유전학 2강. DNA 이중나선
1953년의 발견이 위대한 이유는 구조가 아름다워서가 아닙니다. 구조가 곧 복제 방법을 말해 주기 때문입니다.
풀고 시작
유전 물질을 찾는 경쟁
멘델의 인자가 염색체 위에 있다는 것까지는 20세기 초에 밝혀졌습니다. 그런데 여기서 문제가 하나 생깁니다. 염색체는 단백질과 DNA의 혼합물이거든요. 둘 중 무엇이 정보를 담고 있을까요.
1928년 그리피스(Frederick Griffith)는 폐렴구균 실험에서 이상한 현상을 목격합니다. 죽은 병원성 균과 살아 있는 비병원성 균을 함께 쥐에 주입하자 쥐가 죽었고, 살아 있는 병원성 균이 검출된 것입니다. 죽은 균의 "무언가"가 산 균을 바꾼 것이죠. 그는 이를 형질전환(transformation)이라 불렀습니다. 1944년 에이버리(Oswald Avery)와 매클라우드, 매카티는 그 무언가를 화학적으로 분리해 갔습니다. 단백질 분해 효소를 넣어도 형질전환은 일어났고, DNA 분해 효소를 넣자 멈췄습니다. 전환 인자는 DNA였던 것입니다. 그래도 단백질 오염 가능성을 들어 회의론이 남았고, 1952년 허시(Alfred Hershey)와 체이스(Martha Chase)가 쐐기를 박습니다. 박테리오파지의 단백질 껍질과 DNA를 각각 방사성 동위원소로 표지해 추적하자, 세균 안으로 들어가 자손 파지를 만드는 쪽은 DNA였습니다.
사진 51번과 1953년의 모형
이제 경쟁은 DNA의 구조로 옮겨 갑니다. 경쟁자는 만만치 않았습니다. 당대 최고의 화학자 폴링(Linus Pauling)이 1953년 초 삼중나선 모형을 발표했는데, 인산기의 전하를 잘못 다룬 명백한 오류였죠. 폴링이 곧 오류를 깨달을 것이라는 초조함이 케임브리지 팀을 재촉했습니다. 킹스칼리지 런던의 프랭클린(Rosalind Franklin)은 당대 최고 수준의 X선 회절 사진을 찍고 있었고, 그중 1952년의 사진 51번은 나선 구조의 특징인 X자 회절 무늬를 선명하게 보여 주었습니다. 케임브리지의 왓슨(James Watson)과 크릭(Francis Crick)은 실험 없이 모형 제작으로 접근했습니다. 결정적 국면에서 윌킨스(Maurice Wilkins)가 프랭클린의 동의 없이 사진 51번을 왓슨에게 보여 주었고, 프랭클린의 미발표 보고서 데이터도 그들에게 전해졌습니다. 여기에 샤가프(Erwin Chargaff)의 규칙, 즉 어떤 생물에서든 A와 T, G와 C의 양이 같다는 사실이 결합합니다. 1953년 4월 왓슨과 크릭은 네이처에 이중나선 모형을 발표했습니다. 바깥에 당-인산 골격, 안쪽에 A-T, G-C 상보적 염기쌍이 계단처럼 쌓인 구조입니다.
기여 인정 문제는 지금도 논쟁거리입니다. 프랭클린은 자신의 데이터가 어떻게 쓰였는지 모른 채 1958년 37세로 사망했고, 1962년 노벨상은 왓슨, 크릭, 윌킨스에게 갔습니다(노벨상은 사후 수여가 없습니다). 그녀가 생전에 후보로 논의된 기록은 없으며, 데이터 사용의 절차적 정당성에 대한 비판과, 프랭클린 본인도 독자적으로 구조에 근접해 갔다는 재평가가 공존합니다.
구조가 기능을 말한다
모형은 기존의 수수께끼도 단번에 풀었습니다. A는 반드시 T와, G는 반드시 C와 짝을 이루니, 어떤 생물에서든 A와 T, G와 C의 양이 같다는 샤가프 규칙은 신비가 아니라 구조의 필연이 됩니다. 좋은 이론이 그렇듯, 설명하려던 것 이상을 설명한 셈이죠.
논문의 유명한 마지막 문장은 이렇습니다. "우리가 가정한 특이적 염기쌍이 유전 물질의 복제 메커니즘을 곧바로 시사한다는 점을 우리는 놓치지 않았다." 상보성이 핵심입니다. 두 가닥을 풀면 각 가닥이 주형(template)이 되어 상대 가닥을 다시 지을 수 있습니다. A를 보면 T를, G를 보면 C를 놓으면 되니까요. 정보 저장(염기 서열), 복제(상보적 주형), 변이(서열의 오류)까지, 유전 물질에 요구되는 성질이 구조 하나에서 따라 나옵니다. 1958년 메셀슨과 스탈의 실험은 실제로 복제가 이 예측대로 반보존적으로 일어남을 확인했습니다. 그렇다면 서열은 어떻게 단백질이 될까요. 그것이 다음 강의 주제입니다.