머릿속에 쏙쏙! 세포.유전자 노트

머릿속에 쏙쏙! 세포.유전자 노트

다케무라 마사하루 지음

시그마북스 / 2024년 7월 / 194쪽 / 17,000원





제1장 세포란 무엇일까?



인간은 수많은 세포로 이루어져 있다?

우리 인간의 키가 대체로 1~2m 사이라는 것은 누구나 아는 사실입니다. 이 정도 크기라면 우리는 그것을 눈, 즉 맨눈으로 볼 수 있습니다. 아무리 작아도 밀리미터 단위라면 역시 볼 수 있죠. 그러나 그 이상 작아지면 맨눈으로는 볼 수 없어서 현미경의 힘을 빌려야 합니다.

지구상의 모든 생물은 세포로 이루어져 있다: 우리 인간은 현미경의 힘을 빌리지 않으면 볼 수 없는, 바로 그 ‘세포’라는 아주 작은 ‘블록’으로 이루어져 있습니다. 물론 인간뿐 아니라 지구상의 모든 생물이 그렇습니다. 하지만 모든 생물이 이 ‘블록’이 많이 모여 만들어진 것은 아니며, 단 하나의 블록 자체가 하나의 생명체로서 독립해 살아가는 예도 있습니다. 이처럼 블록, 즉 ‘세포’가 많이 모여 이루어진 생물을 다세포 생물이라고 하며, 세포 하나가 독립적으로 살아가는 생물을 단세포 생물이라고 합니다. 쉽게 말해, 맨눈으로 볼 수 있는 생물은 대부분 다세포 생물이며, 단세포 생물은 대부분 맨눈으로는 볼 수 없습니다.

대장균이나 결핵균 같은 박테리아도 세포로 이루어져 있습니다. 연못이나 늪, 하천에 서식하는 작은 플랑크톤, 이를테면 아메바나 짚신벌레, 연두벌레 등 현미경으로 들여다봐야 볼 수 있는 생물 역시 세포로 이루어져 있죠. 달리 말하면 이처럼 작은 생물들은 ‘세포=생물’이라 할 수 있습니다. 물론 맨눈으로 볼 수 없을 만큼 작은 다세포 생물도 있고, 2022년에는 2cm에 달하는 큰 단세포 생물도 발견된 만큼 맨눈으로 볼 수 있느냐 없느냐 하는 점에는 양쪽 모두 예외가 있습니다. 어쨌든 우리 인간도 수많은 세포가 모여서 만들어진 생물, 즉 다세포 생물입니다. 세포의 크기는 생물에 따라 다양한데, 우리 인간의 세포는 일반적으로 수십 마이크로미터(1m의 100만분의 1) 정도입니다.

세포가 모이면 어떤 이점이 있을까?: 그렇다면 많은 세포, 이를테면 단세포 생물로 살아가는 생물들이 많이 모이면 다세포 생물이 될 수 있을까요? 물론 생물의 진화 과정에서 그런 일이 발생했을 수도 있지만, 지금의 다세포생물은 단순히 세포가 많이 모여서 생겨난 것이 아닙니다.

세포가 많이 모인 생물이 진화한 이유는 역시 ‘세포가 많이 모이면 이점이 있기 때문입니다. 그 이점 중 하나는 세포가 모여 ‘덩치가 커질 수 있었다’는 점인데, 단순히 덩치만 커진 것이 아닙니다. 세포가 많이 모이면 세포들이 각자 역할 분담을 하는데, 더 나아가 그 세포들이 그 역할에 특화돼 이른바 ‘많은 전문성을 갖춘 전문가 집단’이 되면서 단세포생물이었을 때보다 더 복잡한 고도의 기능을 수행할 수 있다는 점입니다. 이것이 바로 다세포 동물의 가장 큰 이점입니다.

인간과 세포=국가와 시민의 관계!?

모든 생물은 세포로 이루어져 있습니다. 물론 우리 인간도 무려 37조 개나 되는 세포로 이루어져 있죠. 그렇다면 우리 인간에게 세포란 어떤 존재일까요?

우리 몸이 복잡한 이유: 단순히 37조 개의 세포가 모여서 만들어졌다고 하기에는 우리 인간의 몸은 너무 복잡해 보입니다. 37조 개의 세포가 모두 똑같다면 지금 우리처럼 눈과 입, 손과 발, 뇌와 간이 있을 리 없고 땅딸막한 세포 덩어리만 덩그러니 존재했을 테니까요. 다시 말해 우리는 37조 개의 세포로 이루어져 있지만 그 양상은 매우 복잡하며, 실제로는 종류가 다른 수많은 세포가 일정한 질서로 짜여 있음을 의미합니다. 단순히 세포 덩어리가 아닌 겁니다.

