올해 발표된 과학자 최고의 영예 노벨상 수상자들의 연구 업적을 살펴본다.
물리학상/테일러와 헐스
쌍성펄사에서 발생하는 중력파 추적
올해 노벨 물리학상은 미국의 천문학자인 헐스(R.A. Hulse)와 테일러(J.H. Taylor)가 차지했다. 두 사람의 대표적인 논문 '쌍성계내의 펄사 발견'(Discovery of a Pulsar in a Binary System)은 지금으로부터 거의 20년전인 1975년 발표되었는데, 당시 헐스는 매사추세츠(Massachusetts) 대학의 대학원생이었고 테일러는 교수였다.
이들의 업적을 이해하려면 먼저 중성자별(neutron star)에 관해 알아볼 필요가 있다. 중성자별이란 별의 '시체'의 한종류다. 즉 질량이 큰 별의 진화 최종단계에서 별의 거죽은 폭발하여 날아가고 밀도가 높은 중심핵만 남은 것이 바로 중성자별이다.
태양 정도의 질량을 갖는 중성자별은 대략 서울시만한 크기를 갖는데, 중성자별은 보통 1초에 1회 이상 회전한다. 이렇게 빠른 회전에 의한 엄청난 원심력은 보통의 별 정도는 가볍게 깨뜨릴 수 있지만 중성자별에는 별 영향을 주지 못한다. 왜냐하면 중성자별의 평균 밀도는 원자핵과 같아서 1㎤ 부피당 질량이 약 10억t에 이르기 때문이다(이번호 특집 참조).
중성자별 중 어떤 것은 마치 등대가 깜빡이는 것과 똑같이 회전할 때마다 우리에게 빛의 박동(pulse)를 내기도 하는데 이러한 것들은 펄사(pulsar)라고 부른다. 가장 최근 자료에 따르면 헐스와 테일러가 발견한 천체 PSR 1913+16은 두 중성자별이 태양지름의 약 1.5배 정도 떨어져서 주기 약 8시간, 초속 3백km의 속도로 공전하고 있는 쌍성계인데, 그 중 하나의 주기가 0.059초인 펄사다. 즉 이 펄사는 초당 약 17회전하는 중성자별이다.헐스와 테일러는 이 펄사를 정밀히 관측함으로써 쌍성계의 진화를 추적할 수 있었다.
에너지감소의 원인 추적
그들이 얻은 결과는 매년 공전주기가 0.000075초씩 짧아지고 있다는 것이었다. 이 값은 이론적으로 그 쌍성계가 중력파에 의해 공전에너지를 잃는다고 가정하고 계산한 공전주기 감소치와 정확히 일치한다. 이 중성자별 쌍성계는 항성풍(stellar wind) 등의 결과로 공전주기가 변할 수 없기 때문에, 결국 헐스와 테일러의 발견은 중력파가 존재한다는 사실을 간접적으로 입증한 셈이 되었다.
여기서 중력파란 운동하는 전하에 의해 전자기파가 발생되는 것과 마찬가지로 운동하는 질량에 의해 생성되는 파동이다. 엄밀히 말하여 우리가 작별할 때 손을 흔들어도 중력파는 발생해야 한다. 하지만 중력이 전자기력에 비하여 ${10}^{36}$배나 약하기 때문에 중력파 또한 그만큼 전자기파에 비하여 약할 수밖에 없다. 따라서 존재해야 한다고 믿으면서도 결코 검출해내지 못한 것이 중력파였다.
미국의 웨버(Weber)는 이미 50년대 후반부터 중력파를 검출할 수 있는 감지기를 제작하여 중력파 연구의 선구자로 알려져 왔다. 그는 천체로부터 날아온 중력파를 여러번 검출했다고 주장하지만 일반적으로 받아들여 지지 않았다. 만일 그가 발견한 것이 공식적으로 인정된다면 이야말로 노벨물리학상감이다.
선진국들은 보다 성능이 우수한 중력파감지기를 만드는 일에 노력을 경주하고 있어 실제로 지상에서의 중력파 관측이 가까운 시일내에 이루어질지도 모른다. 하지만 이번 헐스와 테일러의 노벨상수상으로 지상에서보다는 우주에서의 중력파검증이 먼저 공식적으로 인정됐다.
따라서 이번 수상은 여러가지 의미를 갖는다. 우선 21세기의 새로운 기초과학확립을 위해서는 우주로 눈을 돌려야한다는 사실이 입증되었다고할 수 있겠다. 즉 온 우주를 실험실로 만들겠다는 발상의 전환이 필요하다는 말이다.
