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생명이라는 거대한 질문에 도전한다!

생명체의 탄생에서 DNA와 유전자 가위, 신약과 바이러스까지

생명의 비밀을 찾는 흥미로운 생명현상 탐구서!

 

▼ 생명이란 무엇인가?
아직도 그 답을 알 수 없는 근본적인 질문, “생명이란 무엇인가?”에 대해 끊임없이 탐구하는 것이 바로 과학자일 것이다. 찰스 다윈이 생명의 기원을 논할 바에는 차라리 물질의 기원을 논하는 편이 쉬울 거라고 말했듯, 생명의 본질이 진화라는 사실을 꿰뚫어 본 최고의 지성도 그 기원에 대해서는 언급을 거부할 만큼 아직 그 비밀은 밝혀지지 않았다. 
카오스재단이 기획하고 11명의 과학자가 참여하여 대중 강연의 형식으로 풀어낸 《물질에서 생명으로》는 가장 큰 생명의 수수께끼를 가장 작은 생명인 물질의 관점에서 바라본다. 생명의 기원을 아직 정확히 알 수는 없지만, 그 윤곽을 희미하게나마 알아보려는 시도라는 면에서 큰 의미를 갖는다. 
카오스재단은 ‘과학, 지식, 나눔’을 모토로, 대중이 과학을 좀 더 쉽게 이해하고 즐기게 하려 노력하는 단체다. 상반기와 하반기로 나누어 과학 주제를 선정하고 10회에 걸쳐 강연하는데, 2015년 상반기에 ‘기원’이라는 주제로 시작됐다. 두 번째는 ‘빛’, 세 번째는 ‘뇌’, 네 번째는 ‘지구’를 주제로 강연을 진행했고, 다섯 번째로 ‘물질에서 생명으로’라는 주제로 마침내 생명의 본질에 대한 질문에 도전한 것이다.
《물질에서 생명으로》는 생명의 정의에서 시작하여 유전, 생명의 기본 물질, 에너지, DNA와 유전자가위, 신약과 바이러스에 이르기까지, 생명의 시작에 대한 근본적인 질문으로 시작하여 그 응용과 실전에 대한 흥미로운 설명과 사례를 통해 대중이 좀 더 재밌게 과학을 접하고 이해할 수 있게끔 소개한다. 과학은 불변의 진리가 아닌 자연에 대한 ‘가장 훌륭한 설명’이므로 더 나은 설명이 등장하면 기꺼이 그 자리를 내어주겠지만, 열린 학문에 대한 질문과 토론은 곧 즐거움이 되고 우리 삶을 더 나은 것으로 만들어줄 것이다. 

 

▼ 생명 전문가가 들려주는 생명에 대한 강의

《물질에서 생명으로》에서는 생명과학의 전문가들이 생명의 기원과 생명의 기본 물질을 살펴봄으로써 생명이란 과연 무엇인지 고민한다. 그리고 나날이 발전하는 과학기술을 바탕으로 지금껏 난치라고 알려진 병을 치료하는 방법이 발전하고 있으며, 무병장수의 비밀에 다가가고 있음을 알려준다. 생명의 기본 물질인 단백질과 DNA, RNA 등의 연구 결과를 바탕으로 질병 치료뿐 아니라 더 나은 삶의 가능성이 발전하고 있는 모습은 놀랍기까지 하다.

1강 ‘생명체의 탄생’에서는 서울대 노정혜 교수가 ‘물질에서 생명으로’ 강연의 기반이 되는 생명의 정의를 제시하고, 최초의 생명체 루카와 생명체의 진화 과정에 대한 가설을 설명한다. 홍성욱 교수와 신민섭 교수가 패널로 참여하여 생명이란 무엇인지에 대해 다시 한 번 고민하고 인공지능이 생명체가 될 수 있는지에 대해서도 논의해본다. 

