노벨상을 받은 놀라운 발견들

이 책은 우리 몸속 세포의 탄생에서 소멸까지, 노벨상을 받은 놀라운 생물학적 발견을 흥미롭게 소개하는 교양 생물학 도서이다. 저자는 노벨 생리의학상 수상자들의 수많은 연구 가운데 14가지를 골라, 세포가 생겨나 분화하고 분열하고 일하고 소멸하는 과정에서 과연 어떤 일이 벌어지는지, 그리고 과학자들이 무엇을 발견해 노벨상을 받았는지를 상세하게 조명한다. 하나의 세포는 세포분열을 통해 수를 늘리고, 세포들끼리 소통하며, 외부에 있는 적들에 방어하고, 시간의 흐름에 따라 노화되어 가다가, 마침내 죽음에 이른다. 저자는 이러한 세포의 일생이 인간의 삶과 무척 닮았다며, 과학자들에게 노벨상을 안겨준 역동적이고 비밀스러운 세포의 일생을 흥미로운 시선으로 차근차근 들여다본다.

들어가는 말

1장 진, 마침내 태어나다 체외수정 시술의 개발
2장 단백질을 만드는 정보 유전자
3장 외로움과의 끝없는 싸움 세포분열
4장 영원한 반복 일주기리듬 (생체시계)
5장 신인류의 탄생 유전자 바꿔치기
6장 늙은 세포를 젊은 세포로 만드는 마법의 물질 역분화 인자의 발견
7장 소통 G단백질결합수용체
8장 노화, 암, 줄기세포 텔로미어
9장 세포의 합리적 선택 자살 (아포토시스)
10장 대규모 숫자와의 전쟁 항체의 다양성
11장 이웃한 세포의 운명을 결정하는 세포 집단 형성체 (신경계 형성의 비밀)
12장 다수결에 의한 민주적 의사결정 신경세포의 활동전위
13장 집단 부호화 향기
14장 인간을 인간답게 학습과 기억

나가는 말
노트
참고문헌
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“아무쪼록 이 책의 여정 끝에서 독자들이 세포의 일생에 대해 이해하고, 자신의 몸에 대해 고찰해보는 시간을 갖기를 희망한다. 더불어 자신을 존중하고 사랑하는 마음이 생긴다면 더할 나위 없이 좋겠다.”(6쪽)“유전자 발현과 그 결과 나타나는 표현형 사이의 중요한 특징은 일대일 대응 관계가 아니라는 사실이다. 하나의 표현형을 나타내기 위한 다양한 유전자 발현 경로들이 병렬적으로 존재하며, 때로는 하나의 경로에도 여러 개의 유전자가 단계마다 관여한다. 이는 위험을 분산하여 표현형을 반드시 나타내겠다는 의지의 표현으로 보인다. 실패는 생존을 위협할 수 있기 때문이다. 여러 개의 유전자가 조화롭게 발현하여 하나의 표현형을 나타내는 것은 다행스럽고 감사하고 경이로운 일이다.”(47~48쪽)“분자들이 서로 협력하여 일주기리듬을 조절하는 현상은 마치 공들여 맞춘 시나리오처럼 정교하다. 분자들은 어떻게 이런 정교한 조절 방법을 개발하였을까? 더군다나 이 방법은 지구상에 살고 있는 모든 생명체가 채택하여 사용하는 방법이니, 환경에 대항하여 생존하기 위한 생명체의 처절한 노력은 숭고하게 느껴지기까지 한다.”(91쪽)“크리스퍼-캐스9 유전자가위와 대립유전자 DNA를 이용하면 질병을 일으키는 유전자의 1개 염기서열을 바꿔치기할 수도 있다. 따라서 크리스퍼-캐스9 유전자가위를 이용한 유전자 교정은 유전자 돌연변이로 발생한 다양한 질병을 치료할 수 있는 대안으로 기대되고 있다.그러나 크리스퍼-캐스9 유전자가위를 이용한 유전자 바꿔치기도 아직 완전하지는 않은데, 원하는 부위가 아닌 엉뚱한 곳을 자르는 실수를 저지르기 때문이다. 