모든 학문이 그렇겠지만 생물학은 하위 분야가 상당히 많습니다. 그리고 다른 학문에 비해 그 구분이 모호하게 느껴졌는데요. 아마 제가 학부 때 전공이 생명공학이라 주워들은 건 많고 아는 건 없기 때문인 것 같습니다. 그럼에도 정리를 해야하기 때문에 제 나름대로 생물학을 다음과 같이 세 가지 질문으로 나누어보았습니다.
① ‘생명체는 어떻게 생겼고, 어떻게 작동하는가?’ - 해부학, 세포학, 분류학, 생리학
② ‘생명은 어떻게 이어지는가?’ - 유전학, 분자생물학
③ ‘생명체는 어떻게 다양하게 변해왔는가?’ - 진화생물학, 생물지리학, 계통학
이번 글에서는 이 중 ‘생명체는 어떻게 이어지는가’에 대한 생물학의 역사를 조사해보았습니다. 이 질문에 대한 역사는 유전의 법칙을 찾는 단계에서 시작해, 유전자의 실체 확인과 구조 해명, 정보 해독을 거쳐, 직접 편집하는 단계로 이어지는데요. 고등학교 때 생물을 공부하셨더라면 익숙한 내용들이 많을 겁니다.
Fig.1 아무것도 몰랐던 시기
고대 그리스 사람들은 유전과 발생을 신비한 힘이 아니라 물질의 작용으로 설명하려 했습니다. 피타고라스 *Pythagoras* 는 남성의 정액이 온몸을 돌며 각 부위의 정수를 모아 자궁 속에서 태아가 된다고 생각했습니다. 하지만 이 설명으로는 딸의 생식기관처럼 아버지에게 없는 형질이 어떻게 전해지는지 설명할 수 없었습니다. 그래서 아리스토텔레스*Aristotle* 은 남성의 정액이 태아를 만드는 명령문 역할을 하고, 여성은 그 명령을 수행할 재료를 제공한다고 주장했습니다.
한편 아낙사고라스*Anaxagoras* 는 몸을 이루는 작은 씨앗 같은 요소들이 정액 속에 들어 있으며, 자궁 안에서 발달한다고 설명했습니다. 히포크라테스*Hippocrates* 는 각 신체 부위에서 나온 체액이 성기로 모여 정액을 형성한다고 믿었습니다. 이처럼 고대의 이론들은 제각각 달랐지만 공통적으로 유전 현상을 눈으로 볼 수 없는 무언가의 물질적 전달로 이해하려 했다는 점에서 의미가 있었습니다.
근대에 현미경이 등장했지만, 세포보다 작은 유전 단위는 여전히 관찰할 수 없었습니다. 그래서 정자나 난자 속에 이미 작은 인간이 들어 있다고 본 선재론, 성체의 모습을 미리 결정하는 구조가 있다고 본 전성론, 그리고 형체 없는 물질에서 점차 형태가 나타난다고 본 후성설이 여전히 경쟁했습니다.
Fig.2 멘델도 몰랐던 멘델의 유전 법칙
① 멘델의 재발견
유전의 개념은 1865년 그레고어 멘델*Gregor Mendel* 에서 부터 시작합니다. 멘델은 오늘날 ‘유전학의 아버지’로 불리지만, 정작 그는 유전에 특별한 관심을 가진 사람은 아니었습니다. 1865년 발표한 ≪식물의 잡종화에 관한 실험들≫ 에서 그가 탐구하려 한 것은 유전 법칙이 아니라 ‘잡종이 새로운 종을 만들 수 있는가’였습니다. 결론은 “잡종으로는 새로운 종이 만들어지지 않는다”였고, 이 논문에 담긴 유전학적 의미를 당대에는 멘델 본인을 비롯해 아무도 눈치채지 못했습니다.
1900년에 이르러서야 프리스*Hugo de Vries* 와 코렌스*Carl Correns* 가 멘델의 연구 속에 유전에 관한 중요한 단서가 들어 있음을 발견했습니다. 당시까지는 부모의 몸에서 나온 액체들이 서로 화학적으로 혼합되어 자손을 만들어 낸다는 생각이 널리 퍼져있었습니다. 그러나 더프리스와 코렌스는 형질이 독립된 단위로 존재하며 안정적으로 유전된다고 주장했습니다. 이로써 유전자 개념이 싹트기 시작했습니다.
