저는 유타주에 살고 있습니다.
이곳은 지구상에서 가장 경외심을 불러일으키는
자연경관을 가진 곳으로 유명합니다.
이런 놀라운 광경에 압도당하기 쉽고,
때로는 외계인처럼 보이는 형상에 매료되기 쉽죠.
저는 과학자로서 자연 세계를 관찰하는 것을 좋아하지만,
세포 생물학자로서는
훨씬 더 작은 규모의 자연 세계를 이해하는 데
더 많은 관심이 있습니다.
저는 분자 애니메이터이고 다른 연구자들과 함께
너무 작아 보이지 않는 분자세포의
시각화하는 작업을 하고 있습니다.
이 분자들은 빛의 파장보다 작아서
직접 눈으로 관찰할 수 없습니다.
심지어 최고 성능을 가진 광학 현미경으로도 볼 수 없습니다.
그러면 어떻게 관찰이 불가능한
미세한 것들을 시각화 할 수 있을까요?
제 협력자들과 마찬가지로
과학자들은 자신의 모든 전문 지식을 동원해
하나의 분자 과정을 이해하는데 온 힘을 쏟습니다.
이를 위해, 그들은 일련의 실험을 수행하여
우리에게 작은 퍼즐 조각을 알려주는 것이죠.
한 종류의 실험을 통해 우리는 단백질 형태에 대해 알 수 있고,
다른 실험에서는
어떤 다른 단백질과 상호작용을 하는지 알 수 있습니다.
또 다른 실험에선 세포내에 위치를 파악할 수 있습니다.
이 모든 정보들은 기본적으로 분자가 어떻게 작용하는지에 관한
가설과 이야기를 도출하는 데 사용가능 합니다.
제 일은 이런 아이디어를 애니메이션으로 만드는 것입니다.
이것은 까다로울 수 있습니다.
왜냐면 분자가 꽤 미친 짓을 할 수 있음이 밝혀졌기 때문입니다.
하지만 이 애니메이션들은 연구자들에게 매우 유용할 수 있는데,
이런 분자들의 작용에 관한 아이디어를 전달할 수 있기 때문입니다.
또한 애니메이션을 통해 우리는 분자 세계를 볼 수 있습니다.
분자들의 눈을 통해서 말이죠.
여러분에게 보여드리고 싶은 애니메이션들 중에
제가 생각하는 분자 세계의 자연 경이로움에 관한
짧은 애니메이션을 보여드리고자 합니다.
우선, 이것은 면역세포입니다.
이런 종류의 세포들은 우리 몸 속을 기어다녀야 합니다.
병원성 박테리아와 같은 침입자를 찾기 위해서 입니다.
이런 움직임은 제가 가장 좋아하는 단백질 중 하나인 액틴에서 힘을 얻는데,
이것은 세포골격이라고 알려진 것의 일부입니다.
인간의 골격과 달리
액틴 필라멘트는 끊임없이 생성되고, 분해 됩니다.
액틴 시토스켈레톤은 인간 세포에서 엄청나게 중요한 역할을 합니다.
세포들의 형태를 바꾸고,
여기저기 돌아다니고, 표면에 달라붙고
박테리아를 원없이 먹을 수 있게 해줍니다.
액틴은 다른 종류의 움직임에도 관여합니다.
인간의 근육 세포에서 액틴 구조는 직물처럼 보이는
규칙적인 필라멘트를 형성합니다.
인간의 근육이 수축할 때, 이 필라멘트는 함께 당겨지고
인간의 근육이 이완될 때는
원래의 위치로 돌아갑니다.
이 경우 미세관들과 같은 다른 시토스켈레톤 부분들은
장거리 운송을 담당합니다.
기본적으로 이것은 세포 고속도로라고 생각할 수 있는데
세포의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동시키기 때문에 그렇습니다.
인가의 도로와는 달리, 미소관은 자라고 줄어들며,
자신이 필요할 때 나타나고,
자신의 일이 끝나면 사라집니다.
