광합성에서 시작, 인간 생명 연장을 꿈꾸다

과학기술

광합성에서 시작, 인간 생명 연장을 꿈꾸다
[기상천외한 과학자들의 대결] (40) 로버트 후버와 다이젠 호퍼, H 미헬

2021.06.28 09:00 김은영 객원기자

지구의 생명체에게 태양은 절대적인 영향력을 주는 존재다. 녹색 식물은 태양의 빛을 통해 스스로 필요한 양분과 에너지를 만들어낸다. 동물은 식물을 통해 영양분을 획득하고 이 모든 것은 순환과정을 거쳐 결국 인간이 사는 원동력이 된다. 이처럼 식물이 태양의 빛을 통해 유기영양과 에너지를 만들어내는 광합성 작용은 지구의 생태계를 이루는 기본 조건이라 할 수 있다.

로버트 후버, 하르트무트 미헬, 다이젠 호퍼는 식물의 광합성과 동물의 광합성은 무슨 차이가 있을까를 궁금해했다. 환상적인 호흡을 갖춘 이들은 세균의 광합성 작용에 의한 단백질 분자의 3차원 구조를 밝히며 식물의 광합성이 세균의 광합성과 유사하다는 것을 밝혔다.

단백질의 분자와 생화학적 구조를 규명하는 것은 다양한 미지의 질병을 해결하는 열쇠다. 광합성 연구를 통해 생명 연장, 노화 예방과 불치병, 난치병 치료에 새로운 길이 열리게 된 것이다.

광합성 작용에 관여한 단백질 구조 결정에 성공한 세 사람

로버트 후버, 하르트무트 미헬, 다이젠 호퍼, 이들 세 사람은 나란히 1988년 노벨화학상 수상의 영예를 안았다. 이들의 공동 연구를 통해 그동안 규명되지 않았던 광합성 작용에 필요한 단백질 반응센터의 구조를 결정했기 때문이다. 광합성에 연관된 단백질은 세포에 영양을 전달하고 호르몬 활동 등 생체의 중추 작용과 관련이 있다. 이들의 연구는 인공적인 광합성이라는 중요한 에너지 기술을 끌어내고 지구에서 가장 중요한 화학반응을 이해하는데 크게 기여했다.

단백질 결정학의 세계적인 권위자 로버트 후버 박사. ⓒ 김은영/ ScienceTimes

이들 연구의 중심에는 하르트무트 미헬(Hartmut Michel, 1948~)이 있다. 미헬은 할로박테리아에서 단백질과 유사한 세균의 일종인 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin)을 발견했다. 이후 미헬은 박테리오로돕신의 단백질 막을 결정하는데 열중했다. 당시 모두 단백질 막을 결정하는 것은 불가능하다고 했던 시기였다.

미헬은 박테리오로돕신을 빛에 의한 세포 배양을 하는 연구를 시작하고 이 연구로 박사학위를 받는다. 더욱 박테리오로돕신에 집중하고 싶었던 미헬은 모두가 불가능하다고 고개를 저었던 막 단백질 결정화에 매진한다. 그 결과 박테리오로돕신의 단백질 막을 2차원 결정에 이어 3차원 입체로 얻을 수 있게 된다.

사진=보라색 박테리아(purple bacteria). 로버트 후버, 하르트무트 미헬, 다이젠 호퍼는 보라색 박테리아에서 광합성에 필요한 막 단백질을 결정화한 후 X선 결정학을 적용해 단백질의 구조를 밝혀냈다. ⓒ위키미디어

로버트 후버(Robert Huber, 1937~) 박사와 다이젠 호퍼(Johann Deisenhofer, 1943~) 박사는 독일 막스플랑크 연구소에서 함께 골수종 단백질 연구를 하면서 광합성 작용에 관여하는 단백질 구조를 밝히고자 했다. 이들이 원한 것은 광합성 작용의 단백질 분자에 대한 3차원적 결정 구조였다.

로버트 후버 박사는 미헬 박사에게 자신들의 공동 연구에 참여해달라고 제안했다. 미헬 박사는 광합성 작용에 의한 단백질 결정구조를 얻는 것은 처음 시도하는 것이라 쉽지 않으리라 생각하면서도 이들과 의기투합해 단백질 연구에 매진하게 된다.

생명 연장의 꿈, 이제 꿈만은 아닐 수도

로버트 후버는 생명체의 구조를 파악하기 위해 일생을 바쳤다. 물질의 구조를 알아낸다는 것은 물질의 성질을 이해하기 위한 가장 기초적인 연구 중 하나라 할 수 있다. 후버 박사는 빌헬름 뢴트겐의 X선을 이용해 복잡한 단백질 원자 구조를 결정하는 데 성공한다. 그는 세계적인 단백질 결정학의 권위자로 성장했다.

1만 개의 거대한 단백질 원자에서 막을 떼어내 순수한 결정으로 만들 수 있게 한 데에는 로버트 후버 박사의 도움이 컸다. 후버의 연구소는 처음부터 단백질 결정학에 방법을 찾아내는데 최적의 시스템과 장비를 갖추고 있었기에 빠른 연구 성과가 나올 수 있었던 것.

하르트무트 미헬 독일 프랑크푸르트대학 교수. ⓒ web.archive.org

이들은 노벨상 수상 이후에도 단백질 관련 연구 활동을 하며 계속 왕성한 과학 활동을 이어나가고 있다. 다이젠 호퍼는 미국 텍사스대학교 하워드슈즈의학연구소 교수로 재직하며 생명공학 연구에 힘쓰고 있다. 그는 세포막 단백질 구조의 비밀을 밝히는 것에 따라 인간 생명 연장의 꿈을 실현할 수 있는 핵심이 되리라 전망했다.

로버트 후버 전 독일 뮌헨 공과대학 교수는 강연과 바이오산업을 지원하고 있다. 후버 교수를 만난 것은 4년 전 2017년 노벨 프라이즈 다이얼로그(Noble Prize Dialogue Seoul 2017)에서였다. 그는 당시 81세라는 고령에도 매일 자전거로 26km를 달리고 여름에는 호수에서 수영을 즐기는 건강한 모습이었다.

후버 교수는 단백질 연구를 비롯한 유전학 분야의 연구가 조만간 노화를 극복하는 방법을 찾을 것으로 봤다. 그는 단백질 분석, 유전자 연구 분석을 통해 노화를 멈추거나 늦출 수 있는 방법을 찾고 있다며 단백질 분석 연구가 앞으로 노화 분야를 비롯해 다양한 의학 분야에 응용될 수 있다고 말했다.

과학자들은 앞으로 과학기술의 혁신으로 인간의 수명이 100살을 넘어 150살로 늘어나리라 전망하고 있다. 단백질 연구는 인간 수명을 밝히는 초석이다. 이들의 연구를 토대로 인간 단백질 구조가 더욱 많이 밝혀진다면 ‘불로장생’이라는 인간의 꿈은 꿈이 아니라 현실이 될 수도 있을 것이다.

(3220)