[1997 노벨화학상] 폴 보이어, 존 워커, 옌스 스코우 : 생명의 에너지를 만드는 회전 모터와 이온 펌프

 

 

⚙️ "우리 몸속에 터빈이 돌아가고 있다?"

 

우리가 숨을 쉬고 밥을 먹는 이유는 단 하나, 바로 생명의 에너지 화폐인 'ATP(아데노신 삼인산)' 를 만들기 위해서입니다. 우리는 매일 자기 몸무게만큼의 ATP를 만들고 소비합니다. 이 엄청난 양의 ATP를 찍어내는 공장은 세포 속 '미토콘드리아' 에 있습니다.

그런데 1990년대, 과학자들은 이 공장의 핵심 기계를 들여다보고 경악을 금치 못했습니다. 그 기계는 화학 반응을 하는 비커나 시험관이 아니었습니다.

그것은 댐의 수력 발전기처럼, 물리적으로 축이 빙글빙글 돌아가는 정교한 '회전 모터(Rotary Motor)' 였습니다. 나노미터 크기의 세상에서, 단백질로 만들어진 기계가 분당 수만 번 회전하며 에너지를 찍어내고 있었던 것입니다.

오늘 소개할 1997년 노벨 화학상 수상자들은 이 믿기지 않는 생명의 기계 장치를 찾아낸 사람들입니다.

에너지를 만드는 효소가 회전한다는 파격적인 가설을 세운 미국의 폴 보이어(Paul D. Boyer). 그 효소의 3차원 구조를 밝혀내어 회전을 눈으로 확인시켜 준 영국의 존 워커(John E. Walker). 그리고 에너지를 사용해 세포 안팎의 이온 농도를 조절하는 펌프를 최초로 발견한 덴마크의 옌스 스코우(Jens C. Skou).

화학을 넘어 기계 공학에 가까운 생명의 경이로움, 그 미시 세계의 역동적인 드라마를 소개합니다.

 

📜 옌스 스코우 : 게 껍데기에서 찾은 펌프

 

이야기의 시작은 1957년 덴마크입니다. 오르후스 대학의 의사였던 옌스 스코우는 마취제가 신경에 미치는 영향을 연구하고 있었습니다.

그는 신경 세포막에 있는 어떤 효소가 ATP를 분해한다는 것을 알았습니다. 실험 재료로는 구하기 쉬운 '게(Crab)' 의 다리 신경을 썼습니다.

그런데 실험 결과가 너무 들쑥날쑥했습니다. 어떤 날은 효소가 잘 일하고, 어떤 날은 놀고 있었습니다. 스코우는 끈질기게 원인을 찾았습니다. 범인은 바로 '이온(Ion)' 이었습니다.

"이 효소는 나트륨(Na+)과 칼륨(K+)이 동시에 있을 때만 미친 듯이 작동한다!"

그는 이 효소가 단순한 분해 효소가 아니라, ATP를 연료로 써서 나트륨은 밖으로 퍼내고, 칼륨은 안으로 끌어들여 세포 안팎의 농도 차이를 만드는 '나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+-ATPase)' 라는 사실을 밝혀냈습니다.

이 펌프는 우리 뇌가 쓰는 에너지의 20~40%를 혼자 소비할 만큼 중요한 장치입니다. 이 펌프가 쉴 새 없이 돌아가야만 신경 신호가 전달되고 심장이 뛸 수 있기 때문입니다. 스코우의 발견은 생체막 수송 연구의 문을 연 기념비적인 사건이었습니다.

 

🧐 폴 보이어 : 상상력으로 모터를 그리다

 

스코우가 에너지를 쓰는 펌프를 찾았다면, 미국의 폴 보이어는 에너지를 만드는 기계에 주목했습니다. 바로 미토콘드리아 내막에 있는 'ATP 합성 효소(ATP Synthase)' 였습니다.

1970년대까지 과학자들은 1978년 수상자인 피터 미첼의 '화학삼투설'에 따라, 수소 이온이 막을 통과할 때 ATP가 생긴다는 건 알았습니다. 하지만 "도대체 어떻게?" 는 몰랐습니다.

보이어는 수많은 간접적인 증거들을 모아 머릿속으로 시뮬레이션을 돌렸습니다. 그리고 1982년, 생물학 역사상 가장 아름답고도 충격적인 가설인 '결합 변화 메커니즘(Binding Change Mechanism)' 을 발표합니다.

[ 보이어의 회전 모델 ]

1. 효소는 3개의 방(소단위체)을 가지고 있다.
2. 가운데에 있는 '축(Gamma subunit)' 이 회전한다.
3. 축이 돌면서 3개의 방을 차례대로 툭툭 건드린다.
4. 축에 맞은 방은 모양이 찌그러지면서, 가지고 있던 재료(ADP+P)를 꽉 눌러서 ATP로 찍어낸 뒤 뱉어낸다.

