다이어트 식품을 먹을 수 있는 유일한 시간은 스테이크가 익기를 기다리는 순간이다.

- 줄리아 차일드(Julia Child), 미국의 저명한 셰프 겸 작가

내 친한 친구인 아론 교수는 평소 맛집 탐방을 즐기고, 집에서도 맛있는 요리를 만들어 먹는 미식가이다. 하지만 최근 들어 식습관 조절에 심혈을 기울이고 있다. 바로 통풍 때문이다. 혈액 내 요산 수치가 너무 높아져 관절과 힘줄에 결석이 생기고, 이로 인해 심각한 염증이 생기는데 이 염증은 극심한 통증을 유발한다.

나는 아론에게 통풍을 피하려면 어떻게 해야 하는지 물었다. 그는 퓨린(purine)의 농도가 높은 음식을 피해야 한다고 했다. 요산은 퓨린이 대사되면서 생기는 부산물인데, 체내 요산 수치가 높은 원인은 단순한 대사 과정뿐만 아니라 식습관과도 깊은 관련이 있다. 그렇다면 퓨린이 많이 함유된 음식에는 어떤 것들이 있을까? 아론은 스테이크와 돼지 간, 콩팥 요리, 표고버섯, 캐비어, 맥주 등을 예로 들었다. 이런 음식들은 대부분 미식과 관련된 것들이 아닌가! 그러고 보니 중세 시대에는 통풍이 고위 관리들에게만 발병해서 국왕병 또는 부자병이라고 불렸다고 했는데, 그 이유가 이제 이해가 된다.

고퓨린은 평생 DNA와 RNA를 연구해 온 나에게 큰 흥미로 다가왔다. 왜냐하면 음식에 들어 있는 퓨린의 대부분이 DNA와 RNA의 두 가지 이중고리 염기인 아데닌(adenine)과 구아닌(guanine)에서 나오기 때문이다. 이 두 가지 퓨린은 대사 과정을 거쳐 잔틴(xanthine)과 하이포잔틴(hypoxanthine)으로 분해된 후, 요산으로 분해되어 최종적으로 소변으로 배출된다.

모든 자연식품은 생물에서 유래하기 때문에 DNA와 RNA, 퓨린을 포함하고 있다. 그렇다면 퓨린의 농도가 높은 음식이란 단순히 세포 수가 많은 음식이 아닐까? 나는 동료들과 의사들에게 물어보았지만 명확한 답변을 얻지 못했다. 학술 논문에서도 어떤 음식이 퓨린의 함량이 높은지, 낮은지만 나열되어 있을 뿐, 그 이유를 제대로 설명하지는 못했다.

계속된 연구 끝에 나는 내 가설이 맞을 것이라고 확신했다. 동물의 간이나 심장, 뇌와 같은 기관은 세포 밀도가 가장 높고 퓨린의 농도도 가장 높다. 반면, 우리가 먹는 달걀은 수정되지 않은 상태라 난자 세포가 1개뿐이기 때문에 퓨린 함량이 거의 없다. 같은 논리로 우유에는 세포가 없기 때문에 퓨린이 존재하지 않지만, 유산균을 첨가해 발효시켜 요구르트나 치즈가 되면 퓨린이 생긴다. 맥주 또한 발효 식품으로 효모에서 나오는 퓨린과 요산을 많이 포함하고 있다(맥주 속 알코올은 요산의 대사와 배출을 방해한다). 낫토는 콩을 고초균(bacillus subtilis)으로 발효시킨 식품으로 먹을 때 끈적끈적한 균까지 함께 섭취하기 때문에 퓨린 함량이 2배 이상 증가한다.

식물의 세포 밀도는 일반적으로 낮기 때문에 퓨린의 농도도 상대적으로 낮다. 그러나 식물의 생장점에서는 세포 분열이 활발하게 일어나므로 퓨린의 농도가 더 높다. 그래서인지 새싹이나 어린 잎의 퓨린의 농도가 성숙한 부분보다 2~3배 더 높았다. 반면, 과일은 주성분이 탄수화물과 셀룰로오스로 이루어져 있어서 세포 수가 상대적으로 적기 때문에 퓨린의 농도가 높지 않다.

