미르(miR) 이야기 생물학의 진수는 생명의 신비 앞에 항복하는 것이 아니다. 다만 그것을 정복하는 것이다. 복잡한 생명체는 어디서부터 손을 대야 할지 알 수 없는 밀린 청소와 같다. 따라서 과학자들은 복잡한 현상에 맞닥뜨렸을 때 몇 가지 무기를 사용한다. 가장 대표적인 과학자들의 무기는 “단순화 simplification”라는 도구다.

복잡한 현상을 단순화하는 몇 가지 방법이 존재한다. 원하지 않는 변수를 모두 제거한 모델을 만드는 것이 그 한 가지 방법이다. 부분을 파헤쳐 전체를 알아가는 방법도 있다. 흔히 “나눠서 정복하기(divide and conquer)”라고 한다. 환원주의(reductionism)라는 말이 이러한 과학적 연구방법을 통칭하고 있지만 과학에서 방법론적 환원주의는 피할 수 없는 선택이다.

가장 단순한 시스템을 알 수 없다면 가장 복잡한 것도 알 수 없다. 과학자들이 전체론적 현상을 설명하고 싶어하지 않는 것은 아니다. 자연 전체를 설명하기 위해선 그들이 다룰 수 있는 간단한 시스템이 필요할 뿐이다. 따라서 전일주의(holism)적 과학과 환원주의적 과학을 나눈다는 것 자체가 어불성설이다. 분자생물학의 환원주의에 관한 많은 형이상학적 논의들이 존재하지만 대부분이 공론에 불과하다. C. elegans(예쁜꼬마선충)의 연구는 그것이 왜 공론에 불과한지를 보여주는 가장 좋은 예일 것이다.

▲ 예쁜꼬마선충.

벌레의 해부학

예쁜꼬마선충이라는 귀여운 이름은 국내에서 C. elegans가 연구되기 시작하던 1990년대에 이준호, 구현숙, 안주홍 교수 등에 의해 붙여졌다. 개인적으로 “elegans”라는 말의 번역을 “우아한”이 아닌 “예쁜”이라고 채택한 작명센스가 돋보이는 작품이라고 생각한다.

대부분의 사람들이 숫자를 싫어한다는 것은 잘 알지만 숫자 이야기를 좀 해야겠다. 예쁜꼬마선충은 959개의 세포로 이루어진 1mm 정도 되는 다세포생물이다. 꼬마선충은 알에서 깨어난 후 L1, L2, L3, L4의 네 유생 시기를 거쳐 성체가 된다. 성장에 적합한 온도는 15℃에서 25℃정도이고, 알에서 성체가 되기까지 걸리는 기간은 20℃에서 대략 3.5일 정도이다. 수컷이 존재하지만 대부분 자웅동체이며 자웅동체인 성체는 평생 320개의 정자와 1000개 이상의 난자를 생산하기 때문에 한 마리의 성체가 320마리의 자손을 낳을 수 있다.

꼬마선충의 유전체는 1998년 다세포생물 중 가장 먼저 해독됐다. 게놈프로젝트 결과 꼬마선충은 9700만 쌍의 염기서열을 가지고 있고, 1만9천 개 이상의 유전자를 지니고 있음이 밝혀졌다. 사람의 유전자 수가 2만 5천 개 내외로 추산되고 있으니 이 조그만 벌레는 상당히 많은 유전자를 지니고 있는 셈이다.

예쁜꼬마선충은 토양 세균을 먹고 사는데 실험실에서는 대장균을 먹인다. 몸이 투명하기 때문에 현미경을 이용해서 자세한 관찰이 용이하고, 유지가 매우 쉬우며 많은 수의 자손을 매우 빠른 시간에 얻을 수 있다. 이러한 특징은 대부분의 유전학적 모델동물들이 공유하는 것이다. 하지만 꼬마선충에겐 뭔가 더 특별한 것이 있다.

세포의 족보

시드니 브레너가 동물의 신경계와 발생을 연구하기 위한 모델동물을 찾아 다니던 무렵에 도허티(Ellsworth C. Dougherty)에 의해 연구되던 꼬마선충이 그의 눈에 들어 왔다. 1948년 네이처지에 실린 도허티 교수의 글에는 선충이 가진 유전학 모델동물로서의 장점이 잘 요약돼 있다.

▲ 설스턴이 직접 그린 세포계보지도의 일부.

지난 글에서 소개했듯이 시드니 브레너가 열심히 선충의 유전자 지도를 완성하고 있을 때 존 설스턴 (John Sulston)박사는 암실에 틀어 박혀 무언가를 열심히 그리는 중이었다. 훗날 노벨상을 받고 인간유전체 해독을 지휘하게 될 이 과학자는 무려 일년 반을 암실의 현미경 앞에서 보내면서 작은 벌레의 알을 들여다보는 지루한 작업을 계속 했다. 무려 일년 반이었다.

이유는 단순했다. 하나의 세포인 꼬마선충의 알이 분열하는 모습을 하나의 지도로 완벽하게 기록하기 위해서였다. 일종의 세포지도(cell map)를 그리는 일이었다. 사실 설스턴의 작업은 세포지도라는 말보다는 세포계보(cell lineage map)라는 말이 정확하다. 하나의 세포가 분열하면서 개체가 되는 발생의 과정을 인간의 족보처럼 기록하는 작업이었기 때문이다.