세미트룩의 분자 버전은
운동 단백질로 불리는 단백질로
미소관을 따라 걸을 수 있고,
그 뒤에 세포기관과 같은
거대한 짐을 끌 수 있습니다.
이 특별한 운동 단백질은 다이인이라고 알려져 있고,
이 단백질은 함께 그룹을 이뤄 일할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.
적어도 제게는 말수레처럼 보이네요.
보시다시피, 세포는 놀랍도록 변화하고 역동적인 곳입니다.
끊임없이 생성되고 분해되는 곳이지요.
하지만 이 구조물의 일부는
다른 구조물 보다 분해하기 더 어렵습니다.
그리고 구조물이 적시에 분해되도록
특별한 힘을 투입해야 합니다.
그런 일은 부분적으로 이런 단백질들이 합니다.
해당 세포 속에 많은 유형을 가진
이 도넛 모양의 단백질은
모두 기본적으로 중앙 구멍을 통해
개별 단백질을 잡아당겨 구조를 뜯어내는 것처럼 보입니다.
이런 종류의 단백질들이 제대로 작동하지 않으면
분해되어야 할 단백질들이
때때로 서로 엉겨 붙어
알츠하이머와 같은 끔찍한 질병을 일으킬 수 있습니다.
이제 인간의 게놈을 DNA 형태로 수용하는
핵에 대해 살펴보겠습니다.
우리가 지닌 모든 세포에서,
우리의 DNA는 다양한 단백질에 의해 관리되고 유지됩니다.
DNA는 히스톤이라고 불리는 단백질 주위에 감겨 있는데,
이것은 세포가 많은 양의 DNA를 우리의 핵에 넣을 수 있게 해줍니다.
이러한 기계들은 염색질 리모델링이라고 불리고,
기본적으로 DNA를
이 히스톤 주변에 돌리면서
새로운 DNA 조각들이 노출되도록 작동 합니다.
이 DNA는 다른 기계에 의해 인식될 수 있습니다.
이 경우, 이 큰 분자 장치는
유전자 형성 초기에 있다는 걸 알려주는
DNA의 한 부분을 찾습니다.
일단 한 부분를 찾으면,
기본적으로 일련의 형태 변화를 겪게 됩니다.
이 변화를 통해 다른 기계들을 들여와
유전자를 활성화 시키거나 변환될 수 있게 됩니다.
이러한 과정은 매우 엄격히 통제되어야 합니다.
왜냐면 잘못된 유전자를 잘못된 시간에 켜는 것은
비참한 결과를 초래할 수 있기 때문이죠.
과학자들은 이제 게놈을 편집하는 데
단백질 기계를 사용할 수 있습니다.
여러분 모두 크리스퍼(CRISPR)에 대해 들어보셨을 겁니다.
크리스퍼는 Cas9라고 알려진 단백질을 이용하는데,
이 단백질은 DNA의 매우 특정한 순서를
인식하고 자르도록 설계될 수 있습니다.
이러한 사례의 경우,
두 개의 Cas9 단백질은 DNA의 문제 조각을 제거하는 데 사용되고 있습니다.
예를 들어, 질병을 일으킬 수 있는 유전자 일부를 제거하는 거죠.
세포 기계는 DNA의 두 끝을
다시 붙이는 데 사용됩니다.
분자 애니메이터로서,
저의 가장 큰 도전 중 하나는 불확실성을 시각화하는 것입니다.
제가 보여드린 모든 애니메이션은
제 협력자들이 가진 최상의 정보를 바탕으로
프로세스 작동 가설을 보여줍니다.
하지만 많은 분자 과정의 경우,
저희는 여전히 사물을 이해하는 초기 단계에 있으며
배워야 할 것이 많습니다.
사실을 말하자면,
이런 보이지 않는 분자세계는 광대하고 대부분 미개척 분야라는 것입니다.
제게 있어서, 분자 광경은
우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 자연 세계만큼
탐험하기에 흥미로운 곳입니다.
감사합니다.
(박수)