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1. 단백질 + 핵산
‘박테리아가 인간과 공생하는 존재로 밝혀졌으니, 바이러스도 공생 물질로 봐야 하지 않겠는가?’라는 질문에는 함정이 있다. 이 질문이 성립하려면 바이러스가 박테리아와 유사한 성격의 개체라는 전제가 필요하기 때문이다. A와 B가 전혀 다른데, A가 이러니 B도 이렇지 않겠는가? 라고 물을 수는 없다.
바이러스가 19세기 말 과학자들의 생각처럼 작은 박테리아가 맞다면 위와 같은 질문을 할 수 있겠지만 우리는 바이러스가 박테리아와는 다른 성격의 개체라는 걸 확인했다. 따라서 위 질문은 성립하지 않는다.
앞서 언급했듯 ‘바이러스’라는 용어는 원래 박테리아, 독극물 등 인체에 해를 입히는 모든 독성 물질을 뜻하는 일반명사였다.1) 그런데 과학자들이 ‘질병을 유발하는 감염성 미생물’을 지칭하는 용어로 사용하면서 그 범위가 생물학 분야로 축소됐다.2)
이후 과학적 도구로 관찰이 불가능하고, 박테리아 등 미생물과는 다른 성격을 가진 초미세 감염성 물질의 존재가 알려졌고, 학자들이 이를 ‘바이러스’라 지칭하면서 용어의 범주에서 박테리아, 균류, 원생생물 등 미생물이 제외됐다.3)4)
결국 바이러스란 용어는 감염성 물질 중 미생물이 아닌 존재를 의미하는 고유명사로 고정되어 과학사전에 정식으로 등재되었고,5) 1950년대 들어서는 바이러스학이 박테리아학에서 분리되어 별도의 학문으로 자리 잡게 되었다.6) 그 결과 감염성 질병의 원인은 바이러스와 비(非)바이러스(미생물) 두 가지로 양분되었다.7)
일반 대중과 일부 학자들조차 바이러스를 박테리아나 곰팡이 등의 미생물과 같은 선상에 놓고 바라보는 경향이 있다. 하지만 바이러스를 논할 때 우리는 바이러스가 여타 미생물과는 전혀 다른 개체라는 사실을 잊어서는 안 된다. 그 둘을 같이 보는 관점은 150년 전 파스퇴르의 권위가 생물학을 지배하던 시대에나 통할 수 있었다. 특히 의료 분야에서 이런 시각이 지배적인데,8) 대중의 건강과 질병을 다루는 의료계가 학문의 발전을 따라잡지 못하는 현실이 안타깝다.
150년 전 질병의 미생물원인설이 과학적이란 평가를 받았던 이유는 그 이전 사람들이 질병의 원인을 신의 저주 등 초자연적인 힘에 기인한다고 생각했기 때문이다. 아픈 사람을 두고 죄를 사해달라고 기도밖에 할 수 없었던 상황에서 과학적이고 합리적인 치료란 그 의미조차 불분명했다. 19세기 말 출현한 미생물원인설과 세포이론, 이후로 발전한 박테리아학 등은 당시 막연했던 질병, 고통, 죽음에 대한 이론적 설명을 가능케 했고, 이로 인해 질병 치료의 목표 또한 설정할 수 있었다.9)
현대 병리학의 아버지로 불리는 루돌프 비르호(Rudolf Virchow)10)는 모든 병리가 손상된 세포에서 발생한다는 아이디어를 도입했고, 이에 코흐와 파스퇴르가 세포 손상의 원인을 미생물로 지목하면서 인체 세포와 미생물 간의 적대적 관계가 과학이란 이름으로 정형화됐다. 이로써 의료계는 항생제 등 약물의 개입을 통해 질병의 원인(미생물)을 표적으로 삼는 새로운 치료 방법을 구상할 수 있었고, 이러한 모델이 의료계의 지배적인 패러다임이 되어 미생물과 인체의 공생관계가 밝혀지기 전인 20세기 말까지 흘러오게 되었다.11)
그러나 이미 20세기 초 ‘바이러스’라는 보이지 않는 존재의 출현으로 미생물원인설과 박테리아학의 근본은 흔들렸으며 의학을 과학의 영역으로 끌어들였던 학자들의 성취는 절반의 성공으로 축소됐다. 이로 인해 의학은 다시 가시적 세계를 떠나 추상적인 믿음의 영역으로 되돌아갔고 모든 바이러스는 미생물이라 선언했던 파스퇴르의 권위 또한 무너졌다.
