생물체를 구성하는 현상---GENOME EXPRESS을 읽고

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조 진호 선생님의 신작 ‘GENOME EXPRESS-유전자의 실체를 벗기는 가장 지적인 탐험’이라는 책을 읽고 유전체에서 개체에 이르는 과정에 대해 알게 된 것을 바탕으로 내가 생각하게 된 생물체의 발생에서 발견되는 수리적인 생각을 소개하려고 합니다.

이 책은 만화로 만들어져서 이해하기 쉬울 뿐 아니라, 많은 책들을 읽고 정리한 내용이 잘 편집되고, 극화 형식으로 드라마틱하게 구성되어 당시의 학자들이 겪었을 인간적인 고민과 고통을 포함하여 과학의 발전이 이루어지는 과정에서 벌어지는 과학계의 분위기를 느껴볼 수 있고, 그 과정에서 몇 번의 역사적인 반전을 경험합니다.

20세기에 들어 물리학의 발전으로 양자론과 분자생물학의 성립으로 종의 동일성이 유전되는 바탕에는 유전자가 있을 것이라는 생각이 생기고, 그 유전자가 세포 속에 있는 것으로 보인다는 것을 알게 됩니다.

이 책에서 유전자의 실체를 찾아가는 여정은 그레고어 멘델(Gregor mendel 182-1884)이 발견한 멘델의 법칙은 유전법칙의 바탕으로 수리적인 규칙성이 적용된다는 것을 보였고, 아우구스 바이스만(August Weismann, 1834~1914)는 체세포가 연속 분열하는데 비해서 생식세포는 두 번만 연속 분열하는 것을 발견하고, 염색체가 유전자이고, 생명의 설계도이자 유전의 매개체라는 생각으로 ‘디터미넌트’라고 가정한 어떤 물질이 생물이 발생하는 것을 지시한다는 생각을 바탕으로 출발한다고 볼 수 있습니다.

유전의 바탕구조인 분자생물학적 실체를 찾아가는 연구는 화학자인 라이너스 폴링(Linus Pauling, 1901-1994)의 유기분자의 구조에 대한 연구로 모든 생물이 C, O, H, N의 4종류의 원자를 바탕으로 하는데, 특히 생물체의 구조와 기능을 만드는데, 탄소의 4개의 원자가전자가 주목하게 되는 것은 이것이 다양한 구조를 만드는 원인이 되는 것입니다. 이 원소로 만들어진 거대분자는 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산이라는 4종류의 분자이며, 이 분자들은 독특한 구조로 각각 독특한 기능을 갖추는데, 이 거대분자들은 공통적으로 C, H, O, N, P, S 같은 소수의 원자가 특이적인 작은 분자를 만들고, 이 작은 분자의 특이적인 연결이 거대분자를 만든다는 것이다. 생명을 만드는 분자가 단순한 모임이 아니고, 특이적이고, 엄밀한 순서, 배열이라는 것이다. 생화학을 바탕으로 이것들에 대해서 많은 것을 알게 되었다는 것은 환원적 접근의 대성공이지만, 이것을 바탕으로 생명체를 이루는 상위 규칙을 알 수 없다는 것이 환원적 접근의 한계라는 것을 인정한다.

원자사이에는 그들의 규칙이 있고, 분자사이에는 그들의 법칙이 있고, 거대분자는 그것이 만들어지는 법칙이 있어서 어떻게 가능한지 알고 싶다는 의문이 생겨서 분자생물학적 연구가 확장된다고 할 수 있는 것을 봅니다. 유전체의 분자생물학적 연구의 큰 방향과 목적은 물리학자인 에르빈 슈뢰딩거(1887-1961)가 ‘생명이란 무엇인가’라는 책에서 제시란 ‘비주기적이고, 특이적인 견고한 고체’를 찾는 것으로 설정된 것으로 보입니다.

