세포생물학은 아직도 블링블링한가?

소위 말하는 ‘분자세포생물학’ 이 생물학계의 주류로 떠오른지는 좀 시간이 되었다. 그리고 Molecular Biology of Cell 셀책은 점점 흉기화되지  과연 21세기에도 세포생물학은 생물학계의 주류로써 남아있을 수 있을까? 미쿡세포생물학회장을 역임한 Tom Pollard는 그렇다고 주장한다. 이 사람이 최근에 plos biology에 기고한 에세이를 대충 왜곡번역해 보았다.

왜곡번역이라고 했으니 번역의 사소한 뉘앙쓰에 신경쓰지 말고 그냥 원문 읽으세염. 

호불호가 갈리는 영감님이므로 잘 취사선택해서 읽으세염. 

No Question about Exciting Questions in Cell Biology

Tom Pollard

Image

생기신 대로 성깔 있으십니다. 이 영감님 제가 만나봐서 아는데요..

서론

1878년에 필립 졸리라는 교수가 막스 플랑크에게 물리학을 전공하지 말도록 조언한 것은 전설 아닌 레전드다. 그 아저씨는 “거의 대부분의 물리학 관련된 것들은 이미 발견되었고, 남아있는 것은 그냥 별로 중요하지 않은 구멍 몇개를 채워넣는 일일 뿐임. 물리학 하지마셈” 이라고 하셨다. 별로 중요하지 않은 거 몇개 땜빵하신 아인슈타인 닐스 보어 지못미  물론 님들도 다 알다시피 그 이후로 물리학의 발전은 장난이 아니었고, 지금 현재 물리학자는 암흑물질, 암흑에너지 등  우주의 물질과 에너지를 설명하는 원리라는 것 이외에는 잘 알려져 있지 않은 요상한 것까지 연구하고 있다.

과학사를 돌이켜 볼때, 자연에 대한 근본적인 지식에 대한 탐구는 몇세기에 걸쳐 꾸준히 이루어져 왔고, 언제나 그 한계를 확장해 왔고 ‘이제 더이상 연구 할 거 없ㅋ음’ 할 정도에 이른 적이 한번도 없다. 물론 가끔 어떤 분야의 발전이 지지부진할 때도 있고 종종 패러다임의 변화에 따라서 자기자신을 재혁신하는 일은 있었다. 그렇지만 내가 아는 과학의 분야 중 근원적인 질문이 고갈된 분야는 없었다. 그렇지만 어떤 과학자들은 1950년대 이후 세포분자생물학의 눈부신 발전에 힘입어 세포생물학의 대부분의 주된 의문에 대해서는 이제 대개 알게 되었다고 생각한다. 그렇지만 나님을 포함한 다른 과학자들은 우리 분야가 그 단계에 도달하기에는 아직~ 멀었음 이라고 생각한다. 어디서 이런 차이가 기인할까?

내 생각에는 생물학에서 흥미있고, 중요한 것이 무엇인지를 바라보는데 두가지 서로 상이한 관점이 있고, 여기서 그 견해차이가 기인한다고 본다.  어떤 사람을은 “무엇이 일어나는가?” (What happens?) 에 관심을 가진다. 그 예로는 “마이오신과 같은 분자모터는 ATP 가수분해를 통해 에너지를 얻어서 움직인다” 와 같은 일이다. 반면에 어떤 과학자들은 “그게 어떻게 일어나는가?”(How does it works)  에 더 관심을 가진다. 동일한 예를 들자면, 이런 과학자들은 어떻게 분자모터가 ATP 의 가수분해를 힘으로 변환시키고, 이러한 근본적인 반응이 어떻게 근육수축과 세포분열을 일어나게 하는지에 대해서 이해하고 싶어한다.

Image

뭐 대충 이런 이야기

나의 경우 확실히 “그게 어떻게 일어나나” 파인 것 같다. 그렇지만 성공적인 생물학자들중 상당수는 “무엇이 일어나는가” 에 더욱 관심을 가진다. 옛날에 프랜시스 크릭 횽한테, 성님은 어떤파요 하고 물어봤는데, 그 사람은 예상대로 “무엇이 일어나는가?” 파인 것 같다. “어떻게 일어나냐” 보다는 “무엇이 일어나냐” 에 더 매료되었으니까 그 횽은 분자생물학에서 뉴로사이언스로 말을 바꿔타신 것이겠지. ㅋㅋㅋ

