<유전자 연구의 일등공신 대장균>
과학자들은 DNA가 유전 물질로 확인되자 ‘생명은 무엇인가’, ‘우리는 어디에서 유래하는가’라는 질문에 초점을 맞추기 시작했다. DNA가 유전 물질인 것이 확인된 이상 이를 규명하면 인간을 비롯한 생명체의 근원을 찾을 수 있다는 기대 하에 전 세계의 학자들은 본격적인 유전자 사냥에 나선다. 여기에서 다소 설명을 달리하여 유전자 연구가 본격적으로 성공하게 되는 견인차에 대해 설명한다. 유전자 분야가 현재와 같이 발전하게 된 요인은 여러 가지가 있을 수 있겠지만 대체로 다음 세 가지로 요약된다.
① 인간의 호기심과 집념이다. 인간들은 어떤 목표를 세워놓고 자신들이 정한 비밀이 풀려지기 전에는 후퇴하지 않는 연구자로서의 자세를 갖고 있다는 뜻이다.
② 노벨상이라는 과실이 항상 기다리고 있다. 유전자 분야가 노벨상을 받는데 지름길이라는 것이 밝혀지자 모든 학자들이 유전자 분야의 연구에 매달렸다. 이 분야에서 노벨상의 영예를 차지한 사람이 40여 명이나 된다는 것에서도 이것은 증명이 된다.
③ 엉뚱한 이야기이지만 그런 호기심과 연구를 가능케 할 수 있는 최적의 실험 대상자가 있기 때문이다. 그런데 그 실험 대상자는 일반인들이 별로 좋아하지 않는 대장균이라는 세균이다.
생물은 원핵(原核) 세포를 갖고 있는 원핵생물과 진핵(眞核) 세포를 갖고 있는 진핵생물로 나눠진다. 원핵생물로는 대장균이나 아메바 같은 것이 있으며 인간을 비롯한 포유동물이나 조류, 어류 등은 진핵세포를 갖고 있는 진핵생물이다. 인간은 진핵생물로서 다세포생물이며 면역계와 신경계를 갖고 있지만 DNA의 특성은 원핵생물과 같다. 이것은 인간이 태초에 하등생물로부터 진화되어 현재와 같은 고등생물이 되었다는 좋은 증거로서 이용된다. 결국 두 생물체가 같은 원형을 갖고 있다는 것이다.
그러므로 DNA가 전하는 정보(암호)의 전달 방식은 대장균이나 고등동물인 인간이나 똑같다. 단지 그 양의 차이가 종의 차이로 나타나는데 이것은 대장균이나 아메바 등을 연구하여도 그 결과가 곧바로 인간을 대상으로 연구하는 것과 마찬가지라는 뜻이다.
그 세균 중에서 발군의 기여를 한 것은 대장균이다. 사실 대장균처럼 인간으로부터 누명을 쓰고 있는 세균도 없다고 볼 수 있는데 그것은 대장균이 대부분 큰창자에 들어 있지만 여간해서는 인체에 해를 주지 않기 때문이다. 물론 병원성 대장균과 같이 심한 복통이나 설사를 일으키고 장에 출혈을 일으키는 경우도 있다.
그러므로 대장균의 존재 여부를 공해의 판단 기준으로 조사하는 것은 시험 대상물이 사람의 배설물에 의해서 오염되었는가를 알아보아 사람이 마시고 먹기에 적당한가를 판단하는 기준으로 삼기 위해서이다. 우리가 마시는 물뿐만 아니라 음식물을 만들어 파는 요식업소에 대한 위생조사로 인간에 의한 오염 여부를 결정할 수 있다는 것 등을 고려할 때 바로 대장균군의 수가 인간에 의한 것임에도 대장균은 혐오 대상으로 인식되어 있다. 그렇더라도 혐오 대상 세균이 인간의 본성을 연구하는 데 가장 큰 공헌을 한다는 것을 생각하면 무조건 대장균을 욕할 것만은 아니다.
