이중 나선: DNA의 형태를 밝혀내기 위한 경쟁

1869년 겨울, 튀빙겐의 한 개조된 성에서 프리드리히 미셔라는 스물다섯 살의 스위스 의사가 사용한 수술용 붕대에서 고름을 씻어내고 있었다. 그는 근처 진료소에서 버려진 드레싱을 모아 왔는데, 그 폐기된 붕대가 백혈구로 흠뻑 젖어 있었고 미셔는 그 세포들의 화학적 성질을 연구하고 싶었기 때문이다. 그 세포핵에서 그는 단백질도 지방도 탄수화물도 아닌, 그가 이전에 본 어떤 것과도 다르게 행동하는 인이 풍부한 기묘한 물질을 추출했다. 그는 그것을 뉴클레인이라 불렀다. 그는 자신도 모르는 사이에 DNA를 분리해낸 것이었고, 그것이 세포 안에서 특별한 역할이 없는 평범한 분자라고 믿으며 세상을 떠났다.

84년 뒤인 1953년 봄, 바로 그 분자는 생물학에서 가장 많이 논의되는 대상이 된다. 몇 주간의 격렬한 시간 동안 케임브리지의 두 남자와 런던의 작은 연구진은 뉴클레인이 실제로 어떻게 생겼는지를 밝혀냈고, 그 답은 그것을 둘러싼 과학 전체를 다시 재편했다. 이것은 아무 역할도 없던 한 분자가 생명의 설계도를 담은 분자가 되어가는 이야기이며, 그 형태를 발견하기 위한 길고 논쟁적이며 때로는 너그럽지 못했던 경쟁의 이야기다.

아무도 중요하다고 여기지 않았던 분자

미셔 이후 수십 년 동안, 뉴클레인이 유전 물질일 수 있다고 믿는 사람은 거의 없었다. 당시에는 그 논리가 타당해 보였다. 염색체가 유전을 담당한다는 것은 알려져 있었고, 염색체는 단백질과 DNA로 모두 이루어져 있었다. 단백질은 스무 가지의 서로 다른 아미노산으로 구성되며, 이는 단백질에 분명한 풍부함을 부여했다. 즉 복잡한 명령을 써낼 수 있는 커다란 알파벳을 갖춘 셈이었다. 반면 DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 시토신이라는 단 네 가지의 구성 요소와 당과 인산으로 이루어진 단조로운 골격만을 지니고 있었다. 대부분의 생물학자에게 DNA는 유기체처럼 복잡한 무언가를 암호화하기에는 너무 단순하고 반복적으로 보였다. 분명 유전 메시지는 단백질 속에 들어 있고, DNA는 그저 구조를 떠받치는 발판일 뿐이라고 여겨졌다.

그 통념에 처음으로 심각한 균열이 생긴 것은 1944년이었다. 뉴욕의 록펠러 연구소에서 오즈월드 에이버리, 콜린 매클라우드, 매클린 매카티는 실험 의학 저널에 1928년의 한 수수께끼 같은 결과로 되돌아가는 논문을 발표했다. 그 이전 실험에서 영국의 세균학자 프레더릭 그리피스는 무해한 폐렴구균 균주가 독성을 지닌 죽은 세포의 잔해와 섞였을 때 치명적인 균주로 영구히 변형될 수 있음을 보였다. 그리피스가 형질전환 인자라 부른 그 죽은 세포 속의 무언가가 독성에 대한 명령을 지니고 있었고, 살아 있는 세균의 후손에게 그것이 유전될 수 있었던 것이다. 에이버리, 매클라우드, 매카티는 그 무언가를 화학적으로 규명하고자 했고, 수년간의 세심한 정제 끝에 그 형질전환 인자가 단백질이 아니라 DNA라는 결론에 이르렀다. 결과는 명료했지만, 분자생물학계는 거의 10년 가까이 이를 대체로 믿지 않았다. 그렇게 단순한 분자가 그런 정보를 담을 수 있을 리 없다고 여전히 확신했기 때문이다.