인간이 지구상에서 할 수 있는 실험에는 한계가 있지만 이 우주에는 우리가 상상할 수도 없는, 거대한 에너지가 관련된 현상들이 진행되고 있다. 예를 들어 초신성이 내는 에너지는 태양보다 수백억 배나 강하다. 지구를 한 바퀴 도는 거대한 입자가속기를 만들어도 이따금 우주선(cosmic ray)에서 발견되는 초고에너지 입자만큼 가속하기는 불가능하다는 사실도 시사하는 바 크다.
또한 이번 수상으로 중력파 천문학의 시대가 시작되었다고 보아도 좋을 것 같다. 천문학은 지금까지 빛을 관측하는 방법에만 의존하여 왔지만 이제는 블랙홀(black hole)이나 중성자별 또는 활동성 은하핵(active galactic nuclei)과 같은 고에너지 천체들이 내는 중력파도 비중있게 다루어질 것이기 때문이다.
중력파 망원경으로 우주를 탐색하는 시대가 도래한 것이다. 중성미자와 같은 입자까지도 관측 수단으로 이용될 21세기의 천문학은 과연 어떠한 모습을 하고 있을지 상상만 해도 신나는 일이다.
테일러와 헐스의 업적을 포함해 중력파와 관련된 내용은 '과학동아' 89년 11월호와 12월호에 자세히 게재돼 있다.
화학상/멀리스와 스미스
DNA 복제술 중합효소연쇄반응 개발
1993년 노벨 화학상 수상자인 케리 멀리스와 스미스가 개발한 중합효소연쇄반응(PCR, Polymerase Chain Reaction)은 생물체 게놈 DNA의 특정 DNA절편만을 선택적으로 증폭시켜 시험관내에서 단시간에 원하는 유전자를 분리, 효과적으로 분석할 수 있는 획기적인 기법이다.
PCR 개발 이전에도 많은 분자생물학자 및 생화학자들이 비슷한 원리를 이용해 시험관내에서 유전자를 복제한 바 있다. 그러나 그들은 게놈 DNA에 하나의 프라이머를 결합시키고 중합효소로 효소 활성화가 좋은 클레나우 프라그먼트(Klenow fragment)를 사용해 단일나선의 DNA를 복제했다. 이때 연속반응을 위해 한 번 복제된 단일나선 DNA를 기질로부터 분리시키기 위해서는 고온처리(95℃ 이상)가 필수적이고, 그에 따라 클레나우프라그먼트는 변성되기 때문에 다음 반응을 위해서는 이를 새로이 공급해야 하는 불편이 있었다. 또한 37℃에서 복제반응이 진행되기 때문에 반응의 특이성 및 효율도 낮았다.
본래 멀리스는 PCR 개발 이전에 자외선에 쪼이면 색깔이 빠르게 변하는 플라스틱을 개발한 화학자로 알려져 있었다. 캘리포니아대의 생화학과에서 박사과정 중이었던 그는 저명한 과학잡지인 '네이처'지에 '시간 역전의 우주론적 의미'라는제목의 논문을 발표하고 1972년에 생화학 박사 학위를 받았다. 이후 캘리포니아대와 캔사스 의과대에서 박사후 연수과정을 마친 그는 시터스사(Cetus Corporation)에 입사해 위와 같은 문제를 해결하고자 노력했다.
1983년 5월의 어느 금요일 밤, 그는 동료와 함께 차를 몰고 북캘리포니아의 달빛어린 삼나무숲을 따라 여행 중이었다. 그때 갑자기 그의 머리 속에는 기발한 생각이 떠올랐다. 이전의 단일 프라이머 대신 두개의 프라이머를 사용하면 원하는 크기의 이중나선 DNA로 복제할 수 있다는 것. 복제된 DNA는 다음 반응의 기질로 작용할 수 있기 때문에, 하나의 목표 DNA는 1회 반응 후 2개의 이중나선 DNA로, 2회 반응 후 4개 등 결국 n회의 반응 후 ${2}^{n}$개라는 지수로 복제된 DNA를 기대할 수 있을 것으로 생각했다. 이후 그는 몇 차례의 간단한 실험을 통해 자기의 생각이 옳았음을 깨닫고 이를 '중합효소 연쇄반응'(PCR)이라 명명했다.
그러나 초기의 PCR은 여전히 클레나우 프라그먼트를 사용했기 때문에 매 반응시마다 효소를 첨가해야했으며 효율성도 낮았다. 이 문제를 극복하기 위해 그가 도입한 가장 중요한 개선방법은 온천에서 증식하는 박테리아(Thermis aquaticus)에서 분리한 Taq DNA 폴리머라제를 사용하는 것이었다. Tag DNA 폴리머라제는 75-80℃에서 초당 1백50개의 뉴클레오티드 합성을 진행시킬 수 있으며, 특히 90℃이상에서도 한 시간 이상 초기 활성이 그대로 유지된다. 따라서 PCR 초기반응에 단 한 차례만 공급해도 수십 사이클을 통해 안정적으로 반응을 진행시킬 수 있을 뿐 아니라 각 반응을 고온에서 진행하기 때문에 반응특이성과 효율성을 크게 증대시키게 되었다.
