하나의 세포로부터

▽ 이정모, 정재승, 하리하라(이은희) 강력 추천!
▽ 2023 필라델피아 아테네움 저술상 최종후보작

■ "하나의 세포가 자신의 우주를 창조하며 생명을 얻기까지"
펜실베이니아대 세포 및 발생생물학 교수 벤 스탠거 교수의 생명과학특강

반려동물을 복제하고 유전자 편집 아기가 탄생하며 인간과 원숭이를 결합한 배아가 만들어지는 시대. 최근 정부의 R&D 예산 삭감으로 순수·기초과학 분야가 홀대받고 있다는 지적에도 불구하고 생명과학 연구는 우리가 상상할 수 없는 속도로 빠르게 발전하고 있다. 펜실베이니아 대학교의 세포 및 발생생물학 교수이자 암 연구자인 벤 스탠거 박사는 의학과 생명과학의 놀라운 성취들을 이해하기 위해서는 모든 것의 시작이 된 하나의 질문에 주목할 필요가 있다고 말한다. 바로 "하나의 세포는 어떻게 인간이 되는가?"라는 질문이다.
모체 안에서 난자와 정자가 수정되어 배아(접합체)가 되고, 이것이 2형, 4형, 8형으로 난할을 이어가다가 배반포 과정을 거쳐 인간의 형태로 성장하는 전반의 과정을 우리는 자연스러운 상식으로 알고 있다. 그런데 조금만 더 깊이 생각해보면 자연스레 이런 의문이 생긴다. 배아에 영혼이 있는 것도 아닌데 배아는 도대체 어떻게 알고 팔다리와 장기와 뼈와 근육과 피부로 자라나는 걸까? 벤 스탠거 박사의 첫 대중과학서 『하나의 세포로부터』는 바로 그 질문에서 시작된다. 이는 생명의 기원에 관한 가장 오래된 질문이자 우리 모두가 공유하고 있는 탄생의 비밀이기도 하다.
저자는 단일세포가 수조 개의 세포로 분화하여 복잡한 유기체로 성장하듯이 생명의 작동 원리에 대한 인간의 이해 역시 발전해왔으며, 발생의 신비에는 암, 인지기능 저하, 퇴행성 질환에 이르기까지 다양한 의학적 난제를 풀기 위한 무한한 잠재력이 내제되어 있다고 말한다. 이 책은 하나의 세포가 자신의 우주를 창조하며 생명을 얻는 과정에 대한 방대한 서사로, 발생의 비밀에 매료된 수많은 과학자들의 놀라운 지적 여정을 정교하고 유려한 산문으로 담았다.


