생물학 분야에서 물리학자들이 이룬 진전

[출처 : 사이언스 : 1996년 05월 03일]

바람이 세차게 몰아치던 3월에 이 곳 세인트 루이스에서 최근의 과학 회의가 열리는 동안, 이고르 보디야노이는 점심 식사를 하기위해 걸어가면서 분자 생물학의 성공에 대해 유쾌한 대화를 나누었다. 그때 누군가 세포가 어떻게 기능을 하는지에 대한 일반적인 이해가 멀지 않았다고 주장하였는데, 구조에 따라 독특한 기능을 하는 단백질에 관한 기본적인 사실들은 이미 여러 교재에 나타나 있다. 보디야노이는 걸음을 멈추고는 검지 손가락을 들면서 "분자로부터 생체막에 이르는 모든 세포 구성물질들이 어떻게 상호작용하는지 그 작용 메카니즘에 대해서는 전혀 이해하고 있지 못하다."라고 말했다. 그리고 "그것을 이해하기 위해서는 물리학을 이해할 필요가 있다."고 덧붙였다.

미국 해양 연구소의 런던 사무소에 있는 보디야노이와 그의 동료들은 미국 물리학회의 회의에 참석하였는데, 이 곳에서 그들은 생물학분야에 물리학자의 사고가 절실하게 필요하다는 생각이 공감대를 형성하고 있는 것을 확인하였다. 생물리학에 관한 여러 차례의 회의에서 물리학과 생물학을 전공한 연구자들에 의해 발표된 수 십 편의 논문들에, 물리학의 특징인 보편적인 역학 법칙과 구체적인 예측이 생물학에도 필요하다는 주장이 제기되고 있다. 예를 들면, 생화학에서 이용되는 일반적인 작업계획－정확한 분자의 구조 결정에 이은 그것의 기능에 대한 정성적인 추론－이 분자들의 상호 작용 방식에 관해 미묘한 것들을 너무 빈번하게 놓치고 있다. 마침내, 밴쿠버에 위치한 브리티시 콜럼비아 대학의 생물리학자인 에반 에반스는 "우리는 필요한 거의 모든 단백질의 구조에 대해 알게될 것이지만 어떻게 기능을 하는 지에 대해서는 알 수 없을 것이다."라고 말한다.

회의의 안팎에서 생물학자들은 구조의 이해는 극히 중대한 일이며 이것이 이루지지 않으면 더 이상의 분석은 어려울 것이라고 맞선다. 생명의 보편적인 법칙을 발견하는 것보다 발견했다고 말하는 것이 쉬운 일이다. 하버드 의과 대학의 세포 생물학자이며 암 연구가인 앤드류 매니오티스는 실제로, 물리학자들은 생물계의 복잡성에 대해 지극히 단순하기 때문에, 생물학적으로 의미가 없는 한정된 예측만을 발표한다고 말한다. 그러나 매니오티스와 다른 사람들은 생물학이 메카니즘에 초점을 맞추는 것이 유리하리라는데 동의한다. 부르크헤이븐 국립 연구소의 구조 생물학자이며 생물리학자인 월터 만젤은 물리학자들이 새롭게 주목하는 것은 "매우 환영할 만한 일이다."라고 말한다.

이 회의에서 생물리학자들은 어떻게 물리학자의 관점이 세포막에 존재하는 수용체의 동역학에서 발생과정동안 세포의 이동을 지배하는 확산의 법칙에 이르는 생물계의 범주에 새로운 인식을 가져올 지를 증명해 보임으로써 그들이 제공할 수 있는 것을 자랑해 보이기를 원했다.

물리학자들은 단순화와 정량적인 예측을 위해 노력하는 반면에, 생물학자들은 복잡한 계를 이해하기 위해 관련된 여러 현상들을 구상하는 경향이 있다는 사실이외에 두 학문 분야의 세계관을 정확하게 구분하는 것에 연구자들은 항상 동의하지는 않는다. 그러나 그 차이를 이해하는 것은 한 눈에 흙받기와 톱을 구별하는 것만큼 쉬운 일이라고 연구자들은 말한다. 세포가 어떻게 서로 나란하게 놓이게 되는 지에 대한 이론적인 연구가 이런 경우에 해당되는데, 물리학자의 연구 방법이 아주 분명하게 나타난다.

