생명과 전기 #024

제2부 재생 전류

제6장 다루기 힘든 유전자

혈액의 놀라운 묘기

예고 없이 사원의 커텐이 젖혀진 것 같은 느낌이었다. 눈이 휘둥그레진 초심자로서, 나는 신비 중의 신비를 확인하기 위해 성역 안으로 이끌려 들어가고 있었다. 나는 상세하고도 생동감 있게 수놓인 비단과 같은 변화무쌍한 형태들을 보았다. 그것들은 시끌시끌한 결혼식 손님들처럼 함께 춤을 추었다. 그것들은 수시로 모양을 바꾸었다. 그들 자신 내에서 만화경 속의 조각들처럼 요술을 부렸다. 태양의 불꽃과 같이 자기 자신을 부풀리기도 했다. 그렇지만 그들의 활동은 모두 연계되어 있었다. 각각은 그 이웃과 보조를 맞추어 행동했다. 마치 별들의 집단 생활 같았다. 그것들은 분명히 서로의 존재를 인식하면서 열렬히 대화를 나누고 있었다. 그러나 그것들이 무엇을 말하고 있는지를 아는 것은 불가능했다. 그것들은 아름다움으로 나를 압도하는 장관을 연출하고 있었다.

불이 다시 켜졌을 때, 극장 관람석은 오히려 희미하고 비현실적으로 보였다. 현미경을 통해 최근의 저속 촬영 기술로 기록한 영화에서 나는 여러 가지 종류의 정상 세포들이 이상적인 생활을 영위해 가는 모습을 보고 있었던 것이다. 영화 제작자는 그를 포함해 어느 누구도 정확하게 무엇을 하는지, 또는 어떻게 왜 그것을 하는지 모른다고 솔직히 인정했다. 우리 생물학자들은, 특히 학부에서의 여러 해 동안, 죽은 동물은 해부하고 좀 더 잘 보이게 하려고 염료를 칠한 죽은 세포들의 조제품을 연구하는 데 대부분의 시간을 보냈다. 어떤 사람들은 그 조제품을 '색칠한 묘비'라고 불렀다. 물론, 우리들은 모두 생명이 하나의 구조물 이상의 과정이라는 것을 알고 있었다. 그러나, 구조물을 공부하는 것이 훨씬 쉬웠기 때문에, 우리는 이것을 잊는 경향이 있었다. 이 영화는 우리의 정적인 개념이 생명체의 실질적 활동과는 여전히 거리가 멀다는 것을 상기시켜 주었다. 나는 저 빛나는 세포들이 어떻게 얼룩개구리나 사람을 이루는 것일까를 생각하면서, 내가 여태까지 해온 작업이 생명체라는 거대한 공정 제어 시스템의 조그만 일부분을 밝힌 것에 불과하다는 것을 그 어느 때보다도 크게 실감했다.

이 영화는 1965년 국립과학아카데미가 후원한 골절 치료 워크샵에서 상연되었다. 그것은 병원 임상 일선에 있는 간부들을 가장 바람직한 연구 방향에 관하여 교육시키기 위해 주선된 일련의 회의들 중의 하나였다. 정력적인 주선자인 짐 레이는 최근에 업스테이트 의료원 정형외과 과장이 된 사람인데, 학구적이라기보다는 정치적인 사람이었다. 나는 제법 알려진 연구자였고 또 막 부교수로 승진했기 때문에, 짐은 나에게 참석해 달라 요청했다. 나는 처음엔 사양했다. 왜냐하면 내가 말문을 열었을 때 내가 연구한 전기적인 뼈가 쌀쌀맞은 대접을 받으리라는 것을 잘 알고 있었기 때문이었다. 짐의 설득으로 나는 마지못해 참가했다. 회의는 과연 대부분 내가 예상했던 대로였다. 그러나 거기에서 세 가지 큰 수확이 있었다. 하나는 현미경 촬영 영화를 본 것이었다. 다른 하나는 우리 병원을 대표해 참가한 예리하며 젊은 정형외과 의사인 데이브 머레이와 친해진 것이었다. 세번째는 존 프리처드 박사가 참석한 것이었다.

