[1972 노벨화학상] 크리스천 앤핀언, 스탠퍼드 무어, 윌리엄 스타인 : 단백질의 접힘과 구조, 생명의 입체 퍼즐을 풀다

 

 

🧶 "단백질은 어떻게 제 모양을 찾아갈까?"

 

1950년대 후반, 프레데릭 생어(1958년 수상자) 덕분에 우리는 단백질이 아미노산들의 긴 사슬이라는 것을 알게 되었습니다. 하지만 사슬만으로는 아무런 기능도 하지 못합니다. 이 긴 사슬이 꼬불꼬불하게 뭉쳐서 특정한 '입체 모양(3D Structure)' 을 갖춰야만 비로소 효소나 호르몬으로서 작동할 수 있습니다.

그렇다면 이 긴 사슬은 어떻게 그 복잡한 모양으로 접히는 걸까요? 누군가 옆에서 "오른쪽으로 꺾어, 왼쪽으로 돌려"라고 지시를 해줄까요? 아니면 별도의 '접기 기계'가 있을까요?

이 질문에 대해 "아니오, 단백질은 스스로 접힙니다. 모든 정보는 이미 그 사슬 안에 들어있습니다"라고 대담하게 선언한 과학자가 있습니다.

오늘 소개할 1972년 노벨 화학상 수상자들은 단백질의 구조와 기능 사이의 비밀을 푼 세 명의 미국 과학자입니다.

"아미노산 서열이 곧 입체 구조를 결정한다"는 '앤핀언의 도그마(Anfinsen's Dogma)' 를 증명한 크리스천 앤핀언(Christian B. Anfinsen). 그리고 아미노산 분석기를 발명하여 효소의 활성 부위 구조를 밝혀낸 록펠러 대학의 콤비 스탠퍼드 무어(Stanford Moore) 와 윌리엄 스타인(William H. Stein).

생명의 가장 우아한 마술인 '단백질 접힘(Protein Folding)' 의 원리를 밝혀낸 그들의 이야기를 시작합니다.

 

📜 크리스천 앤핀언 : 리보뉴클레아제의 부활

 

1950년대 후반, 미국 국립보건원(NIH)의 크리스천 앤핀언은 '리보뉴클레아제(Ribonuclease)' 라는 작은 효소를 연구하고 있었습니다. 이 효소는 RNA를 분해하는 가위 역할을 합니다.

앤핀언은 아주 과격한 실험을 계획했습니다. "효소를 억지로 펴버린 다음, 다시 제자리로 돌아오는지 보자."

[ 앤핀언의 실험 ]

1. 파괴: 멀쩡한 효소에 요소(Urea)와 환원제를 넣어, 단백질의 결합을 끊고 1자 모양으로 쭉 펴버렸습니다. (변성, Denaturation) → 효소 기능 상실.
2. 복구: 화학 약품을 제거하고 효소를 가만히 놔두었습니다.

당시 상식으로는 한 번 망가진 단백질은 계란 프라이가 다시 생달걀이 될 수 없듯이 영원히 망가진 것이라고 생각했습니다. 하지만 놀랍게도, 쭉 펴졌던 효소 사슬들이 스르륵 다시 꼬이더니 원래의 모양으로 완벽하게 되돌아와서 다시 RNA를 자르기 시작했습니다!

"보라! 단백질은 스스로 접힌다. 외부의 도움 없이도, 아미노산 서열 그 자체에 '어떻게 접혀야 하는지'에 대한 모든 정보가 담겨 있다!"

이것이 바로 유명한 '열역학적 가설(Thermodynamic Hypothesis)' 입니다. 단백질은 에너지가 가장 낮은, 가장 안정된 상태를 찾아 스스로 접힌다는 원리입니다.

 

🧐 무어와 스타인 : 아미노산 분석기의 발명

 

앤핀언이 "서열이 구조를 결정한다"고 주장할 수 있었던 것은, 누군가가 그 '서열' 을 정확하게 분석해 주었기 때문입니다. 그 주인공들이 바로 록펠러 대학의 스탠퍼드 무어와 윌리엄 스타인이었습니다.

