생명과 전기 #008

제1부 성장과 재성장

제2장 재생의 원동력

조절의 문제

도롱뇽의 다리 재생에 대한 금세기 초 모건의 연구 이후, 수백 명의 다른 연구자들이 많은 종류의 동물에 대해서 이러한 기적을 실험하고 또 실험했다. 그들의 노력은 결국 다음과 같은 몇 개의 일반적인 원리를 산출했다.

• 주성走性 : 생물의 재생에 있어서 앞에서 뒤로 그리고 위에서 아래로의 방향성이 보존된다.
• 기울기 : 재생 능력은 동물 몸의 어느 한 부분에서 가장 강하고, 거기서 모든 방향으로 점차 감소한다.
• 선후 관계 : 손상된 부분의 특정한 어느 한 곳이 우선 대체되고 다음에 일정한 순서로 다른 것들이 대체된다.
• 유도誘導 : 어떤 부분들은 순서상 나중인 다른 것들이 형성되도록 왕성하게 촉진한다.
• 금지 : 어느 특정한 부분이 존재한 상태에서는 그 자신의 복제와 순서상 먼저 되었을 다른 부분들의 형성이 금지된다.

모든 실험들에서 하나의 통합된 결론이 나왔다. 어떠한 동물의 전체 구조, 모양, 특성 등은 세포, 심장, 수족 또는 이빨만큼이나 실질적인 부분이다. 생명체는 조직화 또는 유기체화라는 탁월한 점 때문에 유기체라 불리는 것이고, 각 부분은 전체에 관련하여 그것이 무엇이 되어야 하는가에 대한 정보를 가지고 있다. 전체를 유지하려는 이러한 능력은 일반적으로 도롱뇽이라 불리는 양서류들에 있어서 탁월하다.

도롱뇽은 모든 육지 척추동물의 진화의 원형으로부터 직접 진화되어 내려왔는데, 거의 사람만큼이나 정교하고도 복잡한 동물이다. 앞다리는 근본적으로 우리의 것과 똑같다. 상호관련된 모든 부분들 - 맞물린 뼈와 근육들, 모든 섬세한 손목뼈들, 조화된 손가락들 - 이 순서대로 자라며 적절한 신경과 혈관들로 함께 배선된다.

다리가 잘려 나간 같은 날, 죽은 세포의 파편들은 혈관 속으로 실려 나간다. 상처로부터 멀지 않은, 다치치 않은 조직의 일부가 다시 죽기 시작한다. 처음 2일 혹은 3일 동안 표피세포들 - 피부의 바깥쪽 - 이 확산되면서 안으로 이동하여 상처 표면을 덮어 버린다. 표피는 두꺼워지면서 상처를 완전히 덮고 '꼭대기 모자 apical cap'라고 불리는 투명한 조직으로 바뀐다. 이 과정은 약 1주일 내에 끝난다.

그때즘, 모건에 의해 묘사된 작은 공 같은 미분화된 세포들인 아체가 꼭대기 모자 밑에서 나타나기 시작한다. 이것이 재생을 담당하는 '기관'이 되며 축소된 배같고 또 처음 장소에 다리를 형성하는 배의싹과 매우 닮은 것을 상처 위에 만들어 낸다. 그것의 세포들은 다리를 재건하는 데 필요한 모든 다른 종류의 세포들을 발생시킬 수 있을 것이다.

아체는 약 2주일 내에 마련된다. 아체가 형성되는 동안에도 그것의 바깥 가장자리에서는 급속한 세포분열이 일어나서 아체의 모양을 원뿔이 되게 하고 성장에 필요한 새로운 세포들의 안정된 공급원 역할을 한다. 약 3주 후에, 아체세포들 안쪽 가장자리에서 세포들은 특정한 모양으로 분화하면서 그들 자신을 조직으로 배열시키기 시작하는데, 뼈축 주위에 연골 고리를 형성하는 것으로 시작한다. 다음에 다른 조직들이 형성되고, 그리고 새로운 다리가 마치 안개 속에서 나오는 것처럼 보이기 시작한다. 다음에 다른 조직들이 형성되고, 새로운 다리가 마치 안개 속에서 나오는 것처럼 보이기 시작한다. 다리의 모릎 아래 위가 결합하고, 약 8주 후 네 개의 발가락이 다시 나타나면 재생은 완성된 것이다(약간 크기가 커지는 점만 달라진다).

