세포

생명의 마이크로 코스모스 탐사기

남궁석 지음

에디토리얼 2020년 11월 11일 출간 종이책 : 2020년 08월 27일 출간

작품소개

책소개

세포가 없었다면 생명도 없었다
세포를 통해 생명의 본질과 생명현상의 원리를 추적해온 현대 생물학의 발자취
매드 사이언티스트(Mad Scientist) 남궁석 박사의 네버엔딩 Cell 사이언스

현대 생물학의 시작과 오늘에는 세포가 있다. 세포는 맨눈으로 볼 수 없는 대상이다. 광학의 발달과 함께 활발히 제작되기 시작한 렌즈는 망원경과 현미경이라는 정반대 기능을 가진 관찰 도구에 활용되었다. 최초의 현미경은 광학현미경이었다. 오늘날 초고성능 현미경이 살아 있는 세포를 실시간으로 관찰하면서 사진을 찍고 동영상을 촬영할 수 있는 데 비하면 초창기 광학현미경의 성능은 “세포의 전체적인 모양이나 핵처럼 큰 구조물의 윤곽”(331쪽)을 볼 수 있게 해준 정도였다. 보잘것없는 수준이었지만 그 최초의 세포 관찰로부터 생물과 생명을 연구하는 과학이 등장할 수 있었다. 이러한 단순한 사실은 생물학이 근본적으로 기술 의존성이 큰 학문이라는 점을 시사한다. 실상 현미경만으로는 부족했다. 19세기 화학 발전에 힘입어 등장한 염색 기술은 세포소기관 중 특정한 구조물만을 염색시켜 현미경 관찰을 보조하는 데 큰 역할을 했다. 이때 개발된 염색법 대다수가 오늘날에도 기본적인 세포 처리 기법으로 사용되고 있다.

목차

서문

1장 세포의 ‘주기율표’를 찾아서
인체를 구성하는 세포
세포를 구분하는 방법
RNA와 세포
단일 세포 RNA-seq
인간게놈프로젝트와 세포의 미스터리
유전체의 3차원 구조
세포 아틀라스 프로젝트

2장 세포를 ‘보다’
현미경의 발명
로버트 훅과 ‘셀’
살아 있는 세포를 보다
해부학과 현미경의 만남

3장 세포 이론
광학현미경의 개선
세포 이론의 태동
세포는 세포로부터
화학 공업의 발전과 세포 염색
뉴런주의(Neuron Doctrine)의 탄생

4장 세포를 만드는 정보
전성설
난자와 수정을 발견하다
다윈의 ‘제뮬’과 ‘범생설’
플레밍과 염색체
염색체의 중요성을 알아본 보베리
성을 결정하는 염색체
모건, 초파리, 유전자 지도

5장 생명의 화학 공장, 세포
유기물질을 ‘합성’하다
유스투스 리비히와 생물화학
실험생리학의 확립
단백질의 발견
발효와 효소
단백질과 효소의 관계
에너지를 생산하고 소비하는 화학 공장
에너지 화폐 ‘ATP’

6장 세포생물학의 탄생
원심분리기
생체막
세포 구조물의 원심분리
전자현미경의 등장
세포 발전소, 미토콘드리아
소포체와 리보솜
세포 단백질의 ‘요람에서 무덤까지’
세포생물학의 탄생

7장 유전자 전성 시대
프리드리히 미셔와 ‘뉴클레인’
DNA 구성 물질의 결정과 4염기 모델
폐렴균이 알려준 유전물질
이중나선
하나의 유전자, 하나의 효소(단백질)
DNA로부터 단백질까지 ‘중심 원리’의 완성
진핵세포는 다르다
재조합 DNA 기술

8장 세포 수명
시드니 링거와 링거액
최초의 동물 세포 체외 배양
알렉시 카렐의 ‘불멸 세포’
세포 배양 기술의 발달
헬라(HeLa)
헤이플릭의 한계(Heyflick Limits)
텔로미어

9장 죽지 않는 세포
성게 알에서 얻은 힌트
환경 요인과 병원체에 의한 발암
필라델피아 염색체
암 유전자(oncogene)
암 억제 유전자(tumor suppressor)
암 전이
암의 특징

10장 세포 복제
유전물질을 복제하는 시기
방추사와 그 구성 물질
성숙촉진인자(MPF)
돌연변이 효모와 세포주기 조절
MPF = 사이클린 + cdc2
단백질 분해와 사이클린 조절
분열 체크포인트
DNA 손상과 체크포인트
세포자멸사