마침내 결판을 낸 실험

그 의심은 우아함으로 지금까지 유명한 한 실험이 등장한 1952년에 이르러서야 완전히 걷혔다. 콜드 스프링 하버에서 앨프리드 허시와 마사 체이스는 세균을 감염시키는 바이러스인 박테리오파지를 연구했다. 파지는 DNA 핵을 감싼 단백질 껍질에 지나지 않으며, 세균을 공격할 때 자신의 유전 물질을 주입해 세포의 기구를 장악한다. 질문은 단순했다. 파지가 감염할 때, 그것은 자신의 단백질을 들여보내는가, 아니면 DNA를 들여보내는가?

허시와 체이스는 방사성 표지로 그 답을 찾았다. 그들은 한 무리의 파지를 단백질에는 있지만 DNA에는 없는 방사성 황으로 키웠고, 다른 무리는 DNA에는 있지만 단백질에는 없는 방사성 인으로 키웠다. 각 무리가 세균을 감염시키도록 둔 뒤, 혼합물을 믹서와 원심분리기로 돌려 세포 표면에서 빈 파지 껍질을 떼어냈다. 방사능이 어디로 갔는지 확인하자, DNA에 붙인 표지인 인은 세균 내부에 있었고, 단백질에 붙인 표지인 황은 떨어져 나간 껍질과 함께 바깥에 남아 있었다. 오직 DNA만이 세포 안으로 들어간 것이다. 일반 생리학 저널에 발표된 이 결과는 에이버리 연구진이 8년 전에 보여준 것을 마침내 대부분의 분자생물학자에게 확신시켰다. DNA는 유전 물질이었고, 이제 다급한 질문은 그것이 어떻게 생겼느냐는 것이었다.

화학 속에 숨어 있던 두 가지 단서

1950년대 초에 이미 두 가지 결정적인 증거가 탁자 위에 올라와 있었지만, 그것들이 어떻게 맞물리는지는 아무도 아직 보지 못했다. 첫 번째 증거는 컬럼비아 대학교의 어윈 샤가프에게서 나왔다. 1949년에서 1950년 사이, 당시에는 새로운 기법이었던 종이 크로마토그래피를 이용해 샤가프는 여러 다른 종에서 채취한 DNA 속 네 가지 염기의 비율을 측정했다. 그는 놀라운 규칙성을 발견했다. 어떤 유기체든 상관없이 모든 표본에서 아데닌의 양은 티민의 양과 거의 정확히 같았고, 구아닌의 양은 시토신의 양과 거의 정확히 같았다. 동시에 아데닌과 티민의 합 대 구아닌과 시토신의 합의 전체 비율은 종마다 크게 달랐다. 오늘날 샤가프의 법칙이라 불리는 이 관찰은 애를 태우는 단서였다. 그것은 염기들이 어떻게든 짝을 이루고 있으며, A는 T와, G는 C와 짝을 짓는다는 것을 암시했지만, 샤가프 자신은 그 이유를 말할 수 없었고, 그의 수치가 지닌 의미는 구조가 밝혀질 때까지 잠겨 있었다.

두 번째 단서는 화학이 아니라 물리학에서, 즉 DNA가 X선을 산란시키는 방식에서 나왔다. 런던 킹스 칼리지에서 로절린드 프랭클린과 그녀의 대학원생 레이먼드 고슬링은 X선 섬유 회절을 사용하고 있었다. 이는 분자로 이루어진 섬유에 X선 빔을 쏘고 산란된 광선의 패턴을 필름에 포착하는 방법이다. 그 패턴 속의 점과 호는 분자의 반복되는 기하학적 구조를 담고 있으며, 그것을 읽어내는 일은 까다로운 기술이다. 1952년 5월, 프랭클린과 고슬링은 수화된, 생물학적으로 의미 있는 형태의 DNA, 이른바 B형의 가장 선명한 영상을 만들어냈다. 단순히 사진 51번으로 분류된 이 영상은 반사가 만들어낸 분명한 X자 십자형 패턴을 보여주었고, 그것은 훈련된 눈에는 이 분자가 나선임을 명백히 알리는 것이었다.

