스웨덴 왕립과학원은 2017년 노벨 화학상 수상자로 "전자현미경 관찰의 발전에 공헌한" 3명을 선정했다고 발표했다. 선정배경으로 이들이 생화학 분야에 새로운 시대를 열었다고 밝혔다.
노벨 화학상을 공동수상한 3인은 스위스의 자크 두보셰 로잔대학 교수, 미국의 요아킴 프행크 뉴욕 컬럼비아대학 교수, 영국의 리처드 헨더슨 케임브리지 분자생물학 MRC연구소 연구원이다.
스웨덴 왕립과학원은 이들이 냉동전자현미경(cryo-electron microscope)을 이용하는 방법을 통해 연구자들로 하여금 생체분자의 어느 특정 순간의 냉동을 가능하게 하고 이전에는 결코 볼 수 없었던 것들을 관찰할 수 있게 만들었다고 밝혔다.
이를 통해 생명체의 화학 구성을 기본적으로 이해하는 것은 물론 제약회사의 획기적인 발전에 결정적 공헌이 가능했다.
이들 3명은 900만 크로네(110만 달러)의 상금을 나눠받게 된다. 이들은 또 생명체를 구성하는 극소물질의 연구에 중요한 발전을 가져오게 하는 것도 가능하게 만들었다.
최근 노벨 화학상은 문자의 움직임을 통제할 수 있게 하는 분자기계(molecular "machines")를 연구한 사람들이나 세포들이 손상된 DNA를 어떻게 치유하는지를 연구한 과학자들에게 돌아가고 있다.
이들 3명이 개발한 냉동전자현미경 기술로 인해 생체분자의 본래 모습을 보존할 수 있는 급속 냉동이 가능해져 생명체 구성의 관찰 과정이 단순화됐다.
독일 출신의 프랭크 교수는 냉동 생체분자의 이미지를 2차원에서 3차원 이미지로 전환하는 것을 보다 쉽게 해주는 기술을 개발함으로써 이 기술이 좀더 쉽게 이용될 수 있게 하는데 기여했다. 프랭크는 이 기술이 실질적으로 이용될 가능성은 무궁무진하다고 말했다.
두보셰 교수는 차가운 물이 생태 샘플 주위에 급속도로 응고하게 하는 것을 가능하게 만들었다. 헨더슨 연구원은 박테리아 분자의 구조를 원자 해상도로 나타내는데 성공했다.
한편, 왕립과학원은 이들이 초저온 전자현미경을 이용하는 방법을 통해 연구자들로 하여금 생체분자의 어느 특정 순간의 냉동을 가능하게 하고 이전에는 볼 수 없었던 것들을 관찰할 수 있게 만들었다고 밝혔다.
이 방법은 사진을 찍어 분자수준의 단백질 구조를 규명하는 것으로 '초저온 전자현미경법'이라고 한다. 쉽게 말해, 단백질 분자를 앞·옆·위에서 전자현미경으로 사진 찍고 영상으로 분석하게 되면 단백질의 3D영상이 얻어지게 된다. 이것이 이제는 고해상도 구조까지 규명 가능해진 것이다.
두보셰 교수가 단백질 샘플을 얼려서 사진 찍는 것을 1970~1980년대에 최초로 시도했으나, 고해상도 구조를 규명하기에는 한계가 있어 그동안 주목받지 못했다.
하지만 이 기술이 점차 발전하면서 2010년대 들어 고해상도 구조 규명이 가능해졌다. 이 기술을 축적해온 두 거목이 바로 리처드 핸더슨 연구원과 요아킴 프랭크 교수다.
일반적인 단백질 결정학방법으로 구조 규명이 가능한 단백질의 평균크기는 30-80kDa(Dalton·달톤)였다. 하지만 초저온 전자현미경으로는 100~수천 kDa의 거대 단백질 복합체 구조도 규명이 가능하다.
기존에 보기 어려웠던 바이러스나 리보솜, 프로타솜 구조들도 이 방법을 통해 1000~2000kDa 정도의 크기까지 쉽게 밝힐 수 있다. 드러그(약품) 타겟이 되는 GPCR(G 단백질 연결 수용체)이나 이온채널같은 단백질 구조를 이 방법으로 어렵지 않게 구하기 시작한 것은 불과 3~4년 사이의 일이다.
김호민 카이스트(KAIST) 교수는 "드러그 타겟이 되는 물질들이 GPCR이나 이온채널의 경우처럼 굉장히 큰 단백질들이 많다. 또 생체내에서 중요한 단백질인 리보솜이나 프로타솜 등은 워낙 커서 이해하기가 어려웠는데 그것이 가능해졌다"며 "화이자같은 외국 제약회사들도 '초저온 전자현미경' 기술을 신약개발에 활용하고 있다"고 설명했다.
그는 "아직은 초저온 전자현미경 기술을 통해 개발된 신약은 없다"면서도 "기존의 단백질 결정학 방법으로 막단백질을 풀려면 오랜시간 많은 노력이 필요했으나, 이제는 몇달 안에 가능해져 응용성이 높을 것이라 생각한다"고 전망했다.
이어 "이 기술은 2015년도 네이처 메서드지가 선정한 올해의 기술로 선정된 바 있다"고 덧붙였다.
현재 국내에는 '초저온 전자현미경'이 한 대 있다. 국책연구소인 한국기초과학지원연구원에 지난해 말 설치됐다. 하지만 헨더슨 교수가 있는 영국에만 25대, 중국 칭화대에 4대 정도 도입된 것과 비교하면 우리나라는 아직 인프라가 부족한 상황이다.
김 교수는 "대당 50억~100억원에 달하는 고가의 장비지만 유망한 기술이라고 생각해서 외국 연구기관들이 많이 가지고 있는 것"이라며 "우리나라는 아직 부족하지만 많은 노력을 기울이고 있다. 국내 연구자들도 조금씩 발을 들여놓는 단계"라고 전했다.
그는 "국내의 경우 구조생물학 분야는 4세대 가속기 등이 설치되고 있으며, 구조생물학 연구자들에 대한 지원도 많이 되고 있다. 하지만 사실 '초저온 전자현미경'에 대해서는 굉장히 인프라가 없는 편이다. 이 장비를 좀 더 확충해서 전 세계 트렌드를 쫓아가야할 필요성이 있다"고 강조했다.