절묘하게 아름답고 겉보기에는 단순한 이러한 과정은 생물학적 의문들로 가득차 있다. 무엇이 성장을 조직화하는가? 무엇이 통제 요소인가? 아체는 뒷다리가 아니라 앞다리를 만들어야 한다는 것을 어떻게 아는가? (도롱뇽은 실수한 적이 없다.) 잃어버린 부분에 대한 모든 정보가 어떻게 미분화된 이 세포들에게 전해지며, 그것들에게 무엇이 되라고, 어떤 유전자를 활성화시키라고, 무슨 단백질을 만들라고,그리고 그것들을 어디다 갖다 놓으라고 어떻게 지시하는가? 그것은 마치 한 더미의 벽돌들이 자발적으로 배열되어 하나의 빌딩으로 변하는 것과 같은데, 벽과 지붕뿐만 아니라 창문, 전등 기구, 철골, 그리고 가구들까지 모조리 만들어지는 것이다.

이 의문들에 대한 답을 구하기 위해 아체를 도롱뇽의 다른 부분으로 이식시켜 보았다. 이 실험은 문제를 더 복잡하게 만들었다. 아체가 처음 나타난 후 5일에서 7일 이내에 그것을 뒷다리 근처에 이식시키면 잘려진 앞다리에서 만들어졌을지라도 또 하나의 뒷다리로 성장하는 것이다. 자, 이제 무언가 좀 알 것 같다. 몸은 '영향권 spheres of influence' 또는 '조직화 구역 organizational territories'으로 나누어 볼 수 있는데, 각각은 그 지역의 해부학적 정보를 보유하고 있었다. 뒷다리 구역으로 옮겨진 아체는 일반적으로 뒷다리가 되었다. 이것은 하나의 매력적인 이론이지만 아직 확실한 근거가 없다. 이 구역은 정확히 무엇으로 구성되어 있는가? 아무도 몰랐다. 더욱 기묘하게도, 앞다리 절단 부분에서 좀 시일이 지난 아체를 뒷다리 구역으로 이식하면 그것은 뒷다리가 아닌 앞다리로 성장했다. 초기의 아체는 자지가 어디 있는지를 알고, 좀 오래된 아체는 자기가 어디 있었는지를 아는 것이다! 별 뚜렷한 특징이 전혀 없는 이 조그만 세포들은 그것이 어디에 갖다 놓이는가에 관계없이, 완전한 앞다리를 만들 수 있는 충분한 정보를 갖고 있는 것이다. 어떻게? 우리는 여전히 모른다.

그 답을 얻으려는 하나의 시도가 형태형성 장場이론인데, 1930년대에 폴 바이스에 의해 창안되었고, 1950년대에 브론스테드에 의해 발전되었다. 형태형성Morphogenesis은 "형태의 기원"을 의미하는데, 장이란 개념은 단지 재생의 통제 요소에 분석적으로 더 가까이 가기 위한 하나의 시도이다.

덴마크의 생물학자인 브론스테드는 플라나리아로 알려진 흔한 편충의 재생에 대해 연구했다. 플라나리아의 몸은 그대로 둔 채 머리 앞면의 중앙을 잘라 두었더니 두 반쪽 머리 모두 완전한 머리로 성장했다. 역으로, 두 플라나리아의 측면을 붙여 두었더니 머리가 하나로 통합되었다. 브론스테드는 이것이 성냥 불꽃과 유사점이 있음을 알아차렸다. 성냥을 쪼개면 불꽃은 둘로 갈라지고, 두 반쪽은 같은 장場이 창조된 것이라는 이론을 제안했다. 그 장은 자석 주위의 자기장과도 닮았는데, 다만 생명 장은 자석에 비유하자면, 자석의 내부구조를 반영하면서 일부가 훼손되더라도 그 모양을 유지한다는 점이 다르다.

