<천재 아니면 미친 과학자>
1983년, 야생 옥수수를 사용해서 연구를 하던 바바라 맥클린토크(Barbara McClintock)가 노벨 생리⋅의학상을 수상했다. 그녀의 이론은 전 세계를 경악시키기에 충분했다. 그녀는 유전자가 그 개체의 일생 동안에도 변화한다는 소위 단시간에 형질변경이 가능하다는 것을 주제로 삼았기 때문이다.
맥클린토크는 코네티컷주 하트포트에서 태어났는데 그곳은 미국에서 가장 작은 주 중 하나지만 유럽인들이 최초로 이주하고 또 최초로 영국으로부터 독립한 유서 깊은 역사를 자랑하는 곳이다. 그곳애서 맥클린토크는 의사인 아버지와 아마추어 예술가인 어머니 사이에서 셋째딸로 태어나 어릴 때부터 ‘홀로 살아가는 능력’을 터득했다. 일곱 살에 학교에 들어갔는데 바바라는 자기가 더 이상 응석받이가 아니라며 어머니의 포옹을 단호하게 거절했다고 한다. 특히 바바라는 평생 동안 짧은 머리를 하고 살았다. 이후에도 그녀는 자기의 개성을 꺾지 않는 성격은 계속 견지되어 그녀를 아는 사람들은 이구동성으로 바바라가 항상 외톨이었고 혼자서 모든 일을 해결하려는 독립적인 사람이었다고 말한다. 1923년 그녀는 자신의 생각을 단적으로 토로한다. 누군가와 가까운 관계를 맺는 것은 자기에게 맞지 않는다는 것이다. 심지어 가족과도 친밀하지 않다고 말했다. 1958년 노벨생리의학상을 수상한 조슈아 레더버그(Joshua Lederberg)는 그녀를 다음과 같이 평했다.
“맹세코 그 여자는 미쳤거나 아니면 천재입니다.”
<노벨상이 증빙해준 형질변경>
노벨상을 받은 맥클린토크이므로 천재로 인정받지만 그녀의 생애를 보면 평범한 생활을 하지 않았다는 것을 알 수 있다. 1918년 바바라는 월반하여 고등학교를 한 학기 먼저 졸업하고 노동사무소에서 일자리를 얻었다. 만으로 열여섯인데 그녀는 이곳에서 6개월간 구직자들을 상담하면서 세상을 알게 되었고 1919년 부모의 뜻을 거스리고 코넬농과대학으로 진학했다. 그녀가 이 대학을 선정한 것은 당시에 여자대학교가 아닌 남녀공학 중에서도 여학생에게 자연과학을 공부할 수 있도록 배려한 곳은 시카고 대학과 코넬 대학교 두 군데 뿐이었기 때문이다.
코넬대학에 입학했지만 수업에 흥미를 느끼지 못한 수업에는 출석하지 않아 F학점을 받은 과목도 적지 않았지만 흥미를 느낀 지질학 같은 과목에서는 최우수 점수를 받았다. 후일담이기는 하지만 지질학 시험에서 답안 작성에 몰두한 나머지 자기 이름이 생각나지 않았는데 시험지를 제출하기 바로 직전에 자기 이름이 생각나 써넣었다고 한다. 개성이 강한 바바라는 좋아하는 공부에는 전념했으며 데이트도 즐기고 재즈밴드에서 밴조 연주를 하고 여성클럽에 휩쓸리기도 했고 신입생반에서 회장에 선출되기도 했다. 그러나 그녀가 과학에 관심을 가지면서 다른 모든 활동을 중단했는데 졸업하기 1년 전 유전학 강의에 열성을 갖자 유전학 교수가 그녀에게 전화를 걸어 대학원 강의를 듣도록 권했고 대학원에 진학하여 자신의 장래를 결정지을 옥수수 세포를 연구하기 시작했다. 옥수수는 식료품이나 가축사료, 술의 원료나 엔진용 연료로 널리 사용되었기 때문에 매우 중요한 작물이었다.
옥수수는 1년에 두 번 이상은 열매를 맺지 않는다. 때문에 알에서 성충이 될 때까지 열흘 정도밖에 걸리지 않는 초파리보다 실험 연구에 많은 시간이 걸리지만 이를 상쇄할 수 있는 특별한 특징이 있으므로 유전학자들이 많이 연구했다.
