[1958 노벨화학상] 프레데릭 생어 : 단백질의 암호를 푼 퍼즐의 제왕, '인슐린' 구조 규명

 

 

 

🧩 "생명은 무작위가 아니다. 정해진 순서가 있다."

 

우리 몸을 구성하는 근육, 피부, 효소, 호르몬. 이 모든 것의 재료는 '단백질(Protein)' 입니다. 20세기 초반, 과학자들은 단백질이 20가지 종류의 '아미노산(Amino acid)' 으로 이루어져 있다는 것까지는 알았습니다.

하지만 가장 중요한 질문이 남아있었습니다. "이 아미노산들은 어떤 순서로 연결되어 있는가?"

당시 학계의 주류 의견은 비관적이었습니다. "단백질은 너무 복잡해. 아마 아미노산들이 칵테일처럼 뒤죽박죽 섞여 있거나, 통계적인 비율로만 존재할 거야. 정확한 순서 같은 건 없을지도 몰라."

마치 수천 개의 구슬이 꿰어진 목걸이가 있는데, 그 구슬 색깔의 순서가 정해져 있는지 아니면 그냥 무작위로 꿴 것인지 알 수 없는 상황이었습니다.

이때, 케임브리지 대학의 한 조용한 실험실에서 묵묵히 구슬의 순서를 하나하나 받아 적기 시작한 남자가 있었습니다.

오늘 소개할 1958년 노벨 화학상 수상자는 화학 역사상 유일하게 '노벨 화학상을 두 번이나 받은' 전설적인 인물입니다.

그 첫 번째 전설의 시작, 당뇨병 치료제인 '인슐린(Insulin)' 의 아미노산 서열을 완벽하게 해독하여 "단백질은 구체적인 화학 구조를 가진 물질이다" 라는 사실을 증명한 프레데릭 생어(Frederick Sanger).

거대한 퍼즐 맞추기와도 같았던 그의 10년간의 사투를 소개합니다.

 

📜 20개의 알파벳으로 된 문장

 

프레데릭 생어는 1918년 영국에서 의사의 아들로 태어났습니다. 그는 말수가 적고 나서기를 싫어했지만, 실험실 벤치에 앉아 손을 움직이는 것을 가장 좋아했던 천상 실험가였습니다.

1940년대 중반, 그는 케임브리지 대학에서 당시 의학적으로 가장 중요한 단백질 중 하나인 '인슐린' 을 연구하기 시작했습니다. 인슐린은 비교적 크기가 작고 순수하게 얻기 쉬웠기 때문입니다.

그의 목표는 단순명료했습니다. "인슐린을 구성하는 51개의 아미노산이 어떤 순서로 배열되어 있는지 알아내겠다."

하지만 방법이 문제였습니다. 단백질 사슬의 끝부분이 어디인지, 중간은 어떻게 되어 있는지 알 수 있는 도구가 없었습니다. 생어는 직접 도구를 만들기로 합니다.

그는 'FDNB(Sanger's Reagent, 생어 시약)' 라는 화학 물질을 사용했습니다. 이 물질은 단백질 사슬의 맨 앞쪽에 있는 아미노산(N-말단)에만 달라붙어서 '노란색' 표식을 남기는 성질이 있었습니다.

[ 생어의 전략 ]

1. 인슐린에 FDNB를 처리해 맨 앞 아미노산을 노랗게 염색한다.
2. 단백질을 산(Acid)으로 완전히 분해한다.
3. 노란색이 붙은 아미노산만 찾아낸다.
4. "아하! 이 녀석이 맨 앞에 있던 놈이구나!"

이 방법을 통해 그는 인슐린이 한 줄이 아니라, 두 개의 사슬(A사슬, B사슬)로 이루어져 있다는 사실을 처음으로 알아냈습니다.

 

🧐 지옥의 퍼즐 맞추기 : 찢고, 읽고, 맞춘다

 

맨 앞글자는 알았습니다. 하지만 나머지 글자들은 어떻게 알까요? 생어는 여기서 '직소 퍼즐(Jigsaw Puzzle)' 전략을 씁니다.

그는 인슐린 사슬을 산이나 효소로 무작위로 잘게 잘랐습니다. 어떤 조각은 '글리신-이소류신', 어떤 조각은 '이소류신-발린', 어떤 조각은 '발린-글루탐산'...

이렇게 나온 수백, 수천 개의 조각들을 1952년 수상자인 마틴과 싱이 발명한 '종이 크로마토그래피' 로 분리하고 분석했습니다. 그리고 겹치는 부분을 찾아 이어 붙였습니다.

• 조각 1 : A - B - C
• 조각 2 : B - C - D
• 결론 : 원래 순서는 A - B - C - D 겠구나!

이것은 지루하고 고통스러운 작업이었습니다. 컴퓨터도 없던 시절, 그는 10년 동안 실험실 냄새를 맡으며 종이 위에 점을 찍고 아미노산 이름을 적어 나갔습니다.