꼬마선충의 성체는 크기가 크기 때문에 이미 호비츠(Robert Horvitz)와 같은 과학자에 의해 세포지도가 완성돼 있었다. 하지만 알은 작고 접근하기 어려운 대상이었다. 설스턴 이전에 다른 실험실에서 사진기를 이용해 알의 세포계보를 그리려는 시도를 했지만 모두 실패한 뒤였다. 설스턴은 현미경 앞에서 직접 손으로 그리는 방법을 택했다.

알은 입체적으로 생겼기 때문에 그는 위쪽의 세포들을 붉은색으로 가운데는 초록색으로 아래쪽은 검은색으로 그리는 방법을 사용했다. 하루에 몇 시간씩 5분 간격으로 세포를 그려나간 그는 쉬는 시간에는 루빅스 큐브를 맞추며 시간을 보냈다고 한다. 일년 반의 시간을 보낸 끝에 14시간의 발생기간 동안 671개의 새로운 세포가 탄생하고 113개의 세포가 사멸하는 과정을 지켜볼 수 있었다. 그의 무모한 노력이 결국 다세포 생물 최초로 완벽한 세포계보지도를 완성하게 한 것이다. 가끔은 잔머리를 굴리는 것보다 무식한 것이 낫다. 게다가 이 정도라면 환원주의적 연구도 꽤나 할만하지 않은가?

작은 인간

다세포 생물 중 최초로 유전체 해독이 완료됐고 완벽한 세포계보지도가 완성된 생물 종, 게다가 예쁜꼬마선충은 모든 뉴런의 연결지도가 완성돼 있는 종이기도 하다. 단세포생물인 대장균과 효모를 제외하고 인간에 가장 가까운 종들 중에서 우리가 가장 많은 정보를 가지고 있는 종이 바로 꼬마선충이다. 이 말을 바꿔 표현하면 우리가 그 복잡성을 정복할 가능성이 가장 높은 최초의 다세포 생물이 꼬마선충이라는 말이 된다.

▲ 세포계보지도. 그림은 전체 지도의 일부분이다.

꼬마선충이 모델동물로 사용되던 최초의 시기에는 많은 비판들이 있었다. 이미 초파리라는 잘 정립된 시스템이 있었던 데다가 그냥 조그만 튜브같이 생긴 벌레를 가지고 복잡한 행동이나 신경생물학적 연구를 한다는 것 자체가 의문이었기 때문이다. 하지만 959개의 세포 중 3분의 1인 300여 개의 세포가 신경세포로 알려지고 많은 행동학적 돌연변이와 신경계 돌연변이가 밝혀지면서 이러한 비판은 줄어들기 시작했다.

여전히 어떤 생물학자들은 “벌레는 벌레일 뿐이라”고 말하지만 설스턴 같은 과학자는 “벌레는 작은 인간”이라고 말한다. 벌레에 존재하는 유전자의 40%가 인간에도 존재하기 때문이다. 사실 벌레로 연구하고 있는 분야의 광범위함을 보면 “벌레 같은”이라는 표현을 주저하게 될지도 모른다.

먼저 브레너와 설스턴, 호비츠에게 노벨상을 안겨 준 세포사멸(programmed cell death) 연구가 선충으로부터 시작됐다. 세포사멸연구는 발생뿐 아니라 노화 및 암 연구에도 매우 중요한 기반이 된다. 여러분의 손가락이 세포사멸이라는 현상 없이 5개가 될 수 없다고 말하면 조금 쉽게 이해가 갈 듯싶다.

무려 3분의 1의 세포를 신경세포로 가진 동물인지라 대부분의 꼬마선충 연구자들은 신경생물학자들이다. 브레너가 꼬마선충을 선택한 이유도 신경생물학을 연구하고 싶었기 때문이다. 벌레의 근육은 인간과 거의 유사한 구조로 돼 있다. 근육 연구도 벌레를 통해 인간에 직접 적용할 수 있는 연구 중 하나다.

최근 들어 벌레연구자들이 집중하고 있는 분야는 “노화”연구다. 오래 살고자 하는 인간의 욕구는 끝이 없다. 사실 벌레에서 많은 장수와 관련된 유전자들이 발견됐다. 그리고 벌레에서 밝혀진 유전자들이 다시 초파리에서, 쥐에서 연구되고 있다. 노화와 더불어 선진국에서 많은 문제가 되고 있는 “비만”도 벌레를 통해 연구할 수 있다. 지방대사와 관련된 벌레의 유전자들의 기능연구는 인간의 비만에 대한 더 깊은 이해를 제공할 수 있다.

사실 벌레는 벌레일 뿐이지만 벌레로부터 시작한 과학적 발견들이 현재 쥐나 인간에서 연구되고 있는 것도 자명하다. 세포사멸의 연구가 벌레로부터 시작한 대표적인 연구지만, 노화나 비만 연구도 벌레에서의 연구가 매우 중요한 역할을 했다. 하지만 벌레를 빼놓고는 절대로 이야기 할 수 없는 발견이 하나 있다. 그것이 바로 마이크로RNA, 미르(miR)의 발견이다.