일반적으로 PCR이은 하나의 작은 튜브(0.5 또는 1.5mL)에 시료 DNA 및 한쌍의 프라이머, Tag DNA 폴리머라제, 그리고 네 종의 dNTP등을 혼합해 반응을 진행시킨다. 위의 반응혼합액은 자동화된 '열순환기'(thermal cycler)를 이용해 변성단계-결합단계-신장단계의 3단계로 구성된 PCR의 각 사이클을 순환하게 된다.
PCR에는 게놈 DNA를 기질 DNA로서 사용하나, 바이러스나 박테리아의 DNA 및 cDNA도 포함된다. 따라서 게놈 DNA의 특정유전자를 탐색할 수 있을 뿐만 아니라 바이러스나 박테리아의 감염, 그리고 특정조직으로 부터의 유전자발현을 검출할 수 있다. 그리고 게놈 DNA는 순수정제해 사용하지만 때로는 정제과정 없이 단 몇 μL의 혈액으로 직접 PCR을 수행할 수 있어 법의학에 크게 기여하고 있다.
PCR에 의한 증폭 DNA의 염기서열은 직접 분석될 수 있다. 그러나 일반적으로 증폭 DNA의 유무 및 크기, 그리고 제한효소 절편 다형현상(RFLP, restriction fragment size polymorphism) 등을 조사함으로써 수 시간내에 유전병과 관련된 대립유전자를 찾아내거나 단일 염기상에서의 돌연변이를 빠르게 찾아냄으로써 각종 유전병을 진단할 수 있으며 궁극적으로 유전자의 구조 및 기능에 관한 연구를 수행할 수 있다. 결국 특정 유전자의 생물학적 혹은 생화학적인 특성을 조사하기 위한 강력한 도구로서 PCR이 이용되고 있는 것이다.
이외에도 PCR을이용한 새로운 기법이 계속 개발, 보고되고 있으며, 이를 토대로 생물체의 게놈에 관한 정보도 그만큼 증폭될 것으로 보인다. 현재 PCR은 범세계적으로 진행되고 있는 인간 게놈 프로젝트를 수행하는데 있어 없어서는 안될 기법이다.
의학·생리학상/로버츠와 샤프
분리유전자 발견으로 암·유전병 치료 길 터
영국 태생의 리처드 로버츠박사(50)와 미국의 필립 샤프박사(49)가 암과 유전적 질병 치료에 도움을 준 '분리유전자' 연구 공로로 올해의 노벨 의학·생리학상 공동수상자로 결정됐다.
이로써 노벨의학·생리학상은 지난 53년 왓슨과 크릭이 DNA이중나선구조를 규명한 이래 유전자 분자생물학에서만 10번째가 됐다.
로버츠박사와 샤프박사는 감기의 원인균인 아데노바이러스의 유전물질 연구에서 유전자의 유전정보가 비연속적으로 구성됐음을 발견, 이를 토대로 이같은 유전자 구조가 다른 바이러스나 정상적인 세포에도 존재하는가 여부를 끈질기게 추적해 비연속적인 분리유전자 구조가 고등세포조직의 일반적인 유전자구조임을 입증하는 계기를 만들었다.
이들의 연구업적은 특히 유전자의 유전정보 재조합과정 잘못으로 일어나는 유전적 질병 연구에 기여했다.
먼저 이들이 연구했다는 분리유전자(split gene)가 무엇인지부터 알아보자. 우리는 세포를 핵의 존재 여부에 따라 핵이 없는 원핵세포와 핵이 있는 진핵세포로 나눈다. 원핵세포에서는 유전자의 전사와 단백질 합성이 세포질에서 일어난다. 그러나 핵물질이 핵막에 의해 다른 부분과 구별되는 진핵세포에서는 유전자의 전사는 핵에서, 단백질합성은 세포질에서 일어나며 전사된 유전정보가 세포질로 이동하는 과정에서 여러 새로운 변화가 일어난다.
이에 따라 진핵세포는 핵이 존재한다는 점뿐 아니라 여러 면에서 원핵세포와는 다른 유전적 특성을 갖게 됐고 그 대표적 차이 중 하나가 분리 유전자의 존재가 된다.
로버츠와 샤프는 유전자 연구중 생명체를 이루는 단백질을 만드는데 별 필요도 없는 유전자 염기서열을 찾아 냈다. 이 쓸모없어 보이는 유전자의 염기 부분이 인트론인데, 이와는 달리 단백질 합성에 꼭 필요한 부분을 엑손이라 한다.
