최신 과학 트렌드에 대한 자세한 내용은 과학적 돌파구: 2026년에 주목해야 할 신흥 트렌드를 참조하십시오. 여기에는 하이브리드 태양전지, 오피오이드 없는 통증 완화, 대체 배터리 기술, 자가 치유 인프라 등 다양한 주제가 포함되어 있습니다.
2024년에는 많은 주목할 만한 과학적 진보가 있었으며, 이러한 발전은 멈출 기미를 보이지 않고 있습니다. CAS는 최신 연구 동향을 지속적으로 파악하고 있으며, 2025년 주요 과학적 돌파구를 이끌어낼 8가지 핵심 트렌드를 선정했습니다. 이 분야들의 최근 발전은 연구 분야의 AI, 정밀 의학, 차세대 배터리 기술 등 다양한 주제를 아우릅니다. 이러한 트렌드는 우리의 건강과 환경을 개선하고, 기업과 창업자가 새로운 연구와 기술을 더 잘 활용할 수 있는 기회를 제공할 잠재력을 가지고 있습니다.
또한 녹화 영상을 시청하여 CAS, 캘리포니아 대학교 버클리, 오크리지 국립 연구소, POLARISqb의 전문가 패널이 논의하는 이러한 트렌드와 2025년에 가장 기대되는 관련 분야에 대해 알아보십시오.
탄력을 받는 CRISPR 치료제 파이프라인
최첨단 유전자 편집 기술, 특히 CRISPR는 신약 개발의 지형을 혁신하고 있습니다. Casgevy는 CRISPR-Cas9 유전자 편집 기술을 사용하여 개발된 최초의 미국 FDA 승인 치료제이며, 그 이후 광범위한 질병을 표적으로 하는 많은 새로운 CRISPR 기반 치료제가 신약 개발 파이프라인과 임상 시험에 진입했습니다.
염기 편집(base editing), 프라임 편집(prime editing), 그리고 CRISPR 기반 후성유전학적 조절(epigenetic modulation)의 급속한 발전은 CRISPR를 신약 개발의 최전선으로 이끌었으며, 종양학, 유전 질환, 바이러스 감염 및 자가면역 질환 분야에서 잠재적인 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 돌연변이를 교정하거나 유해한 유전자를 침묵시키고, 세포 내 보호 기능을 도입하는 것은 증상 관리에서 환자를 위한 완치 가능성을 지닌 치료법으로의 패러다임 전환을 의미합니다.
CRISPR가 치료 접근 방식을 향상시키는 몇 가지 예는 다음과 같습니다:
- T세포 기능을 억제하는 유전자를 제거하거나 암세포를 표적하는 능력을 향상시켜 더 강력하고 독성이 적은 CAR-T 치료제 개발.
- 개별 유전적 반응에 따라 중단 및 역전이 가능한 제어형 안전 스위치 추가.
- 암세포 내 유전자와 단백질을 식별하여 PROTAC의 새로운 표적 발견.
유전자 편집 도구로서 CRISPR의 다재다능함은 그 자체로 유전자 교정 및 침묵을 가능하게 하여 단일 유전자 질환과 바이러스 감염에 대한 완치 치료의 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 가장 흥미로운 점은 CRISPR, CAR-T, PROTAC과 같은 기술들의 상호 보완적 성격으로, 이를 통해 여러 기술을 아우르는 협력적 신약 개발이 가능해진다는 것입니다. CRISPR의 유연성에 기반한 새로운 치료법은 기존에 해결하기 어려웠던 질병 생물학의 측면과 환자의 요구를 해결할 수 있으며, 복합적인 접근 방식이 더 효과적인 치료법을 만들어내는 미래를 형성하고 있습니다.
리튬 기술 발전을 가속화하는 전고체 배터리 혁신
리튬 이온 배터리(LIB)는 오늘날 전기차와 많은 가전제품에 널리 사용되고 있습니다. 이에 따라 새로운 연구는 이러한 응용 분야에 더 적합한 차세대 LIB 개발에 집중되고 있습니다.
