새로 만든 효소가 어떻게 세상을 바꾸는가

"DNA가 삶의 청사진이라면, 효소는 지시를 수행하는 노동자예요." 화학생물학자 아담 갈스키가 말합니다. 이러한 재밌는 실험과 강연에서 그는 과학자들이 특정기능을 하는 효모를 어떻게 만들어내는지 보여줍니다. 당뇨병을 치료하거나, 세탁효율을 높여주는 세탁세제나 온실가스 배출을 줄여준다든가 하는. 또한 자신만의 새로운 효모를 무대에서 만들어 보여줍니다.

위스콘신에서 자란 전,
바깥에서 많은 시간을 보냈습니다.

봄에는 라일락 꽃향기를 맡았죠.

여름에는 후덥지근한 밤에

날개를 펴고 날아다니는
반딧불이를 좋아했죠.

가을에는 늪에 새빨간
크렌베리 열매가 가득했습니다.

겨울의 풍경까지도 아름다웠죠.

소나무에 크리마스 장식용
꽃들이 막 피어나니까요.

저에게 자연은 항상
경이와 영감을 주었습니다.

몇 년이 지나고 제가 화학공학으로
학교를 졸업했을 때는,

자연 속에 있는 작은 분자에 대해
더 잘 이해할 수 있었습니다.

방금 제가 언급한 모든 것들,

라일락과 소나무의 향기

새빨간 크렌베리 열매
반딧불이의 불빛,

여기에는 최소한 한 가지
공통점이 있었습니다.

효소로 구성되어 있다는 사실이죠.

앞서 말했듯이, 저는 위스콘신 출신이라
치즈를 좋아하고

그린베이 패커스 팀을 응원합니다.

잠깐 치즈에 대해서 얘기해 보죠.

최소한 7,000년 전부터

인간은 효소를 채취해 왔습니다.

소와 양 그리고 염소의 젖으로부터

그리고 그걸로 우유를 만들었죠.

이렇게 하면 우유가 분리되는데
치즈를 만드는 과정 중에 하나죠.

이 혼합물에서 가장 중요한 효소는
키모신이라고 불립니다.

어떻게 작용하는지 보여드리죠.

바로 여기 두 개의 관이 있고,

이 관들 중 하나에
키모신을 넣을 겁니다.

잠깐만 기다려보세요.

제 아들 앤서니는
이제 여덟 살이 됐는데,

TED 강연에서 제가 시연할 것을
옆에서 도와주는 걸 정말 좋아합니다.

그래서 저희는 부엌에서
파인애플을 썰어서,

감자에서 효소를 추출해

부엌에서 온갖 종류의
실험들을 해봅니다.

그리고 그 결과,

저희는 키모신이 가장
괜찮은 것 같다고 생각했죠.

그래서 지금 이 안에 무슨 일이
벌어지고 있냐면

키모신이 우유 속을 돌아다니면서,

카세인이라는 단백질과
결합하고 있습니다.

그러곤 어떻게 되냐면
카세인을 잘라냅니다.

분자 가위처럼요.

이렇게 자르는 과정이
우유가 분리되는 과정입니다.

여기 부엌에서
저희가 하는 거 보이시죠.

이제 됐습니다.

이제 빨리 뚜껑을 덮습니다.

그런 다음 몇 분 동안
이렇게 옆으로 흔들어줍니다.

됐네요.

DNA가 인생의 청사진이라면

효소는 지시를 수행하는
노동자입니다.

효소는 단백질이며 촉매제입니다.

화학반응의 속도를 빠르게 하죠.

여기 이 키모신이 우유가 분리되는 걸
빠르게 하는 것처럼요.

하지만 치즈는 아닙니다.

효소가 저희가 먹는 치즈에
아주 중요한 역할을 하기도 하지만,

영유아의 건강에 관련된 것부터

환경 문제에 관한
문제까지도 포함돼 있죠.

오늘날 우리가 가진 효모에는요.

효소의 가장 기본적인 결합은
아미노산입니다.

20개의 기본 아미노산이 있습니다.

여기에서 저희는 한 글자씩
선택을 합니다.

그러면 정말로 알파벳으로 된
아미노산이 됩니다.

효소에서는 이러한 아미노산이
연결되어 있습니다.

꼭 진주 목걸이처럼 말이죠.

이것이 아미노산의
진짜 모습입니다.

그 목걸이에 걸린 글자가 무엇이고,

어떤 식으로 걸려있고,
철자가 무엇이고,

이런 것들이 효소가 다른 효소와
구별될 수 있는 차이점을 부여합니다.

