▲ 김우재 포스텍 박사후 연구원

미르(miR) 이야기 크릭은 1958년이 돼서야 “단백질 합성에 관하여(On Protein Synthesis)”라는 강연을 통해 중심도그마를 제창한다. 이미 언급됐듯이 20세기 초반 많은 생화학자들의 연구는 단백질에 집중돼 있었다. 어떻게 단백질이 합성되는지에 관한 해답은 왓슨과 크릭의 발표 이후에도 여전히 미스터리로 남아 있는 문제였다.

단백질 합성에 관한 역사를 논할 때 주로 언급되는 사건은 비들과 테이텀(Beadle and Tatum)의 “일유전자 일효소(One gene One Enzyme)가설”과 왓슨 크릭의 유명한 논문, 크릭의 유명한 1958년 강연과 19559년 자콥과 모노(Jacob and Monod)의 “오페론 가설(Operon)”이다. 하지만 그들과는 별개로 오래 전부터 단백질 합성을 연구했던 일군의 과학자 그룹이 존재했다. 이야기는 미국도 영국도 아닌 벨기에에서 시작한다.

브뤼셀의 발생학그룹

벨기에의 브뤼셀은 일리야 프리고진이 열역학 그룹을 이끌었던 고장이기도 하다. 이 곳에서 브라쉐(Jean Brachet)는 RNA와 단백질 합성의 연관관계에 대한 연구그룹을 이끌었다. 브라쉐에 의해 이끌어진 브뤼셀의 발생학(Embryology)그룹은 태생적으로 생화학자들의 전통과 달랐다.

독일의 헤켈로부터 발전한 발생학은 당시 세포학과 매우 밀접한 관계에 놓여 있었다. 발생학은 슐라이덴과 슈만과 같은 세포학자들과 그 전통을 함께 해온 학문이다. 분자생물학이 전성기를 구가하고 있는 지금도 세포학과 생화학의 전통이 매우 구분되고 있음을 생각한다면 당시의 분위기를 짐작할 수 있을 것이다.

이들이 생화학적 기법을 사용하지 않은 것은 아니지만, 생화학자들이 물질분석에 치중할 당시 이들은 세포의 소기관 및 물질의 위치 및 기능에 대한 광범위한 관심을 가지고 있었다. 이미 언급됐듯이 유전에서 세포핵의 기능도 이러한 전통 속에서 발견되는 것이다.

브라쉐는 다양한 염색 기법을 동원해서 DNA와 RNA의 “위치” 및 “양”을 분석했다. 브라쉐는 현미경 하에서 조직과 세포를 관찰하는 미세해부학과 염색법으로 RNA는 핵에서 합성되고 단백질은 세포질에서 합성된다는 확고부동한 증거를 제시함으로써 중심도그마를 구조해낸다.

특히 핵을 제거한 녹조류를 이용해 DNA가 존재하지 않는 상황에서도 단백질 합성이 수일간 지속됨을 증명한 “탈핵 실험”은 이 후 제이콥과 모나드의 프랑스 분자생물학파에 의한 전령RNA(messenger RNA)의 발견과는 별도로 분자생물학자들에게 큰 기여를 하게 된다.

원핵생물은 세포핵이 없는 박테리아와 같은 생물을 말하고, 진핵생물은 세포핵이 있는 생물종을 말한다. 재미있는 사실은 DNA와 단백질합성이 관련이 없다는 브라쉐의 진핵생물에서의 실험결과가 존재했음에도 불구하고 세포핵이 존재하지 않는 박테리아를 이용한 실험에서 전령RNA의 존재가 밝혀졌다는 사실이다.

당시 독일 및 벨기에의 생물학자들은 세포핵과는 별도로 세포질에도 유전적 연속성을 지닌 요소들이 존재한다고 생각했다. 게다가 그토록 중요한 단백질의 합성이 세포질에서 이루어진다면 유전에서 세포질이 세포핵보다 중요한 요소일지도 모를 일이었다. 이 말은 현대에도 부분적으로 옳다. 세포질에 존재하는 미토콘드리아나 엽록체는 유전적 연속성을 지닌 자기복제기관이기 때문이다. 브라쉐는 RNA와 단백질합성 사이의 강한 상관관계를 생물학자들에게 인식시켰고, 자콥과 모노는 전령RNA의 가능성을 발견함으로써 단백질의 합성을 DNA에 연결시켰다.