"이것은 실린더가 돌아가며 폭발하는 자동차 엔진과 똑같다. 생명은 회전 운동을 화학 에너지로 바꾸고 있다!"

하지만 당시에는 단백질이 모터처럼 돈다는 것을 믿는 사람이 거의 없었습니다. "보이어가 소설을 쓴다"는 비아냥도 들었습니다.

 

⚡️ 존 워커 : 엑스선으로 엔진을 찍다

 

보이어의 상상력이 옳았음을 증명하려면, 실제 기계의 설계도를 봐야 했습니다. 그 불가능한 임무를 맡은 사람이 영국의 존 워커였습니다.

ATP 합성 효소는 너무나 거대하고 복잡해서 결정으로 만들기가 극도로 어려웠습니다. 워커는 1980년대부터 10년 넘게 이 단백질의 결정을 만드는 데 매달렸습니다.

1994년, 마침내 그는 소의 심장 미토콘드리아에서 추출한 ATP 합성 효소의 3차원 입체 구조를 엑스선으로 촬영하는 데 성공합니다.

사진 속에 드러난 모습은 보이어의 예언 그대로였습니다. 가운데에 비대칭 모양의 '축(Camshaft)' 이 꽂혀 있고, 그 주변을 3개의 소단위체가 감싸고 있었습니다. 축이 회전하면 주변 소단위체의 모양이 강제로 비틀릴 수밖에 없는 구조였습니다.

"보이어가 맞았다. 이것은 완벽한 나노 모터다."

이후 일본의 과학자들은 이 효소에 형광 물질을 달아서, 실제로 현미경 아래에서 빙글빙글 돌아가는 모습을 동영상으로 촬영하는 데 성공하며 전 세계를 경악하게 만들었습니다. (이 효소는 초당 100회 이상 고속 회전합니다.)

 

🏆 노벨상 : 에너지를 지배하는 자들

 

1997년, 스웨덴 왕립과학원은 이 세 사람에게 노벨 화학상을 수여합니다.

• 폴 보이어 & 존 워커: ATP 합성 효소의 회전 촉매 기전을 규명. (1/2)
• 옌스 스코우: 나트륨-칼륨 펌프(이온 수송 효소)의 발견. (1/2)

이들의 수상은 생명이 에너지를 다루는 방식이 정적인 화학 결합이 아니라, 펌프질을 하고 모터를 돌리는 '역동적인 기계 공학' 임을 선포한 것이었습니다.

노벨 위원회는 "이들은 생명의 에너지 대사 과정인 ATP의 생성과 소비에 관한 효소학적 기초를 확립했다"고 평가했습니다.

 

📚 TMI : 기다림의 미학

 

1. 스코우의 40년 기다림

옌스 스코우는 1957년에 나트륨 펌프를 발견했지만, 노벨상을 받기까지 무려 40년을 기다려야 했습니다. 그는 수상 소식을 듣고 "너무 늦게 줘서 내가 누군지 잊어버린 줄 알았다"며 농담을 던졌습니다. 그는 덴마크 과학계의 대부로서 평생을 연구에 바쳤습니다.

2. 보이어의 직관

폴 보이어는 실험 데이터 하나 없이, 오직 논리와 직관만으로 회전 모델을 만들어냈습니다. 이는 아인슈타인의 사고실험에 비견될 만큼 위대한 통찰력으로 꼽힙니다. 그는 "자연은 아름답고 효율적이다. 회전보다 더 효율적인 방법은 없다"고 믿었습니다.

3. 가장 작은 모터

ATP 합성 효소는 지름이 10나노미터밖에 안 되지만, 에너지 효율은 거의 100%에 달합니다. 인간이 만든 어떤 엔진도 이 효율을 따라올 수 없습니다. 현재 나노 공학자들은 이 효소를 모방하여 인공 나노 모터를 만들려고 노력하고 있습니다.

 

🌏 맺음말 : 당신의 심장을 뛰게 하는 엔진

 

1997년 노벨상 수상자들의 이야기는 우리 몸에 대한 경이로움을 느끼게 합니다.

지금 당신의 심장이 뛰고, 근육이 움직이고, 뇌가 생각을 하는 매 순간마다, 몸속 세포 3,000조 개의 미토콘드리아 안에서는 수조 개의 ATP 모터들이 윙윙거리며 고속 회전하고 있습니다.

그 회전력이 만든 에너지(ATP)를 이용해 이온 펌프들이 쉴 새 없이 퍼 나르며 생명의 전기를 만들고 있습니다.

거대한 수력 발전소의 터빈부터 내 몸속의 작은 효소까지, 우주는 '회전' 이라는 하나의 원리로 에너지를 순환시키고 있습니다.