효모 빵에서 세포생물학까지

빵 반죽이 부푸는 것은 효모라는 단세포 곰팡이가 당을 먹고 이산화탄소를 내뿜기 때문이다. 같은 효모가 20세기 생물학에서 세포가 어떻게 나뉘고, 어떻게 스스로를 청소하는지를 밝히는 데 쓰였다. 부엌의 재료와 실험실의 모델 생물이 같은 종이라는 점이 효모 이야기의 출발점이다.

효모는 반죽 속에서 무엇을 하나

제빵에 쓰는 효모는 사카로미케스 세레비시아라는 종이다. 효모는 반죽 속 당을 분해해 에너지를 얻는다. 산소가 넉넉하면 당을 끝까지 태워 이산화탄소와 물로 만들지만, 반죽 속처럼 산소가 부족하면 당을 반만 분해하고 멈춘다. 이 과정이 알코올 발효다. 결과물은 에탄올과 이산화탄소다.

이산화탄소는 밀가루의 글루텐이 만든 그물에 갇혀 작은 거품이 되고, 거품이 모여 반죽을 부풀린다. 에탄올은 굽는 동안 대부분 날아가고 일부는 향의 재료가 된다. 같은 발효가 포도즙에서 일어나면 와인이 되고, 보리 즙에서 일어나면 맥주가 된다. 인류는 효모가 무엇인지 모른 채 수천 년 동안 효모와 함께 일해 온 셈이다.

발효가 살아 있는 미생물의 일이라는 사실이 받아들여진 것은 19세기에 들어서다. 그전에는 발효를 단순한 화학 반응으로 보는 시각이 강했다. 현미경으로 효모 세포를 관찰하고, 효모를 없애면 발효가 멈춘다는 실험이 쌓이면서 생명 현상으로 자리 잡았다.

효모는 빵과 술 말고도 쓰임이 넓다. 유전자를 넣은 효모가 인슐린 같은 의약품 단백질이나 백신 성분을 만드는 공장으로 쓰이고, 바이오 연료를 얻는 발효에도 쓰인다. 오래 길들여 온 생물이라 기르는 법과 성질이 잘 알려져 있다는 점이 산업에서도 장점이 된다.

왜 하필 효모가 모델 생물이 되었나

모델 생물이란 연구하기 쉬워서 많은 과학자가 공통으로 쓰는 생물이다. 효모는 그 조건을 두루 갖췄다.

조건	효모의 특징
빨리 자란다	좋은 조건에서 두 시간 남짓이면 수가 두 배가 된다
기르기 쉽다	값싼 배양액과 작은 접시면 충분하다
유전자를 다루기 쉽다	원하는 유전자를 빼거나 바꾸는 기술이 일찍 자리 잡았다
사람과 닮았다	세포핵이 있는 진핵세포라 기본 구조가 사람 세포와 같다

마지막 항목이 특히 중요하다. 대장균 같은 세균은 다루기는 쉽지만 세포핵이 없어 사람 세포와 구조가 크게 다르다. 효모는 단세포이면서도 핵, 미토콘드리아, 소포체 같은 기관을 갖춘 진핵생물이다. 그래서 효모에서 찾은 원리가 사람 세포에도 통하는 경우가 많다. 효모는 1990년대에 진핵생물 가운데 처음으로 전체 유전체 서열이 해독되었고, 이것도 연구 도구로서의 가치를 높였다.

효모의 또 다른 장점은 유전자를 한 벌만 가진 반수체와 두 벌을 가진 이배체, 두 상태로 살 수 있다는 점이다. 반수체에서는 어떤 유전자가 망가지면 그 효과가 곧바로 드러난다. 이배체에서는 한쪽이 망가져도 다른 쪽이 메워 줄 수 있다. 연구자는 두 상태를 오가며 어떤 유전자가 어떤 일을 하는지 비교적 쉽게 가려낼 수 있다. 사람처럼 유전자를 늘 두 벌씩 가진 생물에서는 이런 실험이 훨씬 까다롭다.

세포는 언제 나뉘기로 결정하나

효모 연구가 남긴 가장 큰 성과 가운데 하나는 세포 주기의 조절 장치를 밝힌 것이다. 세포는 아무 때나 나뉘지 않는다. 몸집을 키우고, 유전물질을 복제하고, 복제가 제대로 됐는지 확인한 뒤에야 둘로 나뉜다. 이 순서를 지키는 점검 장치가 고장 나면 세포가 멋대로 불어나는데, 그것이 암의 한 모습이다.

과학자들은 효모에서 나뉘는 시점이 어긋나는 돌연변이를 찾아내고, 그 원인이 되는 유전자를 하나씩 추적했다. 그 결과 세포 주기를 앞으로 밀어 주는 단백질과 브레이크 역할을 하는 단백질이 짝을 이뤄 움직인다는 사실이 드러났다. 놀랍게도 같은 역할의 유전자가 사람에게도 있었다. 이 연구는 2001년 노벨 생리의학상으로 이어졌다.

세포는 어떻게 스스로를 청소하나

효모는 세포가 낡은 부품을 분해해 재활용하는 과정, 곧 자가포식을 밝히는 데도 쓰였다. 굶주린 효모 세포는 자기 안의 일부를 막으로 감싸 분해 기관으로 보내고, 거기서 나온 재료로 버틴다. 연구자들은 이 과정이 멈춘 효모 돌연변이를 찾아 관련 유전자들을 밝혔고, 이 업적은 2016년 노벨 생리의학상을 받았다. 자가포식은 이후 노화와 신경 질환 연구의 중요한 주제가 되었다.

자가포식이 제대로 돌아가지 않으면 세포 안에 망가진 단백질과 낡은 기관이 쌓인다. 이것이 여러 질환과 관련된다는 연구가 이어지면서, 굶주린 효모를 관찰하며 시작된 질문이 사람의 건강 문제로까지 넓어졌다.

아직 밝혀지지 않은 것

효모가 많은 답을 주었지만 한계도 분명하다. 효모는 단세포라서 여러 세포가 신호를 주고받으며 조직을 이루는 과정은 보여 주지 못한다. 사람의 뇌나 면역계처럼 복잡한 체계의 원리는 효모만으로 풀 수 없다.

효모에서 통하는 원리가 사람 세포에서 얼마나 그대로 통하는지도 경우마다 따져 봐야 한다. 같은 이름의 유전자라도 사람에게서는 더 많은 역할을 겸하거나 다른 단백질과 얽혀 있는 일이 흔하다. 효모는 출발점을 알려 줄 뿐, 결론을 대신해 주지는 않는다.