벌레 한 마리로 노벨상을 네 번 받을 수 있다는 게 믿어지십니까? 솔직히 저는 처음 이 이야기를 접했을 때 반신반의했습니다. 그런데 예쁜꼬마선충이라는 1mm짜리 투명한 선형동물이 암 연구, 신경과학, 유전학의 판을 바꿔놓은 과정을 알고 나서는 생각이 완전히 달라졌습니다. 기초과학이 왜 멀리 보고 투자해야 하는지, 이 작은 벌레가 가장 설득력 있게 설명해줍니다.
노벨상 네 번을 만든 팩트들
예쁜꼬마선충, 학명으로 C. elegans는 1960년대 분자생물학자 시드니 브레너가 처음 모델 생물로 제안한 존재입니다. 모델 생물이란 인간처럼 직접 연구하기 어려운 대상을 대신해 실험에 활용되는 생명체를 말합니다. 생쥐나 초파리가 대표적인데, 예쁜꼬마선충은 그 중에서도 가장 경제적이고 다루기 편한 선택지로 꼽힙니다.
이 생물이 연구자들에게 사랑받는 이유는 꽤 구체적입니다.
- 성체 기준 세포 수가 약 959개로, 그 중 신경세포가 302개에 불과해 신경계 전체를 추적할 수 있습니다.
- 자웅동체(암수 기능을 한 몸에 가진 생물)로 홀로 번식이 가능하며, 한 마리가 약 300마리를 낳습니다.
- 몸이 투명해 살아 있는 채로 세포 분열 과정을 현미경으로 직접 관찰할 수 있습니다.
- 지름 9cm 플레이트 한 장에 약 10만 마리를 사육할 수 있어 돌연변이 연구에 압도적으로 유리합니다.
제가 이 내용을 처음 접했을 때 가장 놀랐던 부분이 바로 이 숫자였습니다. 생쥐로 100만 마리 실험을 설계하는 건 사실상 불가능한 일이지만, 예쁜꼬마선충은 플레이트 열 장이면 됩니다. 돌연변이(mutation)란 유전자 서열에 예기치 않은 변화가 생긴 경우를 말하는데, 워낙 드물게 발생하기 때문에 많은 개체를 확보할수록 유의미한 변이체를 찾을 확률이 올라갑니다. 예쁜꼬마선충이 유전학 연구의 핵심 도구가 된 이유가 바로 여기 있습니다.
2002년 노벨 생리의학상은 세포 사멸(apoptosis) 연구로 돌아갔습니다. 세포 사멸이란 손상되거나 불필요한 세포가 유전자 프로그램에 따라 스스로 죽는 현상을 말합니다. 예쁜꼬마선충 발생 과정을 현미경으로 수년간 추적한 연구자들이 세포 족보, 즉 수정란에서 성체까지 모든 세포 분열 경로를 수작업으로 그리다가 특정 세포가 반복적으로 정확히 같은 시점에 죽는다는 사실을 발견한 겁니다. 이 죽음이 우연이 아니라 유전자에 프로그램된 현상임을 밝혀낸 것이 핵심 업적이었습니다. 이 유전자들은 이후 인간 세포에서도 동일하게 존재한다는 사실이 확인되었고, 암세포가 정상적인 세포 사멸을 회피함으로써 무한 증식한다는 연구로 이어졌습니다(출처: 노벨위원회).
녹색 형광 단백질(GFP, Green Fluorescent Protein)을 활용한 연구는 2008년 노벨 화학상으로 이어졌습니다. GFP란 해파리에서 추출한 단백질로, 특정 세포에 유전자를 삽입하면 살아 있는 상태에서 초록빛으로 빛나게 만드는 생물학적 마커입니다. 예쁜꼬마선충 연구자들이 투명한 몸체 안의 신경세포 여섯 개만 선택적으로 발광시키는 데 성공하면서 이 기술의 응용 가능성이 전 세계 생명과학계로 퍼졌습니다. 생리의학상의 영역이 화학상으로 넘어간 사례인데, 연구자 표현대로라면 "뺏긴" 셈입니다. 제 경험상 이런 학문 간 경계 허물기가 결국 가장 큰 발견을 만든다는 생각을 이 사례에서 다시 확인했습니다.