인간에게, 아니 대부분의 다세포 생물에게 세포는 단순한 ‘블록’이 아닙니다. 그 자체로 하나의 생물이며, 다양한 종류의 세포가 있다는 것은 저마다 다른 역할을 부여받았다는 의미이기도 합니다. 우리 인간을 예로 들면 신경세포는 뇌와 신경계를 만들어 감정과 사고, 감각을 관장하고, 근육세포는 근육을 만들어 우리의 ‘움직임’을 관장하며, 소장 상피세포는 영양분의 소화 흡수를 담당합니다. 피부 세포는 몸을 물리적으로 보호하고 유지하며, 면역세포는 외부의 적을 물리쳐 우리 몸을 보호합니다. 이처럼 다양한 세포들이 다양한 역할을 분담함으로써 우리의 몸을 만들고 살아있게 하죠. 요컨대 세포는 우리 인간에게는 생명 유지에 필수적인 ‘기본 단위’인 동시에 복잡한 몸을 만들기 위한 ‘구성요소’인 셈입니다. 참고로 우리의 손톱이나 머리카락에도 세포는 존재하지만, 전부 죽어서 각질화된 세포입니다. 반면 치아의 법랑질에는 세포가 없습니다.

세포는 건강해야 한다!: 루돌프 피르호라는 사람이 있습니다. 19세기 독일의 병리학자이자 철혈재상이라 불린 정치가 비스마르크의 정적으로도 알려진 정치가이죠. 피르호는 인간의 몸을 국가에 비유하고, 세포를 시민에 비유하며 세포의 중요성을 설명했습니다. 국가가 건강해지려면 시민이 건강해야 하는 것처럼(그래서 피르호는 베를린 상하수도 정비에 힘을 쏟음) 인간의 몸 역시 세포가 건강해야 하며, 세포가 변성돼 비정상이 되면 질병이 생긴다고 설파했습니다.

인간에게 있어 세포가 어떤 존재인가를 알려준 피르호의 이런 생각은 열매를 맺는 듯합니다. 지금도 우리 인간이 겪는 수많은 질병은 세포 없이는 이야기할 수 없습니다. 암은 바로 세포의 질병이라고도 할 수 있고, 감염병은 바이러스 등에 의한 세포 파괴의 결과이며, 뇌경색이나 심근경색도 결국 막힌 혈관이나 면역세포 같은 세포의 작용으로 설명할 수 있습니다.

물론 세포에도 수명이 있으므로 언젠가는 죽습니다. 대신 우리 조직에는 ‘줄기세포’라는 세포가 있어, 이들이 활발하게 세포분열을 반복하므로 세포가 죽어도 계속해서 보충됩니다. 상처가 나을 때도 손상된 조직을 원상복구 하기 위해 주변 세포가 분열하면서 회복이 이뤄지죠.

우리 면역 시스템에도 세포가 크게 관여합니다. T 세포, B 세포와 같은 림프구, 매크로파지 같은 식세포가 항상 우리를 외적으로부터 보호해 줍니다. 알레르기 반응이 일어나는 것도 특정 면역세포가 꽃가루 등에 과민하게 반응하기 때문입니다. 그만큼 세포는 우리 인간에게 중요한 존재입니다.



제2장 유전자란 무엇일까?



유전자는 단백질을 만드는 설계도?

이제 세포보다도 훨씬 더 분자의 세계, 바로 DNA의 세계이자, 유전자의 세계를 살펴보겠습니다.

유전자는 설계도: 저는 학생들에게 강의할 때 늘 ‘생물학 용어의 세 가지 보물’로 DNA와 진화, 그리고 유전자를 설명합니다. 우선 ‘유전자’에 대해 살펴봅시다. 유전자란 대체 무엇일까요? 유전이란 부모에게서 자식으로, 자식에게서 손주로 그 생물의 특징이나 성질(생물학적으로는 형질이라고 합니다)이 전달되는 것을 말합니다. 한편 ‘유전자’의 ‘자’는 ‘인자(子)’라는 의미이므로, 유전자란 ‘유전하는 인자’, 즉 ‘유전하는 형질의 원인이 되는 인자’라는 의미입니다. 그렇다면 도대체 ‘인자’란 무엇일까요?

고등학교 생물 교과서에는 ‘유전자의 본체 물질은 DNA’라는 말이 나옵니다. 이 말에서도 알 수 있듯이, 생물에게 있어서 그 생물의 형질을 결정하는 유전자는 DNA를 의미합니다. 다만 모든 DNA가 유전자로 작용하는 것은 아니며, DNA 일부가 생물의 형질을 결정하는 역할을 하는 것, 그것이 유전자라고 볼 수 있습니다. 그리고 생물의 형질은 대부분 생물이 만드는 단백질에 의해 결정됩니다.

