루카 투린의 향(香)의 과학

여러분이 맡게 될 이 향기는 앞으로는 다시 냄새 맡을 기회가 없을 것입니다. 이것은 '천국을 넘어' 란 이름을 가진 향기인데요, 전국 어느 매장에서나 볼 수 있지요. 에스티 로더가 그 향수를 구성 요소로 분리했는데 그 작업을 한 사람은 캘리스 벡커이지요. 우선 이들에게 깊은 고마움을 표시하고 싶습니다. 향수는 음악적으로 말하자면 음과 화음의 연속이라고 할수 있죠.

지금 맡는 냄새는 그 향수의 상향 노트입니다. 그 다음이 소위 말하는 하트, 즉 그윽한 하트 노트가 따라옵니다. 제가 보여드리죠. 에덴 상향 노트는 영국의 에덴 프로젝트에서 이름을 따왔지요.

싱싱한 하트 노트인 카유풋 나무껍질 노트에는 사실 카유풋 나무껍질이 전혀 들어있지 않지요, 그건 사용이 절대로 금지됐으니까요.

저것들이 섞이면 판매되는 완제품 향수가 되죠. 여러분이 지금 맡고 계시는 향수 분자의 종류는 -- 그 향수에 몆 종류의 분자가 있냐고 물어 봤더니 아무도 말해주지 않더군요. 그래서 제 연구소에 있는 가스 크로마토그래프에 넣어보니까 약 400 종류가 되더군요. 그러니까 여러분이 맡고 있는 것은 몇 백가지 종류의 분자들이 공기 중에 떠돌다가 당신의 코에 부딪힌 것입니다.

그런데 냄새가 매우 주관적인 것이라고는 생각하지 마세요. 여러분 모두가 사실 똑같은 냄새를 맡고 있지요. 냄새는 맡는 사람에 따라 조금씩 다르다는 인식이 퍼져있지요. 그런데 그건 사실이 아니지요. 만약에 사람에 따라 냄새 맡는 것이 다르다면 향수 제조 기술이란 것이 있을 수 없게 되니까요. 그렇죠?

이 냄새를 맡는 동안, 향수에 관련된 역사를 하나 말씀드리죠. 여러분이 여기서 냄새 맡는 모든 것은 원자로 구성돼 있는데 이 원자들은 제가 말하는 소위 원소 주기표의 어퍼 이스트 사이드라는 아주 좋고 안전한 동네 출신이지요. (웃음) 향수 제작가로 성공하려는 사람은 이 동네의 원소를 그냥 내버려 두면 안되죠. 1920년대에 몇몇 사람들이 원소 주기표의 "나쁜 주소"에 있는 원소들을 써봤는데 별로 재미를 보지 못했지요.

커피부터 향수에 이르기까지 여러분이 실생활에서 맡는 냄새의 거의 모든 것은 다섯 가지 원자로 만들어 졌지요. 이 강연의 첫부분에서 냄새 맡았던 상향 노트는, 향수 제조업계에서 풀잎향 그린이라고 부르는 건데, 이상한 이름이죠- 이것은 초록 노트라고 하지요, 왜냐하면 잔디를 깎을 때 나는 풀 냄새가 나기 때문입니다.

이것은 시스 3 헥사놀입니다. 저는 지난 3년간 일하며 짬짬이 화학을 배워야 했지요. 매우 비싼 고등학교 화학 교육이었지요. 6개의 탄소 원자를 가지고 있어서 '헥사'라고 하고 이중 결합이 하나 있고, 끝에 알코올이 있어서 '올' 자가 붙고 그래서 시스 3 헥사놀이라고 부르죠. 이런걸 파티에서 얘기하면 사람들이 당신을 존경스럽게 볼겁니다.

이건 풀 자른 냄새가 납니다. 이것은 분자의 뼈대입니다. 여기에 원자로 옷을 입히면, 수소 원자로요, 지금 컴퓨터 화면에는 이렇게 보이지만 사실은 이런 모양에 더 가까운데 그 이유는 원자들에는 들어갈 수 없는 공 모양의 지역이 있으니까요--서로 밀어내거든요.

