1908년 12월, 스톡홀름.
이 해의 노벨 생리의학상은 면역학이라는 새로운 과학 분야를 탄생시킨 두 사람에게 공동으로 수여되었습니다.
일리야 메치니코프와 파울 에를리히 — 이들은 각자의 방식으로 인체가 어떻게 질병과 싸우는지를 밝혀냈습니다. 한 사람은 세포가 적을 삼켜버린다고 했고, 다른 한 사람은 혈액 속의 물질이 적을 무력화한다고 했습니다. 처음에는 대립하는 것처럼 보였던 두 이론은, 결국 인체 면역 시스템의 두 가지 핵심 축임이 밝혀졌습니다.
그리고 이 두 사람의 발견은 오늘날 코로나19 백신, 항암 면역 치료제, 각종 항체 의약품의 뿌리가 됩니다.
🕰️ 인체는 어떻게 스스로를 지키는가
19세기 말, 의학계는 세균이 질병을 일으킨다는 것을 받아들이기 시작했습니다. 그러나 새로운 질문이 생겼습니다. 같은 세균에 노출되어도 어떤 사람은 병에 걸리고 어떤 사람은 멀쩡합니다. 왜 그럴까요? 인체에는 어떤 방어 메커니즘이 있는 것일까요?
또 다른 현상도 당혹스러웠습니다. 한 번 어떤 감염병을 앓고 나면, 같은 병에는 다시 걸리지 않거나 훨씬 가볍게 지나가는 경우가 많았습니다. 천연두 환자를 돌봤던 사람들이 천연두에 덜 걸린다는 것, 제너가 우두를 접종하면 천연두를 예방할 수 있다는 것 — 이 현상들은 알려졌지만 왜 그런지는 미스터리였습니다.
면역(immunity)이라는 개념은 있었지만, 그 메커니즘은 알려지지 않았습니다. 인체 내에서 무슨 일이 일어나기에 감염병에 저항할 수 있는가?
이 질문에 서로 다른 방향에서 접근한 두 과학자가 메치니코프와 에를리히였습니다.
🖊️ 불가사리 유충과 장미 가시 — 메치니코프의 우연한 발견
일리야 일리치 메치니코프는 1845년 러시아 하리코프 인근에서 태어났습니다. 어릴 때부터 자연에 대한 넘치는 호기심으로 유명했습니다. 동물학을 공부한 그는 특히 무척추동물의 발생과 진화에 매료되어 있었습니다.
그의 인생은 순탄하지 않았습니다. 첫 번째 아내가 결핵으로 일찍 세상을 떠났고, 메치니코프 자신도 심각한 우울증에 빠져 자살 시도까지 했습니다. 그러나 그는 과학에서 삶의 의미를 찾아 다시 일어섰습니다.
1882년, 이탈리아 메시나. 그는 바닷가에서 채집한 불가사리 유충을 현미경으로 관찰하고 있었습니다. 투명한 유충의 몸속을 들여다보면서 그는 흥미로운 실험을 했습니다. 유충 안에 작은 장미 가시를 삽입한 것입니다.
며칠 후, 놀라운 일이 벌어졌습니다. 가시 주변에 작은 세포들이 모여들어 가시를 에워쌌습니다. 그 세포들은 단순히 가시를 둘러싸는 것이 아니라, 마치 먹어 치우려는 것처럼 가시를 향해 돌출부를 뻗었습니다.
메치니코프는 흥분했습니다. 이것은 소화 과정과 비슷해 보였습니다. "이 세포들이 침입자를 먹어치워 제거하는 것이 아닌가?" 그는 그리스어로 '먹다'를 의미하는 'phagein'과 '세포'를 의미하는 'kytos'를 합쳐 이 세포들을 식세포(phagocyte)라고 명명했고, 이 과정을 식세포 작용(phagocytosis)이라고 불렀습니다.
그는 이후 다양한 실험으로 이 현상을 확인했습니다. 물벼룩(다프니아)에 곰팡이 포자를 주입했을 때, 식세포가 포자를 삼켜 소화하는 과정을 생생하게 관찰했습니다. 식세포가 포자를 삼키지 못한 물벼룩은 죽었고, 성공적으로 삼킨 물벼룩은 살았습니다.
