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고(古)게놈학 30년, 인류의 역사를 다시 쓰다

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2014년 04월 01일 18:12 프린트하기

1883년 멸종한 콰가는 얼룩말과 말을 섞은 듯한 모습을 하고 있다. 1984년 콰가의 미토콘드리아 게놈 일부가 해독돼 이 동물이 얼룩말에 더 가깝다는 사실이 밝혀졌다. 이 논문은 고게놈학 시대를 연 것으로 평가되고 있다. 1870년 런던동물원에 있던 암콰가. - 위키피디아 제공
1883년 멸종한 콰가는 얼룩말과 말을 섞은 듯한 모습을 하고 있다. 1984년 콰가의 미토콘드리아 게놈 일부가 해독돼 이 동물이 얼룩말에 더 가깝다는 사실이 밝혀졌다. 이 논문은 고게놈학 시대를 연 것으로 평가되고 있다. 1870년 런던동물원에 있던 암콰가. - 위키피디아 제공

  지난 2012년 8월호 ‘과학동아’에 말을 주제로 한 기획기사를 준비하면서 아주 흥미로운 동물을 알게 됐다. 콰가(quagga)라는 멸종된 말인데, 생긴 게 정말 특이하다. 머리에서 어깨까지는 얼룩말이고 그 뒤는 말 또는 당나귀처럼 보이기 때문이다. 위의 사진은 1870년 런던동물원에 있던 암콰가로 절대 합성사진이 아니다! 한때 남아프리카 일대를 누비던 콰가는 그러나 아쉽게도 1883년 마지막 개체가 죽으면서 지구상에서 완전히 사라졌다.

 

  1984년 11월 15일자 학술지 ‘네이처’에는 당시로서는 정말 놀라운 연구결과가 실렸다. 미국 버클리 캘리포니아대 생화학과의 앨런 윌슨 교수팀이 박물관에 전시돼 있는 콰가 박제의 말라비틀어진 근육조직 일부를 떼어낸 뒤 DNA를 추출해 미토콘드리아 게놈 일부의 염기서열을 분석하는데 성공한 것. 이들은 불과 229개 염기를 알아냈지만 이를 토대로 콰가가 말보다 얼룩말에 가깝다는 결론을 얻었다. 같은 부분의 염기서열을 비교한 결과였다. DNA염기서열분석법이 개발된 게 1970년대 중반이니 10년도 안 된 기술을 멸종된 생물에 적용해 얻은 쾌거였다. 올해는 고게놈학(palaeogenomics) 탄생 30주년이 되는 해다.

 

●2010년은 고인류학 기적의 해

 

  ‘네이처’ 3월 27일자에는 이를 계기로 기사가 한 편 실렸는데 제목이 ‘우리 가족 안의 네안데르탈인(The Neanderthal in the family)’이다. 지난 30년 고게놈학 역사에서 가장 큰 성과를 거둔 분야가 고인류학이고 그 가운데서도 네안데르탈인과 현생인류의 관계를 밝히는데 결정적인 역할을 한 것임을 짐작할 수 있다.

 

  물리학 분야에서는 1905년을 ‘기적의 해’라고 부른다. 스위스 특허국 말단직원인 26세 청년 알베르트 아인슈타인은 이 한해 동안 광전효과와 브라운운동, 특수상대성이론에 대한 논문 세 편을 연달아 발표했다. 모두 현대물리학의 정립에 결정적인 역할을 한 논문들이다.

 

  같은 맥락에서 2010년은 ‘고인류학 기적의 해’가 아닐까. 물론 1997년 네안데르탈인의 미토콘드리아 게놈이 해독되면서 센세이션이 있었지만 2010년은 차원이 달랐다. 즉 이해 4월 8일자 ‘네이처’에는 시베리아 데니소바 동굴에서 발굴한 약 4만 년 전 손가락 뼈 하나에서 추출한 DNA에서 미토콘드리아 게놈을 해독한 결과, 이 뼈가 현생인류도 네안데르탈인도 아닌 새로운 인류의 화석이라는 사실을 보고한 논문이 실렸다.