이러한 생각은 미국의 발생학자인 바이스의 초기 실험에서 나왔다. 그의 독단 때문에 많은 창조적인 연구가 방해를 받았지만, 몇 가지 중요한 공헌도 했다. 재성장은 단순히 원래 모습을 회복하기 위해 끝이 갈라진 근육이나 뼈가 자라는 현상이 아니었다. 전체가 완전히 제거된 구조들 - 예를 들면 손, 손목, 그리고 도롱뇽의 앞다리 아랫부분의 뼈들 - 도 역시 다시 나타났다. 바이스는 필요치 않은 부분은 삽입될 수 있으나 기본적인 부분은 쉽게 제거될 수 없다는 것을 발견했다. 추가로 뼈 하나를 다리에 이식하고 둘을 모두 절단했을 때, 재생된 것은 둘 모두를 포함하고 있었다. 그런데 뼈 하나를 완전히 들어내고 상처가 치료된 후 들어낸 뼈가 있었던 부분의 중간을 다시 절단했을 때는, 뼈의 아랫쪽 반이 마치 자신의 실체를 회복하는 유령처럼 재생되었다. 바이스는 뼈 이외의 다른 조직들이 뼈 배열의 정보가 포함된 장을 어느 정도 만들 수 있음을 암시했다. 보다 최근의 재생 연구자인 브라운 대학의 리처드 고스는 "절단 그루터기 부분의 모든 조직은 아체에 나타나는 투표에 참가할 수 있으며, 그들 중 일부는 부재자 투표까지도 할 수 있다"고 말했다.

그러한 어떤 장도 세포들을 자극하여 여러 가지 유전자들의 스위치를 켜거나 끌 수 있도록, 즉 특성을 바꿀 수 있도록 해야 한다. 발생 연구 성과의 중요한 부분의 하나가 여러 가지 화학적 유도제들을 확인한 것인데, 그것들은 인접한 세포들을 특정한 방향으로 분화시켜 필요한 다음 형태의 세포들을 생산하게 하는 화합물이다. 그러나 이 물질들은 단지 단순한 확산에 기여할 뿐이며, 그것들이 활동하는 방식으로는 전체 패턴을 표현하기 위해 과정이 통제되는 방식을 전혀 설명할 수 없다.

다른 하나의 고전적 실험이 문제를 분명히 하는 데 도움을 준다. 도롱뇽의 손(앞다리)을 절단하고 절단된 손목 부분을 몸에 꿰메어 붙인다. 손목은 몸 속으로 성장해 들어가 신경과 혈관들이 새롭게 연결된다. 팔은 U자 모양의 해괴한 모양이 되었고, 양쪽 끝이 모두 몸에 붙어 있다. 다음, 어깨 부분을 절단하여 거꾸로 된 팔을 만드는데, 그 팔은 손목이 몸에 붙어있고 끝이 어깨 연결 부분이 된다. 그러면 그것은 마치 단순히 어깨에서 절단된 것처럼 재성장한다. 결국 팔은 다음 그림과 같은 모양으로 완성된다. 손목이 몸에 붙어 있고 아래 팔뚝, 팔꿈치, 윗팔뚝, 그리고 어깨, 이어서 새로운 윗팔뚝, 팔꿈치, 아래 팔뚝, 손목, 그리고 손의 순서이다. 어째서 재생은 전체의 균형잡힌 몸 형태에 가까워지도록 진행되지 않고 이미 만들어진 절차를 따르는 것일까? 도대체 통제 요소는 무엇인가?

