요즘 현대 진화론에 대해 궁금증이 많아지고 있다.

돌연변이와 자연선택설을 통한 현대 진화론을 연구하는 황지윤 연구원과 이은서 연구원을 모셔보았다.

   

다윈의 자연선택설 배경은 다윈이 리처드 오웬를 만나 다윈 본인의 연구와 리처드 오웬의 연구한 멸종의 이유가 같고 멸종된 동물의 서식지였던 남아메리카를 연구하였다. 이때 다윈는 갈라파고스를 조사하였고 멸종된 종들을 설명하기 위해 '한 종은 다른 종으로 변한다'라는 가능성을 추측하며 많은 연구 끝에 다윈 자신의 이론을 ‘자연선택설’이라고 불렀다. 예시로는 바퀴벌레와 사랑니로 먼저, 바퀴벌레는 단맛이 나는 독극물을 사용해 바퀴벌레를 대량으로 죽이다 보니 단맛을 선호하지 않는 바퀴벌레들이 살아남아 자손을 퍼뜨리면서 이런 현상이 벌어지게 된 것이다. 다음 사랑니는 설상가상 진화의 과정에서 머리가 작아짐과 동시에 턱이 좁아졌고 그러한 과정에서 사랑니가 존재하지 않는 유전인자가 발생하였다. 

다음 한계로는 다윈은 개체 변이의 원인을 설명하지 못하고, 획득 형질에 의한 개체 변이가 유전된다는 오류를 범하였다. 그러다 나중에는 획득 형질의 유전을 인정하는 오류를 범하였다. 변이의 원인과 유전 현상의 원리를 정확히 제시하지 못했지만, 훗날 돌연변이 이론과 

유전학에 의해 뒷받침되었다.

   

다음 돌연변이는 드브리스는 달맞이꽃의  유전을 연구하던 중, 양친의 어느 쪽에도 없었던 형질이 돌연 나타나서 그다음 대에도 계속 유전되는 현상을 관찰하게 되었다. 돌연변이의 예시로 달맞이꽃과 ‘판겐’이 있다. 먼저 달맞이꽃은 달맞이꽃 재배 실험을 하던 중 7가지 종류의 새로운 유전형질을 가진 달맞이꽃을 발견했으며 이 형질이 모두 유전됨을 확인하였다. 다음 판겐은 새로운 유전 단위 '판겐'을 만들어 이론을 뒷받침하는데 이는 매우 안정한 물질이다. 간혹 매우 불안정한 상태가 되었을 때 유전자 변형이 일어나 새로운 종이 생겨났다. 돌연변이의 한계로는 종내 수평적 돌연변이는 가능하나 다른 종으로 바뀌는 수직적 돌연변이는 불가능해서 돌연변이는 진화의 요인이 되지 않는다.

   

다음 자연선택설과 돌연변이를 합한 현대 진화론의 설명에 관한 내용이다. 

요즘에도 현대 진화론에 대한 다양한 논쟁과 연구가 이루어지고 있다. 그 예로 리처드 도킨슨의 이기적 유전자나 에드워드 윌슨의 사회생물학에 대한 주장도 있고, 자연선택이나 진화의 속도에 대한 연구 등 다양하게 나타나고 있다. 현재까지 종합된 것을 설명하자면, 자연계의 진화 빈도 변화가 일어나며, 이는 종분화 과정과 돌연변이를 통해 생명의 다양성이 높아진다. 그 후, 유전정보가 단순해지는 유전자 부동으로 인해 전체 유전정보가 변화하고 자연선택으로 인한 선택, 절멸이 일어나 특정 유전자 빈도가 높아진다. 이후, 좀 더 좋은 것을 선택하려는 선택압이 일어나 진화가 일어나게 된다.

   

결론

자연선택설의 한계를 보충한 돌연변이. 이를 정리한 현대 진화론.

