노벨상의 명성이 워낙 높으므로 대통령과 노벨상 중에서 선택하라고 하면 많은 사람들이 노벨상을 선택하겠다고 한다. 그 이유를 모르는 사람이 없겠지만 바로 그런 지명도 때문에 노벨상이 발표될 때마다 구설수가 많은 것은 사실이다.
노벨 역사상 가장 많은 잡음을 만든 것 중 하나가 1962년 노벨생리의학상이 윌킨스와 함께 DNA의 구조를 밝힌 공로로 크릭, 왓슨 그리고 윌킨스(Maurice Wilkins)에게 수여되었을 때이다.
노벨상은 같은 연구에 3명까지만 수여되는데 이 경우 노벨상 수상 대상자가 5명인데 이 중 두 명은 반드시 탈락해야 한다. 그런데 많은 학자들이 5명 중에서도 첫 번 째 수상 대상자로 샤가프(Erwin Chargaff)가 되어야 하며 나머지 3명 중에서 두 명이 탈락해야 한다고 생각했다.
그런데 가장 강력한 후보자인 프랭클린이 사망했으므로 4명 중 세명이 수상할 수 있는데 놀랍게도 가장 먼저 지목되어야 할 샤가프가 탈락하고 왓슨과 크릭, 윌킨스가 노벨상을 수상한 것이다.
샤가프가 탈락하고 엉뚱한 윌킨스가 포함되어 세계 학계가 놀라면서 노벨상위원회에 곱지 않은 시선을 보냈다. 그것은 윌킨스가 DNA를 연구하기는 했으나 그의 결정적인 공적은 프랭클린의 사진을 왓슨과 클릭에게 무단으로 보여준 것이라고 생각하기 때문이다.
학자들이 샤가프를 노벨상 수상 역사에서 가장 비운의 과학자로 꼽는 것은 그의 업적이 그야말로 탁월하기 때문이다. 그의 업적을 간단하게 설명하면 다음과 같다.
‘핵산을 이루는 4가지 염기에 대해 정량분석을 실시하여 DNA구조를 밝히는 데 결정적인 역할을 한 ‘샤가프의 규칙’ 등을 발표했고 이를 토대로 결국 현대와 같은 유전자분야의 발전이 이루어질 수 있었다.’
샤가프는 자신의 이론을 증명하기 위해 인간, 닭, 연어, 메뚜기, 효모, 세균, 소, 돼지 등의 DNA를 분석하여 아데닌, 구아닌, 티민, 시토신의 비율을 측정하였다. 그의 측정으로 ‘모든 생물의 DNA 내 아데닌, 구아닌, 티민, 시토신의 비율은 똑 같다’라는 가설이 무너졌다. 그는 또한 같은 종류의 생물, 예를 들어 소는 어떤 조직을 채취해도 DNA 속의 아데닌, 구아닌, 티민, 시토신의 분자수 비율은 일정하다는 것을 증명했다. 즉 구아닌의 양은 시토신, 그리고 아데닌의 양은 티민과 정확하게 똑같다. 따라서 구아닌과 아데닌을 합친 양은 시토신과 티민을 합친 양과 같다.
이를 샤가프 법칙이라고 부르는데 이 물질들을 염기라고 부르는 것은 산과 반응하면 염을 생성하기 때문이다. 그의 발견은 그 후 DNA의 구조를 분석하는데 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다. DNA을 통한 유전현상을 분자 차원에서 연구할 수 있는 기반이 구축되었기 때문이다. DNA 구조를 밝히는 데 결정적인 역할을 한 그의 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
① DNA 염기 조성은 종에 따라 다르다.
② 같은 종에서는 조직이 다르더라도 DNA의 염기 조성을 같다.
③ 종에서 DNA의 염기 조성은 나이, 영양 상태, 환경 변화에 따라 달라지지 않는다.
④ 실험적으로 분석한 거의 모든 DNA에서 아데닌기의 수와 티민기의 수는 항상 같고 구아닌기와 시토신기의 수도 항상 같다. 즉 퓨린(아데닌과 구아닌)기의 합은 피리미딘(티민과 시토신)기의 합과 같다(샤가프 법칙).