2강 ‘DNA: 생명체 번식과 다양성의 열쇠’에서는 너무나 잘 알려진 DNA의 발견 과정과 복제 메커니즘을 설명한다. 유전자 서열이 아미노산 서열을, 아미노산 서열이 단백질의 모양을 결정하고 이를 통해 생명체의 모양과 기능이 결정되며, 그 과정에서 굉장히 다양한 생명체가 만들어진다. 그리고 이런 사실을 바탕으로 한 생명공학과 유전공학의 발전상을 살펴본다.

3강 ‘리보핵산: 최초의 생명 물질로부터 메신저까지’에서는 RNA 연구자로서 잘 알려진 김빛내리 교수가 리보핵산, 즉 RNA가 얼마나 중요한 생명 물질인지에 대해 설명한다. DNA가 기능하려면 반드시 RNA가 필요하며, DNA의 염기쌍의 정보는 RNA를 통해 발현되기 때문이다. RNA가 지닌 다양한 기능과 특성으로 미루어 보면 최초의 유전물질이 아니겠느냐는 추론이 가능하다는 놀라운 사실을 살펴보고, 다양한 활용법도 알아본다.

4강 ‘단백질: 3차원의 마술사’에서는 DNA가 만들어내는 최초의 산물인 단백질이 왜 중요한지 설명한다. 단백질은 3차 구조는 매우 중요해서 이 구조를 안다면 건강과 질병에 크게 도움이 될 수 있는데, 생명의 실체는 단백질이고 단백질의 변성은 병이 되기 때문이다. 유전자가 동일해도 단백질은 매일같이 달라지므로, 단백질이 달라지면 인생이 바뀐다는 사실은 놀라운 발견이다.

5강 ‘탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀’에서는 생명 현상을 유지하는 데 아주 중요한 탄수화물에 대해 살펴본다. 물과 이산화탄소가 태양에너지에 의해 화학결합은 포도당을 생성하고, 포도당이 여러 형태로 결합하여 다양한 당류를 만드는데, 당류는 생명의 에너지원일 뿐만 아니라 연료로도 쓰일 만큼 쓰임새가 다양하다. 특히 치매 치료와 관련하여 당이 놀라운 역할을 하며 치료제 개발이 가까워졌다는 반가운 소식을 들려준다.

6강 ‘세포막: 경계와 소통’은 다세포 생물이 항상성을 유지하게 하는 세포막이 어떤 물질로 이루어져 있고 어떤 성질을 지니는지 설명한다. 세포막은 서로 소통하여 생명을 유지하게 하는데 소통이 잘 이뤄지지 않거나 잘못 이뤄질 때 암이 생기므로, 세포막의 성질을 이용하여 암을 치료하는 첨단 의학이 어떻게 발전하고 있는지 살펴본다. 

7강 ‘우리 몸을 움직이는 에너지’에서는 세포가 움직이고 분열하며 신호를 전달하고 유전자를 발현하게 하는 모든 생명 현상에 필요한 에너지에 대해 살펴본다. 생명체 에너지의 근원은 태양에너지로, 광합성을 통해 생성된 포도당이 생태계를 순환하며 모든 생물들이 이용하게 된다. 왜 ATP의 형태로만 에너지를 이용할 수 있는지, 어떻게 ATP가 생성되고 이를 이용하는지 이해함으로써 생명 현상이 어떻게 이뤄지는지 다시 한 번 들여다본다.

8강 ‘우리 몸에 들어오는 외부 물질: 약인가, 독인가?’에서는 몸에 원래 있는 내부 물질이 아니라 외부에서 들어오는 생체 이물질에는 어떤 것이 있는지 살펴본다. 그중에서도 신약은 어떻게 만들어지는지, 약물 대사는 어떤 처리 과정을 거치며 그 부작용에는 어떤 것이 있는지 알아보고, 사회적 문제가 되고 있는 마약뿐만 아니라 처방 약물의 중독에 대해서도 설명한다.