로스엔젤레스에 있는 캘리포니아 대학의 로빈 브루인스마에 의해 회의에서 발표되었으며 컬리지 파크에 있는 메릴랜드 대학의 다니엘 주커만과 공동으로 연구를 수행한 연구는 세포막에 존재하는 "자물쇠-열쇠"라고 불리우는 분자들 사이의 상호작용에 초점을 맞추고 있다. 이 분자들에 의해 어떤 세포들은 서로 결합하게 되는데, 이러한 기능은 면역 반응, 정상 조직의 발생, 암의 전이와 다른 생리적인 과정에 중요하다. 예를 들면, 세포막의 동역학은 킬러 T 세포가 식세포에 결합하는 방법에 대한 "극적인" 효과를 보여준다고 브루인스마는 말한다. 이 결합은 일종의 이동 쓰레기수거 트럭 역할을 하는 식세포가 박테리아를 흡수하고 특이한 분자("열쇠")를 세포 표면에 발현한 후에 일어난다. 일단 열쇠가 표면에 노출되면, T 세포 표면에 존재하는 "자물쇠" 안으로 끼어들어가서 식세포의 내용물을 파괴하는 화학물질을 분비하도록 신호를 보낸다. 그러나 이들 자물쇠-열쇠 분자에 의해 유발된 단거리에서 작용하는 힘, 또는 "결합력"은 세포 표면에 존재하여 결합을 방해하는 당단백질 분자에 의해 장거리에서 작용하는 반발력에 의해 평형을 유지한다.

어떻게 T 세포가 서로 반대되는 힘과 제한된 수의 수용체에 의해 식세포와 그렇게 강한 결합을 할 수 있을까? 초기의 연구는 열쇠-자물쇠 분자를 균일하게 분포된 "접착제"로 간주하였으나 브루인스마와 주커만은 그 분자들이 세포막의 표면을 따라 미끄러져 움직일 수 있다고 보고한다. 당단백질에 의해 세포가 서로 분리됨에 따라 세포막이 구부러진 "옴폭 들어간 곳"을 형성하며, 열쇠-자물쇠 분자들이 이 옴폭 들어간 곳의 가장자리로 미끄러져 모여 들어 세포막이 가까와진다.

연구팀은 수학적으로 열쇠-자물쇠 분자들이 독특한 종류의 2차원적인 "플라즈마"나 이온화된 기체와 같이 행동한다는 것을 발견하였는데, 모든 입자들은 다른 모든 입자에 대해 분명한 결합력을 지닌다. 옴폭 들어간 곳의 가장자리로 결과적인 분자들의 와해는 세포가 의지할 수 있는 강한 발판을 제공해 주는데, 이는 각각의 연접의 배열보다 더 강력한 로우프와 같은 결합으로 각각은 쉽게 떨어져나갈 수 있다고 에반스는 설명한다. 그는 실험에 의해 세포내에서 이러한 효과를 찾을 수 있을 것이라고 말한다. 브루인스마는 "생물학자들은 개별적으로 특정한 형태의 결합 분자등에 대해 연구를 하였다."라고 말한다. "우리는 세포 결합의 유전적인 특징을 찾으려고 하였으며 이론 물리학의 관점으로부터 매우 흥미로운 문제점들을 발견하였다." 유사한 결합이 여러 종류의 감염된 세포에서도 나타나기 때문에 그것은 생물학자들에게도 매우 중요한 결과이다. 그리고 산타 바바라에 위치한 캘리포니아대학의 생물리학자인 사이러스 사피냐는 암의 전이와 같은 어떤 질병들은 세포가 충분하게 결합하지 않은 경우에 나타난다고 덧붙인다.