현재의 연구 열기를 감안하면, 조만간 과학자들이 원하지 않는 부위가 절단되는 실수를 방지하는 방법을 개발할 것으로 보인다.”(115~116쪽)“세포의 자살 과정에서 자살을 명령하는 단백질은 모두 미토콘드리아와 관련이 있다. 미토콘드리아는 에너지를 생산하여 세포의 생존을 가능하게 하는 곳인데, 반대로 세포의 죽음을 조절하는 곳이기도 하다. 미토콘드리아가 사용하는 사이토크롬 C는 세포 내에서 에너지를 생산하는 호흡의 중요한 물질임과 동시에 자살을 개사하는 중요한 물질이기도 하다. 세포의 생사는 세포 내 사이토크롬 C의 위치에 달려 있는 셈이다.”(192쪽)“집단부호화 방법을 사용하더라도 후각수용체의 종류가 많을수록 더 다양한 냄새를 맡을 수 있는 것은 자명한 사실이다. 아프리카 코끼리는 2000여 종류의 후각수용체를 가지고 있어서 인간이 도저히 상상할 수도 없는 냄새를 맡을 수 있는데, 실제로 아프리카 코끼리는 자신들을 공격하는 수렵민족인 마사이족과 자신들을 공격하지 않는 농경민족인 칸바족을 냄새로 구별할 수 있다. 뿐만 아니라, 멀리 떨어진 지하 10m에 있는 물 냄새도 맡을 수 있어서 극심한 가뭄에도 살아남을 수 있다고 한다. 코끼리의 긴 코는 외형상으로 다른 동물들을 압도할 뿐만 아니라 기능 면에서도 타의 추종을 불허하는 셈이다. 냄새를 잘 맡는 것으로 알려진 개는 800여 종류의 후각수용체를 가지고 있는데, 개의 넓은 후각상피에는 많은 수의 후각세포가 있고, 특히 냄새의 민감도에서 뛰어나다. 개는 마약 탐지뿐만 아니라, 강력한 피부암인 흑색종의 냄새를 맡을 수 있어서 암으로부터 주인의 목숨을 구할 수도 있다.”(259~260쪽)“이들 모두에게서 나타나는 한 가지 공통점은 반복적인 연습에 의해 기억이 강화된다는 점이다. 또 다른 중요한 점은 정보가 서로 연관되어 있을수록 더욱 강하게 기억된다는 사실이다. 따라서 공감각적으로 정보를 처리하거나, 새로운 정보를 기존에 알고 있는 정보와 연관시키는 입체적인 노력이 기억력을 향상시키는 왕도인 셈이다. 장기기억이 생성되기 위해서는 새로운 시냅스가 생성되어야 한다는 사실은 기억 능력이 선천적으로 결정되어 있지 않고, 새로운 정보를 반복적으로 그리고 주의 깊게 받아들임으로써 뇌가 새롭게 만들어진다는 것을 의미한다.”(279쪽)

우리 몸속 세포의 탄생에서 소멸까지,
노벨상을 받은 탁월한 연구 14가지“이 책은 수많은 노벨 생리의학상 수상자들의 연구 가운데 14개를 골라, 세포가 살아가면서 마주치는 사건들을 하나씩 보여주고자 하였다. 이를 위해 새로운 생명의 시작, 외로움을 극복하기 위한 세포분열, 환경에 적응하기 위한 세포의 일주기리듬, 다양성을 획득하기 위한 분화, 시간의 흐름을 거스르는 역분화, 손상된 유전자의 수선, 세포들 간의 소통, 노화, 세포자살, 외부의 침입을 방어하는 면역, 생명현상을 조절하는 유전자의 기능, 신경세포의 활동전위, 냄새의 구별, 인간을 인간답게 하는 기억 등을 소개하였다. 아무쪼록 이 책의 여정 끝에서 독자들이 세포의 일생에 대해 이해하고, 자신의 몸에 대해 고찰해보는 시간을 갖기를 희망한다. 더불어 자신을 존중하고 사랑하는 마음이 생긴다면 더할 나위 없이 좋겠다.”_ 본문 중에서체외수정, 생체시계, 세포자살, 유전자가위 등
생명과학 연구의 눈부신 성취와 의미를 한눈에!