■ "어떤 세포는 피나 근육, 손톱으로 성장하고, 어떤 세포는 암이 되는가"
적혈구나 근육세포가 블루칼라 노동자라면, 뉴런과 호르몬은 관리 계층

제목 『하나의 세포로부터』에서 '하나의 세포'란 엄청난 잠재력을 지닌 두 가지 유형의 세포, 즉 접합체(난자와 정자의 수정의 산물)와 배아줄기세포를 가리킨다. 이 책은 배아가 분화하여 서로 협력하며 형태와 움직임을 만들고 거대한 생명체로 성장하는 '배아발생'의 과정을 흥미진진한 추리소설처럼 추적해나간다. 저자에 따르면 발생의 여정은 '예측할 수 없는 불확실성과 위험으로 가득 찬 항해'다. 세포는 분열할 때마다 수십억 개의 DNA 문자를 읽고 복사하고 해석하는 과정을 수없이 반복하는데, 세포에서 일어나는 대부분의 분자처리 과정은 정확도가 99.9%를 넘을 정도로 정밀하다. 놀라운 것은 인간이나 생쥐 같은 포유류에서 초파리, 선충, 성게, 나아가 바이러스와 세균에 이르기까지 지구상의 모든 생명이 하나의 세포에서 생명을 시작하는 발생 과정을 공유하고 있다는 사실이다. 발생은 약 46억 년 동안 생명체를 생성하고 지켜온 지구가 최종적으로 확보한 진화의 메커니즘인 셈이다.
그렇다면 우리의 몸속에서 세포는 어떻게 '알고' 자신의 역할을 찾아 여정을 떠나는가? 발생이 그토록 정교한 작업이라면 왜 질병과 암이 발생하는가? 저자는 전문 용어가 난무하는 과학서에서 독자들이 길을 잃지 않도록 끊임없는 질문과 일상적이고 친근한 비유로써 설명을 이어간다. 우리 신체는 모든 세포가 사회적 질서 안에서 부여받은 역할과 위치에 따라 움직이는 유토피아적인 집합체로 비유된다.(3장) 적혈구나 근육세포, 각질형성세포 등 반복적이고 생산적인 일을 하는 세포들이 '블루칼라 노동자'라면, 호르몬으로 세포의 활동을 동기화하는 내분비세포나 두뇌의 뉴런은 지시를 내리는 관리계층에 속한다. 이들 세포들은 모두 동일한 유전자를 언어로 삼아 서로 소통하고 자신의 역할을 수행하는데, 여느 사회와 마찬가지로 세포 집단에도 악당이 있었으니 대표적으로 암세포가 그러하다.
종양을 '암세포의 집합체'로 이해하는 통념과 달리, 암에 대한 현대적 이해에서 암세포는 배아와 유사한 메커니즘을 가진다고 본다.(9장) 정상 세포라 할지라도 잘못된 시간과 장소에 놓이면 '폭주하는 세포'가 되어 암으로 진화하며, 그렇기에 하늘아래 동일한 암이 존재할 수도 없다. 암세포는 마치 '배아의 사악한 도플갱어'와 같아서, 변형된 유전체를 통해 정상세포들을 '지배'하며 주변 환경을 자신에게 유리한 방향으로 재구성한다. 암과 발생은 이토록 깊이 관여하고 있기에, 발생의 신비를 탐구하는 일은 암 해방의 길에 한발 다가서는 것과 다름 아니다.


■ "토머스 모건의 플라이 룸, 존 거든의 개구리 복제, 파ㆍ자ㆍ모의 mRNA…"
유전자와 발생에 대한 발견의 역사를 그린 한 권의 생명과학사

이 책은 하나의 세포가 자신의 우주를 창조하며 생명을 얻는 과정, 즉 발생의 비밀에 매료된 수많은 과학자들의 지적 여정을 그려낸 한 권의 생명과학사(史)라 할 수 있다. 크게 2부로 이뤄진 이 책의 1부에서는 인류가 세포 분화와 유전자, 발생에 대한 이해에 다가서는 궤적을 지성사적 관점에서 그려나간다. 동물의 신체 형태가 초기 단계부터 완성되어 있다는 고대 그리스인의 믿음(전성론)은 19세기 중반 확대경으로 '환원 불가능한 단위'인 세포를 발견하면서부터 재검토되기 시작했다. 당대 과학자들은 개구리의 딸세포를 터뜨리고 성게 알을 흔드는 등 적극적으로 생명을 조작하며 발생의 메커니즘을 탐구해나갔다.(1장) 19세기 말 완두콩 교배로 유전자 대수모델을 발견한 요한 멘델, 초파리를 수세대에 걸쳐 교배했던 '플라이룸 생물학자' 토머스 헌트 모건(Thomas Hunt Morgan)이 유전학의 토대를 마련한 이후(2장), 개구리 배아 이식에 성공한 존 거든(John Gurdon), 바이러스 파지를 통해 유전자 조절의 중간체 역할을 하는 mRNA를 발견한 아트 파디(Art Pardee) ㆍ 프랑수아 자코브(Fran?ois Jacob) ㆍ 자크 모노(Jacques Monod)의 파자모 실험에 이르러 우리는 비로소 유전자라는 언어를 해독할 수 있게 되었다.(4장)
동물의 특이점을 기록하는 데 그쳤던 발생연구는 변이에서 유전자로, 유전자에서 DNA 서열-단백질 서열-단백질 기능의 발견으로 이어지며 '어떻게 발생하는가'라는 질문의 해답에 접근해나갔다. 이는 배아의 "보이지 않는 힘에 의해 움직이는 발생력, 그 신비한 외력에 몰입한 과학자들의 탐구정신"이 이룩한 지적 성취였다. 가설과 실험, 실패와 우연과 발견, 그리고 더 날카로운 가설로 이어지는 과학자들의 사고과정을 따라가면서 독자는 자연의 섭리에 다가가고자 하는 숭고한 앎의 의지에 감탄하게 된다.


