[1946 노벨화학상] 제임스 섬너, 존 노스롭, 웬델 스탠리 : 생명을 결정(Crystal)으로 만들다, 효소와 바이러스의 정체

 

 

 

💎 "생명은 화학 물질인가, 아니면 신비한 기운인가?"

 

20세기 초반까지, 생물학자와 화학자들 사이에는 보이지 않는 벽이 있었습니다. 화학자들은 "세상 모든 것은 원자로 되어 있다"고 믿었지만, 생명 현상만큼은 예외로 두는 경향이 있었습니다.

우리가 밥을 먹고 소화하는 것, 효모가 술을 만드는 것, 병균이 사람을 아프게 하는 것. 이런 일들을 하는 주체인 '효소(Enzyme)' 나 '바이러스(Virus)' 는 너무나 복잡하고 신비로워서, 단순한 화학 분자가 아니라 '생기(Vital force)' 를 가진 어떤 영적인 존재라고 생각했습니다.

"어떻게 살아있는 효소를 소금처럼 딱딱한 결정(Crystal)으로 만들 수 있겠어? 그건 생명을 죽이는 일이야."

하지만 여기, 이 고정관념에 도전한 세 명의 미국 과학자가 있었습니다. 그들은 콩을 갈고, 위액을 끓이고, 병든 담뱃잎을 짜내어 그 속에서 생명의 핵심 물질들을 '순수한 결정' 상태로 얻어냈습니다.

오늘 소개할 1946년 노벨 화학상 수상자들은 생명의 신비를 화학의 언어로 번역해 낸 인물들입니다.

한 팔이 없는 장애를 극복하고 효소의 결정을 처음으로 얻어낸 제임스 섬너(James B. Sumner). 소화 효소를 결정화하여 섬너의 발견을 증명한 존 노스롭(John H. Northrop). 그리고 살아있는 바이러스를 결정으로 만들어 세상을 경악시킨 웬델 스탠리(Wendell M. Stanley).

이들의 발견 덕분에 우리는 효소와 바이러스가 유령이 아니라, 모양과 무게를 가진 '단백질 분자' 라는 사실을 알게 되었습니다.

 

📜 제임스 섬너 : 외팔이 화학자의 무모한 도전

 

1887년생인 제임스 섬너는 17세 때 사냥 사고로 왼쪽 팔을 잃었습니다. 하지만 그는 좌절하지 않고 테니스와 스키를 즐길 만큼 활동적이었습니다. 그가 화학자가 되려 했을 때, 교수들은 "실험은 두 손이 필요한데, 자네는 힘들 거야"라며 말렸습니다. 하지만 그는 "한 손으로도 충분하다"며 고집을 꺾지 않았습니다.

코넬 대학의 교수가 된 섬너는 당시 화학계의 난제였던 '효소 분리' 에 도전했습니다. 그가 선택한 효소는 '우레아제(Urease)' 였습니다. 콩(작두콩)에 많이 들어있는, 요소를 분해하는 효소였습니다.

당시 학계의 거물이었던 리하르트 빌슈테터(1915년 수상자)는 "효소는 단백질이 아니다. 단백질은 그저 효소를 담는 그릇일 뿐이다"라고 주장했습니다. 섬너는 이 권위에 맞서 싸워야 했습니다.

그는 작두콩을 갈아서, 아세톤과 알코올을 섞어가며 9년 동안이나 정제 작업을 반복했습니다. 그리고 1926년, 마침내 현미경 아래에서 반짝이는 팔면체 모양의 결정을 발견합니다.

"보라! 이것이 순수한 우레아제다. 그리고 이것은 명백한 '단백질'이다!"

섬너는 효소가 단백질 결정이 될 수 있음을 최초로 보여주었습니다. 하지만 학계는 "그냥 단백질 덩어리에 효소가 묻은 거겠지"라며 믿지 않았습니다. 그를 구해준 것은 록펠러 연구소의 또 다른 천재였습니다.

 

🧐 존 노스롭 : 소화를 시키는 돌멩이?

 

록펠러 연구소의 존 노스롭은 섬너의 논문을 읽고 흥미를 느꼈습니다. "섬너가 맞을지도 몰라. 내가 다른 효소로 증명해 보이겠어."

노스롭은 우리 위장 속에 있는 소화 효소인 '펩신(Pepsin)' 과 '트립신(Trypsin)' 에 주목했습니다. 이들은 단백질을 녹이는 효소인데, 만약 효소 자체가 단백질이라면 자기 자신도 녹여버리지 않을까요?

노스롭은 아주 정교한 화학적 평형 기술을 사용하여, 1930년 펩신을, 1932년에는 트립신을 순수한 결정으로 만들어냈습니다.

그가 만든 효소 결정은 마치 보석처럼 영롱했습니다. 물에 녹이면 강력한 소화력을 발휘했고, 다시 굳히면 돌처럼 변했습니다.

"효소는 단백질이다. 그것은 일정한 화학식과 분자 구조를 가진 물질이며, 생명력이 깃든 마법의 액체가 아니다."

노스롭의 완벽한 실험 덕분에 섬너의 발견은 정설로 인정받게 되었고, 효소 화학의 시대가 활짝 열렸습니다.