9강 ‘게놈으로 읽는 생명’에서는 게놈의 해독이 인간을 아는 것이며 게놈 지도가 완벽해지면 질병과 노화, 유전자 편집까지 가능해진다고 설명한다. 미래에는 고고학, 바이러스, 농업, 범죄 수사 등에도 게놈 해독이 결정적인 역할을 하게 될 것이며, 생명의 이해에도 게놈이 큰 역할을 한다는 것을 살펴본다. ‘유전자가위로 유전자 수술하기’에서는 DNA를 자르고 붙여서 수술하는 유전자가위로 난치병을 치료하는 것은 물론 농업, 축업에도 활용될 수 있다는 것을 보여준다. 유전자가위는 생명체를 재창조할 수 있는 힘이 되지만 잘못 사용하면 부작용이 생기는 강력한 도구이므로, 이와 관련된 정책을 결정하는 국회와 정부에 힘을 발휘하는 유권자로서 과학기술의 발전상에 관심을 기울여야 한다고 촉구한다.

10강 ‘이상한 나라의 바이러스’에서는 생명체와는 다른 특성을 지녔으나 명백히 살아 움직이는 바이러스에 대해 살펴본다. 바이러스에 의한 질병에는 어떤 것이 있는지, 어떻게 질병을 일으키는지, 바이러스 백신은 어떤 것인지, 어떻게 작용하는지 알아보고, 집단 면역이 왜 중요한지 설명한다. 바이러스는 사람의 몸에 늘 존재하고 새로이 출현하는 바이러스를 막을 수 없는 만큼, 어떻게 재빠르게 대처하는가가 관건이라는 점을 짚어준다.  
      

▌차례

머리말 

LECTURE 01 생명체의 탄생 _노정혜
생명체란 무엇인가? / 진화의 뿌리를 찾아서 / 최초의 생명체, 루카의 출현 / 원시세포의 출현 / 원핵세포에서 진핵세포로

LECTURE 02 DNA: 생명체 번식과 다양성의 열쇠 _조윤제
DNA는 어떻게 발견되었는가? / 유전자의 복제 메커니즘 / 유전자와 환경 / 무궁무진한 생명의 다양성 / 다양성의 활용 

LECTURE 03 리보핵산: 최초의 생명 물질로부터 메신저까지 _김빛내리
RNA와 DNA / RNA의 여러 기능 / RNA의 활용 

LECTURE 04 단백질: 3차원의 마술사 _김성훈
DNA가 만드는 최초의 산물 / 단백질의 3차 구조란? / 아미노산이란? / 단백질이 바뀌면 운명이 바뀐다 

LECTURE 05 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 _조진원
탄수화물이란? / 글리코믹스란? / 단당과 단백질의 결합 

LECTURE 06 세포막: 경계와 소통 _윤태영
세포막의 성질 / 세포의 소통 / 세포막과 첨단 의학 

LECTURE 07 우리 몸을 움직이는 에너지 _정종경
세포가 사용할 수 있는 에너지, ATP / ATP는 어떻게 만들어지는가? / 부산물들 

LECTURE 08 우리 몸에 들어오는 외부 물질: 약인가, 독인가? _김병문
생체 이물질 / 의약의 정의와 개발 / 약물의 대사와 부작용 / 마약과 약물 중독

LECTURE 09 게놈으로 읽는 생명 _박종화 / 유전자가위로 유전자 수술하기 _김진수
게놈으로 읽는 생명 / 유전자가위로 유전자 수술하기 

LECTURE 10 이상한 나라의 바이러스 _신의철
바이러스는 어떻게 만들어지는가? / 면역 반응과 회피 전략 / 바이러스에 의한 질병 / 바이러스 백신 

 

▌지은이

 

노정혜 
서울대학교를 졸업하고, 분자생물학의 명문인 미국 위스콘신 대학에서 박사학위를 받았다. 서울대학교 미생물학과 조교수, 교수를 거쳐 현재 생명과학부 교수다. 서울대학교 다양성위원회 위원장을 맡고 있으며, 로레알 여성 생명과학상(2002), 올해의 여성과학기술자상(2006), 한국과학상(2011)을 수상했다.

