생명과 전기 #026

제2부 재생 전류

제6장 다루기 힘든 유전자

유전의 열쇠

이 실험을 끝내고 얼마 후, 뉴욕 과학아카데미에서 열린 '생물학에서의 전기자기장' 회의에 초청을 받았다. 그것은 한 사람의 독무대였다. 유명한 외과의사이며 아카데미의 고위급 멤버였던 케네스 맥클린은 수 년 동안 자기 환자들에 대해 자기장을 사용해 오고 있었으며 그것이 효과가 있다는 확신을 갖고 있었다. 그는 개업을 하고 있는 부유한 의사였다. 그는 자기 병원에 실험실을 차려 놓고 거기에 커다란 전자석을 설치했다. 그 회의는 그가 옳다는 것을 아카데미 내에서 더 많이 믿게 하기 위한 것이라기보다는 그의 고집에 대한 증명이었다. 그래서 나는 우리의 1967년 2월의 작업을 제시했다. 나는 생기론을 함축하고 있는 골절 치료상의 전기의 역할은 내리깔고, 유리관 속에서 역분화를 유도한 우리의 방법에 집중해 설명했다. 그것만으로도 청중들로부터 많은 공격이 쏟아졌다. 대부분은 "도저히 믿을 수 없다"는 반응들이었다. 어떤 사람은 세포가 배양기 속에서 10일 동안 살아 있었던 사실에도 불구하고 우리가 단지 세포들을 전기로 죽이고 있을 뿐이라고 말했다.

듣고 있던 한 회원이 사려깊고 건설적인 비판을 해주었다. 그는 우리가 그런 사실들을 관찰한 것은 수긍했다. 그럼에도 불구하고 다른 가능한 설명들이 있다고 그는 말했다. 특히, 전류에 의해 초래된 작지만 해로운 어떤 변화에 의해 세포들이 천천히 퇴행하고 있었다는 것을 충분히 설명하지 못했다고 했다. 상자 속 세포들이 우리가 골절 부분에서 사진찍은 것들과 같게 보이긴 했지만, 이 세포들이 전기에 의해 역분화된 치료세포들이라는 우리의 생각은 주류의 관점과 너무나 달랐기 때문에 좀더 직접적인 증명이 필요했다. 이렇게 급진적인 관점이 나타나는 경우에는 '백문이 불여일견'이란 말이 맞지 않았다.

진실한 하나의 반응에 자극되어, 시라쿠즈로 돌아온 데이브와 나는 우리의 증거를 더 보강하기 위해 DNA에 관한 최신 지식을 어떻게 사용할 것인지를 의논했다. 몇 년 전에, 제임스 왓슨과 프란시스 크리크가 유전학의 중심교의라고 알려진 모델을 제안한 바 있었다. 간단히 요약하면, 특화된 각 세포의 활동성 DNA는 그 고유의 패턴들을 전이 RNA에 심어 놓으면 그것은 다시 패턴들을 전령 RNA에 전달한다. 이 두번째 RNA 분자는 핵의 바깥으로 나가 리보솜에 접근한다. 리보솜에서는 유전지시들을 해독하여 세포를 구성하는 특정한 단백질을 만드는 것이다.

우리는 역분화되는 세포가 즉각적으로 분열되고 있지는 않기 때문에, 그것이 유전자를 복제하지는 않을 것이라고 판단했다. 따라서 함유하고 있는 DNA의 양에서는 전혀 증거가 없어야 했다. 그러나 세포는 일단의 완전히 새로운 단백질을 제조함으로써 그 종류를 변화시켰기 때문에, RNA의 양 — 단백질의 청사진들 — 은 상당히 증가해야만 했다.

방사성 추적과 형광 착색 기술을 사용하여 우리는 거기에 과연 새로운 DNA는 전혀 없고 RNA에는 상당한 증가가 생겼다는 것을 알아냈다. 또다른 실험은 우리의 비특화된 세포들이 다른 단백질들을 함유하고 있을 뿐만 아니라 그 양이 선행 적혈구들의 두 배가 된다는 것을 보여 주었다.

