**** DNA 의 비밀 ***

건국대학교: 김종배 교수

우리 속담에 [콩심은 데 콩나고 팥심은데 팥난다]라는 말이 있다. 아무리 무식한 사람이라도 이것이 틀렸다고 말할 사람은 없리라. 이것을 생물학적으로 표현하면 유전현상이라는 것이다. 그런데 콩심은 데 왜 팥이나지않고 꼭 콩이 날까 이것을 가능하게 하는 세포내 물질은 무엇일까?설령 그런 물질이 존재한다고 하더라도 그것이 어떻게 결코 팥이 아니라 콩이 되게 하는 정보를 그대로 자손에게 물려줄 수가 있단 말인가.

이런 의문들은 오랫동안 생물확의 풀지 못한 숙제로 남아왔으나 1950년대 후반에 들어서면서부터 비로소 비밀에 싸여있던 베일이 조금씩 풀리기 시작했다.

그러나 막상 뚜껑을 열어 본 결과는 세포핵속에 존재하는 다소 진득진득한 점액성 물질인 DNA 라는 비교적 간단한 구조의 화합물에 의하여 모든 생물의 유전이 이루어지고 있음을 알게 되었다.

그러나 DNA의 구조가 밝혀지고 그 기능들이 하나 둘씩 밝혀짐에 따라 다시한번 생명체의 신비로움을 깨닫게 하는 결정적 계기가 되었으며 분자생물학이라는 새로운 학문의 장이 열리게 되었다.

DNA 를 일컬어 [생명의 실][생명의 설계도][생명의 근원적 물질][유전정보의 저장고][T염색체]등 다양하게 묘사되고 있다. 그러면 이런 다양한별명을 갖고 있는 DNA 는 무엇으로 되어 있으며 어떤 구조를 갖고 있는지알아보도록 하자.

" 콩심은데 콩난다"

단백질의 구성단위가 20가지의 아미노산인데 반하여 DNA 는 뉴클레오타이드(Necleotide)라고 하는 구성단위가 수없이 많이 연결되어 있는 거대 분자의 하나다. 뉴클레오타이드는 탄소수가 5개인 5탄당(Pentose) 의 일종인 디옥 시리보스(Pentose) 의 일종인 디옥시리보스(Deoxyribose:rr-bose에서 산소가 없는 형태) 인산(Phosphorrc acid) 그리고 염기(Base)라고 불리는 질소화합물로 구성되어 있다.

또한 염기에는 DNA 의 경우 아데닌(Adenine:A)구 아닌(Guanine:G) 시토신(Cytosine:C)티민(Thymine:T) 의 4종류가 있고 RNA 의 경우는 4가지염기중 3가지는 같고 티민이 우라실(Uracil:U)로 대체되어 있고 5탄당에서산소가 첨가된 리보스(Ribose)로 되어 있는 것이 다른 점이다. 박테리로파지 1*174라고 하는 바이러스는 5천3백86개의 뉴클레오타이드로 되어 있으며 4종류의 염기를 의미하는 첫글자 즉 ATGC 로 띄어 쓰지 않고 표기하더라도 20CM*25CM 책 1쪽이 된다. 약 4백만개의 염기쌍으로 이루어져 있는 대장균의 경우 작은 활자를 사용하더라도 7백40쪽에달하게 될 것이다. 사람의 경우 46개 염색체의 전체 염기쌍 (약 60억)을마찬가지로 인쇄한다고 하면 약 1백만쪽에 달하는 즉 1천쪽자리 책 1천권에 해당하는 상상을 초월하는 방대한 양이 된다. 그러나 이 염기쌍을 연결하면 불과 2M 밖에 되지 않는다고 하니 다시 한번 이것을 만드신 그분의 솜씨에 감탄을 하지 않을 수 없다.

그런데 2M 밖에 안되는 길이에 60역개의 염기쌍을 연결하고 일정한 순서대로 배열해서 눈에도 보이지 않는 세포내의 핵속에 넣을 수 있을까.

이에 대한 해답은 왓슨과 크릴이 1953년 그 유명한 현대생물학의 새로운이정표를 마련하게 된 [DNA 의 이중 나선(Double Helix) 구조설]을 발표함으로써 풀리게 되었다. DNA 의 3차구조를 결정한 왓슨은 당시를 다음과 같이 회고하고 있다.

