2013 노벨 화학상, 컴퓨터 프로그램이 주역?

2013년 노벨 화학상은 복잡하고 큰 분자의 화학반응을 컴퓨터에서 계산하고 연구할 수 있도록 시뮬레이션 프로그램을 개발한 과학자들에게 돌아갔다. 미국 남캘리포니아대(USC) 생화학 및 화학과의 아리에 워셜 교수를 비롯해 하버드대 화학과의 마틴 카플러스 교수, 스탠퍼드대 구조생물학과의 마이클 레비트 교수가 그 주인공이다. 특별히도 이번 수상자 중 아리에 워셜 교수는 지난 10월 28~29일 고려대에서 진행한 미래과학콘서트에 초청돼 국내 예비 과학도들과 뜻깊은 만남을 갖기도 했다.

세 과학자는 직접 실험을 하지 않고도 고분자의 움직임과 화학반응을 예측할 수 있는 컴퓨터 프로그램인 ‘참(CHARMM)’을 개발했다. 참은 화학은 물론 생명과학과 소재공학 분야에 실로 큰 영향을 미친 프로그램이다. 과연 어떤 프로그램이기에 노벨 화학상의 영광을 안겼을까.

포켓볼 열다섯 개가 당구대 위에 놓여 있다. 큐대를 들어 흰 공을 치면 열다섯 개 공이 어떻게 움직일까. 분자 사이에 화학반응이 일어날 때 원자들은 당구대 위의 포켓볼처럼 복잡하고 어지럽게 움직인다. 수천, 수만, 때로는 수백만 개의 공이 3차원 공간에 놓여있다는 차이만 있을 뿐이다.

X-선 회절기, 핵자기 공명 분광기, 극저온 고성능 전자현미경 등 실험기기가 개발되면서 간단한 결정과 나노 구조체는 물론 단백질이나 핵산 같은 복잡한 생체 분자의 구조까지 정확히 파악할 수 있게 됐다. 포켓볼로 치면 처음에 공이 놓인 위치를 밝힌 것이다. 하지만 중요한 것은 공을 쳤을 때 전체 공이 어떻게 움직이느냐 하는 문제다. 분자의 구체적인 기능을 알기 위해서는 전체 원자들의 움직임을 파악해야 한다.

과학자들은 이 지극히 복잡한 과정을 예측하는데 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램이 효과적이라는 사실을 알게 됐다. 이 분야에서 첫 번째 큰 업적이 미국 노스웨스턴대 화학과의 존 포플 교수와 산타바바라 캘리포니아대 물리학과의 월터 콘 교수가 만든 ‘가우시안’이다. 이 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램은 양자화학 수준에서 화학반응을 예측할 수 있다. 분자구조만 알면 가우시안으로 슈뢰딩거 방정식을 풀어서 전자들의 상태와 에너지를 쉽게 계산할 수 있어 지금도 쓰고 있는 프로그램이다. 개발자들은 1998년 노벨 화학상을 받았다.

하지만 가우시안에는 치명적인 단점이 있다. 양자역학으로 식을 계산하기 때문에 원자가 100개 이하인 경우에만 문제를 풀 수 있다. 생체 분자 중에는 원자가 수만 개 이상인 고분자가 수없이 많다. 이런 고분자가 어떻게 움직이는지 연구하기 위해서는 새로운 프로그램이 필요했다.

1970년 하버드대 카플러스 교수 역시 이런 새로운 프로그램의 필요성을 절실히 느꼈다. 당시 카플러스 교수는 산소 분자와 헤모글로빈의 결합을 연구하고 있었다. 헤모글로빈은 9,500여 개의 원자를 가진 고분자다. 헤모글로빈과 산소가 결합할 때 구조가 어떻게 변하는지 알기 위해서는 시뮬레이션을 해야 했지만, 기존 가우시안으로는 불가능했다.

카플러스 교수는 고분자 계산에 필요한 자료를 찾아서 이스라엘의 와이즈만 연구소를 방문했다. 당시 와이즈만 연구소에서 분자가 상호작용할 때 생기는 포텐셜 에너지 변화를 연구하고 있던 워셜 교수는 양자역학과 뉴턴역학을 프로그램에 나눠 적용할 것을 제안했다. 자유전자인 파이(π) 전자에는 양자역학을 적용해 분석하고, 원자 간 결합에 이용되는 시그마(σ) 전자와 원자핵에는 고전물리학의 뉴턴역학을 적용해 분석하는 방법이다. 1972년 카플러스 교수와 워셜 교수는 두 가지 방식을 결합한 분석방식을 발표했다. 이번 화학상의 업적인 참에 대한 본격적인 연구가 시작되는 순간이었다.