과연 어떤 연구에 노벨상을 주었을까? 금동호 교수(고려대학교 의과학과)의 『위대한 세포』는 노벨상을 받은 놀라운 생물학적 발견을 흥미롭게 소개하는 교양 생물학 도서이다. 저자는 노벨 생리의학상 수상자들의 수많은 연구 가운데 14가지를 골라, 세포의 일생을 죽 따라가면서 노벨상 수상자들이 어떤 놀라운 것들을 발견했는지를 찬찬히 소개해준다. 세포가 생겨나고 분열하고 분화하고 소통하고 일하고 노화하고 마침내 죽음에 이를 때까지, 하나의 세포가 일생동안 마주치는 사건들이 과연 어떤 생물학적 과정을 통해 이루어지는지를 상세하게 엿볼 수 있는 책이다. 세포와 인간의 삶이 무척이나 닮았다며, 인간의 삶과 세포의 삶을 오버랩시키는 에피소드도 읽는 재미를 더해준다.
세포만큼 노벨상을 많이 타게 한 대상은 또 없을 것이다. 세포분열, 생체리듬, 분화, 역분화, 유전자 수선, 면역, 세포자살 등 생명현상의 작동 메커니즘이 밝혀질 때마다, 비밀을 밝힌 많은 연구자들이 노벨상을 수상하는 기쁨을 누렸다.
이 책에서 집중적으로 조명한 연구는 체외수정, 유전자의 기능, 세포분열, 일주기리듬(생체시계), 분화, 역분화, 유전자 수선, 세포들 간의 소통, 노화, 세포자살, 면역, 신경세포의 활동전위, 향기, 기억 등 모두 14가지 연구다. 이 연구들로 노벨상을 받은 생명과학자들만 해도 100여 명에 이른다. 흥미롭게도 이들의 연구는, 세포들은 어떻게 이야기할까, 생체리듬은 어떻게 조절될까, 노화는 어떻게 일어날까, 세포는 어떻게 죽는 걸까 등과 같은 일견 단순하면서도 근본적인 질문을 던지는 것에서부터 시작한 연구들이다.
하나의 세포는 정자와 난자의 결합으로 생겨나, 세포분열을 통해 수를 늘리고, 환경에 적응하기 위해 일주기리듬을 가지게 되며, 세포분열을 통해 외로움을 극복하고, 다양한 기능을 수행하기 위해 분화한다. 유전자가 손상되면 스스로 수선하고, 생존하기 위해 끊임없이 세포들끼리 소통하며, 외부에서 침입하는 적들에 대응하면서, 시간의 흐름에 따라 차츰 노화되어 가다가, 마침내 죽음에 이른다. 이러한 생명현상들은 일군의 과학자들이 단번에 알아낸 것이 아니라 오랜 시간에 걸쳐 차근차근 알아낸 것들인데, 하나같이 놀랍고 경이로운 현상들이다.
예를 들어, 영국의 과학자 로버트 에드워즈는 체외수정 시술의 개발로 2010년에 노벨상을 받았는데, 그는 난자와 정자를 배양접시에서 수정시켜 포배기까지 발생시킨 다음 자궁에 착상시킴으로써 체외수정을 최초로 성공시켰다. 자연수정에 대한 정확한 이해를 바탕으로 하지 않았다면 결코 성공할 수 없었던 과감한 연구였다.
세포분열의 메커니즘 또한 힘겹게 알아낸 연구 결과물이다. 세포분열은 G1기-S기-G2기-M기 순서로 진행되는데, 릴런드 하트웰, 폴 너스, 팀 헌트는 이러한 세포분열 주기를 조절하는 인자를 발견한 공로로 2001년에 노벨 생리의학상을 받았다. 이들의 연구를 통해, 세포분열이 사이클린-의존성 인산화효소와 사이클린에 의해 조절된다는 사실이 밝혀졌다.
