인류의 발전에 이바지한 사람에게 주는 영광스러운 노벨과학상. 2018 노벨상 해설강연이 KAIST의 각 분야별 전문가를 모시고 진행되었습니다. KAIST 최고의 전문가들을 모시고 생리의학, 물리학, 화학 각 수상 분야별 연구내용을 깊이 다루고 생각해볼 수 있었던 시간이었습니다. 노벨과학상 해설 강연을 통해, 인류에게 커다란 혜택과 엄청난 산업적 성과를 가져다 준 과학적 발견을 깨달을 수 있었습니다.

 

Chapter 1. 노벨 생리의학상-KAIST 생명과학과 강석조 교수
 

먼저, 생리의학상의 KAIST생명과학과 강석조 교수님의 해설이 있었습니다. 2018 노벨 생리의학상은 면역학 관련 연구에 관한 것입니다. 이번 노벨 생리의학상은 미국 텍사스대의 재암수 앨리슨 교수와 일본 교토대의 혼조 타스쿠 명예교수가 공동 수상하였습니다. 암세포가 그 힘을 내지 못하도록 하는 항체를 발견하여 면역항암체를 개발하는데 큰 기여를 하였습니다. 앨리슨 교수와 혼조 교수가 개발한 면역항암제는 1, 2세대 항암제의 부작용을 해소하고 면역세포 활성화를 통해 암세포와의 전쟁에서 유리한 위치를 차지할 수 있습니다.
 

암은 인류의 난제입니다. 암을 치료하기 위한 많은 치료법들이 개발 중에 있습니다. 최근에 3세대 항암제인 면역요법이 있습니다. 표적 항암제의 개발로 만성 골수성 백혈병의 치료제로 떠올랐습니다. 암세포는 계속 변형을 하고 전이가 되기에 정복하기가 쉽지 않았습니다. 암세포와 면역세포는 밀접한 관련이 있음을 발견을 하고, 암세포는 면역세포를 피하려고 하는 것이 나타났습니다. 면역치료법에 대한 연구는 이미 예전부터 진행되고 있었습니다.
 

기존의 암치료법은 암세포를 유발하는 돌연변이를 막는 데 주력하고 있습니다. 그러나 이 방법들은 내성을 축적해 더 큰 부작용이 우려되므로 내성을 갖추지 못하게 하기 위한 근본적인 치료방법이 필요하다고 말했습니다. 이에 앨리슨 교수가 새로운 치료법으로 소개한 것이 ‘면역관문억제요법(checkpoint blockade therapy)’이다. 기존 암치료법과 완전히 다른 이 면역요법은 면역계로 하여금 T세포가 암세포를 공격하게 하는 것입니다.
 

이에 T세포가 암세포와 잘 싸울 수 없도록 막는 단백질들을 찾았는데, 앨리슨 교수님은 CTLA-4를 연구하였고, 혼죠교수님은 PD-1을 연구하였습니다. 우리 몸에 적용하는 항체를 이용해서 세포 활성화 과정에서 브레이크가 작용하는 것을 막으면 해결책을 찾을 수 있을 것 같다는 전제에서 연구를 진행하였습니다. 그 단백질들이 작용하지 못하도록, 각각을 막는 단일클론 항체를 만들었습니다. 이렇게 되면 CTLA-4나 PD-1이 T세포에 접근하지 못해서, T세포의 작용을 억제할 수 없으니, T세포가 암세포를 활발하게 죽일 수 있게 되는 환경이 만들어집니다.
 

앨리슨 교수님은 CTLA-4에 제동을 거는 Anti-CTLA-4를 만들어 활성을 차단하는데 성공하고, T세포의 암 세포 죽이는 능력을 높일 수 있었습니다. 혼조 교수님은 PD-1의 접근을 막아 T세포가 자연스럽게 암세포와 싸울 수 있었습니다. 이러한 연구가 진행되면서 많은 의학 관계자들이 면역관문억제요법에 주목했고, 이를 활용해 의약품을 개발하고 있습니다. 앨리슨 교수님의 연구결과를 바탕으로 다국적제약사 BMS는 지난 2010년 면역 항암제 ‘여보이(Yervoy)’를 개발했다. 미 식품의약국(FDA)는 2011년 ‘여보이’ 시판을 허가했습니다.
 

면역요법은 우리의 면역체계를 이용해서 암을 치료하는 것이기 때문에,여러 종류의 암에 적용될 수 있습니다. 일반적인 항암치료에 비해 치료 효과의 지속력이 높아, 재발률이 낮다고 합니다. 그러나 초기 감응도가 떨어지는 편이라서 이를 보완하기 위해 다른 항암치료법을 병행하는 combination therapy를 많이 사용한다고 합니다. 그럼에도 불구하고 이와 같은 치료법은 많은 암 환자들에게 희망과 빛을 주었습니다. 면역시스템을 활용해 암세포의 정복에 한 걸음 더 다가가게 되었습니다.

