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예쁜꼬마선충 통해 보는 현대 생물학!

『벌레의 마음』은 예쁜꼬마선충을 통해 생명의 보편성과 인간에 대한 진실을 탐구하고 있는 현대 생물학의 생생한 여정을 담았다. 예쁜꼬마선충은 토양에서 서식하며 투명한 몸을 가진 1mm 크기의 아주 작은 벌레로 놀랍게도 유전자의 절반 이상이 인간의 유전자와 유사하고 그 기능역시 유사하다. 현대 생물학은 이 벌레를 통해 인간과 생명의 보편성을 이해하기 위한 여정에 있다. 이 책은 이러한 최신 현대 생물학의 여정을 대중과 나누고자 예쁜꼬마선충 과학자 5인의 고민을 담고 있다.

1960년대 시드니 브래너는 예쁜꼬마선충을 생물학 연구의 대상으로 삼으면서 ‘벌레의 마음’이라는 원대한 프로젝트를 발주했다. 이 연구를 바탕으로 생물학 302개의 신경세포와 이 세포들이 이루는 8000여 개의 신경망으로 이루어진 예쁜꼬마선충의 마음 지도를 얻게 되었다. 이후 학자들은 이 마음의 지도를 바탕으로 마음에 대한 놀라운 연구 성과들을 발표하였다. 위대한 생물학자이자 생물 철학자인 자크 모노는 생명 현상에서 나타나는 보편성을 이렇게 표현한다. ‘대장균에게서도 진실인 것은 코끼리에게도 진실이다’ 이를 현대 생물학 연구를 특징짓는다면 다음과 같다. ‘벌레에게 진실인 것은 인간에게도 진실이다’. 이 책의 예쁜꼬마선충을 통해 생명의 보편성과 인간에 대한 진실을 탐구하는 현대 생물학의 생생한 여정을 통해 확인 할 수 있을 것이다.

벌레에게 진실인 것은 인간에게도 진실이다
예쁜꼬마선충을 통해 보는 성장, 노화, 마음 그리고 생명의 보편성

‘현대 생물학의 최전선을 탐험하는 예쁜꼬마선충의 이야기’

예쁜꼬마선충은 토양에서 서식하며 투명한 몸을 가진 1mm 크기의 아주 작은 벌레다. 대중에게 생소한 이 벌레는 생물학계의 스타이자 지구상에서 인간이 가장 ‘잘’ 이해하고 있는 다세포 생명체다. 어느 한 곳 인간과 닮은 데가 없는 이 벌레는 놀랍게도 유전자의 절반 이상이 인간의 유전자와 유사하고 그 기능 역시 많은 부분 유사하다. 이런 선충의 특징을 자크 모노의 표현을 빌려 표현하면, ‘벌레에게 진실인 것은 인간에게도 진실이다’라 할 수 있다. 현대 생물학은 이와 같은 기치 아래에서 예쁜꼬마선충을 통해 인간과 생명의 보편성을 이해하기 위한 여정 중에 있다. 《벌레의 마음》은 이러한 최신 현대 생물학의 여정을 대중들과 함께 나누고 소통하고자 하는 예쁜꼬마선충 과학자 5인의 진지한 고민을 담고 있다.