통풍 환자들은 표고버섯 이야기가 나오면 얼굴색이 변한다. 나는 표고버섯도 다른 버섯과 마찬가지로 단순한 균류(fungi)에 불과하다고 생각했기 때문에 이런 반응이 이상하게 느껴졌다. 직접 조사를 해 보니, 신선한 표고버섯의 퓨린의 농도는 다른 버섯들과 별 차이가 없었다. 하지만 말린 표고버섯은 수분이 빠지면서 퓨린의 농도가 10배 이상 급증했다. 일반 사람들은 이 높은 수치를 보고 겁을 먹을 게 뻔하지만 실제로 요리할 때는 말린 표고버섯을 물에 불려서 사용하기 때문에 퓨린의 농도는 다른 버섯들과 비슷해진다.

유인원 이외의 동물들은 통풍에 걸리는 경우가 드물다. 그들은 대부분의 생물과 마찬가지로 요산 산화 효소(uricase)를 가지고 있어서 요산을 알란토인(allantoin)으로 분해한 후 배출할 수 있기 때문에 체내 요산 농도가 높지 않다. 유인원 역시 원래 요산 산화 효소를 만드는 유전자를 가지고 있었지만, 진화 과정에서 몇 차례 돌연변이가 일어나면서 이 유전자는 기능을 잃어버렸다. 그 결과, 요산 산화 효소가 없는 인간의 혈중 요산 농도는 유인원이 아닌 다른 포유류에 비해 50배 이상 높아졌다.

그렇다면 유인원은 왜 이렇게 진화했을까? 하나의 가설은 요산이 강력한 항산화제 역할을 하기 때문이라는 것이다. 요산 농도가 높으면 혈관을 보호하고, 암 발병 가능성을 낮추는 데 도움이 될 수 있다는 주장이다. 또한, 진화 과정에서 요산 산화 효소를 잃어버리면서 또 다른 항산화제인 비타민 C를 생성하는 능력도 상실했기 때문에 식단을 통해서만 섭취할 수 있게 되어 체내 요산 농도를 높이면 비타민C 부족을 어느 정도 보완할 수 있다.

그러나 이러한 가설은 완전한 동의를 얻지는 못했다. 체내 요산 농도가 높아지면 통풍뿐만 아니라 신장 결석, 고혈압, 당뇨병 등의 발병 위험도 함께 증가하기 때문이다. 이런 상황을 보면 얻는 게 있으면 잃는 게 있다라는 표현이 절로 떠오른다.

과제란 아직 누구도 본 적 없는 것을 보는 데 있지 않습니다. 다만 누구도 생각하지 않은 것을, 모두가 보고 있는 현실 속에서 사유하는 데 있습니다.

- 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger), 오스트리아의 양자 물리학자

유전학에 대해 이야기할 때, 멘델이 물리학자였다고 말하면 대부분의 사람은 놀라며 반문한다. "멘델은 생물학자 아니었나요?" 그러면 나는 멘델이 빈 대학교에서 물리학을 전공했고, 중학교에서 물리학을 가르쳤다고 알려 준다. 사실, 멘델이 물리학자로서의 수학적 기초가 없었다면 완두콩 실험에서 얻은 데이터를 바탕으로 유전 법칙을 도출해 내는 것도 불가능했을 것이다.

20세기에 들어서면서 멘델의 유전 법칙은 본격적으로 빛을 보기 시작했지만, 여전히 수학적 정량 분석 수준에만 머물러 있었다. 유전자가 염색체에 존재한다는 사실은 알았지만, 그것이 정확히 어떤 모습인지, 어떻게 연구해야 하는지는 전혀 알지 못했다. 유전학을 세포에 도입하고, 유전자를 분자 생물학 수준으로 한 단계 끌어올려서 연구할 수 있는 새로운 혁명이 필요했다. 이 분자 생물학 분야의 혁명은 독일의 양자 물리학자 막스 델브뤼크의 주도로 일어났고, 여러 물리학자가 그 흐름에 동참했다.

1935년, 델브뤼크와 두 명의 공동 연구자는 X선이 초파리에 돌연변이를 유발하는 과정에 대한 논문을 발표했다. 그들은 X선이 이온화하는 범위가 약 300m3로 돌연변이를 일으키기에 충분하며, 이는 대략 1,000개의 원자를 포함하는 부피라는 사실을 밝혀냈다(A = 10-10m). 이를 통해 델브뤼크는 유전자는 단일 분자이며, 돌연변이는 유전자 분자가 안정된 상태에서 또 다른 안정된 상태로 도약하는 것이라는 결론을 내렸다.이 논문은 거의 주목받지 못하는 소규모 학술지에 실렸지만, 7년 후 그 복사본이 아일랜드 더블린에 살고 있던 양자역학의 대가, 에르빈 슈뢰딩거의 손에 들어갔다. 슈뢰딩거는 더블린 트리니티대학교에서 이 논문의 내용을 바탕으로 물리학적 관점에서 생명 현상을 강의했다. 이 강의는 다음 해 『생명이란 무엇인가?(What Is Life)?』라는 책으로 출간되었다.

