< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
[위즈덤 아고라 / 우성훈 기자] 우리가 살아 있다는 것은 세포가 끊임없이 정보를 읽고 실행하고 있다는 뜻이다. 그 정보의 원본은 바로 DNA다. DNA는 두 가닥이 꼬여 있는 이중나선 구조로, 네 가지 염기인 A, T, G, C가 일정한 규칙으로 짝을 이룬다. 이 염기들이 나열된 순서가 생명체의 모든 특징을 결정한다. 머리카락 색, 눈동자 모양, 심지어 특정 질병의 발병 위험까지도 이 코드 속에 숨어 있다. DNA는 생명의 설계도로서, 세포가 스스로를 유지하고 복제하는 데 필요한 모든 정보를 포함하고 있다.
세포는 이 DNA 정보를 활용하기 위해 먼저 ‘전사’라는 과정을 수행한다. 전사는 DNA에 담긴 유전 정보를 RNA 형태로 옮겨 적는 단계로, RNA 중합효소가 DNA의 한 가닥을 읽어 mRNA라는 복사본을 만들어 낸다. 이렇게 생성된 mRNA는 핵을 빠져나와 세포질로 이동해 단백질 합성을 지시하는 역할을 한다. 마치 주방으로 전달되는 레시피처럼, 단백질 합성을 위한 정보가 현장으로 옮겨지는 과정이라고 이해할 수 있다.
이어지는 단계는 번역이다. 번역은 mRNA의 정보를 바탕으로 단백질이 실제로 만들어지는 과정으로, 리보솜이 mRNA를 세 글자씩 읽어 각 코돈에 해당하는 아미노산을 불러온다. 아미노산들은 차례로 연결되어 긴 사슬을 만들고, 이 사슬은 접힘 과정을 거쳐 고유한 구조의 단백질이 된다. 단백질은 효소, 호르몬, 세포 구조 등 생명 현상의 거의 모든 부분을 담당한다. 이 과정에서 교정 기능(proofreading)과 DNA 수선 메커니즘이 함께 작동해 유전 정보의 안정성을 유지한다.
그러나 이 정교한 과정은 아주 작은 오류에도 민감하다. 코돈 하나가 잘못 해석되면 단백질 구조가 달라져 기능을 잃거나 질병을 유발할 수 있다. 대표적인 예가 겸상적혈구 빈혈이다. 단지 아미노산 하나의 변화로 적혈구가 낫 모양으로 변해 산소 운반 능력이 크게 떨어진다. 또 다른 예로 낭포성 섬유증이 있다. CFTR(낭포성 섬유증 관련 유전자) 유전자에 돌연변이가 발생하면 세포막을 통한 염분 이동이 제대로 이루어지지 않는다. 그 결과 폐와 소화기관에 끈적한 점액이 쌓이며, 심각한 호흡기·소화기 문제가 나타난다. 이처럼 특정 유전자에서의 돌연변이가 단백질 기능과 세포 활동에 큰 영향을 미칠 수 있다.
최근 과학자들은 이러한 자연적 과정의 이해를 넘어서, 그 효율과 정확성을 높이기 위한 연구를 이어가고 있다. KAIST 생명과학연구진은 mRNA의 구조 요소를 조절해 단백질 합성 효율을 극대화하는 방법을 제시했다. 연구진은 mRNA의 5′ UTR, 3′ UTR, 그리고 폴리(A) 꼬리 길이를 다양하게 바꾸어 보았고, 특정 조합에서 mRNA가 더 안정적으로 유지되며 단백질 생산량이 크게 증가한다는 사실을 확인했다. 이는 염기서열 자체뿐 아니라 주변 구조가 단백질 생성 효율과 안정성에 얼마나 중요한지 보여주는 결과이다.
유전 암호를 ‘확장’하려는 시도도 주목받고 있다. 한국 연구진은 기존 20가지 아미노산만으로는 구현할 수 없는 새로운 단백질을 만들기 위해, tRNA의 구조를 변형해 비표준 아미노산을 단백질에 삽입하는 실험을 진행하고 있다. 이 기술이 발전하면 약물 전달 능력을 강화하거나 반응성을 조절한 맞춤형 단백질 제작이 가능해진다. 나아가 생체재료 개발이나 신약 개발에도 응용될 수 있다. 이는 유전 암호를 단순히 해독하는 단계를 넘어, 새로운 ‘생명의 언어’를 창조하는 시도라 할 수 있다.
또 다른 연구에서는 세포 밖에서 단백질을 합성하는 기술이 떠오르고 있다. KAIST와 충남대학교 공동 연구팀은 금 나노막대를 이용해 빛으로 온도를 정밀하게 조절하는 방식으로 무세포 단백질 합성을 구현했다. 이 기술은 실험실이 없는 환경에서도 진단용 단백질이나 치료 단백질을 빠르게 생산할 수 있어, 재난 상황이나 의료 인프라가 부족한 지역에서 잠재적 활용 가능성을 가진다. 연구팀은 이를 기반으로 아미노산 대사 이상 질환을 신속하게 진단하는 마이크로칩 시스템도 함께 제시했다.
이처럼 다양한 연구들은 결국 하나의 목표로 이어진다. DNA에 담긴 정보를 더 정확하게 읽고, 더 효율적으로 활용하며, 때로는 그 한계를 뛰어넘는 것이다. 우리는 DNA를 생명의 언어로 바라보지만, 과학자들은 이제 그 언어를 재해석하고 새롭게 확장하는 단계로 나아가고 있다. 생명체의 모든 활동은 이 복잡하고도 아름다운 정보 해독 과정 위에 세워져 있다. 또한 이러한 연구들은 앞으로 맞춤형 의료, 신약 개발, 합성 생물학 등 다양한 분야에 혁신적 응용 가능성을 열어주고 있다.
[위즈덤 네이처]생화학은 세포 속에서 일어나는 화학반응과 생명 현상을 탐구하는 학문입니다. 우리가 먹는 음식이 에너지로 전환되거나, DNA 속 정보가 단백질로 만들어지는 과정, 효소가 반응 속도를 바꾸는 원리까지 모두 생화학의 영역에 속하기 때문에 생명현상과 밀접한 영향이 있습니다. 이번 칼럼에서는 단백질의 접힘, ATP의 역할, 효소 촉매 작용, 유전자 발현, 혈당 조절, 세포막 신호전달 같은 주제를 다룰 예정입니다. 일상에서 접할 수 있는 사례와 연결해 생화학의 개념을 위즈덤 아고라 우성훈 기자의 ‘위즈덤 네이처’에서 만나 보세요.
