▲ 김우재 포스텍 분자생명과학부 박사후 연구원

미르(miR) 이야기 태초에 RNA가 있었다. 약 30억년 전의 지구 원시수프에는 분명 수없이 많은 RNA 분자들이 떠다니고 있었을 것이다.

“닭이 먼저인가 달걀이 먼저인가”라는 질문은 생명의 탄생을 설명하고자 할 때 부딪히게 되는 역설이다. 이 질문은 닭이 달걀을 낳고 달걀이 닭이 되기 때문에 대답할 수 없는 질문이다. 어떤 몹쓸 사람은 '닭은 달걀이 더 많은 달걀을 생산하기 위해 잠시 만들어낸 매개체에 불과하다'는 궤변을 늘어놓기도 하지만, 생명의 기원을 묻는 이 질문에 대한 답으로 치자면 빵점 짜리다. 정답은 닭이 먼저인지 달걀이 먼저인지로 대답되어야만 한다.

이 질문을 현대생명과학의 언어로 바꾸어 표현하자면 정보(달걀)가 먼저인지 기능(닭)이 먼저인지로 환원된다. 생명은 정보와 기능의 총체다. 둘 중 하나라도 없다면 우리는 그것을 생명이라고 부르지 않는다. 따라서 정보만을 가진 바이러스가 생명이 아니며, 기능만을 가진 육회도 생명이 아닌 것이다.

현재 대부분의 생물 종에서 정보는 DNA에, 기능은 단백질에 부여되어 있다. 따라서 생명의 기원을 논하는 질문의 답은 DNA가 먼저였는가, 아니면 단백질이 먼저였는가로 환원된다. 그리고 이 질문에 대한 답은 DNA도 단백질도 아닌 RNA다.

세상에서 가장 오래된 생명

RNA가 정답인 이유는 생체 내에 존재하는 물질들 중 RNA만이 유일하게 ‘정보’와 ‘기능’의 역할을 동시에 수행하는 물질이기 때문이다. DNA는 정보를 저장하고 이를 후대에 전달하는 데에 매우 효과적이다. DNA가 이중나선 구조로 되어 있어 매우 안정적이기 때문이다. 하지만 DNA는 단백질과 RNA없이 아무것도 하지 못하는 온실 속의 화초다. 단백질은 세포의 기능을 총괄하는 수행자이다. 이들은 피부를 이루고, 산소를 운반하며 때로는 항체가 되어 병균을 잡는다.

기능의 다양함으로 이야기하자면 단백질은 무한한 가능성을 지닌 놀라운 물질이다. 하지만 단백질은 정보를 저장할 수 없다. 즉 단백질 속의 정보는 후대로 전해지지 않는다. 오직 핵산 속에 적힌 정보만이 부모에서 자식으로 전달된다.

RNA는 ‘정보’를 저장할 수 있다. DNA의 사촌이기 때문이다. RNA는 단백질의 몇 가지 ‘기능’도 가지고 있다. RNA는 스스로를 복제하거나 자를 수 있고 단백질을 합성할 수도 있다. RNA는 DNA와 같은 온실 속의 화초가 아니다. RNA는 잡초다. RNA가 잡초와 같은 이유는 생명의 역사가 RNA와 함께 시작되었기 때문이다. 이를 생물학자들은 ‘RNA 세계 가설(RNA world hypothesis)’이라고 부른다.

생명의 기원이 RNA였다는 점에 생명과학자들 사이에 이견은 크게 존재하지 않는다. 이와 마찬가지로 진화의 어느 시점에서 RNA가 정보의 저장과 전달이라는 기능은 DNA로 세포의 대사를 수행하기 위한 촉매의 기능은 대부분 단백질에 넘겨주었다는 것도 일반적으로 받아들여지고 있다.

분자전쟁(The Molecular Wars)

왓슨과 크릭의 수줍은 발표 이후 DNA를 둘러싼 연구는 급속도로 발전했다. DNA의 복제를 책임지는 중합효소들이 발견되고, DNA를 매우 특이적으로 절단하는 제한효소들이 발견되면서 원하는 방식으로 DNA를 재조합 할 수 있는 기술들이 발전하기 시작했다. 하지만 발전의 역사가 그리 순탄했던 것만은 아니다. 클로닝이라 불리는 유전자 분리 기술이 도입되기 시작하는 1970년대까지 분자생물학은 생물학의 영역에서 입지를 굳히기 위해 부단히 투쟁을 해야만 했다.