■ "복제를 통해 생명 창조의 비밀에 다가서다"
알비노 개구리와 복제 양 돌리 실험, 배아 복제의 시대를 열다

세포분화, 형태발생, 유전학, 줄기세포 생물학 등 이 책에 등장하는 수많은 과학 용어들은 독자를 압도하기에 충분하지만, 그럼에도 불구하고 이 책에 빠져들 수밖에 없는 이유는 보이지 않는 것을 드러내고자 하는 열망에 가득찬 '사람들'의 이야기로 가득하기 때문이다. 특히 노벨의학상 수상자 존 거든의 알비노 개구리 복제 실험을 다룬 3장은 이 책의 백미라 할 만하다. 존 거든이 개구리 배아이식에 성공하며 하이브리드 세포를 만들었을 때는 그가 취업과 학업 등 인생의 자잘한 실패들 끝에 연구생 수습으로 들어간 지 겨우 1년차에 불과했다. 그의 실험 결과는 배아세포가 분화가 진행될수록 잡종 배아가 탄생할 확률이 급격히 떨어진다는 당대 저명한 학자 밥 그리그스의 결과에 반하는 것이었다. 거든은 그리그스의 권위에 짓눌리지 않고 뚝심과 손기술, 그리고 무한한 호기심으로 자신의 이론을 정교하게 다듬었고, 결국 알비노 개구리(흰 색 개구리)에서 채취한 핵을 정상 색소 암컷의 알에 이식하여 수십 마리의 알비노 개구리를 탄생시키는 데 성공했다. 이로써 '복제의 시대'가 시작된 것이다.
존 거든 이후 수많은 과학자들은 다른 포유류를 활용해 핵이식 실험을 감행했고, 무려 40년이 지난 1977년, 키스 캠벨(Keith Campbell)과 이언 윌머트(Ian Wilmut)는 복제 양 돌리를 탄생시키기에 이른다. 그렇게 인간은 생명을 창조하고 복제하는 신의 모습에 한발 다가섰다.


■ "현대 의학의 현주소, 생명 창조의 비밀에 다가서다"
줄기세포의 발견부터 유도만능줄기세포, 유전자 편집, 재생의학까지

2부에서는 배아의 성질을 인간이 재현하고 조작하며 생명의 신비를 모방하게 되는 현대 의학의 도전을 다룬다. 세포분화, 유전자 발현, 세포 간 신호 전달, 형태발생 등 과학자들이 실험실에서 밝혀낸 생명의 청사진은 질병 해방의 마스터키로서 끊임없이 응용되고 있다. 저자는 줄기세포의 발견 이후 세포 역분화, 유전자 편집, 재생의학 등 지금 의학계에서 벌어지고 있는 명장면들을 현장 당사자의 경험을 바탕으로 생생하게 전한다.
2차 세계대전 이후 생쥐를 통해 방사선의 치명성에 대한 실험을 이어가던 어니스트 매컬러(Ernest McCulloch)와 제임스 틸(James Till)이 비장에서 다양한 경로를 따라 분화하는 새로운 세포, 즉 줄기세포를 발견한 것은 생명과학계의 일대 혁명을 의미했다. 이후 1950년대 유전학자 로이 스티븐스(Roy Stevens)는 기형종이 발생하는 하나의 다능성 세포를 다음 세대에 유전체를 전달하는 기술, '유전자 녹아웃(gene knockout)' 기술을 통해 키메라 생쥐를 만들어냄으로써 배아줄기세포의 발견을 이끌어낸다. 실제로 이 유전자 녹아웃 기술은 점점 발전해 심장마비, 뇌졸중, 심부전, 자가면역질환 등과 같은 인간 질병 치료에 적극 개입하게 된다.
인간의 배아를 대상으로 한 실험에 윤리 문제가 대두되자 2006년 일본인 외과의 야마나카 신야(山中伸?)가 배아를 건드리지 않고 분화된 세포를 줄기세포로 '역분화'하는 방법, 즉 유도만능줄기세포를 발견하게 된다. 이 기술은 루게릭병, 간질환, 심장질환뿐 아니라 감염성 질환 분야에 응용되며 적극적으로 개발 중이다. 저자는 이외에도 백혈병과 당뇨 등에 조작된 세포를 사용하여 고장 난 조직을 대체하는 '세포기반 치료'뿐 아니라 다른 영장류에서 인간의 장기를 성장시켜 환자에게 이식하는 '키메라 동물' 등 첨단 의학의 현주소를 여실히 그려낸다.