전고체 배터리(Solid-state batteries)는 전기차 도입을 저해하는 많은 핵심 문제를 해결할 잠재력을 가지고 있어 주목받는 신기술 중 하나입니다. 오늘날 LIB에 일반적으로 사용되는 액체 또는 젤 전해질보다 고체 전해질이 갖는 장점은 무엇일까요?
- 더 안전하고 화재 위험이 낮음
- 더 내구성이 뛰어나고 훨씬 더 많은 충방전 횟수 지원
- 더 콤팩트하여 동일한 부피와 무게에 더 많은 에너지 저장 가능
- 더 빠른 재충전 속도
- 추운 날씨에도 성능 저하가 적음
이러한 이점에도 불구하고 일부 업계 전문가들은 이 기술이 실제 환경에서 테스트됨에 따라 여전히 비용, 제조 및 생산 검증의 장벽에 직면해 있다고 지적하며 회의적인 입장을 보이고 있습니다.
자동차 제조사들은 이 기술에 대한 업계 전반의 투자 확대를 통해 알 수 있듯이 낙관적인 전망을 유지하고 있습니다.
- 혼다는 최근 전고체 전기차 배터리 생산 라인을 공개하며, 이 배터리가 50% 더 작아질 것으로 예상했습니다.
- 중국 최대 자동차 제조사 중 하나인 상하이자동차(SAIC)는 2026년부터 2세대 전고체 배터리 양산을 시작할 것이라고 밝혔습니다.
- 닛산 또한 2028년까지 전고체 배터리를 탑재한 전기차를 출시할 계획이라고 발표했습니다.
이러한 투자를 고려할 때, 향후 몇 년 내에 전고체 배터리의 전환점이 도래할 것으로 보입니다. 차량용 애플리케이션을 넘어, 배터리 기술은 많은 산업 분야에서 면밀히 주시되고 있으며, 새로운 돌파구가 마련될 때마다 새로운 응용 분야와 가능성이 열리고 있습니다.
AI 성공의 핵심 동력으로 부상하는 데이터 품질
2025년에도 AI는 계속해서 뉴스 헤드라인을 장식하겠지만, 이러한 기술이 수많은 산업에 통합됨에 따라 AI 성과 최적화에 대한 논의의 중심은 알고리즘에서 데이터로 이동하고 있습니다.
데이터는 모든 머신러닝 애플리케이션을 학습시키고 정보를 제공하는 근본적인 연료입니다. ChatGPT와 같은 거대 언어 모델(LLM)은 전문적인 과학 및 기술 분야에 적용될 때 여전히 상당한 한계를 보이고 있습니다. 이는 부분적으로 이러한 도구들이 화학 구조, 표 형식 데이터, 지식 그래프, 시계열 및 기타 비텍스트 정보를 처리하는 능력이 제한적이기 때문입니다.
AI 성과에 있어 데이터의 품질과 다양성이 중요하다는 점은 이미 잘 알려져 있습니다. 그러나 특정 프로젝트에 적합한 데이터는 즉시 확보하기 어려운 경우가 많습니다. 다양한 과학 분야 전반에서 AI를 개선하기 위해 연구자들은 의도한 모델 애플리케이션에 최적화된 더 높은 품질의 전문적인 데이터셋을 요구하고 있습니다. 이는 이미 약물 재창출 연구를 강화하고 컴퓨터 기반 약물 설계를 촉진했습니다. AI 애플리케이션의 데이터 품질 격차를 해소하고 성과를 개선하기 위해 사용되는 접근 방식은 다음과 같습니다.
- MIT와 도요타가 자율주행차 학습에 사용하는 것과 같은 AI 학습용 맞춤형 데이터셋 개발.
- 더 많은 데이터 소스를 활용하여 "환각" 현상과 부정확한 결과를 줄이는 복합 AI 시스템. 하나의 거대 모델 대신 여러 개의 작은 하위 모델을 특정 작업에 맞춰 학습시키는 "전문가 혼합(Mixture of Experts)" 접근 방식.
- 전문가 혼합 방식.