[이튿날 당장 책상위를 말끔히 치우고 수소결합으로 연결되는 염기쌍을늘어놓기 위해 넓고 평평한 장소를 마련했다.... 나는 여러가지 가능성을 고려해서 염기들을 이리저리 움직이기 시작했다. ....나는 승천하는 기분이었다. 그것은 지금 이 순간에 비로소 이중나선구조의 수수께끼가 풀린다고 느꼈기 때문이다.... 우리는 깊은 행복감을 맛보면서 점심을먹고 이처럼 아름다운 구조가 존재하지 않을리 없다고 이야기했다]* 전체길이 고작 2M *

과학사에 큰 획을 그었고 세기의 사건이라고까지 평가를 받는 일을해낸 사람들이 변이다. 그러나 따지고 보면 그들이 해낸 것은 이미 창조주께서 만들어 놓으신 것을 밝혀냈다는 것 뿐이지 그들 자신이 새롭게 만들어 낸 것은 결코 아니라는 사실이다. 그들의 업적을 과소평가하려는것은 결코 아니다. 정녕 높임을 받아야 할 분은 이미 창조되어 있는 무한한 것들 중의 조그마한 한부분을 발견한 우리 인간이 아니라 무한한 것을 창조하신 바로 그분이라는 너무나 당연한 사실을 말하고 싶을 따름이다.

DNA 분자는 두가닥의 실이 꼬여 있는 이중나선계단 모양으로 와트슨과크릭이 묘사했듯이 조금도 흐트러짐이 없이 너무나 아름답게 구성되어있다. 인산과 당이 뼈대를 이루고 염기가 그 단을 만들고, 각 단은 그 중앙부분에서 두가닥에서 나온 염기가 수속결합에 의해 염기쌍을 이루고있다. 그 염기쌍들은 아무렇게 짝을 이루는 것이 아니라 아데닌(A) 은 언제나 티민(T) 과 구아닌(G) 은 언제나 시토신(C) 과 결합을 해서 각 단은 AT.GC.CG.TA.AT...라는 식으로 갖가지 순서로 온갖 조화를 연출해 낼수 있는 능력을 갖추기위해 인간의 경우 약 60억쌍이 이어지게 된다.

단백질의 경우에서 이미 보았듯이 구성하고 있는 아미노산의 배열순서가 일정하듯이 60억쌍이나 되는 염기의 배열순서도 아무렇게 나열되어있는게 아니라 일정한 순서에 입각한 의미있는 배열이 되어야 한다는 사실은 이젠 그렇게 놀라운 일이 아닌 상식이다. 순서대로 배열되기 위해선 반드시 이를 위한 기본설게가 있어야 하고 설계를 한 주체자가 있어야함도 너무나 당연한 이치임을 다시 한번 강조하고 싶다.

DNA 를 유전자들의 총합체라고 간단히 정의한다면 유전자(Gene)란 ? 분자생물학적 어려운 정의가 아닌 간단히 말하면 단백질을 합성하는 정보체라고 할수 있겠다. 즉 어떤 아미노산을 어떤 순서로 배열하라는 명령 을 내리는 수뇌부요 지휘통제부의 구성원들이라고 말할 수 있다. 사람의경우 유전자가 몇개 있는지 아직 정확히 알지 못한다.

박테리아 대장균의 경우 약 3천-5천개 정보 갖고 있으며 사람은 DNA 크기로 따질 때 약 1천만배, 즉 약 3백만 내지 5백만개가 되지 않을까 추정할 뿐이다.

[그런데 DNA 는 핵속에 있고 단백질합성은 핵바깥 즉 원형질내에 있는기보좀에서 이루어 지는데 어떻게 자기의 정보를 리보좀에 전달하느냐][ 세포가 분화 발달해 갈 때 어떻게 자기의 것을 후蒁에 전달하는가] 등의질문은 비단생물학을 전공하는 사람이 아니라해도 자연스럽게 나올 수있는 의문이리라. 이에대한 해답을 얻고자 하는 것이 현대 분자생물학의연구대상이라 할 수 있겠고 어느 정도의 기본윤곽은 밝혀져 있다.