2002년 노벨 생리의학상을 수상한 시드니 브래너는 1960년대 무명이었던 예쁜꼬마선충을 생물학계로 납치해왔다. 당시 아무도 이 벌레를 연구하고 있지 않았다는 점에서 이는 과감한 도전이었다. 하지만 그는 예쁜꼬마선충이 앞으로 현대 유전학, 발생학, 그리고 특히 신경생물학에서 중요한 역할을 할 것이라는 직감을 가지고 있었다. 그리고 그 직감은 정확하게 적중했다. 단 한 명의 연구자로 시작된 연구는 현재 전 세계 수천 명의 연구자가 연구할 만큼 규모가 커졌고, 인류에게 생명 현상에 대한 엄청난 지적 성과를 선물했다.
현대 생물학은 소수의 종을 연구 대상으로 삼는다. 연구자들마다 각기 다른 동물이나 종을 연구하게 되면 연구 결과나 그 실험 노하우들을 공유할 수 없다. 반면 표준적인 종을 정해 연구자들이 함께 연구한다면 효율적인 방식으로 연구 결과를 축적할 수 있다. 이런 이유로 현대 생물학은 선택과 집중의 전략으로 ‘모델 생명체’를 연구한다. 이 모델 생명체는 그 자체가 연구의 목적이라기보다는 보편적인 생물학적 현상, 더 나아가서는 인간을 이해하기 위한 ‘수단’으로 이용되는 것이다. 이런 모델 생명체 중에 발군의 성과를 보인 것이 바로 예쁜꼬마선충이다.
예쁜꼬마선충의 가장 큰 특징은 단순성이다. 꼬마선충은 900여 개의 체세포와 300여 개의 신경세포 그리고 2만여 개의 유전자로 구성되어 있다. 이는 다른 다세포 동물과 비교했을 때 매우 단순한 구성이다. 이러한 단순성 때문에 이 생명체의 세포 계보 지도와 신경 네트워크 그리고 유전자 네트워크 지도 등이 이미 상세하게 밝혀져 있어 발생학과 신경 생물학 연구에 큰 이점을 가지고 있다. 또한 몸이 투명하고 생애 주기가 3주로 짧아 변이를 연구하는 유전학 연구에도 매우 적합한 특성을 가진다. 그런데 놀라운 점은 이 단순한 벌레에 대한 연구가 너무도 달라 보이는 우리 인간에 대해 엄청나게 많은 사실을 제공하고 있다는 점이다.
겉보기에 이 작은 벌레는 눈이나 뇌와 같은 신체 기관은 물론 팔다리라고 할 만한 것이 없지만 인간에게 나타나는 여러 생물학적인 현상을 연구하기에는 전혀 부족하지 않다. 예쁜꼬마선충과 사람의 유전체는 40% 정도의 유사성을 지닌다고 알려져 있다. 그리고 지금까지 알려진 인간의 유전자에 대해서만 고려한다면, 그 유전자의 70% 정도는 예쁜꼬마선충도 가지고 있다. 즉, 인간 유전자의 3분의 2 이상은 예쁜꼬마선충을 이용해서도 연구할 수 있다는 뜻이다. 위대한 생물학자이자 생물 철학자였던 자크 모노는 생명 현상에서 나타나는 보편성에 대해서 다음과 같이 표현했다. ‘대장균에게서도 진실인 것은 코끼리에서도 진실이다.’ 이와 같은 자크 모노의 표현을 빌려 현대 생물학 연구를 특징짓는 다면 다음과 같이 표현할 수 있다. “벌레에게 진실인 것은 인간에게도 진실이다!” 《벌레의 마음》은 예쁜꼬마선충을 통해 생명의 보편성과 인간에 대한 진실을 탐구하고 있는 현대 생물학의 생생한 여정을 담고 있다.

‘벌레의 마음’이 말하는 ‘인간의 마음’
뇌가 없이 단순히 302개의 신경세포로 구성되어 있는 예쁜꼬마선충의 신경계가 우리의 마음에 대해서 무엇을 말해줄 수 있을까? 1960년대 시드니 브래너는 예쁜꼬마선충을 생물학 연구의 대상으로 삼으면서 ‘벌레의 마음’이라는 원대한 프로젝트를 발주했다. 이 프로젝트는 예쁜꼬마선충의 신경 전체를 시각화하는 것이었다. 이 프로젝트는 예쁜꼬마선충의 신경 전체를 시각화하고자 했다. 몸이 투명한 예쁜꼬마선충에 약간을 기법을 통해 형광단백질을 사용하면 우리의 눈으로 직접 신경을 볼 수 있다. 더욱이 선충의 마음을 볼 수 있는 기법들이 발전해 더 미시적인 연구가 가능해지면서 개별 세포들의 신경 접속을 파악하는 것이 가능해졌다. 이 연구를 바탕으로 생물학자들은 302개의 신경세포와 이 세포들이 이루는 8,000여 개의 신경망으로 이루어진 예쁜꼬마선충의 마음의 지도를 얻게 되었다. 이후 학자들은 이 마음의 지도를 바탕으로 마음에 대한 놀라운 연구 성과들을 발표하였다.
그 대표적인 사례인 빛을 이용하는 광유전학은 앞으로 인간의 마음이 빛으로 조작 가능할지도 모른다는 전망을 내놓는다. 유전학적 기법을 이용해 빛에 반응하는 채널로돕신을 이용해 개별 신경세포를 조정할 수 있는 방법이 꼬마선충 연구를 통해 처음 실현되었다. 게오르그 나겔과 알렉산더 고트샬크 박사는 촉각 신경이 망가진 꼬마선충에 채널로돕신을 발현시켜 빛을 이용해 촉각 신경을 조작했다. 빛을 통해 촉각 신경이 활성화되자 꼬마선충은 머리에 충격을 받지도 않았음에도 불구하고 마치 머리를 두드린 것처럼 뒤로 도망가는 반응을 보인다. 빛을 통해 선충의 마음을 조작한 것이다. 이러한 실험은 상당한 함의를 가진다. 바로 광유전학이 인간에게도 이용될 수 있는 가능성을 내포하기 때문이다. 이미 생쥐를 이용한 실험에서 광유전학이 적극적으로 이용되고 있다는 점에서 이러한 이야기는 단순한 공상에 불가하지 않는다. 물론 아직 걸어가야 할 길이 많이 남아 있지만, 여러 기술적 장벽을 넘어서는 날, 그리고 우리의 신경 회로가 예쁜꼬마선충과 같이 밝혀지는 날 이러한 가능성을 실현될 수 있을 것이다. 이 외에도 잠, 사랑, 사회성에 대한 꼬마선충의 연구는 이러한 정신적인 특성들과 관련된 특정 유전자들이 식별되고 있으며, 이러한 유전자들이 인간에게서 보존되어 있고 상당한 유사한 기능에 사용되고 있다는 사실을 보여준다.

