[2017 노벨화학상] 생체 분자 구조 들여다 보는 기술 개발한 과학자들

2017년 10월 05일 00:30

※ 편집자주
동아사이언스는 독자 여러분의 이해를 돕고자 노벨 과학상 수상자가 발표되는 2~4일, 노벨위원회가 수상자 발표와 동시에 홈페이지를 통해 공개하는 보도자료 전문을 번역해 공개합니다. 노벨 위원회는 이 보도자료를 통해 수상자 선정 배경과 의미를 자세히 소개하고 있습니다

 

☞영어원문 보기

 

스웨덴왕립과학원은 2017년 노벨화학상 수상자로 생체분자를 3차원으로 관찰할 수 있는 획기적인 기술을 개발한 스위스 로잔대 자크 뒤보쉐 교수, 미국 컬럼비아대 요아킴 프랭크 교수, 영국 분자생물학MRC실험실 리처드 헨더스 프로그램 리더를 선정했다고 4일 밝혔다.

 

이들은 극저온전자현미경(이하 Cryo-EM)을 개발해 움직이는 생체분자를 얼려 잠시 멈춘 뒤, 원자 수준의 3차원 구조를 관찰하는 길을 열었다. 생화학 분야의 새로운 지평을 연 것이다.

 

● 원자 수준의 세밀한 구조를 찍다

 

눈으로 관찰할 수 없는 생체 분자의 놀라운 구조와 활동 모습이 최근 연이어 밝혀졌다(그림1). 살모넬라균이 세포를 공격하는 장면, 항생제나 각종 화학요법에 저항성을 띄는 단백질, 생체리듬을 조절하는 분자, 식물이 광합성을 하도록 빛을 인식하는 분자, 소리를 들을 수 있게 만들어주는 압력센서 분자 등 생명체 속 분자들의 모습이 속속 드러난 것이다. 이는 모두 Cryo-EM으로 관찰한 결과였다.

 

그림1. 최근 몇 년간 과학자들은 극저온 전자현미경을 통해 수많은 생체분자들의 모습을 관찰했다. 생체리듬을 조절하는 단백질(a), 귀에서 압력변화를 읽고 들을 수 있게 만드는 센서 분자(b), 지카바이러스(c) 등 극저온전자현미경(Cryo-EM)이 관찰한 분자들은 무수히 많다. - 노벨위원회 제공
그림1. 최근 몇 년간 과학자들은 극저온 전자현미경을 통해 수많은 생체분자들의 모습을 관찰했다. 생체리듬을 조절하는 단백질(a), 귀에서 압력변화를 읽고 들을 수 있게 만드는 센서 분자(b), 지카바이러스(c) 등 극저온전자현미경(Cryo-EM)이 관찰한 분자들은 무수히 많다. - 노벨위원회 제공

브라질에서 발병한 소두증을 유발하는 범인으로 지카바이러스가 지목됐다. 새로운 바이러스가 등장하자 역시 Cryo-EM이 나섰다. Cryo-EM을 통해 밝힌 지카바이러스의 3차원 구조를 바탕으로 과학자들은 이를 이겨낼 수 있는 표적 신약 연구를 시작할 수 있었다. 

 

뒤보쉐, 프랭크, 헨더슨은 생화학 분야에 지각변동을 일으킬 발견을 이끌었다. 극저온 전자현미경의 개발로 생체 분자의 이미지를 포착할 수 있게 되면서, 생화학 분야는 새로운 시대에 접어들었다.

 

● 이미지- 지식의 핵심 열쇠

 

단백질, DNA, RNA와 같은 생체분자의 세계는 20세기 초반만 해도 미지의 영역이었다. 과학자들은 생체분자들이 세포 안에서 핵심 역할을 한다는 점을 알았지만, 그들이 어떻게 생겼는지는 알지 못했다. 1950년대 들어서야 영국 캠브리지대가 X선을 이용해 단백질의 모습을 최초로 관찰했다. 구불구불한 나선형의 생체 분자 모습이 확인된 것이다.

 

1980년대 초, X선 결정법 (X-ray crystallography)과 핵자기공명(이하 NMR) 분광기의 개발로 과학자들은 고체 상태 및 용해 상태의 단백질을 연구할 수 있게 되었다. 생체분자의 구조 뿐만아니라 각 분자들이 어떻게 움직이며 서로 상호작용하는지를 알 수 있게 됐다. 이로 인해 수천가지 생체분자들에 대한 자료가 축적됐고, 이를 바탕으로 다양한 약이 개발됐다.