이후 라이소자임 반응을 연구한 레비트 교수와 워셜 교수는 한 발 더 나아가 1976년 크기와 상관없이 모든 분자반응을 시뮬레이션할 수 있는 모델을 발표했다. 이로써 닫혀있던 새장을 활짝 열어준 것처럼 참은 훨씬 광범위한 연구분야에 사용할 수 있게 됐다. 이즈음이면 참이 거의 완성단계에 이르렀지만 아직 이름이 없어 시뮬레이션 프로그램이라고만 불렸다. 참이라는 이름이 정식으로 붙은 건 1983년 카플러스 교수가 논문을 발표하면서부터다.

현재 분자구조를 연구하는 거의 모든 연구실에서 참을 사용하고 있다. 신약 개발에서부터 단백질이나 핵산, 생체막과 같은 생체 분자 연구까지 쓰이지 않는 곳이 없다. 탄소나노튜브와 같은 나노 구조체의 분자 모델을 만들거나 실리콘 웨이퍼의 증착 반응을 연구하는 데도 참은 꼭 필요하다. 눈에 보이지 않는 원자들의 움직임을 컴퓨터 안에서 훤히 들여다 볼 수 있다.

필자를 비롯해 하버드대 카플러스 교수 연구실을 거쳐 간 학생과 연구원 대부분이 참 연구를 계속 하고 있다. 참의 초기 버전을 발전시켜 앰버(AMBER), 그로모스(GROMOS), 엑스-플로어(X-PLOR)와 같은 분자모델링 소프트웨어를 만들었고, 유사한 프로그램들의 기초를 제공했다. 현재까지 연구자 80여 명이 소스코드를 개발하는 데 기여했고, 50여 개 연구실이 참 개발 프로젝트에 참여하고 있으며, 매년 열리는 참 개발 회의에서 참의 새로운 버전을 만들고 있다.

컴퓨터가 발전하는 만큼 참을 사용해 할 수 있는 연구도 다양해지고 있다. 70년대 중반에는 원자 892개로 이뤄진 BPTI라는 효소 억제제를 연구했다면 지금은 원자 10만 개가 넘는 리보솜을 연구하고 있다.

필자가 속한 한양대는 미국국립보건연구소와 하버드대, 미시간대와 함께 참을 개발하고 유지한다는 협약을 맺었다. 필요한 경우 분자를 적절히 분할한 다음 병렬로 연결된 컴퓨터 네트워크에서 분산처리 할 수 있는 코드가 이미 개발돼 있다. 공동 연구를 통해 컴퓨터 하드웨어의 성능을 효율적으로 이용할 수 있는 코드를 계속 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.

참은 컴퓨터 메모리가 허용하는 한 분자계의 크기에 제한받지 않고 시뮬레이션을 진행할 수 있다. 유기체의 모든 원자들과, 이를 둘러싸고 있는 물분자, 이온까지 포함해 실제에 가깝게 분자들의 화학반응과 역동적인 움직임을 시뮬레이션할 수 있다. DNA 합성효소, RNA 합성효소, 이온 채널, ATP 분해효소와 같은 인체 내 다양한 생명 반응 또한 연구할 수 있다. 좀 더 확장하면 세포 내 소기관이나 바이러스, 박테리아 연구에도 참을 응용할 수 있을 것이다. 이렇듯 무한한 가능성을 가진 참이 앞으로 또 어떤 성과를 보여줄지 기대가 된다.

글 : 원영도 한양대 화학과 교수

 

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최근 여름에 기승을 부리는 해파리에 대해 다룬 적이 있다. 하지만 죄를 미워하되 사람을 미워하지 말라는 말이 있듯이 지구온난화로 인해 해파리가 해안을 점령하는 것이 문제가 될 뿐 해파리 자체가 문제는 아닐 것이다. 자연은 언제나 우리에게 혜택을 베풀기 때문이다. 해파리에서 발견한 ‘GFP(Green Fluorescent Protein, 녹색형광단백질)’로 암 발생기전을 규명하고, 그 공로로 노벨 화학상을 수상한 것을 봐도 알 수 있다.

