노벨상은 매년 10월에 인류 복지에 공헌한 사람이나 단체를 선정해 총 6개 부문, 노벨 물리학상, 노벨 화학상, 노벨 생리학 의학상, 노벨 문학상, 노벨 평화상, 노벨 경제학상의 수상자를 발표한다. 노벨 과학상 수상자 9명 중, 5명이 아시아인이었던 해가 있다. 바로, 2008년이다. 물리학상에서는 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데, 난부 요이치로가 대칭 깨짐의 원리를 발견해 수상하였고, 생리 의학상에서는 하랄트 추어 하우젠, 프랑수아즈 바레시누시, 뤼크 몽타니에가 자궁 경부암 유발 인유두종 바이러스를 발견하여 수상하였다. 그렇다면, 화학상은 누가 수상하였을까? 바로, 시모무라 오사무, 마틴 챌피, 그리고 로전 첸이다. 이들이 어떻게 노벨상을 수상하였는지 알아보자.

시모무라 오사무

시모무라 오사무(1928년 8월 27일 ~ 2018년 10월 19일)는 일본의 화학자이자, 해양 생물학자이다. 나고야 대학에서 유기 화학 전공으로 박사 학위를 받았고, 메사추세츠주에 위치한 해양 생물 연구소와 보스턴 대학교 의학 전문학교의 명예 교수였다고 한다. 그는 ‘해파리 박사’라고 불리기도 하는데, 해파리가 움직일 때 녹색의 빛을 내는 이유를 알아내기 위해 19년 동안 여름만 되면 해파리를 잡아왔고, 그가 잡은 해파리의 수가 약 100만 마리에 달한다고 한다. 그의 오랜 집년과 노력 끝에, 1961년, 자외선을 받으면 그 빛을 흡수해 다시 녹색으로 빛을 내는 녹색 형광 단백질을 발견했다. 이 녹색 형광 단백질은 암의 경우 이를 통해 암 세포의 전이 및 증식 여부를 눈으로 직접 확인할 있으며, 각종 세포들의 활동을 눈으로 직접 볼 수 있다. 그는, 마틴 챌피와 로전 첸과 함께 녹색 형광 단백질의 발견과 개발의 공로를 인정받아 2008년 노벨 화학상을 수상한다.

마틴 챌피

마틴 챌피(1947년 ~ )는 미국 시카고 출신의 과학자이다. 그는 하버드대의 분자 생물학을 전공으로 박사 학위를 받았으며, 현재는 콜롬비아 대학의 생물 과학부의 교수로 재직하고 있다. 마틴 챌피는 시모무라 오사무와 협업해 해파리에서 녹색 형광 단백질을 발견하였다. 그는 셀 수 없이 많은 방법으로 수없이 많은 실험을 했으나, 실패하였고 포기하고 싶을 정도였다고 한다. 그동안 썼던 모든 실험 재료를 다 버려버리고, 새롭게 다시 시작하자는 생각으로 실험 재료를 개수대에 버린 뒤, 불을 껐었다. 그런데, 불을 끄니 실험 재료를 버렸던 개수대에서 형광 빛이 나는 것을 발견하였고, 이 현상은 원래 부어져 있던 바닷물 때문임을 알았다. 이 사건으로 그들의 연구는 새로운 방향을 찾을 수 있었던 것이다.

로저 첸

로저 첸 (Roger Yonchien Tsein, 1952년 2월 1일 ~ 2016년 8월 24일)은 중국계 미국인 생화학자이다. 그는 하버드 대학교에서 화학과 물리학을 전공하였고, 1972년 숨마 쿰 라우데의 영예를 받고 졸업하였다. 케임브리지 대학교에서 박사 과정을 거쳤으며, 캘리포니아 대학교 버클리 교수직에 임용되었다. 그는 화학 지식을 이용해 생리학 연구에 새로운 방법론을 개발하는 것에 두각을 나타내었고, 1980년 칼슘에 선택적으로 결합하는 quin-2를 합성해 세포 내에서의 칼슘 신호 전달 과정을 포착하는 것에 성공했다.