 

Chapter 2. 노벨 화학상-KAIST 화학과 박희성 교수
 

노벨 화학상도 생리의학상과 연관이 있습니다. 노벨 화학상은 미국 캘리포니아 공대 프란시스 아놀드 교수와 미국 미주리대 조지 스미스 명예교수, 영국 케임브릿지대 그레고리 윈터 교수의 공동수상이었습니다. 이번 노벨 화학상은 유도 진화(directed evolution)과 파지 전시(phage display)에 주어졌습니다. 아놀드 교수가 유도 진화로 1/2의 지분을, 조지 스미스와 그레고리 윈터가 파지 전시로 각각 1/4의 지분을 차지했습니다. 화학 수상자들은 인류의 화학문제를 해결할 수 있는 더 발전된 단백질을 얻기 위해, 진화의 힘을 사용했습니다. 진화의 과정을 적용시켜 유전자 변이와 선택이라는 방법을 연구했습니다.
 

아놀드 교수는 효소 단백질에 화학적 조작을 가하여 생명체를 원하는 대로 진화시키는 유도 진화기술을 연구하였습니다. 유도진화기술이란, 효소의 유전자에 임의의 돌연변이를 일으켜 수많은 변이 효소를 얻은 뒤 바라는 조건에서 촉매 활성을 측정해 우수한 변이 효소를 ‘선택’하는 방법을 개발했습니다. 이렇게 선택된 변이 효소의 유전자를 대상으로 다시 임의의 돌연변이를 일으켜 위의 과정을 반복합니다. 그리고 2세대 변이 효소들의 촉매 활성을 측정해 다시 우수한 것들을 선택합니다. 필요할 경우 이 과정을 여러 차례 반복해 더 우수한 변이 효소를 얻습니다. 아놀드가 개발한 효소의 유도진화는 그 뒤 특정 조건에서 최고의 성능을 낼 수 있는 다양한 변이 효소의 개발로 이어졌고 오늘날 바이오연료와 플라스틱 등을 만드는데 널리 쓰이고 있습니다. 그 결과 에너지가 많이 들어가고 유해한 부산물이 나오는 기존 화학반응을 대체하면서 녹색화학(green chemistry) 시대를 여는데 크게 기여하고 있습니다.
 

스미스 교수와 그레고리 윈터 박사는 유전자 재조합 기술을 활용한 항체 생산 기술인 파지 전시법을 개발하였고, 윈터 교수는 이를 이용해 새로운 약품을 만드는 방법을 고안해 자가면역질환 환자를 위한 항체 개발에 기여했습니다. 원하는 단백질을 인코딩하는 유전자를 파지의 단백질 껍질 유전자에 삽입하면, 파지가 그 단백질을 바깥에 전시하게 됩니다. 윈터 박사는 파지 전시를 이용해서 항체를 유도 진화시켰습니다. 항체를 파지에 전시시킨 다음, 가장 효과적인 항체를 유도 진화를 통해 얻습니다. 항체의 유도 진화를 통해 자가면역질환 치료제나, 암 치료제 같은 의약품을 개발할 수 있습니다.
 

윈터는 스미스의 파지디스플레이에서 아이디어를 떠올렸다. 사람의 항체 유전자를 파지 게놈에 넣어 표적 항원에 달라붙는 항체를 선별하는 방법입니다. 스미스의 파지디스플레이가 파지가 제시한 수많은 펩티드 가운데서 특정 항체에 달라붙는 항원을 찾는 방법이었다면, 윈터의 파지디스플레이는 파지가 제시한 수많은 펩티드 가운데서 특정 항원에 달라 붙는 항체를 찾는 방법이라고 합니다. 그리고 이 과정에서 앞의 아놀드가 개발한 유도진화 기법을 적용했습니다. 항체 유전자에 임의의 돌연변이를 일으켜 만든 수많은 변이 항체 가운데 특정 항원에 잘 달라붙는 걸 선별한 뒤 이 유전자에 다시 임의의 돌연변이를 일으켜 더 잘 달라붙는 항체를 추려내는 식입니다.
 

1990년대 윈터는 이 방법으로 여러 자가면역질환에서 염증을 촉발하는 분자인 TNF-알파를 항원으로 하는 항체 아달리무맙(adalimumab)를 개발하는데 성공했고 2002년 류머티스관절염치료제로 미식품의약국(FDA)의 승인을 받았다고 합니다. 현재 아달리무맙은 건선과 염증성장질환 등 다른 자가면역질환 치료제로도 쓰이고 있다. 현재도 많은 제약회사들이 파지디스플레이 방법으로 암, 알츠하이머병 등 각종 질환에 대한 항체치료제를 개발하고 있습니다. 암, 난치병 치료 정복도 멀지 않은 것 같습니다.