생물학의 대상인 생물체가 일반적인 물리대상과 다른 특징을 이해시키기 위해 설정된 양자물리학자 루트비히 볼츠만(1844-1908)과 슈뢰딩거의 대화를 보면, 볼츠만은 물리세계에서는 실체라고 할 것은 없고, 과정만이 존재하는 것으로 보인다고 합니다. 실체라고 하는 것은 우리 뇌가 만든 것이라는 것입니다. 열역학 제2법칙은 세계에서 발견할 수 있는 것은 질서에서 무질서로 가는 과정으로만 보인다는 것이고, 질서라는 것은 국소적인 현상이고, 닫힌계에서는 결국 무질서라는 방향으로 간다는 것입니다. 이에 대하여 슈뢰딩거는 생명계는 일반 물질계와는 다른 것 같다고 합니다.

생명체의 발생과정은 계획된 방향이 있고, 점점 복잡해지면서 동시에 질서가 늘어나는 과정이라는 것입니다. 이에 대하여 볼츠만은 생명체는 열린계이기 때문에 질서가 유지되는 것처럼 보이지만, 외부에서 질서를 지닌 에너지를 공급받아 대사과정에서 열에너지를 외부로 버린다는 반론을 하며, 질서를 증가시키지 않는 것이 아니라고 합니다.

슈뢰딩거는 생명체 안에서 질서가 유지되는 과정에서 무질서가 발생한다는 것은 일부에 대한 것이고, 생명체 안에서 질서가 자발적으로 발생한다고 하는 것은 여전히 궁금한 문제라고 합니다. 생명체는 매번 새롭게 만들어 지는데, 생명체와 생명체의 사슬을 잇는 가교역할을 하는 대단히 작은 원자집단이라는 것이 문제의 초점이라는 것입니다. 이 원자 집단이 염색체를 이루는 일부일 텐데, 이 작은 미량의 원자집단으로 생명체라는 거대한 정보가 만들어 진다는 걸까? 이렇게 만들어진 생명체가 난롯가에서 대화를 나누고 이야기를 나눈다는 이 신비로운 현상을 목격한다는 것입니다.

슈뢰딩거의 의문은 물리학적 관점에서, 염색체 안에서 지배하는 논리와 거시세계의 논리가 다르다는 사실에서 출발합니다. 거시세계에 대응할 수 있는 것은 분자여야 하고, 불안정한 상태에서 안정을 유지하게하고, 생명체의 완벽한 정보재생과 영속성을 책임지기 위해서는 대단히 견고한 분자여야 한다는 생각을 합니다.

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그런데 바이스만의 생각을 참조할 때, 그 정보가 어떻게 존재해야 하는가라는 문제에 초점이 맞추어집니다. 유전자의 단순한 질서가 매우 많고 복잡한 생명체의 질서와 연결되어야 한다는 문제점을 해결하는 것은 ‘암호’라는 것으로 실마리를 발견합니다. 암호란 둘 사이의 관계를 규정하는 규칙인데, ‘주전자라는 물체‘를 ‘주전자라는 단어’와 연결시킬 수 있는 것은 적은 수의 음소를 가지고, 이런 규칙성을 이용하기 때문이라는 것입니다, 유전자를 암호규칙에 따른 부호의 배열로 보면, 1차원적인 디지털 정보로 나타낼 수 있다는 것입니다. 눈송이, 소금분자 같은 자연(무기물)에서 발견되는 질서정연한 패턴은 주기적으로 반복되어 파악하기 쉽지만 정보가 단순하여 많은 정보를 나타낼 수 없지만, 이에 비하여 생명체의 정보는 단순하지 않고 복잡합니다. 따라서 슈뢰딩거는 유전체의 정보는 비주기적인 배열이어야 한다고 생각합니다.

이런 생각을 바탕으로, 유전자 탐색의 방향은 DNA구조 안에 담긴 1차원적 디지털 서열, 거의 무한에 가까운 정보를 담을 수 있는 유전자의 정체를 탐색하는 것이 됩니다. DNA의 구조를 정확히 알아내서 그 안의 문자를 확인하고, 그 문자가 생명체와 맺고 있는 관계를 나타내는 암호를 풀어내는 것입니다.