커넥톰, 6년 동안 현미경만 들여다본 사람들이 만든 것
저는 과학 콘텐츠를 꽤 챙겨보는 편인데, 예쁜꼬마선충 관련 이야기에서 가장 오래 머릿속에 남은 장면이 있습니다. 연구자 존 술스턴이 하루 8시간씩 현미경을 3년, 두 단계로 나누어 총 6년간 세포 족보를 손으로 그렸다는 대목입니다. AI도 없고 자동 추적 소프트웨어도 없던 시절, 투명한 몸 안에서 세포가 분열할 때마다 색깔과 위치를 공책에 적어가며 계보를 완성한 겁니다. 요즘 같은 시대에 들으면 거의 믿기 어려운 이야기입니다.
커넥톰(connectome) 연구도 이 흐름 위에 있습니다. 커넥톰이란 신경세포들 사이의 모든 연결, 즉 시냅스(synapse)의 총체적 지도를 의미합니다. 시냅스란 신경세포와 신경세포가 신호를 주고받는 접점을 말하는데, 이 연결 전체를 파악하면 특정 자극에 어떤 행동이나 반응이 나오는지 예측할 수 있습니다. 예쁜꼬마선충의 커넥톰은 1986년 선충 한 마리를 50나노미터 간격으로 다이아몬드 칼로 수천 장 절편을 만든 뒤 전자현미경으로 하나하나 촬영하고 수작업으로 이어붙이는 방식으로 완성됐습니다. 이 작업에만 10년 이상이 걸렸습니다.
제가 이 부분을 처음 들었을 때 솔직히 "이게 과학인가, 집착인가" 싶은 생각이 먼저 들었습니다. 그런데 그 데이터가 40년이 지난 지금까지도 전 세계 신경과학 연구의 기반이 되고 있다는 걸 알고 나서는 기초과학에 대한 시각이 조금 달라졌습니다. 최근에는 초파리 뇌의 커넥톰을 구글이 AI 기술로 완성했는데(출처: Google Research), 신경세포 10만 개가 넘는 초파리의 연결 지도를 사람 손으로는 도저히 감당할 수 없었던 겁니다. 반면 예쁜꼬마선충은 302개 신경세포로 이 선례를 가장 먼저 만들어냈고, 국내 연구팀은 최근 휴면 상태(다우어, dauer)에 진입한 예쁜꼬마선충의 커넥톰 변화까지 추가로 완성해 발표했습니다. 다우어란 환경이 불리할 때 예쁜꼬마선충이 선택하는 휴면 단계로, 이 상태에서는 최장 6개월까지 생존이 가능합니다.
이 연구를 보며 평소 회사 일에 치여 단기 성과만 좇다가 정작 중요한 걸 흘리는 자신을 돌아보게 됐습니다. 35년을 한 생물 하나만 파온 연구자들에게서 느껴지는 자부심이, 저에게는 꽤 오래 남는 자극이었습니다.
벌레 한 마리에 이토록 큰 이야기가 들어 있다는 게 여전히 신기합니다. 예쁜꼬마선충은 암, 면역 질환, 신경 퇴행성 질환 연구의 실마리를 제공해온 생물이고, 앞으로도 그럴 가능성이 충분합니다. 기초과학에 관심이 생겼다면 세포 사멸이나 커넥톰 개념을 검색해보는 것만으로도 생명과학의 큰 그림이 보이기 시작할 겁니다. 당장 연구자가 아니어도, 무언가를 오래 파는 사람들이 결국 세상을 바꾼다는 사실은 충분히 체감할 수 있을 겁니다.
참고: 작고 예쁜 줄만 알았는데... 예쁜꼬마선충이 생명 연구의 핵심인 이유 (feat. 이준호 교수) [취미는 과학/ 56화 확장판] :
https://www.youtube.com/watch?v=nYyYv7NOh-s&list=PLkKcqR2KGxgzqeKZo1Rx93kJFokuVkpye&index=35