R&E FOR YOU(vol.7) - 성장을 위한 밑거름; Trouble-Shooting

나는 2020년부터 부산광역시영재교육진흥원이 운영하는 과학영재 창의연구(R&E) 중간성과공유회에 생명과학 분야 자문위원으로 참여하고 있다. 2020년에 5개 팀, 2021년에 12개 팀, 2022년에 14개 팀, 2023년에는 20개 팀으로 매년 자문하는 팀이 늘어나고 있는 만큼 나도 경험이 쌓이고 있다. R&E 팀들의 성과 발표를 처음 접하였을 때는 생각보다 높은 수준에 적잖이 놀랐다. (극소수이지만) 대학 이상의 수준이라고 생각되는 참신한 연구 주제들이 수행되고 있었고, 이러한 연구를 위한 고가 장비들을 고등학교 수준에서 보유하고 있었기 때문이다. 그리고 제출된 중간보고서를 바탕으로 서면 자문을 준비하는 데에 애를 많이 먹었던 기억이 생생하다. 그 당시에는 이렇게 우수한 학생들의 연구에 내가 자문을 하는 것이 큰 의미가 있을까 심각하게 고민하였다. 하지만 실시간 온라인으로 진행되는 중간성과공유회에서 학생들의 발표를 듣다 보니, 다행히도 내가 할 수 있는 일이 있었다. 많은 R&E 팀들이 연구를 처음 수행해봄에 따라 여러 애로사항이 있었고 이를 해결하는 데에 겪고 있던 많은 곤란한 점들은 선배 연구자인 입장에서 충분히 조언해 줄 수 있는 부분이었다.

많은 R&E 연구팀들에서 나타나는 문제점은 실험 결과와 관련되어 있었다. 그중에서도 실험을 수행하여 얻은 결괏값이 예측값과는 많이 달라 혼란을 겪는 경우가 가장 많았다. 여기에는 가설이 잘못된 경우, 적합한 실험방법이 아닌 경우, 실험 프로토콜의 문제, 결과 해석의 오류, 연구자의 실수 등 여러 가지 원인이 있을 수 있다. 적합한 실험방법인지 아닌지를 판단하는 것은 연구 주제와 유사한 선행연구에 관한 논문을 여러 편 살펴보면 해결하기 쉬우며, 이를 통해 실험방법에 대한 프로토콜의 자세한 정보까지 얻을 수 있다. 여기서 문제는 논문에서 제시한 프로토콜이 학생 연구자의 연구 환경에서 제대로 작동하지 않을 수도 있기에, 테스트 실험으로 확인하는 것이 필요하다.

적합한 방법으로 실험을 수행하였다고 하더라도 해석하기 어려운 결과가 나오는 데에는 대부분 학생 연구자의 미숙한 숙련도와 관련이 크다. 특히 생명과학 분야 연구를 수행하기 위해서는 여러 기자재를 다룰 줄 알아야 한다. 마이크로피펫부터 Microplate reader, Spectrophotometer, 형광현미경, Confocal 현미경, 고성능액체크로마토그래피, Flow cytometer, 초고속 원심분리기, 전기영동 기기, real-time PCR 기기 등 현재의 생명과학 연구는 적합한 기기를 잘 활용하는 것이 성과를 얻는 데 필수적으로 작용하고 있다. 가장 간단하지만 가장 많이 사용되는 마이크로피펫을 사용하는 것만 해도 숙련도가 매우 중요하다. 액체의 점성도(응집력, 부착력 등)를 파악하는 것이나 0.1㎕ 정도의 부피를 다루기 위한 미세한 조절 등 숙련도에 따라 결과가 쉽게 차이가 날 수 있기 때문이다. 그리고 프로토콜 상에서의 반응시간보다 초과하여 반응시키는 경우도 모두 숙련도와 관련이 크다. 이렇게 얻은 데이터들은 오차가 크게 나타나기 때문에 결과 해석의 오류로 이어지게 된다. 일반적인 연구자의 경우에는 학위과정 동안 연구 활동을 하며 시간이 흘러감에 따라 자연스럽게 숙련도가 향상되어 간다. 하지만 R&E 학생 연구자는 그럴 수 없다. 따라서 숙련도 관련 문제는 실험방법의 이론적인 원리와 활용되는 장비와 시료에 대하여 충분히 이해할 수 있도록 사전에 공부하고 본 연구에서는 실험을 여러 번 반복하여 수행하는 것으로 보완하여야 할 것이다.