유전자로서의 DNA 의 역할이 밝혀지면서, 생물체의 생물로서의 기능을수행하게 하는 가장 대표적이고 중요한 생체분자인 단백질과의 상호 관련성도 밝혀지게 되었다. 즉 DNA 는 자기와 똑같은 DNA를 복제할 수도있고 (생체내에서 복제능력이 있는 분자는 DNA 뿐이다)또한 자기가 갖고있는 유전정보를 RNA(mRNA) 라고 함 - 이를 핵밖에 있는 리보좀에 보내어 리보좀에 보내어 리보좀으로 하여금 전달된 정보에 따라 정확하게 20문자의 알파벳으로 된 단백질 구조로 번역되는 소위 유전정보전달과정상의3가지 주요단계 즉 복제-전자-번역과정의 중심윈리가 밝혀지게 되었다.

* 단밸질이 복제 전사 *

그런데 이 과정에서 진화론자들을 당황하게 만드는 사실은 비록 단백질이 DNA 의 정보로부터 만들어지지만 그 단백질이 없으면 DNA는 복제도전사도 될수 없다는 점이다. 하나의 DNA를 복제하는 데만도 약 70여가지의 효소가 필요하다고 알려져 있다.

효소란 촉매기능을 갖는 단백질 분자인데 그렇다면 이들 단백질은 유전자의 지령없이 어디서 왔단 말인가? 즉 [DNA 가 먼저냐 단백질이 먼저냐]하는 결코 풀수 없는 문제에 부딛치게 된다. [닭이 엄저냐 알이 먼저냐]를 놓고 왈가왈부하는 격이다.

진화론자들은 진화의 과학적 근거를 제시할 수 있는 것처럼 선전하고있고 또한 학교에서 가르치고 있지만 이런 원리적인 질문엔 전혀 납득할만한 설명을 주지 못하고 있다. 처음부터 완벽한 설계에 의해 만드신 그분을 인정치 않는 한 설명은 불가능하리라 믿는다. 그분을 인정하고 내 입으로 고백할 때 문제의 실마리는 쉽게 풀릴 뿐만 아니라 나는 왜 만들어졌는가에 대한 해답마저 얻을 수 있음을 전하고 싶다.

[우리 주 하나님이여 영광과 존귀와 능력을 받으시는 것이 합당하오니주께서 만물을 지으신지라 만물이 주의 뜻대로 있었고 또 지으심을 받았나이다 하더라] (계 4:11)

DNA 가 자기가 갖고 있는 유전정보를 다음 세대. 즉 후손에게 전하기 위해서는 자기이 것을 그대로 하나의 착오도 없이 정확하게 복제해야한다. 60억개나 되는 염기쌍을 배열순서 하나 착오없이 꼭같이 복제를 한다고 생각해 보자.

* 60억배열 착오없이 *

아직 우리들은 그 배열순서조차 모르고 있지만 배열순서를 다 결정해서 책으로 엮어도 1천쪽자리 책 1천권에 해당하는데 그것을 보고 순서대로연결할 경우 하나도 틀림없이 과연 배열할 수 있을까 이제 한달후면 대학입시 학력고사가 치러진다. 시험감독을 하면서 대개의 문제지에 먼저답을 표시하고 나중에 답지에 적는 경우가 많다. 만약 이때 문제번호를확인하지 않고 순서대로 적는 경우 중간에 하나라도 빠뜨리게 되면 그이후는 거의 틀릴 수 밖에 없다. 마치 단추를 끼울 때 첫번단추를 잘못 끼우면 끝이 안맞는 것처럼..

불과 1백개도 안되는 문제에도 그렇게 온갖 정성을 다 쏟아서 하더라도매년 보면 한두명씩은 이런 실수로 발을 동동구르는 학생이 나오기 일쑤다. 그런데 하물며 60억개나 되는 것을 하나 틀림이 없이 순서대로 만들어 낼 수 있을까 기계로 한다 하더라도 결코 쉽지 않을 것이며 설령 그런 기계가 있다손 치더라도 몇 년 아니 몇개월 못가서 고장이 나면 엉망이 될 것이다.

이 배열선수가 조금이라도 이상이 생기면 유전병을 비롯한 각종 치명적인 병을 야기시키기도 한다. 우리의 인체는 약 1백조개의 세포로 되기위해선 최소한 1백조번의 복제를 해야 한다. (실제로 그 이상이다) 고장한번 일으킴이 없이 이런 엄청난 일을 해낼 수 있는 정밀한 기계는 이상엔 없다.