 

⚡️ 웬델 스탠리 : 바이러스는 생물인가, 무생물인가?

 

효소 논쟁이 정리될 즈음, 록펠러 연구소의 또 다른 동료 웬델 스탠리는 더 충격적인 대상을 건드리고 있었습니다. 바로 '바이러스(Virus)' 였습니다.

당시 바이러스는 "세균보다 작은, 눈에 보이지 않는 생명체" 정도로 여겨졌습니다. 살아있으니까 당연히 숨도 쉬고 먹이도 먹을 거라고 생각했죠.

스탠리는 담배 농사를 망치는 '담배 모자이크 바이러스(TMV)' 를 연구했습니다. 그는 병든 담뱃잎 수 톤을 갈아서 즙을 냈습니다. 그리고 섬너와 노스롭이 효소를 정제했던 방법(단백질 침전법)을 바이러스에 그대로 적용해 보았습니다.

1935년, 스탠리의 실험관 바닥에는 하얀 가루가 쌓였습니다. 그것은 '바이러스 결정' 이었습니다.

세상에! 살아있는 생명체를 소금처럼 결정으로 만들다니? 더 놀라운 것은, 이 결정을 물에 녹여서 건강한 담뱃잎에 발랐더니, 다시 바이러스가 증식하며 병을 일으켰다는 점입니다.

"바이러스는 생명체가 아니다. 그것은 결정화될 수 있는 거대 단백질 분자다!"

스탠리의 발견은 "생명이란 무엇인가?" 라는 철학적 질문을 던졌습니다. 유리병 속에서는 소금처럼 죽어있다가(무생물), 식물 세포를 만나면 좀비처럼 되살아나 증식하는(생물) 존재. 바이러스는 생물과 무생물의 경계에 있는 '유전 물질이 포함된 단백질 덩어리' 였던 것입니다.

(참고: 스탠리는 처음에 바이러스가 100% 단백질이라고 생각했지만, 나중에 영국 과학자들이 그 안에 소량의 RNA가 들어있음을 밝혀냈습니다. 스탠리도 이를 인정했고, 바이러스는 '핵산(DNA/RNA) + 단백질' 복합체임이 확정되었습니다.)

 

🏆 노벨상 : 분자 생물학의 서막

 

 

1946년, 스웨덴 왕립과학원은 이 세 사람에게 노벨 화학상을 수여합니다.

• 제임스 섬너: 효소(우레아제)의 결정화 발견. (1/2)
• 존 노스롭 & 웬델 스탠리: 효소 및 바이러스 단백질의 순수 정제. (각 1/4)

이들의 수상은 생물학이 더 이상 관찰과 분류에 머무르지 않고, 물질의 구조와 반응을 다루는 '분자 생물학(Molecular Biology)' 으로 진화했음을 알리는 신호탄이었습니다.

이들이 단백질을 결정으로 만들 수 있었기에, 훗날 엑스선을 이용해 DNA 이중나선 구조(1953년)와 헤모글로빈 구조(1962년)를 밝혀내는 것이 가능했습니다. 현대 생명공학의 뿌리는 바로 이들의 '결정' 속에 박혀 있습니다.

 

📚 TMI : 전쟁과 평화

 

1. 섬너의 한 손 연구

섬너는 한 팔이 없었기 때문에 실험 기구를 다루는 데 남들보다 배의 노력이 필요했습니다. 그는 입과 남은 한 손을 이용해 피펫을 쓰고 시약을 섞었습니다. 그는 노벨상 수상 연설에서 자신의 장애를 언급하지 않았지만, 그의 삶 자체가 불가능에 대한 도전이었습니다.

2. 스탠리의 오판?

스탠리는 처음에 TMV 바이러스에 RNA가 있다는 사실을 놓쳤습니다. 단백질이 워낙 많아서 RNA가 불순물인 줄 알았던 거죠. 하지만 그는 영국의 보든과 피리의 연구 결과를 보고 즉시 자신의 오류를 인정하고 수정했습니다. 위대한 과학자는 실수하지 않는 사람이 아니라, 실수를 인정하고 진실을 받아들이는 사람입니다.

3. 전시의 과학

제2차 세계대전 동안, 노스롭은 미군을 위해 휴대용 가스 검지기를 개발했고, 스탠리는 인플루엔자 백신 개발에 참여했습니다. 그들의 단백질 정제 기술은 전쟁 중 군인들을 질병과 독가스로부터 지키는 데에도 쓰였습니다.

 

🌏 맺음말 : 생명의 경계를 허물다

 

제임스 섬너, 존 노스롭, 웬델 스탠리. 세 사람은 생명이라는 신비로운 현상을 차가운 실험실의 비커 속으로 가져왔습니다.

그들이 만든 반짝이는 결정들을 통해, 우리는 효소가 정교한 기계 부품이고, 바이러스가 정보를 담은 캡슐이라는 사실을 깨달았습니다.

"생명은 물질의 춤이다." 이 건조하고도 아름다운 진실을 증명하기 위해, 한 팔로 콩을 갈고 담뱃잎 즙을 짜냈던 그들의 땀방울을 기억합니다.