[1907 노벨화학상] 에두아르트 부흐너 : 효모 없이도 발효가 된다 — 생화학의 탄생을 알린 실험

1907년 스톡홀름.

이날 노벨화학상의 주인공은 독일의 화학자 에두아르트 부흐너였습니다. 그의 수상은 당시 생물학계와 화학계 모두에 작은 충격을 주었습니다. 왜냐하면 그가 이룬 발견은 100년 가까이 지속된 논쟁에 쐐기를 박는 것이었기 때문입니다.

논쟁의 핵심은 이것이었습니다 — 발효는 생명의 힘으로만 가능한가?

19세기 내내 발효는 살아있는 효모의 생명 활동으로만 가능하다는 것이 지배적인 견해였습니다. 파스퇴르가 발효는 살아있는 세포의 작용이라고 증명한 것처럼 보였고, 화학자들은 이 결론에 도전하기 어려웠습니다.

에두아르트 부흐너는 우연한 실험에서, 효모 세포를 완전히 파괴하고 남은 추출물이 여전히 발효를 일으킨다는 것을 발견했습니다. 생명이 없어도 발효는 일어났습니다.

이것이 무세포 발효 의 발견이었고, 이것은 현대 생화학의 탄생 순간이었습니다.

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🏆 수상 이유 — 무세포 발효의 발견

 

 

 

"for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation"
(생화학 연구 및 무세포 발효 발견에 대한 공로)

 

 

노벨위원회는 "무세포 발효"라는 짧은 단어에 거대한 의미를 담았습니다.

무세포 발효란 살아있는 세포 없이도 발효가 일어난다는 것입니다. 효모를 짓눌러서 세포막을 파괴하고, 그 내용물을 짜낸 즙 — 즉 세포가 없는 추출물 — 에 당을 넣어도 알코올 발효가 일어난다는 것이었습니다.

이것은 발효가 "살아있는 힘"이 아니라 화학 물질 에 의해 일어난다는 것을 의미했습니다. 그 화학 물질을 우리는 오늘날 효소 라고 부릅니다.

부흐너의 발견은 생명 현상이 화학 법칙으로 설명될 수 있다는 것을 보여준 결정적인 증거였습니다. 생화학이라는 학문 분야의 진정한 출발점이었습니다.

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📜 발효 논쟁 — 파스퇴르 대 리비히

 

부흐너의 발견을 이해하기 위해서는, 그보다 수십 년 전부터 이어져 온 과학적 논쟁을 알아야 합니다.

19세기 화학자들이 발효에 대해 두 가지 경쟁하는 이론을 가지고 있었습니다.

파스퇴르의 관점 : 발효는 살아있는 효모의 생명 활동입니다. 효모가 당을 먹고 살아가는 과정에서 알코올이 만들어집니다. 세포가 없으면 발효도 없습니다. 그는 이것을 실험으로 증명했고, 자연 발생설을 반박하는 것과 같은 맥락에서 발효를 이해했습니다.

리비히의 관점 : 발효는 화학 반응입니다. 효모가 분해될 때 나오는 어떤 불안정한 물질이 당을 알코올로 변환시키는 것입니다. 생명의 힘이 아니라 화학적 촉매가 발효를 일으킵니다.

19세기 내내 파스퇴르의 관점이 더 설득력 있게 받아들여졌습니다. 그의 실험들이 더 정교했고, 생명 현상을 생명체와 연결 짓는 것이 당시 과학 사상에 더 부합했습니다.

그러나 리비히의 생각이 완전히 틀린 것은 아니었습니다. 부흐너는 이 논쟁을 실험으로 해결하는 역할을 하게 됩니다. 그리고 그 해결은 완전히 우연한 방식으로 찾아왔습니다.

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🌱 뮌헨에서 태어난 과학자 — 에두아르트 부흐너의 성장

 

에두아르트 부흐너는 1860년 5월 20일, 독일 뮌헨에서 태어났습니다. 아버지 에른스트 부흐너는 의사이자 법의학 교수였고, 부흐너 형제들은 학문적 분위기 속에서 자랐습니다. 형 한스 부흐너는 나중에 저명한 세균학자가 됩니다.

아버지가 일찍 세상을 떠나면서 에두아르트의 학업은 중단될 위기에 처했습니다. 가정 형편이 어려워진 그는 한동안 식품 통조림 공장에서 일하며 돈을 벌어야 했습니다. 이 경험이 나중에 그의 연구 방향에 영향을 주었다는 말도 있습니다 — 식품 보존과 발효는 실용적으로 매우 중요한 문제였으니까요.

 

화학의 길로

 

경제적 어려움을 극복하고 1884년 뮌헨 대학교에 입학한 부흐너는 화학을 공부했습니다. 아돌프 폰 바이어 아래에서 유기화학을 배웠고, 나겔리의 지도로 식물생리학을 연구하기도 했습니다.