 

조윤제 
서울대학교를 졸업하고, 아이오와 주립대학교 대학원 생화학 석사, 코넬 대학교 대학원 생물학 박사학위를 받았다. 포항공과대학교 구조 생물학, 암생물학 부교수, 교수를 거쳐 현재 생명과학과 교수다. 2013년 홍덕 석좌교수로 추대되었고, 엘리자베스 2세 여왕상(1999), 포스코 청암상(2016)을 수상했다.

 

김빛내리
서울대학교를 졸업하고, 영국 옥스퍼드 대학교에서 박사학위를 받았다. 미국 펜실베이니아 대학교 박사후연구원, 서울대학교 생명과학 인력양성사업단 계약교수를 거쳐, 현재 기초과학연구원 RNA 연구 단장이며 서울대학교 생명과학부 교수다. 2017년 서울대 석좌교수로 임명되었다. 톰슨사이언티픽 사 논문인용상(2007), 대한민국최고과학기술인상(2013) 등을 수상했다.

 

김성훈 
서울대학교를 졸업하고, 카이스트 생물공학 석사, 브라운 대학교 대학원 분자생물학 박사학위를 받았다. 한국과학기술원 유전공학센터 연구원, 성균관대학교 생물학전공 부교수, 서울대학교 제약학과 부교수, 교수를 거쳐, 현재 차세대융합기술연구원 교수다. 대한민국최고과학기술인상(2006), 호암재단 호암상 의학상(2015) 등을 수상했다.

 

조진원 
연세대학교를 졸업하고, 동대학원에서 미생물학 석사, U.C. 데이비스에서 당생물학으로 박사학위를 받았다. 뉴욕주립대학교 스토니브룩 박사후연구원을 거쳐, 현재 연세대학교 시스템생물학과 교수다.과학기술부 연구개발사업 우수성과 50선에 선정(2009), 한국분자세포생물학회의 생명과학상(2011) 등을 수상했다. 2013년 연세대학교 언더우드 특훈교수가 되었다.

 

윤태영 
서울대학교를 졸업하고, 동대학원에서 전기공학 석사, 박사학위를 받았다. 서울대학교, 미국 일리노이 대학교 어버너섐페인켐퍼스, 하워드휴스의학연구소의 박사후연구원, 카이스트 물리학과 부교수를 거쳐 현재는 서울대학교 생명과학부 교수다. FILA 기초과학상(2015)을 수상했고, 2016년 한국을 빛낼 젊은 과학자 30인에 선정되었다.

 

정종경
서울대학교를 졸업하고, 동대학원에서 생물화학 석사, 하버드 대학교 대학원에서 분자세포생리학 박사학위를 받았다. 미국 다나 파버 암연구소 연구원, 하버드 대학교 의과대학 조교수, 한국과학기술원 자연 과학부 생물학과 교수를 거쳐, 현재 서울대학교 생명과학부 교수다. 한국과학기술원 학술대상(2008), 아산의학상 기초의학부문(2013) 등을 수상했다.

 

김병문 
미국 머크 리서치 랩 책임연구원을 거쳐 현재 서울대학교 화학부 교수이다. 미국 국립보건원, 국립 당뇨·소화기·신장질환 연구소 겸임 연구원, 국립 약물중독 연구소 객원연구원으로 활동했다. 대한화학회 유기화학분과회 학술상(2013)을 수상했고, 2016년 대한화학회 유기화학분과 회장을 역임했다.

 

박종화
스코틀랜드 아버딘 대학교 생화학과를 졸업하고 잉글랜드 케임브리지 대학원에서 생정보학 박사학위를 받았다. 하버드 의대 조지 처치 랩 연구원으로 활동했으며, 테라젠이텍스 게놈사업부 사장을 역임했다. 현재는 UNIST 생명과학부 교수이며 (주)제로믹스의 대표이사다. 한국 최초로 유전자 정보 서비스 ‘헬로진’을 출시했다.

 

김진수
서울대학교를 졸업하고 동대학원에서 생화학 석사, 위스콘신 대학교 메디슨 캠퍼스 대학원에서 단백질생화학 박사학위를 받았다. 하워드휴스의학연구소 임상연구원, 삼성생명과학연구소 분자의학센터 연구 책임자를 거쳐, 현재 서울대학교 화학부 교수이자 IBS 연구단장이다. 툴젠 대표이사를 역임했으며, 동사의 최고과학기술이사다.