이번 세기가 시작될 즈음 우리는 이미 “무엇이 일어나나” 에 대해서 많은 지식을 가지게 되었다. 따라서 우리는 세포생물학에서 중요하게 생각되었던 의문들에 대해서 해답을 찾을 수 있게 되었다. 세포생물학의 기본 원리는 1950년에서 1960년대까지 확립되었으며 (표 1)  분자수준에서 “무엇이 일어나냐” 에 대한 지식은 그 이후에 엄청나게 진보해 왔다. 내가 하는 분야를 예로 들자면 대부분의 분자모터, 액틴 필라멘트의 다이나믹스를 조절하는 단백질, 마이크로튜블 등은 과거 40년간 다 발견되었다. 이 타임에 광고 한번 하자면 2002년에 출판된 본좌의 세포생물학 교과서만 보더라도  대개의 분자모터와 이를 조절하는 단백질에 대한 이야기는 잘 나와있다. 1980년에서 1990년에 이르는 황금시대에 우리의 생명현상에 대한 분자적인 기초에 대한 이해는 급격히 증대되었으며 대개의 “무엇이 일어나는가?” 에 대한 의문을 풀게 되었다.

표 1 세포생물학의 주된 의문들

1. DNA에 일차원적인 서열로 저장된 유전정보가 어떻게 복제되고 딸세포로 전이되는가
2. DNA에 일차원적인 서열로 저장된 유전정보가 어떻게 단백질과 RNA의 3차구조로 되며, 이것이 궁극적으로 어떻게 세포와 조직을 형성하는가
3. 단백질 서브유니트들로 구성된 복합체
4. 세포막이 외부환경으로부터 세포를 분리하여 생화학적으로 구분된 구역을 형성하고, 기존에 형성된 세포막의 확장으로 성장하는것
5. 시그널 – 리셉터간의 상호작용으로 어떻게 세포 구성성분이 제위치로 이동하는가
6. 확산으로 움직이는 구성성분도 있지만 에너지에 의해서 구동되는 펌프 혹은 분자모터에 의해서 이동하는 구성성분도 있다는 사실
7. 수용체와 신호전달기작에 의해서 외부 조건에 세포가 적응하는 방법
8. 분자 되먹임 메커니즘에 의한 분자조성, 성장, 분화의 조절

이렇게 세포를 구성하는 분자와 상호작용에 대한 지식이 증가했음에도 불구하고, 우리는 아직 어떤 생물학적 시스템이 작동하는지를 완전히 설명하는 단계에 이르지 못했다. 예를 들어, 핵공  (nuclear pore)를 이루는 단백질이 어떤게 있다는 것만 가지고는 핵과 세포질간의 수송현상에 대해서 이해하지 못한다. 이와 마찬가지로 이런 수송현상에 관여하는 구성요소 하나를 없애거나 양을 감소시켜 본다고 하더라도 전체적인 수송현상에 대해서 설명하기는 힘들다. 이 정도 수준의 분석만으로 생명현상을 이해할 수 있었더라면 우리는 이미 대개의 질병에 대한 메커니즘을 속속들이 알고 있었을 것이고 제약회사들은 확실한 드럭 타겟을 넘치도록 가지고 있었을 것이다. 그러나 알다시피 그렇지 못하지? ㅋ

Image

대개의 세포생물학 분야에서 아직 결여된 것이라면 어떻게 개별 분자들이 동적 시스템을 형성하여 세포로부터 궁극적으로 생명체를 형성하는지를 이해하는것이다. 이러한 동적프로세스를 이해하는 것은 단순히 무슨무슨 구성요소가 있고, 이들 간의 연결이 어떻게 되어 있는지 정도만 아는 것으로는 불가능하다. 그런 지경인데 세포생물학의 근원적인 질문, 즉 생명의 근원, 어떻게 생명이 발생되었나, 어떻게 세포와 생물이 진화하였느냐 등과 같은 근원적인 질문에 대한 답을 아는 것에는 아직 멀~었다. 

메커니즘을 이해하기 위한 전략 

다행스럽게도, 우리는 세포와 생물의 동적시스템에 대한 메커니즘을 이해하기 위해서 필요한 연구전략과 툴을 갖추고 있다. 여기서 제시한 전략은 환원주의적이되 분자의 시스템이 어떻게 상호작용하고, 단기적인 관점에서 조건에 따라서 어떻게 반응하는지, 그리고 진화적인 관점에서 어떤 여러가지 생물이 비슷한 분자들을 가지고 서로 다른 해법을 만들수 있는지에 대해서 이해하는데 중점을 두고 있다.

