발광의 대명사 반딧불이(4)

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https://youtu.be/wijHS6JD_qA

<2008년 노벨상 추천사>

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

분자생물학 연구는 처음부터 염색체의 DNA 서열에 새겨져 있는 유전정보에 초점을 맞추었습니다. DNA 연구에서 이룬 성공이 비록 감동적이기는 하나, 분자의 움직임에서부터 생태학적 패턴에 이르기까지 유기체의 거동을 규정짓는 다차원적이고 역동적인 과정 중에서 DNA 서열은 단지 일차원적 정보만을 제공할 뿐입니다. 녹색형광단백질의 발견과 개발은 이러한 과학계의 의제를 급격하게 변화시켰습니다. 녹색형광단백질과 유사단백질을 개선한 변형체들이 고분해능 전자현미경과 계산 기술 및 막강한 이론적 접근 방법과 상승 작용을 일으켜 복잡한 생체시스템의 정량분석에 초점을 맞춘 과학적 변혁에 박차를 가하고 있습니다. 지금까지 볼 수 없었던 구조와 역동적인 원리의 세계가 점차 드러났고, 이제는 생물학, 의학, 약학 연구의 모든 면에 실질적인 영향을 주고 있습니다.

녹색형광단백질에 관한 이야기는 3막으로 나눌 수 있습니다. 녹색형광단백질의 발견, 핵심 모델 유기체 내에서 녹색형광단백질 유전자의 발현, 그리고 녹색형광단백질 유사물질들을 보편적 유전표지물질 세트로 개발한 것입니다.

제1막은 50년 전 일본에서 오사무 시모무라 교수가 자체 발광하는 작은 갑강강Crustacea 패충아강ostracod에 속하는 바다반디Cypridina를 연구할 때 시작되었습니다. 그는 이 연구의 성공에 힘입어 미국에 오게 되었고, 프랭크 존슨 교수와 함께 워싱턴 주의 프라이데이 항구 외곽에 있는 태평양의 바닷속에서 평화로이 헤엄치는 해파리 에쿠오리아 빅토리아Aequorea victoria의 녹색자체발광에 관한 연구를 하였습니다. 1961년 시모무라는 놀라운 발견을 하게 되는데, 에쿠오리아 빅토리아의 자체발광에 관여하는 단백질인 아쿠오린aequorin이 녹색이 아니라 청색광을 낸다는 것이었습니다. 운 좋게도 그는 지금 GFP라고 알려져 있는 녹색형광단백질도 발견했고, 해파리의 녹색광은 GFP 전자의 들뜸 현상 때문에 방출되는 것이며, 아쿠오린의 청색자체발광이 발광 현상 없이 해파리로 전이되어 GFP의 전자를 들뜨게 해서 녹색광이 방출되는 것이라고 궁극적으로 설명할 수 있었습니다. 시모무라 교수님의 발견 덕분에 놀라운 광학적 성질을 갖는 GFP는 태평양의 은밀한 곳에서 끌려 올라왔고, 과학적으로 정밀한 연구가 가능해졌습니다.

제2막이 시작될 때, 에쿠오리아 빅토리아가 아닌 유기체에 GFP 유전자를 발현시키면 형광단백질이 되리라는 것을 믿는 사람은 거의 없었습니다. 그 염색체가 형성되려면 에쿠오리아 빅토리아에 선택적인 효소가 필요하다는 것이 일반적인 추론이었으나 다른 견해를 가진 마틴 찰피라는 이름의 GFP 신봉자가 한 사람 있었습니다. 그의 연구는 작은 선형동물인 예쁜꼬마선충Caenorhabditis elegans의 신경시스템에 집중되어 있었고, 예쁜꼬마선충에 형광단백질 유전자를 발현시킬 수만 있다면 가능한 어떤 실험도 하려는 열의에 가득 차 있었습니다. 그는 연구원 더글러스 프라셔가 제공한 복제 GFP를 사용해서 밝게 형광을 내는 GFP가 대장균E. Coli과 예쁜꼬마선충 둘 다에서 발현된다는 것을 1993년과 1994년에 보여 주었습니다. 찰피 교수님의 연구 결과는 과학적 편견을 이겨 내는 실험의 힘을 보여 주었을 뿐만 아니라, GFP가 보편적인 유전표지가 된다는 것을 많은 사람들에게 분명하게 밝혔습니다.