 

  5월 7일자 ‘사이언스’에는 네안데르탈인의 핵 게놈을 해독했다는 쇼킹한 논문이 실렸다. 불과 1만6000여 염기쌍인 미토콘드리아 게놈과는 차원이 다른 얘기다. 데이터 품질은 좋지 않았지만 30억 염기쌍에서 상당 부분(약 60%)을 해독한 데이터를 현생인류의 게놈과 비교한 결과 아프리카를 제외한 지역에 사는 사람들의 경우 네안데르탈인의 피가 섞였다는 놀라운 사실이 밝혀졌다.

 

  12월 23일자 ‘네이처’에는 데니소바인의 핵 게놈을 해독했다는 연구결과가 발표되면서 이해 끝까지 사람들을 놀라게 했다. 게놈 비교 결과 데니소바인은 현생인류보다는 네안데르탈인에 더 가까운 것으로 나왔다. 그런데 누구도 예상못한 결과가 있었으니 바로 오세아니아 원주민들에게서 데니소바인의 피가 5% 정도 흐른다는 사실이 밝혀진 것.

 

  그 뒤 2012년 고품질의 데니소바인 게놈이 해독됐고 올해 1월 2일자 ‘네이처’에는 고품질의 네안데르탈인 게놈을 해독했다는 논문이 실렸다. 또 1월 16일자 ‘네이처’에는 스페인 시마 데 로스 우에소스에서 발굴한 40만 년 전 인류의 뼈에서 추출한 DNA에서 미토콘드리아 게놈을 해독했다는 논문이 실렸다. 비교 결과 네안데르탈인보다는 데니소바인에 더 가까운 미지의 인류라는 사실이 밝혀져 놀라움을 안겨줬다. 현재 연구자들은 이 인류의 핵 게놈을 해독하기 위해 노력하고 있다고 한다.

 

네안데르탈인과 데니소바인 게놈 해독을 이끈 독일 막스플랑크진화인류학연구소의 스반테 패보 박사. - 막스플랑크연구소 제공
네안데르탈인과 데니소바인 게놈 해독을 이끈 독일 막스플랑크진화인류학연구소의 스반테 패보 박사. - 막스플랑크연구소 제공

  놀랍게도 이 모든 성과를 독일 막스플랑크진화인류학연구소가 주도해 이뤄냈다. 그리고 이 연구를 이끄는 사람이 바로 이 연구소의 진화인류학부장인 스반테 패보 박사다. 패보 박사는 고인류학분야의 아인슈타인이라고 할 만 하다.

 

  얼마 전 ‘네이처’ 서평란을 보다가 ‘Neanderthal Man’이라는 신간을 발견했다. 2010년 게놈 해독 이후 이런 책이 곧 나오리라고 생각하고 있었는데 예상보다 1, 2년 늦은 감이 있다. 무심코 저자를 보니 바로 스반테 패보 박사다. ‘이건 무조건 사야지!’

 

  지난 주초 책이 와서 좀 읽다보니 생각보다 훨씬 재미있다. 마침 목요일자 ‘네이처’에 고게놈학 30주년 기사도 나와 ‘명분’(과학카페에 소재로 쓸)도 생겨 금토 이틀간 완독했다. 250쪽 분량의 영어책을 이렇게 짧은 기간에 읽은 건 작년 ‘the Philadelphia Chromosome’이후 오랜만이다(과학카페131 ‘필라델피아 염색체를 아십니까?’ 참조). ‘Neanderthal Man’의 내용을 토대로 스반테 패보 박사의 삶과 업적을 요약해본다.

 

●지도교수 몰래 한 취미 연구에서 출발

 

  패보 박사는 1955년 스웨덴 스톡홀름에서 에스토니아의 화학자 카린 패보가 낳았다. 그의 아버지는 놀랍게도 1982년 노벨생리의학상 수상자인 저명한 생화학자 수네 베리스트룀. 그럼에도 그의 성이 모계를 따른 건 부모 두 사람이 결혼을 한 사이가 아니었기 때문이다. 베리스트룀은 독신으로 살다가 2004년 88세에 사망했다. 흥미로운 사실은 베리스트룀의 또 다른 사생아 역시도 1955년 태어났다는 것. 이 해에 그의 피가 꽤 뜨거웠나보다. 패보 박사는 유명한 아버지를 거의 보지 못했고 그래서 부정의 결핍이 평생 상처로 남았다고 쓰고 있다. 책 군데군데 나오는 그의 상상을 초월한(적어도 한국인의 정서로는) 사생활은 이런 출생의 배경도 한 몫 한 것으로 보인다.