전기적인 결과

물리학자의 세계관은 세포막의 다른 중요한 기능들에 대해 새롭게 인식하도록 하였다. 예를 들면, 회의에서 보디야노이는 메릴랜드주 베데스다에 위치한 국립 보건원에 있는 그의 공동 연구자인 세르게이 베즈루코프가 수행한 연구결과를 발표하였는데, 이 연구는 실제로 모든 살아있는 세포에 존재하는 이온 통로라고 하는 막을 통해 이온들을 운반하는 단백질에 초점을 맞춘 것이다. 이 통로들은 세포의삼투압 조절에서 신경을 따라 신호를 전달하는 과정에 이르는 모든 세포의 활동을 조절한다. 베즈루코프와 보디야노이에 의해 연구된 이러한 종류의 통로들은 개폐기라고 불리는데, 막을 사이에 두고 작용하는 전기장에 대해 개폐가 확률론적으로 또는 예측불가능하게 이루어지기 때문이다.

어떤 경우에는, 이 통로들은 극히 미세한 전기장의 변화에도 반응한다. 예를 들면, 상어는 오직 먹이가 발생시키는 신호를 효과적으로 "증폭"시킴으로써 더 강한 전기적인 잡음의 배경가운데에서도 먹이의 아가미 개폐에 의해 유발된 미소한 주기적인 전기장을 감지할 수 있다. 인공적으로 만들어진 기구는 오직 액체 질소의 온도에서만 그러한 고도의 동작을 할 수 있다고 보디야노이는 말한다. "그리고 상어가 단순히 유영을 하고 있도록 한다면, 감각기관에 존재하는 통로들이 여하튼 미소한 전기장을 감지할 것이다."라고 덧붙인다.

베즈루코프와 보디야노이는 그러한 민감도의 원리를 이해하기 위해 연구에 착수하였는데, 이들은 조심스럽게 조절된 실험 모델로 하나의 생물계를 이용하였다. 작년 말에 네이쳐에 보고된 실험에서, 그들은 전해질 용액을 분리하고 있는 인조막에 삽입된 이온 통로 단백질들에 대해 연구하였다. 그들은 인조막에 주기적으로 작은 전기장을 걸어주었는데 독립적인 잡음의 전기장의 세기를 증가시킴에 따라 신호의 증폭－이온 통로를 통해 운반된 이온 전류에 의해 측정된－이 거의 기하급수적으로 증가한다는 것울 발견하였다. 다시 말하면, 잡음이 커질 수록 전기장을 감지하는 막의 능력이 더 크다는 것이다. 확률론적인 공명이라고 하는 이런 반직관적인 현상은 오래전 부터 더욱 더 복잡한 생물계에서 이미 확인되었는데, 세인트 루이스에 있는 미주리 대학의 프랭크 모스－가재가 꼬리에 의해 움직임을 감지하는 것에 대해 연구해온－에 의해 이루어진 선구적인 연구로 2년 전에 다시 시작되었다.

그러나, 모스는 베즈루코프-보디야노이의 방법으로 "누구나 실제로 막의 수준에서 정량적인 연구를 시작할 수 있을 것이다." 라고 말한다. 그리고 아마도 결국에는 그러한 효과를 나타내는 분자적인 원리를 규명해줄 것이다. 회의에서 보디야노이는 증폭이 나란히 위치한 통로사이의 상관관계에 의존하며, 또한 변동하는 광범위한 전압에 대한 개폐기의 민감도에 의존한다는 것을 제안하는 새로운 컴퓨터 모의실험에 대해 간단하게 묘사하였다. 아주 미세한 잡음에 대한 이러한 의존성은 동역학에 대한 중요한 단서가 된다고 연구자들은 말한다.