실험 프로토콜 상에서는 문제가 없지만, 대조군 설정이 미흡하거나 대조군 없이 진행된 실험들도 많았다. 특정한 물질의 효과를 보고자 하는 연구 주제에서, 대조군 없이는 '비교'를 할 수가 없기에 그 물질의 효과가 증가하였는지 감소하였는지 판단할 수가 없다. 즉, 결과 해석을 할 수 없다는 의미이다. 그리고 관심 유전자의 발현이 변화하였는지 확인하기 위해서는 Actin, Tubulin, GAPDH, U6 RNA 등과 같은 housekeeping gene을 대조군 유전자로 활용하여야 하는데, 대조군 유전자 데이터가 없는 연구 사례를 심심치 않게 볼 수 있었다. 유전자 발현 또는 세포 이상 수준에서의 변화를 확인하고자 하는 실험이라면 변인통제를 어떻게 할 것이냐에 따라 대조군이 달라질 수 있으니 유의하여, 적절한 음성대조군과 양성대조군을 설정하여 실험을 계획하여야 할 것이다.

어떤 연구팀의 경우는 제출된 보고서와 성과공유회 발표 내용이 달랐다. 연구 설계에 문제가 있음을 나중에 발견하여 주제를 변경한 경우로, 매우 안타까운 사례이다. 실제로 연구를 진행하다 보면 주제를 변경하는 경우는 꽤 흔하게 발생한다. 그동안의 노력과 비용은 아깝지만 과감하게 중단하고 처음부터 다시 시작하는 것이 더 경제적이다. 연구의 성격에 따라 달라지지만 보통 몇 년에 걸쳐 연구가 진행되기에 시행착오로 인한 몇 주나 몇 개월의 시간적 손실은 견딜(?)만하며, 전체적인 연구 수행은 계획한 연구 기간 내에 이루어지게 된다. 하지만 학생 연구자는 시간적 손실을 만회할 수 있는 상황이 되지 못한다. 주어진 연구 기간이 짧을 뿐만 아니라 R&E 활동 외에도 고등학생으로써 수행하여야 하는 많은 과업이 있기 때문이다. 따라서 연구 주제를 중간에 변경하여야 하는 상황 자체를 피하는 것이 최선일 수 있으며, 이를 위해서는 사전에 선행연구 자료들을 충분히 분석한 다음에 연구를 설계해야 할 것이다.

9월 중순 이후에 열리는 중간성과공유회에 연구 설계만 하고 실험은 거의 하지 못한 팀이 매년 한두 개 정도 보인다. 이들은 연구에 필요한 재료를 구하는 데에 지체되었기 때문이다. 매년 다른 R&E 주제로 연구가 진행되기에, 학교에서는 사전에 물품들을 예측하여 준비해 둘 수가 없다. 연구에 필요한 물품을 학생 연구자가 그때그때 구하여야 한다. 일반적으로 실험 재료들을 구매하면 도착하는 데에 몇 주가 소요된다. 시험관이나 마이크로피펫팁 등과 같이 어떤 실험에서든 활용되는 물품은 미리 준비해둘 수 있겠지만, 실험 설계 후에 구해야 하는 특수한 시약이나 연구 대상 생물체들이 문제이다. 고등학생 연구자에게는 결코 쉬운 일은 아니겠지만, 실험을 설계하는 과정에서 요구되는 재료들을 빠르게 파악하여 구입하는 요령이 필요하겠다. 특히 실험을 진행하다 보면 재실험해야 하거나, 연구 주제를 변경하여 처음부터 새로 실험을 해야 할 경우가 생긴다. 재료 준비에 많은 시간을 소모하게 되면 주어진 전체 연구 기간 내에 목표를 달성하기가 상당히 어려워지게 된다. 학생 연구자들은 실험에 집중하다 보면 이를 간과하기 쉬우니, 원활하게 R&E 활동이 이루어질 수 있도록 담당 교사의 관심과 적절한 지도가 필요하겠다. 도움이 될 만한 정보로는 Merck사(https://www.sigmaaldrich.com/KR/ko)와 같이 일부 시약회사에서는 시약의 가격뿐만 아니라 재고량이나 출고 가능일을 알려주고 있다. 그리고 과학기술정보통신부 연구소재은행(ARIS; https://cc.aris.re.kr/cc/app/main/mainView.do)에서는 미생물, 식물, 동물, 인체 유래, 융합 물질 등 연구 소재의 분양이 가능한 여러 기관으로 연계해 주는 링크를 제공한다. 한국생명공학연구원 생물자원센터(https://kctc.kribb.re.kr)에서는 미생물, 미세조류, 동물 세포주, 식물 세포주 등을 분양해주고 있다. 한국세포주은행(https://cellbank.snu.ac.kr/main/index.html)에서는 인간의 정상 또는 암 세포주를 분양받을 수 있다. 이 외에도 많은 기관이나 업체에서 생물 자원을 분양하는 서비스를 제공하고 있다. 이러한 생물체 및 생물 소재의 분양은 신청 절차와 함께 비용이 발생하니 지도교사의 보조가 필요하다.

