[1993 노벨화학상] 캐리 멀리스 & 마이클 스미스 : DNA 복사기와 편집기의 발명, 생명공학의 혁명

 

 

 

🧬 "범인은 이 안에 있다, 하지만 증거가 너무 적다?"

 

과학 수사 드라마(CSI)를 보면, 범죄 현장에 떨어진 머리카락 한 올이나 미세한 핏자국에서 DNA를 채취해 범인을 잡는 장면이 나옵니다. 그런데 1980년대 초반까지만 해도 이런 일은 불가능했습니다. DNA 분석을 하려면 꽤 많은 양의 혈액이나 조직이 필요했기 때문입니다.

"DNA가 너무 적어서 분석할 수 없습니다." 이 말은 당시 유전학자들을 좌절하게 만드는 가장 큰 벽이었습니다.

"문서 복사기처럼, DNA도 버튼 하나만 누르면 원하는 만큼 펑펑 복사해 낼 수는 없을까?"

그리고 또 하나의 고민이 있었습니다. "DNA 글자 중 딱 한 글자만 바꿔서(편집), 단백질의 기능을 개조할 수는 없을까?"

오늘 소개할 1993년 노벨 화학상 수상자들은 이 두 가지 꿈을 현실로 만든 현대 생명공학의 마법사들입니다.

고속도로를 운전하다가 섬광 같은 아이디어로 'PCR(유전자 증폭 기술)' 을 발명한 괴짜 서퍼 캐리 멀리스(Kary B. Mullis). 그리고 유전자의 글자를 마음대로 고치는 '부위 특이적 돌연변이 유발법' 을 개발한 영국의 젠틀맨 마이클 스미스(Michael Smith).

현대 의학과 과학 수사의 필수품이 된 이 기술들이 어떻게 탄생했는지, 그 비하인드 스토리를 공개합니다.

 

📜 캐리 멀리스 : 캘리포니아 고속도로 위의 유레카

 

1983년 4월의 어느 금요일 밤. 미국 캘리포니아의 생명공학 회사 '시터스(Cetus)'의 연구원이었던 캐리 멀리스는 여자친구를 태우고 128번 고속도로를 달리고 있었습니다.

그는 운전 중에 머릿속으로 DNA 복제 과정을 시뮬레이션하고 있었습니다. 당시 기술로는 DNA를 복제하려면 살아있는 세포(대장균)에 넣어서 키워야 했는데, 너무 느리고 번거로웠습니다.

"시험관 안에서 바로 복제할 순 없을까? DNA 이중나선을 열고, 복제를 시작할 위치(프라이머)를 붙이고, 효소로 채워 넣고..."

그때 그의 뇌리에서 번개 같은 아이디어가 스쳤습니다.

"잠깐, 한 번 복제한 걸 다시 끓여서 나선을 풀고, 또 복제하면 2배가 되잖아? 그걸 또 반복하면 4배, 8배... 30번만 반복하면 10억 배가 되잖아!"

그는 너무 흥분한 나머지 차를 갓길에 세우고 종이에 계산을 시작했습니다. 2의 30승은 약 10억. 이론적으로 하룻밤 사이에 DNA 한 분자를 10억 개로 불릴 수 있었습니다.

이것이 바로 현대 생물학의 혁명, 'PCR(Polymerase Chain Reaction, 중합효소 연쇄 반응)' 의 탄생 순간이었습니다.

 

🧐 PCR의 완성 : 온천 박테리아의 선물

 

아이디어는 완벽했지만, 현실적인 문제가 있었습니다. DNA 가닥을 풀려면 90도 이상으로 끓여야 하는데, 이때 DNA를 복제하는 효소(단백질)도 같이 익어서 파괴되어 버리는 것이었습니다.

그래서 초기에는 사이클을 돌릴 때마다 연구원이 뚜껑을 열고 효소를 새로 넣어줘야 했습니다. 이건 사람이 할 짓이 아니었습니다.

멀리스와 동료들은 자연에서 답을 찾았습니다. "뜨거운 온천에서도 사는 박테리아가 있잖아? 걔네 효소는 열에 강하지 않을까?"

그들은 옐로스톤 국립공원의 뜨거운 간헐천에 사는 세균 '테르무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)' 에서 DNA 복제 효소를 추출했습니다. 이른바 'Taq(택) 중합효소' 입니다.

이 효소는 90도에서도 끄떡없었습니다. 이제 기계에 재료를 다 넣고, 온도만 '90도(분리) → 50도(결합) → 72도(복제)' 로 오르락내리락하게 세팅해 두면, 알아서 밤새도록 DNA를 복사해 냈습니다.

이 기술 덕분에 범죄 현장의 피 한 방울, 멸종된 동물의 뼈, 심지어 2020년 전 세계를 강타한 '코로나19 바이러스 진단' 까지, 아주 미세한 유전자 조각만 있어도 찾아낼 수 있게 되었습니다.

