝히려는 학문이다4) 시스템 생물학 (systems biology): 각종 오믹스(transcriptome, proteome, fluxome, metabolome) 데이터를 융합하고 전산 생물학 기법으로 해석하여 세포의 생리 상태를 다차원에서 규명함으로써 세포와 생명체 전체를 이해하고자 하는 학문이며, 이 플랫폼을 기반으로 유용한 미생물의 개발이 가능하다.
2008.07.24 조회수 21209