대장균은 봉형(棒狀)의 길이 약 2미크론, 직경 약 1미크론인 작은 생물로 보통 생물에 대해서 병원성을 지니지 않으며 실험실 내에서 용이하게 배양할 수 있다는 점 때문에 오늘날 인간을 제외하고는 가장 많이 연구된 생물이라고 할 수 있다. 물론 대장균과 사람의 DNA가 공통의 유전자를 가지고 있지만 사람과 대장균의 유전자의 실상은 전혀 다르다. 사람과 대장균의 DNA를 비교해보면 그 양은 약 700배이다. 대장균이 만들고 있는 단백질의 종류가 약 3,000가지이므로 사람은 200만～250만 종류의 단백질을 만들고 있다고 볼 수 있다.
세균 외에 유전자 분야에 기여하는 것으로는 바이러스가 있다. 바이러스는 세포의 유전자를 밀어내고 필요한 세포의 화합물을 취하는 과정에서 종종 그 세포 혹은 숙주를 죽이는 침입자로 간주될 수 있다. 때로는 하나의 유전자 혹은 일련의 유전자를 자신의 유전자로 대체하고 딸세포에 전수하여 새로운 형질을 도입하기도 한다. 이 현상을 ‘형질 도입’이라고 하는데 형질 도입 현상을 발견한 레더버그(Joshua Lederberg)는 1958년에 노벨 생리․의학상을 받았다. 엄밀하게 말하면 레더버그의 형질변경 현상 등이 발견되고 또한 이들의 기능이 밝혀졌기 때문에 다윈의 진화론은 비로소 완벽한 논리로 자리매김할 수 있게 된다.
<박테리오파지의 활약>
형질 도입이라는 개념을 획기적으로 완성시킨 것은 바로 박테리오파지(Bacteriophage)라는 바이러스에 대한 연구이다. 박테리오파지란 번식을 위해 박테리아에 침투해서 그 숙주의 세포를 이용하는 바이러스이다.
박테리아 파지는 1915년 영국의 트워드, 1917년 캐나다의 펠릭스 데렐에 의해 발견되었는데 처음에는 진기한 생물로 여겨졌다. 이들은 박테리아 배양액 중 일부가 박테리아를 파괴하는 감염성 매체를 갖고 있다는 것을 발견했는데 이 감염성 매체는 박테리아를 걸러내는 필터를 통과할 수 있을 정도로 작았다. 데렐은 자신들이 발견한 것에 ‘박테리아 포식자’라는 의미로 ‘박테리오파지’라는 이름을 붙였다. 박테리오파지는 간단하게 ‘파지’라고도 불린다.
현미경의 성능이 크게 개선되자 파지는 단백질 껍질로 쌓인, 이른바 DNA로 알려진 핵산으로 구성되어 있다는 것이 알려졌다. 허시의 연구를 이어 박테리오파지에 대한 연구는 집중된다. 박테리오파지의 중요성을 간파한 사람이 막스 델브뤼크(Max Delbruck, 1906～1981)이다.
베를린에서 1906년 태어난 델브뤼크는 괴팅겐 대학을 졸업한 후 양자역학을 연구했으며 1932년에 카이저빌헬름연구소에 입소했다. 그는 연구소에 들어가자마자 코펜하겐에서 열린 국제광선요법 회의에 참석한 후부터 생명현상에 흥미를 갖기 시작했다. 그는 추후에 이 회의에서 보어가 「빛과 생명」」이란 특별 강연을 듣고 생명현상의 연구에 일생을 바치기로 했다고 말했다.
이후 1935년 유전자 또는 그 집합인 염색체의 섬유 전체가 비주기성 고체라는 놀라운 논문을 발표했다. 비주기성 고체란 어떤 기본적인 원자의 입체구조가 반복됨으로써 만들어지는 주기적인 구조이며 잘 알려진 주기성 고체가 바로 결정(結晶)이다. 그러므로 원자의 집단에 이 같은 주기적 반복이 없는 고체가 있다는 것이다.
델브뤼크의 논문이 많은 사람들을 놀라게 한 것은 유전자에는 그 생물의 모든 성장을 지정하는 복잡한 암호문이 들어있다는 것이다. 현재 초등학교 학생만 해도 잘 알고 있지만 델브뤼크가 논문을 발표할 때는 유전자에 대한 지식이 많지 않았을 때임을 인식할 필요가 있다. 여하튼 이 암호문을 만드는 기호에 해당하는 것이 어떤 특정 원자의 집합이라는 것은 이해되는 상황이었다.