대장균의 DNA 복제에 있어서 1억내지 10억 염기쌍당 한개 이상의 오류가 없다는 것이 연구로 증명됐다. 이것은 1만마리의 박테리아가 한번 분 열을 하는데 단 한기의 잘못된 염기만 들어있다는 계산이 된다. 그 정확성이란 가히 감탄을 자아내고도 남음이 있다.

더욱 놀라운 것은 비록 오류가 생기더라도 그 오류를 정정하 구 있는장치가 있어 그것도 순식간에 해낸다는 사실이다.

완벽에 완벽을 기하신 창조주의 놀라운 솜씨에 정녕 무릎을 꿇지 않을수가 없다. 아닉 복제의 과정을 완전히 밝혀지지 못하고 있지만 지금까지 밝혀낸 과정을 볼 때 결코 간단한 것은 아니다. 너무 전문적인 내용이라는 이곳에선 더이상 언급을 하지 않겠지만 공부를 하면 할수록 내가 얼마나 기이하게 만들어졌는가를 실감할 따름이다.

* 복제오류땐 곧정정 *

기능적인 측면에서 볼 때 DNA 는 단백질합성을 위한 정보의 저장고라고 할 수 있다. 그러면 어떻게 자기의 정보를 핵밖에 있는 단백질 합성공장인 리보좀(ribosome)에 전달하느냐는 으문을 제기할 수 있다. DNA가직접 전달을 하지 못한다. 즉 자기가 갖고 있는 정보를 mRNA 형태로 바꾸어 (이 과정을 전사라고 함) 이 전령으로 하여금 그때 그때 필요에 따라 리보좀으로 보내어 단백질을 합성하게 되는 것이다.

이 mRNA 가 합성될 때는 DNA 를 주형으로 하여 RNA 중합효소 (polymer-ase) 에 의해서 이루어진다. 세균감염으로 생기는 염증을 치료키 위해사용하는 항생제중 악티노마이신(Actinomycin)D 나 리팜피신(Rifamoicin) 등은 바로 이 효소의 작용을 저해하는 물질들이다. 즉 효소들의 작용이저해되면 DNA-mRNA 고장이 차단되며 생존에 필요한 각종 단백질 합성이이루이지 않아 세균들은 죽게 되는 것이다.

갖가지 생물활성과 종의 특이성을 갖게 하는 단백질이 어떻게 생체내에서 합성되어지는가 이에 대한 해답은 생화학의 역사 가운데 최대 난제의하나였다. 불과 50년전만 하더라도 이에 대한 실마리조차 찾지 못했다.

오늘날에는 많은 것이 알려져서 유전공학(Genetic Engineering)이라는새로운 첨단과학분야까지 탄생하기에 이르렀다. 유전공학을 한마디로 정확하게 정의하기 어렵지만 간단히 말해서 성장호르몬 인슐린과 같은 생체내에서 중요한 기능을 갖는 단백질을 시험관내에서 만들어 내는 기술이라고 할 수 있다.

* 생성과장 매우 복잡 *

여기에 관해서는 추후 다시 이야기 하기로 하고 단백질 합성이 어떻게이루어지는지 간략히 살펴보기로 하자 하나의 단백질이 합성되기 위해서는 3백여종의 각기 다른 거대분자가 협력을 해야하기 때문에 결코 간 단한 과정이 아닌 복잡한 과정을 통해서 이루어진다. 그러나 이런 복잡성에도 불구하고 일사불란하게 단백질은 상상을 초월하는 매우 빠른 속도로 만들어 진다는 사실이다. 어떻게 합성을 해야한다는 암호문서를DNA로부터 mRNA 가 리보좀에 도달하게 되면 리보좀은 즉가 단백질합성을 위한 준비태세를 갖추게 된다.

이어서 DNA 로부터 받은 지령에 의거 mRNA 가 갖고 있는 암호문에 따라tRNA (아미노산을 선발해서 수갑을 채워 리보좀으로 데리고 오면 그다음아미노산이 또 다른 tRNA에 이끌리어 온다. 그러면 이서 리보좀내에선첫번째 이끌려 온 아미노산과 두번째 들어온 아미노산이 연결되는 작업이이루어지게 된다.

