결빙방지단백질 이야기 (남극의 물고기는 어떻게 얼지 않고 헤엄칠 수 있을까?)

김학준

저자김학준은부경대학교화학과교수.부경대학교미생물학과에서학사및석사학위를받고,미국워싱턴주립대학생화학및생물물리학과에서NMR을이용한단백질구조연구로박사학위를받았다.미국밴더빌트대학에서박사후연구원으로생체막단백질의구조를연구를했다.극지연구소에서선임및책임연구원으로,결빙방지단백질의발굴,구조,기능,활용에관해연구했다.현재결빙방지단백질과저온효소등극지유래단백질을연구하고있다.

들어가는글
1장추운곳에서만살수있는생물들
1얼음왕국에는수많은생명이살고있다
2추위를견디는것은얼음과의싸움
2장생명에꼭필요한물,물은왜그렇게중요할까
1물은얼음보다무겁다
2생명활동의모든것을담을수있는용매
3물의특성은수소결합에서나온다
4어는점내림과삼투압
5극지해빙은미소생물의서식처
박스1해빙에사는미소생물들
3장극지에서생물은추위를어떻게견딜까
1세포막이딱딱하게굳지않도록한다
박스1극지생물에서찾아낸자외선차단물질
2물이빠져나가는것을막는다
3추울때는몸에서물을빼버린다
4세포바깥에보호막을만든다
5갑작스런추위에의한단백질변성을막는다
박스2단백질의구조가기능을결정한다
6극지생물은얼음도이겨낸다:
얼음이생기지않게하거나,얼음이생겨도참거나
4장얼음이생기지않게하는결빙방지단백질
1물고기피에는얼음이생기지않게하는물질이있다
2얼음에붙어얼음의성장을막는결빙방지단백질
박스1결빙방지단백질은얼음의재결정화도막는다
3얼음과의결합구조에따라어는점이달라진다
4얼어붙은호수와해빙에서결빙방지단백질을찾다
5혈액과장기를보존하는무독성의동결보호제
감사의글
용어설명
참고문헌
그림출처및저작권
더읽으면좋은자료들
찾아보기

북극과남극에는꽁꽁어는추위에도얼지않고유유히살아가는생물들이있다.사람이라면당장동상에걸려움직이지도못할매서운추위에도이들은끄떡없이살아간다.
영하의바닷물에도아랑곳하지않고헤엄쳐다니는물고기도있다.다른물고기들은얼음이둥둥뜬바다를피해모두사라져버렸는데도이들은꿋꿋이버티고있다.
이책은이렇게극지생물들이추위를견디고얼음을이겨내는방식을다루고있다.

지구상거의대부분의생명체가몸안에물을갖고있다.추위가닥치면몸에많은변화가일어나지만,무엇보다몸안의물이얼어얼음이생길수있다.체액은얼어흐르지않고,단백질은변성되고,장기는찢어져버린다.하지만그런혹한에도극지생물은꿋꿋이살아가고있다.추위를이겨내는나름의삶의방식을찾아냈기때문에가능한것이다.그런방식중의하나가바로결빙방지단백질이다.몸안에얼음이생기지않게하는단백질을만들어남극의물고기는추운바다를마음껏헤엄치고있는것이다.
이책에서는극지생물이추운환경에서살아가는데큰장애가되는물과얼음이왜그렇게생명체에필요한지알아보고,추위를이겨내기위해극지생물들은어떤삶의전략을펼치고있는지찾아본다.그리고그런전략중의하나인결빙방지단백질의발견과정과구조를살펴보고,얼음이더커지지않게하는단백질의놀라운메커니즘은물론앞으로다양하게활용될응용까지들여다본다.

“결빙방지단백질은추운곳에서살아가는생물들이몸속의혈액또는체액이얼지않도록
분비하는단백질이다.말그대로얼음이만들어지는것을방해하는단백질이다”
_들어가는글에서

#왜모든생명체의몸안에는물이있는걸까?
눈과얼음으로뒤덮인북극과남극은온통흰색이다.그곳에는오직공기중에눈을날리는바람소리뿐인듯하다.하지만이곳에도수많은생명이살아가고있다.북극곰과펭귄,물개가언뜻떠오르지만,우리눈에보이지않는수많은미생물들까지합하면그수는실로어마어마하다.한조사에따르면얼음1밀리리터에많게는10만마리의박테리아가산다고한다.
사람들이라면며칠도못살것같은이곳에서이들은어떻게살아가는걸까?도대체이들은따뜻한온대지방에사는생물과는무엇이다를까?날이추워지는겨울이면우리가겨울잠을자는동물들이있다.날이추워대사활동이안되니몸의활동을최소한으로하는것이다.이들은몸안의물이얼지않도록땅속이나물속에들어가잠을잔다.개구리가바로그렇다.몸안의물이얼면생명이위태롭기때문이다.바로이책은추위에몸안의물이얼지않도록하는생물들에관한이야기이다.

