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초파리

초파리

: 생물학과 유전학의 역사를 바꾼 숨은 주인공

[ 개정판 ]
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품목정보

품목정보
발행일 2022년 08월 16일
쪽수, 무게, 크기 328쪽 | 384g | 140*210*16mm
ISBN13 9791191842265
ISBN10 1191842266

카드 뉴스로 보는 책

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초파리 원자로

모건은 실험 진화라는 새로운 연구를 위해 초파리 실험의 규모를 확대하기로 결정했다. 이제 초파리를 수백 마리가 아니라 수만 마리를 키우기 시작한 것이다. … 돌연변이는 아주 드물게 일어나는 사건이다. 돌연변이를 로또 복권 당첨에 비유한다면, 개개의 초파리는 개개의 복권에 해당한다. 만약 복권을 몇 장만 산다면(실험실에서 초파리를 몇 마리만 기른다면), 당첨될 확률(새로운 돌연변이를 발견할 확률)은 극히 낮다. 그러나 복권의 수를 수천, 수만 장으로 늘리면 당첨될 확률이 높아진다. 초파리를 많이 기르면 짝짓기가 많이 일어나고, 새로운 돌연변이가 나타날 가능성이 높아진다. 많은 돌연변이 대립 유전자(대립 형질을 지배하는 한 쌍의 유전자로 염색체 위의 같은 유전자 자리에 위치하며, 대개 서로 우성과 열성 관계에 있다)는 열성 지시이기 때문에, 처음 나타날 때에는 우성인 짝에 가려 그 형질이 발현되지 않는다. 새로운 돌연변이 지시를 발견할 수 있는(그 효과가 나타나는 것을 볼 수 있는) 유일한 방법은 같은 지시를 가진 두 초파리를 짝짓기시키는 것이다. 물론 처음에는 어떤 초파리가 어떤 지시를 갖고 있는지 모르기 때문에 무작정 시도해 보는 수밖에 없다. 그러나 교배시키는 초파리 수를 늘리면, 같은 열성 유전자를 가진 두 마리가 짝짓기를 할 확률이 높아진다.

모건은 일단 어떤 돌연변이를 확인하면, 새로운 돌연변이 유전자만 가진 암컷과 수컷을 얻을 수 있도록 초파리들의 짝짓기를 세심하게 조절했다. 그 결과 더 많은 돌연변이가 나타났고, 그러자 다시 돌연변이 유전자를 가진 초파리들끼리 더 많은 교배를 시킬 수 있었다. 몇 달 안에 모건의 실험실은 초파리 원자로 비슷한 공간으로 변했다.
--- p.80~81

발생이라는 퍼즐을 맞추다

발생은 이처럼 서로 다른 여러 마스터 조절 유전자 집단이 차례로 활성화되며 진행되고, 이것들이 합쳐져 순차적으로 신체의 지역 분할과 배치가 일어난다. 수정란일 때 초파리는 확실한 형태가 없는 타원체로, 눈에 띄는 특징이 거의 없다. 발생이 진행되면서 머리 끝 부분과 꼬리 끝 부분, 상반신과 하반신이 생겨난다. 그리고 분할이 계속 일어나 몸은 일련의 체절들로 분할된다. 체절들은 한참 뒤에야 상동 이질 형성 유전자의 지시로 각자 고유한 특성을 나타낸다.

루이스와 뉘슬라인폴하르트와 위샤우스는 발생이라는 퍼즐에 중요한 조각들을 일부 첨가했고, 그 덕분에 일관성 있는 이야기가 나타나기 시작했다. 세포들은 스위치가 켜지는 유전자들이 제각각 다르기 때문에 서로 다른 세포로 발생하며, 유전자들을 켜고 끄는 일은 마스터 조절 유전자가 담당한다.
--- p.118~119

종의 기원이 발생하는 장면

1930년대 중엽에 도브잔스키는 광범위한 지역을 여행하면서 다양한 서식지에서 초파리를 채집했다. 남쪽으로는 멕시코, 북쪽으로는 캐나다 서부의 브리티시컬럼비아 주와 알래스카, 동쪽으로는 네브래스카 주와 노스다코타 주까지 여행했다. 이렇게 수집한 수만 마리의 초파리를 패서디나로 갖고 와 현미경으로 염색체를 자세히 관찰했다. 도브잔스키가 연구 결과를 대량으로 쏟아 내자, 개체군을 유전적으로 동일한 개체들의 집합으로 보던 낡은 개념은 역사의 쓰레기통 속으로 들어갈 운명임이 명백해졌다. 도브잔스키가 조사한 모든 개체군은 유전적 다양성이 풍부했다. 그를 비롯해 많은 사람들이 생각했던 것처럼, 유전적 변이는 비정상이 아니라 일상적으로 일어나는 일이었다. …