골절 치료에 대한 지식에 많은 것을 보탠 바 있던 영국의 저명한 해부학자인 프리처드 박사는 그 회의의 기조 연설자였다. 인자한 아버지 같은 모습의 그는 맨 나중에 모든 논문들을 평가하고 요약하게 되었다. 데이브와 나는 그의 야기에 거의 주의를 기울이지 않았다. 회의 과정에서 이렇다할 만한 것이 나오지 않았기 때문에, 프리처드 박사가 별로 이야기할 것이 없을 것이라 생각했기 때문이었다. 워싱턴 공항행 버스는 프리처드 박사의 오찬 연설이 끝나기를 기다려 움직이지 않았다. 그래서 우리는 그 자리에 더 머물렀다. 특별히 영국인다운 재치로 그는 우리가 갖고 있던 것과 같은 평가에 도달해 있었다. 그러나 누구의 비위도 건드리지 않았다. 그는 골절 치료가 재생의 흔적으로 검토되어야 한다는 것을 강조했다. 과거 골절에 대한 대부분의 작업은 뼈가 맞추어질 때 '무엇'이 일어나는가를 기술하고 있는데, 그보다는 어떻게 왜 그러한가가 더 중요하다는 것이다. 그가 지적했듯이, "뼈 치료의 여러 가지 과정을 주도하고, 안내하고, 제어하는 요소에 대해서는 별로 생각해 오지 않았다". 재생 연구에 있어서와 꼭 마찬가지로, 이것은 골절에 있어서 가장 중요한 문제라고 그는 결론내렸다.

데이브와 나는 시라쿠즈로 돌아가는 비행기를 타기 위해 몇 시간을 기다려야 했다. 우리는 공항 대합실에 앉아서 부러진 뼈에 대해 열띠게 토론하고 있었다. 내가 도롱뇽의 다리 재생시에 생기는 전류를 발견했기 때문에, 비슷한 요소가 뼈의 치료에 관여할 것이라는 생각에 데이브도 동의했다. 뼈의 압력 적응(울프 법칙에 의한 성장)에 대한 제어 시스템의 암호를 막 풀었기 때문에, 나는 뼈 치료의 나머지 연구를 통해 재생의 훨씬 복잡한 문제들로 돌아갈 준비가 되었다고 느끼고 있었다. 데이브와 나는 힘을 합치기로 결정하고 비행기에서 실험을 계획했다. 우리는 실험 동물들 각각에서 일정한 방식으로 같은 뼈를 부러뜨리기로 했다. 나는 치료중인 뼈의 안과 주위에서 전기를 관찰할 작정이었다. 치료의 각 단계에서 동물들 몇 마리씩을 죽여서 생물조직학 전문가(세포 전문가)인 데이브가 치료 조직의 현미경 슬라이드를 만들어 세포 변화를 연구할 계획이었다. 그런 식으로 우리의 관찰들을 함께 맞추어 전기가 세포들의 길잡이 역할을 하는지의 여부를 알아보기로 했다.

우리의 첫번째 과업은 실험 동물을 선정하는 것이었다. 우리는 개나 토끼를 원했다. 궁극적으로는 인간의 뼈에 대한 지식을 얻어야 했기 때문에, 가능한 인간과 닮은 동물에 대해 실험하려는 것이었다. 그러자면 각 치료 단계의 뼈를 연구하기 위해서는 동물이 수십 마리가 있어야 되는데, 자금도 부족하려니와 그렇게 많은 큰 동물들을 수용할 공간도 없었다. 쥐에 대해서도 생각해 보았으나, 가장 긴 뼈조차도 확실하게 실험하기에는 너무 짧았고 또 휘어있었다. 우리는 고르게 절단할 수 있으며 길고 곧은 좋은 뼈를 찾고 있었다.

결국 황소개구리로 결정했다. 그것들은 값이 싸고 다루기도 쉬웠다. 게다가 근처 연못에서 직접 몇 마리씩 잡을 수도 있었다. 나는 이미 황소개구리들과 작업한 경험도 많았다. 무엇보다도 좋은 점은, 성체 개구리의 뒷다리에 긴 뼈가 하나씩 있다는 것이다. 그것은 대부분의 척추동물에게서 발견할 수 있는 경골硬骨과 비골脾骨이 하나의 경비골로 결합된 것이었다. 길이는 약 5센티미터였고 곧게 뻗어 있었다.