이 전략은 기존의 환원주의적인 연구방법론처럼 시스템을 구성하고 있는 구성성분이 무엇인지를 보는 것보다 훨씬 더 멀리 나간다. 그러나 이 방법론은 각각을 구성하고 있는 단백질 등 구성성분들이 in vitro 혹은 세포에서 어떤 활성을 지니는지에 대해서를 무시하지 않고, 중요시하게 여기고, 여기서 얻은 정보들을 수학적 모델과 시뮬레이션을 통해서 종합해 나가게 된다.  이런 전략을 구성하는 요소들 개별만으로는 어떻게 시스템이 작동하는지를 세포 혹은 개체수전에서 이해하기는 힘들다. 그렇지만 이러한 여러가지 방법론들이 한데 모여 총합적인 이해를 가지게 한다.

내가 여기서 말하는 환원론적 총합방법론은 일단 좋은 생물학적인 의문을 가지는데서 시작하고, 여기서 말하는 ‘좋은 생물학적인 의문’ 이라는 것은 첫번째로 생물학적으로 중요하면서도, 접근가능한, 즉 지금 당장 연구해 볼만한 것을 말한다. 세포생물학의 거의 모든 측면을 찾아봐도 아직 대답안된 중요한 의문들이 널려있다. 그냥 세포생물학 교과서를 아무데나 펼쳐봐도 좋고, 학회같은데 가봐도 된다. 지구에서 어떻게 생명이 기원되었는가? 어떻게 폴리펩타이드가 안정된 단백질로 폴링되는가? 어떻게 논코딩 알엔에이가 세포의 기능에 기여하는가? 어떻게 세포가 분화하고, 개체로 자기조직되는가? 지놈에 코딩된 정보만 가지고 어떻게 인간대뇌에 있는 1000조개의 뉴런이 서로 상호작용하는가? 인간 조직이 무한재생되는 것을 막는것은 어떤 기작인가?

두번째 단계는 각각의 생물학적인 프로세스에 관여하는 ‘부품 리스트’ 를 파악하는 것이다.  즉 각각의 프로세스에 관여하는 분자의 거대한 카탈로그를 만들어야 한다. 지노믹스, 유전학, 의학, 비교생물학, 생화학 등등이 모두 이 과정에 기여할 수 있다. 이런 ‘부품리스트’ 를 완전하게 파악하는 것은 여태까지 세포생물학자들의 일이었고, 앞으로도 계속될 것이다. 즉, 어떠한 생명현상에 어떠한 부품들이 관여하는지에 대한 제대로 된 리스트가 없다면 메커니즘을 이해할 수 없다.

세번째 단계는 각각의 단계에서 참여하는 분자들의 메커니즘을 규명하고, 이들이 동적시스템에서 어떻게 참여하는지를 설명하는 일이다. 주로 3종류의 어프로치가 이러한 메커니즘을 규명하는데 서로 상보적인 기여를 하게 된다. 구조, 생화학, 그리고 세포동역학이다. 일반적으로 이 3가지의 어프로치는 병행해서 이루어지게 되는데, 그렇지만 구조에서 생화학, 생화학에서 세포로의 진행이 때로는 제일 효율적인데, 그 이유는 구조로부터 얻는 정보가 생화학적 실험디자인을 도와주고, 생화학과 구조에 대한 지식이 세포수준의 실험과 의문의 질을 높여주기 때문이다.

Image

구조를 알면은요..

모든 수준에서의 구조에 대한 근본적인 정보를 얻는 것은 계속해서 세포생물학의 기반이 될 것이다. 일반적으로 여러개의 구조방법론의 조합에 의해서 대개의 메커니즘적인 의문을 풀 수 있다. X선 결정학은 이제 완전히 생물학자들이 접근할 수 있을만큼 성숙했기 때문에 흥미있는 단백질/RNA를 가지고 일하는 모든 생물학 랩은 이제 스스로 구조를 풀도록 노력해야 한다. 물론 보다 전문적인 X선 결정학자들은 다 실업자 되란 말은 아니고 ㅋ, 이런 사람들의 경우에는 방법론을 좀 더 발전시키거나 대규모의 단백질복합체와 같은 매우 힘든 구조를 푸는데 집중하면 된다. 그냥 안되는 거나 쳐박혀서 하라는거지 ㅋ NMR의 경우 적당한 규모의 분자의 구조를 풀거나 동역학에 관련된 정보를 얻는데 사용될 수 있다. 이제 분자동역학 시뮬레이션을 할 정도로 슈퍼컴퓨터가 발전하였기 때문에 이들의 세포생물학에서의 역할이 기대된다. 그러나 세포생물학에서 제일 중요한 것은 역시 electron tomography나  super-resolution fluorescence microscopy 를 이용하여 보다 높은 해상도의 세포수준의 구조를 보는 것이다.

