[Science Dream] DNA가 유전물질이란 사실은 도대체 어떻게 알았을까?｜유전학 여행기-1탄

 

 

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모든 생물은 번식하고

자식 세대는 놀라우리만큼 부모세대와 닮았습니다.

우리는 이를 유전이라고 부르죠.

옛날 사람들은 유전 현상이 무엇 때문에 일어난다고 생각했을까요?

정자 속에 사람이 또 사람의 정자 속에 더 작은 사람이 들어 있다고 생각하기도 했고

또, 엄마와 아빠의 물질이 물감처럼 섞여

자식에게 전달된다고 생각하기도 했습니다.

 

어쨌든 공통적인 건

옛날 사람들도 현세대에서 다른 세대로 전달되는 어떤 물질

즉, 유전되는 특정한 무엇이 있다고 생각했다는 사실입니다.

바로 유전자란 개념이었죠.

 

그리고 21세기를 사는 지금

우리는 유전자가 무엇인지 너무나도 잘 알고 있습니다.

바로 D-N-A입니다.

 

그런데, 우리는 이렇게나 친숙한 DNA에 대해 얼마나 알고 있을까요?

우리가 교과서에서 수도 없이 봐왔던 DNA는 유전물질이다, 라는 문장은

어떤 과정들을 거쳐서 나온 것일까요?

 

그 옛날 과학자들은 눈에 봅이지도 않는 DNA가

세대를 건너 전달된다는 사실을 어떻게 알았을까요?

그리고 그들은 우리 몸 안에 있는 수많은 물질들 중

왜 하필 DNA를 유전물질로 지목했던 걸까요?

오늘 영상은 유전물질의 실체를 찾아가는 과학의 여정입니다.

자, 그럼 지금 출발합니다!

 

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진화론을 제시한 다윈조차도 유전 현상에 대해서는

엉뚱한 주장을 했습니다.

그는 신체 각 부분의 세포에는 “게뮬”이라는 물질이 있고

이 물질이 혈관을 통해 생식세포에 모이고

이 생식세포가 자손에게 전달된다고 생각했습니다.

무엇보다 다윈 역시 유전물질이 물감처럼 섞여 전달된다는

혼합유전설을 믿고 있었습니다.

 

이처럼 19세기 초까지만 해도 유전에 대한 개념은 매우 흐릿했습니다.

하지만 이 무렵, 완두콩의 남자, 멘델의 등장으로

유전현상을 바라보는 관점은 새로운 전환을 맞이하게 됩니다.

 

멘델은 완두콩 실험을 통해

부모에게서 자손에게로 어떤 입자 같은 것이 전달된다는 것을 확신하게 되죠.

그리고 이 입자가 유전물질이며

각기 다른 입자들이 각기 다른 형질들을 결정짓는다고 생각했습니다.

 

또 하나의 형질에 대해서 입자 간에는 우열이 있고

자손 세대로 전달이 될 때는 서로 분리가 되며,

서로 다른 형질의 입자끼리는 독립적으로 작용한다고 생각했죠.

 

맞습니다. 우리가 중학교 때 그토록 외워댔던

우열의 법칙, 분리의 법칙, 독립의 법칙입니다

이 그림 익숙하시죠? 3:1, 9:3:3:1

이런 정수비들은 유전물질이 입자라고 가정했을 때

잘 들어맞는 결과값들이었죠.

 

그렇습니다. 멘델은 유전물질에 대한 추상적인 관념을

입자라는 아주 구체적인 개념으로 탈바꿈시켰던 겁니다.

하지만 멘델은 이 입자들이 뭔지 잘 알지 못했습니다.

 

그렇게 시간은 흘러

현미경의 발전과 함께 생명을 다루는 관찰 범위가 확대되면서

1866년, 진화생물학자였던 아우구스트 바이스만은

정자와 난자 같은 생식세포의 수정을 통해서만

부모 세대의 형질들이 자식 세대로 유전된다는 것을 발견합니다.

 

또, 바이스만은 세포 안에는 생식질이라는 물질이 들어있고

암수 생식세포가 만나 1개의 수정란이 될 때 생식질도 서로 합쳐져

유전이 일어난다고 생각했습니다.

 

그리고 바이스만은 생식질을 이루는 구성 단위를

“유전소”라고 불렀습니다.

여기서 중요한 점은 바이스만은 유전을 일으키는 입자가

세포 안에 이다고 생각했다는 사실입니다.

