세포 (생명의 마이크로 코스모스 탐사기)

남궁석

고려대학교 농화학과를 졸업하고, 동 대학원에서 생화학 전공으로 석사학위와 박사학위를 받았다. 미국 예일대학교와 펜실베이니아대학교에서 박사후연구원을 마쳤다. 2013년부터 2017년까지 충북대학교 농업생명과학대학 축산식품생명과학부 초빙교수로 재직했다. 지금은 Secret Lab of Mad Scientist(SLMS)라는 이름으로 과학 저술 및 과학 관련 컨설팅에 종사하고 있다. 《과학자가 되는 방법》, 《암 정복 연대기》를 썼으며, 공저로 《4차 산업혁명이라는 유령》이 있다. 과학 지식 교류의 혁신에 관심이 커서 과학자 사이의 수평적 토론 문화 증진을 위한 대안학회 ‘매드 사이언스 페스티벌’을 2년 연속 개최했다. 주요 연구분야는 구조생물학과 동물발생생물학이다.

서문

1장 세포의 ‘주기율표’를 찾아서
인체를 구성하는 세포
세포를 구분하는 방법
RNA와 세포
단일 세포 RNA-seq
인간게놈프로젝트와 세포의 미스터리
유전체의 3차원 구조
세포 아틀라스 프로젝트

2장 세포를 ‘보다’
현미경의 발명
로버트 훅과 ‘셀’
살아 있는 세포를 보다
해부학과 현미경의 만남

3장 세포 이론
광학현미경의 개선
세포 이론의 태동
세포는 세포로부터
화학 공업의 발전과 세포 염색
뉴런주의(Neuron Doctrine)의 탄생

4장 세포를 만드는 정보
전성설
난자와 수정을 발견하다
다윈의 ‘제뮬’과 ‘범생설’
플레밍과 염색체
염색체의 중요성을 알아본 보베리
성을 결정하는 염색체
모건, 초파리, 유전자 지도

5장 생명의 화학 공장, 세포
유기물질을 ‘합성’하다
유스투스 리비히와 생물화학
실험생리학의 확립
단백질의 발견
발효와 효소
단백질과 효소의 관계
에너지를 생산하고 소비하는 화학 공장
에너지 화폐 ‘ATP’

6장 세포생물학의 탄생
원심분리기
생체막
세포 구조물의 원심분리
전자현미경의 등장
세포 발전소, 미토콘드리아
소포체와 리보솜
세포 단백질의 ‘요람에서 무덤까지’
세포생물학의 탄생

7장 유전자 전성 시대
프리드리히 미셔와 ‘뉴클레인’
DNA 구성 물질의 결정과 4염기 모델
폐렴균이 알려준 유전물질
이중나선
하나의 유전자, 하나의 효소(단백질)
DNA로부터 단백질까지 ‘중심 원리’의 완성
진핵세포는 다르다
재조합 DNA 기술

8장 세포 수명
시드니 링거와 링거액
최초의 동물 세포 체외 배양
알렉시 카렐의 ‘불멸 세포’
세포 배양 기술의 발달
헬라(HeLa)
헤이플릭의 한계(Heyflick Limits)
텔로미어

9장 죽지 않는 세포
성게 알에서 얻은 힌트
환경 요인과 병원체에 의한 발암
필라델피아 염색체
암 유전자(oncogene)
암 억제 유전자(tumor suppressor)
암 전이
암의 특징

10장 세포 복제
유전물질을 복제하는 시기
방추사와 그 구성 물질
성숙촉진인자(MPF)
돌연변이 효모와 세포주기 조절
MPF = 사이클린 + cdc2
단백질 분해와 사이클린 조절
분열 체크포인트
DNA 손상과 체크포인트
세포자멸사

11장 세포골격
근육을 움직이는 단백질, 마이오신
액틴의 발견
슬라이딩 필라멘트 모델
액틴과 마이오신에 대한 분자 단위의 이해
근육세포가 아닌 세포에 있는 액틴과 마이오신
미세소관이란 트랙 위에서 달리는 키네신
세포를 움직이게 하는 액틴
세포분열을 일으키는 액틴

12장 세포 발생의 미스터리
모자이크 이론
발생 조절 이론
모포젠(morphogen)
초파리 발생유전학과 모포젠의 발견
분화하는 세포들의 유전정보
조혈 줄기세포

13장 후성학과 줄기세포
포유류의 배 발생 과정
테라토마와 배아 줄기세포
분화하는 세포의 DNA에서 일어나는 변화
DNA 메틸화와 유전자 발현 조절
히스톤과 크로마틴
동물 발생과 후성학적 변화
리프로그래밍, 후성학적 표지의 초기화
유도만능 줄기세포
세포 직접 리프로그래밍