옥수수 한 자루에 수백 알의 열매가 맺히는데 열매는 제각각 긴 ‘수염’을 자라게 하는 배가 수분(受粉)한 결과 탄생한다. 그 때문에 열매 하나하나가 모두 유전학적 성질이 조금씩 다르며 유전자의 차이는 보라색ㆍ노란색ㆍ갈색ㆍ흰색 등 색의 차이로 나타난다. 그래서 옥수수 수분을 조절하면 유전적 특성을 고찰할 수 있다.
맥클린토크가 대학에서 유전학을 배우기 시작한 1920년대는 멘델의 유전법칙이 재발견된지 20년 정도 지났을 무렵이므로 유전학이 본격적인 연구 과제로 대두될 때이다. 1924년 맥클린토크는 옥수수 세포를 관찰한 결과 옥수수가 10종류 20개의 염색체를 갖는다는 사실을 발표하여 학자들을 놀라게 했다.
1927년 바바라는 식물학 박사를 받고 코넬 대학에서 시간강사로 시작하며 1929년에서 1931년까지 옥수수에 대한 탁월한 논문을 9편이나 발표하여 학계의 주목을 받았다. 1931년에는 유전자의 교체(양친에게 물려받는 유전자가 재조합되는 현상)는 염색체의 교차에 의해 일어난다는 사실을 증명했다. 이것은 유전자가 염색체 위에 있다는 사실을 알려주는 최초의 증거였다.
그러나 문제는 그녀의 장래였다. 코넬대학에서 여성 교수는 채용하지 않았기 때문에 1933년 독일의 구겐하임 장학금을 받아 독일로 향했다. 그러나 히틀러 정권의 비극을 예견한 맥클린토크는 주저하지 않고 미국으로 돌아왔고 코넬대학을 떠나 동료인 스태들러의 후원에 힘입어 1936년 미주리 대학교로 옮겼다. 그곳에서 현재 세포분열과 염색체 연구의 기초가 되는 다양한 사실들을 발견했는데 그녀의 절단-융합-염색체다리 사이클의 발견을 X선을 조사하고 상당한 시간이 지난 뒤 유전자에 돌연변이가 생기는 이유를 밝힌 것으로 매우 중요한 연구로 평가된다. 그러나 그녀의 독특한 개인주의적 성격은 이곳에서도 유명하여 동료들로부터 따돌림을 당하고 5년간 계약기간이 끝나자 재임명에서 탈락했다.
그럼에도 불구하고 그녀의 자질까지 모든 학자들이 무시한 것은 아니다. 그녀는 1941년 콜드스프링하버 유전한 연구소의 책임자로 발령된다. 1890년에 설립되어 일곱 명의 노벨상 수상자를 배출한 연구소는 카네기협회의 지원을 받아 연구비뿐만 아니라 옥수수를 키울 수 있는 땅과 실험 시설을 갖춘 세계 생명과학 연구의 메카이다. 바바라가 바라던 바로 그런 환경조건이었다. 더구나 연구소는 맥클린토크의 지적 연구를 지원하기 위해 행정 업무는 모두 면제했다.
물론 맥클린토크가 개인적으로는 왕따 당하는 경우가 많았지만 그녀의 업적마져 무시되는 것은 아니었다. 1939년 미국 유전학회부회장이 되었고 제2차 세계대전 말기인 1944년 미국 국립과학아카데미에서 그녀를 정식 회원으로 선발했다. 장구한 학회 역사를 통틀어서 그런 영광을 안은 여성은 그녀가 세 번째였다. 더불어 유전학회장으로도 선출되었다.
맥클린토크는 인디언 옥수수의 색이 변화하는 패턴을 관찰하면서 잎이나 줄기의 모양에 주목했다. 옥수수의 싹은 한 알의 열매에서 자라므로 싹의 모든 세포가 같은 한 쌍의 유전자를 가져야 했다. 그런데 염색체가 손상된 열매에서 자란 싹은 잎과 줄기의 색이 부분적으로 변해서 초록색 잎에 흰색 얼룩무늬가 생기거나 노란색 잎에 짙은 초록색 줄무늬가 생기곤 했다. 이런 현상은 싹이 한창 성장하는 중에도 염색체가 변한다는 뜻이다. 즉 절단-융합-염색체다리 사이클로 인해서 색의 변화가 일어나는 것이다. 잎세포의 유전자가 변이해서 색이 하얗게 되면 그 세포가 분열해서 생긴 세포도 흰색이 된다. 그 걸과 잎에 흰얼룩무늬가 나타나는 것이다.
