트랜스포머 : 생명과 죽음의 심오한 화학

이 책은 우리를 살아 있게 해주고, 궁극적으로 우리가 왜 각자 조금씩 다른 방식으로 늙고 죽는지에 대한 비밀을 간직하고 있는 크레브스 회로(Krebs cycle)에 대한 이야기이다. 우리의 세포 속에 담겨 있는 크레브스 회로는 생명의 작용에 필수적이지만, 생물학 교과서에서조차 수많은 오해에 휩싸여 있다. 영국의 저명한 생화학자 닉 레인은 이 책에서 크레브스 회로에 대한 오해를 바로잡고, 이 회로에 숨겨져 있는 생명의 비밀들을 풀어놓는다. 크레브스 회로란 우리의 몸에 들어온 유기물이 세포의 호흡 과정을 거쳐서 에너지를 생산하고 물과 이산화탄소를 방출하는 과정을 말한다. 즉 세포의 중심에 자리한 물질과 에너지의 회전목마라고 할 수 있다. 이 책은 생소하지만, 우리의 삶과 죽음을 가로지르는 심오한 생화학의 최전선으로 여행을 떠난다. 이 여정은 크레브스 회로의 숨겨진 의미를 탐색함으로써 생명에 대한 참신하고 독창적인 이해로 독자들을 이끌 것이다.

주요 내용
제1장은 크레브스 회로 자체를 이해하는 출발점이다. 크레브스 회로는 모든 생화학 교과서에서 볼 수 있는 기본적인 화학인데, 저자는 이 무미건조한 분자의 춤에 생화학의 선구자들을 기리는 이야기를 더하여 생동감을 불어넣는다. 먼저 크레브스 회로를 발견하고 연구를 이끈 한스 크레브스를 만난다. 유대인 혈통이어서 독일에서 쫓겨난 크레브스는 영국 생화학 분야를 세운 홉킨스 경의 연구소에 합류하여 호흡이 어떻게 일어나는지를 연구하기 시작했다. 크레브스는 호흡의 작용에 대한 어떤 청사진도 없이 시작해서, 일련의 반응이 단계적으로 일어나는 상세한 회로를 완성했다. 호흡은 우리의 몸에 필요한 에너지를 생산하기 위해서 산소로 음식물을 태우는 과정이다. 크레브스의 스승인 오토 바르부르크는 물론이고, 독창적인 과학자 피터 미첼을 비롯하여 크레브스 회로를 연구한 학자들을 만난다.
제2장에서는 교과서의 관점을 해체하기 시작할 것이다. 신조들이 어떻게 이 분야를 수십 년 전으로 후퇴시킬 수 있는지, 그리고 우리가 그런 신조들에 얼마나 면역이 되어 있지 않은지를 알게 된다. 그뿐만 아니라 크레브스 회로가 여전히 영양소, 특히 포도당의 산화에 관한 것이라는 글을 보게 될 것이다. 광합성은 포도당을 만들고, 호흡은 크레브스 회로를 통해서 포도당을 태운다는 글도 읽게 될 것이다. 여기에도 당, 저기에도 당, 어디에서나 당을 찾는다. 이런 관점은 광합성과 호흡에서 일어나는 당의 화학반응을 물질대사의 중심, 생명의 중심에 위치시키기 때문에 심각한 오해를 불러일으킨다. 물질대사의 핵심은 당이 아니라 오히려 크레브스 회로에 있다. 고대의 세균은 수소와 이산화탄소라는 단순한 기체를 반응시켜서 보편적인 생명의 전구체들을 만들기 위해서 이 회로를 일상적으로 거꾸로(세균의 관점에서는 제대로) 돌리기 때문이다.
제3장은 태초로 돌아가서, 이와 동일한 화학 반응이 자연에서 어떻게 자발적으로 일어날 수 있는지를 알아본다. 특히 심해의 열수 분출구에서는 세포와 구조가 비슷한 얇은 무기물 격벽을 사이에 두고 생기는 가파른 양성자(pronton) 기울기로 인해서 수소와 이산화탄소 사이의 반응이 일어나기 쉽다. 우리는 이런 화학이 원칙적으로 세포의 모든 핵심 물질대사를 일으켜서 유전자의 구성 재료(DNA의 “문자”)까지 만든다는 사실을 확인하게 될 것이며, 이를 밝힌 최근 실험들도 살펴볼 것이다. 유전 정보의 첫 등장과 관련해서, 저자는 초보적인 형태의 유전 능력을 지닌 원세포(protocell)에서 유전자가 출현했다고 주장하며, 자신의 연구진이 발표한 최근 연구를 소개한다.