14장 세포 치료와 불사의 꿈
장기이식과 이식 거부 현상
조직접합성 복합체
MHC, 세포성 면역의 핵심 단백질
조혈 줄기세포와 백혈병 치료
인간배아 줄기세포
핵치환 줄기세포
인간 복제배아 줄기세포는 가능한가?
줄기세포 치료의 현실
오가노이드(organoid)
면역세포를 변형한 암 치료(CAR-T세포)

15장 살아 있는 세포의 영상화
면역형광염색법과 형광현미경
살아 있는 세포의 현미경 관찰
GFP, 녹색형광단백질
광학현미경의 한계를 넘어서
살아 있는 세포의 영상화와 입체 영상 기술

16장 인간게놈프로젝트, 그후
세포의 설계도
인간게놈프로젝트
모델생물의 염기서열 결정
민간과 공공 부문의 경쟁
인간유전체의 의미
개인의 유전적 차이 세포마다 차이가 나는 이유
유전체 읽기와 유전체 고쳐쓰기

에필로그: 생물학자는 인공세포의 꿈을 꾸는가
시스템 생물학: 전체적인 관점에서 다시 보는 세포
모델화와 예측
합성생물학: 만들지 않으면 이해할 수 없다?
단백질 디자인
세포 내 회로의 재설계

참고문헌
인명 찾아보기
용어 찾아보기
컬러 화보

생물학은 볼 수 없는 것을 관찰하고 이해하는 과정에서 구성된 과학이다. 생물학은 현대에 대단한 성공을 거두고 있는 것처럼 보이는 과학 분야 대표주자이지만, 비로소 세포를 제대로 이해할 수 있는 틀이 된 ‘세포 이론’이 19세기 중반에서야 정립되었다. 물리학과 화학에 비하면 생물학은 시작이 늦었고 발전도 더뎠다. 발견 이전에 선결되어야 할 기술적 난관이 많았을 뿐만 아니라 하나의 공식으로 수렴하지 않는 생명현상의 복잡성 때문이었다. 세포 이론은 기초적인 포괄적인 원리를 제시했으나, 아인슈타인의 상대성이론처럼 관측된 적 없는 현상을 이론적으로 예측하고 그 가설을 실제 관측으로 확인했던 것과 같은 역할을 하지는 못했다. 멘델의 유전법칙도 마찬가지였는데 그 법칙만으로 설명되지 않는 유전 현상도 있다.
“이 책은 오늘날 현 시점까지 밝혀진 세포에 관한 지식이 어떻게 발견되고 확정되었는지를 다루는 ‘세포 연구의 연대기’에 가까운 책이다.”(서문) 이 책은 세포 연구를 통해 성립된 생물학의 역사와 그 과정에서 집적된 생물학 지식을 토대로 하지만, ‘연구’에 방점을 두고 집필되었다. 다시 말해 저자는 어떤 발견이나 사실이 생물학 지식으로 확정되고 공인되기까지 과정을 보여주는 데 주력했다. 이는 생물학 연구자이기도 한 저자에게는 가장 자연스러운 관점이기도 하지만, 독자에게는 지식의 맥락을 제공함으로써 특정 분야의 전문지식에 대한 접근성과 이해도를 높이는 방법이기도 하다.

생물학 교양서를 이와 같은 방식으로 저술하고자 했을 때 동시에 고려했던 또 다른 요소는 오늘날 과학에 공통적으로 내포된 ‘빅 사이언스’로서의 경향성을 보이는 것이었다. 광학ㆍ전자현미경(광학), 세포 염색 기술(화학), 원심분리기술(축산)이 도입된 덕분에 생물학의 초기 모습이 갖춰질 수 있었다. 처음부터 다학제적이었다. 그리고 세포는 기본적으로 육안 관찰이 불가능하므로 생물학 연구는 초기부터 지금까지 노동집약적이고 기술의존적이라는 전제가 달라지지 않았다. 입자물리학 분야에 거대 가속기가 있다면, 생물학 분야에는 원심분리기, 염기서열 분석기, 각종 시약, 실험도구, 실험생물이 동원된다. 기본적으로 생물학을 포함하여 현대 과학은 거대 학문인 것이다. 이 책의 첫 장은 바로 생물학계의 가장 최신 자이언트 프로젝트인 ‘세포 아틀라스 프로젝트’로 문을 연다.