내가 자문 맡은 생명과학 R&E 연구팀들의 주제들은 생물체로부터 생리활성 물질이나 항생물질을 발굴하여 효과를 확인하고자 하는 것이 많았다. 대상 생물체는 세균, 곰팡이, 식물, 포유류를 포함하는 동물 등 다양했다. 이러한 유형의 연구에서는 서로 다른 실험을 통해 물질의 기능성을 여러 측면에서 분석할 수 있다. 예를 들어 항생물질의 효과를 확인하고자 한다면, cell death assay를 통해 항생물질에 의한 직접적인 표적 세포의 사멸 정도를 평가하거나 cell proliferation assay를 통해 간접적으로 표적 세포의 증식을 방해하는 정도를 평가할 수도 있을 것이다. 두 실험이 의미하는 바가 다르기에 항생물질의 효과를 확인하는 데에 두 실험 모두 수행한다면 설명할 수 있는 내용이 풍부해질 것이다. 생리활성 물질 관련 연구에서는 특정한 식물의 생장을 향상시키기 위한 연구가 많았는데, 이를 위한 실험의 예로는 식물체의 무게(건조중량)를 측정하거나 잎 또는 줄기의 길이 변화를 측정하는 것, 또는 발아율을 측정하는 것 등 개체 수준에서의 실험이 있을 수 있고, 생장 관련해 여러 유전자의 발현 변화를 측정하는 분자 수준에서의 실험도 있다. 유전자 발현 변화를 평가할 때는 전사와 번역이 잘 이루어졌는지를 모두 확인하는 것이 필요하다. 하지만, 고등학교 수준에서 Western blot 관련 시스템이 구축된 곳이 매우 드물어 단백질 발현 분석에 관한 실험 결과는 거의 볼 수가 없었고, 일반 PCR 기기 또는 real-time PCR 기기는 갖추고 있는 경우가 많아 mRNA 발현량 분석 실험은 많이 이루어지고 있었다. 이런 종류의 실험들에서 공통으로 나타나는 아쉬운 점은 모두 통계처리가 미흡했다는 점이다. 한 번 수행하여 얻은 데이터로 해석하려고 한다거나, 대조군 없이 수행된 실험으로 얻은 데이터로 분석이 불가능한 상태인 경우들이다. 중간성과공유회 자리를 빌려 반복 실험의 필요성과 통계적 유의성 평가에 대하여 짧게나마 조언을 해주고 있지만 충분하지 않음을 많이 느끼게 된다. 반복 실험을 통한 통계 분석을 해야 함을 사전에 파악하고 있었다면, 실험 재료도 충분히 구해 놓고 실험 기간을 충분히 길게 산정하는 등 완성도 있는 연구 계획을 세울 수 있을 것이고 이는 목표를 쉽게 달성하도록 할 것이다. 통계 분석에 관한 내용은 어떠한 연구 주제이던지 관계없이 생명과학 연구에서 중요하게 작용하고 있기에 2020년부터 과학영재창의연구(R&E) 지원센터 홈페이지의 자료실(http://www.rne.or.kr/gnuboard5/bbs/board.php?bo_table=data_manual)에서 교원 매뉴얼과 학생 매뉴얼을 제공하고 있고 온라인 강의와 연수 프로그램을 통하여 교육 기회를 제공하고 있으니, 적극적으로 활용하는 것이 필요하겠다.