물리적인 관점에서 볼 때, 슈뢰딩거는 유전자가 매우 신비롭고 역설적인 특성을 가지고 있다고 생각했다. 유전자는 단일 분자처럼 보이지만 매우 안정적이기도 했다. 그는 이를 설명하기 위해 비주기적 결정(aperiodic crystal)이라는 개념을 도입했다. 일반적으로 결정(crystal)은 안정적이지만, 유전자의 경우 비주기적이기 때문에 유전 정보의 변화가 가능하다는 것이었다. 또한, 그는 유전자 내에 모스 부호와 유사한 방식으로 기록된 유전 암호가 존재할 것이라고 예측했다. 이 가설은 후에 DNA 이중 나선 구조의 발견을 통해 사실로 입증되었다.

슈뢰딩거는 "델브뤼크가 설명한 유전 물질의 성질을 보면, 생명체는 기존의 물리학 법칙을 어기지 않지만, 아직 발견되지 않은 다른 물리학 법칙이 존재할 수도 있다는 가능성을 시사한다."라고 말했다. 이런 낭만적인 예언은 전후 수많은 과학자, 특히 물리학자들을 유전자 연구의 길로 이끌었다. 그중에는 후에 DNA 이중나선 구조를 발견한 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭도 포함되어 있었다.

이때, 델브뤼크는 이미 미국으로 이주하여 본격적으로 분자 생물학 연구를 시작했으며, 그는 박테리아와 박테리오파지를 이용한 유전학을 연구해야 한다고 주장했다. 그는 점차 이 새로운 영역의 지도자로 자리 잡아갔다. 그 후 거의 40년 동안 분자 생물학자들은 유전자의 신비를 빠르게 벗겨 냈다. 이 과정에서 유전자에는 사실 역설이 존재하지 않는다는 것이 드러났다. 유전자의 구조와 기능은 물리학과 화학의 기존 법칙만으로도 무리 없이 설명되었고, 새로운 법칙이 필요하지 않았다. 물리학자들이 기대했던 새로운 법칙을 찾겠다는 꿈은 사라졌지만, 그 대신 완전한 분자 유전학 체계가 구축되면서 생명공학 분야에 혁명을 가져다주었다. 나아가 현대의 빠른 DNA 염기서열 분석 기술 덕분에 수십억 개의 염기쌍으로 이루어진 유전체 공학 분야에 혁명을 가져다주었다. 때마침 새롭게 등장한 컴퓨터 및 정보 과학이 핵심 역할을 하게 되면서 또 한 번의 융합 과학 혁명이 일어났다.

그러나 생명 진화의 최종 단계인 뇌 정보 시스템 연구를 되돌아보면, 우리는 이미 수 세기 동안 넘지 못한 거대한 장벽 앞에 가로막혀 있다. 다양한 학문이 협력하고 있지만, 아직까지 이 한계를 돌파하지 못했다. 우리는 여전히 뇌 과학의 멘델을 기다리고 있다.

내가 더 멀리 볼 수 있었던 것은, 거인들의 어깨 위에 올라서 있었기 때문이다.

- 아이작 뉴턴(Isaac Newton), 영국의 수학자이자 물리학자

우리는 모두 맹인(盲人)이 코끼리를 만진다라는 비유를 들어 본 적이 있을 것이다. 맹인 여러 명이 코끼리를 만지며 코끼리가 어떤 모습일지 파악하려 하지만, 각자 손에 닿는 부위가 달라서 어떤 이는 코끼리가 뱀 같다 하고, 어떤 이는 부채 같다 하고, 또 어떤 이는 벽이나 나무 같다고 말했다. 이들은 모두 부분적인 관찰만 할 수 있었을 뿐 진짜 코끼리의 모습을 알 수 없었다.

과학 연구도 이와 매우 비슷하다. 수많은 과학자가 서로 다른 입장과 관점으로 같은 주제나 관련 주제를 연구하고, 각자가 얻은 결과와 결론을 서로 논의하며, 보다 완전하고 정확하며 진실에 가까운 해답을 찾아가려고 노력한다. 이처럼 사람들끼리 정보를 공유하고 논의함으로써 코는 뱀 같고, 귀는 부채 같고, 몸통은 벽 같고, 다리는 나무 같다라는 보다 전체적인 진실에 접근할 수 있는 것이다.