하지만 이러한 견해는 의료계 전반으로 확산되지 못했고 항생제로 박테리아를 공격하듯 바이러스 또한 약물로 제압해야 하는 또 다른 미생물인 것처럼 생각하는 시류가 의료계 전반을 지배하게 되었다.12)
마르티누스 베이에링크(Martinus Beijerinck)13)가 1898년 발표한 담배모자이크병에 대한 연구14)는 파스퇴르의 미생물원인설을 무너뜨린 결정적 계기로 작용했다.15) 그가 논문을 통해 제시했던 바이러스에 대한 개념, 즉, ‘증식을 위해 숙주를 필요로 하며 숙주 내 신진대사의 일부가 되는 비세포 물질’이라는 개념은 너무 새롭고 혁명적이었기에 강력한 반대에 부딪혔고, 당시 교리와도 같았던 미생물원인설과 주류 학문인 박테리아학의 틀을 깨고 학계의 인정을 받기까지는 30년 이상의 시간이 걸렸다.
베이에링크의 발표 이후 수십 년간 추측의 문제로 남아 있던 바이러스의 개념이 과학의 영역으로 진입하는 데는 기존 이론으로 풀리지 않는 다양한 문제들의 축적과 이를 해결하려는 다수 학자들의 노력이 필요했다.
1935년 미국 록펠러 연구소의 화학자였던 웬델 매러디스 스탠리(Wendell Meredith Stanley)16)는 수수께끼로 남아 있던 담배모자이크바이러스가 격자 모양의 단백질 결정이라고 발표했고, 1937년 영국의 식물병리학자였던 프레데릭 찰스 보든(Frederick Charles Bawden)18)과 생화학자였던 노먼 피리(Norman W. Pirie)19)는 이 바이러스가 순수 단백질이 아닌 5% 정도의 RNA가 포함된 단백질-핵산 복합체임을 밝혔다.20)
바이러스가 결정화가 가능한 단백질 핵산 복합체라는 이들의 발견은 바이러스를 상상의 세계에서 과학 기술로 연구할 수 있는 물리화학적 영역으로 끌어 내렸고, ‘유전적 존재’로서의 바이러스의 역할을 밝힐 수 있는 기틀이 되었다.21)22)
2. 박테리오파지(bacteriophage)
베이에링크가 바이러스를 박테리아와 다른 물질로 식별하면서 출발한 바이러스학은 미생물학과 생화학, 유전학(genetics)23)의 발전과 함께 진화를 거듭했고 현재는 분자생물학과 유전체학(genomics)24)의 주제로 자리 잡아 질병 예방과 의학 연구 및 과학 기술 정책에 큰 영향을 미치고 있다.25)
담배모자이크바이러스가 그러한 혁신의 기폭제로 작용했다면 핵산이 유전정보를 전달한다는 사실을 밝혀 바이러스를 유전학과 분자생물학으로 연결하는 결정적인 가교 역할을 한 것은 영국의 박테리아학자인 프레더릭 윌리엄 트워트(Frederick William Twort)26)와 프랑스계 캐나다인 미생물학자 펠릭스 데렐(Félix d'Hérelle)27)이 발견했던 박테리오파지(bacteriophage)28)였다.
세균을 뜻하는 bacteria와 그리스어로 먹는다는 뜻의 ‘phagein’을 합성한 용어인 박테리오파지는 ‘박테리아의 포식자’라는 의미로 간단히 파지(phage)라고도 부르며 데렐에 의해 명명되었다.29)
트워트와 데렐은 각자 미생물을 연구하는 과정에서 배양 중인 박테리아가 특정 물질에 의해 용해되는 현상(Twort-d'Hérelle 현상)30)을 발견했다. 데렐보다 2년 앞선 1915년에 이를 발견했던 트워트는 이러한 현상이 일어날 수 있는 다양한 경우를 기록해 놓은 채 실험을 중단했다. 하지만 데렐은 이 물질이 박테리아를 감염시키는 새로운 유형의 바이러스일거라 확신하고 이에 박테리오파지란 이름을 붙이기에 이른다.31)
그는 박테리오파지가 활발하게 성장하는 박테리아 내에서만 증식할 수 있는 박테리아 의존적 기생충으로 숙주 박테리아 없이는 자랄 수 없다고 주장했는데 이는 이전에 베이에링크가 발표했던 담배모자이크바이러스의 특성과 일치했다.
그는 또한 서로 다른 환경에서 자라는 다른 종류의 박테리아는 서로 다른 박테리오파지를 ‘생산’하므로 그렇게 생산된 박테리오파지는 숙주 박테리아에게만 반응하는 숙주 특이적 성격을 갖는다는 점을 지적하며, 파지의 이런 특성을 이용해 배양하면 특정 박테리아 질환을 치료할 수 있다고 주장했다. 그는 닭의 장 질환인 조류 장티푸스와 소의 패혈증, 그리고 토끼의 독성 질병인 이질균(shigella)의 치료에서 그의 가설을 테스트했는데 이러한 실험은 모두 성공적으로 수행되었다.
