▲ 김우재 포스텍 박사후 연구원

미르(miR) 이야기 2003년, 네이처와 사이언스를 비롯한 유수의 과학저널들은 “DNA 이중나선 구조 발견 50주년”을 기념하자며 야단법석이었다. 같은 해 우리는 대구지하철 참사로 신음했고 세상은 이라크 전쟁으로 병들어 있었다.

무시된 “구조”의 발견

1953년에만 네이처에 실린 DNA 이중나선 구조에 관한 논문이 7편이다(이 중 단 한편에만 왓슨과 크릭의 이름이 들어 있다). 하지만 1960년까지 DNA에 관한 연구로 출판된 논문들 중 왓슨과 크릭의 모델을 언급하는 논문의 수는 전혀 증가하지 않았다.

당시는 네이처가 잡지의 분량을 늘이고 출판횟수를 두 배로 증가시키던 시기였음에도 불구하고 왓슨과 크릭의 연구가 DNA 연구자들에 의해 언급되지 않고 있다는 점은 매우 흥미로운 일이다. 이는 왓슨과 크릭의 발견 이전에 이들의 발표를 무시할 수준의 이미 잘 확립돼 있던 DNA 연구 전통이 있었음을 의미한다.

이미 지난 글에서 언급한 미셰르로부터 시작된 이 생화학 전통의 과학자들은 DNA의 물리적 성질과 그것을 추출하는 방법, 조직과 세포에 존재하는 DNA의 구성비율과 양에 대한 연구를 진행하고 있었다.

왓슨과 크릭이라는 과학계의 햇병아리들이 DNA 연구에 뛰어들기 전 이미 DNA라는 물질에 도통했던 이 과학자들의 관심은 무엇이었을까? 주로 의학과 관련된 일에 종사하는 생화학자들과 물리화학자들로 구성됐던 이들은 방사선이 인체에 유해한지 무해한지에 관한 과학계의 논쟁 속에서 “돌연변이인자(mutagen; DNA에 돌연변이를 유발하는 인자)”라던가 성장과 영양 및 암 연구에 매우 밀접하게 연관돼 있던 “단백질 합성”에 관한 연구에 매진하고 있었다.

크릭은 네이처에 논문을 발표한 후 1957년 중심도그마(Central Dogma)라는 명제를 발표한다. DNA로부터 RNA를 거쳐 단백질의 한 방향으로만 정보가 이동한다는 이 명제는 이 후 많은 과학자들의 연구에 의해 사실로 증명됐다. 하지만 크릭이 발표한 중심도그마는 DNA->RNA->단백질의 관계를 제시했다기 보다는 정보의 흐름이 핵산에서 단백질로 이동한다는 것을 제시했을 뿐이다. 당시만 해도 DNA로부터 RNA로 어떻게 정보가 전달되는지에 대한 구체적인 해답은 존재하지 않았다.

교과서적인 기술은 역사적 기술과 항상 불일치하는 경향이 있다. 교과서의 저자들은 과학적 발견들을 잘 짜인 실타래처럼 기술하기 원하지만(불쌍한 학생들의 이해를 위해서는 어쩔 수 없을지도 모른다) 실제 역사는 얽힌 실타래와 같아서 매우 정교한 기술이 없으면 그 얽힌 실타래를 풀 수도, 볼 수도 없다.

중심도그마의 순서도는 과학자들의 관심이 이동한 방향과 정확히 반대다. 즉 과학자들은 단백질에 대한 관심으로 시작해서 단백질을 합성하는 RNA의 기능에 관심을 갖고 나서야 DNA에 대해 관심을 갖기 시작했던 것이다.

물론 모든 과학자들이 한 방향으로 움직인 것은 아니지만 19세기 리비히(Liebig)로부터 시작된 생화학적 전통은 단백질을 생명의 주요물질로 간주하고 있었다. 단백질에 관한 연구는 초기 생화학 역사의 대부분을 차지한다고 해도 과언이 아니다. 단백질은 그 기능이 다양하고 풍부한 양을 분리 정제할 수 있었다. 특히 20세기 초에는 단백질과 영양에 관한 연구가 많은 지원을 받아 필수아미노산과 같은 개념이 등장하기도 한 시기였다.

▲ DNA 구조를 규명한 왓슨과 크릭

“기능”이 “구조”를 구조하다

물론 유전물질에 관한 관심은 항상 과학자들의 가슴 속에 강한 호기심으로 존재하고 있었다. 유전되는 물질이 존재한다면 그것은 복제가 가능해야 했다. 네이처에 출판된 왓슨과 크릭의 논문이 가치를 갖은 이유는 그들이 아데닌과 티민, 시토신과 구아닌의 수소결합에 의해 유전정보의 복제기작을 풀 수 있는 실마리를 제공했다는 데에 있다.

우리는 이미 앞에서 유전물질이기 위한 조건으로 “안정성”과 “다양성”이라는 조건을 보았다. 유전물질이기 위한 조건이 한가지 더 있다. 그것은 “자기복제성”이다. 왓슨과 크릭의 모델은 “자기복제성”을 설명할 수 있는 실마리를 제공하고 있었지만 몇 가지 약점이 있었다. 이들은 한달 후 다시 출판된 논문에서 자신들의 모델이 가진 약점을 인정하고 자기복제하는 유전물질이 진정 DNA인지 아닌지에 관해 확신하기는 이르다고 발표한다.