우리가늘보는물은뻔한것같아도,실은아주독특한물질이다.다른물질과달리고체보다액체가더무겁다.그래서얼음은물위에둥둥뜨게된다.우리는늘보는것이라별것아닌것같아도,지구상대부분의물질은물과달리,고체가액체보다무겁다.고체의밀도가액체의밀도보다큰것이다.물이우리주위에너무흔해익숙해서다른물질도그럴거라생각할수있지만,실제는전혀그렇지않은것이다.물은밀도만독특한게아니다.사실물은생명탄생의비밀도간직하고있다.바로이점이물이우리몸의70퍼센트를차지하고있는이유이기도하다.

#극지생물만의추위를이겨내는방식과,얼음이더이상커지지않게하는결빙방지단백질
날이추워져주위의물이얼기시작하면생명체에는어떤일이일어날까?우선세포를둘러싸고있는세포막의지질층이굳어뻣뻣해지거나젤리같이엉겨버린다.그러면세포안팎의물질이서로왔다갔다할수없게된다.또삼투현상으로세포안의물이빠져나가,세포가쭈글쭈글해지다마르게된다.온도가내려가면단백질도변성이일어나제기능을할수없다.이책에서는극지생물들이이런어려움을어떻게극복하는지상세하고알기쉽게설명한다.

남극에겨울이닥쳐날이한층추워지면,바다에는얼음이넓게덮이기시작한다.그러면이제그곳에는물고기들의흔적을찾을수가없다.그런데이런추위에도남극의바다를헤엄치는물고기가있다.너무추워모든물고기들이죽거나떠난이곳에서,이물고기는어떻게살수있었을까?그들은이런추위에서도살아남을수있는나름의삶의방식을만들어낸것이다.바로결빙방지단백질을만들어몸안에얼음이생기지않게한것이다.섭씨-1.9도의바닷물에서도얼지않고유유히헤엄치는물고기,그물고기에서뽑아낸단백질을이제는줄기세포와혈액을보존하는무독성냉동보존제로사용하려고한창연구중이다.

#그림으로보는극지과학시리즈는극지과학을알기쉽고깊이있게전달한다.
그림으로보는극지과학시리즈는남극과북극의육지와바다,대기는물론생태계와관련된모든현상과원리를알기쉽고깊이있게담을계획이다.이번시리즈의특징은크게다음세가지라고할수있다.
첫째,시각자료를충분히활용한다.과학의특징중하나는‘데이터가말을한다’는데있다.이번시리즈에서는관측과실험결과를알기쉽게시각화하여독자가직접자료를확인할수있도록할것이다.또한외국의최신자료를신속하게소개하면서,동시에국내과학자들이직접관찰하고실험한결과를적극반영하여설득력을높일것이다.책에사용된그림에는충분한설명을기초부터자세하게곁들여,일반인은물론고등학생들도과학개념을시각화하여받아들이는데좋은자료로활용할수있게할예정이다.
두번째는사람을통해서내용을전달할것이다.이번책에서는결빙방지단백질을처음으로찾아낸아서드브리의활동을따라간다.20대대학원생으로남극연구를시작한그는,섭씨0도이하의차가운바닷물에서물고기가헤엄치는것을보고,‘남극의물고기는왜얼지않을까’라는어찌보면당연한의문을떠올리게된다.그후50년간그는그이유를찾아나섰고,끈질긴실험과날카로운통찰,다양한전공을가진연구자들과의협업으로결국결빙방지단백질의구조와특성을밝혀낸다.과학은객관적인학문이라주관성이배제된학문이라생각하기쉽지만,실제로는그렇지않은경우가많다.누가,언제,어떤계기로연구를하게되었는가가생각보다큰역할을하곤한다.이번시리즈에서는과학자들의실제연구과정을통해과학의발전과정을알아볼것이다.또한과학자들이관찰과실험을하고이론을만들어가는과정은그자체가하나의드라마이기도하다.바로과학자를통해과학으로들어가는이유이다.
세번째,과학은그자체가독립적이라기보다는,역사적?사회적?정치적?경제적요인들이함께녹아만들어진하나의과정이라고할수있다.과학적발전의방향을결정하고,속도를조정하고,결과를실용화하는데에도과학이외의수많은요소들이관여하고있다.이책에서도생명공학의발달로그필요성이엄청나게커진동결보호물질의현황과그대안으로떠오르는결빙방지단백질의산업적가능성을살펴볼것이다.단순한지적호기심에서출발한극지생물연구가산업적,경제적,사회적흐름과맞아꽃을피우게되는과정은예외가아니라어쩌면자연스런과정이라할수있다.이번시리즈에서는과학에대한이야기못지않게과학과관련된다른관점들을함께보여줄것이다.

그림으로보는극지과학시리즈는2017년까지앞으로4년동안총17권을출간할계획이다.2014년에는‘동토생물학,얼어붙은땅속의생명들(가제)’,‘꺼지지않는얼음의불,메탄하이드레이트(가제)’,‘오로라,하늘에서춤추는전기(가제)’를추가로출간할예정이다.이시리즈를기획한극지연구소(KoreaPolarResearchInstitute,KOPRI)는우리나라유일의극지연구전문기관으로,극지의기후와해양,지질환경을연구하고,극지의생태계와생물자원을조사하고있다.또한남극의'세종과학기지',‘장보고과학기지'북극의'다산과학기지',쇄빙연구선'아라온'을운영하고있으며,극지관련국제기구에서우리나라를대표하여활동하고있다.