프랑스식 RNA 요리

▲ 프란시스 크릭.  ⓒwww.skeptic.com

많은 분자생물학자들과 학생들, 그리고 일반인들은 1958년 크릭이 "On Protein Synthesis" 라는 제목으로 쓴 논문과 1957년 행한 대중강연에서 "DNA-RNA-단백질"로의 도식이 해결된 것으로 믿고 있다. 그러나 이미 위에서 언급됐듯이 RNA-단백질의 관계와 DNA-RNA의 관계는 완전히 독립적으로 (부분적으로는 연결돼 있었지만) 발견됐다.

특히 탈핵실험을 통한 브라쉐의 연구결과로 분명해진 RNA와 단백질합성의 관계와는 다르게 DNA-RNA의 관계는 매우 복잡한 상황 속에서 어렵게 해결됐다. 1958년 크릭의 논문은 주로 유전물질인 DNA의 중요성과 세포 내에서 RNA가 가장 풍부한 마이크로솜이 단백질 합성에 중요하다는 것을 다루고 있다. 하지만 DNA에서 RNA로 이어지는 정보의 이동은 단 한 줄, 그것도 "DNA가 RNA의 조절에 중요할 것이다”라고만 기록돼 있다.

크릭의 이 말은 당시 연구자들의 사유방식을 그대로 드러내 준다. 즉, 많은 연구자들은 단순히 DNA가 RNA를 조절한다는 것에 만족하고 있었다. 여기에는 세포질 유전과 원형질 유전이론을 믿고 있던 많은 생물학자들(발생학의 학문 전통 속에 있던)에 의한 편견도 작용하고 있었다. 이들의 편견은 후에 미토콘드리아의 발견에 지대한 공헌을 하게 된다.

그러나 증거는 충분했다. 유전물질인 DNA가 핵 내에 존재하고 단백질은 세포질에서 합성된다는 자명한 사실이 정설로 굳어 있었고, 무핵세포시스템을 이용해서 DNA 없이도 단백질이 형성된다는 것이 증명돼 있었다.

1956년 볼킨과 아스트라챤(Volkin and Astrachan)이 T2 박테리오파지로 행했던 실험의 결과가 있었다. 볼킨과 아스트라챤의 실험은 박테리오파지에 감염된 박테리아에서 파지의 DNA와 동일한 조성을 갖는 RNA가 합성된다는 것을 증명했다. 이들의 실험결과는 명백했지만 해석은 불가능했다.

전령 RNA는 유전자의 구조라는 압도적인 권위에 의해 가려진 채 연구자들의 발견을 기다리고 있었다. 그러나 더욱 중요한 사실이 우리를 기다리고 있다. 전령 RNA는 아직 "발견"된 것이 아니었다. 단지 잠정적 가설로 상정된 것뿐이었다. 제이콥과 모노는 사실 전령 RNA를 발견한 것이 아니라 가정했을 뿐이었다.

왓슨과 크릭의 1953년 모델이 단백질 합성이라는 테제와 맞물려 1960년대가 돼서야 비로서 관심을 받게 되듯이, 자콥과 모노의 1959년 모델도 RNA중합효소의 발견과 전령RNA의 존재가 확증되는 1960년대 후반에 이르러서야 과학자들에게 받아들여지게 된다.

사실 자콥과 모노가 분자생물학에 한 지대한 공헌은 전령RNA의 발견이 아니다. 이들이 유명해진 계기는 이미 언급된 오페론 실험이었다. 오페론 가설은 단백질을 합성하는 유전자(구조 유전자)가 이 유전자의 발현을 조절하는 조절 유전자에 의해 통제된다는 것을 토대로 한다.

이 실험의 의미는 그 동안 멀리 떨어져 있던 DNA와 단백질의 거리를 좁혔다는 데 있다. 단백질이 만들어지기 위해서는 반드시 유전자인 DNA가 관련돼야 한다는 것이 오페론 가설의 핵심이다. 즉 DNA가 지속적으로 단백질의 합성을 조절하고 있다는 것이다. 전령RNA는 이 가설을 설명하기 위한 보조가설에 불과했다.