형질이란, 우리 인간을 예로 들면, 머리카락 색이 검다거나 눈동자가 파랗다, 입이 크다, 성질이 온순하다 같은 것을 말합니다. 결국 DNA와 유전자는 거의 같은 의미로 통용되는 셈입니다. 우리 인간은 수만에서 십수만 가지라고 알려진 단백질을 만들어 내며, 그 단백질로 몸을 움직이고, 몸의 형태를 결정하며, 성격도 거의 결정됩니다. 이 단백질을 만드는 설계도가 바로 유전자입니다.

DNA가 하는 일은 순서 정하기?

단백질을 만드는 ‘설계도’가 바로 유전자라고 했는데, 그렇다면 ‘설계도’란 무엇일까요? 여기서 설계도는 어떤 것의 ‘배열 방식’을 정하는 것입니다.

단백질 설계도란?: 앞서 “DNA의 극히 일부가 생물의 형질을 결정하는 역할을 하며, 그것이 유전자다”라고 말했듯이 유전자의 본체는 DNA입니다. 다시 말해 화학물질로서 DNA 자체가 유전자의 역할을 하고 있다는 의미입니다. 그렇다면 유전자의 역할을 한다는 것은 곧 단백질을 만드는 설계도의 역할을 한다는 의미인데, 단백질 설계도란 대체 무엇일까요?

단백질은 아미노산으로 이루어져 있다: 우리 인간에게는 수만에서 십수만 가지로 추정되는 단백질이 존재합니다. 그 정확한 가짓수는 아직 밝혀지지 않았죠. 이러한 단백질의 종류는 어떻게 결정되는 걸까요? 우리 몸이 수많은 세포로 이루어져 있듯이 단백질 역시 수많은 ‘블록’으로 이루어져 있습니다. 그 단백질 블록을 아미노산이라고 합니다. 단백질 블록이 될 수 있는 아미노산은 스무 가지인데, 이 스무 가지 아미노산이 다양한 순서로 연결됨으로써 수만에서 십수만 가지의 단백질을 만들어 냅니다.

아미노산이란 아미노기를 가진 산(酸)이라는 의미로, 아미노기는 염기성이지만 여기에 카복실기도 함께 갖춘, 말하자면 염기성, 산성의 성질을 모두 가진 물질입니다. 탄소 원자를 중심으로 아미노산, 카복실기, 수소 그리고 스무 가지 ‘곁사슬’이라는 원자 덩어리가 붙어있는 형태죠. 아미노산의 종류는 바로 이 곁사슬의 종류에 따라 결정됩니다.

설계도=아미노산이 연결되는 순서와 개수: 결국 단백질은 스무 가지의 아미노산이 정해진 순서로 정해진 수만큼 중합(사슬처럼 연결되는 것)해서 만들어집니다. 따라서 단백질의 설계도란 어떤 아미노산이 어떤 순서로 얼마나 연결되는지가 기록된 것이죠. 유전자 역할을 하는 DNA에는 어떤 아미노산이 어떤 순서로 얼마나 연결되는가에 대한 정보가 기록되어 있습니다. 이 정보, 즉 아미노산의 ‘배열 방식’을 단백질의 ‘아미노산 서열’이라고 합니다.

정리하면 우리 인간에게는 수만에서 십수만 가지나 되는 단백질이 있으며, ‘단백질의 종류’는 스무 가지 아미노산의 아미노산 서열로 결정됩니다. 아미노산 서열이 어떠한지에 따라 단백질이 결정되므로, 그 아미노산 서열 정보가 DNA에 기록됐다는 사실은 매우 중요합니다.

DNA에 어떻게 정보를 기록할까?

이처럼 단백질의 아미노산 서열 정보가 기록된 유전자의 본체 DNA는 대체 어떤 물질이며, 어떻게 그 정보가 ‘기록’되는 걸까요? 먼저 DNA라는 이름부터 풀어가 봅시다.

이중나선은 특별한 형태: DNA의 정식 명칭은 ‘데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid)’입니다. 영어 스펠링을 줄여서 ‘DNA’라고 하죠. 핵산, 즉 진핵생물의 핵 속에 있는 산성 물질이라는 뜻에서 붙여진 이름입니다. 말하자면 DNA도 평범한 화학물질의 하나에 불과하다는 의미입니다. 그런데 그 구조(형태)는 평범한 화학물질과는 크게 다릅니다.

단백질이 아미노산으로 이루어진 것처럼 DNA도 특정 물질을 ‘블록’ 삼아, 그 블록들이 중합해 완성됩니다. 이 블록을 뉴클레오타이드(데옥시리보 뉴클레오타이드)라고 합니다. 이 뉴클레오타이드가 사슬처럼 중합해 가늘고 긴 형태가 된 것을 외가닥 DNA라고 합니다. 그런데 사실 DNA는 외가닥이 아니라 두 가닥입니다. 더구나 그냥 두 가닥이 아니죠. 두 개의 외가닥 DNA가 서로 얽혀서 ‘이중나선’이라는 매우 아름다운 형태를 이루고 있습니다.