노벨 화학상을 받은 시모무라 오사무, 마틴 챌피, 로전 첸

단백질, 그리고 연구의 한계

녹색 형광 단백질이 무엇이길래, 이들이 무려 노벨 화학상을 받을 수 있었던 것일까? 우선 단백질이 무엇인지에 대해서부터 이야기해보자. 단백질은 인간을 포함한 지구 상의 모든 생물의 몸을 구성하는 구성물질들 중 하나로, 고분자 유기 물질이다. 수많은 아미노산들이 펩타이드(peptide) 결합으로 연결된 분자이며, 자연에 존재하는 아미노산을 대략 20개의 아미노산으로 구성된다. 단백질은 우리 몸에서 매우 중요한 역할을 하는데, 세포 내의 화학반응의 촉매 역할을 하고, 항체를 형성해 면역을 담당하기도 한다. 앞서 말했듯 우리 몸의 구성 물질이기도 하며, 이는 20여 종의 아미노산들이 다양하게 결합해 다양한 단백질을 만들어낼 수 있기 때문이다.

이렇게 중요한 단백질의 활동을 우리는 직접 확인할 수 없었다. 만약, 이 활동을 확인할 수 있다면, 생명 연구의 속도가 굉장히 빨라질 수 있다. 그런데, 과학자들에게 살아있는 생명체의 세포 내의 활동을 눈으로 직접 볼 수 있도록 하는 것이 있다. 이것이 바로 녹색 형광 단백질이다.

에쿠오리아 빅토리아

녹색 형광 단백질이란?

녹색 형광 단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)는 아미노산 중, 세린(Se)r65-트레오닌(Tyr)66-글리신(G녹색 형광을 띄는 특정 단백질 서열을 의미하며, 앞서 말하였듯이 세포 내의 단백질 활동을 직접 볼 수 있게 해준다. 1960년대에 시모무라 오사무가 해파리의 형광 물질을 연구하다 에쿠오리아 빅토리아라는 해파리에서 처음 발견하였다. 녹색 형광 단백질은 27kDa의 분자량을 가지는 단량체이며, 238개의 아미노산으로 구성되어 있다. Neutral buffer에서 65℃ 까지 안정하게 존재하며, pH 5.5에서 12사이에서도 안정하게 존재한다.

녹색 형광 단백질의 비밀

녹색 형광 단백질의 원리

녹색 형광 단백질은 에너지 전달 수용체로 작용하는데, 생체 내에서 칼슘에 의해 활성괸 발광 단백질 등에서 에너지를 받고, 녹색 형광을 방출한다. 녹색 형광 단백질은 활성화된 에쿼린(aequrin)에서 에너지를 받아 형광을 방출한는 2차 형광단백질로 작용하기도 한다. 녹색 형광 단백질의 형광은 400nm에서 최대 excited peak을 가지고 475nm에서 두 번째 excited peak, 509nm에서 최대 excited peak을 가진다.

나오는 청색광을 녹색 형광 단백질이 받아 녹색을 방출하는 것이다. 유전자의 발현을 조사하는 데에 많이 사용되는데, 이 정도를 알고 싶은 유전자에 녹색 형광 단백질을 암호화하는 서열을 연결해 유전자가 발현하는 장소에서 녹색 형광 단백질이 형광을 발현하게 되고, 이를 통해 관찰이 가능하다. 또한. 녹색 형광 단백질과 같은 원리를 이용해 아미노산의 구조를 바꾸기만 하면, 노랑 형광 단백질 (Yellow Fluorescent Protein, YFP)과 같은 여러 색의 형광 단백질을 만들 수 있다.

참고자료

[1] 위키백과

[2] 정병철, 이춘환, 녹색형광 단백질의 특성과 응용

첨부 이미지 출처

[1] http://lg-sl.net/product/scilab/sciencestorylist/ALL/readSciencestoryList.mvc?sciencestoryListId=HHSC2008110002

[2] https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=koempr&logNo=220183412430&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

첨부 동영상 링크

[1] https://www.youtube.com/watch?v=MRHsQc_Oaww

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작성자│박유진

발행호│2020년 여름호

키워드│#노벨상 #GFP