[1980 노벨화학상] 폴 버그·월터 길버트·프레더릭 생어 : DNA를 읽고 자르고 잇는 기술 — 유전공학의 탄생

인류가 처음으로 유전자를 '조작'할 수 있게 된 순간이 있었습니다.

1972년, 스탠퍼드 대학교의 폴 버그는 서로 다른 두 생물의 DNA 조각을 시험관 속에서 이어 붙이는 데 성공했습니다. 인류 역사상 처음으로, 자연이 만들어 놓은 DNA의 경계를 인간이 넘어선 것입니다.

같은 시기, 대서양 건너편 영국 케임브리지에서는 프레더릭 생어가 DNA의 염기 서열 — 즉 유전자의 언어 — 을 읽어내는 방법을 완성하고 있었습니다. 미국 하버드에서는 월터 길버트가 독립적으로 같은 목표를 향해 다른 경로로 접근하고 있었습니다.

이 세 사람의 발견이 합쳐지면서, 현대 생명공학과 유전공학의 시대가 열렸습니다.

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🏆 세 개의 서로 다른 혁명 — 수상의 의미

 

1980년 노벨화학상은 세 사람에게 수여되었지만, 수상 이유는 두 가지로 나뉘었습니다.

 

 

"핵산의 생화학에 관한 근본적인 연구, 특히 재조합 DNA에 관한 공로를 인정하여" — 폴 버그에게

 

 

 

 

"핵산에서 염기 서열 결정에 기여한 공로를 인정하여" — 월터 길버트와 프레더릭 생어에게

 

 

버그의 재조합 DNA 기술은 서로 다른 생물의 유전자를 결합하는 것을 가능하게 했습니다. 길버트와 생어의 DNA 염기 서열 결정법은 유전자의 언어를 읽을 수 있게 해주었습니다.

이 두 종류의 기술이 결합되면서, 인류는 처음으로 유전자를 단순히 이해하는 차원을 넘어 설계하고 조작하는 능력을 갖게 되었습니다.

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📜 폴 버그 — 재조합 DNA의 아버지

 

폴 버그는 1926년 6월 30일 미국 뉴욕 브루클린에서 태어났습니다. 제2차 세계대전 중 해군에서 복무한 후 펜실베이니아 주립 대학교에서 생화학을 전공하고, 1952년 웨스턴 리저브 대학교에서 박사 학위를 취득했습니다.

스탠퍼드 대학교에서 교수로 일하던 버그는 1960년대 후반부터 바이러스 DNA와 세균 DNA를 결합하려는 실험을 시작했습니다.

 

세계 최초의 재조합 DNA

 

1972년 버그와 그의 팀은 세계 최초의 재조합 DNA 분자를 만들어냈습니다.

그들이 사용한 방법은 다음과 같았습니다. 먼저 두 가지 서로 다른 DNA 분자 — 한쪽은 바이러스(SV40) DNA, 다른 한쪽은 람다 파지 DNA에서 가져온 조각 — 를 준비했습니다. 그다음 제한효소(restriction enzyme)로 이 DNA들을 특정 위치에서 잘라내고, DNA 리가제(ligase)라는 효소로 이 조각들을 다시 이어붙였습니다.

결과물은 서로 다른 두 생물의 유전 정보를 동시에 담은 하이브리드 DNA 분자였습니다.

이것이 왜 혁명적이었을까요? 자연에서 유전자는 종의 경계를 넘지 않습니다. 사람의 유전자는 사람에서, 세균의 유전자는 세균에서 다음 세대로 전달됩니다. 그런데 버그의 기술은 이 경계를 인공적으로 넘을 수 있게 해주었습니다.

 

책임 있는 과학 — 아실로마 회의

 

버그는 자신이 열어놓은 판도라의 상자를 직시했습니다.

재조합 DNA 기술이 잘못 사용될 경우의 위험성 — 생물학적 위해 물질의 생성, 통제 불가능한 유전자 변형 생물의 방출 — 을 심각하게 인식한 그는, 1974년 다른 과학자들과 함께 재조합 DNA 연구에 대한 자발적 모라토리엄(moratorium)을 선언하는 공개 서한에 서명했습니다.

그리고 1975년, 전 세계 과학자 140명이 캘리포니아 아실로마에 모여 아실로마 회의(Asilomar Conference)를 열었습니다. 이 회의는 재조합 DNA 연구의 안전 지침을 마련하고, 어떤 종류의 실험이 허용되고 어떤 것이 금지되어야 하는지를 논의했습니다.

버그가 주도한 이 자기 규제는 과학사에서 매우 드문 사례입니다. 자신이 개척한 기술의 잠재적 위험성을 스스로 인정하고, 사회와의 대화를 통해 그 사용 기준을 만들려 한 것 — 이것은 과학자의 사회적 책임이 어때야 하는지를 보여주는 모범이 되었습니다.

버그는 2023년 2월 15일 세상을 떠났습니다.

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🔬 프레더릭 생어 — 두 번의 노벨상, 두 개의 혁명

 

프레더릭 생어는 1918년 8월 13일 영국 글로스터셔에서 태어났습니다. 케임브리지 대학교 MRC(의학연구위원회) 분자생물학 연구소에서 평생을 보낸 그는, 과학자로서 가장 드문 영예를 누린 사람입니다 — 두 번의 노벨화학상 수상자.

그는 1958년에 인슐린의 아미노산 서열 결정으로 첫 번째 노벨화학상을 받았습니다. 그리고 1980년에 DNA 염기 서열 결정법의 개발로 두 번째 노벨화학상을 받았습니다. 두 번 모두 분자의 서열을 읽는 방법을 개발한 공로였습니다.