- 충분한 실제 데이터가 없을 때 새로운 모델을 학습시키기 위해 다른 AI 모델이 생성한 합성 데이터 활용.
기후 행동의 진전을 뒷받침하는 재료 과학 혁신
많은 국가가 파리 협정에 따라 2030년까지 온실가스 배출량을 대폭 감축하고 2050년까지 넷제로(탄소중립)를 달성하겠다는 목표를 약속했습니다. 핵심 과제를 해결할 새로운 방법을 제시하는 재료 과학 기술을 포함하여, 다양한 과학적 혁신이 이러한 목표를 향한 진전을 가능하게 하고 있습니다.
Metal-Organic Frameworks (MOFs) are highly porous crystalline materials composed of molecular cages formed from metal ions coordinated to organic molecules. These materials exhibit an extensive diversity of properties such as high surface areas, tunable pore sizes, and flexibility to pressure and temperature changes, making them suitable candidates for gas storage, gas separation, magnetism, catalysis, and electrical and optical applications. BASF is pioneering production of MOFs at commercial scale for carbon capture due to their exceptional surface area and tunable properties, and other companies are not far behind.
기후 온난화가 진행됨에 따라 에너지 효율적인 에어컨이 중요해질 것이며, MOF 기반 코팅 기술이 이러한 용도로 유용함이 입증되고 있습니다. 에어컨 부품에 코팅할 경우, MOF는 통과하는 공기에서 습기를 효율적으로 추출하여 냉방 에너지 소비를 최대 40%까지 절감합니다.
공유 유기 골격체(COF) 또한 에너지 저장, 촉매, 가스 분리 분야에서 큰 잠재력을 보여주고 있습니다. 금속-유기 골격체와 달리 COF는 완전히 유기물로 구성됩니다. 이러한 2차원 또는 3차원 구조는 MOF보다 열적 및 화학적 안정성이 높으며, 최근 연구에 따르면 이러한 안정성 덕분에 이 재료들은 지속적으로 작동하며 대기를 정화할 수 있습니다. 또한 COF는 식수에서 과불화 화합물을 탐지하고 제거하는 것과 같은 오염 제어 응용 분야에서도 효과적인 것으로 입증되었습니다.
재료 과학 연구는 환경에 미치는 영향이 적은 신소재 개발을 통해 향후 몇 년간 지속가능성 이니셔티브에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 이를 통해 재생 에너지 기술과 오염 영향을 완화하고 에너지 효율을 개선하며 기타 여러 지속가능성 목표에 기여하는 광범위한 혁신이 이루어질 것으로 예상합니다.
신약 개발의 혁신을 가속 화하는 분자 편집
전통적으로 화학자들은 복잡한 유기 분자를 합성하기 위해 방대하지만 제한된 범위의 알려진 반응에 의존해 왔습니다. 그러나 새로운 합성 접근 방식들이 등장하면서 더 다양한 분자 골격과 형태를 구현할 수 있게 되었으며, 이는 유기 및 의약 화학 분야에서 흥미로운 새로운 혁신의 물결을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다.
분자 편집은 분자의 핵심 골격 내에서 원자를 삽입, 삭제 또는 교환하여 분자 구조를 정밀하게 수정하는 기술입니다. 일련의 단계적 반응을 통해 작은 부품들을 조립하여 새로운 거대 분자를 구축하는 전통적인 방식과 달리, 분자 편집은 화학자들이 기존의 거대 분자를 정밀하게 수정하여 새로운 분자를 만들 수 있게 합니다. 이를 통해 화합물을 더 효율적이고 비용 효과적으로 생성할 수 있으며, 전체 합성 단계를 줄임으로써 많은 변환 과정에서 발생하는 독성 용매의 양과 에너지 요구량을 감소시킬 수 있습니다.
분자 편집의 가장 매력적인 측면은 혁신에 미칠 긍정적인 영향입니다. 지난 10년간 제약 업계의 "혁신 위기"에 대한 원인과 해결책이 논의되어 왔습니다. 그러나 화학자들이 원하는 구조를 얻기 위해 사용할 수 있는 경로를 다변화하는 것이 신약 후보 물질, 비료, 재료 및 기타 여러 응용 분야를 위해 고려되는 분자 골격의 양과 다양성을 높이는 핵심이라는 점에는 의문의 여지가 없습니다.
