[1931 노벨생리의학상] 오토 바르부르크 : 생명의 호흡을 관장하는 '철의 효소'를 발견하다

 

 

안녕하세요! '노벨상 수상자 시리즈'에 오신 것을 환영합니다.

'생명'이란 무엇일까요? 이 거대한 질문에 답하는 가장 본질적인 행위 중 하나는 바로 '호흡'입니다. 우리는 숨을 쉬지 않고는 단 몇 분도 살 수 없습니다. 하지만 우리가 들이마신 산소는 몸속 어디에서, 어떻게 생명 에너지로 바뀌는 걸까요?

1931년, 이 근원적인 질문에 대한 해답의 문을 활짝 연 과학자가 있습니다. 그는 20세기 생화학의 거인이자, 가장 논쟁적인 인물 중 한 명으로 꼽히는 독일의 오토 하인리히 바르부르크 [Otto Heinrich Warburg]입니다.

그는 세포가 '호흡하는' 방식을 규명한 공로로 노벨상을 수상했습니다. 하지만 그의 이름은 오늘날 암 연구 분야에서 훨씬 더 뜨겁게 회자됩니다. 천재적인 두뇌와 오만한 성격, 그리고 나치 치하라는 격동의 시대를 살아낸 그의 삶은 한 편의 드라마와도 같습니다.

생명의 가장 깊은 곳, 세포의 숨결을 쫓았던 오토 바르부르크의 위대한 연구 속으로 함께 들어가 보겠습니다.

 

📜 생명의 엔진, '세포 호흡'의 수수께끼

 

1900년대 초, 과학계의 가장 큰 화두 중 하나는 '세포 대사'였습니다. 과학자들은 우리가 음식을 먹고 산소를 들이마시면, 세포 안의 '무언가'가 이 둘을 결합시켜 에너지를 만들어낸다는 사실을 어렴풋이 알고 있었습니다.

이 과정을 '세포 호흡'이라고 불렀죠.

마치 자동차 엔진이 휘발유(음식)와 산소를 태워 동력(에너지)을 얻는 것과 같습니다. 하지만 과학자들은 그 '엔진'의 정체를 몰랐습니다.

많은 학자가 이 신비로운 연소 과정이 세포 안에서 저절로 일어나는 단순한 화학 반응일 것이라 생각했습니다. 하지만 바르부르크의 생각은 달랐습니다. 그는 이 과정이 무질서한 폭발이 아니라, 정교하게 통제되는 '효소' [Enzyme]에 의해 일어날 것이라 확신했습니다.

그는 이 미지의 효소, 즉 생명의 불꽃을 지피는 이 핵심 물질에 '아트뭉스페르멘트' [Atmungsferment], 우리말로 '호흡 효소'라는 이름을 붙이고 그 정체를 추적하기 시작합니다. 문제는, 눈에 보이지도 않는 세포 속 효소의 작용을 어떻게 증명하느냐였습니다.

 

✍️ 천재의 도구, 세포의 숨소리를 측정하다

 

오토 바르부르크는 그저 뛰어난 이론가가 아니었습니다. 그는 역사상 가장 위대한 '실험가' 중 한 명이었습니다. 그는 자신의 가설을 증명하기 위해 아무도 상상하지 못했던 정교한 장치를 직접 고안해냅니다.

바로 그의 이름을 딴 바르부르크 압력계 [Warburg apparatus]입니다.

이 장치는 아주 간단한 원리입니다. 밀폐된 용기 안에 살아있는 얇은 조직 조각(예: 간, 종양)과 액체를 넣습니다. 이 조직이 호흡하며 산소를 소모하면, 용기 내부의 기체 부피가 줄어들고 압력이 낮아지게 됩니다. 이 미세한 압력 변화를 U자형 관에 담긴 액체의 높이 변화로 측정하는 것입니다.

이 장치는 그야말로 혁명이었습니다.

이전까지 '대사'라는 것은 동물을 통째로 분석해야 하는 거대한 개념이었지만, 바르부르크는 이 장치를 통해 살아있는 세포 '한 조각'이 실시간으로 얼마나 많은 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하는지 '정량적'으로 측정할 수 있게 되었습니다.

이제 그는 세포의 숨소리를 들을 수 있는 강력한 무기를 손에 쥔 것입니다.

