[1957 노벨화학상] 알렉산더 토드 : DNA의 뼈대를 세우고 생명의 에너지 ATP를 규명한 유기화학의 거장

 

 

 

🧬 왓슨과 크릭의 모델은 누구의 어깨 위에서 탄생했나?

 

1953년, 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 'DNA 이중나선 구조' 를 발표하며 20세기 생물학 최고의 스타가 되었습니다. 그들은 DNA가 꽈배기처럼 꼬여 있다는 것을 밝혀냈죠.

하지만 여기서 간과하기 쉬운 중요한 사실이 하나 있습니다. 나선 모양으로 꼬기 위해서는, 그전에 먼저 '긴 사슬' 이 만들어져야 합니다.

마치 레고 블록으로 멋진 회전계단을 만들려면, 먼저 블록 하나하나가 위아래로 어떻게 끼워지는지 그 연결 구조를 알아야 하는 것과 같습니다.

DNA를 구성하는 당(Sugar), 인산(Phosphate), 염기(Base). 이 세 가지 부품이 도대체 어떤 순서로, 어떤 화학 결합을 통해 연결되어 긴 사슬을 만드는지 밝혀낸 사람은 따로 있었습니다.

왓슨과 크릭이 건물을 지을 수 있도록 벽돌과 시멘트의 사용법을 알려준 건축가. 오늘 소개할 1957년 노벨 화학상 수상자는 영국의 유기화학자 알렉산더 토드(Alexander R. Todd) 입니다.

그는 DNA의 기본 단위인 '뉴클레오타이드(Nucleotide)' 의 연결 방식을 규명하고, 우리 몸의 에너지 배터리인 'ATP' 를 합성해 낸 생화학의 숨은 영웅입니다.

 

📜 유기화학의 마지막 미개척지 : 핵산

 

1940년대, 유기화학은 비타민이나 호르몬 같은 물질들의 구조를 대부분 밝혀낸 상태였습니다. 하지만 세포 핵 속에 들어있는 '핵산(Nucleic Acid, DNA/RNA)' 만은 여전히 미지의 영역이었습니다.

당시 과학자들은 핵산이 인산, 당, 염기로 이루어져 있다는 것만 알았지, 이들이 뒤죽박죽 섞여 있는 혼합물인지 아니면 규칙적으로 연결된 고분자인지 확신하지 못했습니다.

맨체스터 대학(후에 케임브리지 대학)의 교수였던 알렉산더 토드는 이 복잡한 퍼즐을 '합성(Synthesis)' 이라는 가장 확실한 방법으로 풀기로 결심합니다.

"부수기만 해서는 알 수 없다. 부품을 하나씩 직접 조립해서 진짜와 똑같은지 확인해야 한다."

그는 당대 최고의 합성 기술을 동원해, 당에 염기를 붙이고, 거기에 인산을 붙이는 정교한 실험을 시작했습니다.

 

🧐 DNA의 척추를 세우다 : 3'-5' 연결

 

토드의 연구 결과, DNA와 RNA의 화학적 골격이 명백하게 드러났습니다.

1. 기본 단위: 염기-당-인산이 1:1:1로 결합한 '뉴클레오타이드' 가 기본 블록이다.
2. 연결 방식: 한 블록의 당(3번 탄소)과 다음 블록의 인산(5번 탄소)이 손을 잡는다.

이것이 바로 그 유명한 '3'-5' 인산다이에스터 결합(Phosphodiester bond)' 입니다. 이 발견은 DNA가 무작위 덩어리가 아니라, 방향성이 있는 긴 '선형 사슬(Linear Chain)' 임을 화학적으로 증명한 것이었습니다.

토드는 이렇게 말했습니다.

"핵산은 당과 인산이 교대로 연결된 '뼈대(Backbone)'를 가지고 있으며, 그 옆에 염기들이 매달려 있다."

이 명확한 '화학적 설계도' 가 있었기에, 왓슨과 크릭은 "아, 뼈대(당-인산)는 바깥쪽에 있고 염기는 안쪽에 있겠구나"라고 추론하여 이중나선 모델을 조립할 수 있었습니다. 토드가 닦아놓은 기초가 없었다면 DNA 구조 발견은 불가능했을 것입니다.

