지난 8일 노벨 화학상 수상자가 발표됨으로써 올 과학 분야 노벨상 잔치는 끝이 났다.

노벨상 위원회는 미 보스턴 대학 해양생물연구소의 시모무라 오사무(80) 명예교수와 컬럼비아 대학 마틴 챌피(61) 교수, 그리고 샌디에이고 캘리포니아 대학 로저 첸(56) 교수 등 3명의 미국인이 올 노벨 화학상 영예의 수상자로 각각 3분의 1씩 상금을 나눠 가진다고 발표했다.
여기에서 2명은 아시아인인 것을 알 수 있다. 발표 이후 뉴욕타임스와 영국 공영방송 BBC는 이렇게 발표했다. 1명의 일본인과 2명의 미국인이 올 노벨 화학상을 나눠 가졌다고 말이다.
조금 더 자세히 알아보니 시모무라 박사는 일본 교토에서 태어나 1960년대에 미국으로 건너갔는데, 여전히 국적을 바꾸지 않은 일본인이었다. 이로써 일본은 미국 국적의 일본인까지 포함하면 올 노벨 과학상에서 총 9명 중 4명을 배출했다. 이번 노벨상은 이웃나라 일본이 세계 최고의 과학대국이라는 인상을 전 세계에 강하게 남겼다.
첸 교수는 중국식 이름이 첸융젠으로 미국에서 태어나고 자란 중국계 미국인이다. 따라서 노벨 과학상 수상자 총 9명 중 5명이 아시아인인 것이다. 이번에는 그 어느 때보다 아시아인이 빛나는 해였다. 중국과 일본 사이에 있는 우리나라로선 더욱 아쉬운 일이긴 하지만 말이다.
그렇다면 올해 노벨 화학상 수상자는 어떤 업적을 이룬 것일까?


해파리의 단백질이 노벨상감인 이유




한마디로 아주 간단히 대답하면 ‘녹색 형광 단백질’(green fluorescent protein, GFP)이다. 노벨상 위원회는 녹색 형광 단백질의 발견과 발전에 대한 공로로 상을 수여한다고 밝혔다. 녹색 형광 단백질은 바다에 사는 해파리에게서 얻은 것으로, 자외선이나 청색의 빛을 비추면 명칭에서 알 수 있듯 녹색의 형광 빛을 낸다.
지구상의 생명체가 갖는 단백질 개수는 1천만 개가 넘을 것이라고 한다. 아무리 빛을 내는 특이한 단백질이라곤 하지만 일개 해파리에서 얻은 녹색 형광 단백질이라는 하나의 단백질이 노벨상 수상 업적이라니. 언뜻 들어서는 이해가 가지 않는다. 대체 과학자들에게 이 단백질은 얼마나 특별하단 것일까?
오늘날 셀 수도 없이 많은 과학자들이 녹색 형광 단백질을 사용하고 있다. 사실 녹색 형광 단백질은 생명과학 연구에서 없어서는 안 될 필수도구이다.
이토록 인기가 많은 이유는 녹색 형광 단백질이 연구에서 표식역할을 하기 때문이다. 녹색 형광 단백질을 다른 생명체에 주입하면 해파리처럼 자외선이나 청색 빛을 받을 경우 녹색의 빛을 낸다. 이 점은 과학자들에게 매우 유용하다.

예를 들어 암을 연구하는 과학자는 이렇게 이용한다. 암을 일으키는 특정 단백질의 유전자에 녹색 형광 단백질의 유전자를 끼어 넣어서 실험용 생물체의 세포에 주입한다. 이는 암 단백질에 형광펜으로 표시를 한 것과 같다. 그런 다음 시간이 흐르면서 암이 얼마나 커지고 어디로 뻗어 가는지를 알아보려 했을 때 생물체를 해부할 필요가 없다. 그저 자외선이나 청색 빛을 비추면 된다. 그러면 바로 눈으로 확인할 수 있다.
한편 약물용 단백질을 연구하는 과학자들은 연구 대상이 되는 단백질의 유전자에 녹색 형광 단백질의 유전자를 끼어넣은 후 쥐나 돼지와 같은 동물에게 삽입한다. 그런 다음 제대로 단백질이 들어갔는지는 녹색 형광 단백질을 통해 눈으로 확인할 수 있다. 이 얼마나 간단한가!
녹색 형광 단백질은 이처럼 과학자들에게 살아있는 생명체의 세포 내 활동을 눈으로 직접 확인할 수 있도록 해준다. 그래서 어느 과학자는 녹색 형광 단백질을 21세기의 현미경이라고 얘기한다. 필자에겐 녹색 형광 단백질은 살아있는 생물체 속 세포라는 현장에 파견된 보도기자로, 그 속에서 일어나는 사건을 실시간으로 세상에 알리는 역할은 하는 것으로 보인다.