 

패보 박사는 최근 출간한 저서 ‘Neanderthal Man’에서 멸종 인류의 게놈 해독에 성공한 30여 년에 걸친 연구여정을 드라마틱하게 서술했다. - 강석기 제공
패보 박사는 최근 출간한 저서 ‘Neanderthal Man’에서 멸종 인류의 게놈 해독에 성공한 30여 년에 걸친 연구여정을 드라마틱하게 서술했다. - 강석기 제공

  패보 박사는 열세 살 때 어머니와 이집트 여행을 다녀온 뒤 고대사에 매료됐다. 혼자 이집트 상형문자를 공부할 정도였다고. 훗날 그의 이집트학 취미는 연구에 큰 보탬이 된다. 웁살라대 의대에 들어간 패보는 아픈 사람을 고쳐주는 의사라는 직업에 무척 매력을 느꼈지만 학문에도 미련이 남아 당시 막 꽃피던 분야인 분자생물학을 연구하는 대학원 실험실의 문을 두드린다.

 

  그는 핀란드인 이집트학 학자인 로스티슬라브 홀터와 친했는데, 하루는 그에게 자신의 분야를 설명하다가 문득 ‘피라미드에서도 DNA를 추출해 분석할 수 있지 않을까?’ 하는 생각이 떠오른다. 그는 당연히 그런 아이디어를 실현한 논문이 있을 거라고 생각했지만 문헌을 뒤져봐도 찾을 수 없었다. 결국 자신이 그 일을 해보기로 결심하고 1981년 여름 예비실험으로 지도교수 몰래 정육점에서 사온 소의 간을 오븐에 넣고 고온에서 건조시켜 ‘속성 미라’를 만든 뒤 DNA를 추출했지만 얻는 데는 실패했다. 이미 파괴됐기 때문이다.

 

  그럼에도 패보는 포기하지 않고 홀터의 소개를 통해 1983년 독일(당시 동독) 베를린국립미술관에 2주간 머무르며 마침내 2400년 된 미라의 근육 시료를 얻는데 성공한다. 그는 미라의 연골에서 DNA를 염색하는데 성공했다. 그는 이 연구결과를 1984년 동독에서 발행되는 독일어 학술지 ‘Das Alterrum(고대)’에 발표했다. 패보는 미라 근육에서 DNA를 추출하는데 성공했고 이 조각을 박테리아의 플라스미드(원형 DNA)에 집어넣는데 성공했다(이 과정을 ‘클로닝’이라고 부른다). 그리고 DNA염기서열을 일부 분석했다. 이렇게 한창 외도하고 있을 때 버클리 앨런 윌슨 교수팀의 콰가 미토콘드리아 DNA 분석 논문(1984년 11월 15일자 ‘네이처’)이 발표된 것이다.

 

  이 논문에 용기를 얻은 패보는 자신의 연구결과를 ‘네이처’에 보냈고(지도 교수는 자신은 금시초문인 제자의 연구에 대해 화를 내기는커녕 너그러이 패보 단독 저자로 보내라고 제안했다!), 논문은 이듬해 실렸다. 패보는 학위를 받은 뒤 박사후연구원으로 그에게는 반신demigod 같은 존재인 앨런 윌슨의 교수팀에 가려고 하던 차에 윌슨 교수의 서신을 받는다.

 

  “패보 교수님께”로 시작하는 서신에서 윌슨은 안식년을 맞아 패보의 실험실에서 보내도 되겠냐고 의향을 물어본 것. 패보 단독 저자 논문을 보고 그를 교수로 생각한 것. 깜짝 놀란 패보는 사실을 알리고 자신이 박사후연구원으로 가고 싶다고 썼다. 물론 윌슨은 흔쾌히 수락했고 패보는 윌슨 교수의 실험실에 수년 간 머물며 많은 것을 배운다. 그 가운데 하나가 당시 막 개발된 중합효소연쇄반응(PCR)을 접한 것. PCR을 발명한 케리 멀리스가 윌슨 교수의 제자였기 때문이다.