세포의 ‘주기율표’란
원소 주기율표는 발표된 1869년 이전까지 발견된 원소들을 원자량, 화학적 성질에 따라 배열하고 분류한 표이다. 세포로 이와 비슷한 표를 작성하려면 세포의 성질과 종류를 확정해야 한다. 세포의 종류 정도는 모두 파악되어 있지 않겠나 싶은데, 그렇지가 않다. “세포에 대한 이해가 늘어나면서 비슷하게 생긴 세포라도 조금씩 기능이 다르고, 같은 기관과 조직에도 기능이 다른 세포가 있다는 사실이 밝혀졌”기 때문이다.(17쪽) 원소 주기율표는 미발견 원소의 존재와 그 성질을 예측하는 틀이 되어주지만, 세포 관련 연구 결과 중에는 그런 이론이 없다. 세포의 종류와 성질(기능)을 결정하는 것은 단백질이다. 한 개의 세포에서 만들어지는 단백질은 약 2만 종류다. 단백질이 다르면 다른 검출법을 사용해야 한다. 인체를 구성하는 세포의 개수는, 추정치이긴 하지만 약 37조 개에 이른다. 인간게놈프로젝트가 국제 공동연구로 진행되었던 것처럼 세포의 종류를 나누고 성질을 결정해 인체의 세포 지도를 그리자는 웅장한 프로젝트가 2016년 출범했다. 2003년 인간게놈프로젝트가 종료된 후로 생물학계의 최신 거대 공동연구 과제이다. 앞서 언급한 바와 같이 생물학계의 연구는 기기나 실험 방법이 뒷받침되지 않는 한 불가능한 경우가 많았다. ‘세포 아틀라스 프로젝트’가 제안될 수 있었던 기술적 배경에는 ‘단일 세포 RNA-Seq’이 있다. 명칭 그대로 세포 1개의 RNA를 추출해서 염기서열을 분석하는 기술이다. 대개 염기서열 분석기에 DNA나 RNA를 넣어서 돌리려면 최소한 마이크로그램 단위의 양이 필요하다. 세포 1개에 들어 있는 RNA의 양은 약 10-30피코그램(마이크로그램의 100만분의 1)이므로, 100만 개 이상의 세포가 필요하다. 그것도 똑같은 세포 100만 개여야 한다. 단일 세포 RNA-Seq은 세포 1개에 들어 있는 극미량의 RNA를 증폭할 수 있다. 기술을 확보했으니, 이제 문제는 37조 개라는 천문학적 숫자다. 세계의 연구자들이 열두 가지 생물학적 시스템을 나누어 연구하고 있다.(29쪽) 2017년에 발간된 프로젝트의 첫 백서에는 “아무리 단일 세포 분석기술이 발전하더라도 약 37조 개로 추산되는 인체의 모든 세포를 살펴볼 수 없다는 점이 명시되어 있다.”.(27쪽) 과연 목표대로 완벽한 세포 지도가 작성될지 귀추가 주목된다.

광학현미경과 세포 염색법으로 발견한 것들
2장부터 4장에서 다루는 내용이다. 생물학 역사의 여명기에는 ‘광학현미경’이 있었다. 로버트 훅이 당시 ‘핫 아이템’이던 광학현미경을 사용해 비록 ‘죽은’ 식물 세포의 흔적이긴 했지만 세포를 ‘보았다’. 현미경만 있으면 훅과 같은 새로운 발견의 주인공이 될 수 있었다. 해부학에서도 현미경 관찰로 의학사에 중요한 기록을 남겼다. 3장에서 다루는 세포 이론이란 근대과학이 일어나기 이전의 세계관에 기반한 사변적 생명관을 극복하고 처음으로 관찰에 기반하여 세포에 대한 올바른 이해를 정리한 세 가지 대원칙을 일컫는다. 세포 이론이 확립되자, 다세포 생물의 다양한 세포가 갖는 성질이 어떻게 유래하는지를 밝히려는 시도들이 이어졌다. 수정란을 이용해 개체 발생을 연구하는 발생학자들과 세포분열을 연구하던 학자들의 연구가 중요한 성과로 소개된다. 독일의 동물학자 테오도어 보베리는 염색체의 중요성을 최초로 알아본 인물이었다. 1899년 세 명의 식물학자에 의해 우연히 멘델의 논문이 발견되면서 그의 유전법칙이 알려지게 되었고, 그 덕분에 멘델이 말한 유전인자가 염색체라는 주장이 제기되었다. 초파리 유전학자로 유명한 토머스 모건은 초파리 돌연변이 연구를 통해 처음으로 유전자 지도를 작성했다.