   

캐리 멀리스는 미국의 생화학자로 1993년 과학 이론적 업적이 아닌 기술 업적으로 노벨 화학상을 최초로 수상했다. 그가 노벨 화학상을 받을 수 있었던 이유는 중합 효소 연쇄 반응으로도 불리는 PCR을 개발했기 때문인데 PCR이란 유전물질을 조작하여 실험하는 모든 과정에서 사용되는 검사법으로 검출을 원하는 특정 유전물질을 증폭할 수 있다. PCR은 친자 확인, 신원 확인, 코로나 검사, 인류의 조상을 찾거나 33년 동안 찾지 못했던 화성 연쇄살인 사건의 진범 이춘재를 찾는 데 이용되는 것과 같은 범인 검거에도 이용된다. 이처럼 PCR은 생각보다 여러 분야에서 우리의 삶의 질을 향상하는 데에 활용된다.

여기서 더 주목해야할 점은 그가 PCR을 개발하게 된 이유에 있다. 사실 그는 DNA 분야보다 천체 물리학 분야에 더 관심이 많았다. 1968년, 그가 ‘네이처’지에 발표한 첫번째 논문도 천체물리학에 대한 가설인 것을 보면 그 사실을 알 수 있다. 그랬던 그가 본격적으로 DNA 분야에 관심이 생기된 계기는 모교였던 버클리에서 쥐의 뇌와 관련된 연구를 진행하던 도중이었다. 그는 연구 도중, 앞으로 DNA 분야의 연구를 해야겠다고 결심했고  생명공학회사였던 시터스 사의 연구원으로 입사하여 본격적으로 DNA 연구에 매진했다. 결국 그는 역발상적인 방법으로 PCR을 개발하게 되었다. 기존에 주로 쓰던 특정 DNA를 분리하는 방법이 아니라, 반대로 전체 유전자중에 특정 DNA 부분만을 증폭시키는 방법을 개발하게 된 것이었다.

이렇게 개발하게 된 PCR의 원리는 샤가프의 법칙을 이용하여 변성-결합-신장의 세 단계를 거쳐 복제가 된다고 한다. 먼저 변성은 DNA에 95도 이상의 열을 가해 두 가닥으로 떨어트리는 단계를 말한다. 그리고 결합은 분리된 DNA 가닥에서 검출을 원하는 특정 DNA를 샤가프의 법칙을 이용해 인공적으로 프라이머를 만들어 40~60도의 열을 가해 프라이머와 DNA가 달라붙도록 하는 단계를 말하고, 마지막으로 신장은 중합 효소를 넣어 70~80도의 열을 가해 DNA가 자가복제를 하며 자라나는 단계이다.
 

하지만 이러한 pcr을 개발하는 과정에서도 문제는 발생했다. DNA를 복제하기 위해선 90°C 이상의 온도가 전제되어야 한다. 하지만 대부분의 단백질은 70°C 이상의 온도가 되면 성질이 변해 제 기능을 잃게되기 때문에 DNA 중합효소는 본 역할을 할 수 없게 된다. 따라서 처음 고안한 이 방법은 이론만 그럴싸한, 실상 사용 할 수 없었던 것이었다. 이 때문에 고민하던 멀리스 앞에 일본인 미생물 학자 사이키가 나타났다. 그는 온천에서 뜨거운 온도에서도 잘 사는 세균인 더 무스 아쿠아티스를 발견했고, 이 세균에서 오늘날 '택 중합 효소'라 불리는 중합 효소를 추출해냈다. 이렇게 pcr기법은 많은 시행착오를 디디고 대성공을 이루게 된 것이다.

또한, 멀리스는 허황된 이론에 불과했던 pcr을 성공으로 이끌어준 택 중합효소가 온도가 높아져도 제대로 기능하고 매번 중합효소를 새로 첨가해줘야 하는 번거로운을 없애주어 중합효소연쇄반응을 자동화하는데 큰 도움이 되었다고 말했다. 또, pcr의 장단점에 대해 안급하기도 했는데 장점으로 아주 적은 양의 dna로도 검출이 가능하다는 것을 꼽았고 단점으로는 택 중합효소가 dna의 증폭 중에 20,000염기에 1개 정도 오독을 일으키는 점이라고 언급했다.