마침내 1955년, 안개가 걷히고 인슐린의 전체 지도가 드러났습니다.

• A사슬: 21개 아미노산
• B사슬: 30개 아미노산
• 연결: 두 사슬은 황(Sulfur) 다리 2개로 연결되어 있다.

"단백질은 무작위 덩어리가 아니다. 모든 인슐린 분자는 51개의 아미노산이 토씨 하나 틀리지 않고 똑같은 순서로 배열된, 완벽하게 설계된 화학 물질이다!"

이 발견은 생물학의 '빅뱅'과도 같았습니다. DNA에 적힌 유전 정보가 어떻게 단백질이라는 실체로 변환되는지, 그 '생명의 중심 원리(Central Dogma)' 가 성립되는 순간이었습니다. DNA의 염기 서열이 곧 단백질의 아미노산 서열이라는 것이 증명되었기 때문입니다.

 

⚡️ 당뇨병 환자에게 희망을 주다

 

생어의 발견은 의학적으로도 엄청난 축복이었습니다. 인슐린의 정확한 구조를 알게 되었으니, 이제 과학자들은 두 가지를 할 수 있게 되었습니다.

1. 인공 합성: 굳이 소나 돼지의 췌장에서 인슐린을 뽑지 않아도, 실험실에서 아미노산을 순서대로 붙여서 인공 인슐린을 만들 수 있게 되었습니다. (1960년대 이후 실현)
2. 유전자 이식: 인슐린의 아미노산 서열을 만드는 DNA 정보를 알아내어, 이를 대장균에 넣어 대량 생산할 수 있게 되었습니다.

오늘날 당뇨병 환자들이 사용하는 인슐린 주사는 생어가 그려낸 설계도가 있었기에 탄생할 수 있었습니다.

 

🏆 노벨상 : 그리고 또 한 번의 노벨상

 

1958년, 스웨덴 왕립과학원은 40세의 젊은 화학자 프레데릭 생어에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "단백질, 특히 인슐린의 구조에 관한 연구 공로" 였습니다.

보통 노벨상을 받으면 영광을 누리며 은퇴하거나 행정직을 맡기도 합니다. 하지만 생어는 달랐습니다. "나는 연구할 때가 제일 행복하다."

그는 다시 실험실로 돌아갔습니다. 이번에는 단백질보다 더 긴 사슬, 바로 'DNA' 의 염기 서열을 읽는 방법에 도전했습니다.

그리고 22년 뒤인 1980년, 그는 '생어 염기서열 분석법(Sanger Sequencing)' 을 개발한 공로로 두 번째 노벨 화학상을 받게 됩니다. (이 기술은 인간 게놈 프로젝트를 가능하게 했습니다.)

마리 퀴리가 물리학상과 화학상을 받았다면, 프레데릭 생어는 유일하게 화학상을 두 번 받은 인물입니다.

 

📚 TMI : 겸손의 끝판왕

 

1. "나는 그저 실험실에 쳐박혀 있는 녀석일 뿐"

생어는 지독할 정도로 겸손했습니다. 그는 자신을 소개할 때 "나는 천재가 아니다. 그저 실험실에서 꼼지락거리는(messing about) 걸 좋아하는 녀석일 뿐이다"라고 말했습니다. 그는 대중 강연이나 인터뷰를 피해 다녔고, 평생 제자를 가르치기보다 직접 피펫을 들고 실험하는 것을 즐겼습니다.

2. 기사 작위 거절

영국 정부는 그에게 기사 작위(Sir)를 수여하려 했지만, 그는 거절했습니다. 이유는 "남들이 나를 '생어 경'이라고 부르면 너무 어색할 것 같다. 나는 그냥 '프레드'로 불리고 싶다"는 것이었습니다. (나중에 더 명예로운 훈장인 메리트 훈장(OM)은 받았습니다.)

3. 정원 가꾸기와 보트 타기

은퇴 후 그는 과학계에서 완전히 손을 떼고, 집 정원을 가꾸거나 보트를 타며 여생을 보냈습니다. 그는 "이미 충분히 연구했다"며 미련 없이 떠났고, 2013년 95세의 나이로 평화롭게 세상을 떠났습니다.

 

🌏 맺음말 : 생명의 문장을 읽다

 

프레데릭 생어는 생명이라는 책이 어떤 언어로 쓰여 있는지 밝혀낸 언어학자이자 해독가였습니다.

그가 인슐린의 아미노산 순서를 밝혀냄으로써, 인류는 생명이 막연한 신비가 아니라 '정보(Information)' 와 '서열(Sequence)' 로 이루어진 정교한 시스템임을 깨닫게 되었습니다.

복잡하게 얽힌 실타래의 첫 매듭을 풀고, 끝내 전체 그림을 완성한 그의 끈기 덕분에 우리는 오늘날 유전공학과 바이오 의약품의 시대를 살아가고 있습니다.