생체리듬과 관련된 연구는, 일주기리듬을 조절하는 분자들의 협력이 마치 공들여 맞춘 시나리오처럼 정교하다는 사실을 보여주었다. 과학자들은 수천 마리의 초파리들을 대상으로 한 실험을 통해 마침내 생체시계에 관여하는 유전자들(클락, 사이클, 피리어드, 타임리스)을 발견해냈다. 일주기리듬에 대해 밝혀진 바에 따르면, 클락-사이클 단백질과 피리어드-타임리스 단백질이 서로를 활성화하고 또는 서로 억제하는 피드백(되먹임) 고리가 형성됨으로써 규칙적으로 일주기리듬이 반복된다. 이러한 연구를 진행한 미국의 과학자 제프리 홀, 마이클 로스배시, 마이클 영은 일주기리듬의 조절 기전을 규명한 공로로 2017년 노벨상을 받았다.
세포의 노화에 대해서는 텔로미어와 텔로머레이스의 발견으로 많은 것이 밝혀졌다. 텔로미어와 텔로머레이스에 의한 염색체의 보호 기전을 밝힌 과학자는 엘리자베스 블랙번, 캐럴 그라이더, 잭 쇼스택으로, 이들은 2009년 노벨 생리의학상을 받았다. 이들의 연구 결과에 따르면, 텔로미어는 염색체 끝에서 DNA를 보호하는 역할을 하며, 세포는 텔로머레이스를 이용해 텔로미어의 길이를 늘인다. 만일 염색체의 끝부분을 보호할 수 없을 정도로 텔로미어의 길이가 짧아지면 세포가 분열을 멈추고, 노화된 세포가 새로운 대체 세포를 만들지 못하게 되면 우리 몸은 노화를 겪게 된다.
베일에 싸였던 세포의 죽음은 세포자살의 유전학적 조절 기전이 규명됨에 따라 밝혀졌다. 세포자살은 내부의 자발적인 결정이나 외부의 강요에 의해 일어나는데, 내부의 자발적 결정은 자살신호물질인 Bax가 활성화되어 사이토크롬 C가 세포질로 방출되면 일사천리로 진행되고, 외부의 강요는 자살유도신호복합체에 의해 활성화된 캐스페이즈-8이 캐스페이즈-3를 활성화하면 진행된다. 세포자살의 기전을 밝힌 시드니 브레너, 존 설스턴, 로버트 호비츠는 2002년에 노벨상을 받았다.
이처럼 세포를 들여다보면, 우리 인간의 일생과 마찬가지로 세포도 소란스럽고 시끌벅적하고 역동적인 일생을 보내는 것을 알 수 있다. 이 책은 이러한 세포의 일생을 쭉 따라가면서, 노벨상을 받은 탁월한 연구 14가지를 집중적으로 조명하는 책이라 할 수 있다. 이 책을 통해 독자들은 체외수정, 생체시계, 세포자살, 유전자가위등 생명과학 연구의 눈부신 성취와 의미를 한눈에 볼 수 있을 뿐 아니라, 연구에 초점을 맞출 때 비로소 드러나는 경이로운 세포의 일생을 구체적으로 실감할 수 있을 것이다.
덧붙여, 체외수정으로 태어난 진의 이야기, 외로움과 싸우는 최고독 군의 이야기, 회춘을 꿈꾸는 노화영 씨의 이야기, 일상생활을 할 때 다양한 종류의 기억을 활용하는 나지혜 양의 이야기 등 장별로 나오는 재미난 에피소드들은 읽는 재미와 함께 인간과 닮은꼴인 세포의 생애에 대해 다시금 생각해보는 기회를 제공해줄 것이다. 또 생명과학적 연구가 우리 사회에게 미치는 영향에 대한 저자의 언급도 곱씹을 만하다.