 

하지만 이 방법들은 근본적 한계가 있다. NMR은 용액 상태에서 상대적으로 작은 단백질만 관측할 수 있다. X선 결정법은 얼음처럼 잘 정렬된 결정 상태의 분자들만 관찰할 수 있다는 점이었다. 두 방법을 통해 찍은 이미지는 마치 옛날의 흑백사진과 같았고 단백질의 역동적인 움직임에 대해선 거의 알려주는 바가 없었다. 

 

또한 많은 분자들은 결정 형태로 스스로를 조정하지 못 한다. 리차드 헨더슨이 1970년대 X선 결정법의 한계를 극복하지 못한다고 결론짓고 새로운 연구로 눈을 돌린 이유다. 2017년 10월 노벨화학상의 시작점이 된 전자현미경 분야였다.

 

● 헨더슨, 연구 경로를 바꾸다

 

헨더슨은 X선 결정법에 대한 연구로 영국 캠브리지대에서 박사학위를 받았다. 그는 X선 결정법으로 세포를 둘러싼 멤브레인 막에 위치한 단백질을 결정화하는 방법을 찾고자했다. 

 

멤브레인의 단백질은 다루기 어렵다. 단백질은 자신들의 자연스러운 환경인 멤브레인에서 벗어나면 종종 쓸모없는 덩어리로 뭉쳐 버린다. 헨더슨이 처음 작업한 단백질은 적절한 분량을 만들어내기가 어려웠다. 두 번째 단백질은 결정화에 실패했다. 실망스러운 몇 해가 지난 후, 그는 가능한 유일한 대안으로 눈을 돌렸다. 바로 전자현미경이다.

 

전자현미경은 빛보다 파장이 짧은 전자빔을 시료에 투과시킨 뒤 시료와 상호작용을 통해 회절돼 나오는 전자빔을 형광판이나 사진필름으로 검출해 이미지를 만드는 방식의 현미경이다.  보통 투과전자현미경(TEM)으로 불린다. 파장이 짧은 덕에 더 작은 시료까지도 - 개별 원자의 위치까지 - 관찰할 수 있지만 X선 결정법이나 NMR 보다 뒤늦게 주목받았다.

 

1930년대 처음 전자현미경이 개발됐을 때, 과학자들은 전자현미경이 단지 생명이 없는 물질의 관측에만 사용할 수 있다고 생각했다. 전자의 빔을 강력하게 만들면 고해상도 이미지를 얻을 수 있지만, 생체분자가 타버렸기 때문이었다. 반대로 빔을 약하게 하면 색상의 대비를 잃고 이미지는 흐릿해진다.

 

게다가 전자현미경을 구동하려면 진공 상태가 돼야 하는데, 진공 상태에선 생체분자를 둘러싼 물이 증발해버려 생체분자는 붕괴돼 본래의 구조를 잃어버리게 된다. 이미지를 포착해 봤자 쓸데가 없어지는 것이다.

 

헨더슨은 ‘세포막 단백질’의 생생한 모습까지 관찰할 수 있는 현미경을 찾아 나섰지만 번번이 실패했다. 하지만 박테리오로돕신이라는 단백질을 연구하면서 처음으로 성공하게 된다.

 

● 아직 헨더슨은 만족하지 못했다

 

박테리오로돕신은 태양광을 흡수해 에너지를 얻는, 즉 광합성을 하는 보라색의 유기체다. 헨더슨은 박테리오로돕신 연구에서 이전과 다른 새로운 시도를 하게 된다. 이전엔 민감한 단백질을 세포막에서 제거했지만, 이 연구에선 박테리오로돕신을 통째로 전자현미경의 시료로 사용한 것이다. 박테리오로돕신은 세포막으로 둘러싸여 있기 때문에 구조를 유지할 수 있다. 또 헨더슨은 당시 시료의 표면을 포도당 용액으로 코팅해 진공 상태에서 수분이 증발하는 것을 방지했다.