델브뤼크는 비주기성 고체인 유전자가 어떤 특정 원자집단으로 이루어진 문자를 사용해 생물의 모든 성장을 지정하는 암호문을 만든다고 발표했다. 당시 29세에 지나지 않았던 델브뤼크는 X선 등에 의한 돌연변이는 이런 식으로 만들어진 암호문의 혼란이라고 생각했다.
델브뤼크가 이와 같은 주장한 것은 1946년 노벨 화학상을 수상한 미국의 스탠리가 1935년에 발표한 논문에 큰 영향을 받았기 때문이다. 스탠리는 담배모자이크병의 바이러스를 결정체로 추출하는 데 성공했다. 바이러스는 생물이며 결정체라는 것이 잘 알려져 있는데 이는 생명현상을 물리․화학적으로 설명할 수 있음을 의미한다.
그의 논문은 많은 학자들에게 영감을 주어 1944년 『생명은 무엇인가』를 저술한 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger, 1933년 노벨물리학상 수상)도 델브뤼크의 생각에 동조했다. 그런데 이 당시 까지만 해도 델브뤼크는 물론 슈뢰딩거도 그들이 말하는 비주기성 고체가 DNA라는 것을 깨닫지 못했다. 당시에 그들은 이것을 단백질이라고 생각했다.
그들은 생명의 본질에 관계되는 심오한 현상의 주역이 DNA같은 ‘바보스런’ 물질이라고는 생각하지 않았다. 단백질은 약 20종류의 아미노산으로 되어 있는데 반해 DNA는 아데닌․시토닌․구아닌․티민 단 4종류로 되어 있기 때문이다. DNA는 어지간히 길고 분자량도 크지만 단백질에 비해 기호의 개수가 훨씬 적기 때문에 그들이 ‘바보스런’ 물질이라고 본 것도 과언이 아니다.
원래 이론물리학으로 출발한 막스 델브뤼크는 덴마크의 핵물리학자인 닐스 보어(Neils Henrik David Bohr, 1885～1962) 교수의 지도로 박사학위를 받은 후 분자생물학으로 방향을 전환했다. 당시에 보어 교수는 분자생물학이 매우 중요한 분야라는 것을 인식하고 델브뤼크를 적극 지지했다.
여하튼 이들은 박테리오파지가 핵산으로 구성되어 있으므로 유전 정보를 어떻게 전달하는지를 규명하는 열쇠가 될 수 있다고 생각했다. 그런데 그 방법론이 무엇인지 전혀 알 수 없었다. 이런 경우 어떤 우연한 모임이나 대화가 결정적인 아이디어를 제공한다는 것은 과학사에서 진부하리만큼 자주 나오는 이야기이다.
그들이 어느 날 동료인 토머스 앤더슨과 함께 커피를 마시고 있었다. 결국 자신들이 연구하는 분야의 문제점에 대해 서로 토론하다가 토머스 앤더슨이 그야말로 말도 안 되는 이야기를 했다.
“박테리오파지의 DNA만 다른 박테리아 속으로 침투해 들어가고 나머지 단백질 부분은 외부에 남을 수 있잖아.”
말도 안 되는 이야기 같았지만 델브뤼크는 앤더슨의 이야기를 진지하게 생각했다. 그의 예상은 틀리지 않았다. 올챙이같이 생긴 파지는 단백질로 이루어진 ‘꼬리’를 이용해 박테리아에 달라붙어서 자신의 DNA를 박테리아에 주입했다. 이때 단백질 머리, 즉 파지의 머리는 박테리아 바깥에 남아 있고 단지 자신의 DNA만 박테리아 안으로 들어갔다. 박테리아 안으로 들어간 파지의 DNA는 박테리아에 의해 복제된 후 그 속에서 단백질 머리가 만들어지고 새로운 파지가 되었다.