맥클린토크는 이를 토대로 색의 변화와 크로모좀(핵 내에 존재하는 실 모양 구조체의 하나로, DNA와 결합단백질로 구성됨)의 구조 변화 관계를 설명하는 1951년 「크로모좀의 구조 변화와 유전적 현상」이라는 논문으로 발표했다. 어떤 유전자들은 한 세대에서 다른 세대로 넘어갈 때 크로모좀 내에서 위치가 바뀌어 나타난다는 것으로 옥수수 알갱이의 색깔이 심하게 변하는 것은 색깔을 결정하는 유전자가 빈번하게 돌아다니기 때문이라는 것이다. 그때까지 학계에서 염색체는 유전자가 사슬처럼 이어져 드물게 일어나는 돌연변이를 제외하면 정적이며 변화하지 않는다고 생각했다. 그러나 그녀는 유전자는 일상적으로 움직인다고 주장했다. 그녀의 주장은 두 가지로 압축된다.
① 유전인자(유전자)는 움직이면서 그 위치를 바꾼다.
② 염색체상의 어떤 인자(Ac 유전영역)가 어떤 신호를 보내면 그 신호를 받은 다른 인자(Ds 유전영역)의 스위치가 켜지거나 꺼진다.
이것이 세계를 놀라게 한 ‘유전자를 조절한다’는 개념이다. 사실 맥클린토크는 자크 모노(Jacques Monod)와 프랑수아 자콥(Francois Jacob)가 유전자 조절 개념을 제시한 ‘오페론설(Operon Theory)'보다 10년이나 앞서 이 개념을 주장한 것이다.
그녀의 주장은 발달 중인 유기체로부터 받은 외부적 자극에 반응하여 이런 ‘전치(轉置) 가능 요소들’은 크로모좀 내의 특정 위치를 도약하여 유전적 물질 안에 침투해 그 물질을 변화시킨다는 당시로서는 혁명적인 가설이었다. 당시에는 아직 DNA 구조가 설명되지 않았을 때이므로 그녀의 ‘도약 유전자’ 이론은 처음부터 많은 학자들의 반박을 받았다. 그때까지 유전자와 유전자를 담은 DNA가 체내 어딘가에 고정되어 있다고 생각했는데 그녀의 이론은 DNA가 경우에 따라 이곳저곳으로 튕겨나갈 수 있다는 것을 뜻한다. 이 내용을 좀 더 쉽게 설명한다면 이와 같은 전위현상은 특정 기능을 발휘하는 유전자의 한 단위가 통째로 자리를 옮긴다고 표현된다. 이런 현상은 두 가지 과정으로 나누어 설명된다. 하나는 원래 있던 자리에서 염색체의 어떤 인자가 빠져나오는 과정이고 다음은 그렇게 빠져 나온 유전인자가 적당한 자리를 찾아 들어오는 과정이다. 이는 생명체가 스스로 조절하는 방식을 갖고 있다는 것을 뜻한다.
문제는 그녀의 연구가 발표될 때는 리센코주의가 한창일 때였고 그녀의 연구는 바로 리센코주의가 옳다는 것을 증명하는 것이었다. 실제로 맥클린토크가 유전자가 움직일 수 있다는 결론을 내리자 변변한 학술지에서 논문을 받아주지도 않았다. 1951년에 <CHS(콜드스피링하버) 연구소>에서 열렸던 학회 발표에서도 그녀는 거의 모든 과학자로부터 무시당했다. 당대의 학자들이 볼 때 바바라는 그야말로 철없는 사람이었다. 소련이 주장하는 말 안 되는 소리가 말이 된다고 하니 더욱 그러했다. 심지어 그녀에 맞대고 “무슨 소리인지 알 수 없다. 도대체 뭐라고 하는 것인가?”, “콜드스프링하버에 맛이 간 쾌쾌 묵은 처녀의 떠드는 소리에 신경 쓸 시간이 없다.”라고 말할 정도였다.
그러나 그녀의 유전자 도약이론은 1961년 프랑스의 자크 모노와 프랑수와 자콥이 세균의 유전학을 연구해 오페론설을 발표했다. 단백질 유전자는 인접한 유전자(작동유전자)와 조금 떨어진 장소에 있는 유전자(조절유전자)에 의해 그 활동이 시작된다는 것이다. 이들의 주장은 기본적으로 맥클론토크의 주장과 유사하다.
1965년부터 분자생물학에서 혁명적인 사건이 터져 나오며 서서히 증거가 쌓이기 시작했으며 세균 연구에서 특정 유전자가 염색체상의 한곳에서 다른 곳으로 ‘점프한다’는 사실이 밝혀졌다. 이 점프하는 유전자를 ‘트랜스포존(transposon, 움직이는 유전자 또는 전이인자로 세균의 염색체상 어떤 위치에서 임의의 다른 위치로 자유로이 이동하는 DNA단위)’이라고 부른다. 한마디로 맥클린토크의 주장이 맞는다는 것이다.