중간성과공유회에 매년 자문위원으로 참여하다 보니, 매우 드물게 융합형 주제를 수행하는 R&E 팀들도 맡게 된다. 매우 도전적인 주제이면서도 흥미로운 주제들이어서 눈길이 간다. 하지만 이러한 융합형 주제들이 간혹 생명과학의 탈(?)을 쓴 물리나 공학, 정보 계열 분야 연구인 경우가 있다. 이런 융합형 주제들은 생명과학자 입장에서 최선을 다해 자문하겠지만 이는 피상적일 수 있기에, 해당 분야의 전문가로부터 자문을 받는 것이 연구 진행에 훨씬 도움이 될 것이다. 처음부터 물리, 공학, 정보 분야 등으로 계획서를 제출하는 것이 가장 좋겠지만, 연구 도중에 많은(?) 수정으로 인해 계열의 변동이 발생하였거나 처음부터 잘못 제출된 경우 등 파악한 시점에 즉시 과학영재창의연구(R&E) 지원센터에 연락하여 적절한 조치를 받아 연구 수행에 차질이 없도록 하여야 하겠다.

올해에는 20개 팀을 4일에 걸쳐 성과공유회를 가졌다. 다소 많은 팀이었지만 일정이 서로 떨어져 있어 중간보고서를 사전에 충분히 살펴볼 여유가 있었으며, 그중에서도 두 팀의 보고서 내용 중 일부가 기억에 남아 소개하려고 한다. 부산일과학고등학교 팀(김경민, 이하윤, 정주영, 지예나, 지도교사 강옥화)과 경기북과학고등학교 팀(박승규, 박종현, 신주현, 지도교사 김정미)이다. 이 두 팀은 「연구 방법 및 절차」 부분을 한눈에 보기 좋게 작성해 주었다. 지금은 중간보고서라서 미완성이겠지만 연구가 종료된 후 최종보고서를 작성하여 청소년과학창의연구(학술지)에 싣고 나면, 이 보고서를 주로 읽고 공부하는 이들은 다음 해에 학생 연구자로 참여할 후배들일 것이다. 이들이 학술지에 실린 연구보고서에서 주로 살펴보게 될 내용들은 「연구 방법 및 절차」와 그에 따른 「연구 결과 및 고찰」 부분이 될 것이다. 「연구 결과 및 고찰」은 데이터(그림, 그래프, 표 등)를 바탕으로 서술하게 되므로 대부분의 보고서에서 특별한 차이 없이 작성된다. 물론 데이터가 부실하면 내용도 부실해지기는 하겠지만, 이러한 경우를 제외하고는 대부분 적절한 내용으로 연구의 흐름에 따라 논리적으로 잘 작성된다. 하지만 「연구 방법 및 절차」에서는 실험 재료의 정보가 빠지거나 실험 절차의 일부가 생략되거나, 사용한 용액의 명칭이나 용어에 대한 통일이 이루어지지 않거나 하는 등 여러 문제점이 보이곤 한다. 실제의 연구자들이 연구 성과를 정리하여 논문으로 게재할 때 「연구 방법 및 절차」에 해당하는 내용은 필요에 따라 간소화하기도 한다. 해당 분야의 연구자들이 보편적으로 인지하고 있는 내용이나 과거 연구에서 동일하게 수행된 실험 방법들은 참고문헌을 인용하는 것으로 대체하여 논문의 분량을 최소화하는 경향이 크다. 특히 페이지 수에 따라 논문 게재료가 책정되는 경우가 많아 경제적인 측면을 고려하지 않을 수가 없기 때문이다. 하지만 앞서 서술한 바와 같이 "R&E 연구보고서"는 후배 학생 연구자를 배려하는 차원에서 최대한 자세하게 서술하는 것을 지향해야 한다. 더구나 단순한 오타나 실수라고 보기에 무리인 경우도 제법 보이는데, 이러한 데에는 아마도 연구보고서 제출 마감의 시간 압박으로 인해 「연구 결과 및 고찰」의 내용 작성에 더 많은 시간을 투자했기 때문이라고 짐작할 뿐이다. 사실 「연구 방법 및 절차」 부분은 초기 연구 단계에서의 실험 설계에 문제만 없다면 변경될 일이 없으므로 처음에 제대로 작성해 두면 최종보고서 작성하는 데에 있어 상당히 편해진다. 두 팀의 양식은 조금 다르지만, 공통적으로 세부 절차를 번호를 부여 하여 정리하고 있다. 특히 경기북과학고등학교 팀은 실험 재료도 빠뜨리지 않도록 표 형태로 묶어서 표현하는 것이 인상적이다. 이러한 부분은 다른 R&E 연구팀에서도 참고하기를 바라는 마음에서 소개한다.