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유전체의 암호를 분자생물학의 차원에서 해결한 공로는 제임스 왓슨(James Dewey Watson 1928-)과 프랜시스 크릭(Flancis Harry Compton Crick 1916-2004)의 공로로 대표되지만, 그 이전에 많은 과학자들의 선행연구의 결과가 있었기 때문에 가능하였고, 놀라운 후행연구로 마무리됨으로서 성과를 보게 되는 것을 이 책에서 보게 됩니다. 이들이 참조한 중요한 선행연구로는 오즈월드 에이버리1877-1955)가 폐렴쌍구균을 연구해서 형질전환물질이 DNA라는 것을 밝혀낸 것, 앨프레드 허시(1908-1997)와 마사 체이스(1927~)가 유전물질이 DNA라는 것을 밝힌 것, 어윈 샤가프(1905-2002)가 DNA염기를 크로마토그래프를 이용하여 아데닌과 티민, 구아닌과 시토신의 함량비가 같다는 샤가프의 법칙을 밝힌 점, 라이너스 폴링(1901-1994)이 DNA가 알파나선구조라는 것을 밝히고, 화학구조의 상세한 부분을 밝혔고, 이외에도 중요한 연구들이 있습니다.

여기에 왓슨과 크릭이 DNA의 구조를 밝히는데 결정적인 공헌을 한 사람은 로절린드 프랭클린(1920-1958)가 이었고, 로절린드는 X선 회전사진으로 DNA의 구조를 촬영하고, 모리스 윌킨스(1916-2004)는 사진의 의미를 해석을 제공하여 DNA가 이중나선구조라는 것을 알게 한 것입니다. 왓슨과 크릭은 이렇게 얻어진 연구결과들을 잘 연결시켜서 이중 알파나선구조가 매끄럽게 유지되는 DNA의 모형을 완성하였고, 한쪽사슬이 주형이 되면, 다른 쪽 사슬이 복제되는 메커니즘으로 유전의 메커니즘을 완성할 수 있었습니다.

DNA구조가 밝혀진 이후, DNA의 복사에 의한 mRNA에서 아미노산의 엄밀한 서열로 단백질의 특이적 엄밀한 구조가 만들어 DNA염기서열을 밝히는 것은 마셜 니런버그(1927-2010)과 고반트 코리나(1922-2011)에 의해서 이루어진다. 이들은 먼저 실험관 안에서 단백질을 인공적으로 배양하면서 네 종류의 염기(A, G, C, T)가 연이어 3개씩 배열되는 64종류의 뉴클레오티드 합성에 성공하고, 이를 이용하여 총 20종의 아미노산에 대응하는 3개의 문자로 된 염기서열을 발견한 것입니다. 이 결과가 코돈표로 보이고 있습니다.

이 결과를 바탕으로 멘델과 모건이 밝혀낸 유전형질의 특성을 해석할 수 있을 뿐만 아니라, 염색체가 무엇이기에, 어떻게 생물체를 만들어낼 수 있을까 하는 의문을 풀 수 있게 되었습니다. 이제는 유전자가 관념적인 것이 아니고, 물질적 실재라는 것이 판명된 것처럼 보였습니다. 이것은 유전자가 분석의 대상이 되었다는 것을 의미하는 것입니다.

그리고 DNA에서 RNA, 아미노산, 단백질로 이어지는 유전정보의 경로를 센트럴 도그마라고 합니다. 이것은 바이스만이 예견한 “유전자는 질서를 전달하는 것이다.”라는 생각과 슈뢰딩거가 생각한 “비주기적인 결정체이다”라는 생각에 부합하는 것으로 보였습니다.

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그러나 여기서 의문은 끝나는 것이 아니었습니다.

DNA의 디지털정보가 생명체의 모든 정보에 대응하는 것일까?

생명체의 질서에는 단백질, 아미노산 서열 외에도 무척이나 많았습니다. 세포간의 질서, 조직 간의 질서, 기관간의 질서, 생명체는 겹겹이 쌓여 있는 위계들의 연속인데, 센트럴도그마가 세포가 단백질을 만드는 원리를 설명하고 있지만, 왜, 어떻게, 어떤 상황에서 어떤 단백질이 만들어지는가에 대해서는 아무런 단서가 없었습니다. 모든 세포내에는 동일한 DNA의 정보가 있지만 각각의 세포는 여러 가지 모양과 기능을 가지고 있다는 문제점이 제시됩니다.

이른바 유전프로그램이라는 것을 밝혀야 할 필요성이 생긴 것입니다.

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이 연구에는 자크 모노(1910-1976)과 프랜시스 자코브(1920-2013)의 활약이 보입니다.