자 그럼 왜 여기서 잔디를 깎은 냄새가 날까요? 왜 여기서 감자나 바이올렛 냄새가 안날까요? 여기엔 두 가지 설이 있지요. 첫 번째 이론은 분자의 모양 때문이라는 것입니다. 이것은 생물학에서는 거의 모든게 모양에 따라 반응 여부가 결정된다는 차원에서 보면 완벽한 이론이지요. 효소나 항체들이 단백질이나 또는 오만가지 잡동사니와 결합하고 그러는게 모양대로 가니까 냄새도 그러리라는거죠. 좀 있다가 제가 이 개념의 무엇이 잘못됐는지 설명해 드리죠.

그리고 또 다른 이론은 우리가 분자의 진동을 냄새맡는다는 것입니다. 이건 완전히 정신나간 아이디어죠. 제가 90년대 초에 처음으로 이 이론을 접했을 때, 전 제 전임자인 말콤 다이슨과 밥 라이트가 정말로 미쳤다고 생각했었지만 지금은 왜 이게 맞는 말인지 여러분께 설명드리려 합니다. 어쨌건, 전 조금씩 제 전임자가 옳을 수 있겠다는 걸 깨닫고, 이제는 제가 제 동료들을 설득시키려고 하죠. 지금도 노력하는 중이지요.

이것은 일반 수용체에서 '모양'이 어떻게 작용하는지 보여주지요. 분자가 도달해서, 단백질안에 들어가고, 여기선 개략적으로 그려져 졌죠, 어떤 부분과 결합해서 이걸 어떻게 활성화시키고, 돌리고, 움직이지요. 분자와 단백질 사이의 잡아당기는 힘으로 인해 움직임이 발생한는 거죠. 이게 바로 '모양' 아이디어죠.

'모양' 설의 모순은 이 슬라이드에 요약되어 있습니다. 이 정도는 여러분이 다 외우실 것으로 기대하겠습니다. 이것은 어떤 향수 회사에서 일하는 화학자 한 명이 적은 작업 일지의 한 페이지입니다. 이 페이지엔 그가 만든 45개의 분자가 적혀 있는데, 백난나무 혹은 백단향이 나는 물질을 찾고 있지요. 왜냐하면 백단향으로 큰돈을 벌 수 있기 때문이죠. 이 45개의 분자들 중에, 오로지 4629번만 실지로 백단향이 납니다. 그래서 느낌표로 표시했지요. 이건 엄청난 양의 일이죠. 이런 결과를 얻는데 월급을 낮게 잡고 각종 수당을 제외하더라도 약 20만 달러 정도의 인건비가 들었지요. 보시다시피 이건 정말 비효율적인 과정이지요. 저는 이론이라는 것이 사람들을 가르치는 목적뿐 아니라 노동을 줄이는데도 기여해야 한다고 생각합니다. 좋은 이론이라면 우리 일을 덜어내는데 도움이 돼야 한다는거죠. 전 일을 줄여주는 아이디어를 좋아합니다. 제가 여러분께 왜 이 '모양' 이론이 별로 쓸모가 없는지를 설명하는 간단한 이야기를 하나 해 드리죠.

이것은 시스 3 헥사놀입니다. 이건 풀 자른 냄새가 납니다. 이것은 시스 3 헥사네시올입니다, 이건 썩은 달걀 냄새가 납니다, 아시겠죠? 여러분은 보드카에서는 절대로 썩은 달걀 냄새가 나지 않는다는 걸 아시죠. 혹시라도 그런 냄새가 나면, 잔을 내려놓고 다른 술집으로 가세요. 화학의 용어로 설명하자면, 우리는 절대로 O-H 결합을, S-H 결합과 착각하지 않는다는거죠. 그렇죠? 마찬가지로 어떤 농도에서도, 순수한 것도, 순수 에탄올 냄새를 맡아도, 썩은 달걀 냄새가 나지 않겠죠. 반면에, 유황 화합물은 어떠한 농도에서도 보드카 같은 냄새가 안나죠. 이런 현상을 분자의 "모양" 아이디어로 설명하기는 매우 힘들답니다. 제가 이걸 생물학을 무척 싫어하는 물리학자 친구에게 보여줬더니 그 친구는 "간단해! 색깔이 다르잖아!" 하더군요. (웃음)