작은 벌레에서 생명의 보편성을 발견하다
진화는 새로운 것을 창조해내기 보다는 기존에 있었던 현상들을 이용하는 땜장이다. 새로운 것을 만들어내기 보다 기존에 존재하던 것을 이용하는 것이 비용의 측면에서 더 유리하기 때문이다. 특히나 이런 특징은 미시적인 수준에서 나타나는 생명 현상의 기초적인 메커니즘에서 두드러진다. 자크 모노의 말과 같이 대장균에서 작동하는 DNA의 메커니즘과 코끼리에서 작동하는 DNA의 메커니즘은 거의 동일하다. 예쁜꼬마선충에 대한 분자생물학적 기법을 이용한 유전학 연구는 이러한 기초적인 메커니즘에 대한 중요한 답들을 제공하고 있다.
그 대표적인 사례 중 하나는 유전체 작동 방식에 대한 연구다. 세상에는 동일한 두 개체는 존재하지 않는다. 물론 DNA가 다르기 때문에 이런 현상이 발생한다고 말할 수 있을지 모른다. 하지만 우리 주변의 쌍둥이만 보더라도 이런 반론은 성립하지 않는다. 그들은 동일한 DNA를 가지지만 식별 가능할 정도의 차이를 보인다. 물론 이런 차이는 환경으로 돌릴 수 있을지 모른다. 미세하지만 그들의 환경에는 차이가 존재했고 그 차이가 쌍둥이들의 차이를 만들어냈다고 말이다. 하지만 환경마저도 같은 경우는 어떨까? 피터 스웨인은 대장균을 통해 이러한 실험을 진행했다. 유전정보가 완전하게 동일한 대장균 클론들을 완벽히 통제된 환경에서 배양했다. 그리고 적색과 녹색 형광단백질을 이용해 이 대장균의 유전자 발현 양상을 관찰한 것이었다. 그 결과는 놀랍게도 동일한 환경에서 자란 동일한 유전정보를 가진 개체들 사이에서도 차이가 나타난다는 것이었다. 알렉산더르 판우데나르덴은 예쁜꼬마선충을 통해 이런 현상이 동등한 조건의 유전자가 만들어내는 ‘잡음’ 때문이라는 것을 밝혔다. 그는 선충을 이용해 잡음이란 유전자 네트워크에서 나타나는 본래적인 특징이라는 것을 보였다. 예쁜꼬마선충이 왜 동일한 생명체가 존재하지 않는지에 대한 당연한 질문에 답을 제공한 것이다.
그 외에도 세포는 어떻게 항상성을 유지하는 것일까?, 어떻게 세포는 위험한 인자들을 억제하는 것일까?, 어째서 유전체에는 바이러스의 흔적이 남아 있는 것일까?, 어째서 수컷의 미토콘드리아는 수정 과정에 사라지는 것일까? 와 같은 생명의 기초적인 현상에 대한 흥미로운 질문들이 예쁜꼬마선충 연구를 통해 밝혀지고 있다.