이런 아미노산 줄이,

이 목걸이가,

더 고차원의 구조를 만들어냅니다.

분자단위로 확대해서

여기에서 작용하고 있는 효소,
카모신을 들여다보면

바로 이렇게 되어 있는 것을
볼 수 있습니다.

각각의 줄, 고리들과
나선들이 서로 얽혀서

이런 형태로 작동을 제대로
하기 위해 고군분투 하고 있습니다.

오늘날에는 미생물에서 효소를
발생시킬 수 있죠.

이렇게 만들어진 예시들이
박테리아나 효모입니다.

이렇게 함으로써 저희가 관심갖고 있는

효소의 DNA 일부분을 얻어,

그걸 미생물에 주입합니다.

그러면 저희는 그 미생물이
자체적으로 작용과 생산을 해

저희에게 필요한 효소를
만들어내게 둡니다.

그러니까 오늘날에는 키모신을 얻고 싶다면,
소는 필요 없습니다.

미생물에서 발효시킬 수 있으니까요.

그리고 더 끝내주는 사실은요,

이제 저희는 DNA 배열을
완전히 마음대로 조정할 수 있습니다.

저희가 원하는 효소를 얻기 위해서요.

자연에서 얻을 수 없는
그런 효소들을 얻기 위해.

저는, 이게 정말로 재밌는 부분인데

효소를 발효시키기 위해
새로운 방법을 찾아냈습니다.

원자를 그렇게 배열하는 것이죠.

자연에서 효소를 발효시키는 것과
아미노산을 가지고 놀면서

이러한 글자들로 어설프게

어떤 글자는 넣어보고,
어떤 글자는 빼보고,

또 다시 재배열해보고,

이런 건 책을 찾아서

몇몇 챕터를 다시 쓰거나
결말을 바꾸는 것과 비슷합니다.

2018년 노벨화학상 수상자가

이런 식의 접근 방법을
개발해냈습니다.

직접 진화라고 알려져 있죠.

저희는 직접 진화를
이용할 수 있습니다.

효소를 각각의 목적에 알맞게 바꿔서요.

이런 것 중 하나는 만들어진 효소를
새로운 분야에 적용하는 것도 있습니다.

세탁처럼 말이죠.

여러분의 몸 속에 있는 효소가

여러분이 먹은 음식을 잘
소화시킬 수 있게 해주는 것처럼

세탁세제 속의 효소도

옷에 묻은 얼룩을 쉽게
지울 수 있게 해줍니다.

90% 정도 되는 에너지가

빨래가 돌아가기 전

물을 따뜻하게 할 때 쓰인다고 합니다.

이건 타당해 보입니다.

따뜻한 물이 옷을 깨끗하게
해주긴 하니까요.

하지만 대신 차가운 물로 세탁을
할 수 있다면요?

그러면 돈도 절약할 수 있고,

그리고 더 나아가서

프록터 앤드 갬블의 통계에 따르면

미국에 있는 모든 가정집이
차가운 물로 세탁을 한다면

이산화탄소 배출량을 일년에
32톤을 줄일 수 있습니다.

이건 엄청난 양이죠.

그 양은 6천 3백만 대의 차량이

배출하는 양과 같아요.

그렇다면 저희는 어떠한 방법으로

효소가 이런 변화들을
인지할 수 있게 할까요?

효소가 더러운 세탁물을
깨끗하게 하려고 진화하진 않죠.

하물며 차가운 물이라도요.

하지만 자연에 가면,
출발점은 찾을 수 있습니다.

자연에서 활발하게 활동을 시작한
효소를 찾을 수 있어요.

진흙들로 말이죠.

여기 화면에 띄운 효소는
바로 그러한 예 중 하나입니다.

제가 앞서 말했듯이
이러한 아미노산으로 노는 겁니다.

글자를 넣어도 보고,
글자를 빼보기도 하고,

다시 재배열 해보기도 하죠.

이렇게 해서, 저희는 수천 개의
효소를 발생시킵니다.

그래서 이러한 효소들을 가져다

이러한 작은 접시에
시험을 해보는 거죠.

제가 들고 있는 이 접시에는

96개의 칸막이가 있고,

각각의 칸막이에 붙어있는 천에는
얼룩이 묻어있어요.

저희는 이러한 효소들이
천에 묻은 이러한 얼룩들을

얼마나 잘 처리할 수 있는지를
실험해 볼 겁니다.

그렇게 하면 이게 얼마나
잘 되는지 볼 수 있겠죠.

로봇을 이용할 수도 있습니다.

방금 전 화면에서 보신 것처럼요.

