금년도 노벨상 영광의 얼굴이 밝혀졌다. 그중 과학자에게 주어지는 의학·생리학상, 물리학상, 화학상은 각각 3인의 수상자를 배출했다. 국가별로는 미국 5인, 서독 3인, 영국 1인으로 서구 과학자들이 휩쓸었으며 동양권이나 공산권은 없다. 여성은 '엘리온'박사가 유일. 최근의 추세대로 주로 공동연구자들에게 수상이 돌아갔으며, '반짝이는'연구보다는 '지속적인'연구에 더 점수를 준 듯. 수상자의 주요 업적이 시간이 조금 지난 것만 봐도 알 수 있다. 그들의 공로를 점검해본다.
의학·생리학상 암 정복의 그날을 앞당겨 조지 히칭스, 거트루드 엘리온
질병세포와 정상세포는 핵산대사가 다르다는 사실을 발견. 암과 AIDS 치료제 개발에도 한몫.
우리 인체는 수 많은 세포로 구성되어 있다. 따라서 각 장기를 이루고 있는 세포군이 제 기능을 유지해 주어야 생명을 보전할 수 있다.
그런데 세포군중 일부는 자기 기능을 잃어버리고 통제되지 않은 분화와 성장을 계속하면서 우리 몸에 해로운 짓을 한다.
이 세포군을 암세포라 하며 이렇게 우리 몸에 역기능을 하는 반란군의 세포가 많아지면 개체는 생명을 잃게 되는 것이다.
오래 전부터 많은 과학자들은 이러한 역기능을 갖고 있는 암세포를 선택적으로 죽일수 있는 약제개발에 노력해 왔다. 그 결과 완전하지는 않지만 암세포 살상능력이 있는 여러 약제가 등장했고 이번에 노벨의학·생리학 상을 타게 된 조지 히칭스(83)와 거트루드 엘리온(70) 박사도 암세포를 죽이는 약제개발에 큰 공을 세운 분들이다.
그들은 약제개발에 앞서 정상세포와 암세포 사이의 기능적인 차이를 연구했다. 즉 정상세포에는 크게 해를 주지 않으면서 암세포를 선택적으로 죽일 수있는 방법을 연구했다. 스웨덴의 한림원도 이러한 차이점을 이용해서 암치료의 가능성을 높여준 것을 큰 공헌으로 생각한 것이다.
정상세포 속에는 염색체(chromosome)라고 하는 대단히 정교한 '컴퓨터'가 들어 있다. 이것은 세포의 기능을 조절하고 기능을 정상적으로 발휘하게 하는 것이다.
이 '컴퓨터'속에는 마치 컴퓨터의 칩같은 기초재료가 있다. 핵산으로 구성된 DNA가 그것인데 정상적인 DNA는 세포생명에 매우 중요하다. 재료가 불량한 컴퓨터칩으로 만든 기계가 기능을 제대로 하지 못하는 것같이 세포도 재료격인 DNA가 부실하면 기능마비에 빠진다.
정상세포는 한번 탄생하면 오랜 기간 동안 분화없이 산다. 따라서 염색체를 재구성하거나 새로운 세포를 만들기위한 세포분화는 불필요하기 때문에 DNA합성을 거의 하지 않는다. 이에 반해 암세포는 우리 인체내의 질서에 순종하지 않고 마음대로 염색체를 생산해 가면서 무한정 새로운 세포로 분화해가는 현상을 보인다. 이러한 분화 과정에서는 많은 DNA 합성이 요구되고 동시에 합성재료 즉 핵산이란 물질이 꼭 필요하게 된다.
핵산대사가 다르다
히칭스와 엘리온박사는 여기에서 힌트를 얻었다. 새로운 세포로 분화되면서 필연적으로 핵산을 요구하는 암세포의 특성을 이용한 것이다. 그들은 암세포와 친한 핵산에 그들이 개발한 항암제를 결합시켜 핵산의 모양을 변화시켜 놓았다.
그러면 암세포는 불량품이 된 핵산을 사용, DNA를 합성하게 되고 결국 이런 DNA를 가진 암세포는 오래 생존하지 못할것이다.
그런데 정상세포가 불량품 핵산을 이용할 가능성도 있다. 하지만 정상세포가 암세포와 같이 분화하는 일은 드물기 때문에 항암제 투여시 정상세포가 큰 타격을 입지는 않을 것이다.
이론대로라면 이분들이 개발한 약제를 투약하면 분화하는 모든 암세포는 '정지'해야 한다. 하지만 실제로는 그렇지 않다. 다만 일부의 환자에게만 유효할뿐이다. 그 이유는 여러 가지가 있어 한마디로 말하기는 어렵다. 더욱이 아직 수수께끼로 남아있는 부분도 수없이 많다.