개구리와 인간 사이의 진화적 거리에 대한 우리의 염려도, 도서관에 가서 당시 골절 치료에 대해서 알려진 것들을 읽었을 때 다소 누그러졌다. 프리처드 박사 자신이 보덴과 루지카 두 학생과 함께 개구리가 인간과 같은 방식으로 뼈를 치료한다는 것을 밝혀 놓았기 때문이었다. 우리의 다음 의문은 무엇이 골막과 골수 세포들을 새로운 뼈 형성 세포들로 변하게 하는가였다.

우리는 개구리를 마취시키고 모든 녹색 다리들을 눈 딱 감고 손으로 부러뜨린 다음, 골절 주변의 골막이 다치지 않을 만큼만 일정한 각도로 구부려 놓았다. 나는 석고 깁스가 필요하다는 것을 발견했다. 개구리가 심한 통증을 느낄까 봐서가 아니라 그것들이 움직일 때마다 뼈가 약간씩 이동해서 조직적인 관찰을 불가능하게 했기 때문이었다. 어쨌든 그것들은 치료되었다. 우리가 관찰한 처음 60마리의 개구리들 중에서 야생 상태에서 다리가 부러졌다가 회복한 두 마리가 있었다. 이것들은 아마도 깁스를 한 최초의 개구리들이었다고 생각한다.

전기적 변화들은 복잡했지만 모든 골절에 있어서 거의 같았다. 거기에는 두 가지 구별되는 패턴이 있었는데, 하나는 골막의 패턴이고 또 하나는 뼈의 패턴이었다. 골절 이전에는 뼈와 골막 모두 발목 쪽 끝은 무릎 쪽 끝에 비해 1밀리볼트 이하의 작은 음 전위를 갖고 있었다. 골절이 발생하자 골절 위 다치지 않은 골막 위의 전위는 6 또는 7밀리볼트까지 뛰었고, 반면에 골절 아래 위로 양 전위 지역이 형성되었다. 일주일 후에, 발목 쪽을 향한 정상적인 골막 전위가 회복되었다. 골절시 골막을 다쳤을 경우에는, 그것의 음 전위는 7밀리볼트보다 위로 뛰었다. 그러나 부러져 매달려 있던 다리를 절단했을 때에는 즉각적으로 극성이 역전되어, 개구리에 대한 나의 첫번째 재생 실험에서처럼 절단 부분으로부터 양의 전류가 만들어졌다. 뼈 자체는 골막과는 달리 단시간의 전기적 변화를 보였다. 처음 한 시간 동안은 부러진 양쪽 끝에 약간의 양 전하가 나타나다가, 세 시간 후에는 거의 0으로 떨어졌다.

전기는 두 개의 다른 공급원을 갖고 있었다. 다리의 신경을 절단했을 때, 골막에서의 수치가 눈에 띄게 떨어졌다. 이것은 전위가 신경에서 골막과 주위의 상처 부위로 흐르는 전류로부터 생겼다는 것을 가리킨다. 신경이 거의 없는 뼈 전위는 영향을 받지 않았다. 많은 압전 물질들은 그 전하 생성 구조가 파손에 의한 이상 상태에 있을 때 몇 시간 동안 지속적인 전류를 방출한다. 나는 이것이 뼈에도 해당한다고 추측했는데, 곧 다른 연구팀이 근래에 그 사실을 증명했다는 것을 알아냈다. 그렇다면, 신경에서 오는 전류와 뼈 조직에서 생기는 전류인 두 전류는 반대 극성의 전위를 형성하면서 전지의 전극 역할을 했다. 이 살아 있는 전극들은 복잡한 전기장을 만들어 내고 있었는데 그 장의 모양과 세기는 뼈 조각들의 위치를 반영하고 있었다. 사실상, 팔다리는 고유한 X선을 갖고 있었다.

내가 계측기들과 씨름하고 있는 동안, 데이브는 현미경 관찰을 위한 뼈와 혈구 견본을 준비하고 있었다. 우리는 첫 두 시간 동안 15분마다 개구리 몇 마리씩을 죽였다. 두 주일 동안은 매일 그렇게 했고, 셋째 주에는 하루 걸러 그렇게 했으며, 마지막 3주 동안은 일주일에 한 번씩 했다. 슬라이드를 준비하는 데 며칠이 걸렸다.