GFP는 바다에 사는 해파리의 체내에서 채취한 것으로, 자외선이나 청색의 빛이 닿으면 녹색의 형광 빛을 발하는 단백질이다. GFP는 생명과학 연구와 의약품 개발에 빠질 수 없는 필수도구라 할 수 있다. 아마 전 세계 실험실에서 가장 많이 사용하는 유전자가 GFP 유전자가 아닐까 싶다. 최근 10년 동안 GFP를 이용한 기술들이 바이오 혁명에서 중요한 역할을 했음은 말할 나위 없다. 그렇다면 생명체가 갖는 수많은 단백질 중 GFP가 얼마나 중요한 역할을 하기에 노벨상까지 받게 된 것일까?

3명의 과학자에게 노벨 화학상을 안겨준 건 해파리 몸의 독특한 단백질 덕분이다. GFP의 가장 중요한 역할은 ‘빛나는 표지(glowing marker)’이다. GFP는 밝은 녹색의 형광을 내기 때문에 특정한 단백질 분자에다 형광 단백질을 꼬리표처럼 붙이면 표적처럼 빛난다. 따라서 녹색 형광을 따라 단백질의 움직임과 위치를 쉽게 확인할 수 있어 특정 세포가 어떻게 움직이고 성장하는가를 손에 쥐듯 알 수 있다.

만일 암을 일으키는 단백질 유전자에 꼬리표인 GFP를 붙여 넣었다면, GFP의 빛을 통해 단백질이 제대로 들어가 작동하는지, 암이 어떻게 움직여 얼마나 커지고 어디로 퍼져 가는지를 규명할 수 있다. 또한 GFP 유전자를 조작하여 식물에 주입하면 밤에도 빛을 발하는 발광식물을 만들 수 있고, 화생방전이나 가스를 발견하면 색깔이 바뀌는 식물도 만들 수 있다. 미국 국방성은 이를 테러전에 사용하고자 이미 감지식물을 개발하기도 했다. 이 GFP는 1990년대 중반부터 세포나 유전자에 주입하여 동물의 암세포 식별에 활용되는 등 이미 여러 분야에 다양하게 사용할 정도로 친밀한 물질이다.

이렇듯 중요한 GFP를 발견한 사람이 바로 시모무라 오사무이다. 그는 1955년 일본 나고야대 히라타 교수 밑에서 대학원 학생이 아닌 조수로 일했다. 당시 그는 히라타 교수로부터 ‘연체동물이 왜 빛이 나는지 알아보라.’는 말을 듣고 생명체의 발광 현상에 호기심을 갖기 시작했다. 그로부터 1년 후 시모무라는 조개류가 물에 젖으면 다양한 빛을 발한다는 것을 알아내고 그 원인 발광 단백질을 발견하여 논문으로 발표했다. 이 업적으로 그는 박사과정을 수료하지 않았음에도 나고야대학에서 박사학위를 받았고 미국 프린스턴대학의 프랭크 존슨 교수의 초청까지 받았다.

그는 1960년 일본을 떠나 미국으로 건너가 존슨 교수와 함께 발광 해파리가 움직일 때 녹색 빛을 내는 이유를 밝히는 연구에 돌입했다. 그리고 1962년, 에쿼리아 빅토리아(Aequorea victoria)라는 발광 해파리에서 녹색 형광을 내는 단백질을 발견하고 그것을 처음으로 추출하는 데 성공했다. 또한 그는 GFP가 청색 빛이나 자외선 아래에서 녹색을 낸다는 점도 알아냈다. 그전까지 단백질은 산소 등 다른 물질의 도움이 없으면 빛나지 않는 것으로 알려졌다.

시모무라 박사가 처음 추출한 단백질도 마찬가지다. 에쿠오린이라는 단백질이었는데, 이것은 칼슘이 있을 때 푸른색을 발했다. 이때 그는 발광 해파리는 녹색을 띠는데 왜 에쿠오린은 푸른색을 띠는지를 이상히 여겼다. 그래서 또 다른 발광체를 찾기 시작하다가 에쿠오린이 내는 높은 파장의 푸른빛을 흡수한 GFP가 낮은 파장의 녹색 빛을 낸다는 것을 알게 된 것이다. 이 GFP가 처음 발견됨으로써 그때까지는 눈으로 볼 수 없었던 생체 단백질의 미시세계가 실험실에서 차례차례 모습을 드러내기 시작했다.