⑤ 가까운 종에서 추출된 DNA는 비슷한 염기 조성을 갖고 있는 반면 멀리 떨어진 종에서는 상당히 다른 염기 조성을 보인다. 따라서 DNA의 염기 조성 결과는 생물체를 분류하는 데 이용할 수 있다.
1940년대 샤가프에 의해 발견된 샤가프 법칙은 유전자 분야에서 거의 절대적인 위력을 발휘하는데 이를 다음과 같이 설명한다. 즉 모든 유기체의 세포에서 나온 DNA에는 피리미딘과 퓨린 염기의 1 : 1 비율(기본 쌍 규칙)을 가진다는 것이다. 즉 구아닌의 양과 사이토신의 양은 같아야하며, 아데닌의 양은 티민의 양과 같아야 한다. 이 패턴은 DNA의 두 가닥 모두에서 발견되며 이를 1차, 2차 동등법칙으로 구별하여 설명한다.
① 1차 동등 법칙
이중 가닥 DNA 분자가 전 세계적으로, %A = %T 및 %G = %C 비율의 염기쌍 동일성을 가진다는 것이다. 이는 DNA 이중 나선 모델에서 염기쌍의 구성을 시사한다.
② 2차 동등 법칙
두 번째 법칙은 %A = %T 및 %G = %C가 두 DNA 가닥 각각에 대해 유효하다는 것이다.
‘샤가프의 법칙’ 중 두 번째 법칙은 생물 종마다 DNA의 A, G, T, C 염기의 상대적인 양이 다르다는 것을 알려준다. DNA가 없는 것으로 추정된 분자 다양성의 이러한 증거는 DNA가 단백질보다 유전 물질에 관한 한 보다 중요하다는 것을 뜻한다.
2006년, 이 규칙은 5가지 유형의 이중 가닥 게놈 중 4개에 적용됨을 확인했다. 특히 진핵 생물의 염색체, 세균의 염색체, 이중 가닥 DNA 바이러스, 고균 염색체에 적용된다. 그러나 20〜30kbp 보다 작은 세포 소기관의 게놈 즉 미토콘드리아와 색소체는 물론 단일 가닥 DNA 바이러스 또는 모든 유형의 RNA 게놈에는 적용되지 않는다.
현 유전자 연구가 비약적으로 발전할 수 있었던 것은 샤가프가 화학적인 연구방법으로 핵산에 대한 연구를 진행하여 DNA 구조의 바탕이 되는 대부분의 이론과 실험결과들을 정립했기 때문으로 인식한다. 한마디로 크릭과 왓슨이 DNA가 이중나선으로 되어 있다는 바로 그 구조를 이론적으로 설명한 것이다.
그런데 골인 지점을 앞에 둔 상황에서 그만 넘어지고 만 꼴이다.
어윈 샤가프는 1905년 당시 오스트리아-헝가리 제국의 지방 도시였던 체르노비츠(Czernowitz)에서 태어났다. 1928년 비엔나 대학에서 화학박사학위를 받은 후 미국 예일대에서 2년간 연구원 생활을 하였고 이후 독일 베를린 대학에서 계속 연구를 이어갔는데 히틀러의 집권하자 유태인 탄압을 피해 1933년 프랑스로 이주하였고 1935년 미국 콜럼비아 대학으로 옮겼다.
이 당시만 해도 샤가프는 박테리아에서 추출된 각종 물질의 특성을 분석하고 있었다.
그런데 1944년 샤가프는 유전적 특징을 매개하는 물질의 정체가 DNA일 것이라는 오스왈드 에브리(Oswald Theodor Avery) 박사의 논문을 읽고 곧바로 핵산 연구에 전념한다.
에브리 박사가 병원성을 전달하는 물질이 디옥시리보핵산 가수분해효소(deoxyribonuclease)에 의해서는 파괴되지만 단백질을 분해하는 단백질 가수분해효소(protease)나 RNA를 분해하는 RNA 가수분해효소(ribonuclease)에 의해서는 제거되지 않는다는 것을 발견하여 발표한 것이다.