베즈루코프와 보디야노이가 세포의 감각능력을 연구한 반면에, 다른 생물물리학자들의 세포 이동에 대한 연구는 제자리에 머물고 있었는데, 특히, 발생중인 생물에서 여러 그룹의 세포가 저마다의 적당한 위치로 이동하는 배발생의 복잡한 과정에 대한 연구는 진전이 없었다. 이 과정은 제임스 글래지어가 이끄는 노트르담 대학의 연구팀에 의해 자세하게 연구되고 있는데, 이 연구팀에는 아르피타 우파드햐야, 이 지앙, 호세 몸바흐가 참여하고 있다. 배발생의 특정한 시기에, 세포들은 "임의의 이동"을 하는 것으로 생각된다. 세포들은 최소의 에너지 상태에 도달할 때까지 임의의 방향으로 이동하는데, 이 상태는 세포들이 서로 접촉할 때, 매우 상이한 세포들이 서로 어떻게 결합하느냐에 따라 결정된다고 글래지어는 말한다. 그러나 지금까지 아무도 그 과정을 자세하게 밝혀내지 못하였다.

글래지어는 "모든 사람들이 브라운 운동－임의의 방향으로의 세포의 확산운동－에 대해 말한다. 그러나 누구도 그것을 정량적으로 확인하지 못하였다." 라고 전한다. 그의 연구 그룹은 단지 닭의 배에서 추출하여 염색한 신경 망막 세포의 시간경과에 따른 VCR 영상을 디지털화한 자료를 분석하였다. 그들은 실제로 눈의 뒷쪽으로부터 짙게 염색된 세포가 용액 속에 존재하는 분자처럼 신경 세포가 섞여 있는 사이를 통하여 화산되는 것을 발견하였다. 이론 생물학자들은 이러한 특별한 종류의 "세포 분류"가 배발생의 특정한 단계에서 우세하게 나타날 것이라고 가정하였다. 현재 글래지어는 2차적인 세포 분류의 메카니즘으로 주화성－세포가 물질을 향해서 이동하거나 물질로 부터 멀어지려는 경향－을 포함함으로써 발생의 일반적인 모델을 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.

글래지어는 기포와 거품에 대한 연구로 잘 알려진 물리학자인데, 생물계에서 물리학 실험을 한다는 것이 생소한 문제를 야기할 수 있다는 사실을 인정한다. 그는 "생물학은 물리학보다 친절하지 않다." 라고 말한다.

연구에 있어서의 협력

그러나 그러한 논쟁은 생물을 구성하는 거대분자에서 이루어지는 공조 효과에 관한 회의에서 첫 발표자로 나선 세인트 루이스에 위치한 워싱턴 의과 대학의 엔리코 디 세라에게는 문제가 되지않았는데, 그는 생물학을 전공였지만 정량적인 원리를 받아들이고 있다. 디 세라는 트롬빈에 대한 연구를 수행하고 있는데, 이 단백질은 사람에서 혈액의 응고를 유발하는 일련의 과정에서 중요한 역할을 하는 효소이다. 그는 구조적인 표지와 돌연변이 실험의 조합에 의존하는 생화학적인 연구에 만족하지 못하고 있는데, 그 이유는 이러한 방법에 의해서는 구조와 기능의 관계에 대해 "아주 피상적인 이해"만 가능하기 때문이다. 예를 들면, 펩타이드에 특정한 돌연변이가 발생하면 그것의 활성도 변하게되는데, 이것은 단백질에서 그 부분이 나타내는 기능에 대해 알려준다. 그러나 이것은 돌연변이가 발생한 부분의 작용이 단백질상의 다른 부위가 전체 분자에 미치는 영향을 반영하는지에 대해서는 어떠한 정보도 제공해 주지 못한다.

그러한 "공조"는 트롬빈과 같이 거대한 분자에서는 일반적이며, 한 부위에 다른 원자나 분자가 결합하게 되면 전체 분자에 걸쳐 구조의 변화를 유발하고 다른 부위에서의 결합력에 영향을 준다. 실제로, 이러한 하나의 구조적인 변화가 트롬빈의 기능에 급격한 변화－혈액응고의 촉진기능에서 그것을 저해하는 기능으로－를 유발한다.