케임브리지, 런던, 그리고 허락 없이 보여진 사진

이제 경쟁에는 두 진영이 있었다. 킹스 칼리지에서는 프랭클린, 고슬링, 모리스 윌킨스가 X선 데이터를 다루었다. 케임브리지의 캐번디시 연구소에서는 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 물리적 모형을 만들어 구조를 추론하려 했는데, 알려진 모든 제약 조건에 기하학적 구조가 들어맞을 때까지 금속판과 막대를 맞춰가는 방식이었다. 두 집단은 불편한 경쟁자였고, 특히 프랭클린과 윌킨스 사이의 관계는 긴장되어 있었다.

1953년 1월, 윌킨스는 프랭클린의 허락이나 인지 없이 그녀의 사진 51번을 왓슨에게 보여주었다. 왓슨에게 그 영상은 자신과 크릭이 쫓던 것이 나선임을 확증해주는 짜릿한 증거였고, 그 치수에 대한 정량적인 단서까지 제공했다. 이 일화는 그 이후로 줄곧 논쟁의 대상이 되어왔다. 프랭클린의 세심한 실험 작업이 그녀가 당시에는 거의 인정받지 못한 발견에 직접적으로 기여했고, 그녀 자신의 데이터를 사용하는 일에 대해 그녀와 상의조차 하지 않았기 때문이다. 이것이 이중 나선의 이야기가 과학만큼이나 윤리로도 기억되는 이유 가운데 하나다.

그 사진과 샤가프의 법칙을 손에 쥔 왓슨과 크릭은 1953년 2월과 3월 전반부를 모형 작업대에서 보냈다. 돌파구는 그들이 염기쌍을 제대로 맞추었을 때 찾아왔다. 아데닌이 티민과 짝을 짓고 구아닌이 시토신과 짝을 지으면, 그 결과 생기는 두 쌍의 폭이 거의 정확히 같아진다는 사실이 드러난다. 그 균일한 폭은 짝지어진 염기들이 일정한 지름을 가진 나선 안에서 계단의 디딤판처럼 자리할 수 있고, 부피가 큰 당과 인산 골격이 바깥쪽을 따라 매끄럽게 이어질 수 있음을 의미했다. 기하학이 갑자기 딱 들어맞았고, 그것은 샤가프의 법칙을 단번에 설명했다. 모든 A가 T와 결합하고 모든 G가 C와 결합하기 때문에 A는 T와, G는 C와 같았던 것이다. 모형은 3월 7일에 완성되었고, 원고는 4월 2일 네이처로 보내졌다.

그 구조가 실제로 어떻게 생겼으며, 왜 곧바로 중요했는가

왓슨과 크릭이 기술한 분자는 오른손 방향의 이중 나선이다. 당과 인산이 번갈아 이어지는 두 골격이 바깥쪽을 휘감으며 역평행으로 뻗어 있는데, 이는 두 가닥이 서로 반대 방향을 가리킨다는 뜻이다. 네 가지 염기는 나선형 계단의 디딤판처럼 핵 안에 쌓이고, 두 가닥은 상보적인 염기쌍 사이의 수소 결합으로 서로 맞물려 있어 아데닌은 언제나 티민을 마주하고 구아닌은 언제나 시토신을 마주한다. 약 10.5개의 염기쌍이 나선을 한 바퀴 완전히 돌게 만든다. 이를 알린 논문은 1953년 4월 25일 네이처에 실렸는데, 분량은 겨우 두 쪽에 900단어가 채 되지 않았고, 화가였던 크릭의 아내 오딜이 그린 단 하나의 그림이 들어 있었다. 그것은 과학에서 가장 조용하게 유명한 문장 가운데 하나로 끝맺었는데, 그들이 제안한 특정한 염기쌍이 분자가 스스로를 복제하는 방식을 곧바로 암시한다는 언급이었다.