■ "아직 밝혀지지 않은 발생의 신비, 여전히 '밤의 과학'에 머물러"
대중의 생물학적 문해력을 위한 시도와 기초과학 연구의 필요성 대두

생명과학의 역사에서 빠지지 않는 것이 바로 윤리적 문제다. 2018년 태아의 유전자를 편집한 최초의 과학자인 허젠쿠이(?建奎) 박사는 결국 구속되어 감옥에 갇혔고, 2021년에는 캘리포니아 라호야에서 원숭이와 인간의 키메라 배아(서로 다른 두 종의 세포가 결합된 배아)가 만들어지며 논란이 되었다. 저자 역시 2000년부터 2006년까지 하버드 줄기세포 과학자 더글러스 멜튼의 연구실에서 박사 후 연구원으로 일하며 자신들의 연구가 정치적·윤리적 반발에 부딪히는 과정을 일선에서 경험했다. 지금까지도 인간 배아 연구에 관한 국제 표준은 수정 후 2주 이상 지난 배아의 배양을 금지하고 있으나, 복제인간, 유전자 편집으로 생산된 자녀, 영원히 죽지 않는 인간 등 SF에서 묘사하는 인류의 미래가 걷잡을 수 없는 현실로 다가오리라는 것은 어려운 상상이 아니다.
과학적 탐구의 '스릴'에 집중했던 초기 발생학 연구와 달리 오늘날의 과학 연구는 대규모 연구 집단이 의학적, 상업적 잠재력을 중시하는 응용과학 연구, 즉 '빅 사이언스'로 나아가고 있다. 이에 저자는 "후생유전학적 조절과 유전자 편집에 관한 발견은 실무자조차 따라잡기 힘들 정도로 빠르게 진행"(380쪽)되고 있는 만큼, 우리 사회가 새로운 지식을 소화하고 실생활에 반영하는 일이 점점 더 어려워지고 있다고 토로한다. 인간이 발견한 이 기술을 윤리적인 방식으로 사용하려면 사회적인 합의가 필요하며, 이에 생물학적 문해력(biological literacy)이 점점 더 중요해지고 있다는 것이다. 결국 이 책은 바로 대중의 생물학적 문해력 향상을 위한 저자의 야심찬 시도인 셈이다.

중요한 것은 지난 1세기 동안 생명과학 분야의 놀라운 성취에도 불구하고 여전히 발생에 대해 아는 것보다 모르는 것이 더 많다는 사실이다. 기관의 모양과 크기를 제어하는 것은 무엇인가, 수명은 무엇으로 결정되는가, 의식은 어떻게 형성되는가의 문제는 여전히 한치 앞을 내다볼 수 없는 '밤의 과학'에 머물러 있다. 저자는 본질적인 지식은 결과가 예측 가능한 프로젝트인 '낮의 과학'이 아니라 한치 앞을 볼 수 없는 구불구불한 '밤의 과학'을 헤매는 일에서 시작된다고 강조한다. 밤의 과학을 헤매며 오늘도 '무지와 이해의 경계, 지도가 그려지지 않은 곳을 탐색'하는 과학자들처럼 이 책을 통해 독자들과 함께 과학적 탐구의 즐거움을 함께 누릴 수 있다면 더할 나위 없을 것이다.