 

신의철
연세대학교를 졸업하고 동대학원에서 미생물학 석사, 박사학위를 받았다. 미국 국립보건원 연구원, 미국 국립당뇨병소화기 신질환연구소 연구원을 거쳐, 현재 카이스트 의과학대학원 전임교수이자 대한백신학회 학술이사다. 한국과학기술단체총연합회 과학기술 우수논문상(2014), 대한간학회 GSK 학술상(2016)을 수상했다.

 

▌기획

재단법인 카오스
우리는 과학이 세상에 도움을 줄 수 있고 과학적 사고가 세상을 바꿀 수 있다고 믿습니다. 더 많은 사람과 기초과학에 관한 다양하고 깊이 있는 지식을 대중 강연 콘서트, 출판 등을 통해 쉽고 재미있게 나누고자 합니다. 카오스재단의 강연은 누구에게나 열려 있으며 지난 강연은 홈페이지와 네이버 TV캐스트를 통해 다시 볼 수 있습니다.
http://www.ikaos.org
http://tv.naver.com/kaos

 

▌책 속으로 

과학적 사고의 본질 중 하나가 질문하고 토론하는 것이라는 데 이론은 없습니다. 그렇다면 우리 인간처럼 질문을 할 수 있는 존재에게 세상에서 가장 중요한 질문은 무엇일까요? 그중 하나는 ‘생명이란 무엇인가?’일 것입니다.
우리는 아직 이 질문의 답을 모릅니다. 지구와 우주의 기원까지도 탐구하는 최고의 지적 존재인 인간이 정작 자신을 포함한 생명의 신비 앞에서는 무력합니다. 누군가가 찰스 다윈에게 생명 자체가 처음에 어떻게 태어났느냐고 물었다고 합니다. 그러자 다윈은 생명의 기원을 논할 바에는 차라리 물질의 기원을 논하는 게 나을 거라고 대답했습니다. 생명의 본질이 진화임을 꿰뚫어 본 다윈조차 그 기원에 대해서는 입을 닫은 것입니다. 우리가 정작 궁금한 것은 ‘생명이 물질에서 탄생했는가(그리고 정말 물질에서만 탄생했는가)?’입니다.
이 책은 이러한 세상에서 가장 큰 수수께끼를 생명의 가장 작은 ‘물질’들의 관점에서 풀어보고자 합니다. 이 책을 읽고 나면 생명의 기원에 대한 해답까지는 아니더라도 그 해답의 윤곽쯤은 흐릿하게 떠오를지 모릅니다.

“중요한 것은 질문을 멈추지 않는 것이다.” - 아인슈타인Albert Einstein
-  머리말 4쪽

지금까지 말씀드린 RNA의 다양한 특징을 종합해보면, RNA가 최초의 유전물질일 수도 있겠다는 추론이 가능합니다. 물론 가설이고, 다시 과거로 돌아가서 실험을 할 수 있는 것도 아니지요. RNA는 촉매로서 기능할 수 있어서 새로운 물질들을 만드는 데 도움을 줄 수 있고, 스스로를 복제할 수 있으니 유전물질로서 기능하기도 하잖아요. 또 역전사도 가능하다고 했으니 RNA에서 DNA가 만들어질 수도 있지 않았을까요? 그래서 스스로를 복제할 수 있는 촉매로서의 성질을 가지기 때문에 최초의 유전물질은 RNA로 구성되어 있지 않았을까 하는 가설이 바로 ‘RNA 기원설’입니다.
물론 현재의 RNA는 그 기능이 상당히 축소됐습니다. 효소 기능의 대부분을 단백질에 넘겨주고 유전물질로서의 기능은 대부분 DNA에 넘겼으니까요. 하지만 그 흔적은 여전히 남아 있습니다. 지금 남아 있는 RNA의 다양한 기능이 어쩌면 먼 과거의 흔적은 아닐까요? 
- 리보핵산: 최초의 생명 물질로부터 메신저까지(김빛내리) 89쪽