제3막은 1994년에 시작되었는데, 이때 로저 챈은 GFP 염색체가 산소의 존재 아래서 어떻게 저절로 형성되며, 어떻게 청색 형광을 내는 GFP 변이체로 바뀌는가를 설명하였습니다. GFP의 1차 구조에서 점 돌연변이point mutation가 형광 방출 스펙트럼을 변화시킨다는 것을 보임으로써 가능했지요. 그 후로 챈은 많은 GFP 변형체를 만들어서 제공해 왔습니다. 이것들은 가시광선 전 영역에서 형광을 방출하며, 염색체의 단백질이 접힌 뒤에 형광 발광 상태로 성숙되는 데 필요한 시간을 매우 단축했고, 광 안정성과 휘도도 높아졌습니다. 챈 교수가 독창적으로 부단히 개선해 온 GFP와 그 유사 단백질 덕분에 생물 관련 과학은 변혁을 거듭해 왔습니다.

시모무라 교수님, 찰피 교수님, 첸 교수님.

녹색형광단백질을 발견하고 확인했으며, 주요 유기체 내에서 형광 형태의 GFP를 최초로 발현하였고, 또 GFP와 그 유사종을 모든 형태의 유기체 세포 내에서 단백질의 위치 추적과 이동 및 상호 작용 연구를 위한 보편적 유전표지 세트로 개발하신 교수님들의 공로가 인정되어 시상을 하게 되었습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대신해서 진심으로 축하를 드리며, 이제 앞으로 나오시기 바랍니다. 전하께서 직접 노벨 화학상을 시상해 주시겠습니다.

 

<질병치료에 효과>

반딧불이에 대한 연구는 계속되어 브라질 상-카를로스연합대학에서 발광효소인 루시페라제 단백질을 구성하는 아미노산 서열에서 특정 위치에 있는 아미노산이 발광 색깔을 조절하는 데 핵심적인 역할을 한다고 밝혔다.

이들은 노랑과 초록빛을 내는 반딧불이 발광효소와 빨강 빛을 내는 딱정벌레 애벌레(railroad worm) 발광효소에서 이 효소 단백질을 구성하는 특정 위치의 아미노산들을 변형함으로써 발광 색깔을 바꿀 수 있었다는 것이다.

반딧불이 발광효소에선 그 효소 단백질을 구서하는 아미노산 서열 가운데 311번 째에 놓인 아미노산(glutamine)과 337번째에 놓인 아미노산(arginine)의 짝 구조가 중요한 구실을 하는데 이 구조를 망가뜨리자, 본래 노랑-초록이던 발광 빛이 빨강 빛으로 바뀌었다는 것이다. 반딧불이 발광효소는 보통 노랑-초록 빛을 내다가 산성 조건에서는 빨강 빛을 내는데, 이런 현상도 역시 두 아미노산의 짝 구조가 산성 환경을 만날 때에 망가지면서 일어나는 것으로 나타났다.

발광효소 루시페라제 내의 두 아미노산 변형이 촉매 작용 방식을 바꾸어, 발광의 빛 에너지를 떨어뜨림으로써 빛의 파장과 색깔에 변화를 일으킨다는 것이다. 이와 함께 보통 빨강 빛을 내는 애벌레 발광효소에서는 334번째에 있는 아미노산(leucine)을 다른 아미노산(arginine)으로 바꾸었더니 빛의 파장이 파랑 계열 쪽으로 약간 이동했다. 개똥벌레 즉 반딧불이 여러 종들이 뿜어내는 빛의 여러 색깔들은 비슷한 발광효소 루시페라제의 아미노산 서열에서 특정 위치에 있는 아미노산의 작은 변화가 일어난다는 것이다.

생물체가 발광에 많은 학자들이 주목하는 것은 암과 같은 고약한 질병에 획기적인 치료법을 제공할 수 있기 때문이다. 이 분야에서 한국의 행보는 매우 빠르다.

