춤추는 단백질 : 탄생, 사랑, 변신, 그리고 죽음을 순환하는 생명의 과학
샤히르S.리즈크,매기M.핑크
저자:샤히르S.리즈크ShahirS.Rizk
인디애나대학교사우스벤드화학·생화학부부교수이자인디애나대학교의과대학겸임부교수.듀크대학교에서생화학박사학위를취득하고국립보건원(NIH)박사후연구원으로시카고대학교에서수학했다.자연계에존재하지않는단백질을설계해환경오염물질을감지하고질병을치료하는바이오센서를개발하고있다.2019년,미국과학진흥재단(RCSA)이화학·물리·천문학분야차세대연구자에게수여하는코트렐학자(CottrellScholar)에선정됐다.
이집트의기독교가정에서태어나미국으로이주한그는어린시절교회벽화와성경속기적이야기를들으며생명과존재에대한의문을품었다.그질문이그를생화학자의길로이끌었다.이주와적응이라는개인적경험을단백질의진화와연결짓는독창적인시각을보여준다.시인이기도한그에게과학은세계를해석하는또하나의언어다.
저자:매기M.핑크MaggieM.Fink
노터데임대학교에서미생물학박사학위를취득하고같은대학박사후연구원으로재직중이다.인디애나대학교사우스벤드겸임교수도겸하고있다.결핵균이인체안에서살아남는분자메커니즘을연구하여2021년미국국립과학재단(NSF)대학원연구펠로우십을수상했다.
과학자이면서시인이자화가이기도한그녀는눈에보이지않는분자의세계를그림으로옮기는작업도하고있다.《춤추는단백질》의삽화를직접그렸으며,리즈크와함께과학커뮤니케이션팟캐스트〈러스트벨트사이언스(RustBeltScience)〉를진행하고있다.
역자:홍지연
대학에서영어통번역학을전공했다.책을통해새로운지식을탐구하는데즐거움을느끼며,정확성과자연스러움을균형있게살리는번역을지향한다.현재바른번역소속번역가로활동하고있다.
프롤로그이책은생명과사랑에관한이야기다
1장기원,태초에단백질이있었으니
모세가자미가상어를물리치는법
DNA는레시피,단백질은요리사
꽁꽁얼어붙어도괜찮아
진화의수레바퀴
2장탄생,춤추는질서
거미는실을짓고나는아이를재운다
세포의건축가들
외줄위를걷는단백질
하나에서둘로
모든생명은같은춤을춘다
의식은어디에서오는가
3장각성,감각이라는착각혹은기적
빛은보는것일까,느끼는것일까
박테리아의생존법
고향의맛
엄마냄새가그리운이유
나라는감각
울새는북쪽의색을본다
4장구조,단순함이빚어낸무한한가능성
라이너스폴링의침대
생명의언어들
접힘속으로
리본의어머니
같은도면,다른집
삶은달걀을날달걀로되돌릴수있을까
5장순환,효소가쓰는생명의흐름
효소의쓸모
모드멘텐,방정식뒤에가려진이름
코로나19,에이즈그리고페니실린
효소같은사람
사라지는것은없다
6장변신,스스로빛나는존재들
반딧불이의비밀
빛의재료,루시페린
오징어는왜밤에만빛나는가
85만마리의해파리와미친과학자들
빛으로그린생명의지도
7장기억,세포는그해겨울을잊지않는다
파리지옥의사냥법
DNA는어떻게기억하는가
분자에새겨진기억
천연두에맞선혁명가들
유전자가위의탄생
8장저항,아름답지만치명적인
죽음의추적자들
독은용량에달려있다
피부,인간의사막
우리모두는살인병기다
9장죽음,결국끝은있다.그러나
할머니를떠나보내며
단하나의오류로시작된죽음들
죽음을정복할수있을까
10장부활,단백질로생명을다시쓰다
진화는진보가아니다
군비경쟁
새로운돌파구,파지디스플레이
알파폴드,생명의언어를읽다
미래를설계하는단백질공학
에필로그단백질의기적
미주
DNA는내가누구인지말해주지않는다
비밀은단백질에있다
생물학계의라이징스타가풀어낸탄생,사랑,변신,그리고죽음을순환하는생명의여정
★벤키라마크리슈난(노벨화학상수상자)강력추천★
★미국도서관협회Choice선정올해의책★
★출간즉시아마존분야1위★
2024년노벨화학상수상자가발표되자많은과학자들과언론은당혹스러워했다.수상자는구글딥마인드의데미스허사비스와존점퍼.수십년을실험실에서단백질을연구해온생화학자들이아니라AI기업의엔지니어들에게노벨상이돌아간것이다.수상이유는단백질의3차원구조를예측하는AI시스템알파폴드를개발한공로였다.왜단백질의구조를예측하는것이그토록중요한것일까?
