📡 "세포는 어떻게 바깥세상을 느낄까?"
우리가 공포 영화를 보면 심장이 쿵쿵 뜁니다(아드레날린). 맛있는 커피 냄새를 맡으면 기분이 좋아집니다(후각). 밝은 빛을 보면 눈이 부십니다(시각).
이 모든 것은 우리 몸의 세포가 외부의 신호를 감지했기 때문에 일어나는 일입니다. 그런데 세포는 두꺼운 세포막이라는 벽에 둘러싸여 있습니다. 호르몬이나 냄새 분자는 이 벽을 뚫고 들어가지 못합니다.
그렇다면 세포는 도대체 어떻게 벽 밖에서 무슨 일이 일어나는지 알고 반응하는 걸까요?
과학자들은 세포막에 '수용체(Receptor)' 라는 센서가 있을 것이라고 추측했습니다. 하지만 20세기 후반까지도 그것은 가상의 개념일 뿐, 실제로 본 사람은 아무도 없었습니다.
"너무 작고, 세포막 속에 깊이 박혀 있어서 꺼낼 수가 없다. 찾을 수 없는 유령 같은 존재다."
오늘 소개할 2012년 노벨 화학상 수상자들은 이 유령을 실체로 만들어낸 두 명의 미국 과학자입니다.
방사성 추적자를 이용해 수용체의 존재를 처음으로 증명한 멘토 로버트 레프코위츠(Robert J. Lefkowitz). 그리고 20년의 사투 끝에 그 수용체의 3차원 구조를 사진 찍듯 포착해 낸 제자 브라이언 코빌카(Brian K. Kobilka).
오늘날 우리가 먹는 약의 절반이 바로 이들이 발견한 'G단백질 연결 수용체(GPCR)' 를 타깃으로 한다는 사실, 알고 계셨나요? 현대 의학의 가장 거대한 보물지도를 그려낸 그들의 이야기를 시작합니다.
📜 로버트 레프코위츠 : 보이지 않는 '센서'를 낚아 올리다
1968년, 베트남 전쟁 당시 의사 징집을 피해 미국 국립보건원(NIH)에 들어간 젊은 의사 로버트 레프코위츠는 불만 투성이였습니다. 그는 환자를 보는 임상 의사가 되고 싶었지, 실험실에 처박혀 있고 싶지 않았거든요.
그에게 떨어진 미션은 "아드레날린이 결합하는 수용체를 찾아라"였습니다. 그는 꾀를 냈습니다. "아드레날린에 방사성 표지(요오드)를 달아서 세포에 뿌려보자. 그러면 아드레날린이 딱 달라붙는 곳에서 방사선이 나오겠지? 거기가 바로 수용체다!"
수많은 실패 끝에 그는 세포막 조각에서 아드레날린이 결합한 단백질 덩어리를 낚아 올리는 데 성공합니다. 이것은 '베타-아드레날린 수용체' 였습니다.
"수용체는 상상이 아니었다. 세포막에 박혀서 외부 신호를 기다리는 실체였다."
이 발견으로 그는 연구의 매력에 푹 빠졌고, 의사의 길을 포기하고 듀크 대학의 교수가 되어 평생을 수용체 연구에 바치게 됩니다.
🧐 브라이언 코빌카 : 충격적인 반전, "너희 다 가족이었어?"
1980년대, 레프코위츠의 연구실에 내과 의사 출신의 박사후 연구원 브라이언 코빌카가 합류합니다. 그의 임무는 그 수용체를 만드는 '유전자(DNA)' 를 찾는 것이었습니다.
당시 유전자 분석 기술로는 불가능에 가까운 일이었지만, 코빌카는 타고난 끈기로 '베타-아드레날린 수용체'의 유전자를 찾아내고 그 서열을 분석했습니다.
그런데 분석 결과를 모니터로 보던 코빌카는 소스라치게 놀랐습니다. 그 유전자 서열이, 우리 눈 망막에 있는 빛 감지 단백질인 '로돕신(Rhodopsin)' 과 소름 끼치도록 똑같이 생겼기 때문입니다.
- 아드레날린 수용체 : 호르몬을 감지함.
- 로돕신 : 빛을 감지함.
하는 일은 완전히 다른데, 구조는 '세포막을 7번 관통하는 꼬불꼬불한 뱀 모양' 으로 똑같았습니다.
"유레카! 아드레날린, 빛, 냄새, 맛, 신경전달물질... 이 모든 것을 감지하는 센서들이 사실은 하나의 거대한 '패밀리(Family)'였다!"
이들은 이 거대한 가족을 'G단백질 연결 수용체(G-Protein Coupled Receptors)', 줄여서 'GPCR' 이라고 명명했습니다. 우리 몸에는 무려 800종류가 넘는 GPCR이 존재하며, 이들이 시각, 후각, 미각, 심장 박동, 뇌 활동 등 거의 모든 생리 작용을 조절한다는 사실이 밝혀졌습니다.