 

그럼에도 강력한 전자빔은 여전히 문제였다. 연구팀은 박테리오로돕신의 관찰을 위해 최대한 약한 빔을 만들어 보냈다. 이미지의 대비(콘트라스트)는 떨어졌지만, 개별적인 분자의 움직임을 관찰할 수는 있었다. 이를 통해 연구팀은 세포막 속 생체분자들이 규칙적으로 움직이고 배열된다는 것도 확인했다. 전자 빔을 받은 단백질은 거의 같은 방식으로 빔을 회절시켰다. 연구팀은 이 회절 패턴을 분석해 더 상세한 이미지를 얻을 수 있었다. X선 회절법에 쓰인 것과 유사한 수학적 방법이 쓰였다.

 

이어 연구팀은 세포막 시료를 다양한 각도에서 촬영했다. 이를 통해 1975년 박테리오로돕신의 대략적인 3차원 이미지가 처음으로 밝혀지게 됐다(그림2).

 

그림2. 1975년 국제학술지
그림2. 1975년 국제학술지 '네이처'에 실린 박테리오로돕신의 첫 이미지. - 네이처 제공 

이는 현재까지 전자현미경으로 관측한 가장 정확한 삼차원 이미지였다. 사람들은 7옴스트롱(0.0000007㎜)의 해상도를 구현한 이 성과에 박수를 보냈다. 하지만 헨더슨은 여기에 만족하지 않았다. 그는 3옴스트롱의 해상도를 보이는 X선결정법 이상의 해상도를 전자현미경 방식으로 얻어내고자 했다.

 

● 핸더슨이 얻어낸 원자 수준 해상도의 첫 이미지


수년의 연구 끝에 헨더슨은 전자현미경을 점차 개선해나간다. 렌즈와 저온 기술의 발달 덕분이다. 저온 기술은 액체 질소를 이용해 관찰 중인 시료를 차게 만들어주는 것이다. 전자빔으로 인한 손상을 줄일 수 있다.

 

헨더슨은 박테리오로돕신의 더 상세한 구조, 더 선명한 이미지를 얻기 위해 세계를 돌아다니며 연구를 거듭한다. 마침내 1990년, 첫 이미지를 발표한 15년 만에 그는 원자 수준의 고해상도 3차원 박테리오로돕신의 구조를 얻어내는데 성공한다(그림3).

 

그림3. 1990년 헨더슨이 원자 수준 해상도로 관찰한 박테리오로돕신 구조. - 노벨위원회 제공
그림3. 1990년 헨더슨이 원자 수준 해상도로 관찰한 박테리오로돕신 구조. - 노벨위원회 제공 

헨더슨의 연구로 Cryo-EM이 X선 결정법만큼의 해상도를 얻을 수 있다는 가능성이 제시됐지만 모든 시료에 전자현미경을 사용하긴 어렵다는 비판도 나왔다. 전자현미경을 이용한 관찰은 세포막 안에 규칙적으로 배열된 단백질들에 관해서만 가능하단 것이다.

 

문제는 이 기술을 일반화할 수 있느냐 하는 것이었다. 전자현미경이 무작위하게 분산하며 움직이는 시료들의 3차원 이미지를 얻어낼 수 있을까. 헨더슨은 가능하다고 했지만, 다른 이들은 그저 그의 ‘유토피아일 뿐’이라고 비판했다.

 

한편 대서양 반대편의 뉴욕에서 연구하는 요아킴 프랭크 역시 헨더슨이 마주한 문제를 풀기위해 오랫동안 연구하고 있었다. 1975년에 프랑크는 작은 정보를 찍은 2차원 전자현미경 이미지를 고해상도 3차원 이미지로 결합하는 이론적인 전략을 발표했다. 이 아이디어를 현실화하기까지 십년의 세월이 걸렸다.

 

● 프랭크가 전자현미경의 해상도 문제를 해결했다

 

요아킴 프랭크의 전략은 흐릿한 전자현미경 사진에서 무작위로 위치가 변하는 단백질과 그 배경의 흔적을 컴퓨터로 식별하는 것에서 시작된다(그림4).

 

그림4. 프랭크의 3D 구조를 위한 이미지분석법. - 네이처 제공
그림4. 프랭크의 3D 구조를 위한 이미지분석법. - 네이처 제공 

그가 1981년에 완성한 컴퓨터 알고리즘은 여러 다른 이미지 패턴들을 인식하는 수학적인 방법이다. 유사한 패턴의 이미지를 같은 그룹으로 묶고 정보를 결합해 평균화되고 선명한 이미지를 구현한다.