개구리의 정상적인 뼈 치료 과정을 보면, 약 두 시간 후에 혈구가 형성되고 첫 주 동안 아체로 발달해 간다. 그것은 두번째와 세번째 주일 동안 탄력 있는 섬유질인 칼러스로 변하고 3 ~ 6주 만에 경화된다. 이 마지막 기간 동안에 뼈의 섬 주위와 이질인 세포군들이 부러진 부위 끝 근처에 처음으로 출현한다. 다음에, 뼈의 다리들이 나타나서 섬들을 연결시킨다. 전체 지역이 점차로 채워지고 적당한 골수 공간과 혈로가 만들어져서 기존 뼈와 결합한다.

데이브는 골절 후 거의 일주일이 지난 뼈들을 가지고 작업을 시작했다. 그 시점에는 칼러스 형성의 첫 신호를 볼 수 있으리라 예측되는 때였다. "이런 어처구니 없는 일이 있나"하고 그는 첫번째 슬라이드 상자를 갖고 들어갔을 때 말했다. "골막 속에서 유사분열을 전혀 볼 수 없었어요. 세포가 증식되거나 이동하는 흔적이 전혀 없었단 말입니다."

우리는 뭔가 실수를 한 것 같다고 생각했다. 프리처드의 연구는 이 점에 있어서 거의 결혼을 내린 것이었다. 그는 분리되면서 틈으로 이동하는 골막세포들의 사진을 발표하기까지 했다. 우리가 기간이 잘못 적힌 개구리를 들여다보고 있지 않나 생각해 보기도 했다. 그러나 우리는 우리 눈으로 칼러스가 형성되기 시작하는 것을 볼 수 있었다. 데이브는 며칠 지나지 않은 개구리로 다시 관찰했다. 그 기간의 개구리들로부터는 혈구 이외에 다른 것을 볼 수 있으리라 전혀 기대를 하지 않았다. 얼마 후 그는 자신의 연구실에서 전화를 걸어 나에게 물어 왔다. "내가 당신에게 적혈구가 변해서 새로운 뼈 형성 세포가 된다고 말한다면 어떡할테요?"

나는 신음소리를 냈다. "그럴 리 없어. 있을 수 없는 일이라고." 그러나 정말로 맞는 말이었다. 우리는 모든 과정의 슬라이드를 함께 보았다. 두 시간만에 적혈구가 변하기 시작했다.

포유류를 제외한 모든 척추동물은 적혈구 속에 핵이 들어있다. 포유류에서는 발생 단계가 더 진행되어 핵을 소멸시켜 버린다. 발생이 끝난 세포들은 훨씬 작아셔서 훨씬 미세한 혈관 속을 통과할 수있고, 훨씬 많은 헤모글로빈이 충전되어 산소와 이산화탄소를 효과적으로 운반할 수 있다. 따라서 핵을 가진 적혈구는 좀 더 원시적인 것으로 간주된다. 그런데 적혈구의 핵은 오그라들어 비활동적이다. 비활동적 핵 속의 DNA 역시 휴지 상태다. 그 세포들은 신진대사가 거의 이루어지지 않는다. 즉, 에너지를 얻기 위해 글루코스를 소모하지 않으며 단백질도 합성하지 않는다. 역분화 기능과 좀 더 활동성 높은 세포를 선택해야 한다면, 적혈구는 최악의 선택이 될 것이다.

우리 슬라이드에서 적혈구 세포들은 모든 발생 단계를 거슬러 올라갔다. 먼저 적혈구는 본래의 평평한 타원형 모양을 잃어버리고 둥글게 변했다. 세포막은 부챗살 같은 윤곽으로 되었다. 3일째 되는 날, 그 세포들은 아메바 모양이 되어 위족僞足으로 움직였다. 이어서 핵이 부풀어 팽팽해졌고, 빛과 염색에 대한 반응으로 보아 DNA가 재활성화 된 것이 분명했다. 이러한 변화를 깨끗한 영상으로 담고자 전자현미경을 사용하기 시작했다. 첫 주 끝 무렵, 적혈구는 완전한 미토콘드리아와 리보솜(단백질 제조 기관)을 획득했고, 모든 헤모글로빈을 없애 버렸다. 셋째 주에 적혈구는 연골 형성 세포들로 변했다. 그것들은 곧 뼈 형성 세포로 발전할 것이었다.