 

🏆 호흡 효소, '아트뭉스페르멘트'의 발견

 

바르부르크는 자신의 압력계를 이용해 집요한 실험을 시작했습니다. 그는 '호흡 효소'가 분명히 존재하며, 이 효소가 특정 '금속' 원자를 포함하고 있을 것이라 추측했습니다.

그의 천재성이 빛을 발한 것은 바로 이 지점입니다. 그는 어떻게 그 금속의 정체를 밝혔을까요?

그는 '독극물'을 사용했습니다.

그는 연탄가스 중독으로 유명한 '일산화탄소' [CO]가 헤모글로빈의 '철' 성분에 달라붙어 산소 운반을 막는다는 사실을 알고 있었습니다. 그는 만약 호흡 효소에도 철이 있다면, 일산화탄소가 이 효소의 작용도 방해할 것이라 생각했습니다.

예상은 적중했습니다. 조직 조각에 일산화탄소를 주입하자, 세포 호흡이 극적으로 멈췄습니다.

하지만 이것만으로는 증거가 불충분했습니다. 그는 한 걸음 더 나아갔습니다. 바로 '빛'을 이용한 것입니다.

바르부르크는 일산화탄소에 중독된 조직에 다양한 파장의 빛을 쪼여주었습니다. 놀랍게도, 특정한 파장의 빛을 쪼이자 일산화탄소가 효소에서 떨어져 나가고, 세포 호흡이 다시 살아났습니다!

이것은 무엇을 의미할까요?

그 효소가 '철'을 포함하고 있기 때문에, 빛 에너지를 받아 일산화탄소와의 결합이 깨진 것입니다. 그는 어떤 파장의 빛이 호흡을 가장 잘 회복시키는지를 측정하여 '작용 스펙트럼'을 만들었습니다. 그리고 이 스펙트럼은 철을 포함한 화합물(헤민)의 스펙트럼과 정확히 일치했습니다.

그는 마침내 '호흡 효소'의 심장에 '철' [Iron]이 박혀있음을 증명해냈습니다.

이 위대한 발견으로 노벨 위원회는 그에게 상을 수여합니다.

"호흡 효소의 특성과 그 작용 방식의 발견을 공로로..."

비록 그는 '아트뭉스페르멘트'라고 불렀지만, 오늘날 우리는 이 효소를 '시토크롬 c 산화효소' [Cytochrome c oxidase]라고 부릅니다. 이 효소는 우리 몸 모든 세포의 미토콘드리아에서 우리가 섭취한 에너지의 90% 이상을 산소와 결합시켜 생명 에너지(ATP)로 만드는, '생명의 엔진' 그 자체입니다.

 

⚡️ 바르부르크의 또 다른 유산, '암세포의 대사'

 

사실 오늘날 오토 바르부르크의 이름은 그가 노벨상을 받은 '호흡 효소'보다 다른 연구 때문에 훨씬 더 유명합니다. 바로 '암' [Cancer] 연구입니다.

그는 노벨상 수상보다 앞선 1920년대에 충격적인 사실을 발견했습니다.

 

정상 세포의 에너지 대사

 

정상 세포는 산소가 있을 때, 산소를 활발하게 사용하여 에너지를 만듭니다. [세포 호흡] 이는 매우 효율적인 방식입니다. 산소가 없을 때만 어쩔 수 없이 비효율적인 방식 [해당과정]을 사용합니다.

 

암세포의 이상한 선택

 

그런데 암세포는 매우 이상하게 행동했습니다. 산소가 충분히 있음에도 불구하고, 마치 산소가 없는 것처럼 비효율적인 '해당과정' [Glycolysis, 포도당을 발효시키는 방식]을 주된 에너지원으로 사용했습니다.

이것이 바로 그 유명한 바르부르크 효과 [Warburg Effect]입니다.

암세포는 효율을 포기하는 대신, 엄청난 속도로 포도당을 집어삼켜 에너지를 만들고, 동시에 세포 분열에 필요한 재료들을 빠르게 생산해냈던 것입니다.

바르부르크 자신은 이 현상을 토대로 "암의 근본 원인은 호흡 효소의 손상"이라고 주장했습니다. (이 가설은 훗날 사실이 아닌 것으로 밝혀졌습니다.)