② 염색체설의 등장
1903년 서턴*Walter Sutton* 과 보베리*Theodor Boveri* 는 현미경으로 세포분열 과정을 관찰하면서, 염색체가 일정한 수로 짝을 이루어 분리된다는 사실에 주목했습니다. 이는 유전자가 염색체 위에 있다는 가설, 즉 염색체설로 이어졌습니다. 1906년 베이트슨*William Bateson* 은 ‘유전학’이라는 용어를 처음 사용했고, 1909년 요한센*Wilhelm Johannsen* 은 ‘유전자’라는 말을 제안하면서 표현형과 유전형을 구분했습니다. 이 구분은 멘델의 법칙을 현대적으로 정립하는 데 중요한 역할을 했습니다. 하지만 그럼에도 불구하고, 유전자가 염색체 위에 있다는 ‘염색체설’은 여전히 논쟁거리였습니다.
③ 염색체설의 확립
이 논쟁을 정리한 인물은 토머스 모건*Thomas Morgan* 이었습니다. 1910년 그는 초파리를 연구하면서 그는 우연히 흰 눈을 가진 돌연변이 개체를 발견했고, 그 돌연변이가 멘델의 법칙대로 유전된다는 사실을 확인했습니다. 특히 모건은 흰 눈 돌연변이가 성별에 따라 다르게 나타나는 것을 보고, 눈 색깔을 결정하는 유전자가 성염색체, 특히 X염색체 위에 있다는 것을 밝혀냈죠. 이 발견은 유전자가 실제로 염색체 위에 배열된 물질이라는 점을 확증한 것이었습니다. 이 성과로 모건은 1933년 노벨 생리·의학상을 수상했습니다. 또한 그의 제자 알프레드 스터티번트*Alfred Sturtevant* 는 1913년에 유전자 간 교차 빈도를 활용해 최초의 유전자 지도를 작성했습니다.
④ 양적 형질
한편 작은 부모 밑에서 키 큰 자녀가 태어나기도 하는 것처럼, 키나 몸무게처럼 수치로 나타나는 형질은 단순한 멘델 법칙으로 설명되지 않았는데요. 1913년 이스트*Edward East* 와 에머슨*Rollins Emerson* 은 옥수수와 담배 교배 실험을 통해 여러 유전자가 조금씩 더해져 작용하면 양적 형질도 멘델의 법칙에 따라 설명될 수 있다는 사실을 보였습니다. 실제로 그들의 실험에서 얻어진 자손들의 키 분포는 정규분포 곡선을 그렸습니다. 이는 멘델 법칙이 ‘특수한 경우’에만 적용되는 것이 아니라, 생명 전반에 걸친 보편 원리임을 입증한 것이었고, 유전학을 독립된 학문으로 정착시키는 결정적 계기가 되었습니다.
Fig.3 DNA와 단백질 무엇이 유전물질인가
① 형질전환의 발견
유전물질의 정체는 오랫동안 풀리지 않은 수수께끼였습니다. 1928년 영국의 세균학자 프레더릭 그리피스*Frederick Griffith* 는 당시 스페인 독감 유행으로 주목받던 폐렴구균을 연구했습니다. 그는 껍질을 가진 병원성 S형과 껍질이 없어 병원성이 없는 R형을 구분했습니다. S형을 쥐에 주입하면 쥐는 죽었고, R형을 주입하면 살아남았습니다.
그런데 열처리해 죽인 S형과 살아 있는 R형을 함께 주입했을 때, 쥐가 죽었고 부검 결과 몸속에서 살아 있는 S형이 발견되었습니다. 죽은 S형 속의 어떤 물질이 R형에 전달되어 R형이 S형으로 변한 것이었습니다. 그리피스는 이를 ‘형질전환(*transformation*)’이라 불렀습니다. 이 실험은 유전자가 추상적 개념이 아니라 세포 사이를 오가는 구체적 화학물질임을 처음으로 보여준 사건이었습니다.
② DNA의 증거
그리피스의 발견을 더욱 정교하게 발전시킨 사람은 오스월드 에이버리*Oswald Avery* 였습니다. 1944년 에이버리와 동료들은 ≪폐렴구균 형질전환 물질의 화학적 본질에 관한 연구≫라는 논문에서, 폐렴구균의 S형 DNA가 R형 세균을 살아 있는 S형으로 바꾼다는 것을 보여주었습니다. 이로써 형질전환을 일으키는 원리가 DNA라는 점이 증명된 것이었습니다.
하지만 이 발견은 당시 크게 주목받지 못했습니다. 당시 학계는 유전물질의 후보로 단백질을 더 유력하게 생각했습니다. 단백질이 구조가 복잡하니, 생명의 복잡성을 설명하기에 더 적합하다고 여겼기 때문이었습니다. 반면 DNA는 단순하고 하찮은 분자라 여겼죠.