Image

나처럼 해라라고 그냥 간단히 쓰시지 원 ㅋ

생화학은요?

첫 단계는 각각의 분자의 특성을 규명하고,특히 어떤 파트너와 결합하는지를 살펴본다. 고전적인 생화학과 유전학으로 분자간의 상호작용의 네트워크를 구축하려는 시도에 프로티오믹스와 지노믹스 방법론이 결부되면 아주 복잡한 상호작용 맵이 구성될 수 있다. 결국 이렇게 구성된 인터렉션 맵이 제대로 되었는지를 확인하는 궁극적인 방법은 각각 따로 분리된 구성성분을 합쳐서 생화학적으로 생명현상을 재구성하는 것일것이다.

분자시스템의 동역학을 이해하는데는 각각 반응의 반응속도론/열역학적인 측면에 대한 이해가 필요하다. 대개의 세포생물학자들은 이런 측정을 하는것에 그닥 익숙하지 않지만 (그러니까 물리화학 선수과목을 잘 들으라니깐), 이런 것은 의외로 간단하게 수행될 수 있다. 물론 이런 파라메터들이 손에 쥐어진다고 하더라도 구성성분이 2-3개 이상 된다면 해당 생화학 경로가 어떻게 돌아가는지 직관적으로 이해하는 것은 힘들어진다. 특히 되먹임 루프가 있는 시스템에서는 더더욱 그렇다. 그렇지만 새로운 가설을 수학모델로 만들고, 간단한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 아이디어를 테스트하는 것은 이제 가능하다. 이제 높은 수준의 수학이나 컴퓨터에 대한 지식이 없어도 세포생물학자 수준에서 다룰 수 있는 소프트웨어들이 많이 나와있다.

Image

‘간단한’ 수학모델  블로그 주인은 이 영감님이 모 페이퍼 리뷰에서 너님 간단한 수학모델로 시뮬레이션 해보지? 했지만 가볍게 개무시한 추억을 가지고있다 ㅋ
그래서 세포,세포를 보자

세포생물학자는 자신의 아이디어를 테스트하기 위해서 화학약품을 치거나, 혹은 특정한 분자에 뮤테이션을 가진 세포를 관찰해왔다. ( 여기서 유전학자와 생물물리학자의 관점이 틀리다는 것에 유념할 것. 유전학자들의 관점에서 어떠한 분자가 필수적이라는 것은 그 분자가 없으면 생물이 살아남지 못함을 의미한다. 그렇지만 생물물리학자의 관점은 해당 프로세스가 정상적인 속도로 작동하기 위해서 특정 분자가 필요하다면 해당 분자는 필수적이라고 생각한다) 이런 실험들은 대개 특정한 해당 분자가 특정 프로세스에 참여한다는 것을 알려주지만, 시스템이 어떻게 작동하는지에 대해서는 알려주지 않는다. 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하려면 특정 반응의 속도에 대한 정보가 필요하고, 그 다음에는 특정한 세포에서 반응에 참가하는 분자들의 농도에 대한 정보가 필요한데, 이런 정보는 대개 세포생물학자들이 얻기 힘든 것이었다. 이제 라이브 셀 이미징과 형광현미경의 발전에 따라서 단백질의 농도를 측정할 수 있게 되었고 세포 내에서의 반응속도의 측정의 목표가 이제 가능하게 되었다.

메커니즘에 대한 가설을 테스트하는데는 살아있는 세포의 분자의 동역학에 대한 정보가 필요하고, 외부변화에 따라서 이들이 어떻게 변화하는지가 필요하다. 라이브셀에서의 측정이 이제 필수불가결하게 된 이유라면, 세포라는 매우 밀도가 높은 환경에서 일어나는 생화학 반응이 기존의 생체외에서 측정된 생화학 반응, 즉 매우 농도가 낮은 환경에서 일어나는 것과 어떻게 틀린지를 비교해야 하기 때문이다. 대개 이런 측정은 복수의 세포에서 얻은 샘플에서 이루어졌지만, 이제는 한번에 하나의 세포에서 측정을 하는것이 필수다. 이제 유전적으로 동일한 세포도 서로 다르게 행동하고, 이러한 세포간의 차이가 생물학의 중요한 요소라는 것이 알려졌기 때문이다.

세포내에서의 동역학을 연구하는데는 여러가지 어프로치가 있다. 가령 셀사이클이나 엔도사이토시스와 같은 프로세스는 시간간격으로 어떻게 변해오는지를 계속 관찰할수 있기 때문에 상관없다. 그렇지만  전사과정이라든가 단백질 분비라든가 등등은 펄스체이스라든가 인히비터 처리라든가 등을 해서 시스템을 뒤흔들어놓고, 시스템이 어떻게 이러한 변화에 따라서 적응하는지를 보는 것이 중요하다. 뮤턴트를 잘 이용하는 것도 중요한데, 특히 생화학적으로 잘 특성이 파악된 것들에 의해서 세포동역학을 뒤흔들어놓는 것도 중요하다.