이것은 따로 따로 부품을 만들고 그것들을 조립하는 자동차 생산 공장의 양산 과정과 비슷하다. 실제로 파지는 20여 분 사이에 수백 마리 이상의 새끼를 만들기도 한다. 새로운 새끼 바이러스들이 만들어질 때 필요한 모든 구성 물질은 숙주세포 안의 물질로부터 공급되어 바이러스 유전자 안의 설계도면에 따라 만들어진다. 특이한 것은 세포분열에서는 한 개의 세포가 두 개가 되는 식으로 딸세포를 만들지만 파지의 경우는 한꺼번에 많은 바이러스를 쏟아내듯 만들어낸다. 이렇게 새로 만들어진 파지는 또 다른 박테리아를 찾아간다.
이런 놀라운 결과를 델브뤼크가 갑자기 얻은 것은 아니다. 그는 파지가 박테리아에 침투하고 나서 일정시간이 지나면 세균이 녹고 많은 양의 파지가 방출되는 것을 발견했다. 이것을 ‘붕괴’라고 한다. 붕괴가 일어나면 이제까지 흐렸던 시험관이 투명해지며 현미경으로 자세히 보면 세균이 갑자기 소실된 것이 포착된다. 델브뤼크에게는 많은 의문점이 생겼다.
‘파지는 어떻게 세균에 침입했으며, 붕괴가 일어나기까지의 수십 분 동안에 도대체 어떤 일이 일어난 것일까? 그리고 세균에 침투한 한 마리의 파지에서 어떻게 100마리 이상의 어린 파지가 생기는 것일까?’
델브뤼크는 이런 의문을 끈질기게 추적하여 파지의 비밀을 파악했고, 유전자 분야 연구에서 새 장을 열어 놓았다. 다시 말하면 인간이나 다른 생물의 유전자를 파지 자신의 DNA에 통합시킨다면 그 유전자를 박테리아를 통하여 재생산시킬 수 있다는 것이다. 즉 인간에 의해 재조합된 파지는 박테리아에 침투하여 외래 DNA를 번식해주므로 인간이 원하는 어떤 생물의 유전자를 분리해 내거나 만들어 준다. 이것 때문에 바로 백신, 진단 단백질, 호르몬 같은 의학적으로 유용한 다른 단백질을 박테리아 안에서 생산할 수 있는 길이 열린 것이다.
델브뤼크는 1940년 미국에 살고 있던 살바도르 루리아(Salvador E. Luria, 1912～1991), 알프레드 허시(Alfred Day Hershey, 1908～1997)와 함께 힘을 합친다. 이들의 협동은 크게 인정받아 1969년도 노벨 생리․의학상을 받았다.
루리아는 이탈리아 태생의 생물학자로 1940년 미국으로 망명한 후 컬럼비아 대학에 정착하자마자 델브뤼크와 만나 박테리아파지에 대해 공동연구를 했다. 그들은 여름방학에도 계속 함께 연구했는데 특히 그들이 연구한 콜드스프링하버는 추후 ‘파지그룹’의 중심지가 되었다. 분자생물학에 관한 하계 학교도 이곳에서 열렸는데 1943년 알프레드 허시가 파지그룹에 참여했다. DNA연구로 유명한 왓슨도 파지그룹의 주요 멤버였다.
이뿐이 아니다. 델브뤼크는 파지가 돌연변이를 일으킬 수 있다는 사실도 발견했다. 이를 근거로 유전적 돌연변이의 결과를 설명할 수 있는 원자 모델의 가능성을 발견한 것도 델브뤼크였다. 이것은 유전 물질이 무엇으로 이루어져 있어도 돌연변이를 통한 불안정성을 화학적인 측면으로 설명할 수 있다는 것을 뜻한다. 다시 말하면 유전자가 분자와 마찬가지로 움직이므로 유전자를 분자라고 가정하면서 생명 과정을 규명할 수 있다는 것이다.
이제 학자들은 핵산의 정확한 분자 구조를 파악하는데 몰두했다. 분자 구조를 파악해야만 DNA라는 설계도가 어떻게 유전 정보를 전달하고 스스로 증식할 수 있는지를 알아낼 수 있기 때문이다. 그러나 DNA가 유전의 열쇠라면 반드시 복잡한 구조를 갖고 있으리라고 모든 학자들이 생각했다. 왜냐 하면 DNA는 특정한 효소의 합성을 위해 반드시 정교한 유전 암호를 가지고 있어야 하기 때문이다.