에브리 박사는 지구상의 모든 종의 DNA가 같은 특성을 갖고 있지는 않을 것이며 이를 화학적으로 증명할 수 있다고 생각했다. 그러므로 그는 다양한 종에서 추출되는 DNA의 구성을 분석하는 것이므로 마침 당시 새로운 기법으로 등장했던 종이 크로마토그래피(paper chromotography)와 자외선 분광광도법(ultraviolet spectrometry)를 도입하였다.
전자는 핵산의 분리, 후자는 자외선흡수스펙트럼에 기반한 특정 핵산의 특징을 살필 수 있었고 이런 실험을 통해 샤가프는 본인의 가설을 증명했다. 이는 당시에 정설로 받아드려졌던 DNA가 GATC가 반복되는 물질이라는 주장이 틀렸음을 입증하는 획기적인 성과였다. 나아가 모든 종에서 구아닌의 숫자는 시토신의 숫자와 동일하고 아데닌의 숫자는 티민의 숫자와 동일하다는 결론을 제시했다.
여기에서 당대에 등장한 크로마토그래피는 사실 샤가프를 위한 것이나 마찬가지이다.
크로마토그래피는 색소물질을 흡착제에 의해서 분리하는 방법으로 색층분석(色層分析)이라고도 한다. 1906년 러시아의 식물학자 M. S. 츠베트가 클로로필 등 식물색소를 분리하기 위해 처음으로 사용하였다.
수직으로 세운 유리관에 알맞은 흡착제(활성 알루미나·실리카겔·탄산칼슘 등)를 채우고, 식물색소를 석유에테르로 추출한 것을 흘려 넣으면 무색의 흡착체 기둥에 클로로필 a와 루테인 등이 분리 및 흡착되어 빛깔이 있는 띠를 생성한다. 이 착색대(着色帶)를 크로마토그램이라고 하는데, 여기에 용매를 흘려 넣으면 보다 구별이 명확해진다.
각 성분을 얻고자 할 때는 흡착제를 유리관에서 밀어내어 절단하거나 또는 그대로 다른 용매를 흘려 넣어서 필요한 것만을 용액으로서 얻을 수도 있다. 착색하지 않은 물질이라도 크로마토그램을 만든 다음 적당한 발색제를 사용하여 관찰할 수 있다.
1931년 R. J. 쿤이 카로티노이드 색소의 분리에 이 방법을 사용하여 성공한 이후 급속히 발달하였는데, 흡착 크로마토그래피 또는 흡착분석이라 한다.
1941년 영국 A. 마틴과 R. 싱이 함수(含水) 실리카겔을 흡착제로 사용하고, 물과 섞이지 않는 용매의 아미노산 용액을 흘려 넣으면, 이 두 액체상 사이에서의 분배의 차이에 의해서 각 성분이 여러 장소로 나뉘어 고정되는 분배 크로마토그래피를 발견하였다. 그들은 1952년 이 업적으로 노벨화학상을 받았다.
현재는 흡착제로서 이온교환수지 등을 사용하기도 하며, 아미노산·당·펩티드·항생물질·무기이온 등 거의 모든 물질의 분리와 검출이 가능하다. 특히 여과지 등 종이에 의한 침투성의 차를 이용하는 페이퍼 크로마토그래피는 과학자들에게 큰 도움을 주었는데 샤가프가 이를 적절히 활용하여 대어를 낚은 것이다.
한마디로 DNA 구조는 샤가프와 에브리가 기초 이론을 정리한 상태에서 왓슨과 크릭이 2중 나선임을 확인한 것이다. 그런데 노벨상은 원래 원천 이론을 도출한 사람에게 수여되지만 에브리는 이미 노벨상을 수상했으므로 샤가프가 독보적인 전문가임은 사실이다. 그런데 노벨상의 기본조차 무시하고 샤가프가 제외되어 세계 학자들이 놀란 것이다.
