[1964 노벨화학상] 도로시 크로풋 호지킨 : X선 한 줄기로 페니실린과 비타민 B12를 해독한 여성 과학자

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📜 눈에 보이지 않는 것을 보는 방법

1945년, 제2차 세계대전에서 수많은 병사들의 생명을 구한 기적의 약이 등장했습니다. 바로 페니실린이었습니다. 당시 과학자들은 페니실린이 감염을 치료하는 놀라운 효능을 가진다는 것을 알았지만, 이 분자가 정확히 어떤 구조를 가지는지, 왜 세균을 죽이는지를 분자 수준에서 이해하지 못하고 있었습니다.

같은 시기, 영국 옥스퍼드의 한 연구실에서 한 여성 과학자가 X선 결정학이라는 정밀한 도구를 이용해 페니실린의 정확한 3차원 구조를 밝혀내고 있었습니다. 바로 도로시 크로풋 호지킨이었습니다. 그리고 그 다음 목표는 당시까지 알려진 가장 복잡한 생체 분자, 비타민 B₁₂였습니다.

호지킨은 X선 결정학이라는 기술이 가진 잠재력을 다른 누구보다 깊이 이해하고 있었으며, 당시로서는 풀기 불가능해 보이던 분자들의 구조를 하나씩 해독해 나갔습니다. 1964년 노벨화학상은 이 위대한 업적에 수여되었습니다.

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🏆 이집트에서 태어난 영국의 결정학자

도로시 메리 크로풋 호지킨은 1910년 5월 12일, 이집트 카이로에서 태어났습니다. 그녀의 아버지는 이집트에서 고고학과 교육 행정 일을 하던 영국인이었습니다. 도로시는 어린 시절을 이집트와 수단에서 보냈고, 부모님이 해외에 있는 동안 영국에 있는 친척집에서 학교를 다녔습니다.

어린 도로시가 처음 결정학에 흥미를 느낀 것은 10살 때였다고 합니다. 그녀의 어머니 친구가 보여준 황산 결정이 X선 회절 현상을 일으키는 것을 보고 깊은 인상을 받았다고 전해집니다. 이 경험이 그녀의 미래를 결정했습니다.

옥스퍼드 대학교에서 화학을 공부한 후, 케임브리지로 가서 존 버널 교수 아래서 X선 결정학을 배웠습니다. 버널은 당시 X선 결정학의 선구자였으며, 호지킨은 그의 지도 아래 이 분야의 핵심 기술들을 익혔습니다. 1934년, 버널과 호지킨은 함께 단백질(펩신)의 X선 회절 실험에 성공하며 단백질 결정학의 문을 열었습니다.

박사 학위 취득 후 옥스퍼드로 돌아온 호지킨은 이후 평생 옥스퍼드에서 연구를 이어갔습니다. 1945년 영국 왕립학회 회원에 선출된 그녀는 당시 회원이 된 역사상 두 번째 여성 과학자였습니다.

1937년, 그녀는 역사가이자 아프리카 및 식민지 문제 전문가인 토마스 호지킨과 결혼했습니다. 세 자녀를 키우면서도 그녀는 연구를 멈추지 않았습니다.

호지킨은 1994년 7월 29일, 84세의 나이로 세상을 떠났습니다.

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⚗️ 페니실린의 구조: 전쟁 중에 이루어진 발견

페니실린은 알렉산더 플레밍이 1928년 우연히 발견한 항생제로, 1940년대 초 하워드 플로리와 언스트 체인에 의해 의약품으로 개발되었습니다. 이 세 사람은 1945년 노벨생리의학상을 수상했습니다.

그런데 당시 과학자들은 페니실린이 어떤 화학 구조를 가지는지를 놓고 논쟁하고 있었습니다. 미국과 영국의 많은 화학자들이 페니실린의 구조를 결정하려고 시도했지만, 당시의 화학적 방법들로는 확실한 답을 얻기 어려웠습니다.

호지킨은 X선 결정학으로 이 문제를 해결하기로 했습니다. 1940년대 초부터 그녀는 페니실린의 결정을 만들어 X선 회절 실험을 시작했습니다. 당시의 X선 결정학 기술로 페니실린 같은 복잡한 분자를 분석하는 것은 매우 어려운 도전이었습니다.

특히 페니실린 구조에서 가장 논쟁이 된 부분은 베타-락탐 고리(beta-lactam ring)의 존재 여부였습니다. 4원환 베타-락탐 고리는 당시 화학적으로 불안정하다고 여겨졌기 때문에, 많은 화학자들은 페니실린이 이런 구조를 가질 리 없다고 생각했습니다.

