제 목 출 처 보도일자 노벨 생리의학상, “세포는
어떻게 물질을 수송하나?” 사이언스타임즈 2013. 12. 31(화)
우리가 음식을 먹거나 숨을 쉬는 등의 활동을 하면 몸 속 세포에서 단백질과 같은 생명활동에 필요한 물질들이 합성된다. 이렇게 합성된 물질들은 세포 내에 있는 조 그마한 소기관으로 이동한다. 이 곳에서 복잡한 융합과 분열 과정을 거치면서 각 물질이 필요한 곳으로 이동한다.
이것이 세포 내 유통이다. 물질들이 제대로 유통되지 않거나, 혹은 정작 물질이 배 달돼야 할 장소가 틀리게 되면 당뇨병, 신경질환 등 각종 질병에 걸릴 수 있다. 따 라서 세포의 물질 수송시스템을 이해하는 것은 생명과학에서 중요한 일이다.
세포의 물질 수송시스템의 원리를 밝혀내
▲ 윤태영 KAIST 교수가 KIAS 대강당에서 2013년 노벨 생리의학상에 대해 해설강 연을 하고 있다. ⓒScience Times
올해 113주년을 맞은 2013년 노벨 생리의학상 수상자들은 바로 이러한 시스템을 규 명해 냈다. 제임스 로스먼 교수를 비롯한 3명의 교수는 각 물질들이 세포 내 적절 한 장소로 이동하고 도착하는 메커니즘을 밝혀내는 데 성공했다.
이들의 연구는 세포 내 유통이 제대로 되지 않아서 생길 수 있는 질병들의 원인을 규명하는 데 크게 기여했다는 평가를 받고 있다. 특히 인슐린 등 생명활동에 필요 한 핵심 물질을 적시에 정확한 곳으로 운송하는 원리가 무엇인지를 규명했다.
노벨 생리의학상 수상자인 로스먼과 랜디 셰크먼은 미국 예일대와 버클리 캘리포니 아주립대(UC버클리)에서 세포생물학을 가르치고 있고, 독일 출신의 토마스 쥐트호 프는 스탠퍼드학 의대 교수다. 그러면 이들이 밝혀낸 세포 수송 메커니즘의 비밀은 무엇인가?
지난 23일 저녁 홍릉 고등과학원(KIAS) 대강당에서 열린 ‘노벨상 해설강연’에서 노 벨 생리의학상 해설 연사로 나온 KAIST 물리학과 윤태영 교수는 “세포가 물질을 효율적으로 전달하기 위해서는 고도의 수송 메커니즘이 필요하다”고 설명했다.
“세포는 단순한 물 주머니가 아니다. 세포는 고도로 전문화 된 소기관들에서 서로 다른 기능을 수행함으로써 생명을 유지한다. 이러한 소기관들 사이에서 물질을 전 달하고 전달 받기 위해서 세포는 무작위적인 브라운 운동을 사용하는 것에서 출발 하여 점차 고도의 수송 메커니즘을 발달시켜 왔다.”
“세포의 물질전달의 비밀은 바로 소포다”
윤 교수는 “결론부터 이야기하자면 수상자들은 인간을 비롯한 생물체 생체활동의 가장 밑바닥을 형성하는 ‘신경전달물질’이 세포 내의 자루(package) 모양 구조인 ‘소 포(小胞 vesicle)’를 통해 이뤄진다는 점을 최초로 밝혀냈다”고 말했다.
물질 운송과정에서는 세포 속의 거품 모양 구조체인 소포는 일종의 용기 역할을 하 면서 호르몬, 효소, 사이토카인(면역제어물질), 신경전달물질 등을 옮겨 우리 몸에서 신경 활성화, 면역, 물질대사 등을 주도한다.
이때 소포는 일종의 우편 배달부 가방과 같은 역할을 한다. 그러나 엉뚱한 곳에 물 건이 배달되거나 운송이 지연되면 우리 몸은 심각한 문제에 빠지게 된다. 윤 교수
에 따르면 “이 때문에 과학계에서는 세포가 어떤 원리로 일사불란하게 물질을 전달 하는지, 이 과정의 장애가 왜 생기는지를 두고 다양한 연구가 진행돼 왔다”고 말했 다.
“사람의 생체활동이 원활하게 이루어지려면 특정 호르몬이나 물질이 체내 특정 장 소에 정확하게 전달되어야 한다”고 설명하면서 “망망대해를 항해하는 배는 선적한 화물의 목적지와 내릴 분량을 정확히 파악해야 하는데 세포에서는 소포가 이 역할 을 한다는 점을 밝혀낸 것”이라고 윤 교수는 해석했다.
윤 교수는 이어 “특히 세 사람의 연구는 효모 같은 미생물부터 사람과 같은 고등동 물에 걸쳐 동일하게 이뤄지는 현상을 규명했기 때문에 기초과학에서 산업계에 이르 기까지 폭넓은 파급효과를 미치고 있다”고 지적했다.
