“과학자가 가져야 하는 중요한 소양 중 하나가 호기심이라고 생각해요. 제가 연구를 계속 할 수 있는 동력 역시 호기심이죠. 매 순간 모든 현상들이 정말 궁금해요. 이번 연구 역시 마찬가지였어요. ‘치매는 왜 일어날까’라는 호기심에서 시작했거든요. 몹시 궁금하다보니 꿈에까지 나와요. 학생들에게도 이야기 하죠. 세상에 대한 궁금함이 없으면 과학하지 말라고요. 모든 일에 ‘왜’를 제기하지 않은 채 연구해야 한다는 건 정말 힘들거든요.”

어린 시절부터 호기심이 강해 과학자가 된 함시현 교수. 그의 호기심이 일을 냈다. 전 세계적인 관심사항으로 떠오른 단백질 응집현상에 대해 새로운 아이디어를 제시하며 기존의 한계를 극복할 방법을 제안한 것이다.

물과의 상관관계로 시작한 연구

단백질 응집현상은 현대 의학에 있어 매우 중요한 사항이다. 최근 발병 사례가 증가하고 있는 치매와 파킨슨병, 제2형 당뇨병, 암 등 많은 질병이 생체 내 단백질 응집으로 인해 유발되는 것으로 알려져 있기 때문이다.

단백질 응집 질환을 이해하고 치료하는데 있어 가장 중요한 문제는 단백질 응집의 근본 원인을 규명하고 제어하는 방법을 개발하는 것이다. 함시현 숙명여대 교수는 이러한 원인을 밝혀 세계 학회의 주목을 받았다. 단백질 응집현상의 새로운 원인을 밝혀 질환의 원인 뿐 아니라 단백질 의약품 개발의 걸림돌이 되는 단백질 응집성향을 정확히 예측할 수 있도록 한 것이다.

단백질 응집현상이란 단백질이 비정상적으로 축적되면서 응집체를 형성하는 현상을 의미한다. 단백질이 비정상적으로 응집될 경우 독성을 띨 수 있으며 이러한 독성 응집체는 주변 세포들의 기능 장애를 유발하고 세포사멸을 초래해 질환으로 이어질 수 있다.

“단백질 응집현상은 다양한 퇴행성 신경질환뿐 아니라 제2형 당뇨와 암 등 여러 질환의 공통된 원인으로 알려져 있습니다. 때문에 차세대 의약품 개발에 있어서도 단백질 응집현상은 매우 중요한 사안이에요. 단백질 과발현에 의한 응집물 형성이 신약개발의 걸림돌로 작용하거든요.”

단백질 신약개발은 차세대 신약에 있어 가장 큰 화두로 떠오르고 있다. 하지만 신약후보물질인 단백질이 응집함에 따라 제 기능을 다하지 못해 문제가 되곤 했다. 이에 따라 응집하지 않는 단백질을 디자인하고 개발하는 것은 매우 중요한 과제가 됐다.

“현대 의과학기술의 가장 큰 난제로 떠오른 것이 단백질 응집 질환이에요. 우리 몸은 수많은 단백질로 구성돼 있죠. 그런데 이 단백질들이 서로서로 응집을 하면 독성을 띠면서 세포에 좋지 않은 영향을 끼칩니다. 물에 녹지 않는 불완전 응집체가 되기 때문이죠. 응집됨으로써 어떤 신체의 기능이 떨어지면 질환으로 이어지게 되는 거예요. 예를 들어 뇌에서 이러한 현상이 발생하면 뇌세포가 죽어가 치매로 이어지고, 때론 제2형 당뇨, 또 어떨 때는 파킨슨병과 암까지도 유발하게 되죠.”

함시현 교수팀이 가진 가장 큰 화두는 ‘단백질이 왜 뭉칠까’에 대한 것이었다. 그리고 어떻게 하면 응집현상을 막을 수 있을지 스스로에게 질문했다. 이는 이번 연구의 핵심 주제로, 연구팀은 단백질이 응집하는 중요한 원인을 찾을 수 있었다.

함시현 교수팀의 연구가 주목을 받는 이유는 기존 연구와 달리 보다 통섭적인 시각을 제시했기 때문이다. 기존의 연구자들은 대부분 단백질 자체 특성에 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 단백질을 구성하는 아미노산의 배열이 어떻게 돼 있는지, 내부 속성은 무엇인지 등에 대해 연구 초점을 맞춘 것이다.

하지만 기존의 방법은 단백질 응집원리를 통합적으로 보지 못해 근원적 해결책을 제시하지 못한다. 단백질이 주로 접촉하는 환경은 간과한 채 단백질만을 연구하는 것은 전체를 보지 못해 오류를 범하는 것과 유사한 결과를 갖는 것이다.

“우리 연구팀은 기존의 단백질 접근과 달리 통합적으로 시도했어요. 단백질 자체에 대한 접근이 아닌 단백질 주위의 환경까지 고려한 거죠. 우리 몸 대부분의 단백질은 물에 녹아있습니다. 때문에 단백질 응집현상에 있어 물이 중요한 역할을 하지 않을까 생각하게 됐죠. 거기서 출발한 거예요. 단백질과 물과의 상호작용으로부터 예측해보자고 결심한 후, 측정을 해보니 놀랍게도 상관관계가 뚜렷하게 있는 거예요. 90%의 정확도로 예측할 수 있었죠. 연구팀 모두 물이 그토록 중요한 역할을 한다는 사실에 놀랐습니다.”