1888년 박사 학위를 취득한 후, 그는 형 한스의 연구실에서 잠시 위생화학을 연구했습니다. 세균학과 발효의 세계에 처음으로 발을 들여놓은 것입니다.

이후 뮌헨 대학교, 킬 대학교, 튀빙겐 대학교를 거쳐 1898년 베를린 농업대학 교수로 임용되었습니다. 그리고 바로 이 시기에, 그의 가장 유명한 발견이 이루어집니다.

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⚗️ 운명적인 실험 — 효모 즙과 설탕

 

1896년, 부흐너는 형 한스와 함께 효모 세포로부터 단백질을 추출하는 방법을 연구하고 있었습니다. 목적은 세균을 죽이는 물질 — 즉 항균 물질 — 을 효모에서 얻을 수 있는지를 확인하는 것이었습니다.

 

모래로 효모 세포를 부수다

 

부흐너의 방법은 단순하지만 효과적이었습니다. 효모에 규사(모래) 또는 규조토를 섞고 강하게 갈아서 세포막을 물리적으로 파괴했습니다. 그런 다음 이 혼합물을 높은 압력으로 압착하여 세포 내용물을 포함한 즙을 짜냈습니다.

이렇게 얻은 즙에는 세포 잔해도, 살아있는 효모도 없었습니다. 순수한 세포 내용물 — 오늘날의 표현으로는 세포질 추출물 — 이었습니다.

 

보존을 위한 설탕

 

이제 이 귀중한 추출물을 보존해야 했습니다. 세균의 오염 없이 보관하려면 어떻게 해야 할까요? 당시 방부제로 흔히 사용하던 것 중 하나가 바로 설탕 이었습니다. 잼을 만들 때 설탕을 많이 넣으면 오래 보관할 수 있는 것처럼, 설탕이 세균의 성장을 억제한다는 것은 경험적으로 알려져 있었습니다.

부흐너는 추출물에 설탕을 대량으로 첨가했습니다.

그러자 놀라운 일이 일어났습니다. 추출물에서 거품이 올라오기 시작했습니다. 이산화탄소 기체 — 알코올 발효가 일어나고 있다는 신호였습니다.

살아있는 효모 세포가 하나도 없는 추출물에서 발효가 일어나고 있었습니다.

 

결과를 믿지 못한 부흐너

 

처음에 부흐너 자신도 이 결과를 믿지 못했습니다. 실험 오류일 것이라고 생각했습니다. 혹시 추출물에 살아있는 효모 세포가 남아있는 것은 아닐까? 그는 포름알데히드로 처리하여 모든 살아있는 세포를 확실히 죽인 후에도 같은 실험을 반복했습니다. 결과는 똑같았습니다.

열을 가해 단백질을 변성시키면 발효가 멈추었습니다. 이것은 추출물 속의 단백질이 발효를 일으킨다는 것을 의미했습니다. 그 단백질이 바로 효소였습니다.

부흐너는 이 발효를 일으키는 물질을 치마제 (Zymase, 그리스어로 효모를 뜻하는 Zyme에서) 라고 명명했습니다.

1897년, 부흐너는 이 결과를 논문으로 발표했습니다. 제목은 "알코올 발효 없이 효모 없이도" — 화학계와 생물학계 모두에 큰 파문을 일으켰습니다.

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🔬 생기론의 종언 — 생화학의 탄생

 

부흐너의 발견이 가져온 가장 큰 의미는 철학적인 것이었습니다.

 

생기론의 마지막 보루

 

생기론 은 생명 현상이 순수한 화학·물리 법칙으로는 설명할 수 없으며, 생명체에는 비물질적인 "생명의 힘"이 있다는 사상입니다. 19세기 초까지 이 생각은 매우 강했습니다.

1828년, 뵐러가 시안산 암모늄에서 요소를 합성하면서 처음으로 무기물에서 유기물을 만들어냈습니다. 이것이 생기론에 첫 번째 타격이었습니다.

에밀 피셔가 당류와 아미노산을 합성한 것도 생기론을 약화시켰습니다.

그러나 발효만은 달랐습니다. 발효는 살아있는 세포 없이는 일어날 수 없다는 파스퇴르의 결론이 너무나 강력한 실험적 증거로 뒷받침되는 것처럼 보였습니다. 발효는 생기론의 마지막 보루였습니다.

부흐너는 그 보루를 허물었습니다.

 

효소 — 생명의 화학 촉매

 

무세포 발효의 발견은 생명 현상이 화학 물질 — 효소 — 에 의해 매개된다는 것을 명확히 보여주었습니다. 살아있는 세포는 효소를 만들고, 그 효소가 생화학 반응을 촉진합니다. 효소는 세포 밖에서도 작동할 수 있습니다.