 

알고리즘은 우선 전자현미경을 통해 하나의 단백질을 여러 각도에서 촬영한 고해상도의 2차원 이미지들을 인식한다. 그 다음, 어떻게 다른 2차원 이미지가 서로 연결될 것인지 또 이것에 기반해 3차원 이미지를 어떻게 만들지에 대한 수학적으로 결정하게 된다. 프랭크는 1980년대 중반 이런 이미지 분석법을 발표했고, 당시 세포 속에서 단백질을 만드는 분자 수준의 기관인 리보솜을 이미지화 하는데 성공했다. 요아킴 프랭크의 이미지 처리법은 Cryo-EM 기술 개발의 기반이 됐다.

 

다시 과거로 되돌아가면, 1978년, 프랭크가 이미지 처리에 대한 컴퓨터 프로그램을 완성해 가던 시기에 자크 뒤보쉐가 하이델베르그에 있는 유럽분자생물학실험실에 들어와, 생물학적 시료가 어떻게 마르게 되며 진공에서 훼손되는 지와 같은 전자현미경의 다른 남은 문제들을 풀 연구를 진행하고 있었다.

 

● 뒤보쉐, 유리화된 물을 만들다.

 

1975년에 헨더슨은 세포막을 보호하기위해 포도당 수용액을 사용하고 있었다. 그런데 이 방법은 친수성 생체분자에서는 소용이 없었다. 또 다른 연구자는 얼음이 물보다 증발되는 속도가 느린 것에 착안해 시료를 얼리기도 했다. 그러나 얼음 결정은 전자현미경으로 촬영할 때 전자빔을 방해해 제대로 된 이미지를 촬영할 수 없게 만드는 문제가 있었다.


이때 자크 뒤보쉐는 한가지 해법을 떠올렸다. 순식간에 물의 온도를 낮추면 액체 상태가 얼음 결정 대신 유리(glass)화된 상태를 갖게 된다는 것이었다. 유리화는 고체 결정이 생성될 때 나타나는데, 불규칙한 분자 구조를 갖는 유체다. 뒤보쉐는 유리화된 물을 얻을 수 있다면, 전자빔이 회절될 때 방해받지 않아 제대로된 이미지를 만들 수 있을 것이라 생각했다.

 

처음에 연구팀은 영하 196도의 액체질소에 소량의 물을 떨어뜨려 유리화 시키려고 시도했다. 그러나 질소대신 액체질소로 온도를 낮춘 에탄을 사용하지 않으면 늘 실패한다는 것을 발견했다.

 

현미경으로 그들이 관찰한 액체 방울은 이전의 어떤 것과도 다른 움직임을 보였다. 그들은 처음에 그것이 에탄이라 생각했다. 하지만 방울의 온도를 조금만 높이자 분자는 갑자기 스스로 재배열되고 얼음 결정과 유사한 구조를 형성했다. 일부 연구자들은 물을 유리화 시키는 것이 불가능하다고 했지만 연구팀은 결국 성공했다.

 

● 대비를 위한 간단한 기술적 방법

 

1982년에 돌파구를 찾은 후, 뒤보쉐의 연구팀은 오늘날도 사용되는 Cryo-EM의 초기 기술을 빠르게 개발해 나갔다(그림5). 그들은 물에 다양한 형태의 바이러스를 용해시킨 다음, 그 수용액을 미세한 금속 그물망에 뿌려 얇은 필름처럼 만들었다. 활과 같은 구조를 사용해 그물망을 액체에탄에 넣어 유리화된 물을 얻어냈다.

 

그림5. 뒤보셰의 유리화 기법. - 노벨위원회 제공
그림5. 뒤보셰의 유리화 기법. - 노벨위원회 제공

연구팀은 1984년 유리화된 물을 배경으로 선명한 대조를 이루는 둥그렇거나 육각형 모양의 각기 다른 바이러스의 이미지를 처음으로 공개했다. 생물학적 물질들을 쉽게 전자현미경 촬영에 적합하게 만들 수 있게 되었고, 연구자들은 곧바로 뒤보쉐의 기술을 받아들였다.