이러한 발견에 기뻐할 수 만은 없는 형편이었다. 프리처드, 보덴, 그리고 루지카가 잘 작성한 논문들의 결과와 우리가 실험한 것들을 도대체 어떻게 결부시킬 수 있단 말인가? 나는 내가 탐구해 왔던 반도체 전류 시스템의 증거를 기대했었다. 그것은 개념만으로도 나를 과학계의 주류에서 벗어나게 한 기이한 것이었다. 만약에 내가 측정한 전기 수치가 골막세포의 똑바른 방향의 변화와 맞아떨어졌다면 나는 기뻤을 것이다. 골막세포와 적혈구의 차이는 결정적인 것이었다. 골막세포는 뼈세포와 밀접하게 연관된 선행세포인데 반해 혈액세포는 촌수가 까마득히 먼 것이었다. 혈액세포는 유전자 수준에서 포괄적인 업무 재훈련을 받지 않고서는 도대체가 뼈로 될 수 없는 놈이었다. 황소개구리는 재분화로 이어지는 역분화에 의해 전혀 관계없는 세포로 둔갑하는 묘기를 보여 줌으로써 우리를 당혹스럽게 만들었다. 그 과정은 개구리의 몸 전체 중에서도 가장 특화된 세포들에서 이루어졌다. 골절 후 한 시간 후쯤 가장 강할 때의 전기장이 그 변화들을 일으키는 것 같았다.

우리는 프리처드 박사에게 공손한 편지를 보내 이 모순된 발견에 대해서 어떻게 생각하는 지를 물었다. 그는 부정적인 회신을 보내 왔으나, 우리 질문을 보덴 박사에게 전달했다. 그는 자신의 박사학위 논문으로 개구리를 가지고 작업했다. 그는 그럴듯하게 설명했다. 실험을 시간에 쫓기면서 했는데, 마감 날 이전에 실험을 마치기 위해 개구리를 매우 높은 온도 — 몇 도만 더 올리면 죽게 되는 온도 — 에 두었다는 것이다. 신진대사 속도를 빠르게 할 목적이었다.

보덴은 또한 그의 참고문헌에 인용된 두 연구자들이 우리가 관찰한 것과 똑같은 방식의 골절 치료를 관찰했었다고 일러 주었다. 1920년대에 역시 박사 과정을 밝고 있던 독일인 부름바흐는 혈구에서 이상한 세포 변환을 발견하고는 설명할 길이 없어 고심했다. 그러나 부름바흐는 골막에서의 세포분열도 역시 볼 수 있었다. 그는 후자가 역분화를 포함하고 있지 않았기 때문에 그것을 골절 치료의 주요 과정이라고 결론지었다. 10년 후, 다른 독일인 과학자인 이데로자스도 혈구세포에서 같은 변환을 관찰했는데, 그는 좀 더 대담했다. 그는 이 변환이 개구리 골절 치료의 주요한 과정이고 나아가서 재생 능력이 있는 도롱뇽은 핵이 있는 혈구세포에서 팔다리의 아체를 형성함으로써 팔다리를 재생시킬 수 있는 것이라고 주장했다. 이후 다른 실험들이 이데로자스의 주장과 들어맞지 않았기 때문에 그의 작업은 무시되었다. 아무튼 보덴은 우리의 행운을 빌어주었다.

보덴의 편지는 우리 실험 결과에 대한 골격을 제시했다. 우리는 이미 포유류들은 적혈구의 역분화에 의해 뼈를 치료하는 것이 아니라는 것을 알고 있었다. 포유류의 적혈구 세포에는 핵이 없고, 따라서 변화를 일으킬 수 있는 기초가 없는 것이다. 반면에 포유류는 다른 척추동물보다 두꺼운 골막을 가지고 있어서, 포유류의 뼈 치료에 있어서는 골막세포 분열이 더 큰 역할을 하는 것이라고 추론했다. 개구리 종류는 두 방법이 모두 가능한데 단지 골막세포의 활성화는 높은 온도에서만 이루어지는 듯했다.

생명과 전기 #025