[1964 노벨화학상] 도로시 호지킨 : 페니실린과 비타민 B12의 지도를 그리다, 엑스선의 여왕

 

 

 

💎 "보지 않고서는 믿을 수 없다"

 

화학자들은 오랫동안 눈에 보이지 않는 분자의 모양을 '상상'해야 했습니다. "A랑 B가 반응해서 C가 나왔으니, 아마 이렇게 생겼겠지?" 이것은 마치 깜깜한 방 안에서 코끼리를 만져보고 그림을 그리는 것과 같았습니다. 간접적인 증거로 추론할 뿐, 진짜 모습을 본 사람은 아무도 없었으니까요.

그런데 20세기 중반, 이 보이지 않는 미시 세계를 엑스선(X-ray)으로 사진 찍듯이 찰칵 찍어내어, 원자 하나하나의 위치를 3차원지도로 그려낸 과학자가 있습니다.

그녀는 심각한 관절염으로 손가락 마디가 퉁퉁 붓고 뒤틀려 있었지만, 그 아픈 손으로 세상에서 가장 작은 결정(Crystal)을 다루며 가장 복잡한 분자들의 비밀을 풀어냈습니다.

오늘 소개할 1964년 노벨 화학상 수상자는 마리 퀴리, 이렌 졸리오-퀴리에 이어 세 번째로 노벨 화학상을 받은 여성이자, 단독 수상의 영예를 안은 전설적인 인물입니다.

기적의 항생제 '페니실린' 의 구조를 확정 짓고, 악성 빈혈 치료제인 '비타민 B12' 의 거대한 구조를 규명한 영국의 결정학자, 도로시 크로풋 호지킨(Dorothy Crowfoot Hodgkin).

그녀가 엑스선 필름 위에서 찾아낸 생명의 아름다운 기하학을 소개합니다.

 

📜 전쟁과 페니실린 : 베타-락탐의 미스터리

 

제2차 세계대전이 한창이던 1940년대, 연합군에게는 나치 독일군만큼이나 무서운 적이 있었습니다. 바로 세균 감염이었습니다. 알렉산더 플레밍이 발견한 푸른 곰팡이의 기적, '페니실린(Penicillin)' 은 수많은 병사의 목숨을 구할 희망이었습니다.

하지만 문제가 있었습니다. 페니실린을 대량 생산하려면 그 '화학 구조' 를 알아야 하는데, 도무지 알 수가 없었던 것입니다. 당시 최고의 화학자였던 로버트 로빈슨(1947년 수상자)조차 구조를 놓고 다른 학자들과 격렬하게 논쟁 중이었습니다.

"탄소 고리가 4각형(베타-락탐)이다!" vs "아니다, 4각형은 불안정해서 깨진다. 다른 모양이다!"

이 논쟁을 종결짓기 위해 옥스퍼드 대학의 젊은 여성 과학자 도로시 호지킨이 나섰습니다. 그녀의 무기는 'X선 결정학' 이었습니다.

그녀는 페니실린을 아주 작은 소금 같은 결정으로 만들고, 거기에 엑스선을 쏘았습니다. 엑스선은 원자에 부딪혀 사방으로 흩어지며 필름에 수만 개의 점을 찍었습니다.

호지킨은 당시의 원시적인 컴퓨터(펀치 카드를 쓰는)와 자신의 수학적 직관을 동원해 이 복잡한 점들의 암호를 풀었습니다.

1945년, 전쟁이 끝나갈 무렵 그녀는 마침내 페니실린의 3차원 지도를 완성합니다. 그것은 모두가 "불가능하다"고 했던, 탄소 3개와 질소 1개로 이루어진 '4각형 고리(베타-락탐 링)' 구조였습니다.

"보세요. 자연은 우리가 불안정하다고 생각하는 구조도 거뜬히 만들어냅니다."

그녀의 발견 덕분에 화학자들은 페니실린을 합성하는 방법을 찾아냈고, 인류는 항생제 대량 생산의 길을 열게 되었습니다.

 

🧐 비타민 B12 : 분자들의 에베레스트

 

페니실린을 정복한 호지킨의 다음 목표는 훨씬 더 거대했습니다. 바로 '비타민 B12' 였습니다.

비타민 B12는 '악성 빈혈'을 치료하는 붉은색 물질인데, 분자량이 페니실린의 4배가 넘고 원자 개수만 100개가 넘는 거물이었습니다. 당시 기술로는 구조를 밝히는 것이 불가능해 보여서, 화학자들 사이에서는 '에베레스트산' 으로 통했습니다.

하지만 호지킨은 이 붉은 결정에 매료되었습니다. 그녀는 1948년부터 무려 8년 동안 이 문제에 매달렸습니다.