이것이 바로 세포성 면역(cellular immunity)의 발견이었습니다. 인체가 침입자를 방어하는 방식 중 하나는, 살아있는 세포들이 직접 침입자를 삼켜 제거한다는 것.
1888년, 파리의 파스퇴르 연구소로 이직한 메치니코프는 파스퇴르의 전폭적인 지지를 받으며 이 연구를 발전시켰습니다. 척추동물에서는 백혈구의 일종인 대식세포(macrophage)와 호중구(neutrophil)가 식세포 역할을 한다는 것, 염증 반응이 바로 이 식세포들이 감염 부위로 집결하는 과정이라는 것을 밝혀냈습니다.
🔬 혈액 속의 마법의 탄환 — 에를리히의 항체 이론
파울 에를리히는 1854년 독일 실레지아에서 태어났습니다. 어릴 때부터 화학과 색소에 특별한 관심을 보였고, 의학을 공부하면서 조직 염색 기법을 깊이 탐구했습니다.
그의 뛰어난 특기는 염색이었습니다. 어떤 염료가 어떤 세포를 선택적으로 염색하는지를 체계적으로 연구하면서, 그는 화학 물질과 세포 수용체 사이의 특이적 결합이라는 개념을 머릿속에 형성했습니다.
에를리히는 베링과 함께 항독소 연구에도 참여했습니다. 1890년대, 디프테리아 독소에 면역된 동물의 혈청이 독소를 중화하는 것을 직접 연구하면서, 그는 이 중화 물질의 본질을 이해하려 했습니다.
1897년, 에를리히는 측쇄 이론(side-chain theory)을 발표했습니다. 이것이 항체 이론의 출발점입니다.
그의 이론은 이렇습니다. 면역 세포의 표면에는 다양한 수용체들(측쇄들)이 있습니다. 외부에서 침입한 물질(항원)이 특정 수용체에 마치 열쇠가 자물쇠에 맞듯 결합합니다. 그러면 세포는 그 수용체를 대량으로 만들어냅니다. 과잉 생산된 수용체들이 세포에서 떨어져 나와 혈액 속으로 방출됩니다. 이 방출된 수용체가 바로 항체(antibody)입니다.
항체는 혈액을 타고 순환하며 같은 항원과 결합하여 무력화합니다. 이것이 체액성 면역(humoral immunity)입니다.
이 이론은 왜 한 번 감염 후 면역이 생기는지도 설명합니다. 첫 감염 때 항원을 경험한 면역 세포는 그 항원에 특이적인 수용체(항체)를 많이 가진 상태를 기억합니다. 두 번째 노출 때는 훨씬 빠르고 강력한 항체 반응이 일어납니다. 이것이 면역 기억입니다.
에를리히는 더 나아가 "마법의 탄환(magic bullet)"이라는 개념을 제시했습니다. 특정 세균이나 암세포에만 결합하는 화학 물질을 만들 수 있다면, 정상 세포는 해치지 않고 표적만 파괴하는 것이 가능하다는 발상이었습니다. 이것은 훗날 현대 표적 항암 치료제의 아이디어가 됩니다.
🎬 세포인가 혈액인가 — 두 이론의 충돌과 통합
메치니코프와 에를리히는 각각의 이론을 두고 오랫동안 대립했습니다.
메치니코프는 식세포가 면역의 모든 것이며, 항체는 그저 식세포가 병원균을 더 잘 인식하도록 돕는 보조적 역할에 불과하다고 주장했습니다.
에를리히는 항체가 직접 독소를 중화하고 병원균을 파괴하는 핵심이라고 반박했습니다.
학회에서는 두 진영의 지지자들이 치열한 토론을 벌였습니다. 한쪽은 세포성 면역이 주역이고, 다른 쪽은 체액성 면역이 주역이라며 서로 데이터를 들이밀었습니다.