가장 결정적인 실험이 댄 해링턴에 의해 제안되었다. 그는 프레드릭 브라운의 후임자로 온 학생이었는데 나중에 해부학 박사 과정을 밟기로 되어 있었다. 댄은 DNA-RNA-단백질 시스템을 방해하는 잘 알려진 신진대사 억제제를 사용할 것을 제안했는데, 역분화를 막을 수 있는지 알아보기 위해서였다. 신진대사 억제제인 푸로마이신이라고 하는 항생제는 전령 RNA에서 리보솜으로 정보가 전달되는 것을 차단하여 단백질이 만들어지는 것을 막았다. 댄은 플라스틱 실험 상자들을 쌍을 설치할 것을 제안했다. 각 쌍의 한쪽은 이전처럼 소금 용액에 적혈구세포를 넣고 전류를 흘렸다. 다른 한쪽은 같은 개구리의 세포들을 넣고 같은 전류를 흘리면서 용액에 푸로마이신을 넣었다. 이 구성은 정밀하게 조종되었다. 만약에 전류가 정말로 유전자들의 자물쇠를 푼다면, 푸로마이신은 DNA의 단백질 제조 정보를 차단하여 역분화를 중지시켜야 할 것이다. 그러나 만약에 전류가 세포들을 단지 퇴화시키는 것이라면, 푸로마이신은 아무런 영향을 주지 못하고 변환은 계속되어야 했다.

과연 푸로마이신 속의 세포들은 변환을 일으키지 않았다. 다음에 댄은 푸로마이신 속의 세포들을 맑은 물에 몇 번 담가 푸로마이신을 씻어 내자고 제안했다. 그것들은 전류를 흘리지 않았음에도 신속히 역분화했다. 전류는 항생제가 있음에도 불구하고 분명히 유전적 변화를 일으켰고, 유전자들은 자물쇠가 풀린 채로 머물러 있다가 푸로마이신이 제거되자 완벽하게 시스템을 작동시켰던 것이다.

1970년 초까지 우리는 개구리 골절 치료에 있어서의 제어 시스템에 대해서는 거의 모든 상세한 점까지 확고한 증명을 얻었고, 논리를 확장시켜 어쩌면 포유류에 대해서까지도 알게 되었다. 모든 다른 상처에서와 같이 골절도 상처 치료 전류를 일으켰는데, 골절의 경우에는 골막 안과 주변의 신경으로부터 생겼다. 동시에 뼈도 인회석-콜라겐 조직에 남아 있는 잔류 응력에 의한 압전 전류를 생산했다. 이 신호들은 결합되어 새로운 뼈를 형성시키는 세포를 자극했다.

초기의 관련 세포 종류를 제외하고는 모든 척추동물에 있어서의 뼈의 치료 과정은 근본적으로 같은 듯했다. 그 과정은 혈액 응고, 아체, 칼러스 그리고 골화의 단계를 밟는다. 어류, 양서류, 파충류, 그리고 조류에서는 전기장, 특히 골절 부분에 생기는 양 전위에 의해 적혈구가 역분화했다. 다음에 재분화하여 연골세포가 되었고 계속해서 뼈세포가 되었다.

몇 종류의 동물들에 있어서는 골막세포가 상처 치료 전류에 반응하여 골절 부분으로 이동하고 뼈세포로 좀 더 특화한다. 이 과정은 양서류에 있어서는 고온 환경에서만 해당되고 포유류에서는 눈에 띄게 나타나는 과정이다. 포유류의 두꺼운 골막세포는 적혈구 핵의 부재를 보상해 준다. 이때쯤 인간의 뼈 치료에 있어서 골수 성분이 핵이 있는 미숙한 적혈구나 다른 세포의 역분화에 관여하고 있다는 것을 확신하게 되었다.

전기적 힘은 억압되어 있던 유전자를 풀어 주는 열쇠임이 판명되었다. 그러나 그 열쇠의 정확한 성질은 여전히 신비로운 부분이 많았다. 핵은 절연체인 세포막과 세포질로 둘러싸여 있기 때문에 전류가 직접 작용할 수는 없었다. 우리는 전류의 일차적 영향이 세포막에 가해져야 한다는 것을 알았다. 세포막 그 자체도 전하를 띠고 있는 것으로 알려져 있었다. 그 전하는 아마도 전하를 띤 분자의 특정한 패턴을 결정하며, 각 종류의 세포마다 다른 듯했다. 우리는 세포막이 억제 해제 인자를 내놓는다고 가정했다. 그 억제 해제 인자들이 핵으로 이동하여 유전자의 스위치를 켜는 것이었다. RNA의 구조에 관한 최근의 발견들에 기초하여 억제 해제 인자는 전령 RNA의 안정된 형태를 갖고 있을지도 모른다고 추론했다. 정보 RNA는 세포가 성숙하여 핵이 소멸된 후에도 고집스럽게 생존해 있다고 가정했다. RNA 분자는 접힌 상태에서 전자 결합에 의해 오랜동안 안정된 상태에 있을 수 있다. 만약에 접힌 RNA 분자들이 모든 세포막에 저장되어 있다면 미소한 전류일지라도 그 결합을 풀어 놓을 수 있을 것이었다. 이 가정을 아직까지 실험해 보지는 못했다.

