노벨화학상, ‘저온 전자현미경’ 개발 과학자 3명 공동수상

- 용액 속 생체분자 구조 고화질 이미징 '저온 전자현미경' 개발한 자크 두보쉐·요아킴 프랑크·리처드 헨더슨 선정

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▲사진: 노벨위원회

2017년 노벨 화학상은 용액 속 생체분자 구조를 고화질로 이미징 할 수 있는 '저온 전자현미경(Cryo-EM)'을 개발한 스위스 로잔 (Lausanne) 대학교의 생물 물리학 명예 교수 자크 두보쉐( Jacques Dubochet), 미국 컬럼비아 대학 생화학 및 분자 생물 물리학 교수 요아킴 프랑크(Joachim Frank), 영국 케임브리지대학 리처드 헨더슨(Richard Henderson)에게 돌아갔다.

이들이 개발한 저온 전자현미경(cryo-electron microscopy)은 생체분자의 이미징을 단순화함과 동시에 향상시킴으로써, 생화학에 새로운 시대를 가져왔다는 평이다. 따라서 생명체의 복잡한 기구들에 대한 상세 이미지를 조만간 원자 수준의 해상도로 보게 될 것으로 보인다. 

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▲사진: 노벨위원회
뭔가를 이해하는 데 핵심적인 열쇠는 이미징이다. 획기적인 과학발전은 종종 인간의 눈에 보이지 않는 물체를 볼 수 있는 것을 기초로 하여 이루어진다. 그러나 생화학 지도는 오랫동안 빈 공간으로 채워져 왔다. 왜냐하면 기존의 기술로는 생체분자의 움직임 중 상당부분을 이미징화하는 데 어려움이 많았기 때문이다.

하지만 저온 전자현미경은 이 모든 것을 바꿨다. 이제 연구자들은 움직이는 생체분자를 볼 수 있어 생화학의 기초를 이해하고 의약품을 개발하는 데 결정적이다.

그간 전자현미경은 오랫동안 '죽은 물질'을 영상화하는 데만 적당하다고 여겨져 왔다. 왜냐하면 강력한 전자빔은 생체물질을 파괴하기 때문이다. 그러나 1990년, 리처드 헨더슨(Richard Henderson)은 전자현미경을 이용해 원자 해상도의 단백질 3D 이미지를 만드는 데 성공했다. 이 획기적인 기술은 전자현미경 기술의 잠재력을 입증했다.

요아킴 프랑크는 전자현미경 기술을 일반적으로 적용할 수 있도록 만들었다. 그는 1975년부터 1986년 사이에 전자현미경으로 단백질의 흐릿한 2D 이미지를 선명한 3D 이미지로 생성해 이 기술의 확기적인 잠재력을 입증했다.

자크 두보쉐는 전자현미경에 물을 추가했다. 액체물(liquid water)은 전자현미경의 진공 상태에서 증발해 생체분자를 붕괴시키는 게 일반적이다. 그러나 1980년대 초반 두보쉐는 물을 유리질화 하는 데 성공했다. 즉, 그는 물울 신속하게 냉각시켜, 생물표본 주변을 둘러싸는 액체상태로 고정시켜 생체분자가 진공 상태에서도 자연상태를 유지하도록 했다.

이러한 발견에 이어 전자 현미경은 2013년에 원자 수준의 해상도에 도달했으며, 연구자는 이제 생체분자의 3차원 구조를 일상적으로 생성 할 수 있다. 특히 지난 몇 년 동안, 과학 문헌들은 항생제 내성을 일으키는 단백질에서부터 지카 바이러스의 표면에 이르기까지 모든 것에 대한 이미지로 가득 찼다. 생화학은 현재 폭발적인 발전을 앞두고 있으며 흥미 진진한 미래를 준비하고 있다.

한편, 올해 노벨화학상을 기대했던 성균관대 화학공학ㆍ고분자공학부 박남규 교수는 아쉽게 수상에서 실패했다.
 

[김한비 기자  ebiz@itnews.or.kr]