학자들의 예상은 틀리지 않았다. 실제로 핵산의 구성이 생각했던 것보다 훨씬 복잡한 것이라는 명확한 증거가 나타났다. 여러 종류의 퓨린과 피리미딘 물질은 같은 양으로 존재하지 않으며 퓨린과 피리미딘의 함량비는 핵산에 따라 달랐다.
한편 델브뤼크가 중요시한 분자생물학은 유전자를 통해 생물의 본질을 이해해야한다고도 이해될 수 있는데 이는 유명한 물리학자로 양자론의 기초를 놓은 슈뢰딩거와 궤를 같이한다. 이들은 유전자의 실체를 통해 ‘생명의 기본요소’를 찾을 수 있다고 주장했는데 특히 슈뢰딩거는 ‘살아 있는 생명체라는 공간적 울타리 안에서 일어나는 시공간상의 사건들을 물리화학적으로 설명할 수 있겠는가?’라는 질문을 던졌다.
그의 질문에 많은 물리화학자들이 생명현상에 대한 연구에 도전하여 ‘물리화학자들의 대이동’이란 말이 나올 정도였다. 제임스 왓슨은 자신이 DNA를 연구하게 된 결정적인 계기가 노벨상 수상자 슈뢰딩거의 『생명이란 무엇인가(What is Life?)』라는 책이었다고 『이중나선』에서 적었다. 이들은 유전자를 물리학의 원자와 같은 개념에서 파악했고 이러한 접근 방식은 결국 델브뤼크 등이 앞장 선 분자생물학의 탄생에 결정적인 영향을 미친 것으로 볼 수 있다.
델브뤼크의 성공은 과학 분야에서 큰 전환점이 되었다. 원래 델브뤼크는 물리학자이므로 생물학에 뛰어드는 것은 마치 의사가 공학자가 되겠다는 것과 같다. 두 분야는 전혀 공통점이 없게 보이기 때문이다. 그런데 분자생물학은 생물물리학이라는 용어를 탄생케 하여 물리학에서의 원자나 분자에 대한 지식이 생물학에 중요한 부분으로 자리잡는다.
이 분야에 뛰어든 사람이 물리학자이자 생물학자인 모리스 윌킨스(Maurice Hugh Frederick Wilkins, 1916〜2004)이다. 그의 원래 전공은 물리학이므로 X선 회절 연구를 주로 했는데 그가 투입한 분야는 DNA 분자 구조 분석이었다. X선 결정학이라고도 부르는 X선 회절은 규칙적으로 배열된 물질 원자들(특히 결정 구조를 지닌)이 X선을 회절 또는 산란시키는 현상을 말한다. 그렇게 회절을 일으킨 X선은 사진 필름에 기록할 수 있으므로 사진에 나타난 형태로 그 물질을 이루는 원자들의 배열 등 중요한 정보를 확인할 수 있다. 윌킨스는 원자폭탄을 개발한 맨해튼 프로젝트에도 참여하면서 X선 회절에 대한 지식을 얻었다.
영국으로 돌아온 후 윌킨스는 조수이던 로절린드 프랭클린(Rosalind Pranklin, 1920〜1958)과 함께 X선 회절을 이용해 순수한 DNA로 이루어진 사진을 찍었다. 이 사진이 DNA 분자 구조의 비밀을 밝혀주는 획기적인 단서가 된다.
참고문헌 :
「막스 델브뤼크」, 삼천(森泉), 월간과학, 1986년 2월
『분자생물학의 탄생』, 야나기자와 게이코, 겸지사, 1998
『내가 듣고 싶은 과학교실』, 데이비드 엘리엇 브로디 외, 가람기획, 2001
『인간 복제, 그 빛과 그림자』, 안종주, 궁리, 2003
『생명 생물의 과학』, 윌리엄 K. 푸르브, 2003
『현대 의학, 그 위대한 도전의 역사』, 예병일, 사이언스북스, 2004
『오류와 우연의 역사』, 페터 크뢰닝, 이마고, 2005
『생명공학과 인간의 미래』, 이필렬 외, 한국방송통신대학교출판부, 2007
『100 디스커버리』, 피터 메시니스. 생각의날개, 2011
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