[2009 노벨화학상] 벤카트라만 라마크리슈난, 토머스 스타이츠, 아다 요나트 : 생명의 단백질 공장, '리보솜'의 지도를 그리다

 

🏭 DNA는 설계도일 뿐, 목수는 따로 있다

 

생물학의 중심 원리(Central Dogma)는 간단합니다. DNA(설계도) → RNA(작업지시서) → 단백질(제품).

1953년 왓슨과 크릭이 DNA 구조를 밝혔고, 2006년 콘버그가 RNA 전사 과정을 밝혔습니다. 하지만 마지막 단계, 즉 RNA의 정보를 읽어서 실제로 아미노산을 꿰어 단백질을 만드는 '최종 조립 공장' 의 정체는 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다.

이 공장의 이름은 '리보솜(Ribosome)' 입니다. 리보솜은 수십 개의 단백질과 RNA 덩어리가 엉겨 붙은 거대하고 복잡한 복합체입니다. 과학자들은 리보솜이 중요하다는 건 알았지만, 그 구조를 밝히는 것은 포기 상태였습니다.

"너무 크고, 너무 불안정하고, 모양이 제각각이다. 이걸 결정(Crystal)으로 만들어서 엑스선 사진을 찍는 건 불가능하다."

이것은 '구조생물학의 에베레스트' 라 불리는 난제였습니다. 하지만 모두가 "미친 짓"이라고 비웃을 때, 북극곰의 겨울잠에서 힌트를 얻어 이 에베레스트를 정복한 여성 과학자가 있었습니다. 그리고 그녀와 경쟁하며 완벽한 지도를 완성한 두 명의 거장이 있었습니다.

오늘 소개할 2009년 노벨 화학상 수상자들은 생명의 가장 복잡한 기계 장치인 리보솜의 원자 하나하나의 위치를 지도처럼 그려낸 영웅들입니다.

"불가능은 없다"며 20년을 버틴 이스라엘의 아다 요나트(Ada E. Yonath). 물리학자에서 생물학자로 변신하여 정밀함을 더한 인도 출신의 벤카트라만 라마크리슈난(Venkatraman Ramakrishnan). 그리고 완벽한 이미지를 구현해 낸 미국의 토머스 스타이츠(Thomas A. Steitz).

항생제가 왜 세균을 죽이는지, 생명은 어떻게 정보를 물질로 바꾸는지, 그 근본적인 해답을 찾아낸 치열한 경쟁과 승리의 기록을 소개합니다.

 

📜 아다 요나트 : 북극곰과 사해의 소금

 

이야기의 시작은 1970년대 말, 이스라엘의 바이츠만 연구소입니다. 아다 요나트는 리보솜을 결정으로 만들겠다는 무모한 도전을 시작했습니다. 당시 학계의 반응은 싸늘했습니다. "그건 시간 낭비야. 커리어 망치고 싶어?"

리보솜은 실험실 조건에서 금방 부서지거나 흐물거려서 딱딱한 결정을 만들 수 없었습니다. 요나트는 고민하다가 우연히 '겨울잠을 자는 북극곰' 에 대한 글을 읽습니다.

"북극곰은 겨울잠을 잘 때 신진대사가 멈춘다. 그렇다면 세포 속 리보솜도 활동을 멈추고 차곡차곡 포장되어(결정화) 있지 않을까?"

그녀는 여기서 힌트를 얻어, 극한 환경에서도 견디는 강한 세균을 찾았습니다.

1. 사해(Dead Sea)에 사는 호염성 세균: 소금기가 많은 곳에서도 버티는 튼튼한 리보솜.
2. 온천에 사는 호열성 세균: 뜨거운 열에도 녹지 않는 단단한 리보솜.

그녀는 이 튼튼한 리보솜들을 이용해 1980년, 마침내 세계 최초로 리보솜의 결정을 얻어내는 데 성공합니다. 비록 해상도가 낮아 흐릿했지만, "리보솜도 결정이 될 수 있다"는 것을 증명한 역사적인 사건이었습니다.

하지만 선명한 사진을 얻기까지는 그 후로도 20년의 세월이 더 필요했습니다. 사람들은 그녀를 "몽상가"라고 불렀지만, 그녀는 멈추지 않았습니다.

 

🧐 라마크리슈난 & 스타이츠 : 경쟁이 만든 완성

 

요나트가 가능성을 보여주자, 최고의 기술을 가진 경쟁자들이 뛰어들었습니다. 미국 예일대의 토머스 스타이츠와 영국 MRC 연구소의 벤카트라만 라마크리슈난(벤키) 이었습니다.

이때부터는 '속도전' 이었습니다. 누가 먼저, 더 선명한 고해상도(원자 수준)의 지도를 그리느냐가 관건이었습니다.

이들은 1990년대 후반부터 싱크로트론(방사광 가속기)과 최첨단 컴퓨터 기술을 총동원했습니다. 리보솜은 크게 '작은 소단위체(30S)' 와 '큰 소단위체(50S)' 로 나뉩니다.