11장 세포골격
근육을 움직이는 단백질, 마이오신
액틴의 발견
슬라이딩 필라멘트 모델
액틴과 마이오신에 대한 분자 단위의 이해
근육세포가 아닌 세포에 있는 액틴과 마이오신
미세소관이란 트랙 위에서 달리는 키네신
세포를 움직이게 하는 액틴
세포분열을 일으키는 액틴

12장 세포 발생의 미스터리
모자이크 이론
발생 조절 이론
모포젠(morphogen)
초파리 발생유전학과 모포젠의 발견
분화하는 세포들의 유전정보
조혈 줄기세포

13장 후성학과 줄기세포
포유류의 배 발생 과정
테라토마와 배아 줄기세포
분화하는 세포의 DNA에서 일어나는 변화
DNA 메틸화와 유전자 발현 조절
히스톤과 크로마틴
동물 발생과 후성학적 변화
리프로그래밍, 후성학적 표지의 초기화
유도만능 줄기세포
세포 직접 리프로그래밍

14장 세포 치료와 불사의 꿈
장기이식과 이식 거부 현상
조직접합성 복합체
MHC, 세포성 면역의 핵심 단백질
조혈 줄기세포와 백혈병 치료
인간배아 줄기세포
핵치환 줄기세포
인간 복제배아 줄기세포는 가능한가?
줄기세포 치료의 현실
오가노이드(organoid)
면역세포를 변형한 암 치료(CAR-T세포)

15장 살아 있는 세포의 영상화
면역형광염색법과 형광현미경
살아 있는 세포의 현미경 관찰
GFP, 녹색형광단백질
광학현미경의 한계를 넘어서
살아 있는 세포의 영상화와 입체 영상 기술

16장 인간게놈프로젝트, 그후
세포의 설계도
인간게놈프로젝트
모델생물의 염기서열 결정
민간과 공공 부문의 경쟁
인간유전체의 의미
개인의 유전적 차이 세포마다 차이가 나는 이유
유전체 읽기와 유전체 고쳐쓰기

에필로그: 생물학자는 인공세포의 꿈을 꾸는가
시스템 생물학: 전체적인 관점에서 다시 보는 세포
모델화와 예측
합성생물학: 만들지 않으면 이해할 수 없다?
단백질 디자인
세포 내 회로의 재설계

참고문헌
인명 찾아보기
용어 찾아보기
컬러 화보

출판사 서평

생물학은 볼 수 없는 것을 관찰하고 이해하는 과정에서 구성된 과학이다. 생물학은 현대에 대단한 성공을 거두고 있는 것처럼 보이는 과학 분야 대표주자이지만, 비로소 세포를 제대로 이해할 수 있는 틀이 된 ‘세포 이론’이 19세기 중반에서야 정립되었다. 물리학과 화학에 비하면 생물학은 시작이 늦었고 발전도 더뎠다. 발견 이전에 선결되어야 할 기술적 난관이 많았을 뿐만 아니라 하나의 공식으로 수렴하지 않는 생명현상의 복잡성 때문이었다. 세포 이론은 기초적인 포괄적인 원리를 제시했으나, 아인슈타인의 상대성이론처럼 관측된 적 없는 현상을 이론적으로 예측하고 그 가설을 실제 관측으로 확인했던 것과 같은 역할을 하지는 못했다. 멘델의 유전법칙도 마찬가지였는데 그 법칙만으로 설명되지 않는 유전 현상도 있다.
“이 책은 오늘날 현 시점까지 밝혀진 세포에 관한 지식이 어떻게 발견되고 확정되었는지를 다루는 ‘세포 연구의 연대기’에 가까운 책이다.”(서문) 이 책은 세포 연구를 통해 성립된 생물학의 역사와 그 과정에서 집적된 생물학 지식을 토대로 하지만, ‘연구’에 방점을 두고 집필되었다. 다시 말해 저자는 어떤 발견이나 사실이 생물학 지식으로 확정되고 공인되기까지 과정을 보여주는 데 주력했다. 이는 생물학 연구자이기도 한 저자에게는 가장 자연스러운 관점이기도 하지만, 독자에게는 지식의 맥락을 제공함으로써 특정 분야의 전문지식에 대한 접근성과 이해도를 높이는 방법이기도 하다.

