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간밤에 깎아지른 절벽에서 깊은 바닷물로 뛰어드는 꿈을 꾼 탓인지 몸이 찌뿌듯한 30대 회사원 김성희 씨. 화장실에서 소변을 보면서도 뭔가 개운치 않다. 양치질을 하며 거울을 보다 화들짝 놀란다. 거울 한쪽에서 빨간 불이 켜지며 ‘오전에 주치의를 만나라’는 낭랑한 기계음이 전해졌기 때문. 변기에 설치된 장비가 성희 씨의 소변에서 나온 피를 분석해 간암이 시작될 때 생기는 단백질을 찾아낸 것이다.

미래에 개인 맞춤의학시대가 구현됐을 때를 그려본 가상 시나리오다. 한국기초과학지원연구원(이하 기초연) 질량분석연구부를 이끌고 있는 유종신 박사는 “암을 비롯한 인간의 질병을 조기에 진단하기 위해서는 특정 질병과 관련된 단백질(바이오마커)을 알아내야 한다”며 “바이오마커를 콕 집어내려면 그 질량을 정확히 측정하는 게 중요하다”고 강조했다.

기초연은 충북 청원군 오창캠퍼스에 첨단질량분석연구동을 완공하고 세계 최고 성능의 질량분석장비(15T FT-ICR)를 개발한 상태다. 중요한 단백질의 질량분석을 할 수 있는 든든한 디딤돌이 마련된 셈이다.

간암 발병 때만 나오는 단백질 찾아라!
주기율표에 나오는 원소뿐 아니라 각종 화합물도 저마다 고유의 질량이 다르다. 예를 들어 질소분자(N₂)와 일산화탄소(CO)를 비교해보자. 질소분자 1개의 질량은 28.0135Da(달톤, 1Da=1.66×10^-27kg)인 반면, 일산화탄소는 28.0101Da이다. 소수점 셋째자리 이하까지 정확히 측정해야 두 화합물을 구별할 수 있는 셈이다.

수소, 탄소, 산소, 질소 같은 기본원소가 모인 아미노산은 수백Da이고 아미노산이 여럿 조합된 단백질은 수천~수십만Da에 이른다. 유 박사는 “인체를 구성하는 단백질은 질량이 많이 나가 지금까지 분석하기 어려웠다”며 “이론적으로 인체에는 100만 개의 단백질이 존재한다고 예상되기 때문에 암을 조기 진단할 때 사용할 수 있는 단백질(바이오마커)도 찾기 쉽지 않다”고 밝혔다. 그는 또 “현재까지 질량도 측정하고 기능도 알아낸 인체 단백질은 7000~8000개에 불과하다”고 덧붙였다.

암 조기 진단은 어떻게 할까. 인체에서 암이 시작될 때 새로운 단백질이 만들어지는데, 이걸 보고 어떤 암에 걸렸다고 판단할 수 있다. 따라서 초기에 암이 조직에서 생성되고 성장할 때 혈액으로 유출되는 소량의 특정 단백질을 찾아내는 게 관건이다. 그는 “바닷가 모래사장에서 바늘 찾기처럼 쉽지 않은 작업”이라며 “적은 양의 단백질을 측정하는 기술이 필요하다”고 말했다.

유 박사팀은 14개국 35개 실험실과 공동으로 질량 분석기술을 이용해 인간 혈청 내 단백질 지도를 세계 최초로 발표했다. 혈청은 피가 굳을 때 혈액 속 맑은 성분으로 면역 항체, 영양소, 노폐물을 담고 있다. 2005년 유 박사팀이 참여한 국제공동연구팀은 단백질 연구 관련 국제 저널인 ‘프로테오믹스’ 8월호 특집판에 인간 혈청에 존재하는 단백질 3020개의 질량과 기능을 밝힌 단백질 지도를 게재했다.

2007년 이후 유 박사팀은 정상인뿐 아니라 암 환자의 혈청을 갖고 질량 분석을 하고 있다. 간암, 대장암의 바이오마커를 발굴하기 위한 목적이다. 그는 “올해 말까지 100여 명의 암 환자를 대상으로 연구해 특정 암에서 나오는 특정 단백질을 찾아낼 계획”이라고 말했다.

단백질 연구 관련 국제 저널의 표지 장식
현재 연구팀은 대장암의 바이오마커 후보를 발굴한 상태다. 몇 명의 대장암 환자에게서 발견된 단백질인 ‘TIMP-1’이 대표적 예다. 당 단백질 일종인 ‘TIMP-1’은 암 전이에 관계되는 것으로 밝혀졌다. 당 단백질은 당(탄수화물)이 단백질 골격에 사슬 형태로 붙는 구조인데, 당이 수십여 개까지 다양하게 결합할 수 있다.

유 박사는 “예를 들어 암 발생 초기에는 TIMP-1을 추적해 암을 조기에 진단할 수 있고, 또 암이 1~4기로 진행할 때는 당이 어떤 조합을 갖고 단백질에 결합하는지 살피면서 TIMP-1의 변화를 추적할 수 있을 것”이라고 말했다. 그는 또 수술 후 진단의 가능성도 내다보고 있다. 암 수술을 받은 뒤 TIMP-1 같은 특정 단백질이 더 이상 발견되지 않는지를 살핌으로써 수술 예후를 확인할 수 있다는 게 그의 설명이다.