화학자들이 합성 경로를 식별하고 우선순위를 정하는 데 이미 도움을 주고 있는 AI 기반 합성 애플리케이션과 결합하여, 이러한 새로운 합성 접근 방식은 향후 10년간 화학 분야의 혁신을 몇 배로 가속화할 수 있을 것입니다.
순환 경제를 앞당기는 폐기물 관리 혁신
UN의 2024년 세계 폐기물 관리 전망(Global Waste Management Outlook) 보고서에 따르면, 획기적인 변화가 없을 경우 오염, 보건 악화, 기후 변화와 같은 잠재적 비용을 포함한 연간 폐기물 관리 비용은 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 이에 따라 재사용과 재활용의 역할이 확대되는 순환 경제 내에서 새로운 기술들이 발전을 견인하고 있습니다.
- 건식 제련 및 습식 제련과 같은 전통적인 재활용 방식 외에도, 생물학적 침출(bioleaching), 직접 재활용, 전기-습식 제련 공정 등을 통해 리튬, 코발트, 니켈, 알루미늄, 철, 망간과 같은 귀중한 금속을 재사용하는 새로운 배터리 재활용 기술이 개발되고 있습니다. 이러한 새로운 접근 방식은 위험한 화학 물질이 환경으로 유출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 많은 인기 기술에 사용되는 귀중하고 종종 희소한 원소를 회수합니다.
- 열수 탄화와 같은 바이오매스 전환 기술은 폐기물을 에너지로 전환하는 데 사용되며, 젖은 바이오매스, 유기 폐기물, 농업 잔재물을 하이드로차(hydrochar)와 같은 탄소 함량이 높은 물질로 바꾸어 발전 및 토양 개량에 활용하거나, 토양 개선제로 사용되는 바이오차(biochar)로 전환합니다.
- 플라스틱을 분해하는 박테리아는 플라스틱 재활용의 효율성을 높이고 있습니다. 플라스틱 재활용은 폐기물에서 단량체를 재생하는 방식으로, 이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis) 201-F6의 발견으로 더욱 탄력을 받았습니다. 이 박테리아는 IsPETase와 IsMHETase라는 효소를 통해 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 환경에 무해한 두 가지 단량체인 에틸렌 글리콜과 테레프탈산으로 분해합니다. 이 기술이 상용화된다면 전 세계적인 “플라스틱 중독” 문제를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.
이와 같은 혁신적인 노력은 단순히 폐기물 처리 비용을 상쇄하는 것을 넘어, 새로운 기술이 도입됨에 따라 더 나은 재정적 인센티브를 제공합니다. 제조업체, 에너지 생산 기업, 정부 및 폐기물 관리 업체들이 지속 가능성을 강화하고 제조 공정의 수익성을 개선하기 위해 폐기물 관리 비용을 절감하는 혁신에 투자하고 있는 만큼, 폐기물에서 귀중한 자원을 회수하거나 새로운 자원을 창출할 수 있는 기술을 주목해야 합니다.
실용화 단계에 접어든 양자 컴퓨팅
유나이티드 네이션스(UN)는 2025년을 세계 양자 과학 기술의 해(IYQ)로 선포했습니다. 양자 컴퓨팅 기술이 아직 널리 상용화되지는 않았지만, 과학 연구 개발(R&D) 분야에서 실질적인 적용을 향해 꾸준히 발전하고 있습니다. 예를 들어, 클리블랜드 클리닉과 IBM은 최근 의료 연구 전용 세계 최초의 양자 컴퓨터를 설치했으며, 현대의 슈퍼컴퓨터로도 해결할 수 없었던 신약 개발 문제를 해결하기 위해 그 역량을 적용하기 시작했습니다. 연구진은 양자 컴퓨팅이 분자 거동에 대한 더 복잡한 시뮬레이션과 효율적인 단백질 접힘 모델링을 가능하게 함으로써 신약 개발을 가속화할 방법을 모색하고 있습니다. 이는 구현이 본격화됨에 따라 양자 컴퓨팅이 단기간에 상당한 진전을 이룰 기회를 창출합니다.
