[1984 노벨화학상] 로버트 브루스 메리필드 : 구슬 위에서 단백질을 조립하다, '고상 합성법'의 발명

 

 

 

🧵 "구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배다"

 

단백질이나 펩타이드는 수십, 수백 개의 아미노산이 사슬처럼 연결된 물질입니다. 1900년대 초반 에밀 피셔가 펩타이드 결합을 발견한 이래, 화학자들의 꿈은 원하는 단백질을 실험실에서 인공적으로 합성하는 것이었습니다.

하지만 이것은 '지옥의 레이스' 였습니다. 아미노산 A와 B를 연결해서 AB를 만듭니다. 그러면 반응하지 않은 찌꺼기와 부산물이 생기겠죠? 이걸 씻어내고 순수한 AB를 얻는 데 며칠이 걸립니다. 그다음 C를 붙여서 ABC를 만듭니다. 또 씻고 정제하는 데 며칠...

아미노산 하나를 붙일 때마다 수율(생산량)은 뚝뚝 떨어지고, 시간은 몇 달씩 걸렸습니다. 인슐린 같은 작은 단백질 하나를 만드는 데에도 수년이 걸렸고, 그 과정에서 화학자들은 지쳐 떨어져 나갔습니다.

"좀 더 쉽고, 빠르고, 편하게 만들 수는 없을까?"

오늘 소개할 1984년 노벨 화학상 수상자는 이 지루한 화학 공정을 획기적으로 단축시킨 '아이디어 맨'입니다.

눈에 잘 보이지도 않는 작은 플라스틱 구슬 위에 아미노산을 매달아 놓고, 마치 빨래하듯이 헹궈가며 단백질을 조립하는 '고상 합성법(Solid Phase Synthesis)' 을 발명한 미국의 생화학자 로버트 브루스 메리필드(R. Bruce Merrifield).

그의 단순하지만 위대한 아이디어 하나가 어떻게 제약 산업과 생명공학의 속도를 100배, 1000배 빠르게 만들었는지 그 혁명의 현장을 소개합니다.

 

📜 혼자만의 지하 실험실 : "고정시키면 되잖아?"

 

1959년, 록펠러 연구소의 젊은 연구원이었던 메리필드는 펩타이드 합성 실험을 하다가 지쳐있었습니다. 반응을 시키는 시간보다, 씻고 거르고 말리는 정제 시간이 훨씬 더 길었기 때문입니다.

그는 문득 엉뚱한 상상을 합니다.

"아미노산을 물에 녹여서 반응시키니까 나중에 분리하기가 어렵지. 차라리 첫 번째 아미노산을 물에 안 녹는 '고체 알갱이(구슬)'에 본드로 딱 붙여놓으면 어떨까?"

그의 아이디어는 이랬습니다.

1. 고정: 미세한 플라스틱 구슬(고체)에 첫 번째 아미노산을 매단다.
2. 반응: 두 번째 아미노산 용액을 붓는다. 둘이 결합한다.
3. 세척: 반응이 끝나면, 구슬만 남기고 나머지 액체(찌꺼기)는 체에 걸러 싹 버린다. (구슬은 고체니까 안 씻겨 내려감!)
4. 반복: 다시 세 번째 아미노산 용액을 붓는다.

이 방식이라면 복잡한 정제 과정이 필요 없습니다. 그냥 붓고, 흔들고, 씻어내면 끝입니다. "액체(Liquid)가 아닌 고체(Solid) 위에서 합성한다" 는 이 역발상이 바로 '고상 합성법' 의 핵심이었습니다.

하지만 당시 지도 교수와 동료들은 "말도 안 되는 소리"라며 비웃었습니다. "고체 덩어리 위에서 무슨 화학 반응이 일어나겠냐"는 것이었죠. 메리필드는 아무도 없는 지하 실험실로 내려가 혼자서 이 아이디어를 실험했습니다.

 

🧐 혁명적인 성공 : 기계가 단백질을 만들다

 

그는 수많은 실패 끝에, 폴리스티렌 수지로 만든 작은 구슬(비드)이 아미노산을 붙잡기에 가장 적합하다는 것을 알아냈습니다. 이것이 바로 그 유명한 '메리필드 수지(Merrifield Resin)' 입니다.

이 방법의 위력은 실로 대단했습니다.