그 절제된 한 줄이 왜 그 구조가 그토록 빨리 중요해졌는지를 가리켰다. 생물학의 세 가지 깊은 문제가 그 기하학에서 거의 거저 풀려나왔다. 두 가닥이 서로 상보적이기 때문에 각 가닥이 다른 가닥을 다시 만드는 본보기 역할을 할 수 있었고, 이는 복제 메커니즘을 암시했다. 이는 훗날 반보존적 복제로 확인되었는데, 각 딸 분자가 옛 가닥 하나를 그대로 지니고 새 가닥 하나를 얻는 방식이다. 네 가지 염기가 골격을 따라 어떤 순서로든 꿰어질 수 있기 때문에, 그 구조는 정보를 담는 능력을 제공했고 유전 메시지는 그 서열 자체에 쓰여 있었다. 그리고 그 서열이 바뀔 수 있기 때문에, 그 구조는 돌연변이를 위한 자연스러운 메커니즘을 제공했다. 이후 30년에 걸친 분자생물학의 모든 연구 프로그램이 바로 이 세 가지 함의에서 자라났다.

한 번의 수상, 한 사람의 부재, 그리고 끝나지 않은 논쟁

1962년 노벨 생리의학상은 DNA의 분자 구조를 밝혀낸 공로로 왓슨, 크릭, 윌킨스에게 공동으로 수여되었다. 로절린드 프랭클린은 그 안에 없었다. 그녀는 1958년 4월, 서른일곱의 나이에 난소암으로 세상을 떠났고, 상의 규칙상 노벨상은 사후에 수여되지 않으므로 그녀는 그저 자격이 없었던 것이다. 만약 그녀가 살아 있었다면 그 상을 함께 받았을지, 그리고 그녀의 사진 51번이 그 발견의 핵심이었던 점을 고려할 때 공로가 어떻게 배분되었어야 하는지는 그 이후로 줄곧 논쟁의 대상이었고 여전히 진정으로 해결되지 않은 채 남아 있다. 의심의 여지가 없는 것은, 그녀의 실험 데이터가 없어서는 안 될 것이었다는 점과, 미셔의 고름에 젖은 붕대에서 이중 나선의 계단에 이르는 길이 생물학이 마침내 하나의 화학을 중심으로 재배선되기 전까지 케임브리지와 런던, 뉴욕과 콜드 스프링 하버의 수많은 손을 거쳐갔다는 점이다.

핵심 요약

DNA는 1869년 프리드리히 미셔에 의해 뉴클레인이라 불리는 인이 풍부한 물질로 처음 분리되었지만, 수십 년 동안 유전을 담기에는 너무 단순하다며 무시당했다. 그 관점은 1944년 에이버리, 매클라우드, 매카티가 DNA가 그리피스의 형질전환 인자임을 보이고, 1952년 허시와 체이스가 파지가 단백질이 아니라 DNA를 세포 안에 주입한다는 것을 확인한 뒤에야 무너졌다. 그런 다음 두 가지 단서가 결정적이었음이 드러났다. 아데닌은 티민과, 구아닌은 시토신과 같다는 샤가프의 법칙, 그리고 DNA의 나선 형태를 드러낸 프랭클린과 고슬링의 1952년 X선 사진 51번이었다. 두 가지 모두를 바탕으로 왓슨과 크릭은 1953년 초에 A-T와 G-C 쌍이 같은 폭을 가지며, 따라서 역평행으로 놓인 두 당과 인산 골격으로 이루어진 오른손 방향의 이중 나선 안에 쌓이고 수소 결합한 염기쌍으로, 한 바퀴당 약 10.5개의 쌍을 이루며 들어맞는다는 것을 알아냈고, 이를 1953년 4월 25일 네이처의 짧은 논문으로 발표했다. 그 구조는 곧바로 중요해졌는데, 그 기하학이 반보존적 복제와 서열로 암호화된 정보, 그리고 돌연변이의 메커니즘을 암시했기 때문이다. 1962년 노벨상은 왓슨, 크릭, 윌킨스에게 돌아갔고, 1958년에 세상을 떠난 프랭클린은 사후 수상을 금지하는 상의 규칙에 따라 자격이 없었으며, 공로가 어떻게 나뉘었어야 했는지에 대한 여전히 논쟁적인 질문을 남겼다.