장수철-아주 특별한 생물학 수업

 

- 아주 특별한 생물학 수업 2

 

세상에는 무엇인가 존재한다. 존재하는 것들은 무엇인가를 하려고 한다. 그리고 스스로를 인지하는 물질이 생겨났다. 존재와 생명 그리고 의식...

 

물질의 본질에는 수학적 구조가 있다. 물리학이나 수학을 열심히 고민하면 가끔씩 수학은 발견인가, 아니면 발명인가라는 화두에 접하게 된다. 발견이라고 생각하면 수학적 플라톤주의자가 될 것이다. 물리학을 열심히 공부하다 보면 바닥에 점점 접근하면 할 수록, 존재의 가벼움을 느끼게 된다. 불교를 공부하지 않아도 저절로 "공"이 무엇인지를 느끼게 된다. 사람들이 불교에 대해서 여러 설들을 얘기하는 것을 들을 때, 저 사람들은 진정한 "공"의 본질을 알고 있는 것인지 갸우뚱한다. 

 

생명의 본질은 무엇인가... 생명의 본질을 파헤치다 보면 궁극적으로 모든 생명체는 코드에서 시작됨을 쉽게 안다. 뉴클레오타이드는 리보스(ribose)라는 오탄당 뼈대에 인산과 염기가 붙어 있는 물질이다. 그것은 우리의 물질 대사에서도 핵심(ATP, GTP)이며, 또한 우리 생명체, 단백질 레고블럭의 합성에 관한 설계 정보를 이루는 물질이다. 

 

생물학을 모르는 이들도 DNA(DeoxyriboNucleicAcid)를 못 들어본 이는 없을 것이다. 이중 나선 구조의 고분자 화합물, 30억개의 염기쌍으로 이루어진 거대 분자 구조체이다. 보통 원자 분자라고 하면 아주 작은 무엇을 떠올리지만 자연과 인간들은 때로는 아주 많은 수의 원자로 구성된 고분자 물질도 창조한다. 

 

세상 모든 생명체는 DNA에 조각된 정보의 덩어리에서 시작한다. 어떤 생명체, 생명체의 경계도 불명확한 바이러스 조차도 DNA는 가지고 있다. DNA는 자기 복제의 성질, 자신을 발현하려는 내재적인 성질을 가지고 있고, 이것이 생명활동의 본질이다. 존재와 생명, 의식은 스스로를 나타내려는 성질을 가지고 있다. 현재 이 순간, 생존에 별로 도움되지도 않는 밴드 글을 쓰는 이유도 의식의 자기 발현성, 인정의 욕구 때문일 것이다.

 

DNA에 A/C/G/T의 2bit의 정보(코돈)는 RNA로 복사되고 이것은 단백질을 합성한다. 우리 몸에 새겨진 정보에 따라 스스로 자신의 형상을 만드는 자기 형상 기억 화합물이 생명의 본질이다. 그 정보들 중 자연이라는 필터를 통과하면서 보존되는 과정이 진화의 과정이고 진화의 과정은 변화와 선택으로 설명된다. 이 모든 것의 기저에는 자연의 자기 발현 의지, 불확정성의 원리가 존재한다.

 

전에 소개한 이 책은 생물학자 장수철과 국어학자 이재성 교수가 14번을 만나, 질문과 대답을 하는 형태로 생물학을 소개한다. 어떻게 높이가 100미터인 나무의 위까지 물을 올려 보낼 수 있을까.. 같은 사소한 질문에서 부터 존재의 본질 DNA 구조까지 이재성 교수의 유머가 더해져서 쉽게 읽을 수 있는 책이다. 

 

 

 

 

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RNA 간섭은 interfering RNA가 mRNA의 활동을 선택적으로 제어(활성, 비활성)하는 메커니즘을 말합니다. RNA 간섭 현상을 발견한 Andrew Fire와 Craig Mello가 2006년에 노벨상을 받습니다.

 

컴퓨터는 어떤 기계일까요? 컴퓨터는 크게 연산장치(ALU)+기억장치(Memory)+ 입출력장치(I/O)로 구성됩니다.  기억장치에는 기계만이 이해할 수 있는 작업명령어 (intruction 혹은 op code)들, 혹은 작업과 관련된 데이터들이 저장되어 있습니다. 컴퓨터는 기억장치에 있는 명령어들을 가져와서 연산장치로 연산을 수행한 후 I/O장치로 결과값을 보여줍니다. 이러한 개념을 처음으로 만든 과학자 폰노이만을 따라서 현대의 컴퓨터는 폰노이만 구조(혹은 하버드 구조)로 되어 있다고 합니다.

 

생물들의 세포에는 컴퓨터와 마찬가지로 작업명령어들이 코딩되어 있습니다. 인간도 마찬가지입니다. 환원론자가 바라보는 인간은 A/C/G/T 라는 알파벳으로 코딩된 DNA에서 자기 복제와 단백질 합성을 통해서 스스로를 변화시키는 존재입니다. 세포에는 DNA 가 이중나선으로 단단히 잠김채 세포의 핵에 의해 보호되어 있고, 필요한 경우 이전 글에서 설명한 전사와 해석의 방법으로 DNA->mRNA->Protein(단백질)의 순으로 조직을 만듭니다. 이 방법 외에 단백질을 합성하는 방법이 없다가 센트럴 도그마 (central dogma)이론입니다. 