• 30S (판독기): mRNA의 유전 암호를 읽어서 맞는 짝을 찾습니다. (라마크리슈난이 주로 규명)
• 50S (조립기): 아미노산들을 펩타이드 결합으로 연결해 단백질을 만듭니다. (스타이츠와 요나트가 주로 규명)

2000년, 세 그룹은 거의 동시에 리보솜의 완벽한 3차원 원자 구조를 발표했습니다. 수십만 개의 원자가 복잡하게 얽혀 있는 그 구조는, 마치 거대한 우주 정거장이나 정교한 시계 태엽을 보는 듯한 경이로움 그 자체였습니다.

 

⚡️ 항생제의 비밀 : 기계에 모래 뿌리기

 

이들의 지도가 밝혀낸 것은 단순한 '모양'이 아니었습니다. 바로 '항생제(Antibiotics)' 가 작동하는 원리였습니다.

인류는 오랫동안 항생제를 써왔지만, 약이 세균을 어떻게 죽이는지 정확히 몰랐습니다. 그런데 리보솜 지도를 보니 답이 나왔습니다.

• 스트렙토마이신: 세균 리보솜의 '30S(판독기)' 에 꽉 끼어서, 암호를 잘못 읽게 만든다. (불량 단백질 생산 유도)
• 에리스로마이신: 세균 리보솜의 '50S(조립기)' 터널을 틀어막아서, 만들어진 단백질이 밖으로 못 나오게 한다. (생산 라인 중단)

"항생제란, 세균의 단백질 공장(리보솜) 핵심 부품 사이에 끼어들어 기계를 망가뜨리는 모래알 같은 존재였다."

중요한 것은 이 약들이 '세균의 리보솜' 만 공격하고, '사람의 리보솜' 은 건드리지 않는다는 점입니다. 세 과학자가 밝힌 구조를 비교해 보니, 사람과 세균의 리보솜은 미묘하게 모양이 달랐고, 항생제는 그 차이를 기막히게 구별하고 있었습니다.

이 발견 덕분에 제약 회사들은 내성균(슈퍼 박테리아)을 잡을 수 있는, 구조에 딱 들어맞는 '새로운 항생제' 를 설계할 수 있게 되었습니다.

 

🏆 노벨상 : 여성 과학자의 귀환

 

2009년, 스웨덴 왕립과학원은 벤카트라만 라마크리슈난, 토머스 스타이츠, 아다 요나트에게 노벨 화학상을 수여합니다.

특히 아다 요나트의 수상은 큰 화제가 되었습니다. 1964년 도로시 호지킨 이후 무려 45년 만에 탄생한 여성 노벨 화학상 수상자였기 때문입니다.

가난한 가정 형편과 여성이라는 편견, 그리고 "불가능하다"는 학계의 조롱을 견뎌내고 이룬 그녀의 성취는 전 세계 여성 과학자들에게 큰 희망이 되었습니다.

그녀는 수상 소감에서 "나는 노벨상을 목표로 연구한 적이 없다. 그저 호기심을 풀고 싶었을 뿐이다. 그리고 그 과정은 정말 즐거웠다"라고 말했습니다.

 

📚 TMI : 물리학자와 북극곰

 

1. 물리학자에서 생물학자로

라마크리슈난은 원래 이론 물리학자였습니다. 하지만 "물리학은 이미 너무 많은 천재들이 다 해먹었다"고 생각하고 생물학으로 전향했습니다. 그는 생물학 지식이 부족해서 다시 학부 수업을 청강하며 공부했고, 결국 생물학의 최고봉인 노벨상을 받았습니다. 그의 자서전 제목은 《유전자 기계(Gene Machine)》 입니다.

2. 머리 땋은 할머니

아다 요나트는 항상 곱슬머리를 땋고 다니는 푸근한 할머니 같은 인상입니다. 그녀는 연구소의 젊은이들에게 직접 구운 쿠키를 나눠주는 것을 좋아한다고 합니다. 하지만 연구에 관해서는 누구보다 독종이었습니다.

3. 노벨상 레이스의 긴장감

이 세 명 외에도 리보솜 구조를 연구하던 팀이 더 있었습니다(해리 놀러 등). 노벨상은 최대 3명까지만 주어지기 때문에, 발표 직전까지 누가 포함되고 누가 탈락할지 과학계의 긴장감이 대단했습니다. 결국 가장 먼저 결정을 만든 요나트와, 가장 정밀한 지도를 완성한 두 사람이 영광을 안았습니다.

 

🌏 맺음말 : 태초의 기계

 

리보솜은 생명이 탄생한 직후부터 지금까지, 모든 생명체 안에서 단백질을 만들어온 '태초의 기계' 입니다.

2009년 노벨상 수상자들은 이 오래된 기계의 뚜껑을 열고 그 내부를 우리에게 보여주었습니다. 수만 개의 원자가 톱니바퀴처럼 맞물려 돌아가는 그 정교한 풍경 속에서, 우리는 생명이란 막연한 기적이 아니라 완벽하게 설계된 화학적 작용임을 다시 한번 깨닫게 됩니다.

지금 당신의 몸속에서도, 그리고 당신을 아프게 하는 세균 속에서도 치열하게 돌아가고 있는 리보솜. 그 작은 공장의 설계도를 인류는 이제 손안에 쥐고 있습니다.