GFP에서 아직 규명되지 않은 점이 있다면 해파리가 왜 형광을 하는지에 대한 이유다. 시모무라 박사는 2001년 퇴직했지만 지금도 그에 대한 답을 찾는 데 주력하고 있다. 집 지하에 실험실을 만들어 놓고 해파리를 쥐어짜며 열정적으로 연구하고 있다. 지금까지 그는 총 1백만 마리 이상의 해파리를 잡았다고 한다.

GFP가 위치 표지로 사용할 수 있다는 아이디어는 더글러스 프래셔 박사가 처음으로 생각해냈다고 백과사전 누리집인 ‘위키피디아’는 전한다. 위키피디아에 따르면, 프래셔 박사는 1994년 <사이언스>지에 챌피 박사와 함께 관련 논문을 낼 정도로 잘 나가던 생화학자였다. 그는 시모무라 박사가 해파리에서 발견한 GFP가 어느 유전자에서 만들어지는지 찾아내 이 유전자를 생물학 실험도구로 활용하려고 했다. 우즈홀해양연구소 재직 당시인 1980년대 말 그는 이런 내용의 연구계획 지원 요청을 미국 국립보건원(NIH)에 냈으나 거절당했다. 다행히 미국암학회가 2년간 연구 지원을 승인해 1992년 마침내 최초로 이 형광 단백질의 유전자 서열을 분석했고, 해파리의 DNA에서 GFP의 유전자를 분리해내는 데 성공했다.

하지만 2년 연구는 거기서 멈춰야 했다. 연구 기관을 전전하던 그는 결국 재직했던 우즈홀 해양연구소마저 떠난 뒤 미국 농무부에서 해충연구를 하다가 미국항공우주국(NASA)으로 옮겼지만 연구 프로젝트가 해체되면서 실직자 신세가 됐다. 그는 2006년부터 앨라배마주의 헌츠빌에 있는 자동차 매매상에서 시간당 10달러를 받는 셔틀버스 운전사로 일하고 있다. 그가 찾은 유전자는 이미 오래전에 챌피와 첸 박사한테 흔쾌히 나눠주었고, 그로 인해 그가 이루려던 발견이 이들의 손에서 이뤄졌다. 프래셔 박사에게는 참 안타까운 일이다.

프래셔 박사로부터 GFP의 원천 연구를 제공받은 챌피와 첸 두 과학자는, 1990년대 초 GFP를 특정 단백질 유전자에 붙여 표지로 사용할 수 있는 방법을 알아냈다. 먼저 챌피 박사는 연구하려는 단백질의 유전자에다 GFP의 유전자를 끼워 넣어 붙이면 연구 대상 단백질이 세포 어디에서 어떻게 움직이는지 확인할 수 있음을 알아내고는 실험 방법을 체계화했다. GFP를 선충 등 다른 생물의 체내(촉각수용체 신경세포에서 주로 켜지는 유전자의 스위치 아래)에 집어넣은 후 살아 있는 투명한 선충에 자외선을 비추자 GFP가 만들어진 촉각 수용체 신경세포에서 녹색 형광이 나와 그 정확한 위치를 확인할 수 있었다. 이로써 연구자들은 병을 일으키는 단백질들이 생체에서 어떻게 작용하는지 관찰할 수 있게 되었다.

첸 박사는 GFP의 형광 메커니즘을 규명했다. 또 이 단백질의 아미노산을 일부 바꾸면 형광 빛깔도 바꿀 수 있음을 확인했다. 초록색뿐 아니라 파란색, 청록색, 노란색 등을 내는 여러 가지 GFP를 만드는 데 성공해 여러 단백질에 다양한 꼬리표를 붙일 수 있게 했다. 여러 종류의 연구 대상에 각각 다른 색깔의 형광 단백질을 붙이면 한 번에 여러 개를 파악할 수 있기 때문에, 단번에 여러 단백질의 기능을 연구할 수 있는 기반을 마련한 것이다. 이때부터 GFP는 유전자 기능을 발견할 수 있는 획기적인 도구로 사용되어 왔고, 앞으로도 청록색ㆍ붉은색ㆍ노란색 등의 화려한 이미지로 세포 안쪽에서 무슨 일이 벌어지는지 우리 눈으로 확인할 수 있게 해 줄 것이다.

글 : 김형자 과학칼럼니스트

ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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