[1982 노벨화학상] 아론 클루그 : 바이러스와 DNA의 입체 구조를 꿰뚫어 본 '전자 현미경의 마법사'

 

 

 

🦠 엑스선이 보지 못하는 것을 보다

 

1960년대, 엑스선 결정학(X-ray Crystallography)은 전성기를 맞이했습니다. DNA 이중나선, 헤모글로빈, 미오글로빈의 구조가 모두 이 기술로 밝혀졌으니까요.

하지만 엑스선에는 치명적인 약점이 있었습니다. 반드시 시료를 '결정(Crystal)' , 즉 소금처럼 규칙적이고 딱딱한 고체 덩어리로 만들어야만 찍을 수 있다는 것이었습니다.

그런데 생명체 안에는 결정이 되기를 거부하는 녀석들이 너무 많았습니다. 거대한 바이러스 입자, DNA가 단백질을 칭칭 감고 있는 염색체(Chromatin), 세포막의 복잡한 구조물들. 이들은 너무 크고 불규칙해서 엑스선으로는 도저히 찍을 수가 없었습니다.

"결정을 만들 수 없는 것들은 어떻게 보지? 그냥 흐릿한 전자 현미경 사진으로 만족해야 하나?"

당시 전자 현미경은 배율은 높았지만, 입체감이 없는 2차원 그림자만 보여줄 뿐이었습니다. 마치 사람의 그림자만 보고 그 사람이 어떻게 생겼는지 알아맞혀야 하는 상황이었죠.

오늘 소개할 1982년 노벨 화학상 수상자는 이 평면 그림자들을 모아 입체 영상을 만들어낸 마법사입니다.

수학적 알고리즘(푸리에 변환)을 전자 현미경에 도입하여 '결정학적 전자 현미경법(Crystallographic Electron Microscopy)' 을 창시한 남아공 출신의 영국 과학자, 아론 클루그(Aaron Klug).

오늘날 병원에서 찍는 CT 촬영의 원리를 분자 세계에 적용하여, 바이러스와 생명의 실체를 3D로 복원해 낸 그의 혁신적인 이야기를 소개합니다.

 

📜 로잘린드 프랭클린의 마지막 제자

 

아론 클루그는 리투아니아에서 태어나 남아프리카 공화국에서 자랐습니다. 그는 런던으로 건너와 당대 최고의 엑스선 전문가였던 로잘린드 프랭클린(DNA 구조 발견에 결정적 기여를 한 비운의 과학자)의 연구실에서 일하게 됩니다.

프랭클린은 당시 '담배 모자이크 바이러스(TMV)' 의 구조를 연구하고 있었습니다. 하지만 그녀가 37세의 젊은 나이에 암으로 세상을 떠나자, 클루그는 스승의 유지를 이어받아 바이러스 연구를 계속했습니다.

그는 고민에 빠졌습니다. 바이러스는 너무 커서 엑스선 회절 패턴이 너무 복잡했고, 전자 현미경으로 찍으면 납작하게 눌린 모습만 보였습니다.

"전자 현미경 사진은 2차원 투영도다. 그렇다면, 여러 각도에서 찍은 2차원 사진들을 수학적으로 합치면 3차원 입체를 만들 수 있지 않을까?"

이것은 병원의 CT(컴퓨터 단층 촬영) 와 똑같은 원리였습니다. (1979년 노벨상 수상자 하운스필드의 아이디어와 비슷합니다.)

 

🧐 푸리에 변환 : 수학으로 렌즈를 만들다

 

클루그는 '푸리에 변환(Fourier Transform)' 이라는 고등 수학을 도입했습니다.

1. 전자 현미경으로 바이러스나 단백질 복합체를 여러 각도에서 찍는다.
2. 이 사진들을 레이저를 이용해 '광학적 회절 패턴'으로 바꾼다.
3. 수학적 계산을 통해 잡음(Noise)은 제거하고, 진짜 신호만 모아서 3차원 지도로 재구성한다.

그는 이 '영상 재구성법(Image Reconstruction)' 을 이용해, 1968년 'T4 박테리오파지' 의 꼬리 구조를 완벽하게 복원해 냈습니다. 바이러스가 어떻게 세균에 달라붙어 DNA를 주입하는지, 그 기계적인 작동 원리가 눈앞에 드러난 것입니다.