마지막으로 소개할 R&E 연구팀은 인천과학예술영재학교 팀(강진규, 손동은, 안정현, 최윤영, 지도교사 윤덕한)이다. 이 팀의 중간보고서를 처음 살펴보았을 때 비록 실험 데이터에는 의문점이 많았지만 다른 팀들에 비해 완성도가 꽤 높다는 느낌을 받았고, 온라인 성과공유회 발표에서도 체계적으로 연구를 진행하고 있구나 하는 깊은 인상을 받았기에 소개한다. 이들은 연구 설계 이후 초반부터 자체적으로 「연구 진행 상황」을 작성하고, 수행한 실험들은 초록색으로 표시하고 아직 수행하지 않은 실험들은 빨간색으로 표시하는 방식으로 관리하고 있었다. 이 팀의 연구에는 식물 생장에 도움이 되는 내생균근의 포자 분포 패턴을 분석하는 내용이 포함되어 있으며, 이를 위하여 설계한 실험의 종류만 해도 10개가 넘는다. 서로 연결되는 일부 세부 실험을 하나의 실험으로 본다고 하더라도 전체 수행하여야 할 실험이 상당히 많은 편에 속한다. 일반적으로 이렇게 다수의 실험을 설계한 R&E 팀들은 실험 원리에 대한 공부와 실험 준비에 힘을 많이 쏟느라 정작 본 실험은 하지 못하고 있는 경우가 많은데, 인천과학예술영재학교 팀은 상당히 많은 분량의 실험을 수행하였다. 물론, 얻은 데이터를 활용할 수 있느냐는 다른 문제이지만, 재실험을 어떻게 진행할지 연구 방향을 고민할 수 있고 현재 처해있는 상황을 빠르게 파악하는 등 체계적으로 연구를 진행할 수 있었던 것은 「연구 진행 상황」을 스스로 확인하며 인지하고 있었음에 있다고 생각된다. 일반적으로 경험 많은 연구자들도 자신의 연구 내용에 관한 추진 체계를 작성하고 그 진행 상황을 주기적으로 확인한다. 공유문서를 활용하는 방식으로 하여 「연구 진행 상황」을 한눈에 살펴볼 수 있도록 한다면 불필요한 설명 없이 서로 간의 의사소통이 원활하게 될 것이고 연구 진행 속도를 능동적으로 조절할 수 있을 것이다. 여기에 추가로 공유문서의 기능을 십분 활용하여 반복 실험 횟수, 유의미한 데이터 확보 여부 등을 표시할 수 있도록 꾸린다거나, 실험 항목에 링크로 실험방법이나 특이 사항 등을 써두는 등 여러 가지 방식으로 응용이 가능할 것이다. 간단한 활동만으로 많은 긍정적인 효과를 불러올 수 있는 좋은 방식이니 다른 R&E 연구팀들이 적극적으로 활용하여 좋은 아이디어는 공유하고 후배들에게 물려줌으로써 다 같이 발전해 나갔으면 하는 마음이다.

여러 해 동안 중간성과공유회를 비롯한 많은 과학영재창의연구(R&E) 활동에 참여하면서 학생 연구자들의 사정에 관심을 가지고 그들이 어떠한 생활을 하고 있는지 살펴보게 된다. 이들은 배우고 익히기 위하여 자신의 시간을 쪼개어 가며 치열하게 노력하고 있다. R&E 주제 중에는 참신하고 독창적인 것이 많다. 연구 경험 부족으로 겪는 시행착오에 더하여 주어진 예산과 기간이 짧은 탓에, 독창성을 살려 최종 결과물로 이어지는 경우는 드물다. 그렇다고 하더라도 얻는 것은 많기에 긍정적인 면을 보았으면 좋겠다. 참고문헌 조사, 재료 준비에서의 애로사항, 실험 오류 및 극복 경험 등 말이다. R&E 활동에서 발생한 여러 문제점들과 이들을 해결한 경험들은 자신만의 노하우를 갖도록 하는 소중한 자산이 될 것이고, 이러한 경험을 밑거름 삼아 훗날 창의적인 연구자로 거듭나게 될 것으로 생각한다. 이 글을 보는 모든 학생연구자에게 지금 잘하고 있다고 말해주고 싶다.