매년가을,꼬까울새는지브롤터에서중부유럽까지수백킬로미터를GPS도나침반도없이정확히날아간다.어떻게가능할까.울새의눈에는크립토크롬이라는단백질이있다.햇빛이이단백질에닿으면전자하나가분리되고,그전자가지구자기장에맞춰정렬된다.몸속에나침반이만들어지는것이다.그런데새는이정보를방향으로‘아는’것이아니라눈으로‘본다’.우리에게하늘은맑거나흐리거나파랗거나우중충하게보일뿐이다.하지만새의눈에는우리가볼수없는북쪽이라는색이하늘에펼쳐져있다.(3장.각성,감각이라는착각혹은기적)
지금당신의눈이이글을읽고있는것도,어제먹은닭가슴살이에너지로바뀐것도,어린시절맞은예방접종이수십년이지난지금까지효과를발휘하는것도모두단백질이하는일이다.단백질이라고하면흔히다이어트에도움되는음식재료를떠올리기쉽다.그러나저자들은생명의모든기능을분자단위에서수행하는나노기계들이단백질이라고말한다.단백질이어떤기능을하는지는전적으로어떤형태로접히느냐에달려있다.같은아미노산사슬이라도접히는방식에따라코브라의독이되기도하고악성종양을치료하는약이되기도한다.구조가곧기능이다.알파폴드이전까지이구조를추적하거나예측하는것은수십명의과학자가수년을쏟아야하는작업이었다.알파폴드는그것을몇초로단축하며생명의언어를이해하는새로운문을열었다.여기서더근본적인질문이생겨난다.단백질은왜그토록다양한형태로변신하는가.그리고그변신이어떻게생명의궤적을바꾸는가.
기억은분자속에,세포속에,그리고삶의이야기속에쌓인다
이집트자가지그에서어린시절을보낸샤히르리즈크는매년여름할머니의부엌에서요리를배웠다.할머니는갓잡은모세가자미에마늘과쿠민을바르고기름에지졌다.납작하고우스꽝스럽게생긴이물고기는홍해바닥에숨어있다가상어가덮치면파르닥신이라는단백질을분비해상어를일시적으로마비시킨뒤도망간다.(1장기원,태초에단백질이있었으니)리즈크는그물고기를먹으면서자랐고훗날단백질이구조로기능을만드는방식을연구하고이를설계하는단백질공학자가되었다.그리고미생물학자매기핑크와함께단백질의비밀을파헤친책《춤추는단백질》을쓰게된다.이책에서는과학자이기이전에이방인이고,부모이며,시인이자화가인두사람의삶이생물학의역사,최신연구와교차하며펼쳐진다.
단백질하나하나에는우리가누구이고어디서왔는지를말해주는이야기가담겨있다.그이야기는단순한가족의역사에그치지않고우리가주변의모든것과어떻게연결되어있는지를말해주는진화의역사이기도하다.
―1장기원,태초에단백질이있었으니
《춤추는단백질》은단백질의기원과쓸모,그가능성을과학적으로설명하는대중과학서이자,생명이무엇인지를“저자들의서사와과학이론으로아름답게접목”한책으로평가받고있다.하버드대학교벨크냅프레스가출간했고,노벨화학상수상자벤키라마크리슈난이“생물학의오랜불균형을바로잡는책”으로추천했다.미국도서관협회는이책을2025년올해의책으로선정했다.
