[1948 노벨화학상] 아르네 티셀리우스 : 전기의 힘으로 분자를 분류한 스웨덴의 과학자, 전기영동의 아버지

전기를 이용해 분자들을 분류할 수 있다면?

이것은 단순한 아이디어처럼 들리지만, 그 구현에는 놀라운 독창성이 필요했습니다. 전하를 가진 분자들은 전기장 속에서 이동합니다. 전하의 양이나 분자의 크기에 따라 이동 속도가 달라지면, 시간이 지나면서 서로 다른 분자들이 서로 다른 위치에 모이게 됩니다. 이렇게 복잡한 혼합물을 성분별로 분리할 수 있는 것입니다.

아르네 티셀리우스는 1930년대에 전기영동 기법을 정밀하고 정량적인 분석 도구로 발전시켰습니다. 그리고 이것을 이용해 혈액 속의 단백질들이 어떻게 구성되어 있는지를 처음으로 밝혀냈습니다.

알부민, 알파 글로불린, 베타 글로불린, 감마 글로불린 — 이 이름들은 오늘날 혈액 검사 결과지에서 볼 수 있는 친숙한 이름들입니다. 이 분류가 가능하게 된 것은 티셀리우스의 전기영동 연구 덕분입니다.

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📜 웁살라의 과학자 — 스웨덴 화학의 빛나는 별

 

아르네 빌헬름 코린 티셀리우스는 1902년 8월 10일, 스웨덴 스톡홀름에서 태어났습니다. 아버지 한스 아브라함 티셀리우스는 수학자이자 은행원이었고, 어머니 로사 클라에손은 교육자였습니다.

어린 시절 아버지가 일찍 세상을 떠났지만, 어머니는 티셀리우스에게 훌륭한 교육을 받게 했습니다. 과학에 대한 그의 열정은 중학교 시절부터 이미 두드러졌습니다.

 

스벤 아레니우스의 손자 제자

 

티셀리우스는 웁살라 대학교에서 화학과 물리학을 공부했습니다. 웁살라 대학교는 1477년에 창립된 스칸디나비아에서 가장 오래된 대학으로, 스웨덴 과학의 전통적인 요람이었습니다.

웁살라에서 티셀리우스는 테오도르 스베드베리의 지도를 받았습니다. 스베드베리는 1926년 노벨화학상 수상자로, 초원심분리기를 발명하여 단백질의 분자량을 측정하는 기술을 개발한 인물이었습니다.

스베드베리 밑에서 단백질 연구를 시작한 티셀리우스는 자연스럽게 단백질의 분리와 분석이라는 과제에 관심을 갖게 되었습니다.

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⚗️ 전기영동의 발전 — 분자를 전기로 분류하다

 

전기영동의 기본 원리는 티셀리우스가 발명한 것이 아닙니다. 전하를 가진 입자가 전기장에서 이동한다는 것은 오래전부터 알려진 현상이었고, 19세기부터 이를 이용한 실험들이 있었습니다.

하지만 티셀리우스가 한 것은 이 원리를 정밀하고 정량적인 분석 도구로 완성시킨 것이었습니다.

 

기술적 문제들

 

기존의 전기영동 방법에는 심각한 문제가 있었습니다.

첫째, 전류가 흐르면 열이 발생합니다. 이 열이 대류를 일으켜 분리된 분자들이 다시 섞이게 됩니다.

둘째, 분리가 일어나는 동안 그 경계를 어떻게 시각화하느냐의 문제가 있었습니다. 단백질 같은 생체 분자들은 색깔이 없어 눈으로 볼 수 없습니다.

셋째, 전기영동이 끝난 후 각 성분의 양을 어떻게 정량적으로 측정하느냐가 과제였습니다.

 

티셀리우스의 해결책

 

티셀리우스는 이 문제들을 하나씩 해결했습니다.

열에 의한 대류를 최소화하기 위해 U자형 유리관을 사용했습니다. U자형 관의 세로로 된 부분에서는 대류가 억제됩니다.

분리 경계의 시각화를 위해 슐리렌 광학 시스템을 도입했습니다. 이 시스템은 농도 차이로 인한 굴절률 변화를 감지하는 것으로, 투명한 용액 속에서도 단백질 농도의 경계를 선명하게 볼 수 있게 해주었습니다.

1937년, 티셀리우스는 개선된 전기영동 장치로 혈청 단백질의 분리에 성공했습니다. 혈청을 전기영동에 걸면 경계가 네 개 생긴다는 것을 관찰했고, 이것들이 알부민과 세 종류의 글로불린에 해당한다는 것을 확인했습니다.

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🔬 혈청 단백질의 지도를 그리다

 

혈청 단백질 분석은 단순한 학문적 탐구를 넘어 의학적으로 매우 중요한 의미를 가졌습니다.

 

알부민과 글로불린

 

혈청 속의 주요 단백질들을 분류하면 다음과 같습니다.

알부민은 혈액의 삼투압을 유지하고 각종 물질을 운반하는 역할을 합니다. 간에서 만들어지는 이 단백질이 부족하면 부종(몸이 붓는 현상)이 생깁니다.

알파 및 베타 글로불린에는 콜레스테롤 운반 단백질, 금속 이온 운반 단백질, 면역 반응에 관여하는 단백질들이 포함됩니다.