좋아요. 저희는 이 실험을 해봤고,

그 결과 이 중 몇몇 효소들이
어떻게 효소들을 만들어내는지

대략적으로 파악이 됐습니다.

인상적인 결과는 아니었죠.

더 나빠진 것도 있었고,
이건 제거했습니다.

몇 개는 더 좋아졌습니다.

더 나아진 건 버전 1.0이었죠.

저희는 이러한 효소들을 이용해
성공할 수 있겠다 싶었고,

이러한 순환을 반복하고
또 반복했습니다.

이러한 순환을 반복하니
새로운 효소가 만들어졌습니다.

저희가 원하는 바로 그 효소를요.

이러한 순환을 몇 번 더 거치니,

뭔가 새로운 것이 탄생했습니다.

그러니까 오늘 슈퍼마켓에 가신다면,
차가운 물로 세탁할 수 있는

세탁세제를 살 수 있을 거예요.
여기 이러한 효소 덕분에 말이죠.

이 효소도 어떻게 작용하는지
보여드리죠.

여기 관이 두 개 더 있는데,

여기에도 똑같이 우유가 들어있습니다.

이제 보여드릴게요.

제가 지금 하나에
이 효소를 넣었습니다.

그리고 또 다른 하나에는
물을 더 추가했죠.

여기는 통제되어 있기 때문에,

이 관에서는 아무 일도
일어나지 않습니다.

제가 왜 우유로 이러는지
궁금하실 텐데요.

제가 우유로 하는 이유는

바로 우유에 단백질이
포함되어 있기 때문입니다.

그래서 이 효소가 단백질 용액과
어떤 작용을 하는지 보는 게 매우 쉽습니다.

왜냐하면 이건 단백질 자르기의
마스터거든요.

하는 일이 그거니까요.

이걸 여기에 넣습니다.

제가 이건 단백질 자르기의
마스터라고 했죠.

이 우유에서 일어나는 일로
세탁물에서 무슨 일이 일어나게 될지

추측할 수 있습니다.

무슨 일이 일어나는지
눈으로 보여주는 거죠.

좋아요. 두 관에 다 들어갔습니다.

그리고 재빨리 뚜껑을 덮어줍니다.

키모신 샘플 옆에 놔두고

강의를 다 끝내고
다시 여기에 와 보죠.

효소가 이렇게 빨리 생길 수 있냐고요?

물론이죠, 엄청 빨리 생깁니다.

지금 보여준 방법이
효소를 발생시킬 때

연구원들이 제가 방금
여러분께 보여준 샘플보다

훨씬 더 많은 샘플로 하는 방법입니다.

효소를 자연발생시키려고 한다면,

저희가 지금까지 얘기했던 것처럼,

몇몇 과학자들이 효소를
발생시키기 위해 스크래치,

다양한 기계나, 인공지능을 이용해

효소를 발생시키려 합니다.

반면에 또 다른 몇몇은
변형 된 아미노산을 혼합물에 섞습니다.

저희가 얘기를 나눈
20개의 아미노산은

순수한 형태의 아미노산이며,

변형 된 아미노산을 넣기 전이고,

이러한 것을 효소와 섞으면
자연에서 볼 수 없는 걸 탄생시킵니다.

엄청나게 발전된 분야죠.

효소를 발생시키는 기술이
몇 년 후에 어떤 영향을 끼칠까요?

전 두 가지 분야를 말하고 싶습니다.

건강과 환경이죠.

몇몇 제약회사들은

벌써부터 효소를 발생시키는 일에만
헌신하는 팀들이 있어

더 효과적이고 독성 또한 약한
약을 개발하고 있습니다.

예를 들자면, 시타클립틴이 있죠.

2형 당뇨를 치료하기 위한 이 약은,

일정 부분이 효소로 만들어졌습니다.

효소로 만들어진 이런 약물은
점점 더 많아질 거라고 확신할 수 있습니다.

다른 분야에선

몸속에 있는 효소가
잘 작동하지 않아 생기는

몇몇 질병들을 예로 들 수 있죠.

그 예가 바로 페닐케뇨증이라는
병입니다.

아니면 줄여서 PKU라고 하죠.

PKU를 앓는 사람들은
소화를 제대로 시키지 못하거나,

저희가 얘기했던 20개의 아미노산 중
하나인 페닐알라닌을 소화시키지 못합니다.

페닐알라닌을 소화시키지 못하면

영구적인 지능 발달 장애를 겪게 되죠.

꽤 무서운 결과입니다.

아이가 있으신 분?

아이가 있으신 분 계세요, 여기?

많군요.

그러면 PKU는 아마 익숙하실 겁니다.