염기는 매우 중요하다: 자, 이제 DNA의 핵심을 살펴봅시다. 바로 ‘유전자’로서의 역할에 대해서입니다. 단백질의 아미노산 서열 정보는 대체 어떻게 ‘기록’되는 걸까요? 이를 알기 위한 열쇠는 DNA의 블록인 ‘뉴클레오타이드’의 구조입니다. 뉴클레오타이드는 사실 세 부분으로 나뉩니다. 핵산 염기(이하 ‘염기’로 표기), 당의 일종인 데옥시리보스, 그리고 인산입니다.

이 중 DNA의 유전자 역할에서 중요한 것이 염기입니다. 염기는 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민, 이렇게 네 가지입니다. 데옥시리보스와 인산은 뉴클레오타이드가 사슬 모양으로 연결될 때 그 뼈대가 되는 것인데, 이때 뉴클레오타이드 연결에 직접적으로 관여하지 않는 염기는 옆으로 튀어나온 모양이 됩니다. 즉, 다른 관점에서 보면 DNA는 가로로 긴 뉴클레오타이드가 연결된 것으로부터 네 종류의 염기가 튀어나와 가로 일렬로 쭉 늘어선 상태로 보입니다. 이 염기 배열을 염기서열이라고 합니다. 사실 이 DNA의 염기서열이야말로 유전자의 역할을 하는 주인공이라 할 수 있습니다.



제3장 생명공학이란?



생명을 조작할 수 있을까?

바이오라는 단어는 ‘생물학(biology)’의 바이오인 동시에 ‘바이오테크놀로지(biotechnology)’의 바이오이기도 합니다. 대다수 사람이 떠올리는 이미지는 아마도 후자일 듯합니다.

DNA와 세포가 열쇠: 바이오테크놀로지는 ‘생명공학’ 혹은 ‘생명기술’ 등으로 번역할 수 있습니다. 다시 말해, 생물을 인공적으로 조작해 새로운 생물(괴물이 아니라 품종을 개량한 것)을 만들거나, 생물의 메커니즘을 인공적으로 이용해 인류에게 유용한 기술을 개발하는 것을 그렇게 말합니다. 그런데 생물을 조작한다는 것은 생명을 조작하는 것을 의미합니다. 물론 가능한 일이지만, 그렇다면 도대체 바이오는 무엇이 어디까지 가능한 걸까요?

생명공학의 기본이 되는 물질, 즉 생명공학에서 다루는 물질은 주로 ‘DNA’와 ‘세포’입니다. 최근에는 여기에 ‘RNA’가 끼어들었죠. DNA를 다루는 일은 대개 그 DNA를 유전자의 본체로 삼는 ‘단백질’을 다루는 일이기도 합니다. 세포, DNA, RNA, 그리고 단백질은 모두 우리 생물에게 중요한 물질과 구조이자 그 활동의 근원이 되는 것들입니다. 이러한 생명·생물의 근원적인 것을 인위적으로 다루는 것이 바로 생명공학입니다.

생명 조작=단백질 조작: 생명은 조작할 수 있을까? 대답은 “할 수 있다”입니다. 이 질문에 가장 명확한 답은 역시 DNA, 즉 유전자를 조작하는 것입니다. 유전자는 단백질의 설계도이며, 그 단백질은 우리 생물의 구조, 기능 전부의 중심이 되는 물질이므로, 생명을 조작한다는 것은 곧 유전자를 조작해 단백질을 원하는 대로 조작한다는 의미입니다.

‘원하는 대로 조작’이라고 했지만 로봇을 조작하는 것과는 다릅니다. 로봇 조작은 조작하는 사람이나 컴퓨터의 생각이 그대로 로봇의 움직임에 전달되지만, 유전자나 단백질은 ‘인간이 조작하는 것은 처음뿐’이고, 이후에는 조작된 생물이나 세포가 어떻게 움직이고 행동하는지는 조작된 생물이나 세포의 자율성에 의존하는 부분이 큽니다. 물론 처음뿐이라고 해도 그 유전자의 작용을 숙지한 뒤에 조작하는 것이기에, 그 결과로 나타나는 생물의 움직임이나 특징은 인간이 원하는 대로 되는 경우가 많습니다.

생명공학은 어떤 기술일까?

인간이 원하는 대로 생명을 조작하는 ‘생명공학’이라는 이 기술은 실제로 어떤 기술이며, 어떤 상황에서 사용되고 있을까요? 여기서 주목해야 할 것은 역시 생물 유전정보의 본체, 즉 DNA입니다. 생명공학의 핵심은 DNA를 어떻게 인공적으로 다루는가에 달려있기 때문입니다.