세계 석학도 매료…“같이 연구하자” 러브콜 쇄도


예상한 것보다 더 획기적이었던 연구 결과는 함 교수 연구팀을 더욱 자극했다. 이제 응집을 막기 위한 방법을 고민해야했다. 함시현 교수는 “이것이 바로 우리팀의 연구가 갖는 의의”라며 “단백질의 초기상태가 중요하다는 것을 밝혔다. 많은 연구자들은 단백질의 초기과정은 그리 중요하게 생각하지 않았다. 때문에 응집이 이미 발생한 후 조절을 시도했지만, 연구를 통해 초기과정이 중요하다는 것을 밝힐 수 있었다”고 말했다.

뭉친 후의 조절보다는 초기 상태의 조절이 훨씬 중요하다는 것을 밝혀냈다. 그렇다면 더 나아가 어떻게 조절해야 하는지에 대한 연구가 필요했다. 그리고 이것은 함시현 교수팀의 두 번째 논문 주제이기도 하다. 첫 번째는 물과의 상호작용이 중요한 원인이었음을 이야기 한다면 두 번째는 어떻게 응집을 막을 수 있을지에 대한 부분인 것이다.

“단백질 응집을 막는 디자인을 제시했어요. 만약 디자인을 모른다면 경우의 수를 일일이 적용해야하는 번거로움이 있겠죠. 차세대 신약개발의 대부분은 단백질 신약이 차지하고 있습니다. 신약을 개발할 때 치료제로서 기능할 수 있도록 단백질을 합성하는데, 가장 큰 문제는 자신들끼리 뭉친다는 거예요. 타깃에 도달하기도 전에 응집현상이 일어나니까 문제가 발생하게 되는 거죠. 때문에 이를 막을 디자인 기술이 요구되는 것이고요. 그 핵심에도 물이 있는 것입니다. 물과의 상호작용을 어떻게 조절해야 덜 뭉칠 수 있을지 고민했습니다.”

함시현 교수팀의 연구결과는 세계의 석학들이 주목을 하고 있는 상태다. 세계 학회에 참석할 때마다 함 교수팀의 연구결과는 많은 연구자들의 관심을 끈다. 때문에 공동연구에 대한 ‘러브콜’ 역시 상당수 들어오고 있다.

하지만 그녀는 해외 연구진에 아이디어를 노출하기보다 자국의 독립적 기술로 키워 국력을 강화하는데 일조하고 싶다는 의지를 보이고 있다.

“제가 과학을 시작한 건 다양한 이유가 있지만 그 중 하나가 우리나라의 국가경쟁력이 높아졌으면 하는 마음이었습니다. 국가를 발전시키는 데에는 과학기술만큼 중요한 역할을 하는 것은 찾기 힘들다고 봐요. 좋은 신약 하나가 국가 경쟁력을 크게 높일 수 있으니까요.”

난치병 치료에 일조할 수 있는 연구결과를 달성하는 것. 더불어 그것으로 인해 개인을 넘어 나라 전체가 잘 살 수 있는 길을 제공하는 것은 함시현 교수가 과학자로서 갖고 있는 큰 비전이다.

“아버지께서 치매를 앓으셨어요. 때문에 난치병에 대해 관심이 많아지게 됐죠. 꼭 치료의 길을 열고 싶었거든요. 연구 초기에는 화학자로서 과연 어떤 연구를 할 수 있을까 싶었어요. 하지만 나노수준보다 더 작은 크기의 원자·분자수준을 공부하는 사람이니 이를 활용해 좋은 연구를 진행할 수 있을 거라 믿었죠. 실제로 좋은 결과를 얻을 수 있었고요.”

학생들은 함시현 교수를 롤모델 삼아 과학자로서의 태도를 다지고 있다. 간혹 학생들이 ‘교수님처럼 되고 싶다’는 이야기를 할 때마다 그녀는 ‘세상에 공짜는 없다’는 것을 늘 강조한다.

“이번 연구도 어려움이 많았어요. 기존에 없던 새로운 개념이다보니 심사위원들이 다들 진짜냐며 의구심(?)을 보였거든요. 새로운 발견은 늘 쉽게 받아들여지지 않죠. 그 과정도 녹록치 않고요. 학생들이 가끔 제게 와서 과학자가 되기 위한 여러 고민들을 상담해요. 그럴 때마다 호기심이 가장 중요하다고 이야기 해줍니다. 더불어 결코 쉬운 길이 아니라는 것까지요.

저는 난치병을 치료에 보탬이 되고 싶다는 개인적 비전을 갖고 계속 연구하고 있습니다. 이러한 열정과 비전을 계속 유지할 수 있도록 돕는 게 바로 호기심이죠. 궁금함이 없으면 결국 지쳐버리고 말아요. 자기 자신을 계속해서 독려하는 게 중요한데, 가장 큰 요인 중 하나가 호기심인 셈입니다. 학생들 모두 순수한 호기심과 열정으로 과학연구에 매진했으면 좋겠어요. 더불어 저는 앞으로 난치병 치료제를 개발할 수 있는 실마리를 찾도록 연구에 집중할 것입니다.”