이것이 James D. Watson과 Francis H.C. Crick이 DNA 이중 나선 구조에 대해 Nature지에 보고한 획기적인 단신 논문의 첫 단락이다. Watson과 Crick의 DNA 구조 연구는 X선 회절 사진으로도 유명하다. 그렇다면 X선 회절은 무엇일까?
X선의 발견
X선은 William Roentgen에 의해 1895년 우연히 발견된 전자기파의 일종이다. Roentgen은 음극선관이 켜져 있을 때 인광 물질이 어둠 속에서 빛을 낸 것을 우연히 관찰했고 이에 더해 이 방사선이 사진판을 뿌옇게 한다는 것도 발견했다. Roentgen은 이 방사선을 X선이라고 이름 붙였고 X선을 이용해 손의 이미지를 찍기도 했으며 X선의 발견과 이에 대한 연구로 1901년 Roentgen은 제1회 노벨 물리학상을 받았다.
Bragg 법칙과 Laue 방정식
이렇게 발견된 X선은 X선 회절법의 중요한 요소이다. William Henry Bragg와 그의 아들 William Lawrence Bragg는 이 X선을 이용하여 결정체의 구조를 결정하는 방법을 알아냈다. Bragg 부자는 그들의 이름을 딴 굴절 방정식을 만들었고 그 식은 아래와 같다.
그렇다면 이러한 식은 어떻게 나오게 된 것일까? 간단하게 확인해 보자.
보강간섭이 일어나는 곳에서 두 X선은 파장의 정수배만큼 경로차가 생기는데 경로차를 그림과 같은 방법으로 계산하면 Bragg 법칙이 나옴을 알 수 있다. 이러한 Bragg 법칙은 Laue 방정식의 고안으로 이어진다.
Laue는 회절 실험을 통해 X선의 파동성 증명한 사람으로 회절 무늬를 분석하는 방법을 고안한 사람이기도 하다. 만일 X선이 빛과 같이 파동성을 가지고 있다면 X선을 이용한 회절 실험에서 회절 무늬가 나타나야 했기에 Laue는 회절 실험을 진행했다. 실험 결과, 일정하게 반복되는 X선 회절 무늬를 얻었고 이러한 Laue의 실험은 X선의 파동성을 증명한 결정적인 증거가 되었다. Laue는 파동의 간섭현상을 응용한 회절격자 실험을 3차원으로 확장해 해석방법을 연구했다. 회절격자 실험에서 회절격자가 빛을 받으면 3차원 결정 내에 위치한 각 원자에 의해 빛의 산란이 일어나며 회절격자 실험과 마찬가지로 보강간섭과 상쇄간섭이 일어나는 지점이 존재한다. 이때 일어나는 산란은 주변 원자들의 영향을 모두 받아 일어난 현상이기 때문에 2차원보다 훨씬 복잡한 무늬를 나타내는데 Laue는 Bragg의 법칙을 기반으로 이 회절 무늬를 분석할 수 있는 Laue 방정식을 고안했다.
X선 회절법의 한계와 개선
Bragg 법칙과 Laue 방정식 등을 통해 X선 회절법이 사용되어 오긴 했지만, X선 회절법이 처음부터 완벽히 사용될 수는 없었다. X-선 회절의 초기 시대에 연구된 모든 물질은 화학적 조성이 알려진 것들이었으며, X-선 자료의 분석에 이용된 방법은 연구 중인 구조의 시험적 모형을 세우는 것이었다. 이런 모형은 예측된 회절무늬와 관찰된 회절 무늬가 일치될 때까지 푸리에 분석(Fourier analysis)이라고 하는 수학적 기술에 의해서 점점 개선되었지만 화학적 조성이 알려지지 않은 분자에 대해서는 그런 방법을 사용할 수 없었다. 아무렇게나 존재하는 20개나 30개의 원자를 함유하는 분자의 구조를 결정하기 위해서는 어떤 선택된 원점에 대하여 회절한 파동의 상을 결정하는 것이 필요하다는 한계점이 존재한 것이다.
이러한 문제는 1936년에 로버슨에 의하여 해결되었는데 그는 분자의 구조를 변화시키지 않고 분자에 중금속 원자를 치환하면, 치환된 것과 치환되지 않는 두 화합물에서 얻은 X-선 반사들의 세기를 비교하여서 모든 상을 결정할 수 있다는 것을 증명했다.
이렇게 발전한 X선 회절법은 여러 구조를 규명하는 데 사용되었고 대표적인 구조가 DNA 이중 나선 구조이다.
DNA 이중 나선 구조
Watson과 Crick은 DNA가 이중나선 구조로 되어있음을 밝혔고 이 공을 인정받아 1962년 노벨생리의학상을 수상했다. Watson과 Crick은 Chargaff 법칙과 Pauling의 연구 결과, 모델 구축의 최근 발전, X선 회절 사진의 도움을 받아 이러한 발견을 했다.
Watson과 Crick이 이용한 X선 회절 사진에 대해 더 자세히 알아보면 이 X선 회절 사진은 Franklin이 찍은 일명 ’51번 사진＇이었다. 모형화가 중요하기는 하지만 DNA 분자구조를 규명했다는 것이 그냥 이중나선의 모양을 그렸다는 정도로 끝나는 것이 아니라 분자들 사이의 폭이나 각도, 이중나선이 뒤틀린 정도 등의 수치적 결과들이 실제와 정확히 일치해야 했다. 즉, 최종적으로는 실험 결과와 일치해야 올바른 모형으로 평가받기에, Watson과 Crick은 제대로 된 모형을 완성하는 데 Franklin의 사진과 데이터가 필요했다.
문제는, 이 사진을 얻게 된 과정이다. Rosalind Franklin의 X선 결정학 자료를 Watson과 Crick이 동의 없이 사용했다는 것이 역사적으로 논란이 되고 있음은 꽤 잘 알려져 있다. 1953년 1월 Pauling이 발표한 삼중나선 구조를 논의하기 위해 Watson이 Wilkins를 찾아 킹스 칼리지를 방문했을 때 Franklin과 Watson 및 Wilkins 사이에 미묘한 다툼이 있었고 그 직후 Wilkins가 ‘51번 사진’을 Watson에게 보여주었다. 그런데 그 ’51번 사진’은 Franklin과 평소 앙숙이었던 Wilkins가 무단으로 복사해 둔 것들이었다. 그러니까 Watson과 Crick의 1953년 4월 ‘네이처’ 논문은 Franklin의 결과물에 크게 의존하고 있었는데, 그 과정에서 Franklin의 동의를 얻지 못했다고 한다. 결과적으로 Watson과 Crick, Wilkins는 노벨생리의학상을 수상하지만, 이는 Franklin이 떠난 뒤로, Franklin은 노벨상을 받지 못했다고 한다.
연구
Watson과 Crick의 연구 결과는 생명과학의 발전에 있어서 중요함이 틀림없지만 그 과정에서 일어난 일들에 대한 논란은 그 결과를 아름답게만 바라보지는 못하게 한다. 이러한 점은 그들의 연구 결과인 DNA 이중 나선 구조의 발견이 화학적 생물학적, 즉 학문적 가치 외에도 연구 윤리적 측면에서도 생각해 볼 만한 가치를 가진다는 것을 알게 해준다.
구보민 학생기자 | Chemistry & Biology | 지식더하기
참고자료
[1] https://www.nature.com/
[2] Brenda Maddox, Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA, Harper Perennial, 2003
첨부한 이미지 출처
[1] https://www.britannica.com/
[2] https://www.nature.com/
[3] https://www.nature.com/