우린 그보다는 좀 더 나아야겠죠. 자 이제 왜 "진동" 설이 흥미로운지 설명해 드리죠. 이 분자들에는, 여러분이 전에 보셨듯이, 기본 요소들을 서로를 연결해주는 스프링이 달려있지요. 사실, 각각의 분자와 이들을 연결하는 결합은 그들의 고유한 일정한 주파수로 진동하지요.

이것은 O-H 확장영역을 가청 범위로 변환한 소리입니다. S-H는 무척 다른 주파수죠. 이건 꽤 흥미로운 현상인데 그 이유는 이 세상에서 썩은 달걀 냄새가 나는 것은 S-H 밖에 없기 때문이죠. 재미있죠?

두 번째 사실은, 이 세상에서 그 주파수를 가진 것은 S-H 뿐이라는 거죠. 이제 이런 피아노 건반을 상상해 보세요. S-H 확장영역은 건반의 중간 부분에 있는데 그 키의 좌우가 부서져서 비슷한 소리를 낼 수 있는 키가 없다고 상상한다면 S-H가 특이한 진동이 되고, 특이한 냄새가 되죠.

저는 그래서 이 일을 시작하기 전에 이 미친 아이디어가 근거가 있는 이야기라는 것을 제 자신에게 설득시킬 수 있도록 연구를 시작했습지요. 전 어떤 분자이든 그런 진동을 가지고 있는 분자 타입을 찾아나섰고, 그것은 확실한 유황 냄새가 날 것이라는 분명한 예측을 했지요. 만약 결과가 예측과 다르게 나온다면 그 아이디어는 엉터리니까 다른 것을 연구해야겠죠.

몇 개월동안 샅샅이 뒤진 끝에, 전 보란이라는 정확하게 똑같은 진동을 가진 분자 타입을 발견했지요. 좋은 소식은 보란을 구할 수 있다는 것이었지요. 그런데 나쁜 소식은 그게 로켓 연료라는 것이예요. 그 분자들은 대부분 공기와 접촉하는 순간 . 폭발하고 최소 주문량은 10톤이라고 하더군요. (웃음) 이건 소위 말하는 연구실 규모의 실험을 넘어서게 되고, 제가 속한 대학에서도 별로 반기지 않겠지요.

어쨌건, 전 드디어 보란을 구할수 있었고, 이게 그겁니다. 이것은 계산하고 측정해 보면 알지만 정말로 S-H와 진동수가 같지요.

이것에서 황냄새가 날까요? 과거의 문헌을 보면 알프레드 스톡이라는 사람이 있는데 그는 모든 보란을 합성했을 뿐만아니라 그 누구보다도 보란에 대해 잘 알았지요. 그는 40 페이지에 달하는 긴 독일어 논문을 썼는데 --제 아내가 독일 사람이라 그 논문을 번역해 줬지요 -- 그는 "ganz widerlich Geruch" 즉 "절대적으로 불쾌한 냄새"라는 어휘를 사용했는데 그건 황화수소를 연상하게 하니까 좋은 소식이지요. 이와 같이 보란에서 황냄새가 난다는 사실은 1910년에 이미 알려졌지만 1997, 1998년 까지는 완전히 잊혀진 상태에 있었지요.