앞에서 말했듯이, 도브잔스키가 맨 먼저 발견한 것은 각 개체군 내에 유전적 변이가 아주 많이 존재한다는 사실이었다. 신발 비유로 바꾸어 이야기해 보자. 각 도시마다 대여섯 종류의 신발이 있었다. 그런데 변이성은 개체군 내에만 존재하는 게 아니라, 개체군 사이에도 존재했다. 다시 말해 도시마다 신발 종류의 명단이 제각각 달랐다. 예를 들어 샌프란시스코에서는 지저스 부츠Jesus boots(히피 등이 신는 남자용 샌들)와 모카신moccasin(부드러운 가죽으로 만든 납작한 신)이 유행했지만, 미니애폴리스에서는 그런 신발은 보기 드물고 대신에 스노 부츠가 인기를 끌었다. 댈러스에서는 지저스 부츠와 스노 부츠를 모두 찾아보기 힘들고, 대신에 카우보이 부츠가 인기였다. 로스앤젤레스에서는 디자이너 스니커즈가 유행하지만, 시애틀에서는 그것을 보기 힘들고 고무장화가 인기를 끌었다. 이와는 대조적으로 뉴욕에서는 다른 곳에서 보기 힘든 가죽 옥스퍼드 슈즈를 비롯해 모든 종류의 신발이 골고루 섞여 있었다.
--- p.142~144

모든 동물에게 보편적인 학습과 기억의 유전자

초파리에서 발견된 것과 비슷한 학습 및 기억 유전자는 이미 다른 동물들에서도 발견되었다. 사람, 생쥐, 쥐, 선충, 갯민숭달팽이도 초파리의 CREB 유전자와 DNA 염기 서열이 일치하는 유전자를 갖고 있다. 사실, CREB 유전자는 동물계 전체에서 발견되는 보편적인 분자 스위치로 보인다. 예를 들면, CREB 유전자는 초파리에서와 마찬가지로 생쥐에서도 장기 기억 스위치를 켠다. CREB 유전자를 제대로 작동하지 못하게 하면, 단기 기억만 하는 생쥐가 태어난다. 발생 유전자와 마찬가지로 학습과 기억 유전자도 보수적 성격을 지닌 것처럼 보인다.

만약 우리 역시 초파리와 똑같은 유전자 주형으로 만들어져 있다면 어떨까? 기억 조작이 가능한 흥미로우면서도 두려운 미래의 모습이 눈앞에 다가올 것이다. 뜨거운 욕탕에 들어가서 아인슈타인의 상대성 이론을 다 배웠다가 거기서 나오는 순간 그것을 싹 잊어버리는 자신을 상상해 보라. 또, 첩보 요원에게 CREB 유전자를 과다 주입함으로써 사진적 기억력을 갖게 만들면 어떨까? 열 충격 촉진제를 써야 한다면, 그 첩보 활동은 아프리카나 중동처럼 더운 지방에 국한될 것이다. 열 충격 촉진제를 없애도 된다면, 전 세계 어디서나 환상적인 첩보 활동을 펼칠 수 있을 것이다. 그러나 온도를 조절하는 인자가 전혀 없다면, 여러분의 뇌는 금방 정보 과부하 상태가 되고 말 것이다.

좀 더 진지하고 현실적인 측면에서 보면, 초파리는 새로운 약과 유전자 요법을 이용해 선천적 학습 장애나 뇌졸중 환자, 알츠하이머병 환자를 치료하는 미래를 시사한다. 머리에 손상을 입어 상실한 기억은 되살리는 반면, 고통스러운 기억이나 외상성 기억은 화학적으로 제거할 수 있을 것이다.
--- p.183~184

암컷을 조종하는 정액 단백질

이러한 발견은 정액의 전통적 이미지에서 크게 벗어나는 것이다. 정액은 단지 정자를 운반하는 액체 매개물에 지나지 않는다는 것이 전통적 견해였다. 그 속에 포함된 다양한 화학 물질은 정자가 난자를 찾아 떠나는 긴 여행을 돕기 위한 일종의 화학적 도시락에 불과한 것으로 생각했다. 그러나 이 가설은 어디까지나 추측 수준에 머물러 있었다. 초파리와 일부 곤충의 정액을 제외하고는, 정액 속에 포함된 화학 물질들이 실제로 무슨 일을 하는지는 아무도 몰랐다. 사람의 경우에도 정액 속에 포함된 대부분의 성분들이 정확하게 어떤 기능을 하는지 분명하게 밝혀지지 않았다.