노화, 그것은 생명의 일
최근 노화 연구가 폭발적으로 증가하고 있다. 그 중에서도 노화의 세부 기작을 밝혀내는 데 큰 공헌을 한 것이 꼬마선충을 이용한 연구다. 분열을 계속하도록 체세포를 생식세포와 같이 만들면 어떻게 될 것인가? 생식세포와 같이 체세포의 텔로미어가 줄지 않는다면 노화가 멈출 것인가? 노화의 주요 범인으로 지적되어 왔던 미토콘드리아의 활성산소가 정말로 주범이 맞는가? 여성이 남성보다 오래 사는 이유는 무엇인가? 번식과 수명의 상관관계는 무엇인가? 소식과 간헐적 단식은 생명 연장에 효과가 있으며 그 세부 기작은 어떻게 되는 것인가? 와 같은 노화 현상의 본질적인 질문들에 대한 답을 분자 수준에서 제공하고자 한다. 대표적인 예로 최근 방송에 방영이 되어 이슈가 된 ‘적게 먹기’와 ‘간헐적 단식’의 효과에 대해 예쁜꼬마선충 연구는 두 단식의 효과가 섭식을 제안하여 어느 정도 수명 연장의 효과를 나타낸다는 점에서 동일하지만 그 세부적인 기작에서 서로 다른 유전자가 관여된다는 점을 밝혀냈다. 이렇듯 선충을 통한 노화 연구는 다각적인 각도에서 엄밀한 방식으로 노화의 비밀을 밝혀가고 있다.
하지만 연구의 증가와 함께 노화에 대한 언론의 관심도 덩달아 높아지고 있다. 영국 일간지 <인딘펜더트>에서는 다음과 같은 재목의 기사가 실렸다. “400유로의 검진으로 당신이 얼마나 오래 살 수 있는지 알 수 있다.” 이 기사는 노화의 주요 원인으로 알려진 텔로미어 길이의 측정을 통해 남은 수명을 예측할 수 있다는 내용을 담고 있다. 또한 다른 기업에서는 텔로미어 길이를 유지하는 데 이용되는 텔로머라제를 활성화하는 약물 TA-65가 노화를 늦춰줄 것이라고 말하고 있다. 그리고 여타 매체와 광고에서는 과학의 권위를 빌려 수명 증가에 도움이 된다는 제품의 홍보에 열을 올리고 있다.
마치 이런 정보의 홍수 속에서 우리는 우리의 손에 곧 진시황의 불로초가 들어올 것만 같은 착각을 하게 된다. 하지만 예쁜꼬마선충을 통해 본 노화 연구는 이러한 이야기들이 많은 과장과 오해로 점철되어 있다고 경고한다. 노화 현상은 단일한 원인으로 일어나지 않는다. 과학 잡지 <셀>이 발표한 노화의 지표는 게놈 불안정성, 텔로미어 축소, 후생학적 변화, 단백질 항상성 상실, 비규칙적인 영양공급, 미토콘드리아 기능 장애, 세포 노화, 줄기세포 소진, 세포 내 변화된 의사소통 9가지다. 그리고 이에 대해 성차와 섭식 그리고 행동의 차이에서 비롯되는 수명차 등을 고려했을 때 노화 현상은 복합적인 원인에 의해 발생한다고 할 수 있다. 가령 위에서 예로든 세포 분열 회수를 결정하는 텔로미어 길어가 짧아지지 않도록 유지하게 된다면 과연 늙지 않고 영원히 살 수 있을까? 하지만 동물을 이용한 실험 결과는 기대와 달리 많은 암세포가 발생하는 것으로 나타났다. 사멸해야 할 세포들이 사멸하지 않고 무수히 증식한 결과였다. 예쁜꼬마선충을 이용한 엄밀한 과학적 연구들은 우리가 노화에 대한 연구를 접할 때 좀 더 면밀하고 비판적 시각을 가지고 접할 것을 권하고 있다.