맥주, 와인, 홍차 그리고 쇠고기

일반적인 분자생물학 교과서는 DNA와 RNA, 그리고 단백질 사이의 관계가 밝혀지던 이 시기를 매우 명쾌하게 기술하고 있다. 왓슨과 크릭의 모델이 유전자의 복제과정에 대한 결정적인 실마리를 제공했고, 이후 자콥과 모노의 실험을 통해 DNA에서 RNA로의 정보이동인 전사(Transcription)과정이 설명됐으며, 니렌버그를 위시한 생물학자들에 의해 RNA에서 단백질로의 번역(Translation)과정이 해결됐다는 것이다.

하지만 현재 분자생물학의 핵심을 이루고 있는 중심명제가 그리 쉽게 정착됐을 리 만무하다. 잘 모르는 물리학의 예를 언급하고 싶지는 않지만 뉴턴이 등장해 모든 것을 해결하고, 다시 아인슈타인이 등장해 모든 것을 해결했다는 식의 이야기는 생물학의 역사에 존재하지 않는다. 물리학의 역사를 새로 쓰는 과학사가들도 이제 더 이상 물리학의 역사를 그런 혁명의 역사로 기술하지 않는 마당에 생물학의 역사가 그런 혁명의 역사일 리 없지 않은가.

실제로 벌어진 일은 이렇다. 유전물질이 단백질일 가능성이 가장 높던 시기에 핵산이라는 비인기종목을 연구하던 과학자들이 있었다. 이들에 의해 핵산이 유전물질일 가능성도 있음이 제기됐다. 또한 단백질의 합성에 RNA라는 핵산의 일종이 매우 강하게 연관돼 있다는 사실이 이미 확립돼 있었다. 문제는 DNA와 단백질합성 사이의 연관관계가 매우 모호한 채로 남아 있었다는 점이다.

단백질에 대한 생화학자들의 관심은 단백질 합성과 관련이 깊은 RNA에 대한 연구로 연구자들을 이끌었고, 에이버리에 의해 밝혀진 DNA의 유전물질로서의 중요성은 잊혀졌다. 이러한 시기에 밝혀진 DNA의 이중나선 구조는 단백질과 깊은 연관을 맺지 못한 채 하나의 가능성으로 남았다. 단백질은 DNA가 없이도 합성될 수 있기 때문이었다. 따라서 DNA와 RNA사이의 관계가 확립되는 1959년부터 1968년까지의 10년이라는 공백기 동안 왓슨과 크릭의 모델은 매우 잠정적인 가설에서 가능성이 높은 가설로 탈바꿈하기 시작하는 것이다.

20여 년에 걸쳐 지속된 이 과정에 기여한 과학자들의 수는 어마어마하게 많다. 그럼에도 불구하고 많은 사람들이 왓슨과 크릭만을 기억하는 이 사태를 우리는 어떻게 보아야 할까? 과연 그들의 발견이 가장 결정적이었을까? 크릭은 1960년까지 이중나선구조를 “전도”하기 위해 전 세계를 누볐다. 왜 크릭과 같은 무신론자가 “도그마(Dogma)”라는 카톨릭의 용어를 빌려다 쓰면서까지 “전도”에 앞장섰는지는 알 수 없지만 아마도 우리는 과학자에게 자신의 연구 결과를 알리는 일도 실상 매우 중요한 일임을 배워야 할지 모른다.

이처럼 홍보에 열심이었던 크릭의 노력은 40세라는 젊은 나이에 “이중나선”이라는 자서전을 집필한 왓슨에 의해 물거품이 된다. 모든 공로는 이 베스트셀러 한방에 왓슨에게 부여됐다. 이 후의 일에 관한 많은 논문과 책들이 출판돼 있다. 관심 있는 이들은 최근 인종차별 발언으로 콜드스프링하버 연구소의 소장직을 물러난 왓슨의 일대기와 계속된 크릭의 연구열정을 찾아볼 것을 권한다.

어쩌면 역사는 기록하는 자의 것일지도 모른다. 전도에 서툴렀던 브라쉐, 니렌버그, 샤가프, 볼친, 아스트라챤, 생어, 에이버리, 허시와 체이스 모두를 역사는 매우 밋밋하게 기록하고 있다. 왓슨의 일대기는 드라마가 됐고 크릭은 드라마의 조연으로 전락했다. 벨기에산 맥주와 프랑스산 와인과 영국산 홍차는 미국산 쇠고기에 의해 조용히 역사적 그늘에 가려져 있었다.