구조+생화학+세포 크로스

특정한 메커니즘에 대한 가설이 있다면 세포에서 관찰된 현상을 모델을 이용한 시뮬레이션이 재현하는지를 통해서 가설을 확인해볼수 있다. 개인적인 경험으로는, 우리가 세운 가설은 대개 이 단계에서의 검증에 통과하지 못하는 경우가 많다. 그렇지만 이런 실패를 통해서 우리는 가설의 문제점을 파악할 수 있게 된다. 일차적으로 세운 가설 추가적인 반응 혹은 좀 더 나은 파라메터를 이용하여 모델을 수정함으로써 시뮬레이션과 관찰값을 맞추어나가는 경우가 많이 있는데, 예를 보고 싶으면 나님의 랩에서 나온 논문 두 편 보삼 ㅋ

이러한 메커니즘에 대한 가설을 테스트하는데 유용한 관찰을 위해서는 매우 정교한 실험디자인이 필요하다. 가령 와일드타입 단백질이 있는 상황에서 플라스미드 가지고 형광단백질을 오버익스프레션한다든지와 같은 데이터는 정량적인 실험에서는 그닥 가치가 없다. 반면에 이제 새롭게 등장하는 테크닉 – TALEN 혹은 CRISPR – 등을 이용하면 이제 세포생물학자도 동물세포의 지놈에 코딩되어 있는 유전자에 형광단백질을 달아서 자기자신의 프로모터로 발현함으로써 정량적인 단백질발현양을 관찰할 수 있게 되었다. 요즘 대세는 기승전크리스퍼 뭐 이런 것들은 이미 효모에서는 널리 사용하고 있는 것이다. 이런 테크닉을 이용하면 단지 정량적인 단백질의 양 측정이 가능할 뿐만 아니라 어떤 tag를 달았을때 단백질의 기능을 저해하는지에 대한 정보도 알 수 있다.  이외에도 고려할 수 있는 것이라면 단백질을 변형할때 그냥 임의로 뚝딱뚝딱 잘라서 변형하는 것보다는 단백질이나 RNA의 구조 정보를 이용하여 특이적인 도메인등을 선택적으로 구조기반으로 제거하여 뮤턴트를 만드는 것들도 생각해 볼 수 있다.

Screen Shot 2014-01-08 at 9.23.35 PM

뭐 요즘은 다 기승전크리스퍼

이런 새로운 메소드는 결국 학문의 진보를 이꿀어내고, 미래에도 이러한 진보가 계속될 것이다. 결국 어떤 과학적 의문이든 깊게 파면 팔수록 새로운 개념이 등장하게 마련이다. 사실 내가 생각하기에 지금 실험생물학이 당면한 가장 큰 문제는 기술적인 문제라던가 개념적인 문제가 아니다. 최근 급속히 심화되고 있는 연구비의 문제가 생물학자로 하여금 나님이 제시한 환원주의적 통합방법론을 실제로 구현하는데 제한하고 있다고 생각한다. 기승전돈

장기적인 관점에서 볼떄

세포생물학자는 앞으로도 수십년간 우리 분야를 활발하게 유지할 수 있는 충분한 근본적이면서 메카니즘적인 과학적인 의문들을 가지고 있다. 일부 과학자들은 세포생물학에서의 메커니즘적인 연구가 그저 이미 완성된 그림에 디테일을 추가하는 것이라고 믿는데, 나는 여기서 메커니즘 연구가 세포 생물학의 미래라고 강하게 주장한다. 특히 세포생물학의 실용적인 응용을 생각하면 말이다. 이러한 세포생물학에서의 메커니즘의 탐구는 암흑물질이나 암흑에너지가 단지 있다는 것을 아는 수준이 아니라 이것의 본질을 찾고자 하는 것만큼이나 본질적인 연구라고 나는 믿는다.

3 thoughts on “세포생물학은 아직도 블링블링한가?

  1. 물리학 공부하고 컴퓨터로 밥먹고 사는 엔지니어인데요, 생물학이 요즘 뭐하는지 알 수 있는 굉장히 ㄷㄷㄷ한 글이네요. 고마워용

  2. 정말 분자생물학이 이제는 어려워지나요? 가끔 저도 환원주의에 빠져있지 않나하는 생각을 하게 됩니다.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s