하지만 호지킨의 X선 결정학 분석은 명확한 답을 주었습니다. 페니실린은 실제로 베타-락탐 고리를 포함하는 구조를 가집니다. 이 발견은 1945년 비밀 보고서 형태로 미국과 영국 연구자들에게 공유되었고, 전쟁이 끝난 후 공개적으로 발표되었습니다.

베타-락탐 고리가 페니실린의 항균 활성의 핵심이라는 것도 이후 밝혀졌습니다. 베타-락탐 고리가 세균의 세포벽 합성에 필수적인 효소에 결합하여 이를 억제함으로써 세균을 죽이는 것입니다. 페니실린의 구조를 알게 됨으로써, 더 효과적이고 내성이 없는 항생제를 개발하는 것이 가능해졌습니다. 오늘날 수천 가지의 항생제들이 베타-락탐 고리를 포함하는 페니실린 유도체나 세팔로스포린 계열입니다.

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🔬 비타민 B12: 가장 복잡한 도전

페니실린 구조를 밝히는 것도 대단한 업적이었지만, 호지킨의 가장 위대한 업적은 비타민 B₁₂의 구조 결정이었습니다.

비타민 B₁₂(코발라민, cobalamin)는 적혈구 생성과 신경 기능에 필수적인 수용성 비타민으로, 결핍되면 악성 빈혈과 신경 손상을 일으킵니다. 이 비타민은 식물에서는 합성되지 않으며, 동물성 식품에만 포함되어 있어 채식주의자들이 특별히 신경써야 하는 영양소입니다.

1948년, 비타민 B₁₂가 단리되었을 때, 이 분자가 코발트 원자를 포함하는 복잡한 구조를 가진다는 것이 알려졌습니다. 하지만 정확한 구조는 미지의 상태였습니다.

비타민 B₁₂는 당시까지 X선 결정학으로 구조를 결정하려 했던 분자들 중 단연 가장 복잡한 것이었습니다. 이 분자에는 181개의 원자(코발트 포함)가 있으며, 당시로서는 이것을 X선 결정학으로 분석하는 것은 거의 불가능해 보였습니다.

호지킨은 1948년부터 이 도전에 착수했습니다. 그녀의 팀은 수천 개의 X선 회절 반사점 데이터를 수집하고, 이것을 컴퓨터로 처리하는 방법을 개발했습니다. 당시 컴퓨터가 막 개발되던 시대에, 호지킨은 EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator)을 비롯한 초기 컴퓨터들을 X선 결정학 데이터 처리에 활용하는 선구적인 시도를 했습니다.

8년에 걸친 끈질긴 연구 끝에, 1956년 호지킨은 비타민 B₁₂의 완전한 3차원 구조를 발표했습니다. 코발트 원자를 중심으로 코린(corrin) 고리가 형성되어 있고, 여기에 뉴클레오타이드 루프와 여러 치환기가 달린 복잡한 구조였습니다.

이 발견은 생화학계를 놀라게 했습니다. 자연이 만들어낸 가장 복잡한 비단백질 생체 분자의 하나가 완전히 해독된 것이었습니다.

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💡 인슐린까지: 끝없는 도전

호지킨은 페니실린과 비타민 B₁₂로 두 가지 역사적 업적을 이루었지만, 그녀의 야망은 거기서 멈추지 않았습니다. 그녀의 다음 목표는 인슐린이었습니다.

인슐린 결정의 X선 회절 실험은 버날과 함께 1934년에 이미 시작했지만, 그 복잡한 구조를 결정하는 데는 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 프레더릭 생어(1958년 노벨화학상)가 인슐린의 아미노산 서열을 결정한 것을 토대로, 호지킨은 인슐린의 3차원 구조 결정을 계속 추진했습니다.

마침내 1969년, 호지킨의 팀은 인슐린의 3차원 구조를 발표했습니다. 노벨상 수상 후 5년이 지난 뒤였습니다. 이것은 인슐린이 어떻게 수용체에 결합하는지, 그리고 어떻게 당뇨병 치료에 더 효과적인 인슐린 유사체를 설계할 수 있는지를 이해하는 데 중요한 정보를 제공했습니다.

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🌱 컴퓨터와 X선 결정학: 기술과 과학의 협력

호지킨이 비타민 B₁₂ 구조를 결정하는 과정에서 컴퓨터를 활용한 것은 과학에서 컴퓨팅이 중요한 역할을 하게 되는 시대를 예고한 것이었습니다.

X선 결정학에서는 수천에서 수만 개의 회절 반사점 데이터를 수학적으로 처리해야 합니다. 이것을 사람이 손으로 계산한다면 수십 년이 걸릴 수 있는 방대한 계산입니다. 초기 컴퓨터들이 등장하자, 호지킨은 이것을 즉시 자신의 연구에 활용했습니다.