서곡-생명의 시작
1장 단일세포 문제: 생명의 근원에 관한 가장 오래된 질문
마트료시카┃세포, 자연선택설, 그리고 실험생물학┃반쪽 배아┃스스로를 재건하는 기계┃형성체, 운명을 바꾸는 전환┃미국식 시스템 vs 유럽식 시스템

2장 세포의 언어 : 유전자를 읽고 쓰다
유전자라는 언어를 배우다┃다윈의 단절 고리, 형태형성 요소┃플라이 룸의 흰 눈 파리┃최초의 유전자 지도┃황이 결핍된 물질┃형질전환물질

3장 세포 사회 : 무엇이 세포의 운명을 결정하는가
세포 사회의 구성원들┃유전자 수 헤아리기┃비좁은 개구리 실험실에서┃발생 시계를 되돌리는 법┃그 개구리라는 증거┃유전체 동등성과 복제 양 돌리

4장 유전자 켜고 끄기 : 파자모 실험과 유전자 코드
다락방에서 깨운 바이러스┃먹는 순서를 선택하는 세균┃mRNA의 발견┃유전자 조절을 억제하는 것┃전사와 번역이라는 원리

5장 유전자와 발생 : 파리와 벌레가 가르쳐준 것
머리, 어깨, 무릎, 발가락┃하이델베르크 연구┃파리에서 벌레로┃발생의 계보와 궤적┃변이에서 기능으로

6장 길 찾기 : 어디로, 얼마나, 어떻게 갈 것인가
형태발생의 이정표┃위와 아래, 외부와 내부┃위치를 바꾸는 법┃서로 끌어당기는 힘┃관은 어떻게 만들어질까┃크기 조절이라는 미스터리┃움직이는 배아

간주곡-무르익은 생명의 생물학

7장 줄기세포 : 또 다른 하나의 세포
자연의 거대한 실험┃암을 치료하는 코발트 폭탄┃분석의 과학┃울퉁불퉁한 비장┃또 다른 '하나의 세포'┃1에서 100만으로의 증식

8장 세포 연금술 : 배아줄기세포가 연 가능성
특이한 종양┃배아줄기세포의 시대┃녹아웃 생쥐┃생쥐에서 인간으로┃줄기세포와의 전쟁┃현자의 돌┃세포 아바타, 유도만능줄기세포

9장 한 세포의 폭주 : 암세포의 진화
암의 세포적 기원┃암 치료 연구의 현주소┃종양의 이웃들┃배아 조직의 사악한 도플갱어

10장 영원의 눈과 개구리의 발가락 : 재생의학의 미래
척추손상 환자들┃장기 부전과 재생┃공간에서 길을 잃다┃기관을 처음부터 새로 만든다?┃순탄치 않았던 세포 기반 치료┃희미한 희망

11장 낮의 과학과 밤의 과학 : 우리에게 남은 과제
세포 기억의 복잡성┃유전의 재구성┃인간을 조작하다┃생물학적 문해력

피날레-다시 돌아온 질문

감사의 글
용어해설
주
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벤 스탠거 Ben Stanger
의사이자 발생생물학자, 그리고 암 생물학자.
펜실베이니아 대학교의 해나 와이즈 암 연구 교수이자 세포 및 발생생물학 교수로 재직 중이다. 펜 메디슨의 소화기내과 전문의이기도 하다. 매사추세츠 공과대학 생명과학과를 졸업, 하버드 의과대학에서 유전학과 의학으로 박사학위를 취득했으며, 하버드대 줄기세포학자 더글러스 멜튼의 연구소 등에서 박사후 과정을 밟았다.
스탠거 박사는 배아발생이야말로 생명의 청사진이자 질병 해방의 마스터키라는 사실에 주목하여 지난 20년간 유전학·세포 및 발생생물학·분자생물학 연구에 매진해왔다. 그리고 이를 바탕으로 췌장암·간질환·당뇨병의 치료법을 찾는데 전념하며 150편 이상의 논문을 발표했다. 에이브람슨 가족암연구소의 연구원이자 펜실베이니아 췌장암 연구센터 소장으로 있으며 활발한 연구를 이어가고 있다.
이 책은 스탠거 박사가 대중을 위해 쓴 첫 저서로, 단일세포에서 인간으로 성장하기까지 자연의 정교한 설계와 놀라운 우연으로 직조된 생명의 작동 원리를 추적하고 있다. 이 책은 출간 즉시 아마존 생물학 분야 1위에 올랐고, 2023년 필라델피아 아테네움 저술상 최종 후보로 선정되며 대중과 학계의 찬사를 받았다.