 

⚡️ 마이클 스미스 : 유전자를 편집하다

 

멀리스가 DNA를 '복사'했다면, 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 마이클 스미스는 DNA를 '수정(Edit)' 하는 기술을 개발했습니다.

단백질의 기능을 연구하려면, 아미노산 하나를 다른 걸로 바꿔봐야 합니다. "여기 글루탐산을 알라닌으로 바꾸면 효소 기능이 어떻게 변할까?" 하지만 DNA의 30억 글자 중에서 딱 한 글자만 콕 집어서 바꾸는 건 불가능에 가까웠습니다.

스미스는 '프라이머(Primer)' 라는 짧은 DNA 조각을 이용했습니다.

[ 스미스의 전략 : 의도적인 오타 ]

1. 바꾸고 싶은 부위와 결합할 수 있는 짧은 DNA 조각(프라이머)을 인공적으로 만든다.
2. 단, 딱 한 글자만 일부러 틀리게(오타) 만든다. (예: 원래 A여야 하는데 C로 만듦)
3. 이 프라이머를 원본 DNA에 붙인다. (한 글자가 틀려도 나머지가 맞으면 대충 붙습니다.)
4. DNA 복제 효소가 이 프라이머를 시작점으로 해서 나머지를 복사한다.

이렇게 만들어진 새로운 DNA 가닥은, 스미스가 의도한 대로 딱 한 글자만 바뀐 '돌연변이 DNA' 가 됩니다.

이 기술을 '부위 특이적 돌연변이 유발(Site-directed Mutagenesis)' 이라고 합니다. 덕분에 과학자들은 유전자를 마음대로 조작해서 '더 오래가는 인슐린', '때가 잘 빠지는 세제 효소', '암을 죽이는 단백질' 등을 설계할 수 있게 되었습니다. 이것이 바로 '단백질 공학(Protein Engineering)' 의 시작입니다.

 

🏆 노벨상 : 생명공학의 양 날개

 

1993년, 스웨덴 왕립과학원은 캐리 멀리스와 마이클 스미스에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "DNA 기반의 화학적 연구 방법론 개발" 이었습니다.

• 캐리 멀리스: 있는 DNA를 무한대로 '증폭(PCR)' 하는 기술.
• 마이클 스미스: DNA의 내용을 원하는 대로 '변형(Mutagenesis)' 하는 기술.

이 두 기술은 현대 생명공학(Biotechnology)이라는 거대한 비행기를 날게 한 양쪽 날개와도 같습니다. 이들이 없었다면 인간 게놈 프로젝트도, 쥐라기 공원의 상상력도, 맞춤형 의약품도 불가능했을 것입니다.

 

📚 TMI : 서퍼와 기부 천사

 

1. 멀리스의 기행

캐리 멀리스는 노벨상 수상자 중 가장 독특한 캐릭터로 꼽힙니다. 그는 서핑을 광적으로 좋아했고, 환각제(LSD) 사용을 공개적으로 인정했으며, 기후 변화나 에이즈의 원인에 대해 주류 과학계와 다른 음모론적 주장을 펼치기도 했습니다. 노벨상 수상 소식을 들었을 때도 서핑을 하러 갈 준비를 하고 있었다고 합니다. 그는 "PCR 아이디어는 약물에 취해 있을 때 떠오른 게 아니라, 맨정신으로 운전하다가 떠올랐다"고 강조했습니다.

2. 스미스의 통 큰 기부

반면 마이클 스미스는 겸손하고 인격적인 사람이었습니다. 그는 노벨상 상금 전액을 조현병 연구와 여성 과학자 지원, 그리고 과학 교육을 위해 기부했습니다. 그는 "과학은 혼자 하는 것이 아니라 사회와 함께하는 것"이라는 신념을 실천했습니다.

3. PCR 특허 대박

멀리스가 다니던 회사 시터스는 PCR 특허권을 거대 제약사 로슈(Roche)에 무려 3억 달러(약 3천억 원) 에 팔았습니다. 하지만 정작 발명자인 멀리스는 회사로부터 보너스로 1만 달러밖에 받지 못했습니다. 멀리스는 이에 대해 평생 투덜거렸지만, 노벨상이라는 명예로 위안을 삼았습니다.

 

🌏 맺음말 : 상상력이 만든 도구

 

캐리 멀리스와 마이클 스미스는 새로운 생명체를 발견한 것이 아니라, 생명을 다루는 '도구(Tool)' 를 발명했습니다.

고속도로 위에서의 몽상과, 실험실에서의 정교한 설계가 만나 탄생한 이 도구들은, 생물학자들의 손에 들린 가장 강력한 망치와 정이 되었습니다.

오늘날 우리가 코로나 검사를 받고 몇 시간 만에 결과를 받아볼 수 있는 것도, 유전자 가위로 난치병을 치료하는 꿈을 꾸게 된 것도, 1993년의 두 영웅이 만들어준 복사기와 편집기 덕분입니다.