이 통찰은 현대 생화학의 기본 패러다임을 확립했습니다.

생화학은 생명 현상을 화학 반응으로 이해하는 학문입니다. 포도당이 어떻게 에너지로 변환되는지, 단백질이 어떻게 만들어지는지, DNA가 어떻게 복제되는지 — 이 모든 것이 효소에 의해 촉매되는 화학 반응들입니다.

부흐너의 발견 이후, 생화학자들은 효소를 분리하고 정제하고 연구하는 방향으로 나아갔습니다. 1926년에는 제임스 서머가 효소 우레아제를 순수하게 결정으로 분리하여 그것이 단백질임을 증명했고, 1946년 노벨화학상을 받았습니다. 이 모든 것의 기반이 부흐너의 치마제 연구에서 시작됩니다.

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💡 발효의 화학적 경로를 향하여

 

부흐너의 발견 이후 생화학자들의 가장 중요한 과제 중 하나는, 발효가 어떤 화학 반응들을 통해 이루어지는지를 밝히는 것이었습니다.

포도당이 알코올과 이산화탄소로 변환되는 과정은 단 하나의 반응이 아닙니다. 여러 단계의 연속된 효소 반응들이 이루어집니다. 이 경로를 오늘날 해당 과정 (Glycolysis, EMP 경로)이라고 부릅니다.

1930~1940년대에 구스타프 엠덴, 오토 마이어호프, 야코프 파르나스가 이 경로를 완전히 해명했고, 마이어호프는 1922년 노벨 생리의학상을 받았습니다.

해당 과정은 세포가 포도당에서 에너지를 얻는 가장 기본적인 경로입니다. 발효는 이 경로가 산소 없이 완성되는 형태이고, 호흡은 이 경로가 미토콘드리아의 산소 의존적 과정으로 이어지는 형태입니다.

부흐너가 처음 발견한 치마제는 사실 해당 과정에 관여하는 여러 효소들의 혼합물이었습니다. 그 개별 효소들을 분리하고 반응 경로를 밝히는 것은 이후 수십 년의 연구 과제가 되었습니다.

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✍️ 전쟁 속에서 — 부흐너의 말년

 

에두아르트 부흐너의 삶은 노벨상 수상 이후에도 계속되었지만, 그 끝은 비극적이었습니다.

노벨상 수상 후 부흐너는 브레슬라우 대학교를 거쳐 1911년 뷔르츠부르크 대학교 교수로 임용되었습니다. 연구와 강의를 계속하면서, 효소 화학의 세부 메커니즘을 이해하는 작업을 이어갔습니다.

그러나 1914년 제1차 세계대전이 발발했습니다. 53세의 나이에도 불구하고, 부흐너는 자원하여 군에 입대했습니다.

1917년 8월 13일, 루마니아 전선에서 부흐너는 포격으로 입은 부상으로 사망했습니다. 57세였습니다.

노벨상을 받은 과학자가 전쟁터에서 목숨을 잃는 것은 화학사에서 매우 드문 비극입니다. 세계 과학계는 그의 죽음을 크게 애도했습니다.

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🌍 부흐너가 열어준 세계 — 현대 생화학의 출발점

 

에두아르트 부흐너의 발견이 생화학의 출발점이 되었다는 것은 과학사가들의 공통된 평가입니다.

무세포 발효의 발견은 생명 현상을 실험실에서 재현하고 연구할 수 있게 해주었습니다. 살아있는 생물 전체를 연구 대상으로 삼을 필요 없이, 세포 추출물, 나아가 정제된 효소를 이용해 생명 과정의 단위 반응들을 연구할 수 있게 된 것입니다.

이 방법론적 혁신이 없었다면 해당 과정의 발견도, 크렙스 회로의 발견도, DNA 복제 메커니즘의 이해도 훨씬 더 늦어졌을 것입니다.

현대 생명공학은 효소를 도구로 사용합니다. DNA를 특정 위치에서 잘라내는 제한 효소, 유전자를 복제하는 DNA 중합효소, 과학수사와 의학 진단에 사용되는 PCR 기술 — 이 모든 것의 개념적 기반이 "효소는 세포 밖에서도 작동할 수 있다"는 부흐너의 발견에서 시작합니다.

1907년 노벨상은 단지 한 화학자의 우연한 실험에 대한 상이 아니었습니다. 그것은 생명 현상이 화학으로 이해될 수 있다는 패러다임 전환에 대한 인정이었습니다.

에두아르트 부흐너 — 효모 즙에 설탕을 넣던 그 순간, 그는 생기론의 마지막 보루를 무너뜨리고 현대 생화학의 문을 열었습니다. 비록 전쟁터에서 안타깝게 삶을 마쳤지만, 그의 이름은 생화학의 역사 첫 장에 영원히 새겨져 있습니다.