 

생어 서열 결정법의 탄생

 

1977년 생어는 디데옥시 사슬종결법(dideoxy chain termination method)을 발표했습니다. 이것이 생어 서열 결정법(Sanger sequencing)입니다.

이 방법의 핵심 아이디어는 다음과 같습니다.

DNA는 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신) 네 가지 염기의 서열로 이루어져 있습니다. DNA를 복제할 때는 이 염기들이 하나씩 차례로 추가됩니다. 생어는 여기에 정상적인 데옥시리보뉴클레오타이드(dNTP)에 더하여, 사슬을 종결시키는 디데옥시리보뉴클레오타이드(ddNTP)를 소량 섞어 반응을 진행했습니다.

ddNTP가 추가되면 DNA 복제가 그 자리에서 멈춥니다. 그 결과 여러 다른 길이의 DNA 조각들이 생성되는데, 각 조각은 특정 염기(A, T, G, C 중 하나)에서 끝납니다. 이 조각들을 길이 순으로 분리(전기영동)하면, 서열을 읽어낼 수 있습니다.

생어 서열 결정법은 처음에는 수작업으로 이루어졌지만, 이후 자동화 기술과 결합되면서 DNA 서열 결정의 표준 방법이 되었습니다. 1990년대의 인간 게놈 프로젝트는 본질적으로 생어 서열 결정법을 대규모로 적용한 것이었습니다.

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⚗️ 월터 길버트 — 또 다른 서열 결정법

 

월터 길버트는 1932년 3월 21일 미국 보스턴에서 태어났습니다. 하버드 대학교에서 물리학으로 박사 학위를 받은 그는, 이후 분자생물학으로 전향하여 RNA와 DNA 연구에 몰두했습니다.

 

맥삼-길버트 서열 결정법

 

1977년 길버트는 앨런 맥삼(Allan Maxam)과 함께, 생어와는 독립적으로 개발된 다른 접근 방식의 DNA 서열 결정법을 발표했습니다. 이것이 맥삼-길버트 서열 결정법(Maxam-Gilbert sequencing)입니다.

이 방법은 화학적 절단에 기반합니다. 특정 염기(A, T, G, C)를 선택적으로 변형하는 화학 물질을 사용하여 DNA를 해당 염기 위치에서 절단합니다. 생성된 다양한 길이의 조각들을 전기영동으로 분리하면 서열을 읽어낼 수 있습니다.

맥삼-길버트법은 생어법과 함께 DNA 서열 결정의 두 가지 주요 방법으로 1980년대에 널리 사용되었습니다.

 

인간 게놈 프로젝트의 예언자

 

길버트는 또한 선구적인 비전을 가진 과학자로도 기억됩니다. 그는 일찍부터 인간 게놈 전체의 서열을 결정하는 것이 가능하며 필요하다는 것을 공개적으로 주장했습니다. 이 아이디어는 처음에는 비현실적이라는 비판을 받았지만, 결국 1990년 국제 인간 게놈 프로젝트로 실현되었습니다.

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🌱 세 발견이 만든 세계 — 현대 생명공학의 탄생

 

버그의 재조합 DNA 기술과 생어·길버트의 서열 결정법이 결합되면서, 현대 생명공학 산업의 문이 열렸습니다.

 

인슐린의 대량 생산

 

당뇨병 치료에 필수적인 인슐린은 과거에는 소나 돼지의 이자에서 어렵게 추출했습니다. 재조합 DNA 기술이 등장하면서, 인간 인슐린 유전자를 세균에 삽입하여 대량으로 인슐린을 생산하는 것이 가능해졌습니다. 1982년 최초의 재조합 DNA 기반 의약품인 인간 인슐린이 시판되었습니다.

 

PCR과 차세대 염기서열 분석

 

생어 서열 결정법은 이후 PCR(중합효소 연쇄반응), 형광 염료를 이용한 자동화 서열 결정, 그리고 21세기의 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술로 이어졌습니다. 오늘날 개인의 전체 게놈 서열을 하루 만에, 수백 달러의 비용으로 분석하는 것이 가능한 것도 이 기술적 진화의 결과입니다.

 

유전자 편집의 시대

 

버그가 열어놓은 재조합 DNA 기술은 이후 CRISPR-Cas9 같은 더욱 정밀한 유전자 편집 기술로 발전했습니다. 2020년 노벨화학상을 받은 CRISPR 기술도 근본적으로는 버그가 1972년에 개척한 길에서 비롯된 것입니다.

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💡 세 과학자의 유산

 

폴 버그, 월터 길버트, 프레더릭 생어.

이 세 사람이 발견한 것들은 단순한 기술이 아니었습니다. 그것은 생명의 언어를 읽고(서열 결정), 편집하고(재조합 DNA), 복사하는(PCR의 전신) 능력이었습니다.

오늘날 유전자 치료, 개인 맞춤 의약, 농업 생명공학, 법의학 DNA 분석, 진화 계통학 연구 등 수많은 분야가 이 세 사람의 어깨 위에 서 있습니다. 코로나19 백신 개발에서 mRNA 기술이 신속하게 적용될 수 있었던 것도, 반세기 전 이 세 과학자가 만들어 놓은 기반 위에서 가능했습니다.

생명의 설계도를 처음으로 읽고 편집한 사람들 — 그것이 1980년 노벨화학상이 기리는 이들의 유산입니다.