초파리의 정액이 좋은 역할만 하는 것이 아니라는 사실을 뒷받침하는 최초의 단서는 1950년에 곤충생리학자들이 정액이 암컷의 행동을 조종한다는 사실을 발견하면서 등장했다. 암컷 몸에 직접 주입한 정액 은 암컷의 성적 충동을 억제하고 산란을 촉진했다. 만약 맨 마지막에 교미를 한 수컷이 자신의 정자로 이러한 효과를 일으킬 수 있다면, 그 수컷은 태어나는 새끼의 아비가 될 확률이 크게 높아질 것이다.

훗날 이러한 효과를 일으키는 화학 물질은 고환 바로 옆에 위치한 부속샘에서 나온다는 사실이 밝혀졌다. 부속샘 안에서는 단백질이 만들어지는데, 이 단백질은 사정을 통해 적의 영토 안으로 들어갈 때까지 대기한다. 지금까지 모두 20여 종의 단백질이 확인되었지만, 최근의 추정에 따르면 이 단백질 분자 무기에는 많게는 100여 종의 단백질이 들어 있을지도 모른다.
부모가 되기 위한 경쟁 때문에 정액 단백질은 암컷의 몸속 구석구석으로 퍼져 나간다. 일부는 생식관 근처에 머물고, 일부는 아주 멀리까지 가는데, 혈액을 타고 흘러가 뇌에까지 영향을 미친다. 유전자를 다음 세대에 전달하기 위한 치열한 경쟁의 결과로 진화는 자기도 모르게 암컷의 몸을 모든 전선에서 전투가 벌어지는 전장으로 바꾸어 놓은 셈이다.
--- p.214~215

‘므두셀라’ 돌연변이는 왜 널리 퍼지지 않았을까?

‘므두셀라’ 돌연변이 초파리는 광범위한 환경 스트레스에 강한 저항력을 보인다. ‘므두셀라’ 초파리는 단 하나의 유전자에 일어난 한 가지 변화만으로도 열과 굶주림, 그리고 자유 라디칼 생성을 촉진하는 제초제를 잘 견딜 수 있다. 이 유전자가 만들어 낸 단백질이 왜 이러한 마법의 효과를 발휘하는지는 아직 아무도 확실히 모른다. 이 단백질은 세포막 안쪽에 자리 잡고서 전체 방어 전략을 살피면서 지휘하는 것처럼 보인다. 이 단백질의 놀라운 효능은 스트레스가 많은 상황에서 분자의 반응을 조절하는 속도 또는 효율성에서 나오는 것으로 보인다.

‘므두셀라’ 돌연변이는 흥미로운 생물학적 역설을 제기한다. 만약 어떤 돌연변이 유전자가 초파리에게 스트레스에 더 잘 견디고 더 오래 살 수 있게 해 주는 새로운 형태의 단백질을 만들게 한다면, 왜 진화는 이 돌연변이를 진작 발견하지 않았을까? 만약 그것이 그렇게 유리한 것이라면, 왜 ‘므두셀라’ 돌연변이가 자연 초파리 개체군 사이에서 널리 퍼지지 않았을까?
--- p.248~249

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추천평 추천평 보이기/감추기

『초파리』 감수와 추천사를 의뢰받고 읽은 지 얼마 지나지 않아 나도 모르게 감탄과 탄식이 새어 나왔다. 어떻게 지금까지 이 책을 모르고 있었을까. 초파리의 공은 박물학의 전통을 실험생물학으로 바꾸어 놓았다는 데 그치지 않는다. 알고 보면 초파리는 생물학의 역사에서 큰 변곡점을 맞이할 때마다 늘 그 자리를 지켰던 주인공이었다. 그 주인공 덕분에 우리는 생명의 비밀을 쥐고 있는 유전자의 실체에 접근할 수 있게 되었다. 이제라도 이 책을 읽고 추천할 수 있어 얼마나 큰 다행인가.
- 전주홍 (서울대 의과대학 생리학교실 교수, 『과학하는 마음』 저자)
저자는 이 책에서 지난 100여 년 동안 초파리가 실험동물로 살아온 역사를 돌아보고 하나의 미천한 생물이 20세기 생물학게 어떻게 큰 도움을 주었는지 엿볼 수 있는 기회를 제공한다. 책을 읽다 보면 초파리를 통해 생물계 전반에 대한 이해를 넓힐 수 있고, 연구실에서 인생을 다 보내는 학자들의 즐거움과 슬픔도 함께 느낄 수 있을 것이다. 또한 깊은 과학 지식이 없어도 흥미진진하게 읽을 수 있어 좋다. … 호기심 왕성한 청소년들, 혹은 나이와는 관계없이 초파리라는 곤충에 궁금증을 느끼는 이들이라면 열독할 만한 책으로 책임지고 추천한다.
- 권오길 (강원대 생명과학과 명예교수, 『인체 기행』 저자)

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