이들은 가장 간단해 보이는 대장균을 실험해서 세포 안에서 여려 종류의 단백질이 만들어지는 메커니즘을 규명합니다. 모노는 ‘다른자리입체성‘이라는 이론을 주장하였고, 자코브는 오페론연구의 성과를 내었는데, 이들의 공동연구로 어떤 단백질을 암호화하는 영역, 작동자, 프로모터, 조절유전자 등으로 분리된 영역을 알게 되고, 단백질(효소)을 이용해서 DNA 염기서열의 전사, 번역과 단백질 복제의 촉진과 억제를 조절한다는 것을 밝히고, 이런 유전자 작동원리를 확장해서 세포의 분화원리, 다세포생물의 발생 원리까지 밝히게 됩니다.

DNA의 디지털정보에 대응하여 만들어 지는 뉴클레오티드로 쓰인 디지털 정보가 세포 안에서 벌어지는 모든 것을 통제한다, 이것을 모노와 자코브가 컴퓨터 프로그램에 비유해서, 유전프로그램이라고 합니다.

이것을 정리하면, 세포마다 다른 활성인자, 전사를 조절하는 방식으로 다른 단백질을 만들게 되어 세포의 모양에 차이가 발생하고, DNA와 단백질이 네트워크 형식으로 유기적인 팀플레이를 이어가 타이밍에 맞추어 필요한 단백질을 생산한다는 것입니다.

이것은 세포주기경로와 생합성경로를 형성합니다. 이 경로를 따라 세포라는 단위를 넘어 상위레벨인 조직, 기관, 기관계를 형성하고, 무수히 많은 세포로 이루어진 생명체이자, 부모의 모습을 재현한 개체가 발생하게 된다. 이에 따라 유전프로그램은 개체가 형성되는 하위레벨에서 상위레벨로 끊임없이 이어지는 인과적 사슬원리가 작동되는 것을 밝힙니다.

이로서 유전프로그램은 오케스트라연주처럼 단순한 멜로디로부터 웅장한 하모니의 교향곡으로 우리 몸 전체를 운영하는 것처럼 보였습니다.

DNA의 디지털정보는 악보이자, 지휘자이며, 연주자로서, 생명체를 완벽하게 조직화하는 능동자로 수행자이자, 질서를 매개하는 매개체로 보였습니다.

이들은 모든 것을 알게 되는 결과를 얻은 듯 환호했지만, 곧 이것이 모든 것이 아님을 알게 됩니다. 이들은 유전에 참여하는 것이 염색체 DNA의 디지털서열 정보만이 아니라는 것을 깨닫게 됩니다.

이언 월퍼트(1944- )가 복제양 ‘돌리’를 복제하는 과정을 볼 때, 세포의 분화과정에 유전자 이외의 세포질의 중요성이 제기됩니다. 수정란이 분화되어 포배가 되는 과정은 DNA의 디지털서열 정보, 이것 외에도 세포질 정보, 세포질 구조 등이 없이는 진행될 수 없었습니다. 또 자세히 세포안의 상황을 관찰하면, 예상과는 다르게 세포복제가 기계적으로 진행되는 평화스러운 과정이 아니라는 것을 알게 됩니다. mRNA가 만들어지더라도 복제가 순조롭게 이루어지는 경우는 드물고, 대부분 효소들의 공격으로 분해되고, 변형되고, 재편집이 이루어지는 것이 허다한 것을 봅니다. 이런 과정은 DNA의 서열정보에는 없는 것이고, 더구나 DNA는 능동자가 아니고, 참조하는 매뉴얼에 불과하다는 것이 밝혀집니다. 복제된 단백질의 성질이 또한 의문입니다. 단백질은 수명이 있어서 유비퀴틴과 프로테아즘에 의해서 분해됩니다. 또 단백질은 ‘다른자리입자성’이라는 효과로 모양이 바뀌고, 모양이 바뀌면 역할 자체가 달라집니다. 단백질합성 중의 수많은 통제와 간섭을 포함해서, 무엇이 이렇게 많은 조절작용을 하는가라는 의문이 제기됩니다. DNA 이외의 어떤 것이 이런 조절작용의 주도권을 쥐고 있다는 의문이 제기되는 것입니다.