또한 학자들은 DNA 염기 배열을 연구하면서 반복되는 염기 배열이 많다는 사실을 알아냈다. 이를 ‘반복 DNA’라고 하는데 전체 게놈의 50퍼센트 이상을 차지한다. 바로 이 반복 DNA들이 이동의 주인공이다. 이들은 염기 배열의 특정 장소에서 튀어나와 다른 곳으로 이동할 수 있기 때문에 ‘이동성(mobile) DNA’라고 부른다. 학자들은 유사한 형태만 수십만 개씩에 달하는 이동성 DNA가 서로 자유롭게 움직이고 재조합되면서 거대한 ‘유전자은행’을 만든다고 추정한다. 이 유전자은행이 인간의 비롯한 모든 생명체의 진화에 큰 영향을 미쳤다는 것이다.
다양한 유전자는 생명체에 유용한 다양한 단백질을 만들어낸다. 예를 들어 EGF라는 세포 성장인자, 혈전용해에 관여하는 TPA, 유방암에 관여하는 Neu 등은 이미 존재하던 단백질이 이동성 DNA의 재조합으로 새로운 기능을 부여받은 것으로 생각한다. 이동성 DNA가 세포를 스트레스로부터 보호한다는 설도 있다. 물론 유전자 재조합은 무작위적으로 일어나기 때문에 나쁘게 작용할 수도 있다. 염색체 덩어리가 잘라져 재배열되면서 각종 혈액 종양이 일어날 수도 있다. 때로는 이동성 DNA가 중요한 유전자를 파괴할 수도 있다.
학자들은 DNA 이동에 두 가지 종류가 있다고 추정한다. 하나는 게놈의 한쪽 부분에서 DNA가 튀어나와 게놈의 다른 부분으로 직접 이동하는 것이다. 또 하나는 게놈의 한쪽 부분에서 튀어나와 DNA가 RNA로 바뀌었다가 다시 DNA로 바뀌어 다른 부분에 삽입되는 경우이다. 인간의 DNA는 대개 두 번째 경우를 택한다. 이는 진화 중에 어떤 계기가 생겼거나 아니면 하등 생물에서 고등 포유류 동물로 진화하는 과정에서 이런 식으로 DNA가 이동하는 것이 장점으로 작용했기 때문으로 보인다. 현재 인간의 몸 안에서는 약 100여개, 쥐에서는 약 3000여 개의 이동성 DNA가 활보하고 다니는 것으로 추정한다. 브라운 등에 의한 발톱개구리를 사용한 실험에서도 유전자가 개체 안에서 변화한다는 사실이 입증되었다.
맥클린토크가 단기간에 형질변경이 가능하다는 논제를 도출하여 이데올로기를 둘러싼 논쟁거리의 중심에서 뭇매를 맞으면서도 굳굳히 버텼다. 그야말로 맥클린토크가 아니면 견디기 어려울 상황인데 그녀는 자신이 그런 결실을 얻게 된 연유가 확실하므로 자신을 비난하는 것이 큰 지장이 되지 않는다고 다음과 같이 설명했다.
“내가 그 곰팡이를 연구하면 할수록 그것이 더 커져 보였지요. 내가 정말 연구에 열중할 때는 내가 밖에 있는 것이 아니었어요. 내가 그 안에 들어가 있었어요. 내가 그 곰팡이 일부가 된 거죠. 내가 그들과 함께 숨을 쉬니까 모든 것이 커졌지요. 심지어 염색체 내부구조도 볼 수 있었어요. 정말 모든 것이 다 보였어요. 실제로 그 안에서 그것들이 내 친구처럼 느껴지니까 정말 나도 놀랐어요.”
맥클린토크의 이야기를 듣고 질리지 않는 사람이 있을지 모르겠다. 자신이 직접 유전자 세계 안으로 들어가 직접 본 것을 설명했다는 뜻으로 레더버그 박사가 천재 아니면 미쳤다는 말이 결코 과언이 아니다.