염색체에 관한 연구는 앞으로도 계속 노벨상의 물망에 오를수 있는 분야이다. 물론 지금까지는 암세포를 죽이는 방법의 개발에 치중했다. 하지만 앞으로는 더 근본적인 문제가 각광을 받을 것이다. 한 예를 들어본다.
염색체속에는 정상세포를 암으로 변화시키는 정보를 갖고있는 DNA부분이 있다. 이것을 발암인자(oncogene)라고 하는데 평소엔 억제돼 있다가 어떤 이유에 의해 억제가 풀리면 암을 유발시키는 것이다. 현재 암의학계에서는 이 부문에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 따라서 몇년내에 노벨상 수상자를 배출할 것으로 추측된다.
한마디로 두교수의 수상은 정상세포와 질병세포의 핵산대사가 다르다는 사실을 밝힌 공로로 이뤄졌다. 현재 이 이론은 암은 물론이고 백혈병, 말라리아, 허피스(herpes), 심지어는 신종 병인 AIDS의 치료제개발에 적극 활용되고 있다.
의학·생리학상 질병치료에 수용체설 도입 제임스 블랙
베타차단제로 고혈압 협심증 환자를 살려내고 H₂차단제로 위궤양환자를 구하다.
학문적 업적을 인정받아 1981년 영국 왕실로부터 백작작위를 수여받은 제임스 블랙경은 일생을 수용체의 차단제와 씨름해온 생리학자이자 약리학자이다. 그가 세상에 내놓은 업적중에서 노벨상과 맞바꾼 '걸작'도 역시 차단제인데, 베타수용체의 차단제와 히스타민 수용체의 차단제가 그것이다.
그렇다면 수용체는 무엇이고 차단제는 어떻게 수용체에 작용하는 것일까?
뭔가 스트레스를 받았다고 가정하자. 그러면 스트레스는 이내 신경전달물질로 변해 '친숙한'세포를 향해 다가 갈 것이다. 이때 세포는 일단 신경전달물질에 '문'을 열어주지만 반드시 '문지기'의 안내를 받게 한다.
이 '문지기'가 바로 수용체다. 다시 말하면 수용체는 세포의 '접수창구'인 것이다.
그런데 이 수용체는 생리물질에 대해 무척 까다롭고 선택적으로 반응한다. 예컨대 아드레날린이라는 생리활성물질은 오직 α와β수용체하고만 결합해 세포내로 들어온다. 이같은 '특이적' 성격때문에 수용체는 무척 많은 종류가 있다.
그중 블랙경의 연구대상이었던 베타(β)라고 하는 수용체에 대해 알아보자. β수용체는 다시 β₁수용체와 β₂수용체로 나뉘는데, β₁은 심장과 신장에, β₂는 기관지와 혈관의 평활근에 많다.
이들 β수용체와 친한 아드레날린과 노르아드레날린은 카데콜라민계에 속하는 신경전달물질들이다. 또 이들은 흥분 각성 긴장상태일 때 분비되는 교감신경의 지배를 받는다. 즉 심한운동, 스트레스, 분노 등을 느낄때 몸안에서 저절로 생성되는 것이다.
이들 신경전달물질이 심장에 가까이 접근하면 심장세포의 β₁수용체는 '환영'의 신호를 보낼것이다. 결국 신경전달 물질과 β₁수용체가 결합하나 건강에는 적신호가 들어 온다. 즉 심장의 수축이 커지고, 박동수가 증가하며, 고혈압을 상승시키는 효소인 레닌의 분비가 많아질 것이다. 흥분했을때 심장이 '쿵쿵'뛰는 것도 바로 둘의 '결합'때문이다.
"그렇다면 이 둘을 강제로 떼어놓으면 심장의 부담은 한결 가벼워질지 모른다." 생각이 여기에 미친 블랙경은 결합을 깨뜨릴 방법을 찾기 위해 연구를 거듭했다. 아드레날린보다 한발 앞서 β₁수용체와 결합하는 약제를 찾는데 심혈을 기울인 것. 그는 약제가 β₁수용체와 먼저 붙어버리면 뒤늦게 도착한 아드레날린은 결국 '미아'가 되고말 것으로 추측했다. 즉β₁수용체+아드레날린을β₁수용체+약제로 치환한 것이다.
그의 추측은 맞아 떨어졌다. 1958년 자신이 최초로 개발한 베타차단제, 프로프라놀롤이 심장병의 '특효'임을 입증한 것이다. 그후 프로프라놀롤은 심방병의 '만병통치약'으로 각광을 받았고, 실제로 수 많은 인명을 구했다. 협심증 급성심근경색, 고혈압 등은 물론이고 안압저하 불안감해소에도 탁월한 약효를 보였던 것.