 

한때, 생명의 원천은 DNA로 부터 시작했다, 즉, 센트럴 도그마 이론외에는 생명이 시작할 수 없다고 믿은 적이 있었죠. 왜냐하면 다른 생명 발현 메커니즘을 찾지 못했기 때문입니다. 그러나, DNA->mRNA  혹은 mRNA->Protein 과정에서 아주 다양한 효소(단백질)들이 필요합니다. 그러면 이 효소들은 어떻게 만들어진 것일까요? 즉, 닭(DNA)이 먼저일까요, 달걀(단백질)이 먼저일까요라는 패러독스에 갖히게 됩니다. 설계도만 있다고 건물이 저절로 생길까요 ^^.

 

사람들이 HGP(human genome project)를 수행하여 DNA 모든 염기 서열을 분석하였더니 우리 몸의 97%는 데이터 코드가 아닌 이상한 코드로 되어 있음을 발견합니다. junk DNA라고 불렀죠. 이것은 유전자가 아니다라구요. 분석해 보니 인간의 유전자 개수는 2만개 정도, 벼의 10만개보다도 작습니다(이런 벼만도 못한 놈).

리보자임(Ribozyme)이라는 RNA 효소, 보통의 효소는 단백질인데 반해 리보자임은 RNA 구조인데 효소로서 작용, 의 발견으로 그 실마리가 먼저 던져집니다. 리보자임은 RNA의 ribo와 Enzyme의 zyme의 합성어이고, 이것을 발견한 토마스체크와 시드니 울트먼은 노벨 화학상을 수상합니다. 

 

RNA world 가설이란 것이 있습니다. 생명의 기원은 DNA가 아니라 RNA에서 시작하였다는, 센트럴 도그마에 대항하는, 이론입니다. DNA는 그냥 한 종류이지만 RNA는 제가 이미 설명한 mRNA(DNA설계도의 일부), rRNA(리보솜을 구성), tRNA(아미노산을 리보솜으로 이동) 외에도 다양한 micro RNA들이 존재하며 이것들이 전사/해석 과정에 다양한 형태로 관여함이 최근 20년동안 연구되고 있습니다.   

 

DNA 염기서열중 일부는 mRNA로 복사되어 단백질로 합성됩니다. 즉, 일부는 설계도 혹은 데이터입니다. 문제는 그 부분이 3%밖에 되지 않습니다. 나머지 부분은 제가 이해하는 방법으로는 단백질을 합성하기 위한 제어 코드입니다  (이 분야 전문가가 아닌 관계로 잘못 이해했을 수 있으니, 댓글로 태클부탁드립니다). DNA염기서열중 나머지부분, noncoded 부분 혹은 intron 부분에는 부분적으로 반복하는 제어 코드가 있습니다. 이 부분의 일부가 micro-RNA라는 RNA로 변환이 되죠. microRNA에는 60~70길이의 염기서열의 dsRNA(이중나선 RNA)와 이것을 dicer가 분해하여 siRNA, miRNA, shRNA등 20~30염기서열의 짧은 RNA 제어 코드를 생성합니다. 

 

우리의 컴퓨터는 모든 제어 코드가 1차원적으로 메모리 장치에 직선적으로 저장되어 검색되고 수행되는데 반하여, 생명체의 제어코드인 microRNA는 3차원 공간에 떠다니고 있습니다. 그리고 주변 환경(온도, 습도, 바이러스 등등)에 따라 그 코드는 mRNA의 starting code에 장착되어 mRNA의 전사를 정밀하게 조정하는 역할을 합니다. 재미있지 않나요? 코드가 떠돌아다니면서 경우에 따라 다른 조합으로 코딩이 된다 ^^. 이러한 유연성이 항상 도움이 될까요? 아닙니다. 때때로는 제어코드가 엉뚱한 곳에 결합되어 암과 종양을 유발하게 됩니다. 생명 현상은 신비롭고 정밀하지만, 사실은 아주 불안하기도 하답니다 ^^. 인간몸에서 하루에도 최고 2만개 정도의 암세포가 생겼다 없어졌다 ^^

 

이 제어 코드는 그러면 어떻게 단백질 합성을 제어할까요? 이 짧은 염기 서열은 단백질 합성 정보인 mRNA 코드와 결합하여 mRNA에 자신의 제어 코드와 일치하는 부분이 발견되면 mRNA를 싹둑 잘라버립니다 (cleavage). 이것을 유전자 가위라고도 하죠. 현재 우리 과학은 microRNA를 인공적으로 합성하여 유전자의 일부 구간을 인위적으로 절단하고 절단된 부위에 우리가 원하는 코드를 합성할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 이러한 기술들을 이용하여 쥐의 등에 사람의 코/귀와 같은 장기를 합성할 수 있는 기술까지도 일부 확보하고 있습니다. 

 

생명은 가장 아래 레벨에서는 정확하게 생화학작용에 의해서 동작합니다. 왜 이렇게 엔트로피 법칙에 반하는, 아주 구조적으로 보이는 정보 활동이 이루어지는지 현대 과학은 정확하게 알지 못합니다. 그러나, 현대 과학은 생명을 유전자 레벨에서 정밀하게 조작하여 새로운 생명체를 탄생시키고 있습니다. 우리도 못느끼는 사이에 우리는 원래 세상에 없었던(GMO) 생명을 직접 혹은 동물의 사료를 통해서 간접적으로 흡수하고 있습니다.