에이버리의 연구에 자극받은 에르빈 샤가프*Erwin Chargaff* 는 DNA 염기를 정밀 분석하여 아데닌의 양은 티민과, 구아닌의 양은 사이토신과 항상 같다는 사실을 밝혔습니다. ‘샤가프의 법칙’이라 불린 이 결과는 DNA의 구조를 해명하는 결정적 단서가 되었습니다.
1952년에는 앨프리드 허시*Alfred Hershey* 와 마사 체이스*Martha Chase* 가 박테리오파지를 이용한 실험을 합니다. 단백질에는 방사성 황(³⁵S), DNA에는 방사성 인(³²P)을 붙여 추적했더니, 세균 안으로 들어간 것은 단백질이 아니라 DNA였습니다. 이로써 DNA가 실제로 세포 안에서 유전정보를 전달하는 물질임이 확정적 증거로 입증되었습니다.
③ 이중나선 구조의 발견
왓슨*James Watson* 과 크릭*Francis Crick* 은 샤가프가 발견한 “아데닌은 티민과, 구아닌은 사이토신과 항상 짝을 이룬다”는 규칙과, 로절린드 프랭클린*Rosalind Franklin* 이 X선 회절 사진으로 보여준 나선형 패턴을 토대로 DNA의 이중나선 모델을 제시했습니다. 두 가닥이 상보적으로 결합한다는 구조는 DNA가 복제되는 원리를 자연스럽게 설명했습니다. 한 가닥만 있으면 다른 가닥이 재현될 수 있음을 보여준 것이죠. 이는 곧 DNA가 정보를 저장하고 세대 간에 전달할 수 있는 분자라는 사실을 명확히 했습니다. 이 발견은 곧바로 분자생물학의 기본 원리, 즉 ‘DNA → RNA → 단백질’이라는 정보 흐름(센트럴 도그마)의 출발점이 되었습니다. 이 업적으로 왓슨과 크릭, 그리고 프랭클린의 동료였던 모리스 윌킨스*Maurice Wilkins* 는 1962년 노벨상을 수상했습니다. (프랭클린은 1958년 사망하여 수상 대상에서 제외되었습니다.)
④ DNA가 단백질이 되기까지
왓슨과 크릭 이후 과학자들은 DNA가 실제로 어떻게 복제되고 단백질로 발현되는지를 구체적으로 규명하기 시작했습니다. 이로써 생명현상을 물질적·화학적 언어로 설명할 수 있는 길이 열렸고, 분자생물학은 20세기 생명과학의 중심 학문으로 부상하게 되었습니다.
- 1958년 메셀슨*Matthew Meselson* 과 스탈*Franklin Stahl* 은 DNA가 복제되는 방식을 직접 증명했습니다. 그들은 질소 동위원소(¹⁵N, ¹⁴N)를 이용해 DNA가 세대를 거치며 어떻게 나뉘는지를 살펴보았습니다. 그 결과 DNA의 두 가닥이 갈라져서 각각 새로운 가닥의 설계도가 된다는 사실이 확인되었습니다. 이를 ‘반보존적 복제’라고 부릅니다.
- 1961년 니렌버그*Marshall Nirenberg* 는 우라실(U)만으로 된 RNA(Poly-U)를 세포에서 단백질을 만드는 장치들(리보솜, 효소 등)을 모아놓은 혼합물에 넣었습니다. 그러자 오직 페닐알라닌 아미노산만으로 이루어진 단백질이 합성되는 것이 확인되었습니다. 이로써 ‘UUU’라는 염기 서열이 페닐알라닌을 의미한다는 최초의 유전 암호가 밝혀졌습니다. 이어 다른 조합들도 해독되어, DNA의 64개 암호 조합이 단백질을 만드는 20개의 아미노산과 어떻게 연결되는지 밝혀냈습니다.
- 같은 시기 자코브*François Jacob* 와 모노*Jacques Monod* 는 세균 연구를 통해 DNA 속 유전자가 단순히 켜져 있는 것이 아니라, 상황에 따라 켜졌다 꺼졌다 할 수 있다는 사실을 보여주었습니다. 이를 오페론 모델이라고 부릅니다. 세포는 필요한 단백질이 있을 때만 해당 유전자를 작동시키고, 필요 없을 때는 꺼버리는 것이죠. 이 발견으로 생명체가 단순히 정보를 저장하고 복제하는 수준을 넘어, 정보를 정교하게 조절한다는 새로운 이해가 열렸습니다.