 

이렇듯, 분자 수준의 변화들을 정밀하게 측정해서 질환의 진단에 이용하게 될 겁니다. 구체적으로 어떤 기술이 어떻게 활용될지에 대해서는 단언하기 어렵지만요. 하지만 거대한 휴대폰이나 데스크톱만 한 캠코더를 신기해하던 때가 엊그제 같은데 그 기술들이 이제는 손바닥 안에 들어왔듯이, 건강 정보와 진단 기술이 손바닥 안의 스마트폰에 들어올 날도 그렇게 멀지는 않은 것 같습니다. 물론 헤쳐나가야 할 장애는 상당히 많고, 기술 발전뿐 아니라 규제도 중요한 문제일 겁니다. 특히 규제 문제는 보건에 있어서 얼마만큼 기술을 발전시키는지에 굉장히 핵심적인 관건이 되기도 합니다. 그러나 유전자와 RNA가 일상생활에서 아주 친숙한 단어가 되는 데는 그다지긴 시간이 필요하지 않을 것 같습니다.
- 리보핵산: 최초의 생명 물질로부터 메신저까지(김빛내리) 95쪽 

 

유전자는 동일해도 단백질은 매일매일 달라집니다. 연예인 중에 어떤 시기에는 멋진 미남이다가도 어떤 때는 동일한 사람인가 싶을 정도로 망가지기도 하잖아요. 이는 생명의 아주 절묘한 부분입니다.
모든 것을 유전자가 결정한다면 열심히 살 이유가 없어요. 이미 결정되어 있으니까요. 유전자가 다 결정했다면 건강검진을 받을 필요도 없어요. 같은 유전자라도 그 발현은 노력으로 바꿀 수 있다는 말입니다. 그러니 부모로부터 받은 유전자는 바꿀 수 없지만, 노력 여하에 따라 단백질을 바꾸고 인생을 바꿀 수 있습니다. 
- 단백질: 3차원의 마술사(김성훈) 120쪽

 

게놈을 안다는 것은 차이를 안다는 말이 됩니다. 차이를 아는 방법은 크게 두 가지인데요. 하나는 찍어보는 겁니다. 임신 테스트 시약은 소변을 찍으면 화학적으로 결합해서 파란색이 드러나죠. 또 하나는 읽어보는 방법이 있습니다. 이를 ‘해독’이라고 합니다. 찍어보는 방법은 싼데 정확하지 않고, 읽어보는 방법은 굉장히 비싼데 정확합니다. 그런데 이제는 많이 싸졌습니다. 옛날에는 두 사람의 게놈 차이를 알려면 3조 원이 들었지만, 요즘은 1,000달러 정도면 가능합니다. 이렇게 여러 염기서열을 분석하다 보면 결국 표준 게놈이 나옵니다. 표준이 잘 만들어지면 이를 응용해서 질병을 극복하고 노화의 비밀까지도 풀 수 있겠지요. 
- 게놈으로 읽는 생명(박종화) 229쪽

 

진화는 무작위적인 것이죠. 돌연변이가 무작위로 일어나서 다양한 개체가 태어난 것인데, 육종은 무작위로 변이를 일으킨 다음에 원하는 것을 취하는 것입니다. 그래서 도킨스는 진화를 눈먼 시계공이라고 했습니다. 유전자가위를 사용하는 인간은 눈뜬 시계공입니다. 정확히 유전자를 알고 그 유전자에 변이를 가해서 원하는 목적으로 생명체를 재창조할 수 있는 힘을 갖게 되니까요. 수십억 년에 걸친 진화 역사상 기념비적인 일인 셈입니다. 이것을 좋은 목적으로 사용하면 사회에 큰 기여를 할 것이고, 잘못 사용하면 부작용도 있습니다.

이를 결정하는 것이 정부와 국회죠. 그리고 정부와 국회에 힘을 발휘하는 것은 유권자, 즉 우리입니다. 
- 유전자가위로 유전자 수술하기(김진수) 249쪽