DNA는 이중나선이다. 따라서 복제되기 위해서는 반드시 풀려야 한다. 실험실에서 DNA를 인공적으로 풀기 위해서는 95도의 온도로 몇 분을 가열해야 한다. 그만큼 DNA의 이중나선 구조는 단단하다. DNA가 복제되기 위해서는 이 문제가 해결돼야 했다. 1958년, 메셀슨(Meselson)과 스탈(Stahl)에 의해 대장균에서의 반보존적 복제 기작이 발표되고, 같은 해 아서 콘버그(Konberg)에 의해 DNA 중합효소가 발견되고 나서야 왓슨과 크릭의 복제“모델”은 부분적으로 검증됐다.

1961년은 그 동안 무수히 많은 암호학자들과 물리학자들에 의해 제시됐던 유전암호의 비밀이 니렌버그(Nirenberg)의 노력에 의해 결실을 맺은 해이다. 니렌버그는 우라실로만 이루어진 RNA사슬(UUU)은 페닐알라닌이라는 아미노산만을 합성한다는 사실을 증명하고 이후 4년간의 지루한 연구 끝에 20종류의 아미노산의 암호를 해독하는 데 성공했다. 8년의 기다림 끝에 왓슨과 크릭의 불안한 시작은 조금씩 완성돼 가고 있었다.

1953년의 논문은 DNA의 이중나선 “구조”와 당시 과학자들에게 관심의 대상이었던 단백질 합성과의 연관관계가 밝혀지기 시작하면서야 비로소 과학자들에게 심각하게 받아들여지기 시작한다. 샤가프와 같은 핵산 연구의 대표적인 과학자들이 왓슨과 크릭의 논문을 잘 알고 있으면서도 이를 자신들의 논문에 언급하지 않고 있다는 것은 이들의 가슴 속에도 왓슨과 크릭의 모델과 같은 것들이 하나쯤은 존재하고 있었음을 의미한다. 그들은 그들 나름의 방식으로 유전물질의 “기능”을 연구하고 있었고 유전물질의 “구조”는 1953년 당시 과학자들에게는 아직 확실히 결말이 난 드라마가 아니었다. 이중나선의 “구조”는 유전물질의 “기능”에 의한 구조를 애타게 기다리고 있었다.

핵산보다 단백질

당시 단백질합성에 관한 견해는 크게 두 가지로 갈려 있었다. 첫번째로 제기된 가설은 “펩타이드이론”으로 아미노산의 중합체인 펩타이드들이 벽돌을 이어 붙이듯이 합성된다는 것이다. 두번째 가설은 “주형이론”으로 각각의 단백질마다 주형이 존재하며 이 주형에 의해 단백질이 만들어진다는 것이다.

자신을 분해하고 합성하는 단백질의 다양한 기능은 대부분의 생화학자들에게 “펩타이드이론”을 받아들이게 만들었다. 펩타이드이론의 장점은 주어진 벽돌조각(아미노산 혹은 펩타이드)로부터 원하는 만큼의 다양한 단백질이 합성될 수 있고(벽돌만 많다면 화장실도 국회의사당도 지을 수 있는 원리와 같다) 이를 통해 단백질의 다양성을 잘 설명할 수 있다는 것이다.

게다가 단백질의 효소작용을 생명현상의 본질로 생각하던 생화학자들에게 “주형이론”이라는 거푸집을 이용한 단백질의 합성은 상상하기 어려운 일이었다. 따라서 DNA와 RNA의 합성, RNA와 단백질의 합성이 매우 강하게 연관돼 있다는 실험결과들은 생화학자들에게 DNA가 RNA의 합성에 “주형”으로 기능한다는 아이디어로 받아들여진 것이 아니라, DNA가 일종의 촉매로 기능한다는 식으로 받아들여졌던 것이다. RNA가 단백질합성에 중요하다는 많은 연구결과들도 생화학자들에게는 이런 식으로 받아들여졌다.

생화학이 분자생물학으로 이행되던 1950년대 말부터 1960년대 초반은 이처럼 생화학자들의 머리를 지배하고 있던 효소의 강력한 촉매작용이 “주형”이라는 일종의 정보개념으로 이행되던 중요한 시기였다. 따라서 왓슨과 크릭의 발견은 그들과는 별도로 DNA와 RNA, RNA와 단백질을 연구하던 일군의 과학자들 사이에서 가능한 하나의 모델로 받아들여졌을 뿐, 발표되던 당시 매우 심각한 고려의 대상은 아니었던 것이다.

왓슨과 크릭의 모델이 받아들여지던 1960년대에는 왓슨과 크릭의 모델과는 별도로 연구를 진행하던 이들의 실험들이 왓슨과 크릭의 모델에 의해 천천히 설명되기 시작하던 시기였다. RNA와 단백질 합성의 관계는 매우 잘 밝혀져 있었지만 DNA와 RNA사이의 관계는 매우 긴 시기를 거쳐 과학자들에게 받아들여지기 시작한다.

단백질에 대한 연구가 생화학 연구의 거의 전부였던 시기에 등장한 유전물질의 구조에 관한 모델은 반드시 단백질의 합성과 연관지어져야 했다. 협상이 필요했다. 그렇지 않다면 그것은 진정한 유전물질이라고 불릴 수 없었다. 유전물질은 단백질의 합성을 통제하고 조절해야 했고 그것이 유전물질의 기능이어야 했다. 이점이 바로 유전물질 “기능”의 연구가 종결되던 1960년대에서야 비로서 왓슨과 크릭의 “구조”가 빛을 발휘하게 되는 이유다.

생어(Sanger)에 의해 처음으로 단백질의 시퀀싱이 가능해진 시기가 1953년이었다. 1953년 생물학자들에게 화제는 단연 생어의 실험결과였다. 당시의 과학자들에게 왓슨과 크릭의 연구결과는 2003년을 50주년으로 기념할 만큼 거대한 사건은 아니었다.