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Just Because..../Science·Math

2018 노벨 화학상 수상자로 선정된 아놀드(Frances H. Arnold), 스미스(George P. Smith), 윈터(Sir Gregory P. Winter)

by Helen of Troy 2018. 10. 7.




 미국 출신 과학자 프랜시스 아놀드(Frances H. Arnold)와 조지 스미스(George P. Smith) 그리고

영국의 그레고리 윈터(Gretory P. Winter) 세명의 과학자들이 진화론을 토대로 새로운 단백질을 개발한

공로로 2018년 노벨 화학상 수상자로 선정되었다.




여성으로 5번째 노벨 화학상 수상자가 된 프랜시스 아놀드 박사



미국 칼택(California Institute of Technology) 화공학 교수로 재직중인 아놀드 박사

노벨상 수상자에게 주어진 상금의 반을 받게 되며, '효소(enzymes)의 진화' 연구로,

미국 미주리 대학교에 교수인 스미스 박사와 

켐브릿지 대학교의 MRC 분자생물학 연구소의 윈터 박사는 각각 상금의 1/4을 받게 되며,

'펩타이드(peptides)와 항체의 개발' 연구한 공로로 올해 노벨 화학상을 받게 되었다.







이 세 과학자들은 진화론과 관계되는 테크닉을 사용해서 항체, 생체연료와 신약,

그리고 중요한 생체 분자등을 만들어서 인류에게 커다란 이익을 가져다 준 점을

 높이 사서 선정이 되었다고왕립 스웨덴 과학 아카데미 대표인 고란 한손씨가 수상평을 했다.


1993년에 아놀드 교수가 세계 최초로 개발한 "directed evolution' 테크닉으로

생체내에 분자들의 화학 작용을 촉진해 주는 효소(enzymes)를 개발했다.

올해 노벨 화학상은 화학분야에 걸친 연구뿐 아니라 생물학과 공학을 응용한 연구로 

수상자인 아놀드 교수는 내쇼날 과학 아카데미(National Academy of Sciences),

내쇼날 의학 아카데미(National Academy of Medicine)와

내쇼날 공학 아카데미(National Academy of Engineering) 세 단체 모두의 멤버로 활약하고 있는

몇 안 되는 대단한 과학자이기도 하다.





아놀드 박사가 개발한 '지시를 받은 진화' (Directed Evolution) 테크닉으로

만들어진 효율적인 효소의 모습(빨간색)

Credit: The Royal Swedish Academy of Sciences




생명체의 진화는 '자연적인 선택'을 통해서 이루어진다.

가장 생존력이 강한 생물체는 그들의 유전자들을 후손들에게 물려주고,

후손들 중에서도 생존력이 강한 생물들만 살아 남아서 

또 유전자들을 후손들에게 물려주면서 진화가 진행된다.

하지만 생존에 유리한 유전자들은 어떤 법칙에 따라서 생겨나기 보다는

무작위로 발생하며, 이렇게 무작위로 발생한 돌연변이는

유전자의 DNA에 코드에 변화를 불러 일으켜서 생물에 새로운 특징을 가져다 주기도 하고

결국엔 새로운 종자(species)를 낳게 해 준다.


인류 역시 수천년동안 인류에게 이익을 가져다 주는 식물이나 동물의 종자를 만들기 위해서

과학적으로 정확히 어떻게 발생하는지는 몰라도 생물의 진화이론을 경험으로 터득해서

개발해 왔다. 그 예로 알이 많이 달린 옥수수나 벼로 품종개발을 해 왔고,

늑대에서 양을 지키는 개인 리트리버(Retrievers)나 비숑(bichons frises)로 육종을 했다.