보톡스가 바로 수상자들의 연구를 기반으로 한 대표적 결과물
안면마비 및 미용에 사용되는 보톡스가 바로 이들의 연구를 기반으로 한 대표적인 결과물이다. 우리가 흔히 알고 있는 보톡스는 정확한 치료법의 명칭이 아니다. 보툴 리눔 독소(botulinum toxin) A형이 상품화되어 만들어진 약제의 이름이다. 보톡스 시술법이란 이러한 보툴리눔 독소를 이용하여 시행되는 치료 방법을 통칭하여 사용 되고 있다.
이 독소는 운동신경 말단 부위에서 아세틸 콜린의 분비를 억제하게 되고, 이를 통 해 해당하는 근육을 마비시킨다. 초기에는 눈꺼풀 경련, 사경(斜頸 ; 목의 근육들이 수축하여 목이 한쪽으로 기울어 부자연스러운 상태 )과 같은 근육긴장 이상을 치료 하는 약제로 사용되기 시작하였다.
그런데 이 치료를 시행하던 중 의사들은 우연하게도 보툴리눔 독소를 주입한 후에 그 주위의 주름이 없어진다는 사실을 알게 됐다. 그 후 보톡스는 미용적 주름 치료 에 이용되기 시작하였다.
▲ 2013년 노벨 생리의학상 수상자들은 세포가 과연 어떻게 분자나 단백질을 적시 적소에 전달하는지에 대한 메커니즘을 밝혀냈다. 당뇨를 비롯해 퇴행성 뇌질환이나 신경질화의 예방과 치료에 기여할 것으로 기대된다. ⓒ위키피디아
그러면 노벨 생리의학상 수상자들은 각기 어떤 역할을 했을까? 셰크먼 교수는 1980 년대 초반 효모에서 신경전달물질과 관련된 단백질을 찾아냈다. 윤 교수는 “생화학 융합과 관련 된 유전자를 발견했으며 효모가 각종 단백질을 분비한다는 점에 착안 해 효모유전학을 세포수송 연구에 도입했다”고 말했다.
로스먼 교수는 1990년대 중반 세포 내에서 물질이 전달될 때 필요한 에너지를 공급 하는 ‘스네어(SNARe)’ 단백질을 찾아냈다. 뇌의 신경전달은 신경세포 말단 시냅스 에서 신경전달 물질을 저장하는 주머니가 세포막에 융합되면서 일어나는데, 이 과 정에서 스네어 단백질은 신경전달 물질의 분출을 조절하는 역할을 한다.
윤 교수팀, 스네어 단백질의 구조 규명
연사로 나온 윤태영 교수는 이 스네어 단백질과 인연이 깊다. 윤 교수팀은 지난 5 월 뇌 신경전달에 핵심 역할을 하는 스네어 단백질의 구조를 단분자 수준에서 규명 하는 데 성공했다. 지금까지는 스네어 단백질이 신경전달 물질을 주고받는 과정을 조절할 것이라고 추정할 뿐, 그 구조와 기능을 밝혀내지 못했다.
스네어 단백질의 세포막 융합기능은 알츠하이머병 같은 퇴행성 뇌질환이나 신경질 환과 밀접하게 연관돼 있어 이 같은 질병의 예방과 치료법 개발에 새로운 실마리가
될 것으로 기대된다.
“스네어 단백질이 바로 보톡스의 타깃이다. 스네어 단백질을 공략함으로써 전체세 포 수송, 즉 신경세포전달을 멈추게 할 수 있다. 보톡스를 맞은 사람의 얼굴 표정이 굳어지는 것도 바로 이러한 이유 때문”이라고 윤 교수는 말했다.
한편 가장 후발주자라고 할 수 있는 쥐트호프는 셰크먼과 로스먼의 연구를 토대로 정확한 시기에 배송된 물질을 목적지에 전달하는 ‘타이밍’ 메커니즘을 밝혀 학계의 주목을 받았다. 신경생물학자인 쥐트호프 교수는 쥐 실험을 통해 실제 동물에서 신 경전달물질이 이 같은 원리로 분비된다는 것을 확인했다.
윤태영 교수는 수상자 3명의 업적을 종합해서 “셰크먼 교수가 이 분야를 개척했다 면 로스먼 교수는 이 중 가장 중요한 물질을 찾아냈다. 그리고 쥐트호프 교수는 쥐 실험을 통해 동물의 뇌에서 신경전달물질이 어떻게 전달되는지 확인했다”고 해석했 다.
노벨위원회는 세 과학자가 기여한 연구 업적에 대해 다음과 같이 정리했다. “세 과 학자의 발견은 진핵세포에서 가장 기초가 되는 과정의 일부인, 분자 물질이 정확하 게 목적지에 도달할 수 있도록 하는 과정을 밝혀주는 것이었다. 이들의 발견은 세 포간 커뮤니케이션이 어떻게 일어나 세포 안과 밖의 정확한 지점에 분자들을 전달 하는지 이해하는 데 주요한 영향을 끼쳤다.”
한편 김재완 고등과학원 계산학부 교수는 “올해 처음으로 시도한 노벨상 해설강연 이 기대 이상으로 호응이 좋았다"고 평가하면서 “앞으로 해마다 노벨상 해설강연을 실시해 과학에 관심 있는 일반대중과 소통하는 데 노력을 기울일 예정”이라고 말했 다.
김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com