연구팀은 TIMP-1을 타깃으로 대장암 환자 20명을 테스트할 예정이다. 이뿐 아니라 다른 암 환자 수십 명의 시료도 종합적으로 검토해 TIMP-1이 대장암 환자에게서만 나오는지를 알아볼 계획이다.

인간 혈청 단백질뿐 아니라 인간 뇌 단백질도 유 박사팀의 주요 연구대상이다. 2006년 유 박사팀은 11개국 20개 연구팀과 함께 인간 뇌의 생체시료에 존재하는 1500여 개의 단백질을 질량분석 방법으로 발굴해 ‘프로테오믹스’ 9월호에 표지논문으로 발표했다. 이때 정상인뿐 아니라 간질 환자의 뇌 조직 시료를 분석했다. 간질은 뇌 조직이 손상되면 발병하는 것으로 알려져 있다. 뇌 단백질 분석은 치매, 노화 같은 뇌 질환에 관련된 단백질의 정체를 규명하기 위한 노력의 하나다.

“7000개 단백질, 분석·처리에 1주일”

최근 유 박사팀은 뇌에 걸리는 암인 뇌암이 줄기세포와 어떤 관련이 있는지를 연구하고 있다. 즉 줄기세포가 분화해 뇌 신경세포를 만드는데, 이 과정에서 어떤 단백질이 관여하는지, 특정 단백질을 조절하면 뇌암을 치료할 수 있는지를 밝히려는 것. 그는 또 “줄기세포 분화에 어떤 단백질이 관여하는지 알아내면 줄기세포를 원하는 세포로 분화하도록 유도하는 치료도 가능할 것”이라고 말했다.

기초연 오창캠퍼스 첨단질량분석연구동에는 다양한 질량분석장비가 있지만 유독 거대한 장비가 눈에 띈다. 4년간 연구 끝에 지난해 개발하는 데 성공한 15T FT-ICR로 질량분석연구부의 자랑거리다. 유 박사는 “세계에서 딱 하나뿐인 세계 최고 성능의 질량분석기”라며 “현존 장비보다 100배 이상 정밀하게 단백질을 분석할 수 있다”고 자랑을 늘어놨다. 기초연은 미국 질량분석기 제작회사인 ‘브루커’에 기술료 20만 달러를 받고 15T FT-ICR의 관련 특허를 3년간 사용하도록 허가하는 계약을 성사키기도 했다. 15T FT-ICR는 내년부터 본격 가동에 들어갈 예정이다.

단백질 분석에는 FT-ICR과 같은 고해상도 질량분석기가 필수지만 수많은 생물정보를 분석하기 위한 컴퓨터시스템도 갖춰야 한다. 첨단질량분석연구동에는 78개의 CPU가 하나로 연결된 리눅스 클러스터가 있어 한꺼번에 많은 단백질 정보를 처리할 수 있다. 유 박사는 “7000개 단백질의 정보를 분석하고 처리하는 데 1주일 정도 걸릴 것”이라고 설명했다. 단백질의 질량 분석을 하면 단백질의 질량뿐 아니라 구조, 변형에 대한 정보를 알 수 있다.

그는 “단백질 분석에 관한 한 우리나라는 외국에 비해 기술이나 장비 면에서 결코 뒤지지 않는다”며 “한국은 인간 단백질 지도를 만드는 데 결정적인 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

인간 단백질 지도 만드는 ‘인간 프로테옴 프로젝트’

세계인간프로테옴기구(HUPO)는 2002년부터 5년간 9개 국제 공동연구를 추진해 기반 연구를 한 끝에 올해 1월 인간 유전자가 만드는 모든 단백질의 지도를 작성하고자 ‘인간 프로테옴 프로젝트’ 기획에 착수했다. 프로테옴(proteome)은 단백질(protein)과 전체를 뜻하는 옴(-ome)의 합성어다. 최근 신약개발의 타깃은 단백질이므로, 단백질을 게놈 수준에서 연구하고자 하는 프로테옴 연구는 신약개발의 핵심동력이라는 평가를 받고 있다.

HUPO는 전 세계 단백질 관련 연구자 3000여 명을 회원으로 하는 학술단체다. 내년부터는 연세대 생화학과 백융기 교수가 HUPO 회장으로 2년간 활동할 예정이다. HUPO의 의사결정기구인 이사회의 이사 30명 가운데 한국과학자가 3명 포함돼 있다.

인간 프로테옴 프로젝트에서 이미 미국국립보건원(NIH)은 21번 염색체의 단백질 지도를 작성하는 사업을 추진하겠다고 선언한 상태다. 현재 한국인간프로테옴기구(KHUPO) 회장을 맡고 있는 기초연 유종신 박사는 “한국은 13번 염색체를 타깃으로 단백질 분석에 도전하자는 사업을 정부에 제안할 계획”이라며 “13번 염색체는 빠른 시간에 분석하기에 크기가 적당하고 당뇨, 유방암, 뇌 질환에 관련되는 주요 염색체”라고 말했다.