한편 pcr을 개발한 캐리 멀리스는 과학계의 이단아라 불릴 정도로 유명하였다. 평소 그의 기이한 행동을 보면 이를 뒷받침한 것을 알 수 있다. 그는 LSD 복용자로 인터뷰에서 과거 UC 버클리에 다닐 때 실험실에서 환각제인 LSD를 합성해서 자신의 행동이 기이하다고 평가 받는다고 소문에 대해 언급했다. 이에 캐리 멀리스는 LSD 덕분에 pcr에 대한 아이디어가 떠오를 수 있었다고 덧붙였다. 그는 유명인의 DNA를 증폭한 보석을 판매하는가 하면 pcr개발에 큰 기여를 한 것은 자신의 연인과의 드라이브라고 말했고 1986년, 네이처지에 LSD를 복용한 후 우주가 어떻게 보이는지에 관한 논문을 실어, 그것을 뿌듯하게 여기기도 하는 등 독특한 행동을 보였다. 

A. 광견병은 5단계를 걸쳐 심해지는데 가장 첫 번째 단계가 잠복기입니다. 바이러스가 물린 그 부위의 근육에만 존재하는 시기로 특별한 증상을 보이지 않습니다. 잠복기는 대략 60일에서 1년까지로 나와있지만 실제로는 어디를 물리냐에 따라서 더 짧아지기도, 길어지기도 합니다. 그렇기 때문에 광견병 바이러스를 보유 중인 동물에게 물린 후 광견병 백신을 맞게 되면, 잠복기 동안 백신이 먼저 면역을 활성화하여 이후 병이 발현되는 것을 방지하는 것입니다!

Q. 푸른곰팡이와 페니실린 하면 바로 떠오르는 플레밍씨, 안녕하세요! 페니실린을 발견한 일화와 노벨상 수상 이야기 관련하여 이야기해주실 수 있나요?

A. 연구실에서 포도상 구균을 연구하던 중 포도상 구균 유리 접시에 푸른곰팡이가 잔뜩 피어있었고, 포도상 구균은 보이질 않았습니다. 그렇게 연구를 시작하여 포도상 구균과 페렴균을 죽일수 있는 페니실린을 발견하여 저와 플로리, 체인 교수는 노벨 생리 의학상을 수상하였습니다.

이렇게 미생물과 감염병 예방을 위해 평생 연구에 종사한 과학자들과의 인터뷰를 통해 그들의 속마음과 또 업적들에 대한 코멘트까지 그 이상을 들어볼 수 있는 유익한 시간이었다. 또한 이 인터뷰는 사람들에게 계속해서 발전하는 시대에 맞춰 미생물과 감염병 예방 연구에 몰두하여 새로운 성과들을 이뤄나가야 함을 상기시키는 중요한 계기가 될것이다. 인터뷰에 기쁜 마음으로 응해주신 코흐씨, 파스퇴르씨, 플레밍씨에게 감사 인사를 전한다.

멀리스: PCR 이란 DNA를 수만 배까지 증폭시킬 수 있는 최첨단 분자 생물학 기법입니다.

   

멀리스: VCSF에서 쥐의 뇌와 관련한 연구를 시작하던 중 DNA 관련 연구를 결심하여 생명공학 회사에 연구원으로 입사하게 되었고 역발상적인 아이디어로 PCR 개발을 하게 되었습니다.

   

멀리스: PCR은 주로 암ㆍ바이러스 유전자 연구를 통해 바이러스의 진단과 분석, 치료제 개발과 유전자 감식을 통한 범죄자 색출 그리고 몇 년 전 사라진 동물의 화석 물질을 통해 DNA를 추출하는 일에 쓰입니다.

   

멀리스: 앞에서 말했던 것처럼 다방면으로 사람들에게 도움을 주는 것 같아 뿌듯하지만 한편으론 하루빨리 코로나가 사라져 PCR 이용이 적어지는 날이 오기를 바랄 뿐입니다.