유전자는설계도일뿐,내삶을결정하는것은단백질의춤이다
지금까지생명과학은유전자중심으로흘러왔다.유전자가우리를결정한다는서사는강력하고매혹적이다.내머리가벗겨지는것에서부터인종차별의근거로까지유전이활용됐다.하지만저자들은이서사에근본적인이의를제기한다.DNA는요리책에불과하다.실제로요리를하는것은단백질이다.같은유전자를가진일란성쌍둥이가전혀다른삶을살수있는것은단백질이유전자를복사하는단순한기계가아니기때문이다.단백질은접힙으로써환경에적응하고진화한다.그접힘이바로기능이된다.단백질을구성하는사슬이3차원으로구부러지고비틀리며고유한형태를갖출때비로소기능이생긴다.눈이빛을보는것도,혀가맛을느끼는것도,코가냄새를맡는것도모두수용체단백질이정확한형태로접혀분자를낚아채기때문이다.(4장.구조,단순함이빚어낸무한한가능성)
약700만개에이르는각원뿔세포의표면에는옵신이라는단백질이점점이박혀있다.이단백질들이시각이라는복잡한과정의최전선에서있다.(…)빛에의해활성화될때마다옵신은비틀리고굽어지며뒤틀려주변의다른단백질들과부딪힌다.이런비틀림은연속적이고정교한분자들의춤으로이어진다.
―3장각성,감각이라는착각혹은기적
단백질의접힘은생명이지구에서살아남은방식이기도하다.45억년전지구는화산과극한온도로뒤덮인행성이었다.그극한의환경에서생명이탄생했다.끓는온천속에서번성하는박테리아의단백질은표면의이온결합네트워크가훨씬촘촘해열에도형태가풀리지않는다.겨울북극해의겨울가자미혈액에는얼음결정의성장을막는결빙방지단백질이있다.인간이영하의바닷물에노출되면조직이파괴되지만,겨울가자미는같은환경에서도거뜬히견뎌내며번성해왔다.유전자가청사진이라면,단백질의접힘은그청사진이세계와협상하는방식이다.(1장,4장)
그래서이접힘이어긋나면,죽음과질병이찾아온다.결함있는단백질이올바로접히지못하면알츠하이머가발병하고,악성종양이생겨난다.저자중한명인핑크의할머니가그랬다.근위축성측삭경화증(ALS)진단을받던해,그녀의할머니는개의치않는듯보였다.여전히할아버지몰래손녀의손에20달러를쥐여줬고,혼자서는걷지도못하는몸으로시내까지우표를사러가자고했다.먹을수도없으면서웬디스칠리를가져다달라고도했다.그칠리는끝내손도대지않은채의자옆트레이위에남아있었다.ALS는단백질이잘못접히면서신경세포가서서히무너지는병이다.죽음도,결국단백질의이야기다.
죽음과삶.삶과죽음.이것이우리삶을지배하는박자다.(…)매순간우리를살아있게하는분자차원의사건들이얼마나많은지를생각하면살아있다는사실자체가경이롭다.
―9장.죽음,결국끝은있다.그러나
진화는진보가아니다.생명은그무엇도버리지않는다
단백질은죽음앞에서도순환을멈추지않는다.5장에서저자들은3억7000만년전의이야기를꺼낸다.식물이리그닌이라는단단한목질구조를만들어내기시작하면서지구의대기가바뀌었다.수십억톤의이산화탄소가나무줄기속에갇혔고,산소가폭발적으로늘어났다.늘어난산소덕분에날개폭60센티미터의거대한잠자리가날아다녔고,최초의공룡이등장했다.그나무들이썩지않은채쌓였다가이를분해하는단백질효소가진화의과정에서탄생하면서오늘날의석탄과화석연료가되었다.우리는지금수억년전나무들이대기에서빨아들인탄소를다시하늘로돌려보내고있다.