DNA의 정보가 단백질로 이동한다는 도식에 의해 생물학이 통합되었다는 것은 사실이다. 현재 연구중인 생물학의 영역에서 분자생물학의 발견을 무시한 연구는 없다고 해도 과언이 아니다. 하지만 분자생물학에 의한 통합이 순수하게 과학적인 승리였다고 말하긴 어렵다. 물론 분자생물학의 수용은 학문적 성과에 의해 뒷받침되었지만 그것만으로는 설명되기 어려울 정도로 그 승리가 빨랐다. 락펠러 재단의 투자와 노벨상 위원회의 권위와 같은 여러 요소가 존재하지 않았다면 분자생물학에 의한 생물학의 통합은 매우 느리게 진행되었을지도 모른다.

최재천 교수의 스승인 하버드의 생태학자 에드워드 윌슨(Edward O. Wilson)이 회고하듯이 1960년대와 1970년대의 생물학은 분자생물학으로 무장한 신진 생물학자들과 생태학, 분류학 및 동물행동학 등을 연구하던 전통적인 생물학자들 간의 긴장감이 최고조에 달한 시기였다. 에드워드 윌슨은 하버드에서 겪은 이 시기를 분자전쟁(Molecular War)이라고 표현하기도 했다.

1960년대, 혈기 어린 왓슨은 미국을 누비며 분자생물학을 전파하기 시작했다. 윌슨이 ‘내가 만나 본 가장 불쾌한 사람’이라고 표현했듯이 이 시기의 왓슨은 매우 정치적이고 오만불손했던 것 같다. 하지만 과학자로서보다는 정치가로서의 능력에 탁월했던 왓슨에 의해 콜드스프링하버 연구소가 설립되었고 휴먼게놈프로젝트와 같은 거대 프로젝트가 가능했다는 것도 생각해 볼 필요가 있다.

왓슨이 정치적으로 분자생물학을 선전하고 다녔다면 크릭은 분자생물학을 명료하게 단순화하는 과학적 작업에 몰두하고 있었다. 특히 자신의 중심 도그마를 단순화하기 위해 그가 제거했던 RNA에서 DNA로의 정보전달 현상은 정당한 근거도 없이 행해진 일종의 과학적 폭력과도 같았다. 단백질 합성에 RNA가 중요하다는 사실이 잘 알려져 있었기 때문에 RNA가 DNA와 단백질의 공동 선구체일 수 있다는 모델도 존재하고 있었다.

▲ 하워드 태민은 레트로바이러스을 발견했다.

이런 상황에서 1962년 테민(Howard Martin Temin)에 의해 발견된 레트로바이러스(retrovirus: RNA를 유전체로 지니고 있으며 세포안으로 감염된 후 RNA를 DNA로 역전사시키는 바이러스. AIDS를 유발하는 HIV가 바로 레트로바이러스의 일종이다)는 RNA에서 DNA로의 정보 전달이 가능하다는 것을 의미했다. 비록 테민의 실험결과가 과학자 사회에 받아들여지기는 하지만 8년의 세월과 많은 노력이 흐른 후에야 가능한 일이었다.

잡초는 조용히 가득 찬다

1868년 미셰르가 뉴클레인을 발견하고 수십 년이 지난 후에야 알프레드 코셀(Albrecht Kossel)에 의해 두 종류의 핵산이 존재한다는 사실이 밝혀진다. 코셀은 두 종류의 핵산을 흉선 핵산(thymus nucleic acids)과 효모 핵산(yeast nucleic acids)이라고 불렀는데 전자가 DNA이고 후자가 RNA이다. 효모와 같은 단세포 생물에 많이 존재하는 RNA, 당시의 언어로 효모 핵산은 세포의 에너지라는 가설이 지배적이었다. 코셀의 연구 이후 다른 과학자들에 의해 모든 세포에 DNA와 RNA가 존재한다는 것이 밝혀졌지만 왓슨과 크릭의 연구가 발표되고 핵산에 대한 관심이 증폭되는 1960년대 중반까지 RNA는 생명현상에서 그다지 중요한 물질로 여겨지지 않았다.