즉 유전자의 DNA중 단백질을 코드하는 부분, 즉 mRNA에 나타나는 부분이 엑손이고, mRNA에는 없는 나머지 부분이 인트론인데, 엑손과 인트론으로 이루어진 유전자를 분리유전자라 하는 것이다.
유전자는 DNA내부에서 분절로 존재가능
이들이 밝혀낸 것은 엑손과 인트론으로 합쳐진 인간 DNA에서 어떻게 쓸모없는 인트론 부분이 잘려나가고 엑손만이 합쳐져 단백질을 만들어내는가로, 이는 고등생물의 복잡한 환경적응과정과 진화과정을 잘 설명해준다.
즉 간단한 구조로 이루어진 세균이 살아가고 후손을 퍼뜨리는 데는 한줄짜리 긴 연속 DNA로 충분하지만 인간과 같이 복잡한 생물체는 이것만으로 부족하며, 쓸모없는 부분으로 알려진 인트론은 무한한 변화잠재력을 지녀 다양하지만 아직 잘 알려지지 않은 여러 작용에 의해 환경변화에 보다 잘 적응할 수 있는 개체의 진화를 주도한다는 것이다.
이 원리를 좀더 상세히 알아보자. 원핵세포나 대부분의 바이러스에서는 유전자의 DNA 길이는 아미노산의 수와 정확하게 일치한다. 즉 유전자의 서열 전부가 아미노산을 코드하는 서열이 되는 것이다.
그러나 1977년에 이르러 이러한 견해는 바뀌게 된다. 진핵세포유전자에서는 유전자의 뉴클레오티드 서열과 그 유전자의 단백질이 갖는 아미노산 서열이 일치하지 않는다는 사실이 밝혀진 것이다. mRNA의 구조와 그 유전자의 DNA 구조 사이에는 큰 차이가 있어서 대부분의 경우 DNA가 그 mRNA 보다 길다는 것이다.
이러한 구조의 차이는 유전자에 단백질을 코드하는 서열 외에 다른 서열이 있다는 것을 말해주는 것으로 단백질을 코드하고 있지 않은 서열이 단백질을 코드하는 서열의 사이사이에 끼어들어 있음이 밝혀지게 되었다. 따라서 단백질을 코드하는 서열은 mRNA와는 달리 연속적이지 못하고 단속적으로 존재한다.
진핵세포 유전자의 DNA 중 어떠한 기전으로 엑손에 해당되는부분만이 mRNA에 존재하게 되는것일까. 일단 유전자 전부가 전사된 다음 인트론 부분은 잘려져 엑손만이 연결돼 남는데, 이는 스플라이싱 과정에서 정확하게 잘려나가게 된다. 만일 한개의 뉴클레오티드 위치가 잘못되면 그 다음 엑손부터 만들어지는 단백질은 완전히 다른 아미노산으로 이루어지게 된다.
일반적으로 하나의 mRNA 전구체로부터 스플라이싱에 의해 하나의 mRNA가 만들어지게 된다. 그러나 어떤 유전자의 경우는 하나의 mRNA 전구체로부터 둘 이상의 mRNA가 만들어진다. 이 경우는 인트론이 잘려나가면서 일부 엑손이 함께 잘려 나가게 되는데 이때 잘려 나가는 엑손이 다르면 결과적으로 서열중 일부가 서로 다른 mRNA가 만들어지게 된다. 이를 선택 스플라이싱이라 한다.
스플라이싱은 정확히 일어나야 하며 그렇지 않으면 생성된 mRNA의 서열에 변화가 와서 제대로 된 단백질을 합성할 수없게 된다. 가령 유전성 지중해 빈혈 가운데 어떤 것은 스플라이싱 잘못으로 일어난다는 것이 밝혀졌다.
노벨의학·생리학상 수여기관인 스웨덴의 카롤린스카 연구소는 두 사람의 분리유전자 연구가 진화과정에서의 고등 세포조직내 유전자 발전과정에 대한 종전의 학설을 뒤엎고 유전자가 DNA내부에서 몇개의 분절로 존재할 수 있다는 사실을 발견, 유전자 정보표시에 필수적인 유전자 정보 재조합의 과정이 있음을 예견할 수 있게 했다고 수상이유를 밝혔다.
현재 로버츠박사는 미국 매사추세츠주의 뉴잉글랜드 생물학 연구소에 재직중이며 샤프박사는 미국 MIT공대 암연구소에서 일하고 있다. 이들의 연구는 각기 별도로 이루어졌는데, 1977년 당시 샤프박사는 MIT공대에서, 그리고 로버츠박사는 뉴욕주 롱아일랜드의 콜드 스프링 하버연구소에 재직하고 있었다.