⚡️ 불가능에 도전하다 : 움직이는 수용체를 찍어라
유전자는 찾았지만, 마지막 관문이 남았습니다. 바로 '3차원 입체 구조' 를 보는 것입니다. 어떻게 생겼는지 알아야 딱 맞는 약을 개발할 텐데, GPCR은 기름 막 속에 박혀 있는 데다 흐물거리고 불안정해서 결정(Crystal)으로 만들 수가 없었습니다. (엑스선 촬영 불가)
많은 과학자가 도전했다가 포기했습니다. 하지만 독립해서 스탠퍼드 대학 교수가 된 코빌카는 이 문제에 인생을 걸었습니다.
그는 무려 20년 동안이나 실패를 거듭했습니다. 연구비가 끊길 위기에도 처했습니다. 하지만 그는 포기하지 않고, 항체를 이용해 수용체가 움직이지 못하게 '수갑'을 채우는 기발한 방법을 고안해 냈습니다.
2011년, 그는 마침내 역사적인 사진 한 장을 세상에 공개합니다. 그것은 수용체가 호르몬을 물고 있고, 동시에 세포 안쪽에서는 G단백질과 결합하여 신호를 전달하고 있는 '작동 중인 순간' 을 그대로 얼려서 찍은 결정 구조였습니다.
"마치 누군가가 문을 열고 안쪽 사람에게 편지를 건네는 찰나의 순간을 동상으로 만든 것과 같았다."
이 사진 한 장은 구조생물학의 성배(Holy Grail)를 찾은 것과 다름없었습니다.
🏆 노벨상 : 현대 의학의 나침반
2012년, 스웨덴 왕립과학원은 로버트 레프코위츠와 브라이언 코빌카에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "G단백질 연결 수용체(GPCR)에 대한 연구 공로" 였습니다.
이들의 연구가 왜 중요할까요? 오늘날 우리가 병원에서 처방받는 약의 약 40~50% 가 바로 이 GPCR을 조절하는 약이기 때문입니다.
- 베타 차단제 (심장약): 아드레날린이 GPCR에 붙지 못하게 막아서 심장을 쉬게 함.
- 항히스타민제 (알레르기약): 히스타민 수용체(GPCR)를 막음.
- 잔탁 (위장약): 위산 분비 수용체(GPCR)를 조절함.
- 정신과 약물: 도파민, 세로토닌 수용체(GPCR)를 조절함.
과거에는 수만 가지 물질을 무작위로 던져보고 우연히 맞는 약을 찾았다면, 코빌카가 밝혀낸 구조 덕분에 이제는 열쇠 구멍(수용체 구조)에 딱 맞는 열쇠(신약)를 컴퓨터로 설계해서 만들 수 있게 되었습니다.
📚 TMI : 스승과 제자의 운명
1. 1994년 노벨상과의 관계
사실 GPCR과 짝을 이루는 'G단백질' 을 발견한 길먼과 로드벨은 1994년에 이미 노벨상을 받았습니다. (당시 레프코위츠가 못 받은 게 아쉽다는 말이 많았습니다.) 18년 뒤에야 그 짝꿍인 '수용체'를 밝힌 두 사람이 상을 받으면서, 세포 신호 전달의 퍼즐이 완벽하게 완성되었습니다.
2. 코빌카의 인내심
브라이언 코빌카는 지독한 내향형에 완벽주의자입니다. 그는 20년 동안 성과가 없어서 연구비가 끊겨 실험실 문을 닫을 뻔했습니다. 하지만 그는 직접 실험 벤치에 앉아 피펫을 잡았고, 결국 성공했습니다. 그는 "나는 낚시를 좋아하지 않는다. 낚시는 기다려야 하지만, 과학은 내가 무언가 시도해 볼 수 있기 때문이다"라고 말했습니다.
3. 레프코위츠의 제자 사랑
레프코위츠는 200명이 넘는 제자를 길러낸 '멘토의 제왕'입니다. 그는 노벨상 수상 소식을 듣고 "내 연구가 인정받은 것보다, 제자인 코빌카와 함께 받게 된 것이 더 기쁘다"고 말했습니다.
🌏 맺음말 : 소통의 문
로버트 레프코위츠와 브라이언 코빌카가 발견한 GPCR은 우리 몸속의 '스마트폰' 과 같습니다.
외부의 빛, 소리, 냄새, 위험 신호를 받아서, 세포 내부의 앱(App)들을 실행시키는 정교한 통신 기기. 이 작은 단백질들이 세포막 위에서 쉴 새 없이 구조를 바꾸며 신호를 전달하기에, 우리는 세상을 느끼고 살아갈 수 있습니다.
오늘 약을 한 알 드셨나요? 그렇다면 당신은 두 과학자가 밝혀낸 그 정교한 자물쇠에 딱 맞는 열쇠를 삼키신 겁니다.