지금 돌아보면 그 논쟁이 오히려 다행스럽게 보입니다. 왜냐하면 두 이론 모두 옳았기 때문입니다. 인체의 면역 시스템은 세포성 면역과 체액성 면역이 함께 작동하는 복합적인 시스템입니다. 식세포가 병원균을 직접 잡아먹기도 하고, 항체가 병원균을 표시하여 면역 세포가 더 잘 찾아내게 하기도 합니다. 두 가지 메커니즘은 상호 보완적입니다.
노벨 위원회가 두 사람에게 공동으로 상을 준 것은, 이 두 관점이 모두 면역학을 이해하는 데 필수적이라는 것을 인정한 셈이었습니다. 경쟁하던 두 과학자가 결국 같은 진실의 두 면을 보고 있었다는 것이 밝혀진 것입니다.
📱 코로나19 백신에서 암 치료까지 — 면역학의 현재
메치니코프와 에를리히가 밝혀낸 면역 원리는 21세기 의학의 중심에 있습니다.
mRNA 백신 기술. 코로나19 팬데믹에서 전례 없는 속도로 개발된 mRNA 백신은 에를리히의 항체 이론이 없었다면 불가능했습니다. 바이러스의 스파이크 단백질(항원) 정보를 담은 mRNA를 주입하면, 면역 세포가 이를 인식하고 스파이크 단백질에 대한 항체를 생산합니다. 이 원리는 정확히 에를리히의 항체-항원 이론에 기반합니다.
면역 항암 치료제. 오늘날 암 치료의 혁명이라 불리는 면역 관문 억제제(checkpoint inhibitor) — 키트루다(pembrolizumab), 옵디보(nivolumab) 같은 약들 — 는 암세포가 면역 시스템을 속여 공격받지 않도록 만드는 메커니즘을 차단합니다. 이것은 메치니코프의 식세포와 에를리히의 항체 모두가 암세포를 공격하는 과정을 이해한 덕분에 가능합니다.
단일클론 항체 치료제. 에를리히의 "마법의 탄환" 아이디어는 1970년대에 단일클론 항체 기술로 현실화되었습니다. 특정 암세포 표면 단백질에만 결합하는 항체를 대량 생산하는 기술입니다. 허셉틴, 아바스틴, 리툭산 — 오늘날 암 치료에서 가장 중요한 약물들 중 상당수가 단일클론 항체입니다.
진단 기술. 임신 테스트기, HIV 진단 키트, 코로나19 신속 항원 검사 — 이것들은 모두 항체와 항원의 특이적 결합을 활용한 진단 기술입니다. 에를리히가 연구하던 항체의 특이성이 진단의 핵심 원리가 된 것입니다.
장기 이식. 이식된 장기를 면역 시스템이 공격하는 거부 반응은 메치니코프와 에를리히가 밝힌 면역 원리를 역으로 억제해야 하는 문제입니다. 면역 억제제 개발과 조직 적합성 검사는 이 원리에 기반합니다.
📝 두 가지 진실이 하나의 세계를 이루듯
메치니코프와 에를리히의 이야기는 과학적 진실에 대해 깊이 생각하게 만듭니다.
서로 상반된 것처럼 보이는 두 이론이 실은 같은 현상의 두 가지 측면이었습니다. 어느 한쪽만 보면 불완전한 그림이었고, 두 가지를 합쳐야 비로소 완전한 그림이 되었습니다. 이것은 과학적 탐구에서 한 가지 설명만이 옳을 것이라는 단순한 가정이 얼마나 위험한지를 보여줍니다.
메치니코프의 불가사리 유충 실험은 생물학적 발견이 얼마나 예기치 못한 곳에서 시작될 수 있는지를 보여줍니다. 원래 목적이 아닌 관찰에서, 장미 가시 하나에서 면역학의 새로운 장이 열렸습니다.
에를리히의 마법의 탄환 개념은 100년 후에야 완전히 현실화되었지만, 그 아이디어 자체는 현대 표적 치료의 모든 가능성을 예고하고 있었습니다. 발견의 씨앗이 꽃을 피우는 데 때로는 100년이 걸릴 수도 있습니다.
인체가 스스로를 방어하는 방식을 이해하는 것 — 그것이 결국 질병을 치료하는 가장 효과적인 출발점이라는 것을 두 사람은 함께 보여주었습니다.