장대익(서울대학교 자유전공학부 교수)
과학자는 자신의 연구 성과와 의미에 대해 스스로 말할 수 있어야 한다. 과학 저널리스트의 도움 없이도 대중과 소통할 줄 알아야 한다. 단지 연구비용이 국민 세금에서 나오기 때문만은 아니다. 세상의 변화를 이끌어가는 주역으로서 사회와 직접 소통하는 경험을 통해 올바른 의사결정을 배울 수 있기 때문이다. 하지만 한국의 과학 문화 풍토는 그동안 과학자의 커뮤니케이션 역량을 배양해 주지 못했다. 여기, 새로운 과학 세대의 탄생을 알리는 북소리가 들린다. 이들은 예쁜꼬마선충(전혀 예쁘지 않지만)에 미쳤지만, 인간과 사회에 대해서 끊임없이 묻고 탐구하는, 자신의 혀를 가진 젊은 생물학자들이다. 이들과 함께 만들어 갈 ‘제 3의 문화’가 벌써부터 기대된다. (《다윈의 식탁》 저자)

윤신영(과학동아 편집장)
자문자답은 독과다. 글이 쉽고 선명해지지만, 읽는 재미를 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 하지만 과학에서는 조금 예외다. 어려운 내용을 이해시키기 위해서 적절한 문답이 필요할 때가 있다. 이 책에는 자문자답이 유독 많다. 경성 생명과학을 대표하는 연구들을 서술하면서 상세한 메커니즘을 에두르지 않았다는 뜻이다. 덕분에 생명과학자가 어떻게 사고하고 연구하는지, 그 ‘마음’을 생생히 느낄 기회가 생겼다. (《사라져 가는 것들의 안부를 묻다》 저자)

서문
들어가면서: 히치하이커 예쁜꼬마선충, 코스모폴리탄이 되다

제1부 마음은 어떻게 작동하는가: 신경에서 행동까지
1 마음의 작동을 눈으로 본다 - 신경망 시각화 기법의 현주소
2 시간을 느끼는 신경 - 노화와 신경 재생의 관계
3 마음의 설계도는 어떻게 유지되는가? - 신경교세포와 상피세포, 시냅스의 파수꾼들
4 빛으로 인간의 마음을 조작할 수 있을까? - 빛으로 신경세포를 움직이는 광유전학
5 잠자는 꼬마선충, ‘꿈’이라도 꾸는 걸까? - 잠의 생물학
6 큐피드의 화살은 어디서 날아올까? - 옥시토신이 부리는 신비한 ‘사랑의 마법’
7. 영국서 온 고독한 솔로와 하와이에서 온 파티광 - 사회적 행동을 만드는 유전자

제2부 생명의 보편성: DNA에서 세포까지
1 쌍둥이가 똑같지 않은 이유 - 유전자 발현과 발현 과정의 잡음
2 단백질을 고쳐 쓸까, 새로 만들까? - 세포 항상성의 두 가지 방법
3 ‘뛰는 유전자’, 쫓는 꼬마 RNA - 위험한 뛰는 유전자를 막는 꼬마 RNA의 분투
4 바이러스와 인간의 이상한 동거 - 인간 유전체 속에 숨어 있는 바이러스의 비밀
5 아버지의 미토콘드리아는 어디로 사라졌을까? - 미토콘드리아 모계 유전의 비밀
6 간이 잘 맞은 음식이 맛있는 이유 - 짠맛에 대한 분자생물학적 고찰
7 함께 살아가는 방법 - ‘나 아닌 나’ 장내 미생물과의 공생 관계

제3부 늙는다는 것은 생명의 일: 선충에서 인간까지
1 단명하는 체세포와 불멸하는 생식세포 - 생식세포와 체세포의 차이
2 ‘세포 타이머’ 텔로미어가 개체의 타이머라고 할 수 있을까? - 텔로미어 연구의 현주소
3 불협화음의 미스터리 - 미토콘드리아와 핵의 불균형이 수명을 증가시킨다
4 거세당한 남성의 장수 비결 - 번식과 수명의 상관관계
5 홀아비가 여자보다 오래 살 수 있을까? - 남성과 여성의 행동과 수명 차이
6 소식을 할까, 간헐적 단식을 할까? - 소식과 간헐적 단식의 수명 연장 효과
7 많이 빛나는 당신, 위험합니다 - 미토콘드리아 섬광과 수명의 상관관계

부록 엘레강스 팬클럽의 실제 연구 사례
배고프면 춤추는 꼬마선충의 비밀: ‘닉테이션’, 다우어 유충의 춤사위

참고문헌
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