Fig.4 DNA, 이해를 넘어 조작으로
1970년대에 과학자들은 DNA를 단순히 관찰하는 것을 넘어 직접 다루기 시작했습니다. 박테리아는 낯선 DNA를 잘라내는 제한효소와 잘린 DNA를 붙이는 연결효소라는 방어 체계를 가지고 있었는데, 이를 연구자들이 도구로 활용하게 된 것입니다. 1972년 폴 버그*Paul Berg* 는 이 효소들을 사용해 서로 다른 바이러스의 DNA를 절단하고 결합하여, 역사상 최초의 재조합 DNA를 만들었습니다. DNA가 더 이상 자연이 정해놓은 산물이 아니라, 인간이 의도적으로 설계하고 조작할 수 있는 대상임이 드러난 순간이었습니다. 이 발견은 곧 안전성 논란을 불러왔고, 1975년 전 세계 과학자들이 모여 재조합 DNA 연구의 규제 원칙을 논의했습니다.
곧이어 스탠리 코헨*Stanley Cohen* 과 허버트 보이어*Herbert Boyer* 는 세균 속에 있는 작은 고리 DNA인 플라스미드를 유전자 운반 도구로 활용했습니다. 원하는 유전자를 잘라 플라스미드에 삽입한 뒤 세균에 넣으면, 세균이 그 유전자를 자기 것처럼 복제했습니다. 이 방법으로 세균을 특정 단백질을 대량 생산하는 공장처럼 활용할 수 있게 되었습니다. 이 연구는 DNA 연구를 단순한 실험실 단계에서 산업과 의학으로 연결시키는 길을 열었습니다.
보이어는 사업가 스완슨*Robert Swanson*과 제넨텍*Genentech* 이라는 회사를 창립해 플라스미드 재조합 기술을 적용합니다. 사람 인슐린을 생산하는 데 성공했고, 1982년 미국 식품의약국은 이를 세계 최초의 단백질 의약품으로 승인했습니다. 돼지나 소에서 얻은 인슐린에 의존하던 환자들이 안전하고 대량으로 생산된 인슐린을 공급받을 수 있게 되었고, 이는 생명공학 산업의 출발점이 되었습니다.
21세기에 들어 연구는 합성과 편집 단계로 확장되었습니다. 2002년에는 소아마비 바이러스 DNA를 합성해 실제로 감염 가능한 바이러스를 만들었고, 이후에는 세균과 효모의 유전체까지 합성하여 인공 세포가 등장했습니다. 2012년에는 CRISPR-Cas9 기술이 개발되어 DNA의 원하는 부분을 정밀하게 잘라내거나 교정할 수 있게 되었습니다. CRISPR는 농업, 의학, 환경 문제 등 폭넓은 분야에 응용될 수 있는 획기적인 도구로 자리 잡으며, 현대 생명과학을 대표하는 기술이 되었습니다.
하지만 DNA의 염기서열을 알고, 조작할 수 있다는 것만으로는 생명현상의 복잡성을 설명할 수 없었습니다. 이를 잘 보여주는 것이 인간게놈프로젝트입니다. 1990년 시작된 인간게놈프로젝트는 “인간 DNA의 모든 염기서열을 알면 생명의 비밀을 이해할 수 있다”는 믿음으로 시작해 2003년 인간 게놈 서열을 완성시켰죠. 그러나 예상과 달리 인간 유전자의 수는 약 2만~2만5천 개에 불과했고, 단순한 염기 배열만으로는 생명현상의 복잡성을 설명할 수 없다는 사실이 드러났습니다. 이후 연구의 초점은 개별 유전자가 아니라, 유전자들이 서로 얽히고 협력하는 네트워크로 옮겨졌고, 이는 유전체학의 탄생으로 이어졌습니다.
Reference.
- 전주홍. (2023). 역사가 묻고 생명과학이 답하다. 지상의책.
- 전주홍. (2025). 역사가 묻고 의학이 답하다. 지상의책.
- 쑨이린. (2012). 생물학의 역사. 더숲.
- Lindeboom, G. A. (2011). A short history of physiology. *Acta Physiologica, 202*(4)
- Acta Physiologica 2011 Scandinavian Physiological Society,
- 정진원. (2004). 생화학의 탄생과 역사-화학과 생명현상의 만남. 사이언스타임즈. URL :
https://www.sciencetimes.co.kr/nscvrg/view/menu/263?searchCategory=232&nscvrgSn=10892- 동아사이언스. (2015). 1973년 허버트 보이어 교수의 제한효소를 이용한 재조합DNA 실험. 동아사이언스. URL :
https://m.dongascience.com/news.php?idx=8277- 정성욱. (2017). 20세기 유전학: 멘델에서 인간게놈프로젝트까지. PhiLoSci Wiki. URL :
http://zolaist.org/wiki/index.php/20세기_유전학:_멘델에서_인간게놈프로젝트까지