Chapter 3. 노벨 물리학상-KAIST 물리학과 안재욱 교수
 

물리학분야에서는 3명의 공동수상자가 있었습니다. 광핀셋, 고출력 레이저 개발로 미국 벨연구소 박사인 아서 애슈킨, 프랑스 에콜폴리 테크니크 교수인 제라르 무루, 캐나다 워털루대 교수인 도나 스트리클런드가 받았습니다. 그 중 아서 애슈킨은 현재 97세로 최고령 노벨상 수상자입니다. 제라르 무루는 자신이 노벨상을 받기 전까지는 은퇴를 하지 않겠다 라고 했는데 결국에는 노벨상을 수상하는 데 성공했습니다. 대단한 끈기와 열정이 노벨상 수상으로 이끈 것 같습니다. 도나 스트리클런드는 노벨 물리학상 수상자들 중 역대 3번째 여성입니다.
 

이번 물리학상의 테마는 레이저 및 광학 분야였습니다. 애슈킨 박사의 주요 업적은 이른바 ‘광학 집게(Optical Tweezer)’를 발견한 것으로, 레이저광을 이용해 아주 작은 입자를 포획하거나 조작하는 방식입니다. 미세한 입자에 집속된 레이저빔을 비추면, 입자에 산란 또는 흡수되는 광자들에 의한 운동량 변화로 인하여 빔 초점 근처에서 입자를 붙잡아두는 힘을 생성할 수 있습니다. 유전체인(Dielectric) 입자는 레이저빔이 형성하는 강력한 전기장에 의해 빔의 중심 쪽으로 끌리면서, 용수철의 단진자운동처럼 중심으로부터의 변위에 비례하는 힘을 지니게 되어 레이저빔을 마치 집게처럼 사용해 작은 입자들을 붙잡거나 이동시키는 등의 조작을 할 수 있습니다. 이에 세포 분류, 열역학 연구, 오비탈 각운동량 실험, DNA 늘이기, 레이저 원자 냉각 등 다양한 분야에 응용이 가능합니다. 애슈킨 박사는 1970년 벨 연구소 재직 시에 이러한 레이저 포획 즉 광학 집게의 원리를 발견하고 가능성을 제시했으나, 실제로 실현시키기에는 오랜 세월이 걸렸습니다.
 

사제지간이기도 한 제라드 무루 교수와 도나 스트릭랜드 교수의 연구는 고출력 극초단 레이저를 개발한 것입니다. 처프 펄스 증폭(Chirped Pulse Amplification; CPA) 기술입니다. CPA의 발명을 기점으로 만들 수 있는 빛의 최대 세기가 올라갈 수 있었습니다. CPA의 기술의 포인트는 기술의 핵심은 매우 짧은 펄스 레이저광을 회절격자(Diffraction Grating)를 사용하여 공간적으로 넓게 퍼뜨림으로써 매질이 손상되는 것을 방지하고, 광을 증폭한 다음에 다시 회절격자로 모아서 광 출력을 극대화하는 방식입니다. 이러한 초고출력 극초단 레이저가 실현됨으로써, 예전에는 이론적으로만 예측하였던 극한적 환경에서 물리학의 제반 실험들을 실제로 수행할 수 있게 됩니다.
 

예를 들면 레이저 플라즈마 생성, 레이저 핵융합 등에 적용할 수 있으며, 이를 통하여 물리학 및 기초과학의 여러 분야가 더욱 발전할 것입니다. 다만 CPA 방식의 레이저는 펄스 레이저이므로, 우리 주변의 일상생활에 널리 쓰이고 있지는 않습니다. 그러나 산업 및 의료기술의 발달에 따라 고출력, 극초단의 펄스 레이저를 필요로 하는 곳들도 더욱 늘어날 것이며, 안과의 라식수술 등에 짧은 펄스 폭의 CPA 레이저장치를 적용 가능하게 되었습니다. 앞으로 CPA 레이저를 활용하여 레이저 입자가속에 의한 암치료장치의 개발이나 레이저 핵융합 장치에 의한 핵융합 발전 등에 성공한다면, 인류의 삶의 질 향상에도 크게 기여하게 될 것으로 봅니다.
 

2018 노벨상 해설강연을 통해 과학기술의 발달이 어디까지 오고, 그 연구의 성과가 우리의 일상생활 속에 영향을 미치는 것을 알게 되었습니다. 이러한 기초과학의 중요성을 다시 한 번 알게 되고, 이번 노벨상 수상들이 인류의 여러 문제들을 해결하는 키가 될 것이라고 생각합니다.
 

We are in the early days of directed evolution’s revolution which, in many different ways,is bringing and will bring the greatest benefit to humankind.
 

-The Norwegian Nobel Committee