또한 그는 구형 바이러스들이 축구공처럼 정오각형과 정육각형의 대칭 구조를 가지고 있다는 사실도 밝혀냈습니다. 엑스선으로는 불가능했던 거대 분자의 구조가 풀린 것입니다.

 

⚡️ 염색질(Chromatin) : DNA는 어떻게 포장되는가?

 

클루그의 시선은 바이러스를 넘어 우리 몸속의 유전자로 향했습니다. 인간의 DNA는 길이가 2m나 됩니다. 이 긴 실이 어떻게 지름 0.01mm도 안 되는 세포 핵 속에 엉키지 않고 들어가 있을까요?

클루그는 자신의 기술을 이용해 '뉴클레오솜(Nucleosome)' 의 구조를 밝혀냈습니다.

"DNA는 그냥 구겨져 있는 게 아니다. '히스톤(Histone)'이라는 단백질 실패에 1.75바퀴씩 질서 정연하게 감겨 있다."

마치 진주 목걸이처럼, 히스톤 구슬에 DNA 실이 감겨 있는 이 구조를 '염색질(Chromatin)' 이라고 합니다. 클루그 덕분에 우리는 유전자가 평소에는 꽁꽁 포장되어 있다가, 필요할 때만 풀려서 사용된다는 유전자 발현의 물리적 기초를 이해하게 되었습니다.

 

🏆 노벨상 : 보는 것이 믿는 것이다

 

1982년, 스웨덴 왕립과학원은 아론 클루그에게 노벨 화학상을 단독 수여합니다. 수상 이유는 "결정학적 전자 현미경법의 개발과 생물학적으로 중요한 핵산-단백질 복합체의 구조 규명" 이었습니다.

그의 연구는 '구조 생물학'의 영역을 획기적으로 넓혔습니다.

• 작은 것: 엑스선 결정학 (원자 단위)
• 중간 것: 클루그의 전자 현미경법 (바이러스, 거대 복합체)
• 큰 것: 광학 현미경 (세포)

그는 보이지 않던 '중간 세계'의 다리를 놓은 건축가였습니다.

 

📚 TMI : 스승을 기리는 마음

 

1. 프랭클린에 대한 헌사

클루그는 노벨상 수상 연설에서 로잘린드 프랭클린의 공로를 길게 언급했습니다. "그녀는 훌륭한 과학자였고, 나의 연구는 그녀가 닦아놓은 기초 위에서 시작되었다"고 말하며, 일찍 떠난 스승에게 영광을 돌렸습니다. DNA 구조 발견 당시 프랭클린이 제대로 평가받지 못했던 아쉬움을 달래주는 장면이었습니다.

2. 영국 과학계의 리더

그는 나중에 영국 왕립학회(Royal Society) 회장을 역임하며 과학 정책을 이끌었습니다. 남아공 이민자 출신이 영국 과학계 최고의 자리에 오른 입지전적인 인물이었습니다.

3. 냉동 전자 현미경(Cryo-EM)의 조상

클루그의 기술은 오늘날 구조생물학의 대세인 '초저온 전자 현미경(Cryo-EM)' (2017년 노벨 화학상 수상)의 직접적인 조상이 되었습니다. 클루그가 없었다면 2017년의 수상도 없었을 것입니다.

 

🌏 맺음말 : 상상력을 기술로 구현하다

 

아론 클루그는 2차원 그림자 속에 숨겨진 3차원의 진실을 수학과 기술로 끌어냈습니다.

그가 보여준 바이러스의 정교한 기하학적 구조와, DNA가 촘촘히 감겨 있는 뉴클레오솜의 모습은 생명이 무질서한 혼돈이 아니라, 치밀하게 설계된 '나노 아키텍처(Architecture)' 임을 증명했습니다.

오늘날 우리가 교과서에서 보는 그 생생한 바이러스와 염색체의 그림들은, 40년 전 런던의 실험실에서 흑백 사진들을 수학으로 이어 붙였던 클루그의 상상력에서 시작되었습니다.