그런데 IOC는 프로프라놀롤을 비롯한 베타차단제를 도핑금지약물로 지정해놓고 있다. 양궁 승마 체조 근대5종 사격 다이빙 수중발레 요트선수에 한하여 복용을 금한 것이다. 안정을 겨루는 경기에서 안정제의 역할을 한다는 이유였다.
'문지기'를 속이다
1972년 블랙경은 또하나의 차단제를 개발했다. 히스타민(H)수용체의 차단제인 시메티딘을 탄생시킨 것이다.
알레르기를 일으키는 물질인 히스타민은 2개의 수용체가 있다. H₁수용체와 H₂수용체이다.
이중 H₁수용체는 온몸에 고루퍼져 있다. 하지만 H₂수용체는 위, 특히 위산(Hcl)을 분비하는 벽세포에 몰려있어 위궤양 십이지장궤양 등의 발병과 관련이 있다. H₂수용체와 히스타민이 결합하면 위산분비가 촉진되는데, 위산은 위벽을 녹일 정도의 강산이기 때문이다.
그래서 블랙경은 위산분비를 억제시키는 약물제조에 돌입했고, 다시 자신의 '보도'(寶刀)를 휘두렀다. H₂수용체와 히스타민과의 연결고리를 가른것이다. 그 '칼'은 시메티딘이란 약이었다.
블랙 경의 업적은 결코 과소평가할 수 없다고 관련 학자들은 입을 모은다. 그는 질병치료에 수용체설을 최로로 도입했고, 실제로 수많은 약제의 개발에 적극 참여했다. 특히 길항제(antagonist)와 차단제를 멋지게 활용해 '문지기를 속이는데' 성공, 인류의 삶의 연장을 도왔던 것이다.
물리학상 중성미자의 정체를 밝혀 레온 레더만, 잭 슈타인버거, 멜빈 슈발츠
일초동안 우리 몸을 1백억번 때리는 중성미자. 수상자들은 '두 종류의 중성미자'라는 실험을 통해···.
외신을 통하여 레온 레더만, 잭 슈타인버거, 멜빈 슈발츠 박사들이 1988년도 노벨물리학상을 수상했다는 보도에 접하면서 역시 받아야할 사람들을 선정했구나 하는 공감을 느꼈다.
그들은 '두 종류의 중성미자'(Two neutrino experiment)로 알려진 실험으로 자연에는 뮤온 중성미자(muon neutrino)와 전자 중성미자(electron neutrino)라는 전혀 다른 두 종류의 중성미자가 있다는 것을 밝혀낸 공로로 이번 노벨 물리학상을 수상한 것이다.
중성미자란 무엇이며 왜 두종류의 중성미자(사실은 타우중성미자가 발견됨에 따라 적어도 세종류가 있다는 것이 알려지고 있다)가 왜 중요한가?
자연과학에 관심있는 독자라면 다 알고 있듯이 방사선 동위원소의 붕괴(예를 들어 라듐의 붕괴)에서 나타나는 α,β,r선 중에서 β선은 전자와 더불어 중성미자가 방출되는 현상이다.
β붕괴의 기본과정은 중성자가 양성자. 전자 및 중성미자로 붕괴하는 과정이다. (기호로는 n→P+e+ν로 표시되며 n은 중성자, P는 양성자, e는 전자, ν는 중성미자를 말한다).
그러나 실제로 중성미자는 검출되지 않는다. 왜냐하면 중성미자와 다른 물질들간의 상호작용이 너무나 약해서 그 존재를 알기 힘든 때문이다. 얼마나 약한 작용을 하는지 예를 들어 보자. 지금 이 시간에도 태양이 방출하는 중성미자가 우리 모두를 때리고 있다. 1초 동안에 무려 1백억개의 중성미자가 우리들을 때리고 있지만 아무도 느끼지 못할 정도로 약한 작용을 하고 있는 것이다.
그러나 이 중성미자는 광자(빛의 알갱이)와 더불어 이 우주에 가장 많이 존재하는 입자이기도 하다. 다만 약한 상호작용 때문에 쉽게 검출되지 않을 뿐이다.
벌써 60년전 독일물리학자 파울리(Pauli)박사는 중성미자를 이론적으로 예견했다. 그 뒤 30년이 지난 후 코헨과 라이너스(Cohen & Reines)박사에 의하여 마침내 중성미자는 그모습을 드러냈다.
우주의 디자인을 하다
이번 노벨물학상 수상자들은 1962년 뮤온중성미자와 전자중성미자가 다르다는 사실을 밝혀내 주목을 끌기 시작했다.
그들은 자연의 구성요소의 핵심적인 디자인을 알아냈다. 또 이 우주에서 광자와 더불어 가장 많은 입자인 중성자의 종류가 얼마 만큼 있는지 밝혀냈다.