아놀드 박사는 화학을 토대로 진화를 통해서 새로 생겨나는 생체 분자들의 형성 과정을

촉진해서 생태계보다 수천배 빠르게 발생하는 것을 개발했다





아놀드 박사가 박테리아에서 무작위로 발생한 돌연변이(1번 그림의 붉은 색)된 유전자를

화학작용에 가장 효율성이 높은 효소를 만드는 과정



인간들이 수만년동안 인간들에게 필요한 동물과 식물을 육성해 왔듯이

아놀드 박사는 특정 박테리아를 배양해서 무작위로 발생하는 돌연변이를 유발시켜서

그 중에서도 가장 효율적으로 돌연변이를 보이는 박테리아를 선별하는 작업을

반복을 거듭해서 원래 사용했던 박테리아보다 수백배 이상의 강력하고

원하는 단백질 분자를 분리할 수 있게 되었다.

이렇게 개발된 분자들은 다양한 분야에 응용되었는데,

뇌세포 사진촬영, 친환경 세제나 친환경 의약품과 바이오 연료나 플라스틱 개발에 사용되고 있다.



그녀가 생물학과 진화론을 공학과 접목을 하는 혁명적인 연구를 하자 

많은 과학자들의 반응은 냉냉했지만, 그에 굴하지 않고 신념대로 연구에 전념해서

2011년에는 아놀드 교수와 연구팀은 E. coli 박테리아가 진화해서

바이오 연료를 만드는데 성공했고, 칼텍에서 인조 페로몬을 개발해서

밭에 뿌리면 곡식을 갉아먹는 해충들이 그 냄새를 피해서 달아나게 해서

해충의 피해에서 벗어나게 하는데도 성공했다.





스미스 박사가 개발한 항체와 펩타이드의  과정



스미스 박사는 1985년에 박테리아를 감염시켜서 박테리오파지 라는 바이러스에

유전자를 투입시켜서 새로운 단백질을 진화시키는 '파지 디스플레이(phage display) 방법을 개발했다.

이렇게 형성된 파지 덕분에 펩타이드(Peptides)를 쉽게 볼 수도 있고 만들 수 있게 되었다.





전자 현미경으로 보인 박테리오파지 바이러스가

박테리아 세포에 침투하는 모습

 Dr Graham Beards



스미스 박사는 이 방법으로 새로운 백신을 만들 수 있다고 예견을 했는데,

그 예견대로 1990년에 윈터박사와 연구팀이 박테리오파지의 항체를 개발해서

제약계에 획기적인 큰 획을 긋게 되었다.




유전자를 파지에 투입해서 다양한 항체를 만들어서(1번)

특정한 박테리아에 장착이 잘 되는 항체를 골라서(2번)

무작위 돌연변이 유전자를 항체에 투입해서 특정 타겟에 장착하게 만들어서(3번)

과정을 반복해 가면서 효율적인 항체를 만드는 과정




항체는 우리 몸내에 면역 세포들이 외부 세포들을 포착할 수 있는 분자인데,

윈터 박사는 '파지 디스플레이' 테크닉으로 질병에 맞서는 항체를 개발했다.

이 항체들은 독성을 중화 시켜주고, 암세포의 증식을 막아주고,

대장염을 치료해 주고, 자가면역 질병들을 막아 주어서 주요 제약회사들로부터

큰 관심을 받기 시작했다.


2002년에 미국 식약청이 항체를 토대로 만든 아달리무맙 (adalimumab)신약을 허가해서

앱비(AbbVie) 회사가 '휴미라(Humira)' 라는 약명으로 시판되어서

류마티스 관절염 환자의 치료에 큰 도움이 되고 있다.

'휴미라'는 작년 매출액이 자그만치 185억 달러(약 20조 6400억원)에 달해서

세계에서 가장 많이 팔린 의약품이 되었다.





1901년부터 시작된 노벨 화학상은 올해로 110회 노벨 화학상 수상을 맞았다.

그리고 노벨상 화학상을 받은 아놀드 박사는 여성으로서 다섯번째로 노벨 화학상을 받았고,

노벨 물리학상과 노벨 화학상 둘 다 여성에게 수여된 것을 노벨상 역사상 처음이기도 하다.


앞으로도 남성과 동등한 자격과 심사기준으로

더 많은 여성 노벨상 수상자가 배출되길 기대해 봅니다.