왜냐하면 미국에 있는 모든 아기들은
PKU 검사를 하니까요.

제 아들 앤서니가 피 검사를
받았던 것이 기억나네요.

가장 큰 문제는 뭘 먹어야 하느냐?

수많은 음식에 페닐알라닌이 들어있어서,
피하기가 거의 불가능합니다.

앤서니는 땅콩 알러지가 있어서,
그것도 꽤 힘들다고 생각했는데,

PKU는 또 다른 차원입니다.

하지만 새로운 효소는 PKU환자들에게

먹고 싶은 건 무엇이든
먹을 수 있게 해줄 겁니다.

최근에, FDA가 PKU 치료약을
허가해줬거든요.

환자들에게도 엄청나게 좋은 소식이지만

사실은 효소 보충 요법을
연구하는 이들에게는

엄청난 소식이죠.

왜냐하면 이런 좋은 치료법을
적용할 수 있는 대상은 더 많으니까요.

여기까지가 건강에 관한 거였습니다.

환경으로 주제를 옮겨보죠.

태평양의 거대 쓰레기 지대에 관해
읽었을 때

이 섬이 거대한 플라스틱처럼
느껴졌어요.

캘리포니아와 하와이사이
어딘가에 있는

곳곳에 있는
미세플라스틱들에 관해 말이죠

그건 기분 좋은 일이 아닙니다

플라스틱은 금방 사라지지 않습니다.

하지만 효소는 이러한 지역에
도움을 줄 수도 있을 거예요.

최근에, 플라스틱을 분해하는
박테리아를 발견했어요.

이러한 효소의 성능을 개선하기 위한

물밑 작업이 이미 시작됐죠.

동시에, 이렇게 발견한 효소들을

최적의 상태로 만들어서

석유 원료가 아닌 생분해성 플라스틱의 재료로
만드는 방법이 개발되었습니다.

효소는 또 온실가스를 잡는데
도움이 될 수도 있어요.

예를 들면 이산화탄소, 메탄,
이산화질소 등이 있죠.

이것들이 엄청난 문제라는데는
이견이 없을 겁니다.

쉬운 건 하나도 없죠.

하지만 효소를 이용하면
미래에 도움이 될 겁니다.

저는 그건 또 다른
영역이라고 생각해요.

그럼 이제 샘플로 돌아가 볼까요.

여기가 재밌는 부분입니다.

키모신 샘플부터 살펴볼 건데요.

이걸 여기로 가져올게요.

지금 보시는 것이

물을 담아놓은 관입니다.

그러니까 이 우유에서는
아무 일도 일어나지 않았겠죠.

키모신을 넣은 관입니다.

완전히 깨끗해진 것이 보이죠.

완전히 다 분리된
이게 바로 치즈예요.

저희가 지난 몇분 동안
치즈를 만든 겁니다.

이러한 행동이

수천 년 동안 인류가 해왔던
행동입니다.

다음 번 진로박람회 때 해봐야겠어요.

하지만 관람객들이
꽤 거칠 겁니다. 알게 되겠죠.

(웃음)

그 다음에 제가 보고 싶은 관은
바로 이 관입니다.

세탁할 때 사용할 효소예요.

물을 추가한 것과 다른 점을
볼 수 있을 겁니다.

일종의 정화죠.

이게 바로 여러분이 세탁할 때
원하는 거죠.

왜냐하면 여러분은 효소가

단백질을 빨아들이는 껌이 되어,
다 닦아내길 바라니까요.

왜냐하면 여러분은 옷에
각각 다른 단백질들을 묻힐 건데,

초콜릿 우유나 녹색 얼룩 같은 거요.

게다가 이런 건 여러분이 옷을
벗을 때도 도움이 되고요.

그리고 또한 차가운 물로

세탁할 수 있게 해서,
탄소 사용량을 줄이고

돈을 절약해주죠.

저희는 꽤 긴 길을 걸어왔습니다.

7,000년 전부터 전해져 내려온
치즈를 만드는 방법부터

현대의 효소발생법까지.

저희는 정말 창의적인
크로스퍼즐을 했어요.

효소를 이용해서
자연에서 뭘 만들어낼 수 있는지

아니면 아미노산으로
저희만의 이야기를 써내려갔죠.

다음 번 여러분이 후덥지근한 밤에
바깥에 나간다면

반딧불이를 볼 겁니다.

그때 효소를 생각해주면 좋겠어요.

오늘날 우리에게 놀라운 것들을
하게 해주니까요.

효소를 만들면,

내일은 더 놀라운 것들을
할 수 있게 되겠죠.

감사합니다.

(박수)