근데, 옥의 티 같은 문제가 하나 있는데 그건 분자 진동을 냄새로 지각한다면 우리 코 안에 분광기가 있어야 한다는 거죠. 이건 제 연구소에 있는 분광기이죠. 그런데 사람들의 코안에서 이런 장비를 볼 가능성은 희박하다고 봐야겠지요. 이게 사람들이 이 이론에 반대하는 주된 이유입니다.

좋아요, 우리가 진동을 냄새로 맡는다고요? 그럼 어떻게? 이런 질문을 하는 사람들은 생물학자와는 달리 물리학자들은 정말 똑똑하다는 사실을 잊어버린 사람이죠. (웃음) 이건 농담이예요, 사실 전 생물학자거든요. 그러니까 저 자신에게 하는 농담이지요.

포드 자동차회사가 기초연구에 거액의 자본을 투자하던 시절에 포드에서 일하던 봅 잭로비치와 죤 램이 본질적으로 나노스케일인 분광기를 만드는 방법을 발견했지요. 즉, 거울, 레이저, 프리즘 같은 부속 장치를 쓰지 않고 전자 터널링 기술을 사용해서 아주 작은 장비를 직접 만들어냈답니다. 제가 여기서 전자 터널링을 춤으로 여러분께 보일수도 있겠지만 그보다는 준비해 온 비디오가 더 재미있을겁니다. 작동원리를 보여드리지요.

전자는 경계가 모호한 녀석들이기 때문에 에너지 레벨이 같은 곳에서는 공간을 뛰어 넘을 수 있는데 에너지 레벨이 다르면 뛰어 넘지 못하죠. 우리와 달리 절벽에서 떨어지는 일이 없답니다. 자 그런데, 어떤 것이 에너지를 흡수하면 전자가 다른 곳으로 갈 수있죠. 그래서, 전자를 방출하는 어떤 물체가 있으면 -- 생물학에는 그런 것들이 많죠 -- 전자들이 점프하려고 하는데 어떤 특정한 진동수를 가진 분자가 있어야만 전자가 에너지 레벨이 다른 곳으로 이동할 수 있지요. 포드 회사 연구진이 만들었던 장비의 기본 원리가 바로 이것이었죠.

그런데 실제 생물적 구조로 이장비의 모든 부품을 대체할 수 있지요. 달리 말하자면, 저는 기존 생물학적 부품들을 사용해서 분광기를 만들었지요. 코와 눈 그리고 귀가 모두 진동을 감지하는 센서라는 것은 철학적인 성향이 있는 사람들이 볼때 아주 멋진 아이디어죠. 그런데 이건 물론 틀린 생각일 수 있는데 틀려도 상관없어요. 이 아이디어는 -- (웃음) -- 이 아이디어는 예를들자면 19세기 독일 문학책들을 너무 많이 읽은 사람에게 매력있는 아이디어죠.

그러던 중 저는 운이 좋게 학계를 떠나서 실 사회로 들어가 제 아이디어를 중심으로 회사를 하나 설립할 기회가 생겼는데 그건 '좋은 아이디어라는 말만 하지 말고 실지로 (내 돈이 아닌) 다른 사람의 돈을 투자하라'는 그런 식이었지요. 우리가 애당초에 했던 일은 향수 회사를 찾아 돌아다니며 그들이 원하는 것이 무엇인지 물었던 것이죠. 왜냐하면, 냄새 분자를 계산으로 찾아낼수 있다면 화학자들이 필요없게 되고 적절한 프로그램을 짜서 애플 맥 같은 컴퓨터에 돌리면 되니까요. 그렇죠? 그러면 주말에 천개 또는 만개의 분자를 컴퓨터로 시험해 보고 화학자에게 원하는 분자를 만들어 달라고 하면 되니까요. 이 방법은 새로운 방향제를 만드는 지름길이지요.

우리는 사업 시초에 불란서에 있는 향수 회사를 몇 군데 찾아 갔었는데 그런데 어떤 사람이 --이제 제가 찰스 플레셔 흉내를 내보죠-- "쿠마린은 합성할 수 없소" "당신이 쿠마린을 못 만든다는데 돈이라도 걸겠소" 그랬죠.