2015년 유성선병원의 김이랑 박사는 생물발광을 이용한 광역학 치료로 암을 치료할 수 있는 방법을 개발했다고 발표했다. 광역학 치료(Photodynamic therapy, PDT)란 수술·항암제·방사선 치료에 이어 제4의 암 치료법으로 불린다. 빛을 조사하면 활성산소를 발생시켜 종양조직을 파괴하는 광감각제를 정맥주사해 암 조직에 축적시킨 후, 특정 파장의 레이저를 조사해 암세포만 선택적으로 파괴하는 치료법이다.

이 치료법의 장점은 부작용이 적고 약제 내성이 발생하지 않는다는 점이다. 그러나 자궁경부암, 피부암, 담도암, 식도암처럼 빛을 직접 조사하거나 내시경으로 접근이 가능한 부위에서만 제한적으로 사용되는 단점이 있었다.

그러므로 김박사는 산호나 반딧불 같은 ‘생물발광’을 이용해 병변의 위치나 깊이에 상관없이 암을 치료할 수 있는 방법을 제시하여 기존 광역학 치료의 한계를 극복했다는 설명이다. 생물발광을 이용한 광역학 치료는 레이저를 조사해 암세포를 사멸시키는 대신 생체 내에서 스스로 빛을 내는 효소-기질 반응을 이용 빛을 발산함으로써, 암조직에 축적된 광감각제를 활성화시켜 암을 사멸시키는 치료법이다.

여기에서 생물발광에서 나오는 빛으로는 파장이 맞지 않아 광감각제를 활성화시킬 수 없는 문제점이 제기되었는데 그는 산호에서 추출한 단백질을 ‘양자점’이라는 나노물질과 결합시킨 후 에너지를 전달하는 방식으로 해결했다고 설명했다. 결론은 이 방법을 사용했더니 암의 성장이 억제되었다는 것이다. 특히 고령자 환자 등 환자의 상태에 따라 수술이 불가능한 주변 림프절 치료 등에 사용될 수 있다는데 큰 주목을 받았다.

2019년에는 스위스의 로잔연방공과대학의 고운(Goun) 박사가 생물 발광에 기반한 영상화와 생체 내 포도당 흡수량의 정량화란 연구결과를 발표했다.

내용은 다소 충격적이다. 고운 박사는 암 종양이 설탕을 섭취하면 반딧불이처럼 빛을 내도록 설계했다. 빛의 양은 대사된 설탕의 양과 비례하기 때문에 빛의 양으로 포도당 대사 실시간 수치 측정이 가능하다는 것이다. 실시간 포도당 대사 수치는 종양의 대사 상태와 더불어 종양으로부터 에너지를 빼앗을 수 있는 약의 종류에 대해 귀중한 정보를 제공한다.

내용은 일반 반딧불이의 효과와 다름없다. 루시페린이 산소와 만날 때 루시페라아제라는 효소의 도움을 받아 산화될 때 방출되는 에너지가 빛 에너지의 형태로 체외로 나온다. 이때의 발광 현상을 이용하여 암치료에 적용하자는 것이다.

김이랑 박사의 연구는 생채 내에서 스스로 빛을 내는 반응을 이용해 빛을 발산해 암을 사멸시키는 방식이다. 즉 스스로 빛을 발산해 암조직에 축적된 광감각제를 활성화시키면 그것이 활성산소를 발생시키고 그 활성산소가 암을 사멸시키는 방식이다. 암 종양은 저산소의 환경 하에 포도당을 끌어와 소비하고 증식하며 활성 산소 앞에서 힘을 잃는다. 즉 활성산소를 발생시켜 암을 치료하는 것이다.

반면에 고운 박사의 성과는 포도당 대사량의 실시간 수치화한 것이다. 이 연구에는 쥐가 이용됐다. 우선 환자에게서 암 종양을 채취하여 루시페라제를 붙이고 이것을 쥐의 몸속에서 자라게 했다. 다음으로 혈액 속에서 분해되지 않는 첫 번째 화합물을 주입시켰고 24시간 뒤 시간차를 두고 두 번째 화합물을 쥐에게 주입시키는데 이것은 특정 조건 하에서 첫 번째 화합물에만 반응하게 고안된 것이다.