 

이어 1902년 서튼은 세포가 분열할 때 핵 속의 염색체가

정확히 반으로 나뉘는 현상을 관찰하고는

유전물질이 세포 핵 내의 염색체에 있다는

염색체설을 주장합니다.

 

뒤이어 등장한 초파리의 남자, 토머스 모건은

1910년 초파리 수컷의 흰 눈 돌연변이 실험을 통해

유전물질이 세포 핵 속에 있는 염색체에 있다는 사실을 거의 증명합니다.

 

“야야! 내가 봤어!

초파리의 눈을 하얗게 만드는 유전입자는

성염색체 ..에 있는 게 확실하다니까!”

이렇게 유전물질을 바라보는 인식은

적당히 섞이는 물감 같은 것에서 특정한 입자로 변했고,

이후 이 특정한 입자는 세포 안에 들어 있을 것이라는 추측으로 이어졌으며

다시 그 입자는 세포핵 속 염색체 속에 존재할 것이라는 가설이 등장하며

유전물질에 대한 개념은 더욱 구체화되어 갔습니다.

 

상황이 이렇게 흘러가자

생물학자들의 머릿속에선 새로운 생각들이 꿈틀거리기 시작했습니다.

“유전 물질이 세포 속에 들어 있다면

도대체 그 물질은 무엇일까?”란 질문이었죠.

 

생물학자들은 총 4가지 물질을 후보에 올립니다.

첫 번째는 지질, 두 번째는 단백질, 세 번째는 탄수화물, 마지막은 핵산(DNA, RNA)이었습니다.

 

이들은 모두 탄소가 주성분이며

체내에서 다양한 기능을 수행했습니다.

지질은 세포막을 이루는 주성분이자 놀라운 에너지원이었고

스테로이드라는 호르몬의 주성분이기도 했습니다.

 

단백질과 탄수화물은 우리 몸의 주요 에너지원으로써

그 가치가 높았습니다.

사실 많은 과학자들은 지질이나 탄수화물보다는 단백질에 주목했습니다.

 

몸에서 차지하는 양도 양이거니와

단백질은 생명활동의 거의 모든 부분을 담당했기 때문입니다.

체내의 화학 반응 속도를 조절하고 신호를 전달하는가 하면

수송, 방어, 저장에 이르기까지

단백질은 우리 몸에서 안 쓰이는 곳이 없었죠.

마치, 물질계의 엄친아 수준이었던 셈입니다.

 

반면 핵산(DNA, RNA 등) 즉, DNA는 과학자들 사이에서는 거의 듣.보 수준이었고

유전물질이라고 하기엔 초라했습니다.

인산기라는 화학 그룹, 데옥시리보스라고 불리는 탄소 다섯 개의 당

질소를 포함한 염기 네 종류

아데닌, 티민, 사이토신, 구아닌 이게 다였거든요.

 

단백질처럼 세포 내에서 특별한 역할을 하는 것 같지도 않았습니다.

무엇보다 19세기 말엽 영국의 의학자였던 개로드 박사의 연구는

유전물질이 “단백질” 일 것이라는 데 힘을 실어 줬습니다.

 

개로드 박사는 시커먼 오줌을 싸는 알캅톤뇨증에 걸린 사람을 연구하던 중

이 병이 특정 효소의 결핍과 관련돼 있다는 사실을 발견합니다.

 

그리고 이 질병이 유전되는 것으로 보아

효소가 유전물질과 매우 긴밀하게 연관돼 있다고 생각했죠.

효소가 유전된다니..

 

효소는 우리 몸에서 다양한 화학 반응을 담당하는 단백질이기 때문에

이 연구를 접한 당시 많은 생물학자들은

단백질이 유전물질이라고 생각했던 겁니다.

 

유전물질이 단백질 쪽으로 기울어지고 있던 중

20세기에 이르러서 요상한 실험 하나가 학계를 떠들썩하게 만듭니다.

 

바로, 1928년 프레더릭 그리피스의 폐렴쌍구균 실험이었죠.

어떤 요상한 실험인지 함께 살펴볼까요?

폐렴쌍구균은 현미경으로 보면

표면이 거친 R형과 표면이 매끄러운 S형이 있는데

R형을 쥐에 주입하면 쥐는 멀쩡합니다.

 

반면 S형을 쥐에 주입하면 쥐는 폐렴으로 죽죠.