   

   

다음은 유전자 재조합 기술 연구의 주역인 유전 공학자 허버트 보이어씨와의 인터뷰이다. 

   

   

보이어: 안녕하세요 저는 유전공학자 허버트 보이어입니다. 저는 대학 생물학과 화학을 전공했고, 또한 생물학 수업을 들으면서 DNA에 대한 분자 생물학적 이해가 생명현상을 이해하는 가장 혁신적인 방법이라는 사실을 알고 큰 감명을 받았죠. 이후 피츠버그대학의 생물학과 대학원에 합격하여 생화학자가 되었습니다.

   

보이어: 저는 예일대학교 미생물학 연구원으로 일하던 중에 이코알원을 발견하게 됐습니다. 그리고 저의 동료인 스탠리 코헨과 함께 연구하여 박테리아의 원형 유전자인 플라스미드를 제한효소 처리하여 붙여 만드는 데 성공했죠. 이 기술을 통해 인슐린을 만들어냈고, 유전 공학의 상업적 성공을 예상하는 투자자들을 모아 벤처 회사, 다시 말해 연구개발형 기업도 세웠답니다.

   

보이어: 물론 주변 과학자들은 이 기술의 사유화를 우려하기도 했어요. 하지만 저는 이 연구가 더 큰 지원을 받게 된다면, 빠른 기술 발전을 통한 신약 개발로 더 많은 환자들에게 도움을 줄 것이라고 생각했기 때문에 회사를 설립하게 됐습니다.

   

인터뷰에 흔쾌히 응해주신 보이어 박사와 멀리스 박사는 모두 인터뷰 말미에 80억 지구인들의 건강을 빈다고 전했다. 두 과학자의 바램이 빠른 시일 내에 이뤄지기를 SAL 취재진 또한 바란다.   

   
3학년 4반 2조

   

훅 과학자- 현미경을 만들어 코르크 조직을 관찰했기 때문이다. 코르크를 얇게 베어내 코르크 조직인 격자무늬를 발견한 것을 세포 발견의 시초로 여긴다. 

   

훅 과학자- 코르크 조직에서 관찰한 격자를 셀(cell)이라 지칭하였고 셀은 라틴어 셀라(cella)에서 온 말로, 작은 방을 뜻한다. 실제로 크리스트교의 수도사들이 살던 곳도 셀이라 불렀다.

   

훅 과학자- 그렇지 않다. 살아있는 조직은 모두 없는 구조만, 세포핵이나 세포 소기관은 없는 세포벽만 관찰했다.

   

훅 과학자 -그 당시에 현미경의 배율이 작아 더 작은 구조를 관찰할 수 없었다. 현미경의 배율이 컸다면 살아있는 세포를 발견할 수 있었을 것이다.

   

   

슐라이덴 과학자- 원래 식물에 관심이 많아서 식물연구를 하다가 세포학적 성질과 상태를 알아내어 세포설을 주장하였다.

슈반 과학자- 슐라이덴을 만난 후, 식물이 아닌 인체 조직의 세포학적 연구를 해야겠다는 생각이 들어 연구를 시작했고, 모든 동물 조직이 세포로 되어 있다는 사실을 발견하여 세포설을 주장하게 됐다.

   

-<식물의 기원>은 식물의 각 부분은 세포로 이루어져 있고, 세포야말로 생명의 기본 단위라는 내용으로, 세포설을 주장하는 책이다.

   

-슈반은 소화 과정을 연구하다가 위에서 소화와 관계있는 물질을 발견하고 펩신이란 이름을 붙였다. 또 살아있는 조직에서 일어나는 화학적 변화를 물질대사라고 이름 붙이게 되었다.

   

병의 원인이 세포의 형태가 변했기 때문이라고 생각했다. 이런 개념을 정리한 <세포병리학> 책을 출판해 널리 알렸다. 이 책을 통해 모든 세포는 세포로부터 생성된다는 세포설을 확립했다.