세계의 전문가들을 놀라게 한 이례적인 수상자 발표에 대한 진상은 알려진 것이 없다. 다만 샤가프의 탈락에 대한 그럴듯한 변명은 그가 미국 컬럼비아대학에서 혼자 고군분투하고 있었음에 반하여 왓슨과 크릭은 유럽인 윌킨스와 밀접한 교류를 가지면서 서로 왕래했기 때문에 세 사람이 보다 더 심사위원들에게 알려졌을 것이라는 것뿐이다.
그런데 이들 시상의 파장이 커진 것은 샤가프가 자신의 탈락에 대해 발끈했기 때문이다. 샤가프는 전 세계의 과학자에게 자신이 제외된 것의 부당함에 대해 편지를 썼다.
실제로 공동 수상자였던 모리스 윌킨스 박사의 가장 큰 공로는 허락 없이 로잘린 프랭클린 박사의 엑스레이 사진을 왓슨에게 보여준 것이라고 말했다. 특히 1952년 자신이 왓슨과 크릭을 만나 자신의 실험 결과에 대해 설명해주었다고 말했다. 크릭과 왓슨은 다음해에 DNA가 2중나선으로 되었음을 발표하고 바로 그것으로 노벨상을 받는다.
물론 왓슨과 크릭이 자신들의 논문에서 제시된 구조의 근거로 샤가프 박사의 관찰을 거론한 것은 사실이다. 그러나 그의 연구 실적이 워낙 탁월하므로 적어도 그가 제외된 것이 문제라고 지적되었지만 시카고 DNA국제회의 개회사를 담당했던 군터 스텐(Gunter Stent) 박사처럼 노벨상위원회를 두둔한 사람도 있다.
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.geulmoe.quesais
끄새 - Google Play 앱
과학으로 본 세계 불가사의한 이야기들(오디오북 무료)
play.google.com
‘르네상스가 시작된 지 500년이 지난 1953년에 생물학계에서는 이와 유사한 혁명이 왓슨과 크릭의 연구발표에 의해 시작됐다. 왓슨과 크릭의 발견에 있어서 위대한 점은 그 연구의 완벽성과 최종성에 있다.’
그는 샤가프의 염기가 쌍을 이룬다는 예측과 윌킨스와 프랭클린 등의 X선으로부터 얻어진 구조적 결과를 이용하여 정확한 DNA 모델을 제시했기 때문에 샤가프가 노벨상을 받지 못할 수도 있었다는 설명도 되지만 여하튼 샤가프의 탈락은 노벨상 역사상 가장 많은 구설수를 받은 수상으로 알려진다.
노벨상 수상자 대열에서 탈락한 샤가프는 처음에 매우 낙담했다.
그러나 노벨상을 수상하지 못했다고 해서 인생이 끝난 것은 아니다. 다소 놀라운 것은 샤가프가 DNA구조로 노벨상이 수상하지 못한 지 40년이 지난 2002년까지 생존했다는 점이다. 샤가프는 노벨상 탈락에도 불구하고 그 후 자기 지도하에 모여드는 숱한 연구자를 거느리고 DNA염기배열의 연구를 추진했다. 또한 그가 노벨상을 받지 못한 것에 대한 동정과 여론의 호응으로 그는 수많은 국제적 과학상을 수상했다.
참고문헌 :
「왓슨과 크릭, 이중나선 구조 발견의 드라마」, 최강열, 과학동아, 1995년 9월
「어윈 샤가프 : 밴댕이 소갈머리를 삶아먹어도 발견은 발」, Secret Lab of a Mad Scientist, 2016년 4월
「샤가프의 법칙」, 분자·세포생물학백과. 네이버지식백과
「샤가프의 법칙과 샤가프의 업적」, 네이버지식IN
『현대 의학, 그 위대한 도전의 역사』, 예병일, 사이언스북스, 2004
『로잘린 프랭크린과 DNA』, 브렌다 매독스, 양문, 2004
#퓨린(아데닌과 구아닌)
#피리미딘(티민과 시토신)