데렐의 파지 이론은 러시아, 폴란드, 미국 등에서 활발한 연구가 이뤄졌고 임상적으로도 활용됐으나, 1930년대 후반 저렴하고 효과적인 항생제의 등장으로 점차 의료계의 관심 밖으로 사라지게 되었다. 하지만 최근 들어 항생제의 부작용이 논란이 되고, 항생제 내성균이 증가하면서 파지를 이용한 치료법에 대한 관심이 다시 높아지고 있다.32)33)34)35)36)
3. 분자생물학(molecular biology)
데렐이 파지를 발견하고 연구할 당시 유전자의 개념은 상당히 모호했고 데렐은 파지가 유전물질을 포함하고 있다는 사실을 전혀 몰랐다. 하지만 그가 이룩한 선구적 연구의 대부분이 1950년대 분자생물학자들에 의해 반복되었기 때문에 그를 ‘현대 분자생물학의 창시자’로 보는 견해가 타당하게 느껴진다.37)
파지에서 유전물질을 발견하고 유전학과 분자생물학의 실험 재료로 사용한 것은 독일계 미국인 물리학자였던 막스 델브뤼크(Max Delbrück)38)였다. 그는 독일 괴팅겐 대학교에서 물리학 박사학위를 마친 뒤 양자물리학자인 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)39)와 닐스 보어(Niels Bohr)40) 등을 만나며 생물학에 관심을 갖게 되었다.
델브뤼크는 1935년 ‘유전자 돌연변이의 본질과 유전자 구조에 대하여’41)란 논문을 두 명의 동료와 공동 출판했는데 이 논문은 후에 ‘분자유전학’42)이란 학문 형성에 초석이 되었고, 또 한 명의 천재 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)43)가 1943년 ‘생명이란 무엇인가?’44)라는 강의를 열고 동일한 제목의 책을 집필하는데 영감을 주었다.
물리학자가 해결할 수 있는 생물학적 문제가 무엇인지 고민했던 델브뤼크는 1937년 록펠러 재단45)의 지원을 받아 캘리포니아 공과대학46)에서 생명의 기원과 유기체의 복제 기전을 연구하기 시작했다. 발생학47)으로 시작된 그의 연구는 이후 바이러스 복제 기전에 대한 연구로 이어졌고, 실험 대상으로 가장 간단한 시스템인 박테리오파지를 선택했다.
1940년 델브뤼크는 알프레드 허쉬(Alfred Hershey)48), 살바도르 루리아(Salvador Luria)49)와 함께 파지 그룹50)을 조직하여 파지 연구에 박차를 가했다. 이 세 명의 과학자는 바이러스의 복제 기전과 유전 구조에 대한 발견으로 1969년도 노벨 생리의학상을 받기도 했는데,51) 이들의 노력으로 박테리오파지는 생물학뿐만 아니라 분자생물학과 유전학, 그리고 의학의 주제로 자리 잡게 되었다.
파지 그룹은 후에 박테리오파지의 물리적 구조에 관심이 있는 많은 과학자가 참여하며 규모가 커졌는데, DNA의 이중나선 구조를 밝힌 것으로 유명한 제임스 왓슨(James Watson)52)과 프란시스 크릭(Francis Crick)53)도 후에 파지 그룹의 일원이 되었다.
1952년, 알프레드 허쉬와 그의 조수 마사 체이스(Martha Chase)는 박테리아와 파지에 대한 추가 연구에서 파지의 DNA가 박테리아 세포에 들어가 복제되고 자손 파지를 생성한다는 사실을 발견했는데, 이는 핵산(DNA)이 유전 정보를 전달한다는 유전의 기초를 확립한 위대한 성과였다. 1940년대 중반과 1950년대 초반까지도 학자들은 유전 정보를 전달하는 것은 핵산이 아닌 단백질이라고 생각했었다.
유전 정보로서 핵산의 확인은 생물학의 새로운 영역인 분자유전학의 시대를 열었고, 박테리아와 박테리오파지의 돌연변이 관련 연구는 유전자 코드의 해독으로 이어졌다. 그들은 파지 연구를 통해 세포가 어떻게 단백질 합성을 조절하는지 이해했고, 그 결과 ‘분자생물학의 삼위일체’로 불리는 ‘DNA-RNA-단백질’에 대한 인식이 높아졌다.