생물학 교양서를 이와 같은 방식으로 저술하고자 했을 때 동시에 고려했던 또 다른 요소는 오늘날 과학에 공통적으로 내포된 ‘빅 사이언스’로서의 경향성을 보이는 것이었다. 광학ㆍ전자현미경(광학), 세포 염색 기술(화학), 원심분리기술(축산)이 도입된 덕분에 생물학의 초기 모습이 갖춰질 수 있었다. 처음부터 다학제적이었다. 그리고 세포는 기본적으로 육안 관찰이 불가능하므로 생물학 연구는 초기부터 지금까지 노동집약적이고 기술의존적이라는 전제가 달라지지 않았다. 입자물리학 분야에 거대 가속기가 있다면, 생물학 분야에는 원심분리기, 염기서열 분석기, 각종 시약, 실험도구, 실험생물이 동원된다. 기본적으로 생물학을 포함하여 현대 과학은 거대 학문인 것이다. 이 책의 첫 장은 바로 생물학계의 가장 최신 자이언트 프로젝트인 ‘세포 아틀라스 프로젝트’로 문을 연다.

세포의 ‘주기율표’란
원소 주기율표는 발표된 1869년 이전까지 발견된 원소들을 원자량, 화학적 성질에 따라 배열하고 분류한 표이다. 세포로 이와 비슷한 표를 작성하려면 세포의 성질과 종류를 확정해야 한다. 세포의 종류 정도는 모두 파악되어 있지 않겠나 싶은데, 그렇지가 않다. “세포에 대한 이해가 늘어나면서 비슷하게 생긴 세포라도 조금씩 기능이 다르고, 같은 기관과 조직에도 기능이 다른 세포가 있다는 사실이 밝혀졌”기 때문이다.(17쪽) 원소 주기율표는 미발견 원소의 존재와 그 성질을 예측하는 틀이 되어주지만, 세포 관련 연구 결과 중에는 그런 이론이 없다. 세포의 종류와 성질(기능)을 결정하는 것은 단백질이다. 한 개의 세포에서 만들어지는 단백질은 약 2만 종류다. 단백질이 다르면 다른 검출법을 사용해야 한다. 인체를 구성하는 세포의 개수는, 추정치이긴 하지만 약 37조 개에 이른다. 인간게놈프로젝트가 국제 공동연구로 진행되었던 것처럼 세포의 종류를 나누고 성질을 결정해 인체의 세포 지도를 그리자는 웅장한 프로젝트가 2016년 출범했다. 2003년 인간게놈프로젝트가 종료된 후로 생물학계의 최신 거대 공동연구 과제이다. 앞서 언급한 바와 같이 생물학계의 연구는 기기나 실험 방법이 뒷받침되지 않는 한 불가능한 경우가 많았다. ‘세포 아틀라스 프로젝트’가 제안될 수 있었던 기술적 배경에는 ‘단일 세포 RNA-Seq’이 있다. 명칭 그대로 세포 1개의 RNA를 추출해서 염기서열을 분석하는 기술이다. 대개 염기서열 분석기에 DNA나 RNA를 넣어서 돌리려면 최소한 마이크로그램 단위의 양이 필요하다. 세포 1개에 들어 있는 RNA의 양은 약 10-30피코그램(마이크로그램의 100만분의 1)이므로, 100만 개 이상의 세포가 필요하다. 그것도 똑같은 세포 100만 개여야 한다. 단일 세포 RNA-Seq은 세포 1개에 들어 있는 극미량의 RNA를 증폭할 수 있다. 기술을 확보했으니, 이제 문제는 37조 개라는 천문학적 숫자다. 세계의 연구자들이 열두 가지 생물학적 시스템을 나누어 연구하고 있다.(29쪽) 2017년에 발간된 프로젝트의 첫 백서에는 “아무리 단일 세포 분석기술이 발전하더라도 약 37조 개로 추산되는 인체의 모든 세포를 살펴볼 수 없다는 점이 명시되어 있다.”.(27쪽) 과연 목표대로 완벽한 세포 지도가 작성될지 귀추가 주목된다.

광학현미경과 세포 염색법으로 발견한 것들
2장부터 4장에서 다루는 내용이

작가정보

저자(글) 남궁석

저자 : 남궁석
고려대학교 농화학과를 졸업하고, 동 대학원에서 생화학 전공으로 석사학위와 박사학위를 받았다. 미국 예일대학교와 펜실베이니아대학교에서 박사후연구원을 마쳤다. 2013년부터 2017년까지 충북대학교 농업생명과학대학 축산식품생명과학부 초빙교수로 재직했다. 지금은 Secret Lab of Mad Scientist(SLMS)라는 이름으로 과학 저술 및 과학 관련 컨설팅에 종사하고 있다. 《과학자가 되는 방법》, 《암 정복 연대기》를 썼으며, 공저로 《4차 산업혁명이라는 유령》이 있다. 과학 지식 교류의 혁신에 관심이 커서 과학자 사이의 수평적 토론 문화 증진을 위한 대안학회 ‘매드 사이언스 페스티벌’을 2년 연속 개최했다. 주요 연구분야는 구조생물학과 동물발생생물학이다.