오늘날 X선 결정학은 고성능 컴퓨터와 고강도 싱크로트론 X선 소스, 민감한 검출기 등 첨단 기술의 도움으로 놀라운 속도로 단백질 구조를 결정할 수 있게 되었습니다. 과거에는 수년이 걸렸던 구조 결정이 오늘날에는 단 몇 시간 또는 며칠 만에 이루어집니다.

2020년대에 등장한 인공지능 기반 단백질 구조 예측 도구(알파폴드 등)는 실험적 구조 결정을 보완하는 강력한 도구로 자리잡고 있습니다. 이런 기술 발전의 흐름은 호지킨이 50년 전에 예견했던 방향과 일치합니다.

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🌍 평화 운동과 인도주의적 활동

호지킨은 위대한 과학자였을 뿐만 아니라 강한 사회 의식을 가진 활동가이기도 했습니다. 그녀는 핵무기 반대 운동에 적극적으로 참여했고, 세계 평화를 위한 활동을 펼쳤습니다.

그녀는 버트란드 러셀과 아인슈타인이 시작한 퍼그워시 회의(Pugwash Conference)의 회원으로 활동했습니다. 이 회의는 핵무기 위협에 대한 과학자들의 우려를 공론화하고 군축을 촉구하는 모임이었습니다.

중국이 세계 과학 공동체에서 고립되어 있던 시절, 호지킨은 중국 과학자들과의 교류를 추진하고 중국을 방문하는 등 과학의 국제 협력을 위해 노력했습니다. 그녀는 제3세계 국가들의 과학 발전을 지원하는 일에도 앞장섰습니다.

냉전 시대에 소련을 포함한 공산권 국가들과도 과학적 교류를 유지했는데, 이것은 당시 미국이나 영국 정부의 입장과 충돌하는 경우도 있었습니다. 하지만 그녀는 과학이 정치 이념을 넘어 모든 인류를 위한 것이어야 한다는 신념을 지켰습니다.

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🧐 여성 과학자의 선구자

도로시 크로풋 호지킨은 과학계에서 여성의 자리가 매우 제한적이던 시대에 살았습니다. 그녀는 옥스퍼드에서 화학 교수가 된 최초의 여성이었으며, 영국 왕립학회 회원이 된 두 번째 여성이었습니다.

하지만 그녀는 자신이 여성이라는 사실 때문에 차별을 받는 상황에서도 포기하지 않았습니다. 류머티스 관절염을 오랫동안 앓으면서도 연구를 계속했습니다. 손이 변형되어 섬세한 실험 작업이 어려워졌음에도 불구하고, 그녀는 연구를 멈추지 않았습니다.

그녀의 삶은 과학에서 성별은 능력을 결정하지 않는다는 것을 보여주는 강력한 증거입니다. 또한 과학자가 사회 문제에 무관심할 필요가 없으며, 오히려 과학자야말로 인류를 위한 책임감을 가져야 한다는 것을 몸소 보여주었습니다.

1964년 노벨화학상을 수상했을 때, 마거릿 대처(당시 하원의원)가 그녀의 연구실 출신이었다는 인연도 있었습니다. 훗날 영국 최초의 여성 수상이 된 대처는 호지킨을 자신의 롤모델로 꼽기도 했습니다.

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✍️ X선으로 생명의 분자를 읽다

도로시 크로풋 호지킨은 X선 결정학이라는 도구를 이용하여 인류가 페니실린으로 세균과 싸우고, 비타민 B₁₂를 이해하며, 인슐린으로 당뇨병을 치료하는 것을 도왔습니다.

그녀가 밝혀낸 분자 구조들은 단순한 과학적 지식에 그치지 않고, 의약품 개발, 질병 치료, 영양과학 등에 직접적인 영향을 미쳤습니다. 오늘날 수억 명의 사람들이 페니실린 계열 항생제로 감염을 치료하고, 비타민 B₁₂ 보충제로 빈혈을 예방하며, 인슐린으로 당뇨병을 관리합니다. 이 모든 것의 분자적 기반을 처음 밝힌 것이 호지킨의 업적입니다.

그녀는 화학을 단순한 실험실 과학에서 생명과 건강을 이해하는 도구로 승화시킨 과학자였습니다. 그리고 과학의 세계에서 여성의 자리를 만들어나간 선구자이기도 했습니다.

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"과학과 평화는 함께 가야 합니다. 과학이 인류에게 더 나은 삶을 제공하기 위해서는, 먼저 평화로운 세계가 있어야 합니다."
— 도로시 크로풋 호지킨

 

 

수상자: 도로시 크로풋 호지킨 (영국)
수상 연도: 1964년
수상 이유: X선 기술로 중요한 생화학 물질의 구조 결정