게다가 분자생물학이 생물학을 통합하던 1960년대와 1970년대의 분자생물학자들에게 DNA의 이중나선 구조는 일종의 종교적 상징과 같았다. 대부분의 연구자들이 유전자를 분리하고 동정하는 일에 몰두하고 있었다. 유전자는 DNA였고 단백질을 암호화하고 있었다. 단백질을 암호화하고 있지 않은 유전자들이 존재했지만 그것은 예외일 뿐이었다. 하나의 유전자에서 하나의 단백질이 어떻게 만들어지는지를 이해한다면 생명현상의 신비가 풀릴 수 있는 것처럼 보였다. 크릭의 중심도그마는 분명 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 정보가 이동한다고 명시하고 있었지만 대부분의 분자생물학자들은 RNA를 건너뛴 채 자신들의 연구를 수행해도 무관하다고 생각했다. 이러한 분위기 속에서 RNA 자체에 대한 연구는 위축되어 가기 시작했다.

1980년에는 흔히 PCR(polymerase chain reaction)이라 불리는 기술이 발견된다. 원하는 DNA를 원하는 만큼 증폭시킬 수 있는 이 기술의 발전에 힘입어 분자생물학은 새로운 도약을 준비하게 된다. 1981년에는 처음으로 유전자변형생쥐가 탄생한다. 1982년부터 1990년까지 계속된 미토콘드리아 게놈해독, 파지 게놈해독 등의 사건들은 1990년 시작될 휴먼게놈프로젝트의 예고편이었다. 생물학 최초의 거대프로젝트이자 생물학이 거대과학으로 진입함을 알린 신호탄이 된 휴먼게놈프로젝트는 물리학이 차지하고 있던 과학의 거대영역에 분자생물학을 처음으로 등장시킨 사건이다. 이 모든 승리들이 DNA로 인해 가능했다. 승리의 주역은 누가 뭐라 해도 DNA였던 것이다.

분산투자 : 개천에서 용이 나는 이유

분명 역사의 주역이 DNA였음에도 불구하고 RNA에 관심을 가진 연구자들이 존재했다. 그들은 조용했으나 꾸준했고 생명의 기원에 관심이 많은 이들이었다. 1963년부터 알렉산더 리치(Alexander Rich)와 같은 과학자에 의해 RNA가 최초의 지구생명이었을 가능성이 제기되었고 1968년 칼 우스(Carl Woese)를 거쳐 1985년에 월터 길버트에 의해 RNA 세계의 가능성이 완성되었다. 1974년엔 노벨화학상 수상자인 아이겐(Manfred Eigen)에 의해 RNA 복제효소의 가능성이 제기되었고, 같은 해 화학자인 오겔(Leslie Orgel)에 의해 단백질의 도움이 없이도 RNA가 복제될 수 있음이 밝혀졌다.

DNA가 생물학을 지배하던 시기 화학으로 무장했던 과학자들은 RNA가 최초의 생명이었을 가능성에 주목하며 RNA연구를 지켜나갔다. 비록 PCR이나 휴먼게놈프로젝트처럼 유명세를 타지는 못했지만 순수한 호기심으로 지속되던 이들의 연구는 1990년대에 이르러 역사상 RNA를 가장 유명하게 만들 발견에 이르게 된다. 단백질이 주인공이던 시절에 미셰르로부터 이어진 변두리의 전통이 DNA 이중나선 구조라는 결과를 이루어냈듯이, DNA가 주인공이던 시절에 RNA를 연구하던 변두리의 과학자들이 발견한 것은 이전까지는 상상도 하지 못했던 새로운 유전자 조절방법이었다.

DNA와 RNA를 둘러싼 과학의 역사만 보아도 과학의 발전을 위해서는 ‘선택과 집중’보다 ‘다양성’이라는 화두가 중요한 발견을 이끈다는 교훈을 보게 되는 듯 하다. 과학사를 돌아보면 한 국가가 많은 돈을 들여 투자한 분야 덕분에 명맥을 유지할 수 있었던 작은 분야들에서 중요한 발견들이 등장하는 것을 볼 수 있다. 과학의 분과다양성을 인정하고 비록 유행인 학문에 많은 투자를 하더라도 이와 관련된 다른 기초분야에 투자를 함께 해야 하는 것은 이러한 이유에서다. 주식시장에서 분산투자가 안전성을 보장하듯이 과학에 대한 투자도 ‘다양성’을 보장하는 분산투자가 필요한 것이다.