시간이 갈수록 맥클린토크의 주장은 점점 힘을 받기 시작했다. 리센코가 주장하고 있는 획득형질이 유전된다는 사례는 계속 보고되었다. 워딩턴(Waddington)은 파리의 어떤 변종이 번데기 시기에 고온에 노출되면 사소한 변이인 1개의 가로줄 무늬가 없는 날개가 발생한다는 것을 발견했다. 이 과정이 몇 세대에 걸쳐서 계속되면 번데기가 가열되지 않더라도 파리는 가로줄 무늬가 없이 교잡하게 된다. 그러나 가열하지 않고 더욱 세대가 지나면 정상형태로 돌아왔다. 워딩턴의 최종 결과가 어떻든 적어도 비교적 적은 세대 동안이라도 한 생물체의 유전에서 발생되는 변화가 유전되는 것은 틀림없다는 설명이다.
구조가 아니라 습관이 유전된다는 경우도 보고되었다. 파블로프가 주장했다가 포기했던 경우인데 야생 카나리아는 깃털 때문에 300여 년 전에 애완용으로 선택되었다. 이 새는 노래를 부르지도 못하고 울기만 한다. 그러나 새를 기르는 사람들이 서로 다른 장소에서 서로 다른 노래를 가르쳤는데 놀라운 것은 이들 새끼들이 가르치지 않아도 그들 특유의 방법으로 노래한다는 점이다. 브라운 등에 의한 발톱개구리를 사용한 실험에서도 유전자가 개체 안에서 변화한다는 사실이 입증되었다.
트랜스포존은 세균의 생사에 관여하는 존재다. 알렉산더 블레밍이 1929년 세균을 죽이는 항생물질 페니실린을 발견한 이래 다양한 항생물질이 개발되었다. 그런데 새로운 항생물질이 등장해도 그에 대한 저항력을 갖춘 소위 ‘내성균’이 출현했다. 게다가 한 종류의 세균이 복수의 항생물질에 내성을 갖는 경우도 있었다.
이것은 이 현상에 트랜스포존이 깊이 관여하기 때문이다. 세균의 내성유전자는 종종 트랜스포존 영역에 존재하는데 복수의 내성유전자가 모여 있는 경우도 적지 않다. 세균이 다른 세균과 접합하는(세균 상호간에 접촉해서 유전자를 교환하는) 때에 이 트랜스포존이 상대방의 세균 DNA에 삽입되는 경우가 있다. 이때 몇 종류의 내성유전자가 한번에 다른 세균으로 옮겨가는 것이다.
세균에서는 또 내성유전자를 포함한 트랜스포존이 플라스미드라는 고리 모양의 DNA에 삽입되는 경우도 있다. 세균은 일반적으로 한 개 혹은 여러 개의 플라스미드를 여러 종류를 갖고 있는데 세균이 접합하면 이들 플라스미드 일부도 함께 교환된다. 이렇게 해서 내성유전자가 하나의 세균에서 다른 세균으로 전달되는 것이다. 게다가 내성유전자를 포함한 플라스미드는 같은 종류의 세균뿐 아니라 다른 종류의 세균으로도 이동된다.
그러나 학자들을 골머리 아프게 만드는 것은 염색체가 트랜스포존에 의해 조합되면 치명적인 결과를 유발하기도 한다는 점이다. 혈우병에서는 트랜스포존이 혈액을 응고시키는 단백질 유전자 사이로 비집고 들어가기 때문에 혈액이 응고되지 않는 문제를 일으킨다. 거꾸로 말한다면 트랜스포존이 생물 진화에 중요한 역할을 할 수도 있다는 뜻이다. 실제 인간과 같은 포유류에서 태반을 만들어내는 유전자 중 하나는 바이러스에서 전파된 트랜스포존이라고 추측한다. 현재로서는 인간의 전체 DNA 중 약 50퍼센트, 옥수수는 75퍼센트가 트랜스포존에서 유래한 배열이라는 사실도 잘 알려져 있다.
맥클린토크는 생물의 염색체가 유연성을 가진 존재라고 생각했다. 그리고 움직이는 유전자 즉 트랜스포존도 생물이 다양한 스트레스 속에서 살아남기 위해 유전자를 재구성하는 수단 중 하나라고 보았다. 그러므로 우리 인체를 지키는 면역도 트랜스포존에 의해 이루어진다고 추정한다. 항체유전자의 재편성은 특정 효소의 작용에 의하는데 이것이 트랜스포존의 효소(트랜스포사제)의 기능과 일치한다고 알려져 있다. 따라서 항체 다양성의 기원을 트랜스포존이라고 추정한다. 맥클린토크는 이 문제를 다음과 같이 표현했다.
‘DNA 재편성이 일어나는 이유는 어떤 종류의 ’충격‘이 게놈 자신을 재구축시키고 그로 인해 생존에 대한 위협을 이겨내고자 하기 때문이라고 생각합니다.’
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