하지만 그의 '관찰' 자체는 100% 옳았습니다. 오늘날 병원에서 암을 진단하는 'PET-CT' [양전자 방출 단층 촬영] 검사가 바로 이 바르부르크 효과를 이용한 것입니다. 포도당 유사체를 주사하면, 포도당을 미친 듯이 빨아들이는 암세포에만 방사성 물질이 축적되어 그 위치가 드러나는 원리입니다.

그의 100년 전 관찰이 현대 암 진단의 핵심 기술로 남아있는 것입니다.

 

🧐 괴팍한 천재, 나치 시대를 살아남다

 

오토 바르부르크의 삶은 그의 과학만큼이나 극적이었습니다. 그는 당대 최고의 물리학자였던 아버지 밑에서 자라나 아인슈타인과 같은 석학들과 교류한 엘리트 중의 엘리트였습니다.

그의 성격은 오만하고, 독선적이며, 타협을 모르는 것으로 악명 높았습니다. 그는 자신의 연구실을 '제국'처럼 다스렸고, 동료 과학자들의 연구를 거침없이 비판했습니다.

그의 삶에 가장 큰 역설은 '나치' 시대에 찾아옵니다.

그는 유대계 혈통을 물려받았습니다. [아버지가 유대인] 또한 동성애자라는 소문이 공공연했습니다. 나치의 인종법과 사상에 따르면 그는 즉시 제거되어야 할 '적'이었습니다. 수많은 유대인 동료 과학자들이 해고당하고, 강제 수용소로 끌려가거나, 해외로 망명해야 했습니다.

하지만 바르부르크는 굳건히 베를린에 남았습니다. 어떻게 그럴 수 있었을까요?

그는 나치 정권의 최고위층으로부터 '특별 보호'를 받았습니다. 그 이유는 단 하나, 바르부르크 효과 때문이었습니다.

히틀러를 비롯한 나치 수뇌부는 암을 극도로 두려워했습니다. 그들은 바르부르크가 인류 최초로 '암의 원인'을 밝혔다고 믿었고, 그만이 암 정복의 열쇠를 쥐고 있다고 생각했습니다. 나치 정권은 그에게 막대한 연구비와 최고의 시설을 제공하며 그를 보호했습니다.

바르부르크는 이 기묘한 보호막 속에서 자신의 과학 연구를 멈추지 않았습니다. 과학자로서의 신념인지, 아니면 오만함에서 비롯된 현실 외면이었는지, 그의 행적은 지금까지도 많은 논쟁을 낳고 있습니다.

 

🤫 바르부르크에 대한 TMI

 

• 노벨상 47회 노미네이트: 그는 평생 총 47회 노벨상 후보에 올랐습니다. 이는 역사상 유례를 찾기 힘든 기록입니다.
• 두 번째 노벨상 (반납): 그는 1944년 '니코틴아미드' [비타민 B3]의 작용 기전을 밝힌 공로로 두 번째 노벨 생리의학상 수상자로 선정되었습니다. 하지만 당시 히틀러가 독일인의 노벨상 수상을 금지했기 때문에, 그는 이 상을 거부(보류)해야 했습니다.
• 노벨상 스승과 제자: 그의 스승은 1902년 노벨 화학상 수상자인 '에밀 피셔'입니다. 그리고 그의 연구실에서 일했던 제자 중 한 명이 바로 그 유명한 '크렙스 회로'를 발견한 '한스 크렙스' [1953년 노벨 생리의학상]입니다. 그야말로 노벨상 계보의 중심에 있었습니다.
• 승마광: 그는 과학 연구만큼이나 승마에 광적이었습니다. 그는 연구소 근처에 마구간을 짓고 매일 승마를 즐겼으며, 나치 정권 하에서도 자신의 말을 지키는 것을 매우 중요하게 생각했다고 합니다.

오토 바르부르크. 그는 생명 현상의 가장 근본적인 수수께끼였던 '세포 호흡'의 비밀을 풀어냈습니다. 비록 그의 성격과 시대적 행적은 논란의 여지가 있지만, 그가 쌓아 올린 생화학의 토대 없이는 현대 의학도 없었을 것입니다.

다음 시간에는 또 다른 위대한 지성의 이야기로 돌아오겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다!