 

●외치의 미토콘드리아 게놈 해독

 

  1990년 패보는 독일 뮌헨대의 동물학연구소에 자리를 잡았다. 이곳에서 그는 본격적으로 고생물의 게놈을 해독하는 연구를 시작한다. 동굴곰과 땅늘보, 매머드 같은 멸종동물의 미토콘드리아 게놈을 분석해 현생 유사 동물과의 계통분류학적인 관계를 규명하는 연구결과를 내놓은 패보 교수팀은 이 과정에서 화석의 DNA를 추출하는 방법을 확립했다. 이제 패보 박사의 꿈인 고인류의 게놈을 분석할 토대가 구축된 것이다.

 

  1993년 뜻하지 않은 곳에서 기회가 찾아왔다. 1991년 9월 등반객 두 사람이 스위스와 이탈리아 국경 만년설 지역에서 얼음에 박혀 있는 남자의 사체를 발견했다. 훗날 ‘외치(Oetzi)’라고 명명된 이 남자는 5300년 전 청동기 시대 사람이었다. 패보 교수팀은 외치의 DNA분석을 의뢰받고 미토콘드리아 게놈을 해독했다. 외치의 게놈은 현재 유럽인과 별 차이가 없었다. 5300년이면 불과 250세대 정도이므로 예상했던 결과였다.

 

러시아 알타이산맥 데니소바 동굴에서 발굴한 인류(여자아이)의 손가락 뼈. 이 작은 뼈에서 얻은 불과 30밀리그램의 시료에서 추출한 DNA로 게놈을 해독했다. - 막스플랑크연구소 제공
러시아 알타이산맥 데니소바 동굴에서 발굴한 인류(여자아이)의 손가락 뼈. 이 작은 뼈에서 얻은 불과 30밀리그램의 시료에서 추출한 DNA로 게놈을 해독했다. - 막스플랑크연구소 제공

  이제 패보 박사의 관심은 네안데르탈인으로 넘어간다. 1996년 패보 박사는 운 좋게 독일 본박물관에서 네안데르 계곡에서 발굴한 약 4만 년 전 네안데르탈인 뼈 화석의 일부를 건네받았다. 패보 박사팀은 여러 기술적 난관을 극복하고 마침내 미토콘드리아 게놈을 해독하는데 성공했다. 그 결과 네안데르탈인과 현생인류는 약 50만 년 전에 갈라졌고 그 뒤 다시 만났을 때는 이미 서로 다른 종이 돼 피가 섞이지 않았다는 결론에 이르렀다. 이는 당시 고인류학계의 주류가설인, 현생인류의 ‘아프리카 단일 기원설’에 부합하는 결과였다. 이 연구는 1997년 학술지 ‘셀’에 실렸다.

 

  2000년 막스플랑크학회가 새로 만드는 진화인류학연구소에 스카웃된 패보는 네안데르탈인의 게놈을 해독하는 장대한 프로젝트를 구상한다. 미토콘드리아 게놈 해독과 핵 게놈 해독은 차원이 다른 얘기다. 미토콘드리아 게놈은 크기도 작을 뿐 아니라 세포 하나에 수백 카피가 존재하는 반면 핵 게놈은 엄청난 크기에 달랑 두 쌍이기 때문이다. 패보 교수는 운좋게 크로아티아에서 출토된 고품질의 네안데르탈인 뼈를 얻는데 성공했고 2003년 454라이프사이언시스가 개발한 차세대 염기서열분석기를 이용할 수 있었다. 당시 이 회사는 네안데르탈인의 게놈을 해독하는 비용으로 500만 달러(약 50억 원)를 제시했고 패보는 큰 기대를 안 하고 이를 막스플랑크학회에 알렸는데(500만이 든다고), 500만 유로(약 70억 원)로 승인이 났다고.