두 사람은 단백질을 구성하는 아미노산의 종류와 양을 자동으로 분석해 주는 기계인 '아미노산 분석기(Amino Acid Analyzer)' 를 세계 최초로 발명했습니다.

이전까지는 며칠, 몇 달이 걸리던 분석을 이 기계는 단 며칠 만에 끝내주었습니다. 그들은 이 기계를 이용해 리보뉴클레아제의 아미노산 서열을 완벽하게 밝혀냈고, 효소가 작동하는 핵심 부위인 '활성 부위(Active Site)' 의 구조까지 규명했습니다.

그들의 연구 덕분에 화학자들은 "효소의 12번 히스티딘과 119번 히스티딘이 RNA를 자르는 가위 날이다"라는 식으로 효소의 작동 원리를 분자 수준에서 이해하게 되었습니다.

 

🏆 노벨상 : 구조생물학의 기초

 

1972년, 스웨덴 왕립과학원은 이 세 사람에게 노벨 화학상을 수여합니다.

• 크리스천 앤핀언: 리보뉴클레아제 연구를 통해 아미노산 서열과 생물학적 활성 형태의 관계를 규명. (1/2)
• 스탠퍼드 무어 & 윌리엄 스타인: 리보뉴클레아제 분자의 활성 센터 구조와 화학적 구조 사이의 관계 규명. (각 1/4)

이들의 발견은 오늘날 '단백질 접힘 문제(Protein Folding Problem)' 의 시발점이 되었습니다. "서열만 알면 구조를 알 수 있다"는 앤핀언의 명제는, 2020년대 구글의 AI '알파폴드(AlphaFold)' 가 등장하여 단백질 구조를 예측해 내기까지 반세기 동안 생물학자들의 궁극적인 목표가 되었습니다.

 

📚 TMI : 비극적인 사고와 우정

 

1. 스타인의 비극

윌리엄 스타인은 노벨상을 받기 3년 전인 1969년, 갑작스러운 전신 마비(길랑-바레 증후군)로 휠체어 신세를 지게 되었습니다. 그는 손가락 하나 까딱할 수 없었지만, 동료인 무어의 헌신적인 도움으로 연구를 계속했고 결국 노벨상까지 받았습니다. 무어는 시상식장에서도 스타인의 휠체어를 밀며 평생의 우정을 과시했습니다.

2. 앤핀언의 개종

크리스천 앤핀언은 독실한 유대교 신자로 개종했습니다. 그는 "우주의 질서와 생명의 정교함을 볼 때 신의 존재를 믿지 않을 수 없다"고 말했습니다. 그는 과학과 종교가 모순되지 않는다고 믿었던 과학자 중 한 명입니다.

3. 알파폴드의 할아버지

2024년 노벨 화학상을 받은 데미스 하사비스(알파폴드 개발자)가 가장 존경해야 할 인물이 바로 앤핀언입니다. 앤핀언이 "서열 속에 답이 있다"고 확신을 주지 않았다면, AI가 서열만 보고 구조를 맞추려는 시도조차 하지 않았을 테니까요.

 

🌏 맺음말 : 정보는 형태가 된다

 

1972년 노벨상 수상자들은 "정보(Information)는 곧 형태(Form)가 된다" 는 생명의 진리를 보여주었습니다.

DNA에 적힌 1차원적인 글자 정보가, 저절로 꼬이고 접혀서 3차원의 정교한 기계가 되는 마법. 이 '자기 조립(Self-assembly)'의 원리 덕분에 생명은 복잡한 조립 공장 없이도 스스로를 만들어낼 수 있습니다.

오늘날 우리가 치매(잘못 접힌 단백질)를 연구하고, 인공 효소를 설계할 수 있는 것은, 50년 전 효소를 폈다 접었다 하며 그 원리를 파헤친 세 과학자의 호기심 덕분입니다.