두 화합물 사이의 반응은 반딧불이처럼 생체 발광 빛을 내는 것이다. 그리고 그 반응은 오직 발광 효소를 붙인 암 종양이 설탕을 대사하는 곳에서만 일어난다. 쥐의 몸에 가져다 댄 CCD카메라 즉 전하 결합 장치를 이용해 영상을 전기신호로 변환하는 카메라로 설탕 대사량을 측정했다. 설탕 대사량과 빛의 양이 정비례하기 때문에 측정하는 것이 가능하다.

고운(Goun) 박사는 반딧불이를 보며 얻은 영감을 클릭 화학과 결합시켰다고 발표했다. 클릭 화학이란 생물의 복잡한 환경 중에 일어나는 맞춤형 반응으로 특정한 조건 하에서 ‘딸깍’하고 결합하는 반응을 말한다. 그녀는 두 개의 클릭분자를 조작했다. 하나는 설탕이며 다른 하나는 반딧불의 발광 화합물인 특정화된 루시페린이다. 일단 설탕이 종양에 의해 먹히고 나면 종양은 클릭 반응을 통해 특정화된 루시페린과 반응하고, 이때 종양은 세포로 들어가는 설탕의 양에 비례하는 발광 빛을 낸다는 것이다.

고운 박사는 반딧불 영상의학의 기술을 ‘생물 발광 포도당’이란 말을 줄여 ‘바이글루크’로 명명했다. 학자들은 ‘바이글루크’가 다양한 종양의 대사 조건을 알려줄 수 있으므로 종양에 대한 새롭고 효과적인 치료가 가능할 것으로 예상한다. 더불어 바이글루크는 암을 넘어 당뇨병, 신경퇴행성 질환, 비알콜성지방간염등과 같은 신진대사의 변화가 핵심적인 역할을 하는 많은 다른 병리학에까지 확장될 수 있을 것으로 추정한다.

2020년 한국에서 또 다시 이 분야의 괄목할만한 연구가 발표되었다.

한국기초과학지원연구원의 이성수 박사는 스스로 빛을 내는 단백질로 암세포를 사멸시켜 암을 치료하는 새로운 개념의 기술개발에 성공했다고 발표했다.

그동안 발광체를 활용하는 방법은 많이 연구되었는데 이 박사가 개발한 기술은 생물 발광 현상을 응용하여 외부에서의 빛 자극 없이 치료과정을 유도하고, 암세포 사멸 후에는 치료에 사용된 단백질이 빠르게 체내에서 분해되도록 한 것이다.

특히, 항암제와 같은 기존의 화학적 제제가 아닌 순수 단백질만을 이용하는 새로운 개념의 치료법으로 기존의 화학적 제제로 인한 부작용을 현저하게 낮춰 주는 것도 가능하다. 암 치료뿐만 아니라 계속적인 연구로 다양한 노인성 질환 치료에 응용이 가능할 것으로 추정한다.

 

생물발광현상을 이용한 암세포의 광역학적 치료법 모식도(한국기초과학지원연구원)

이번 연구의 핵심은 서로 다른 기능을 갖는 두 개의 단백질 부위를 결합시키는 것이다. ‘암세포의 세포막에 특이적으로 결합해 빛을 내는 단백질 부위’와 ‘빛 자극으로부터 암세포 사멸을 유도하는 단백질 부위’가 결합한 구조이다. 암세포에 결합된 단백질이 스스로 빛을 발생시키고, 이렇게 발생된 빛이 방아쇠로 작용해 암세포의 활성산소 농도를 높이고 세포를 사멸시켜 제거하는 원리이다.

이를 위해 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술이 채택되었다.

이 현미경은 세포 수준에서 일어나는세포를 전처리 과정 없이 실시간으로 분석하는 것이다. 즉 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술을 이용해 세포가 살아있는 상태에서 치료 단백질의 암세포 세포막 결합과정부터, 단백질의 발광 현상과 이에 따른 암세포 내 활성산소 생성 유도과정, 활성산소에 의한 암세포의 사멸과정까지, 암 치료 전 과정을 실시간으로 분석했다.