세포와 생화학, 세포생물학, 유전학이라는 신학문의 등장
각각 5장(생화학), 6장(세포생물학), 7장(유전학)의 내용이다. 화학이 발전함에 따라 유기물과 무기물에 대해 올바르게 이해하게 되자, 생명현상을 화학에 기반하여 설명하고자 한 연구에서 중요한 성취들이 잇따랐다. 특히 단백질에 관해 새롭게 밝혀낸 것이 많았다. 가장 대표적으로는 생명체 내에서 발생하는 화학반응을 촉매하는 물질의 정체가 단백질이라는 것을 이해하게 된 사례를 들 수 있다. 이 촉매 물질에 ‘효소’라는 이름을 붙인 것은 1877년이었지만, 당시에는 단백질을 순수하게 정제하는 기술이 없어 여러 화학물질에 섞여 발견된 단백질이 효소일 거라고 단언할 수 없었다. 그러다 1926년이 되어서야 제임스 섬너라는 미국의 생화학자가 효소로부터 순수한 단백질 결정을 분리하게 되어 효소가 단백질임을 확정할 수 있었다. 효소를 화학적으로 이해하게 되면서 물질의 분해 대사와 합성 대사, 그리고 이 두 대사 경로의 사이를 잇는 것이 ATP라는 화학에너지라는 사실도 밝혀졌다.

유전자의 실체를 파악하는 것은 쉽지 않았다. 단백질과 DNA가 유전물질 후보로 경쟁했는데, 당시 생물학자와 생화학자 대다수는 종류가 다양한 단백질이 유전물질일 거라고 믿었다. DNA가 당시 연구자들에게 확신을 주지 못했던 이유는 ‘프리드리히 미셔와 뉴클레인’ 파트에서 자세히 소개된다. DNA가 유전물질로 판명난 후, 오늘날 분자생물학이라고 불리는 학문의 성과가 실로 어마어마하게 쏟아져 나왔다. 특히 코돈(codon, 유전암호)이 아미노산과 어떻게 대응하는지에 대한 해설은 ‘DNA로부터 단백질까지 중심원리의 완성’ 파트를 읽어보면 충분히 이해할 수 있다. 당시 미국의 내로라하던 과학계 명망가들이 이 유전암호를 풀기 위해 ‘RNA 타이 클럽’이라는 모임을 만들어 연구하고도(심지어 천재 물리학자 리처드 파인먼도 잠시 발을 담갔다) 결국 고배를 마셨던 일화는 하나의 소사로서 읽을거리를 제공한다. 분자생물학의 영향력은 사실 지금도 쟁쟁하다 할 수 있는데, ‘중심원리’에 정면으로 위배되는 현상이 발견되면서 당시 연구자들은 큰 충격에 빠지게 된다.

세포는 불멸하지 않는다
8장은 세포에 수명이 정해져 있다는 사실을 밝히는 전 과정을 찬찬히 짚어본다. 세포는 제때에 죽어야 생명이 살 수 있다는 원리를 몰랐을 때 있었던 불가사의한 사건(‘알렉시 카렐의 불멸 세포’), 자궁경부함 환자였던 헨리에타 랙스의 몸에서 떼어낸 암세포가 수십 년 동안 연구용으로 이용되었던 흑역사를 전하는 ‘헬라 세포’ 이야기도 소개된다. 9장은 세포에 주어진 수명을 거부하고 무한 증식하는 악당, 암세포에 관해 연구된 내용이 자세히 다뤄진다. 이 장에서 소개된 ‘라우스육종’처럼 바이러스가 일으키는 암도 있지만, 인간이 걸리는 암의 원인은 대부분 염색체 이상(유전자 돌연변이)이다. 신기한 것은 암에 걸리기가 그렇게 쉽지 않다는 사실이다. 세포는 암을 억제하는 유전자도 가지고 있기 때문이다. 유전자에 변이가 발생하면 ‘암 억제 유전자’가 발동해서 DNA 손상을 수선하게 되는데 몇 단계 공정으로도 복구되지 않으면 최종적으로는 세포자멸사의 스위치를 켜지만, 이것마저도 실패한다면 정상세포는 암세포가 되고 만다. 이처럼 암세포의 무한 증식하는 성질은 암 유전자와 암 억제 유전자가 주로 세포분열과 관련된 세포주기를 조절하는 단백질의 기능에 관여하기 때문이다. 10장을 통해서는 세포주기에 관해 상식선에서 알고 있는 것보다 깊이 있는 사실들을 이해할 수 있다.

세포의 다양성, 생명현상의 복잡성, 단백질의 연쇄와 접힘
11~15장에서는 각 장마다 익히 잘 알려진 지식과 알려지지 않는 내용을 골고루 다루고 있다. 장마다 내용이 다르지만, ‘단백질’이라는 열쇳말을 중심으로 읽는다면 세포와 생명현상과 단백질의 유기적인 상관성을 심층적으로 이해하는 데 도움이 될 것이다. 세포 단백질들 중 독특한 역할을 맡고 있는 단백질을 소개하는 11장(세포골격)도 흥미로운데, 여러 가지 줄기세포와 단백질의 기묘하고도 신비로운 역할을 접할 수 있는 13장을 가장 흥미진진한 챕터로 소개하