21세기 물리학의 관심은 전통적 범주를 넘어 소위 복잡계라 불려지는 비평형상태의 생물, 사회경제, 정보통신 시스템의 창발적 현상을 물리적으로 이해하고자 하는 영역으로 확대되고 있다. 생물물리는 기존의 전통적인 생물학과 물리 사이를 연결하는 학문으로 분자 수준의 미시적 스케일에서부터 거시적 스케일에 이르기까지 다양한 레벨에서 일어나는 생명 현상과 패턴을 물리 이론과 수학으로 규명하는 학문이다. 최근에는 단분자 혹은 단세포 수준에서 생명 현상을 관측할 수 있게 됨에 따라 미시적 스케일에서 생명 현상의 이질성(heterogeneity)과 확률과정적 성질을 이해하는 것이 중요한 방향이 되고 있다. 복잡계 네크워크는 21세기 통계물리의 떠오르는 분야로써 통계물리의 개념과 방법론을 확장시킬 뿐 아니라 사회 경제 등 다양한 학문 분야의 이론적 분석틀을 제공하는 중요한 학제간 연구 분야이기도 하다. 우리 물리학과에서는 생물물리 혹은 복잡계 물리를 연구하는 5팀의 실험/이론 연구그룹이 있다.

 

단일분자 생물물리(Single-molecule biophysics)의 연구는 DNA, RNA, 단백질 등의 생체분자 하나 하나를 관측하여 정성적인 성질뿐만 아니라 변위, 속도, 힘 등의 물리량을 정량적으로 분석하여 생명현상을 규명한다. 각각의 생체분자 또는 세포에서 측정된 물리량의 분포를 통하여 그들의 거동을 더욱 정확하게 파악할 수 있고, 개별 생체분자의 움직임을 실시간으로 관측할 수 있는 동역학 연구가 가능해진다. 본 연구실은 single-particle tracking, FRET, optical tweezers, flow-stretching bead assay 등의 단일분자 제어 및 관측 기술을 이용하여 다양한 생명현상을 연구하고 있다.

 

나노정밀 역학생물학 Nano-Precision Mechano-Biology (손민주) 

첨단 광원을 이용한 미세 구조 분석을 기반으로 응집/나노 물질, 바이오 시료 등 다양한 시스템에 걸친 연구 수행. 펨토초 초단파 광원(예: 엑스선 자유전자 레이저)을 이용하여 물질의 비평형, 초고속 상변화 연구하고 있다.

 

 

미시적 관점에서 생명 현상은 확률과정적(stochastic)이며 열적 요동과 생체 구성 물질들 사이의 복잡한 상호 작용에 의한 창발적(emergent) 현상으로 이해할 수 있다. TBIO-StaPhy 랩에서는 통계역학적 관점에서 생체 내의 수송 동역학, 염색체 구조와 타깃 찾기, DNA 및 폴리머 물리 등을 이론적으로 혹은 실험 그룹과의 협동으로 연구한다.
이와 함께 통계물리 그룹으로 생물물리와 교차점에 있는 순수통계물리문제(비정상확산프로세스, first passage time등)에 대한 연구도 진행하고 있다.

사회 현상과 관련된 빅데이터를 분석하고 복잡계 이론으로 해석하고 다양한 모델링을 통해 사회에 대한 이해를 높이는 연구를 수행한다. 서지정보 분석, 미래 기술 예측, 교통 흐름 분석, 산업 구조와 도시의 성장, 금융시장과 스포츠등의 데이터를 주로 연구한다.

NCSL에서는 자연 및 뇌에서 발현되는 복잡성의 과학적 이해를 시도하고 있다. 지난 30년간 비선형동역학, 카오스, 복잡계 과학의 새로운 방법론들은 복잡성을 정량화하고 그 이면에 숨어있는 패턴의 질서 구조를 이해하는 데 핵심적인 역학을 하고 있다. 특히 NCSL에서는 수학적 모델링과 복잡계 시뮬레이션 등 통합적 접근 방식을 통해 뇌 더 나아가 의식과 관련된 복잡성의 과학적 이해를 추구하고 있다.