그녀는 비타민 B12의 중심에 '코발트(Cobalt)' 라는 무거운 금속 원자가 박혀 있다는 점을 이용했습니다. (1962년 수상자 맥스 페루츠가 헤모글로빈 연구에 썼던 것과 비슷한 방식입니다.)

밤낮없는 계산과 분석 끝에 1956년, 그녀는 비타민 B12의 전체 구조를 세상에 내놓았습니다. 그것은 코발트를 중심으로 4개의 피롤 고리가 감싸고 있는, 마치 엽록소나 헤모글로빈과 비슷하면서도 훨씬 복잡하고 아름다운 '코린 고리(Corrin Ring)' 구조였습니다.

화학계는 경악했습니다. "이 복잡한 걸 엑스선으로 다 봤다고? 화학 반응 한번 안 시켜보고?" 그녀는 화학적 분해 없이 오직 엑스선 사진만으로 거대 분자의 구조를 완벽하게 그려낸 최초의 인물이 되었습니다.

 

⚡️ 인슐린 : 35년의 첫사랑

 

호지킨에게는 평생을 바친 연구 대상이 하나 더 있었습니다. 바로 당뇨병 치료제 '인슐린(Insulin)' 입니다.

그녀는 24살이던 1934년에 처음으로 인슐린 결정 사진을 찍었습니다. 하지만 당시에는 인슐린이 너무 거대해서 도저히 해석할 수가 없었습니다.

그녀는 페니실린을 풀고, 비타민 B12를 푸는 동안에도 인슐린 사진을 책상 한구석에 놓아두었습니다. 기술이 발전하기를 기다린 것입니다.

그리고 연구를 시작한 지 무려 35년 만인 1969년, 노벨상을 받은 지도 한참 뒤에야 그녀는 마침내 인슐린의 완벽한 3차원 구조를 발표했습니다. 그녀의 끈기가 아니었다면 우리는 인슐린이 어떻게 생겼는지, 어떻게 수용체와 결합하는지 훨씬 늦게 알았을 것입니다.

 

🏆 노벨상 : "가정주부의 노벨상?"

 

1964년, 스웨덴 왕립과학원은 도로시 호지킨에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "엑스선 기술을 이용하여 중요한 생체 물질의 구조를 결정한 공로" 였습니다.

당시 신문 헤드라인 중에는 "영국의 가정주부(Housewife), 노벨상을 받다"라는 제목이 실리기도 했습니다. 그녀가 세 아이의 엄마였기 때문입니다. 지금 보면 성차별적인 제목이지만, 당시 그녀는 육아와 살림을 병행하면서도 세계 최고의 연구를 해낸 슈퍼우먼이었습니다.

그녀는 남성 중심적인 과학계에서, 그리고 불편한 신체적 조건 속에서도 오직 실력으로 정점에 올랐습니다.

 

📚 TMI : 철의 여인의 스승

 

1. 마거릿 대처의 선생님

영국의 전 총리, '철의 여인' 마거릿 대처가 바로 도로시 호지킨의 제자였습니다. 대처는 옥스퍼드 대학 화학과 학생 시절 호지킨의 실험실에서 졸업 논문을 썼습니다. 대처는 훗날 총리가 된 후에도 스승인 호지킨을 깍듯이 모셨고, 호지킨의 사진을 총리 관저에 걸어두었다고 합니다. (재미있는 건 호지킨은 사회주의자였고 대처는 보수당이라 정치 성향은 정반대였습니다.)

2. 류머티즘 관절염

호지킨은 28세 때부터 심각한 류머티즘 관절염을 앓았습니다. 손가락 관절이 부어오르고 뒤틀려, 나중에는 버튼을 누르기도 힘들 정도였습니다. 하지만 그녀는 섬세한 손길이 필요한 결정 조작 작업을 멈추지 않았습니다. 그녀는 "손은 잃어도 머리는 잃지 않았다"며 연구를 계속했습니다.

3. 평화 운동가

그녀는 냉전 시대에 과학자의 사회적 책임을 강조하며 평화 운동에 앞장섰습니다. '퍼그워시 회의(반핵 평화 회의)' 의장을 맡아 동서양 과학자들의 화합을 주도했습니다.

 

 

🌏 맺음말 : 아름다움을 꿰뚫어 본 눈

 

 

도로시 호지킨은 엑스선이라는 빛을 통해 자연이 숨겨놓은 가장 정교한 건축물을 들여다보았습니다.

그녀가 그려낸 페니실린의 사각형, 비타민 B12의 복잡한 고리, 인슐린의 우아한 나선은 단순한 그림이 아니었습니다. 그것은 생명이 작동하는 원리를 보여주는 '설계도' 였습니다.

뒤틀린 손으로 인류에게 생명의 지도를 선물한 그녀의 삶은, 어떤 장애물도 진리를 향한 열정을 막을 수 없음을 보여주는 감동적인 증거입니다.