매년 노벨상이 발표되면 유난히 주목 받는 분야가 있기 마련이다. 지난 2015년의 힉스입자와 올해의 중력파가 바로 그것이다. 이 두 분야는 이미 노벨물리학상의 후보군에 올라 있었다. 언제 받느냐가 문제였는데 증거가 발견되자마자 수상이 이뤄졌다.
국내 전문가들도 노벨상 발표에 맞춰서 수상자에 대해 해설할 준비를 하고는 한다. 하지만 예외는 있는 법. 지난해 노벨물리학상으로 ‘물질 위상 전위’에 관한 연구가 결정되자 물리학자들은 패닉에 빠졌다. 연구 내용을 일반인들에게 이해시킬 방법이 없었기 때문이다. 유명한 물리학자들은 한동안 전화를 끄고 지내야 했고 당연히 국내외 언론은 얼버무리는 보도를 했을 뿐이다.
올해 물리학상을 받은 중력파와 생리의학상을 받은 생체시계는 언론에 상당히 많이 소개됐지만 화학상을 받은 극저온전자현미경(cryo-EM) 기술은 알려질 기회가 상대적으로 적었다. 생체시계나 중력파가 생명 현상과 우주의 기원을 설명하는 것이라면 극저온전자현미경은 우리 삶을 바꿀 수 있는 기술이라는 점을 감안하면 의외다. 생체 분자와 약물 분자가 정확히 어디에서 어떤 방식으로 결합하는지를 우리 눈으로 볼 수 있으면 그만큼 더 효과가 높은 약을 빨리 개발할 수 있다. 최근 생화학이나 약리학 교과서를 보면 분자의 모습을 구슬과 얇은 판으로 표현한 3차원 그림을 많이 볼 수 있는데 이것을 가능하게 한 것이 바로 극저온현미경이다.
전자현미경은 이제 일반적인 기술인데 극저온전자현미경이 노벨상을 탈 정도일까. 그렇다. 전자선이 생물 시료에 손상을 입히기 때문에 전자현미경으로는 생물 시료를 직접 볼 수 없었다. 그런데 영국 케임브리지의 리처드 헨더슨(72)은 수분이 들어 있는 세포와 물에 녹아 있는 생체 고분자를 극저온 상태로 유지한 채 전자현미경으로 자연적인 상태 그대로 관찰하는 기술을 개발해냈다. 그 결과로 단백질의 3차원 이미지를 얻을 수 있게 된 것이다. 이때가 1990년이다.
여기에는 독일 출신의 미국 과학자 요아힘 프랑크(77)의 이미지 처리 기술이 결정적인 역할을 했다. 그는 1975년부터 흐릿한 2차원 이미지를 분석해서 정밀한 3차원 구조를 나타내는 이미지 처리 기술을 개발했다. 어떤 분자를 찍은 수없이 많은 사진 가운데 비슷한 것을 골라서 그것을 겹쳐 선명한 이미지를 만들어내는 것이다. 쉽게 설명하자면 분자 사진에 적용할 ‘포토숍’ 기술을 만들었다고 보면 된다.
아무리 사진을 처리할 기술이 있다고 하더라도 사진이 없으면 소용이 없다. 생물 시료를 전자현미경으로 찍을 수 있는 아이디어를 구현한 사람은 스위스의 생물학자 자크 뒤보셰(75)다. 생물 시료는 물속에 있어야 한다. 말리면 구조가 달라진다. 그렇다고 해서 그냥 얼리면 생물 시료가 파괴된다는 게 문제였다. 뒤보셰 박사는 1980년대 급속 극저온 동결법을 이용해 생물 시료가 진공상태에서 원형을 유지하게 하는 기술을 개발했다.
리처드 헨더슨이 분자의 3차원 구조를 보려는 시도를 시작한 게 1970년대 중반이고 1990년에야 최초의 3차원 이미지를 얻은 데 성공했으며 2013년이 돼서야 원자 단위까지 선명한 3차원 이미지를 얻게 됐다. 40년 이상의 긴 시간이 걸린 일이다. 특히 처음 30년은 조롱과 무시를 받던 험난한 세월이었다. 노벨상은 이렇게 받는 것이다. 어느 날 갑자기 행정가들이 책상에서 몇 개년 계획을 세워서 받는 게 아니란 말이다. 극적인 기술은 무수히 많은 실패를 극복한 다음에야 성공하는 법이다.
극저온전자현미경은 생화학의 물리적 울타리를 넘어뜨렸다. 2010년부터 지난해까지 극저온전자현미경으로 분자 구조와 반응을 밝힌 논문이 미국에서 753편, 중국에서 105편, 일본에서 65편 나오는 동안에 우리나라에서는 단 5편이 나왔을 뿐이다. 우리나라에는 극저온전자현미경이 한국기초과학지원연구원에 딱 한 대 있다. 그래도 현재경 박사라는 젊고 유능한 전문가가 그 장비를 다루고 있다는 것은 다행이다.
이정모 서울시립과학관장
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