1961년 남아프리카 공화국의 생물학자 시드니 브레너(Sydney Brenner)54)와 프랑스의 생물학자 프랑수아 자콥(François Jacob)55) 그리고 미국의 분자생물학자 매튜 메셀슨(Matthew Messelson)56)은 Nature에 ‘단백질 합성을 위해 유전자에서 리보솜으로 정보를 전달하는 불안정한 중간체’57)란 역사적인 논문을 발표했는데, 이 논문에서 그들은 현재 백신의 재료로 사용되고 있는 ‘전령 RNA(messenger RNA, mRNA)’58)의 존재를 최초로 알렸다.
그들은 박테리아가 파지에 감염되면 세포 내부 단백질 공장인 리보솜59)에서 숙주 단백질의 합성이 중단되고, 파지 단백질의 합성이 시작된다는 것을 보여주었는데, 그러한 리보솜에 ‘수명이 짧고 불안정하며 리보솜의 단백질 생산에 관여하는 RNA(mRNA)’가 붙어 있다는 사실도 알아냈다. 그들은 이 RNA가 DNA로부터 단백질 생산에 대한 지시 사항을 읽어와 리보솜에 전달한다고 제안하여, 이전까지 믿어졌던 리보솜 자체가 단백질에 대한 정보를 갖고 있다는 생각을 깨뜨렸다.
이렇듯 파지 연구를 통해 mRNA라는 개념과 유전 물질의 전사 및 번역 과정이 세상에 알려지기 시작했고, 정보는 DNA로부터 mRNA를 통해 단백질로 전달된다는 개념이 확립됐으며, 본격적인 분자생물학과 분자유전학의 시대가 도래하게 되었다.60)
====================(24편에 계속)
[참고문헌]
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2) Angela N. H. Creager, The Life of a Virus: Tobacco Mosaic Virus as an Experimental Model, 1930-1965, University of Chicago Press, 2002, P21
3) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0966842X99016789
100년의 바이러스학: 생명론에서 분자생물학을 거쳐 유전공학까지
4) https://www.apsnet.org/edcenter/apsnetfeatures/Documents/1998/BeijerckSpotDiseaseTobaccoLeaves.PDF
담뱃잎의 모자이크병의 원인인 살아있는 전염성 유체에 관하여
5) https://www.rockefeller.edu/our-scientists/wendell-m-stanley/2538-nobel-prize/
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6) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7833661/
바이러스: 과학과 사회에 미치는 영향
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바이러스학의 진화: 이정표와 기술 발전을 통한 과학 역사
9) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7123787/
서론: 바이러스학의 간략한 역사
10) https://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Virchow
루돌프 비르효, Rudolf Virchow
11) https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-41239-5_5
복잡성, 환원주의 및 생물의학 모델
12) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1692537/
담배모자이크바이러스에 대한 Beijerinck의 연구: 역사적 맥락과 유산.
13) https://en.wikipedia.org/wiki/Martinus_Beijerinck#Scientific_career
마르티누스 베이에링크, Martinus Beijerinck
14) https://www.apsnet.org/edcenter/apsnetfeatures/Documents/1998/BeijerckSpotDiseaseTobaccoLeaves.PDF
담뱃잎의 모자이크병의 원인인 살아있는 전염성 유체에 관하여
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바이러스학의 진화: 이정표와 기술 발전을 통한 과학 역사
16) https://en.wikipedia.org/wiki/Wendell_Meredith_Stanley
웬델 메러디스 스탠리, Wendell Meredith Stanley
담배모자이크바이러스의 특성을 가진 결정질 단백질의 분리
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프레데릭 찰스 보든 Frederick Charles Bawden
19) https://en.wikipedia.org/wiki/Norman_Pirie
노먼 피리 Norman Pirie
20) https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.1937.0054
담배모자이크바이러스 3종에 감염된 가지과 식물에서 결정물질의 분리 및 일부 특성
21) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10975421/#B12-viruses-16-00374
바이러스학의 진화: 이정표와 기술 발전을 통한 과학 역사
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Viruses and Man: A History of Interactions
23) https://en.wikipedia.org/wiki/Genetics
유전학, genetics
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유전체학, genomics
25) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10975421/#B12-viruses-16-00374
바이러스학의 진화: 이정표와 기술 발전을 통한 과학 역사
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펠릭스 데렐, Félix d'Hérelle
28) https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage
박테리오파지, Bacteriophage
29) https://historymedjournal.com/uploads/paper/4c57a4dfbf6af6d5684a85b8fc4b4cff.pdf
박테리오파지 발견의 역사
박테리아 포식자: "Twort-d'Hérelle 현상"
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이질균에 대한 보이지 않는 적대적 미생물에 관하여: Mr. F. D'Herelle의 간략한 메모, Mr. Roux 발표
32) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4418462/
1세기의 파지 연구: 박테리오파지와 현대 생물학의 형성
33) https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-07758-1
Viruses and Man: A History of Interactions
34) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3109447/
In the beginning...
35) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3109452/
자연 속의 파지
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박테리오파지 발견의 역사
37) https://yalebooks.yale.edu/book/9780300071276/felix-dherelle-and-the-origins-of-molecular-biology/
펠릭스 데렐과 분자생물학의 기원
38) https://en.wikipedia.org/wiki/Max_Delbr%C3%BCck
막스 델브뤼크, Max Delbrück
39) https://en.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Pauli
볼프강 파울리, Wolfgang Pauli
40) https://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr
닐스 보어, Niels Bohr
41) Timofeeff-Ressovky, N. W., K. G. Zimmer, and M. Delbrück "Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur" (Weidmannsche Buchhandlung, 1935)
42) https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_genetics
분자유전학, Molecular genetics
43) https://en.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger
에르빈 슈뢰딩거, Erwin Schrödinger
44) https://en.wikipedia.org/wiki/What_Is_Life%3F
생명이란 무엇인가? What Is Life?
45) https://en.wikipedia.org/wiki/Rockefeller_Foundation
록펠러 재단, Rockefeller Foundation
46) https://en.wikipedia.org/wiki/California_Institute_of_Technology
캘리포니아 공과대학, California Institute of Technology
47) https://en.wikipedia.org/wiki/Embryology
발생학, Embryology
48) https://en.wikipedia.org/wiki/Alfred_Hershey
알프레드 허쉬, Alfred Hershey
49) https://en.wikipedia.org/wiki/Salvador_Luria
살바도르 루리아, Salvador Luria
50) https://en.wikipedia.org/wiki/Phage_group
파지 그룹, Phage group
51) https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1969/summary/
1969년 노벨 생리 의학상
52) https://en.wikipedia.org/wiki/James_Watson
제임스 왓슨, James Watson
53) https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_Crick
프란시스 크릭, Francis Crick
54) https://en.wikipedia.org/wiki/Sydney_Brenner
시드니 브레너, Sydney Brenner
55) https://en.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A7ois_Jacob
프랑수아 자콥, François Jacob
56) https://en.wikipedia.org/wiki/Matthew_Meselson
매튜 메셀슨
57) https://www.nature.com/articles/190576a0
단백질 합성을 위해 유전자에서 리보솜으로 정보를 전달하는 불안정한 중간체
58) https://en.wikipedia.org/wiki/Messenger_RNA
전령 RNA, Messenger RNA(mRNA)
59) https://en.wikipedia.org/wiki/Ribosome
리보솜, ribosome
60) Milton W. Taylor, Viruses and Man: A History of Interactions, Chapter 5 The Beginnings of Molecular Biology, Springer, 2014, p63-73
첫댓글 우리가 미시적인 세계를 이해하는데는 한계가 많고 갈 길이 요원합니다. 이제 겨우 마이크로세계에서 나노세계를 알아가는 중이니까요. 마이크로세계에서의 사실은 나노세계를 보게 되면 사실이 아닌 것으로 밝혀지는 경우가 많죠. 사실, 과학은 대단히 불완전한 학문인데 사람들은 과학적 사실을 진실로 받아들여 거의 종교급 수준으로 믿어 피해를 보는 경우가 많습니다. 나노세계의 크기는 10의 -9승인데 더 미시한 세계는 10의 -24승 을 넘어 지금까지 알려진 가장 작은 단위는 1.616x10의 -35승이나 되니 인간의 과학적인 사실이 불완전하기 짝이 없는 사실인 겁니다. 그래도 미신의 수준을 벗어나게 했으니 다행이긴합니다만 불완전한 사실을 절대적 사실로 믿는 순간, 다시 고정관념의 틀에 갇혀 고차원적인 미신의 세계에서 벗어날 수 없음을 알아야 하겠습니다.
만물은 파동 빛 형태 라는 사람도 있고
진아여여라는 사람도 있고
의식이 만들어 낸 하나의 꿈같은 환상이라는 사람도 있고
자연의 신비와 조화를 따라 사는 사람도 있고
그 모든 것을 떠나
진정으로
스스로
탐색하고
깨우쳐 너무도 당연하여 이유조차
필요하지 않는 순간이 오면
아마도
더 이상의 사색이 필요없을 지도
모르겠네요
*^^*