쥐의 면역 세포가 표면이 매끄러운 S형 균을 알아채지 못해서

방어에 실패하기 때문입니다.

 

여기에 그리피스는 재미있는 실험을 추가합니다.

독성이 있는 S형 균을 가열하여 죽인 다음에

이것을 독성이 없는 R형 균과 섞고

이 혼합물을 쥐에서 주입한 거죠.

 

그랬더니..

쥐가 죽었습니다!

 

여러분, 이상하지 않나요?

열을 가해서 죽인 S형, 그리고 독성이 없는 R형

이 둘을 섞어 봤자 무해한 데, 쥐가 죽은 겁니다!

 

그리피스는 너무 신기해서 죽은 쥐에서 균을 추출해서 확인합니다.

그랬더니!

추출된 균은 “살아있는 S형” 이었습니다.

완벽한 유전적 전환, 즉 형질이 전환된 거였죠.

 

도대체 어떻게 된 걸까요?

그리피스의 결론은 이랬습니다.

죽은 S형 균에서 어떤 물질이 R형으로 건너갔고

이 물질이 R형을 S형으로 바꾼 거야! 라고 말이죠.

이어 그는 이 물질이 바로 유전물질이라고 생각했습니다.

 

그리고 다른 한 편에서는 이 물질의 정체를

무척이나 궁금해했던 한 사람이 있었습니다.

바로 미국의 세균학자 오즈월드 에리버리였죠.

그는 그리피스의 실험을 조금 변형해 진행합니다.

유전자 후보로 거론되던 물질들

탄수화물, 지질, 단백질, 핵산(DNA) 분자 등을

하나씩 제거하면서 그리피스의 실험을 반복했던 겁니다.

용의자를 하나씩 열외시키는 방식이었습니다.

 

대부분의 물질들의 경우

그리피스의 실험처럼 S형으로 제대로 형질전환이 됐습니다.

그러나 딱 한 가지 물질을 제거했을 때는 형질전환에 실패했습니다.

그것은 바로 핵산, 즉 DNA였죠.

에이버리는 이 실험을 통해 DNA가 유전물질이라고 직감합니다.

 

그런데 말입니다.

당시 학계에서는 에이버리의 주장을 무시했습니다.

20세기 초까지만 해도 단백질이 유전물질이라는 주장이

너무 강력했기 때문이었죠.

 

하지만 당시 과학자들이 발견한 몇 가지 현상들을 보면

굳이 DNA가 유전물질이 아닐 이유도 없었습니다.

 

한 개체를 이루는 체세포의 종류는 너무나 다양한데

유독 DNA 양만을 똑같았고

감수분열을 한 생식세포의 DNA 양은

체세포 DNA 양의 절반이었죠.

 

그래서 당시 많은 과학자들은 유전물질이 DNA냐 단백질이냐 사이에서 갈팡질팡합니다.

그러던 중, 1952년!

DNA가 유전물질이라고 못박는 빼박캔트 실험이 등장합니다.

 

앨프리드 허쉬와 그의 조교였던 마사 체이스가

박테리오파지란 바이러스를 이용해 DNA가 유전물질임을 증명한 거였죠.

 

바이러스가 세균을 감염시킬 때

세균 체내로 투입시키는 물질이 단백질이 아닌

DNA란 사실을 발견한 겁니다.

 

이렇게 치열한 논쟁과 연구 끝에

DNA는 유전물질이란 지위를 얻게 됐습니다.

상황이 여기까지 치닫자

과학계는 방향을 바꿔 DNA를 파고들기 시작했습니다.

 

그러나!

파도파도, DNA는 정말이지 너무나도 별 게 없었습니다.

인과 당이 붙어 있는 염기 4개의 무작위적 배열만 이어져 있을 뿐이었죠.

 

여러분이 생각해도 좀 이상하지

이렇게 단순한 DNA가 이렇게 새명의 정보를 담아서

세대를 거듭해 이어지는 유전물질이 될 수 있는 걸까요?

 

하지만 우리는 교과서나 각종 기사에서

유전물질인 DNA의 중요성을 아주 귀에 못이 박히도록 들어왔습니다.

 

그렇다면 이토록 보잘것없는 DNA는

어떻게 생명의 정보를 담고 전달하고 있는 걸까요?

그 내용이 궁금하다면

유전학 여행기 2탄을 기대해 주세요~!