생명체의 발광 현상에 대한 호기심으로 시작


녹색 형광 단백질은 1960년대에 올 노벨 화학상 수상자 시모무라 교수가 발견했다.
1955년 Aequorea victoria라는 7-10cm 길이의 투명한 해파리에서 녹색 형광 물질이 처음으로 보고되었다. 그 즈음, 시모무라 교수는 일본 나고야 대학의 히라타 요시마사 교수의 조교가 되었다.
히라타 교수는 오징어나 문어와 같은 해양 연체동물 가운데 일부가 물에 젖으면 다양한 빛을 내는데 그것을 만들어내는 것이 무엇인지에 몰두해 있었다. 이를 계기로 시모무라 교수는 이 뒤에 숨어있는 단백질을 발견했고 그 연구결과를 논문으로 발표했다.
그런데 이 논문이 프린스턴 대학의 프랭크 존슨 교수의 관심을 끌었다. 이를 계기로 시모무라는 1960년 일본을 떠나 미국으로 건너갔다. 그러면서 시모무라 교수는 해파리의 발광에 대한 연구에 돌입했다.
1962년 시모무라 교수는 1만 마리의 해파리를 쥐어짠 결과, 최초로 녹색 형광 단백질을 얻었다.
이후에도 시모무라 교수는 계속해서 녹색 형광 단백질 연구를 계속했다. 2001년 퇴직한 후에도 여전히 그의 집 지하에 차려진 연구실에서 연구를 계속하고 있다고 한다. 이제까지 그의 손을 거쳐 간 해파리의 수만도 1백만 개가 넘는다.
하지만 발견 당시 시모무라 교수는 녹색 형광 단백질이 이토록 과학자들에게 쓰임새가 있을 거라곤 예상하지 못했다. 그를 이끈 것은 호기심이 전부였다.


노벨상 탈 뻔했던 운 나쁜 과학자



녹색 형광 단백질이 연구 표식으로 쓰일 수 있다고 생각한 이는 더글러스 프래셔 박사였다. 1987년 프래셔 박사는 녹색 형광 단백질에서 혁신적인 생각이 떠올랐다.
그는 세포에서 단백질이 만들어질 때가 언제인지를 알기 위해 녹색 형광 단백질을 사용할 수 있을 것이라고 생각했다. 단백질은 무척이나 작아서 전자현미경에서조차도 보기가 힘들다. 하지만 단백질에 빛을 내는 녹색 형광 단백질을 달아주면 연구는 간단해진다.
이런 생각으로 프래셔 박사는 녹색 형광 단백질을 연구했고 그 결과 1992년 최초로 이 단백질의 유전자 서열을 분석했고 유전자를 복제했다.
이처럼 중요한 역할을 한 프래셔 박사는 왜 이번 수상에서 빠져 있을까? 문제는 연구자금이었다. 프래셔 교수는 이 연구를 위해 정부로부터 지원받았던 연구비가 끊겼다. 더 이상 연구를 할 수 없었던 그는 자신의 귀중한 자료를 올해 노벨상 수상자인 챌피 교수와 첸 교수에게 보냈다.
당시 프래셔 박사는 시모무라 교수가 몸담고 있었던 우주홀 해양연구소에 있었다. 그런데 연구비가 끊긴 이후 여러 연구기관을 전전하며 떠돌아다니다 결국 과학계를 떠나고 말았다. 현재 그는 자동차 판매회사에서 손님을 모셔오는 셔틀을 운전하고 있다. 올해 노벨 화학상 발표를 들으며 프래셔 박사는 아마도 왜 이리 운이 없는가 하고 자신의 운명을 한탄했을 것이다.


연구에 색의 향연이 펼쳐진다


반면 프래셔 박사로부터 실험 자료를 받은 챌피 교수와 첸 교수는 정말 운이 좋았다. 그들 스스로도 인터뷰에서 자신들은 운이 좋았다고 말했다. 1990년대 초 두 과학자는 녹색 형광 단백질이 빛을 내는 메커니즘을 규명했고 단백질 유전자에 붙여 표지로 활용할 수 있도록 개발했다.
오늘날 녹색 형광 단백질은 연구개발을 통해 다양한 색깔을 갖는다. 이 점은 과학자들의 연구에 매우 유용하다. 여러 종류의 연구 대상에 각각 다른 색깔의 형광 단백질을 붙이면 한 번에 여러 개를 파악할 수 있기 때문이다.
지난해 11월 하버드대 연구팀이 다양한 색깔을 지닌 형광 단백질의 뇌 신경세포를 갖는 투명한 쥐를 만들었다고 발표했다. 이들 연구팀은 이 쥐를 통해 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 뇌질환 연구에 큰 도움을 얻고 있다.
뿐만 아니라 다양한 색 덕분에 과학자들은 연구과정에서 색의 향연이라는 재미도 얻고 있다. 하버드대 연구팀이 발표한 뇌 신경세포의 아름다움은 현대 예술작품처럼 느껴진다. 그래서인지 현대 예술가들 가운데에는 녹색 형광 단백질을 자신의 예술세계를 표현하는 이들도 있다.