 

⚡️ 생명의 배터리 : ATP의 합성

 

알렉산더 토드의 업적은 DNA에서 멈추지 않았습니다. 그는 생체 에너지의 근원인 'ATP(아데노신 삼인산)' 와 'ADP' 의 구조를 밝히고, 이를 인공적으로 합성하는 데에도 성공했습니다.

ATP는 세포 내에서 에너지를 저장하고 운반하는 '충전지' 와 같습니다.

• 아데노신에 인산이 2개 붙으면 ADP (방전)
• 아데노신에 인산이 3개 붙으면 ATP (충전)

토드는 인산이 하나 더 붙을 때 에너지가 저장된다는 화학적 원리를 규명했습니다. 이 연구는 1929년 노벨상 수상자인 아서 하든과 한스 폰 오일러-켈핀이 시작했던 '조효소' 연구의 결정판이었습니다.

그는 ATP뿐만 아니라 FAD(플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드) 같은 중요한 조효소들의 구조도 잇달아 밝혀내며, 생명 현상이 정교한 유기화학 반응임을 입증했습니다.

 

🏆 노벨상 : 생명의 화학적 기초를 완성하다

 

1957년, 스웨덴 왕립과학원은 알렉산더 토드에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "뉴클레오타이드 및 뉴클레오타이드 조효소에 관한 연구 공로" 였습니다.

그의 수상은 시기적으로도 매우 절묘했습니다. 1953년에 왓슨과 크릭이 DNA 구조를 발표했고, 1957년에 토드가 그 화학적 기초로 노벨상을 받았으며, 1958년에는 생어가 인슐린 구조로, 1962년에는 왓슨과 크릭이 노벨상을 받았습니다. 바야흐로 분자생물학의 황금기가 열리는 한복판에 그가 서 있었던 것입니다.

노벨 위원회는 "토드는 유전자의 화학적 구조를 확립하는 데 결정적인 기여를 했다"고 평가했습니다.

 

📚 TMI : 거인 화학자의 삶

 

1. 거대한 체구

알렉산더 토드는 키가 190cm가 넘는 거구였습니다. 그는 덩치만큼이나 성격도 시원시원하고 리더십이 강했습니다. 그는 영국 정부의 과학 자문 위원장을 맡아 전후 영국의 과학 정책을 이끌었고, 그 공로로 기사 작위(Sir)와 남작 작위(Lord)까지 받았습니다.

2. 왓슨과 크릭의 빚

제임스 왓슨은 그의 책 《이중나선》에서 토드의 연구가 자신들에게 얼마나 중요했는지 언급했습니다. 당시 왓슨과 크릭은 화학 지식이 부족했는데, 토드의 논문을 통해 DNA의 화학적 결합 규칙을 배웠다고 합니다.

3. 두 번의 노벨상 기회?

토드는 비타민 B1(티아민), 비타민 E, 비타민 B12 등의 구조 연구와 합성에도 크게 기여했습니다. 사실 그는 뉴클레오타이드 연구가 아니었더라도 비타민 연구만으로도 노벨상을 받을 수 있었을 거라는 평가를 받습니다. 그만큼 손대는 분야마다 탁월한 성과를 낸 '미다스의 손'이었습니다.

 

🌏 맺음말 : 연결을 이해하면 생명이 보인다

 

알렉산더 토드는 우리에게 "생명은 연결이다" 라는 사실을 화학식으로 보여주었습니다.

인산, 당, 염기라는 단순한 부품들이 '3번 탄소와 5번 탄소'라는 엄격한 규칙에 따라 손을 잡았을 때, 비로소 유전 정보를 담는 그릇인 DNA가 탄생합니다.

그가 밝혀낸 이 견고한 '등뼈(Backbone)' 덕분에, 우리의 유전자는 끊어지지 않고 수십억 년을 이어져 내려올 수 있었습니다. 현대 유전공학의 모든 기술은 토드가 그려준 설계도 위에서 작동하고 있습니다.