달콤한 생명과학(상상초월 석학강연 3)

바깥세상보다 더 바쁘고 기묘한 세포의 세계
단백질의 변신에는 저마다 이유가 있다!

"모든 학문이 그렇듯이 최소한의 암기는 필요합니다. 새로 나오는 용어는 우선 암기해야겠지요. 하지만 여러분이 친구를 사귈 때 친구 이름과 특성을 일일이 노트에 적어가며 암기하지 않는 것처럼 생물학에 나오는 어려운 용어들도 사랑하는 마음과 흥미로운 관심으로 받아들인다면 애써 암기하지 않아도 될 것입니다. 설령 쉽게 암기하지 못하면 또 어떻습니까? 관심과 흥미를 갖고 생물을 공부한다면 처음에 어렵게 느꼈던 용어들이 어느 순간 친한 친구처럼 여러분 머릿속에 담겨 있게 될 것입니다."
_머리말 중에서

생물학자이자 싱어송라이터인 조진원 연세대학교 언더우드 특훈교수의 『달콤한 생명과학』(상상초월 석학강연 시리즈 03)이 출간되었다. 이 책은 조진원 교수가 청소년을 대상으로 진행한 세 번의 생물학 강연을 글로 풀어쓴 책이다. 저자는 다양한 각도에서, 단백질이 제대로 된 구조로 변신해야만 제 기능을 발휘할 수 있다는 점을 설명해낸다. 이를 위해 이 책은 아미노산의 종류에서부터 당생물학과 글라이코믹스(탄수화물의 구조와 기능을 밝히는 학문 분야)까지 광범위하게 살펴보고 있다.
이 책은 DNA에 큰 관심이 없다. 이 책에서 초점을 맞추는 부분은 DNA에서 mRNA로 전달된 정보에 따라 아미노산이 결합되어 단백질이 합성된 이후, 바로 그 이후의 과정이다. 이는 마치 대본이 배우에게 잘 전달된 이후 어떤 연극이 무대에 올랐는지에 관심을 두는 것과 마찬가지다. 저자가 이 생명의 연극에 대해 여러 번 강조하는 핵심 내용은 단백질은 그것에 다른 분자가 결합함으로써 구조가 바뀌어야 제 기능을 발휘할 수 있다는 점으로 요약할 수 있다.
저자에 따르면, 대부분의 많은 단백질은 아미노산만으로 기능하지 않고, 탄수화물, 인산기, 메틸기, 아세틸기, 수산기, 황 같은 여러 분자들과 공유결합을 해야만 올바른 기능을 발휘할 수 있다. 이렇게 단백질이 다른 분자들과 결합하는 과정을 단백질의 '번역 후 수식화' 과정이라고 한다. 그래서 '번역 후 수식화' 과정에 문제가 생기면 단백질의 기능에 문제가 생길 수밖에 없다. 예컨대, 단백질에 (-)전기를 띤 인산기가 결합하게 되면 그 전기적인 성질 때문에 단백질의 구조가 변하고 그 변화된 구조에 의해 단백질이 기능을 발휘하게 되는데, 단백질의 정확한 위치에 인산기가 붙지 않는다면 그 단백질은 기능을 발휘하지 못하게 된다.
여기서 단백질에 달라붙는 분자로는 인산뿐 아니라 탄수화물도 매우 중요하다. 잠깐 용어정리를 하자면, 탄수화물의 기능과 구조를 연구하는 학문이 당생물학이며, 탄수화물에 대해 총체적으로 연구하는 학문이 바로 글라이코믹스다. 당생물학과 글라이코믹스는 2003년 미국 MIT가 21세기를 변화시킬 수 있는 10대 기술에 포함시킬 정도로, 학문적 잠재력이 매우 큰 학문 분야 중 하나로 꼽힌다.
당화(glycosylation)는 단백질에 탄수화물이 붙는 것을 의미하는데, 소포체에서 단백질의 구조를 결정하거나 신호전달 체계를 조절할 때 매우 중요한 과정이다. 저자가 특히 관심을 갖고 있는 당화는 'O-글루넥(O-GlcNAc)'이다. 대부분은 소포체와 골지체를 통해 당화가 이루어지는데, O-글루넥은 세포질이나 핵 내에서 일어나는 매우 독특한 당화다.
그러면 O-글루넥에 왜 관심을 가져야 할까? 저자에 따르면, O-글루넥은 포도당의 대사와 연관되기 때문에 당뇨뿐 아니라 암의 발생과 전이와 밀접한 관계를 갖고 있으며, 심지어 치매의 발병과도 상관있는 '당화'이다. 더욱이 세포의 신호전달에 중요하게 작용하는 인산화의 위치와 O-글루넥의 수식화 위치가 경쟁하는 경우가 많아서 O-글루넥 연구는 최근 더욱 주목을 받고 있는 중이다. 당뇨를 치료하거나 암을 제어하는 기술을 개발하거나 치매를 예방하는 방법을 찾기 위해서는 O-글루넥 연구에 관심을 가질 필요가 있다.
이 책은 이처럼 세포 속에서 많은 일을 훌륭하게 해내는 단백질과 그 단백질과 결합하는 분자들의 이야기를 하나 가득 담고 있는 책이다. 아무리 뛰어난 과학자라고 할지라도, DNA의 염기 서열에 따라 만들어진 아미노산의 배열만 가지고서는 어떤 모양의 단백질이 만들어지는지를 쉽게 알 수 없다고 한다. 단백질이 변신해야 제 기능을 발휘할 수 있다는 것을 감안한다면, 인류가 생명현상에 대해 여전히 얼마나 무지한지 가늠할 수 있는 부분이다. 혹시 단백질과 탄수화물의 구조와 기능에 관한 연구 속에 생명현상의 비밀을 푸는 열쇠가 숨어 있는 것은 아닐까?
책의 뒷부분에는 정재승 카이스트 교수(바이오및뇌공학과)와의 대담 '생명과학자와 함께하는 상상초월 토크 콘서트(대담 진행: 정재승 카이스트 바이오및뇌공학과 교수)'가 실려 있는데, 이 대담에서 독자들은 생물학자로서의 인생과 학문적 열정, 과학자 겸 예술가로서 활동하는 것의 즐거움에 관한 조진원 교수의 거침없고 솔직한 이야기를 접할 수 있을 것이다.
상상초월 석학강연 시리즈는 12명의 국내 최고의 석학들이 각각 핵심적인 개념 3가지를 선택해 쉬우면서도 깊이 있게 다루는 과학 명강 시리즈로, 정재승 카이스트 교수(바이오및뇌공학과)가 기획자로 참여했다.