 

● ‘블라볼로지(blobology)’에서 혁명으로

 

Cryo-EM을 위한 가장 중요한 부분은 해결됐지만 여전히 저해상도 문제가 남아있었다. 1991년에 요아킴 프랭크가 뒤보쉐의 유리화 기법으로 리보솜 이미지를 찍고 그가 만든 소프트웨어로 이미지를 분석해 40옴스트롱의 해상도로 3D 구조를 얻었다.

 

그것은 전자현미경의 발전사에서 놀라운 발전이었다. 하지만 이 역시도 리보솜의 윤곽만 나타내고 있을 뿐이었다. 3차원 이미지는 마치 방울같이 뭉툭했고, X선 결정법의 원자 수준 해상도에는 여전히 크게 못 미쳤다.

 

Cryo-EM가 여전히 단백질의 울퉁불퉁한 표면 정도만 시각화할 수 있었기 때문에, 이 기술은 (‘방울’이란 의미의 영어 단어 blob에서 따온) ‘블라볼로지(blobology)’라는 조롱을 받았다. 

  

그러나 전자현미경의 모든 요소들은 점차 최적화 되어 갔다. 이는 특히 언젠가 전자현미경이 개별 원자의 이미지를 보여줄 정도로 발전하리라는 비전을 고집스럽게 유지한 리처드 핸더슨의 공이 컸다. 해상도가 꾸준히 향상됐고, 2013년 새로운 전자탐지기가 도입되면서 마지막 기술적 장애물도 극복했다(그림6).

 

그림6. 최근 몇 년간 전자현미경 해상도가 비약적으로 발전했다. 2013년(왼쪽)과 현재의 해상도 차이. - Martin Hogbom 제공
그림6. 최근 몇 년간 전자현미경 해상도가 비약적으로 발전했다. 2013년(왼쪽)과 현재의 해상도 차이. - Martin Hogbom 제공 

● 세포를 속속들이 볼수 있다

 

이제 꿈은 현실이 됐다. 우리는 생화학의 큰 발전을 목격하고 있다. 많은 것이 cryo-EM의 사진 덕분에 가능했다. 뒤보쉐의 유리화 기법은 더 사용하기 쉬워졌고, 최소의 시료로도 가능해졌다. 급속 냉각 처리 과정 덕분에 생체분자는 움직이는 중간 과정에서도 얼릴 수 있게 됐고, 연구자들은 매 과정마다 다양한 연속이미지를 얻을 수 있다. 어떻게 단백질이 움직이고 다른 분자와 상호작용하는지 영상으로 만들 수도 있다.

 

Cryo-EM을 사용하면 많은 약의 표적물질이 되는 막단백질이나 분자수준의 복합체도 쉽게 묘사할 수 있다. 그러나 작은 단백질은 전자현미경으로 연구할 수 없다. 작은 단백질을 보려면  NMR나 X선 결정법을 써야 한다.

 

1975년 뒤보쉐가 자신의 이미지 기법을 공개했을 때, 한 연구자는 “만약 이 기술이 완성된다면, 과학자들에게 제약이란 없어질 것”이라고 평했다.

 

그리고 지금 우리에게 제약이란 없다. 자크 뒤보셰, 요아킴 프랭크, 리처드 핸더슨은 그들의 연구를 통해 인류에 위대한 유익을 남겼다. 세포의 모든 모습을 원자 수준에서 세밀하게 포착할 수 있게 됐고, 생화확은 놀라운 미래를 열어갈 수 있게 됐다. 

 

 

2017년 노벨 화학상 수상자. (왼쪽부터) 자크 뒤보셰 교수, 요아킴 프랑크 교수, 리처드 헨더슨 연구원(왼쪽부터) - 노벨위원회 제공
2017년 노벨 화학상 수상자. (왼쪽부터) 자크 뒤보셰 교수, 요아킴 프랑크 교수, 리처드 헨더슨 연구원(왼쪽부터) - 노벨위원회 제공
 

■자크 뒤보쉐
1942년 스위스 출생, 1973년 제네바대에서 박사학위 받음. 로잔대 생물물리학과 교수.

 

■요아킴 프랭크

1940년 독일 출생. 1970년 뮌헨기술대에서 박사학위 받음. 미국 컬럼비아대 생화학 및 분자 생물물리학 및 생물학과 교수

 

■리처드 핸더슨
1945년 스코틀랜드 출생. 1969년 영국 캠브리지대에서 박사학위 받음. 영국 캠브리지대 분자생물학MRC실험실 프로그램리더.

 

 

 

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