효소가지구의모습을바꿔왔다는말은결코과장이아니다.그것도한번이아니라여러차례.생명이처음등장했을때부터고대효소들은생명의토대를이루었고,새롭게등장한효소들은생태계전체를뒤흔들며수많은종의흥망성쇠를좌우했다.심지어지구의기후까지바꾸어놓았다.
―5장.순환,효소가쓰는생명의흐름
이순환의논리는독소에도그대로적용된다.청자고둥한종이분비하는단백질독소는최대1,000가지에달한다.어떤독소는물고기의인슐린과구조가흡사해혈당을급격히떨어뜨려먹잇감을마비시킨다.그런데이독소단백질이현재모르핀보다1,000배강한진통제후보물질로연구되고있다.방울뱀의독소단백질은혈전환자의항응고제가됐고,브라질살모사의독소에서고혈압치료제가탄생했다.독에서약이나온다.죽이는것과살리는것이같은분자에서일어나며생명은무엇도버리지않는다.단백질은유전자를후대에그저복사하고전달하는것이아니라,단백질스스로가환경과부딪히고접히고기능을바꾸면서생명이앞으로나아왔다.이것이이책이말하는진화다.저자들은진화는진보가아니라고말한다.더나은존재로설계되는것이아니라주어진환경에서끊임없이새로운춤을추고그춤을통해방법을모색하는것이우리를포함한모든생명의원리라고말한다.생명은순환하며,약동하며,계속된다.(8장저항,아름답지만치명적인)
역사는언제나보이지않는손들이만들었다
이책의또다른미덕은단백질과학의역사를이끈숨겨진인물들을복원한다는데있다.1912년,캐나다에서의학학위를취득한최초의여성중한명인모드멘텐은여성의연구실출입을금지하는캐나다를떠나홀로대서양을건너베를린으로향했다.그녀가레오노르미카엘리스와함께완성한미카엘리스-멘텐방정식은오늘날모든효소연구의토대가되었지만,그녀의이름은오랫동안역사뒤편에머물렀다.1700년대초,레이디메리워틀리몬태규는콘스탄티노플에서천연두환자의고름을건강한사람에게문질러면역을만드는의식을목격했다.남동생을천연두로잃고자신도얼굴에흉터를안고살던그녀는이지식을유럽에소개하며근대예방의학의씨앗을뿌렸다.제너의우두법이등장하기70년전의일이었다.(5장.7장)
이밖에도침대에누워종이를비틀어가며단백질의알파나선구조를발견한라이너스폴링,전자현미경으로단백질구조를원자수준에서밝혀낸리처드헨더슨,고등교육을받지않았지만생명에대한호기심과열정으로뛰어난현미경을만들어낸안토니판레이우엔훅,나가사키원폭의생존자이자85만마리의해파리를손으로건져올리며녹색형광단백질(GFP)을발견한시모무라오사무,그리고오염된토양을정화하는연구를하던그레첸앤더슨까지,역사뒤편에묻혀있던과학자들의이야기가단백질의역사와함께복원된다.
인류는생명의언어로미래를쓰기시작했다
알파폴드가구조예측의문을열었다면,다음단계는설계다.인류는이제자연이단한번도만들어낸적없는단백질을직접설계하고있다.독소단백질연구에서파지디스플레이기술이나왔고,그기술이리즈크연구팀이뇌종양세포의결함효소를복구하는항체를설계하는데쓰이고있다.독소에서치료제로,치료제에서설계언어로.진화의논리가인간의손안으로들어오고있는것이다.대기중이산화탄소를포집하는단백질,플라스틱을분해하는단백질,항생제가듣지않는박테리아를표적으로삼는단백질.아직실험실안에있거나임상초기단계다.하지만방향은분명하다.수억년전리그닌효소가지구의기후를바꿨듯이,인간이설계하는단백질이다음전환점을만들수있다.(10장부활,단백질로생명을다시쓰다)
단백질은우리가태어나기전부터우리안에있었고,우리가죽은뒤에도세상어딘가에서계속일한다.이책은그오래되고거대한이야기를들려준다.꼬까울새가하늘에서북쪽의색을보듯,이책을읽고나면세상이조금다르게보일것이다.