상상초월 석학강연 시리즈란?

우주의 경이로움과 자연에 대한 통찰력!
사고력과 인식의 지평을 넓히는 과학 명강

"이 시리즈의 취지는 학문의 최전선에 선 최고의 석학들을 모시고,
학생들이 알아야 할 과학의 정수를 맛보게 하는 것입니다."
_ 기획의 말(정재승 KAIST 바이오및뇌공학과 교수)

'상상초월 석학강연 시리즈'는 12명의 국내 최고의 석학들이 각각 핵심적인 개념 3가지를 선택해, 쉬우면서도 깊이 있게 다루는 과학 명강 시리즈다. 과학의 진면목을 들여다보자는 의도에서 이뤄진 기획으로, 수학에서 출발해 우주와 물질을 거쳐 생명에 이르기까지 가장 핵심적인 과학 주제를 파헤친다. 코딩 이론, 확률, 프랙탈, 행렬, 게임 이론, 암호, 미분, 허수, 빅뱅, 초신성, 전자기, 상대론, 양자역학, 힉스 입자, 최종 이론, 상호작용, 고분자, 유기합성, 결합, 에너지, 반응, DNA, RNA, 생물의 에너지, 공생, 단백질, 당생물학 등 36가지 주제를 다룬다.
박형주 포스텍 교수(수학), 한상근 KAIST 교수(수학), 권오남 서울대학교 교수(수학), 이명균 서울대학교 교수(천문학), 이순칠 KAIST 교수(물리학), 이종필 고려대학교 연구교수(물리학), 김희준 광주과학기술원 석좌교수(화학), 전철호 연세대학교 교수(화학), 김성근 서울대학교 교수(화학), 강창원 KAIST 교수(생물학), 노정혜 서울대학교 교수(생물학), 조진원 연세대학교 교수(생물학)가 이 기획에 참여했다. 강연은 KT&G 상상마당에서 진행됐다.

머리말 004
기획의 말 008

1부 단백질 변신의 중요성 014
세포의 작은 기계, 단백질 / 폴리펩타이드와 아미노산 그리고 중합체 / 단백질의 독특한 구조와 기능 / 원자들의 결합과 분자 간 상호작용 / 물(친수성)과 기름(소수성)의 차이 / 단백질 구조의 4단계 / 단백질의 변신

2부 세포로의 여행 068

세포를 들여다보는 현미경 / 세포 속으로 / 동물세포와 식물세포(세포막 / 세포의 핵 / 리보솜 / 내막계 세포소기관과 비내막계 세포소기관)

3부 당생물학과 글라이코믹스 114
달콤하고 끈적끈적한 당 / 질병과 당생물학 / ABO 혈액형과 당생물학 / 암세포와 당화 / 당화가 중요한 이유 / O-글루넥 연구 / O-글루넥 전이효소 / O-글루넥 당단백체 / O-글루넥 수식화 연구의 응용

4부 생물학자와 함께하는 상상초월 토크 콘서트 190
대담자 : 조진원 연세대학교 시스템생물학과 교수, 정재승 카이스트 바이오및뇌공학과 교수

조진원 저자 조진원은 연세대학교 시스템생물학과 교수(언더우드 특훈교수)이자 작곡가 겸 가수. 20대 초반에 '연'을 비롯해 '사랑하는 사람아', '얼굴 빨개졌다네'를 연달아 히트시키며 유명 싱어송라이터로 활동했고, 1980년대 초에는 CBS '꿈과 음악 사이에' DJ로도 활약했다. 연세대학교 대학원(미생물학)을 졸업할 무렵 음악과 학문 사이에서 갈등하다가 공부의 끈을 놓지 못하고 본격적으로 생명과학자로서의 길을 걷기 시작했다. 대학원에서 석사학위를 받은 후 미국으로 건너가 U.C. 데이비스에서 당생물학으로 박사학위를 받았다. 뉴욕주립대학교 스토니 브룩 박사후연구원을 거쳐, 현재 연세대학교에서 학생들을 가르치고 있다. 과학기술부 연구개발사업 우수 성과 50선(2009)에 선정된 바 있으며, 연세학술상(2009), 한국분자세포생물학회의 생명과학상(2011)을 수상했다. 2013년에는 연구 성과를 인정받아 연세대학교 언더우드 특훈교수가 되었다. International Symposium on Glycoconjugates의 조직위원장을 맡고 있으며, 2017년에는 국제복합당질학회 회장으로 임명될 예정이다. 한국싱어송라이터협회 회장을 맡고 있으며, 최근 정규앨범으로 [아빠의 노래는 별이 되어](2015)를 발표했다.