 

<청정지역의 대명사 반딧불이>

반딧불이는 청정지역에 사는 환경 지표종(指標種)으로 매우 민감한 곤충으로 알려진다. 반딧불이는 하루살이처럼 하잘 것 없어 보이는 곤충이지만 환경보호의 대상으로 대표적인 곤충으로 꼽히는 것은 반딧불이는 육상(물가), 수중, 지중의 환경을 양호하게 유지하지 않으면 나타나지 않기 때문으로 생각한다.

그러나 전문가들은 사실 물이 별로 없는 풀 숲에서도 서식한다고 말한다. 이는 반딧불이 유충은 육지에 사는 달팽이도 먹고 살기 때문이다. 그러므로 청정 지역에서만 산다는 것은 그런 환경에서 잘 사는 다슬기가 풍부하기 때문이지만 반딧불이가 반드시 청정 지역에서만 사는 것은 아니라고 말한다.

 

무주 반딧불이 축제

물론 반딧불이가 농약, 수질 오염, 개발로 인한 서식처 파괴 등이 있을 경우 살지 못한다. 특히 한국의 경우 과거에는 흔한 곤충이었지만 전국토의 난개발은 물론 제초제의 살포로 반딧불이의 애벌레의 먹이가 되는 다슬기 등이 사라져 반딧불이도 자취를 감추어 귀하디 귀한 곤충이 되었다는 것이다.

더욱이 반딧불이는 야행성이기 때문에 강한 불빛을 싫어한다. 따라서 농촌의 가로등과 차량의 불빛은 반딧불이를 사라지게 만든다. 복개된 서울의 청계천을 자연으로 돌려주면서 반딧불이가 살 수 있는 환경으로 만들자는 것도 이와 같은 이유인데 무주군 설천면 일원의 하천에서 반딧불이가 살고 있는 서식지가 발견되었다. 그 서식지가 1982년 11월 4일 천연기념물 제322호로 지정되었고 반딧불이 축제 등 지역의 대표적 아이콘이 되었다.

그런데 전국에 있는 반딧불이 전체가 천연기념물은 아니다.

일반 반딧불이가 천연기념물이 아니라 전라북도 무주군에 서식하는 반딧불이만이 천연기념물로 지정되어 있다. 더불어 곤충들 중에서 비단벌레와 장수하늘소만 천연기념물로 지정되어 있다. 반딧불이는 전국에서 발견되는 곤충으로 반딧불이 자체가 천연기념물은 아니지만 쉽게 볼 수 있는 곤충은 아니다.

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참고문헌 :

「빛을 내는 신기한 생물들」, 마이크 토너, 리더스다이제스트, 1995년 6월

「반딧불이 발광의 비밀은 산화질소」, 월간조선, 2001년 8월

「반딧불이를 살려야 하는 이유」, 허우용, 위클리솔, No. 87, 2003.

「형광빛 나는 형질전환 닭 국내 생산 성공」, 이건순, www.news.go.kr 〈포토그래픽뉴스〉, 2004.07.12

「대만 ‘형광초록빛 돼지’개발」, 신정선, 조선일보, 2006.1.14.

「어둠 속에 떠오르는 빛나는 생물」, 뉴턴, 2009년 2월

「반딧불」, 권오길, 네이버캐스트, 2009.09.03.

「반딧불 덕분에 노벨상 받았다고?」 윤주영, 더사이언스, 2013.03.20.

「반딧불이 발광 색깔 조절하는 발광효소 아미노산」 오철우, 사이언스온, 2016.08.25.

「반딧불 등 ‘생물발광’ 이용 ‘암 치료 기술’ 개발」, 송병기, 쿠키뉴스, 사이언스온, 2015.07.22

「암 종양이 발광(發光)하다」 , 김연아, 사이언스타임즈, 2019.06.17

「빛을 내는 단백질로 암세포 사멸시키는 암 치료기술 개발」 , 한국기초과학지원연구원, 2020.09.14.

「반딧불이」, 나무위키

「반딧불이」, 위키백과

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3567864&cid=58949&categoryId=58983

https://www.a-ha.io/questions/458de375d0ad2e378eac3b91b5b1310d

『식물바이오테크놀러지』, 스즈키 마사히코, Blue Backs, 1991