감마 글로불린에는 면역 항체들이 포함됩니다. 우리가 감기 바이러스나 세균에 노출되면 체내에서 만들어지는 항체들이 바로 감마 글로불린 부분에 해당합니다.

 

의학적 진단 도구로서의 전기영동

 

혈청 단백질 전기영동은 오늘날 여러 질환을 진단하는 중요한 임상 검사가 되었습니다.

다발성 골수종이나 다른 혈액암에서는 이상 단백질이 과잉 생산되는데, 전기영동 패턴에서 특징적인 이상 피크가 나타납니다. 간 질환에서는 알부민이 감소하고 글로불린 비율이 변합니다. 자가면역 질환에서는 감마 글로불린이 증가합니다.

의사가 환자의 혈액 검사 결과를 보면서 알부민, 알파 글로불린, 감마 글로불린의 수치를 확인하는 것 — 이 일상적인 의학 행위가 티셀리우스의 연구에서 비롯된 것입니다.

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💡 흡착 분석 — 두 번째 주요 기여

 

노벨상 수상 이유에는 전기영동과 함께 흡착 분석도 언급되어 있습니다.

흡착 크로마토그래피는 서로 다른 분자들이 고체 흡착제에 달라붙는 정도의 차이를 이용해 분리하는 방법입니다. 티셀리우스는 이 방법을 단백질과 펩타이드의 분리에 더 체계적이고 효율적으로 적용하는 방법을 개발했습니다.

특히 그는 치환 크로마토그래피와 전선 크로마토그래피라는 두 가지 새로운 방식을 도입했습니다. 이것들은 기존의 용리 크로마토그래피보다 더 선명한 분리를 가능하게 했습니다.

이 연구들은 단백질과 다른 생체 분자의 분리, 정제 기술을 발전시키는 데 기여했습니다.

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🏆 1948년 노벨화학상

 

1948년, 스웨덴 왕립과학원은 아르네 티셀리우스에게 노벨화학상을 수여했습니다.

 

 

"전기영동 및 흡착 분석 연구에 대한 공로, 특히 혈청 단백질의 복합적 성질에 관한 발견에 대한 공로를 인정하여"

 

 

이 수상은 스웨덴 과학자에게 돌아간 것이어서 스웨덴 내에서 특별한 환영을 받았습니다. 국왕의 시상식에서 스웨덴 왕립과학원의 원장이 직접 티셀리우스에게 메달을 수여했습니다.

수상 당시 46세였던 티셀리우스는 웁살라 대학교의 생화학과 교수였으며, 그의 연구실은 세계 최고 수준의 생체 분자 분리 연구 그룹 중 하나였습니다.

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✍️ 티셀리우스의 후반생과 공헌

 

노벨상 수상 이후에도 티셀리우스는 연구와 과학 행정에서 활발하게 활동했습니다.

1946년부터 1950년까지 스웨덴 왕립과학원의 사무총장을 역임했고, 1964년부터 1969년까지는 노벨 재단 이사장을 맡았습니다. 노벨상을 선정하는 기관과 운영 기관 양쪽에서 모두 중요한 역할을 한 것입니다.

또한 1961년에는 스웨덴 과학 연구 위원회의 초대 위원장을 맡아 스웨덴 과학 정책의 방향을 결정하는 데 기여했습니다.

1971년 10월 29일, 티셀리우스는 69세의 나이로 세상을 떠났습니다.

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🌍 전기영동이 현대 생명과학에 가져온 것

 

티셀리우스가 개척한 전기영동 기법은 오늘날 생명과학과 의학에서 없어서는 안 될 도구가 되었습니다.

 

DNA 전기영동

 

유전자 분석에서 DNA 전기영동은 가장 기본적인 기술 중 하나입니다. PCR로 증폭된 DNA 단편들을 아가로스 겔 전기영동으로 크기에 따라 분리하는 것은 모든 분자 생물학 실험실의 일상입니다.

범죄 수사에서 DNA 지문법, 친자 확인, 유전 질환 진단, 코로나19 바이러스 검출 — 이 모든 것에 전기영동 기술이 사용됩니다.

 

단백질 전기영동

 

SDS-PAGE(소듐 도데실 설페이트 폴리아크릴아미드 겔 전기영동)는 단백질 분자량 측정과 순도 확인을 위한 표준 기술입니다. 새로운 단백질을 정제했을 때 그것이 순수한지 확인하는 가장 빠른 방법이 SDS-PAGE 겔에 올려보는 것입니다.

 

면역전기영동

 

티셀리우스의 전기영동과 항원-항체 반응을 결합한 면역전기영동은 혈청 면역단백질 이상을 정밀하게 진단하는 기법으로 발전했습니다. 각종 혈액 질환, 자가면역 질환의 진단에 사용됩니다.

 

임상 화학의 일상

 

현재 전 세계 병원에서 매일 수백만 건의 혈청 단백질 전기영동 검사가 이루어지고 있습니다. 간 기능, 면역 기능, 암 여부 등을 평가하는 이 검사들 모두 티셀리우스가 개척한 기술의 직계 후손들입니다.

과학이 의학과 만나 인간의 몸을 더 깊이 들여다보게 된 이야기. 전기의 힘으로 분자를 분류하려 했던 스웨덴 과학자의 꿈이 결국 수백만 명의 질병을 진단하는 도구가 된 여정. 아르네 티셀리우스의 이름은 이렇게 우리의 삶 속에 조용히 스며들어 있습니다.