신약 개발 외에도 양자 컴퓨팅은 다른 많은 분야의 복잡한 과제를 해결할 수 있습니다. 예를 들어, 농업 연구진은 비료 계산 및 현장 모니터링 분야에서 양자 컴퓨팅을 테스트하고 있으며, 이를 통해 작물 수확량을 최적화하여 환경 피해를 최소화하면서 식량 생산을 증대할 수 있습니다. 또한 양자 컴퓨팅은 방대한 글로벌 데이터 내에서 패턴을 식별하고 다양한 모델이 생성하는 여러 이질적인 시나리오를 더 빠르게 평가함으로써 더욱 정확한 일기 예보를 가능하게 할 것으로 기대됩니다.
최근 구글이 선보인 새로운 윌로우(Willow) 칩과 마이크로소프트 및 아톰 컴퓨팅(Atom Computing)이 2025년에 상용 양자 컴퓨터를 제공하겠다고 발표한 사실은 이 기술이 얼마나 빠르게 발전하고 있는지를 보여줍니다. 기술 확장에는 여전히 많은 과제가 남아 있어 향후 몇 년 내에 기술 환경을 완전히 장악할 것으로 예상되지는 않지만, 양자 컴퓨팅은 여러 분야에서 핵심적인 동력으로 부상하고 있습니다.
옴니오믹스(Omniomics): 차세대 단일 세포 혁명
최근 몇 년간 새로운 단일 세포 분석 기술에 대한 투자가 폭발적으로 증가했으며, 이러한 기술은 현재 조기 질병 진단, 산전 선별 검사, 바이오마커 테스트, 액체 생검 및 바이오 의약품 개발 분야에서 중요한 진전을 이루는 데 적용되고 있습니다. 유전체학, 전사체학, 단백질체학과 관련된 단일 세포 분석 기술 시장은 2023년 43억 4천만 달러 규모로 추산되었으며, 2024년부터 2030년까지 연평균 성장률(CAGR) 18.7%로 성장할 것으로 전망됩니다.
단일 세포 연구에서 급부상하는 다음 개척 분야는 멀티오믹스(multi-omics)입니다. 여러 단일 세포 기술을 결합함으로써 멀티오믹스 접근 방식은 연구자와 임상의에게 더욱 완전한 정보를 제공합니다.
- 신약 개발 측면에서 멀티오믹스는 단일 세포 수준에서 다양한 단일 모달리티 오믹스 방법을 동시에 통합하여 여러 생물학적 과정, 경로 및 질병 메커니즘을 이해하는 데 도움을 줌으로써 치료제 설계 및 백신 개발을 앞당길 수 있습니다.
- 또한 멀티오믹스는 세포 계통도를 구축하는 데 사용되어 암 연구자들이 후성유전학적 영향과 유전적 돌연변이가 단일 세포 수준에서 미치는 영향을 동시에 연구할 수 있게 합니다.
- 교모세포종 환자 모델에서 멀티오믹스는 종양 내 이질성에 대한 이해를 높여 환자 맞춤형 치료법을 제시할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
멀티오믹스를 넘어, 옴니오믹스는 모든 오믹스 데이터를 통합하여 세포 수준에서 인간 생물학에 대한 통합적인 그림을 제공함으로써 복잡한 생물학적 상호작용과 질병 메커니즘을 더 정확하게 밝혀내고자 합니다. 이 접근 방식은 신약 혁신에 광범위하게 적용되어 표적 치료제 개발을 가속화할 수 있습니다. 또한 정밀 의료를 개선하여 종양 내 다양한 세포와 그 변화 과정을 깊이 있게 이해함으로써 개인 맞춤형 치료 전략의 길을 열어줄 것입니다. 정밀 의료를 개선하는 데 지대한 영향을 미칠 것입니다.