그러나 아직도 우리들은 중성미자를 너무도 모르고 있다. 그좋은 예로 중성미자의 질량조차 파악하지 못하고 있는 것이다. 질량이 아주 적다는 것만 알려져 있지 그 이상은 모른다. 입자의 '주민등록증'이라고도 할 수 있는 질량조차 캄캄한 상태이고 보니 중성미자의 행적수사는 아직 요원한 일로 느껴진다. 하지만 그런 점이 물리학을 재미있고 보람있게 하는 것이다.
화학상 식물의 광합성 생성과정 밝혀내 요한 다이젠호퍼, 로베르트 후버, 하트무트 미헬
식물의 박테리아는 같은 조상(?). 광합성 명반응과정의 3차원 구조분석을 통해 알아낸다.
1988년도 노벨화학상은 요한 다이젠호퍼(Deisenhofer, J), 로베르트 후버(Huber, R), 하트무트 미헬(Michel, H) 등 서독의 막스 플랑크 연구소팀이 공동으로 수상하였다.
이들의 수상연구 업적을 한마디로 소개하면, 광합성 반응 중심부에서 광합성의 명반응에 중요한 역할을 담당하는 막 결합 단백질의 삼차원적 구조를 밝힌 것이다.
우리가 흔히 알고있는 고등식물 세계에서의 광합성이란 식물잎 조직 세포 속에 있는 엽록체(Chloroplast)를 통하여 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O) 그리고 태양광선을 이용, 포도당을 만들어내는 화학반응 과정,
그러나 생명체 내에서의 이와 같이 간단하게 한 단계로 일어나는 것이 아니고, 상당히 복잡한 여러 반응단계를 거쳐 일어나는 것이다. 광합성은 고등식물 뿐만 아니라 하등식물, 그리고 광합성 박테리아에서도 일어나는데, 생명체에 따라 광합성 반응기구의 세포내 위치및 반응 경로는 다를 수도 있다. 그러나 기본적으로 광선에너지를 화학에너지로 전환시키는 목적은 같은 것이다.
광합성을 할 수 있는 세포내 주요 광합성 기구들은 주로 생체막(세포막 또는 엽록체의 막)에 존재한다. 이 광합성 기구들이란 광선을 흡수할 수 있는 광수용체 분자들과 전자를 운반할 수 있는 분자들이 단백질과 복합적으로 결합되어 있으며, 이 단백질 복합체는 다시 생체막과 결합하고 있는 것이다.
광합성 반응과정은 명반응(Light reaction)과 암반응(Dark reaction)단계로 나눌 수 있다. 명반응 단계에서는 광수용체 분자들이 광선을 흡수하고 전자를 방출하게 된다. 이때 전자는 전자운반체들에 의해 수송되어 NADPH라는 강한 환원력을 가진 물질을 만든다. 물론 이때 높은 에너지 저장물질인 ATP라는 화합물도 만들어지게 된다. 광수용체에서 전자가 빠져 나가면 그것에 다시 전자를 채워주는 물질이 물(H₂O)인 것이다. 명반응에서 만들어진 NADPH와 ATP는 암반응(Calvin cycle) 에서 이산화탄소(CO₂)를 고정시킬 때 사용된다.
광합성 명반응의 3차구조 밝혀
생명체의 생명활동을 분자적 수준에서 정확하게 이해하기 위해서는 그 생명활동에 참여하는 생체분자들의 구조, 특히 삼차원적 구조를 먼저 아는것이 중요하다. 이런 차원에서 볼 때 광합성의 명반응 단계를 완전히 이해하려면 이 반응에 참여하는 반응기구를 구성하고 있는 분자복합체들(광시스팀II 또는 박테리아에서의 광합성 반응중심부)의 삼차원 구조를 밝히는 것은 매우 중요한 일이다.
이번에 노벨화학상을 수상한 3명의 화학자들은 광합성 박테리아인 로도슈도모나스 비리디스(Rhodopseudomonas viridis)라는 생명체에서 세포막과 결합되어 있는 광합성 명반응 중심체를 정제한다음 결정화시켰다. 또 이들은 결정체에 대한 X선분석 실험을 하여 광수용체와 단백질의 삼차원적 구조를 밝힘으로써 광합성 명반응 메커니즘을 이해하는 데 중요한 계기를 마련했다. X선 기술을 이용하여 생명 현상에 중요한 단백질들의 삼차원 구조를 밝혀 노벨 화학상을 수상한 예가 많이 있는데, 이번의 업적은 막과 결합한 단백질을 결정화시키는 어려움을 극복 했다는 점도 평가받고 있다.
이들의 연구 결과에 의하면 박테리아의 광합성 중심부 단백질의 특성이 고등식물체의 광시스팀II 반응중심부 단백질의 특성과 유사성이 있음이 발견되었는데, 이 사실은 광합성 중심부는 식물이든 박테리아든 같은 조상으로 생각되는 것이다.