자, 쿠마린은 남아메리카산 콩으로 만드는데 향료로 많이 사용되는 물질이지요. 그런데 쿠마린은 전형적인 인공 향료이죠. 그렇죠? 이 향료는 남성용 향료를 특징짓는 분자인데 정확히 말하면 1881년 부터 사용됐지요.

그런데 문제는 이게 발암불질이라는 거죠. 사람들은 면도후 얼굴에 발암물질을 바르는 걸 별로 좋아하지 않지요. (웃음) 암 정도는 끄덕 안하는 사람도 있지만 그럴 필요는 없겠죠. 그쵸?

그래서 그들이 우리보고 새 쿠마린을 만들라고 해서 우리는 계산을 시작했죠. 이 작업의 첫단계는 쿠마린의 진동 스펙트럼을 계산하고 그 곡선을 평탄화하여 말하자면 쿠마린의 화음이 어떤지 잘 이해하는 것이지요. 그리고는 컴퓨터를 돌려서 동종 계열이건 아니건 전혀 관계가 없는 분자들을 찾지요.

그런데 이 경우에는, 말하기 좀 쑥스럽지만 운이 좋아서, 정말 우연하게 그런 분자를 찾았지요. 하루는 우리의 수석 화학자가 저한테 전화를 하며 방금 자기가 멋진 결정체 화합물을 만드는 기막힌 원 스텝 화학반응을 발견했는데 수확률도 90%가 되는 신나는 화학반응이기 때문에 --화학자들의 사고방식은 참 괴상해요-- 쿠마린 향은 안 나지만 그래도 작업을 계속하자는 말을 했지요.

저는 그래서 오른쪽 아래에 있는 쿠마린과 비슷하게 생겼지만 가운데에 추가적인 5각형이 들어가 있는 화합물에 대한 계산을 먼저 해보자고 말했지요. 진동 계산 결과를 보면 자주 색깔이 새로운 화합물이고 흰색이 구식 쿠마린이죠. 우리는 쿠마린 냄새가 날것이라고 예측했지요. 그 화합물을 만들었더니 쿠마린과 똑 같은 냄새가 났지요. 이게 톤킨이라는 우리의 자랑스런운 제품이죠. 과학자들은 항상 아이디어를 팔죠. 그런데 사람들은 당연히 새로운 아이디어에 저항을 하죠. 새로운 아이디어를 받아들여야 할 이유가 없으니까요. 하지만 향수 회사에 가서 쿠마린 냄새가 나는 10그램 짜리 향수병을 테이블 위에 놓고 그 병 안에 있는 물질은 쿠마린이 아니고 3주간 연구해서 만든 것이라고 말하면 모두 귀가 솔깃해지죠. (웃음) (박수)

사람들은 종종 '당신의 이론이 인정받았나요?'하고 묻죠. 그럼 저는 '누구로 부터요?'라고 반문하죠. 제 생각에는 3가지 종류의 사람이 있다고 생각해요. 그중 제일 합리적인 것은 '당신이 옳은데 왜 당신이 옳은지 모르겠소', 즉 당신이 옳긴 한데 방법엔 흥미가 없으니 그냥 분자만 가져오라는 사람들이 있고, 당신이 완전히 틀렸고, 틀린게 분명해보인다는 사람도 있죠

그런데 우리는 지금 결과에만 관심이 있는 사람들을 상대하고 있죠. 상업세계이니까요. 그들은 우리가 점성술로 하더라도 좋다는 거예요. 물론 우리는 점성술을 사용하지 않죠. 저는 지난 3년간 제생각에 이 우주 전체에서 가장 좋은 직장을 가지고 있다고 생각하는데 그 이유는 향수 및 다른 재미있는 것을 즐기는 제 취미생활과 약간의 생물물리학과 약간의 스스로 배운 화학을 활용해 실지로 쓸모있는 물건을 만든다는 것입니다.

대단히 감사합니다. (박수)