이 일이 이루어지고 나면 tRNA가 또다른 아미노산을 물고 들어오고 이미 2개의 아미노산이 연결되어 있는 것에 세번째 아미노산이 연결되는일련의 연속적인 작업이 그야말로 눈깜짝할 사이에 일어난다. 1백개의 아미노산으로 이루어진 단백질을 합성하는데 불과 5초밖에 걸리지 않는다고 하니 이 복잡한 과정이 얼마나 신속히 이루어지는지 가히 짐작이 가고도 남으리라 1975년 이스라엘로 유학을 가서 단백질 생합성에 관한 강의를 듣고 공부를 하면서 이런 일이 과연 우연히 일어날 수 있을까를 심각하게 반문하고 골똘히 생각했던 것이다.

* 3개염기가 1단위 *

그전까지만 해도 학교에서는 우리 인간이 우연히 오랜세월에 걸쳐서진화되었다고 배웠고 아무 비판없이 당연한 것으로 받아들였다. 또한 과학적으로도 아무런 하자가 없는 것으로 알았는데... 그런데 단백질 생합성과정을 공부하면 할수록 복잡하지만 그속에는 정교한 너무나 정교한 규칙과 질서가 있고 아무리 생각해도 도저히 우여히 저절로 될 수 없다는사실을 인정하지 않을 수 없었기 때문이다. 그러나 내 마음 한구석에선계속 엄연한 사실을 부정하고 싶은 그 무엇이 꿈틀거리고 있었다. 이 갈등의 문제도 너무나 쉽게 해결되었다.그야말로 너무나 쉽게.. 사실을 사실로 인정하고 내 입으로 고백하고 나니 갈등은 말끔히 사라지고 전에느끼지 못한 평온함을 맛볼 수 있었다.

우리 인간이 이룬 과학의 업적 가운데 특히 생화학분야에서 가장 괄목할 만한 거시 중의 하나는 DNA 가 갖고 있는 유전정보의 암호문을 해독할 수 있게 되었다는 것이다. 즉 DNA 염기배열에서 어떤 염기배열이 어떤 아미노산을 지령하는가를 알게 되었다는 점이다. 알고보니 3개의 염기가 1조가 되어 하나의 아미노산 암호단위(Genetic Code) 를 형성하는것이 64가지가 있으며 이 암호문은 모든 생물체에 공통으로 사용되는 언어라는 사실이도 밝혀지게 되었다. 이것을 두고 진화론자들은 모든 생물은 공통조상을 가졌다는 좋은 과학적 근거라고 말하지만 해석하기 나름이다. 오히려 난 이렇게 말하고 싶다. [창조주는 한 분이시기에 같은 물질로 같은 원리하에서 그러나 다양한 이세계를 창조하신 그 분의 솜씨를보라...] 고

* 탐구할수록 더 신비 *

어떻게 표현해야 이 정교함 질서 규칙 완벽성을 독자들이 이해할 수있을까 그저 나의 부족한 문장력이 안타까울 뿐이다. 내게 표현할 수 있는 말은 신묘막측하다는 말 위에는 표현할 길이 없다. 더욱 놀라운 사실은 생체내에서 일어나는 단백질 합성이 무한정, 아무통제력없이 일어나는 것이 아니라 많이 필요없을 때는 중단되는 즉 생체의 요구에 따라 자동으로 조절된다는 사실이다. 아마 컴퓨터로 이 과정을 설계한다. 하더라도 도저히 불가능할 정도로 아직도 이 조절작용에대해서는 완전히 이해하지 못하고 있을 정도다.

지금까지 DNA에서 단백질합성까지 아주 간략히 살펴보았다. 너무 전문적인 내용이어서 더욱 상세히 설명할 수 없는 점이 안타깝지만 결론적으로 말해 생명이 태어나고 움직이고 영위해가는 과정을 과학적으로 파헤치면 파헤칠수록 신비스럽게 이루어졌다는 사실을 더욱 절감할 뿐이다.

[깊도다 하나님의 지혜와 지식의 부요함이여 그의 판단은 측량치 못할것이며 그의 길은 찾지못할 것이로다] (롬 11:33)