이러한 공조역할을 이해하기 위해서, 디 세라는 워싱턴 대학의 게리 에이커즈와 다른 사람들에 이루어진 연구에 의존해 거대 분자상의 두 부분에서의 결합 에너지를 연관시킬 수 있는 정확한 열역학적인 이론을 고안하였다. 엔진의 실린더 내부의 압력과 부피－서로에 대해 의존적이며 가해진 온도와 같은 제3의 한정 요인에 의존적이다－와 같이, 한 부위에서의 결합 에너지는 다른 부위의 상태와 분자를 구성하는 다른 부분의 조건에 의존적일 수 있다. 디 세라는 한 분자에 존재하는 한 쌍의 활성 부위에서 이루어진 측정값으로 부터 에너지 도표를 작성함으로써 수학적으로 보여주었으며 각 부위 사이에서 이루어지는 상호작용의 정확한 특성을 밝혀낼 수 있다.

현재 그와 의료 센터의 쿠오크 당, 엔리퀘스타 귄토, 알레산드로 빈디그니를 포함한 여러 공동 연구자들은 고안된 형식을 트롬빈에 대한 실험에 적용하려 하고 있다. 그들은 분자의 현저한 구조적인 변화가 분자상의 특정한 부위에 나트륨 한 분자의 결합에 의해 조절된다는 것을 발견하였다. 이것은 분자상의 한 부위와 나머지 부분의 공조를 뚜렷하게 보여준다. 그러한 연구는 트롬빈의 활성 부위를 막음으로써 심장마비를 방지할 수 있는 항응고제에 대한 연구를 향상시킬 수 있을 것이라고 펜실바니아주 웨스트 포인트에 위치한 머크 연구소에서 기초 연구 분야의 책임자로 있는 쥴리스 샤퍼는 말한다. 그러나 샤퍼는 대다수의 생화학자가 복잡한 일반적인 형식에 열중할 만한 충분한시간이 없다고 말한다.

아리조나 주립 대학의 제임스 루이스는 이번 회의에서 생체 구성물질에 양자 역학을 적용하는 문제에 대해 발표하였는데, 그는 결국 생물학자들이 그들의 분야에 대한 이러한 침입을 반가와할 것인지는 물리학자들이 초기의 "깨어진 약속"을 만회할 수 있느냐에 따라 좌우될 것이라고 말한다. 루이스는 30년 전 만해도 그의 전문분야에서 "공론은 '우리는 당신이 분자 역학, 더 정확하게 전자 구름의 상호작용과 같은 문제처럼 해결할 수 있다고 생각할 수 있는 여하한의 생물계에 대해 크랭크를 돌릴 수 있어야 한다.'는 것이었다." 라고 말한다. 물리학자의 희망대로 결과가 나타나지 않았는데, 주된 이유는 유용한 계산 능력이 매우 부족했기 때문이라고 콜럼비아 대학의 로버트 프리스너는 말한다. 그러나 그와 다른 사람들은 히드웨어와 소프트웨어의 발전에 따라 현재 물리학이 생물학에 중요한 기여를 하고 있다고 주장한다.

그러한 생각들이 생물학에서 어떻게 받아들여 지든지, 그들은 몇가지 흥미있는 여러 물리학분야를 낳았다고 산타 바바라에 위치한 캘리포니아 대학에서 브루인스마의 공동연구자로 있는 필립 핀커스는 말한다. "당신은 이 두꺼운 생화학책 중에 하나를 집어들어 책장을 넘기면 거의 모든 페이지에서 대부분 연구되지 않은 흥미로운 물리학의 문제를 발견할 수 있을 것이다." 라고 그는 말한다.

결국 물리학은 넓게 열린 생물리학의 새로운 영역으로 부터 적어도 생물학이 이룬 만큼 얻는 바가 있을 것이다.

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최종 수정일 1996년 10월 26일
배병훈 한국과학기술원 물리학과 뇌 과학 연구실
E-Mail : bhbae@mul5.kaist.ac.kr