제4장에서는 생명의 기원에서 이런 자발적인 화학이 어떻게 오늘날 우리가 아는 닫힌 회로가 되었는지에 대한 질문을 던진다. 보편적인 순환 회로라는 생각은 오해의 소지가 있다. 인간의 크레브스 회로 역시 종종 로터리에 더 가깝다. 흐름은 어디에서나 들어오고 빠져나가며, 심지어 회로의 다른 부분에서는 반대 방향으로 흐르기도 한다. 초기 지구의 에너지 제약으로 인해서 세균들은 효율적인 물질대사와 협동을 할 수밖에 없었다. 그러다가 광합성이 진화하면서 생명은 영원히 바뀌었다. 반응성 높은 광합성 폐기물인 산소 농도가 증가했고, 그로부터 약 20억 년 후인 캄브리아기에는 지질학적인 시간 개념으로는 갑작스럽게 동물이 등장했다. 이 두 사건 사이의 연결고리는 우리 행성의 역사에서 가장 끔찍했던 전 지구적 상황들로 인해서 느슨해졌다. 효율적인 물질대사의 필요성이 세균에서만 협동을 촉진한 것은 아니었다. 목숨이 경각에 달린 채 유황 진흙 속을 기어다니던 초기 동물들의 상호 의존적인 조직들 사이에서도 효율적인 물질대사가 필요했을지도 모른다.
서로 다른 조직들 사이에서 물질대사의 유동이 어떻게 균형을 이루는지에 대해서는 많이 알려져 있지 않지만, 우리는 세포가 이기적인 행동으로 암이 되면 무엇이 잘못되는지에 대해서는 더 많이 알고 있다. 제5장은 암을 돌연변이에 의해서 유발되는 유전체의 질환이라고 보는 일반적인 관점이 제대로 된 이해라기보다는 신조에 가깝다는 것을 보여준다. 암과 연관된 돌연변이는 정상 조직에서도 흔히 발견되고, 정상 조직에 둔 암세포는 종종 분열을 중단한다. 사실, 암의 가장 큰 위험 요인은 나이이다. 암은 우리가 나이를 먹는 동안 크레브스 회로의 음양에서 생겨난다. 에너지 생산뿐 아니라 생합성에도 같은 경로를 써야 한다는 점이 암을 만드는 것이다. 우리의 크레브스 회로를 통한 유동이 나이가 들면서 점차 느려지면, 숙신산 이온(succinate) 같은 중간산물이 축적된다. 그러면 아주 오랜 조상의 경로가 촉발되면서 낮은 산소 농도를 처리하고, 염증과 세포 성장과 증식을 일으키는데, 이 모든 것이 암을 촉진한다.
제6장에서는 크레브스 회로의 유동이 나이가 들수록 더 느려지는 이유를 살펴보고, 사람마다 다른 노화 관련 질환의 정체를 알아볼 것이다. 그 해답의 대부분은 나이가 들면서 세포 호흡이 점차 부진해지는 것에서 원인을 찾을 수 있다. 이는 우리의 생활방식(식단이나 운동 따위)에 따라서도 다르고, 핵과 미토콘드리아에 있는 우리의 두 유전체가 얼마나 효율적으로 작동하는지에 따라서도 다르다. 저자는 자신의 연구를 기반으로 노화의 자유 라디칼 학설에 대한 새로운 의견을 제시한다. 이를 통해서 왜 조류는 비슷한 크기의 포유류보다 훨씬 더 오래 사는지, 항산화제는 왜 도움이 되지 않는지에 대한 설명을 시도한다. 그리고 뇌가 완전한 기능을 하려면 왜 완전한 크레브스 회로가 필요한지, 왜 세포 호흡의 부전이 알츠하이머병과 같은 질환과 연관이 있는지도 살핀다.
마지막으로 에필로그는 가장 어려운 문제인 의식의 흐름을 다룬다. 지금쯤이면, 매 순간 이어지면서 우리를 살아 있게 하는 물질대사의 유동이 우리의 가장 깊은 내면에 있는 자아라는 감정과 서로 얽혀 있다고 해도 전혀 놀라지 않을 것이다.