골절 치료는 결국 하나의 네거티브 피드백 negative feedback 시스템이었다. 골절 부분이 새로운 조직으로 채워짐에 따라, 뼈는 아주 조심스럽게 사용되는 동안 울프 법칙에 따라 주변 근육의 움직임에 의해 생긴 스트레스에 대응하여 뼈 생성 물질을 확산시켰다. 주변 조직에서 행해지던 치료 작업은 점점 감소하면서 골막의 상처 치료 전류가 결국 멈췄다.

우리가 이 일련의 실험을 끝냈을 때 나는 이것이 내가 하려고 했던 것 중에서도 가장 중요한 작업임을 확신하고, 주요 간행물에 발표하리라 결정했다. 행운이 따라 주었다. 지난 2년 동안 몇 차례 모임에서 나는 유리스트 박사와 이야기 할 수 있는 많은 시간을 가졌었다. 그는 우리 발견들에 대해 열렬한 관심을 나타냈다. 그가 주요 정형외과 관련 간행물 중 하나인 ⟪임상정형외과학 및 관련 연구 Clinical Orthopedics and Related Research⟫지의 편집자였기 때문에, 나는 우리 보고서를 제출했다. 편집위원회는 아무 것도 삭제하지 않고 게재해 주었고, 나는 특히 표지 머리말에 1965년 골절 치료 워크샵에서 프리처드 박사가 했던 말을 인용해 실은 것이 기뻤다. 나에게는 여전히 그것이 나의 발표작들 중 가장 만족스러운 것이다.

이것은 처음으로 치료 과정의 제어 시스템을 상세히 밝혀 낸 것이었다. 데이브와 내가 3년 전에 뉴욕 과학아카데미에서 발표한 덜 확정적인 설명을 제외하면 그것은 진실로 논쟁의 여지가 없는 역분화에 대한 첫번째 증명이었다.

이것들이 물론 완전히 새로운 개념은 아니다. 지난 40년 동안 아체 형성에 대한 가장 간단한 설명으로서 역분화가 종종 제안되었고, 그것에 대한 많은 증거가 축적되어 왔다. 엘리자베스 헤이는 완전히 역분화하지 않아 아직 근육섬유 조각을 포함하고 있는 아체세포의 전자 현밍경 사진을 발표하기까지 했다. 그럼에도 불구하고, 많은 검토위원회와 대학들을 장악하고 있는 생물학자 대부분은 이 개념을 무시해왔다.

그러나 어쨌건 오늘날에는 역분화란 단어가 금기시되지는 않는다. 부분적으로 이것은 데이브와 내가 역분화를 인공적으로 유도하는 방법을 고안하여, 관심 있는 사람이면 누구나 반복해 볼 수 있도록 한 때문이다. 뉴욕에서 앤디 바셋과 일하고 있던 전기화학자인 아서 필라가 처음으로 우리 방법을 확인했다. 나는 얻기 쉽지 않은 이 분야 지식의 진보에 주요한 역할을 해 올 수 있었다는 것에 대해 대단히 영광스럽게 생각하고 있다.

더욱 중요한 것은, 이것이 직접적으로 환자들에게 도움을 줄 수 있는 기술인, 뼈 치료에서의 전기 자극을 가능하게 한 나의 첫번째 업적이라는 것이다(제 8장 참조). 그러는 가운데, 우리가 얻은 결과들은 또 하나의 중요한 의문으로 이어졌다. 우리가 발견한 전류를, 다른 형태의 재생을 인공적으로 자극하는 데 사용할 수 있을까? 우리는 사지의 재성장을 인간에게 한 단계 더 근접해 적용시킬 수 있는지 보기 위해 쥐를 가지고 실험해 보기로 결정했다.

생명과 전기 #027