정보가, 그것도 대단한 양이 분명히 몸에서 아체로 전달된다. 현재 우리가 쓸 수 있는 최고의 정보처리 방법은 컴퓨터를 사용하는 것인데, 컴퓨터의 능력은 예 또는 아니오, 1 또는 0을 표시하는 신호인 비트로 표시될 수 있다. 도롱뇽의 앞다리를 완전히 표현하는 데 필요한 비트는 엄청난 것이어서, 지금의 모든 컴퓨터가 가진 용량의 합을 초과한다.

이 정보가 어떻게 전달되는가 하는 문제는 지금까지 과학자들이 다루어 온 가장 어려운 문제들 중의 하나이다. 그 답을 우리가 완전히 알게 될 때는, 재생뿐만 아니라 알에서 성체까지의 전 성장 과정을 이해하게 될 것이다. 지금으로서는 생물학자 자신들도 그랬듯이, 이 문제를 뛰어넘었다가 좀 더 쉬운 문제들을 다룬 다음에 다시 돌아오는 것이 최선으로 보인다.

우리가 무엇이 아체 '속으로' 들어가는가를 이해한다면 무엇이 아체로부터 '밖으로' 나오는가를 이해하기가 더 쉬워질 것으로 생각된다. 그래서 재생에 관한 다른 주요한 문제는 항상 이것이었다. 무엇이 아체가 형성되도록 유도하는가? 그리고 그 세포들은 어디서 오는가?

역분화가 불가능하다는 생각은 기묘한 신념을 제조했다. 원시적이고 미분화된 상태로 온몸에 보관되어 있던 새로운 배 혹은 '예비세포들'에 의해 재생이 이루어져야 한다는 것이다. 상상하건대 어떤 생물학적 종이 울려 그것들에게 절단 부분으로 가서 아체를 형성하도록 명령할지도 모른다는 것이다. 히드라나 편충에서는 그러한 세포들에 대한 증거가 있지만, 그것이 이러한 동물들의 재생을 완전히 설명할 수 있는지는 의심스럽다. 그러나 도롱뇽에 있어서는 지금까지 아무 것도 발견되지 않았다. 사실상 1930년대 같은 오래 전에도 그것들이 존재하지 않는다는 거의 결정적인 증거가 있었다. 그럼에도 불구하고 역분화가 불가능하다는 억지와 예비세포 이론은 (특히 바이스에 의하여) 광신적으로 옹호되어, 신빙성 없는 많은 실험들이 예비세포가 아체를 형성함을 증명하는 것으로 해석되었다. 내가 연구 생활을 시작할 때만 해도, 역분화에 의해 성체세포가 아체를 만들지도 모른다고 가정하는 것조차 앞날에 매우 위험스러울 정도였다.

역분화를 하지 않고 어떻게 아체가 형성되는가를 상상하는 것은 너무나 무리이기 때문에, 아마도 세포들은 '부분적으로' 역분화를 할 수 있을 것이라는 생각이 전개되었다. 달리 말해 근육세포들은 원시적이고 완전히 특화되지 않은 것으로 보이는 세포들이 될 수도 있는데, 그것들은 잠시 아체라는 기억상실 상태에 있다가 성숙한 근육세포로서의 이전 생명을 도로 차지하는 것이다. 많은 연구자들이 사각 못을 둥근 구멍에 맞추려고 쓸데없는 수고를 했다. 절단 그루터기 부분의 근육세포들이 재생을 위해 쓰기에 충분한 새로운 세포들을 만든다는 것을 보여주기 위해, 힘들게 세포분열 횟수를 세었다. 저 불가사의한 아체는 완전히 미분화된 채 여전히 거기 있었다.

우리는, 지금 적어도 몇 종류의 세포들은 초기 상태로 완전히 역행할 수 있고 그러한 역분화가 도롱뇽같은 복잡한 동물에서 아체가 형성되는 주요한 - 아마도 유일한 - 방법이라는 것을 알고 있다.

생명과 전기 #009