1953년 2월 28일, 영국 케임브리지대학교의 캐번디시 연구소에서 프랜시스 크릭과 미국에서 온 제임스 왓슨은 DNA의 이중 나선 구조를 밝혀냈다. 이 위대한 발견은 맹인이 코끼리를 더듬는 이야기를 떠올리게 하는 사례이기도 하다.

연구 초반에 과학자들은 이미 기본적으로 DNA가 긴 뉴클레오티드 사슬로 이루어진 화학적 구조를 가지고 있다는 사실을 알고 있었다. 뉴클레오티드는 인산(phosphate)과 디옥시리보오스(deoxyribose)그리고 염기(base)라는 세 가지 하위 단위로 구성되며, 염기에는 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T), 사이토신(C) 총 네 가지가 있다.

당시에는 인산과 디옥시리보오스가 반복적으로 연결되어 DNA의 골격을 형성하고, 염기는 디옥시리보오스에 하나씩 붙어 있다는 것만 알려져 있었지만, 전체 입체 구조는 아직 베일에 싸여 있었다. 그 시절 분자 구조를 연구하기 위해 가장 흔히 사용된 방법은 X선 회절 결정학이었다. 1937년, 영국 리즈대학의 윌리엄 애스터버리(William Astbury)는 이 기술을 이용해 DNA의 염기가 동전처럼 겹겹이 쌓여 있으며, 틈이 없고, 염기와 디옥시리보오스가 동일한 평면에 있다는 가설을 세웠다. 그는 DNA라는 코끼리를 가장 먼저 만진 맹인이라고 할 수 있다.

1947년, 영국 노팅엄대학교의 존 걸랜드(John Gulland)와 데니스 조던(Denis Jordan)은 산-염기 적정 실험을 통해 DNA 구조가 수소 결합에 의존한다는 사실을 발견했다. 그들은 염기 간 수소 결합이 존재한다는 것을 정확하게 추론해 냈다. 이들이 두 번째와 세 번째 맹인이었다.

이듬해, 미국 컬럼비아대학의 어윈 샤가프(Erwin Chargaff)는 다양한 생물에서 염기의 비율을 측정해 A와 T의 수가 거의 같고, G와 C의 수 역시 비슷하다는 사실을 발견했다. 그는 이 결과를 케임브리지를 방문했을 때 왓슨과 크릭에게 알려 주었다. 그가 네 번째 맹인이었다.

1949년, 영국 런던대학의 스벤 퍼버그(Sven Furberg)는 염기와 디옥시리보오스 사이의 배열이 애스터버리의 주장과는 달리 수직 구조임을 밝혔고, 단일 가닥 구조인 DNA 모델 두 가지를 제안했다. 그는 다섯 번째 맹인이었다.

1951년부터 1953년 사이, 런던 킹스 칼리지의 로절린드 프랭클린은 X선 회절 기술을 통해 DNA의 하위 단위 간 거리, 나선의 지름과 주기, 수분 함량 등 몇 가지 결정적 데이터를 수집했다. 그녀는 실험을 통해 DNA가 친수성이며, 따라서 친수성의 인산 골격은 외부로 향하고 소수성의 염기는 내부에 위치한다는 사실을 밝혀냈다. 그녀는 여섯 번째 맹인이며, DNA를 깊이 이해한 인물 중 하나이다.

1953년, 프랭클린의 데이터를 바탕으로 크릭은 DNA가 반(反)평행 방향의 이중 가닥이라는 점을 발견했고, 왓슨은 샤가프의 결론과 자신의 모델 연구를 통해 A와 T, G와 C가 각각 수소 결합으로 짝을 이루고 있다는 사실을 발견했다. 이 일곱 번째와 여덟 번째 맹인이 이전 모든 맹인의 연구 결과를 통합하여 이중 나선 모델을 완성하게 된다. 즉, 바깥쪽의 두 가닥은 인산과 당으로 이루어진 골격을 형성하며, 서로 반평행 방향으로 감겨 있다. 내부의 염기 A:T와 G:C는 각각 수소 결합으로 짝을 이루어 빈틈없이 겹겹이 포개진 구조를 이룬다.

훗날 크릭은 이렇게 고백했다. "우리는 혼란스러운 사실과 추론들 속에서 사고의 불꽃을 피워냈습니다. 이중 나선의 발견이 가능했던 이유는 많은 과학자가 각기 다른 방식으로 결정적인 정보를 제공해 주었기 때문입니다."

이렇게 여덟 명의 맹인이 만진 코끼리는 마침내 DNA의 진짜 모습을 우리 앞에 드러내게 된 것이다.