• 기존 방법: 아미노산 4개 연결하는 데 며칠이 걸림. 수율 10% 미만.
• 고상 합성법: 아미노산 4개 연결하는 데 몇 시간이면 됨. 수율 99% 이상.

더 놀라운 것은 이 과정이 단순 반복 작업이기 때문에 '자동화' 가 가능하다는 점이었습니다. 메리필드는 자신의 지하실에서 세계 최초의 '자동 펩타이드 합성기' 를 직접 조립했습니다.

이제 화학자는 버튼만 누르고 퇴근하면 됩니다. 밤새 기계가 알아서 시약을 붓고 씻어내며 단백질 사슬을 길게 길게 만들어 놓으니까요.

🧬 리보뉴클레아제 A의 합성

1969년, 메리필드는 자신의 기계를 이용해 결정적인 증거를 내놓습니다. 그는 아미노산 124개로 이루어진 효소인 '리보뉴클레아제 A(Ribonuclease A)' 를 완벽하게 합성해 냈습니다.

기존 방법으로는 수십 년이 걸려도 불가능했을 일을, 단 6주 만에 해낸 것입니다. 게다가 그가 만든 인공 효소는 천연 효소와 똑같이 RNA를 분해하는 기능을 가졌습니다.

"보라! 기계가 만든 효소가 살아있는 것처럼 작동한다. 이제 인간은 생명의 부품을 공장에서 찍어낼 수 있다."

 

🏆 노벨상 : 신약 개발의 고속도로를 뚫다

 

1984년, 스웨덴 왕립과학원은 로버트 브루스 메리필드에게 노벨 화학상을 단독 수여합니다. 수상 이유는 "고체 매트릭스 위에서의 화학 합성 방법론 개발" 이었습니다.

이 기술은 현대 화학과 의학에 엄청난 축복이었습니다.

1. 신약 개발: 수만 가지의 후보 약물(펩타이드)을 빠르게 합성해서 테스트해 볼 수 있게 되었습니다. 에이즈 치료제, 항암제, 호르몬제 등이 이 방법으로 개발되었습니다.
2. DNA 합성: 훗날 이 원리는 DNA 합성에도 그대로 적용되어, 우리가 원하는 유전자를 주문하면 하루 만에 배달받을 수 있는 시대가 열렸습니다.

메리필드의 구슬은 생명공학이라는 거대한 기계를 돌리는 가장 중요한 베어링이 되었습니다.

 

📚 TMI : 소박한 발명가의 일생

 

1. 특허보다 공유

메리필드는 이 엄청난 기술에 대해 특허를 걸어 돈을 벌 수도 있었지만, 그러지 않았습니다. 그는 고상 합성법을 누구나 자유롭게 쓸 수 있도록 공개했습니다. 덕분에 전 세계의 가난한 연구소들도 이 기술을 이용해 연구할 수 있었고, 과학은 비약적으로 발전했습니다.

2. 텍사스 소년의 꿈

그는 텍사스에서 자라며 대공황 시절을 겪었습니다. 여러 학교를 전전하며 어렵게 공부했지만, 화학에 대한 열정만은 놓지 않았습니다. 그는 노벨상을 받은 뒤에도 "나는 그저 운 좋게 좋은 아이디어를 얻었을 뿐"이라며 록펠러 대학의 실험실을 지켰습니다.

3. 메리필드 수지

화학을 전공하는 학생들은 유기화학 실험 시간에 하얀색 가루 같은 '메리필드 수지'를 사용해 본 경험이 있을 것입니다. 그 가루 알갱이 하나하나에 노벨상 수상자의 땀과 지혜가 서려 있다는 것을 아는 사람은 많지 않지만요.

 

🌏 맺음말 : 단순함이 복잡함을 이긴다

 

로버트 브루스 메리필드는 "가장 좋은 방법은 가장 단순한 방법이다" 라는 것을 증명했습니다.

복잡한 정제 과정을 과감히 생략하고, 구슬 하나에 매달아 씻어낸다는 그 단순한 발상이 수천 년 동안 자연만이 할 수 있었던 단백질 합성을 인간의 손쉬운 기술로 바꾸어 놓았습니다.

오늘날 우리가 병원에서 맞는 호르몬 주사, 약국에서 사는 캡슐 약들. 그 속에는 보이지 않는 작은 플라스틱 구슬 위에서 탄생한 메리필드의 마법이 녹아 있습니다.