DNA없이는 유전이 일어날 수 없지만, 세포의 나머지 것들도 동등하게 중요하다는 것입니다. 또한 외부 환경도 중요한데 이런 모든 정보를 유전자 안에 저장할 수는 없다는 것입니다. 결국 생물체는 이런 요인들이 서로 어우러져야 작동하고, 서로에게 의미를 부여한다고 합니다.

DNA로부터 단백질로 복제되는 과정의 중간에 거대한 혼돈의 강이 가로 놓여 있는데, 이 강을 건너서 재조직화로 형성되는 개체는 부모로부터 유전된 동일성을 유지하고 있는 것은 분명합니다. 그러나 자크 모노와 자코브가 생각했던 컴퓨터프로그램과 같이 작동하는 ‘유전프로그램’이라는 ‘물질적 실체가 있다’는 생각은 폐기되어야 했습니다. 이들이 분자생물학의 바닥에서 마주친 현실은 “유전자라고 규정할 수 있는 것이 사실상 없다”는 것이 드러납니다. 따라서 유전과 발생은 분리되는 것이 아니라 하나의 현상으로 보아야 한다는 생각에 도달합니다.

발생과정에서 발견되는 것은 여러 단계의 레벨에서 미리 예상할 수 없는 개별적이고 다양한 현상들이 이루어지는 것을 보게 됩니다. 염기서열에는 없었던 각종 화학물질과 전사인자 농도구배라는 구조자체의 변화가 나타나고, 염기서열의 되먹임 현상, 세포의 각인화 등의 규칙이 새로 나타납니다. 상위 레벨이 다양한 변화로 나타나고 있음을 보게 됩니다. 이렇게 레벨을 상승하며 나타나는 현상들을 통합적으로 보면, 이 현상들은 창발성의 특징을 보이는 것이라고 합니다. 이 과정의 현상은 세포들이 서로 대화하는 것처럼 보인다고 합니다. 이 대화는 처음에는 속삭임처럼 미약하여 변화를 만들지 못하지만, 숫자가 크게 증가하면 어느덧 아우성으로 변하고, 이들이 함께 어떤 작용을 급격히 이끌어서 하위차원에서는 예상되지 않았던 새로운 차원을 열게 합니다.

‘유전자’라는 개념을 버리고 현상으로 보게 되면, 유전이라는 연속적인 질서가 유지되는 현상은 생물학적 정보가 함축된 물질구조의 견고함이 아니라, 무수히 많은 요소들의 상호작용에 의한 흐름이라는 과정으로 유지되고, 이것은 하위차원에 고정되지 않고 새로운 자율을 원하는 외침으로써 이루어지고, 하위차원에서 상위차원으로 레벨 상승하여 새로운 질서라는 자유를 획득하는 과정이라는 결론에 도달하는 것으로 보인다고 합니다.

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그러나 아직도 알 수 없는 의문은 더 남아 있습니다.

어떤 논리로 유기분자가 4 가지의 염기를 성립했는지,

어떻게 DNA에 단백질이 작용하여 전사를 조절하는지,

어떻게 산소와 유기분자가 ATP로 전환되는지,

그리고 생물이 그런 방식으로 종의 유전이 되도록 우연과 필연 사이에서 구조화 되었는지.

조 진호 선생님은 이 책에서 풀 수 없었던 이런 의문은 진화론에 대한 탐구로 이어질 것으로 예고하며 책을 맺고 있습니다.

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그러나 나는 이 의문들을 더 학문적 상위레벨로 끌어올려 수학영역에서 찾아보고 싶다는 생각을 했습니다. 내가 수학아카데미에 썼던 극대칭차원론을 실제 현상에서 발견할 수 있는 패턴을 이 책에서 발견했다고 생각하게 되었습니다.

이글을 쓰는 목적은 이 책에서 유전자를 찾아가는 과정에서 발견되는 수리적인 패턴을 발견해 보이려는 것이었기 때문에, 과학적인 상세한 과정은 생략하고, 역사적인 의미만을 쫓아가려고 했는데도 글의 길이가 무척 길어졌습니다. 이 의문의 바탕을 이루는 것으로 보이는 제 수리적 생각을 다음 글을 수학아카데미에서 보이겠습니다.

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