 

  이런 전폭적인 지원을 바탕으로 2006년 ‘네안데르탈게놈프로젝트’가 시작됐고, 분석장비를 효율이 더 높은 일루미나의 새로운 컨셉의 게놈서열분석기로 바꾸는 해프닝 등 숱한 난관을 극복하고 마침내 2010년 네안데르탈인 게놈 해독에 성공한 것이다. 그리고 그 결과는 1997년 미토콘드리아 게놈의 결과와는 달리 네안데르탈인의 피가 현생인류에 섞여 있다는 결과였다(유럽인과 아시아인에서 2% 내외).

 

●시료 30밀리그램에서 게놈 정보 얻어

 

  네안데르탈게놈프로젝트가 한창일 때 패보 박사는 러시아과학아카데미의 시베리아지회 회장인 저명한 고고학자 아나톨리 데렌비안코로부터 쌀알 두 개 크기인 작은 뼈조각을 하나 받았다. 알타이산맥의 데니소바 동굴에서 발굴한 인류의 뼈(아마도 어린아이)였다. 2009년 12월 3일 미국의 한 학회에 참석 중인 패보 박사는 전화를 받고 깜짝 놀랐다. 시료(불과 30밀리그램!)에서 DNA를 추출해 미토콘드리아의 게놈을 분석한 결과 현생인류도 네안데르탈인도 아닌 게놈서열이 나왔다는 연락을 받은 것.

 

  깜짝 놀란 패보 박사는 이 사실을 데렌비안코에게 알렸고 러시아를 방문한다. 그리고 여기서 데니소바 동굴에서 발굴한 어금니를 건네받았다. 현생인류의 어금니보다 1.5배나 더 큰 이 어금니는 네안데르탈인의 어금니보다도 컸고 훗날 미토콘드리아 게놈을 분석한 결과 앞의 손가락 뼈와 불과 염기 두 개만 달라 같은 인류임이 확인됐다.

 

  데니소바인 손가락 뼈에서 추출한 DNA는 패보 박사도 이해하지 못할 정도로 순도가 너무나 높아 바로 핵의 게놈을 분석하는 연구에 착수했고 2010년 ‘네이처’ 마지막호에 그 결과를 발표할 수 있었다. 책의 본문은 이 지점에서 끝나고 3쪽 분량의 추신에서 그 뒤 연구결과를 살짝 소개했다. 1981년 지도교수 몰래 정육점에서 사온 소 간에서 시작한 연구가 2000년 멸종한 인류의 게놈 해독으로 결실을 맺는 패보 박사의 스토리는 웬만한 소설보다 더 극적이었다. 패보 박사가 기초연구로 방향을 돌리지 않고 임상의사로 남았다면 아직까지도 네안데르탈인의 게놈은 해독되지 않았을 거라는 생각이 문득 든다. 아래는 패보 박사가 책 말미에 쓴 소회다.

 

 “내가 조국 스웨덴에서 대학원에 다닐 때 비밀 취미로 시작했던 연구가 30년 만에 과학소설 같은 프로젝트에서 결실을 맺었다.”

 

지난 수년간의 게놈 해독 결과를 바탕으로 구성한 인류의 관계도. 아프리카를 벗어난 현생인류에게 네안데르탈인의 피가 약간 섞였고(1.5-2.1%), 오세아니아 원주민들에게 데니소바인의 피가 3-6% 섞였다는 사실이 밝혀졌다. 또 데니소바인에게는 미지의 인류의 피가 0.5-8% 섞인 것으로 추정된다. 고게놈학이 없었다면 상상할 수도 없는 연구결과들이다. - 네이처 제공
지난 수년간의 게놈 해독 결과를 바탕으로 구성한 인류의 관계도. 아프리카를 벗어난 현생인류에게 네안데르탈인의 피가 약간 섞였고(1.5-2.1%), 오세아니아 원주민들에게 데니소바인의 피가 3-6% 섞였다는 사실이 밝혀졌다. 또 데니소바인에게는 미지의 인류의 피가 0.5-8% 섞인 것으로 추정된다. 고게놈학이 없었다면 상상할 수도 없는 연구결과들이다. - 네이처 제공
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