MD & PhD

입시공부 끝에 만난 대학생활은 기대가 컸던 만큼 실망도 컸다. 대학가면 내가 원하는 공부를 해야지 하며 버텨내었던, 내 고등학교 생활이 허망할 정도로. 그 덕에 예과 때 맘껏 놀라는 본과 선배들의 말에 충실히 어영부영 예과 생활을 보냈다. 특히 우리 학교는 예과 2년동안 지내는 캠퍼스와 본과 4년 동안 캠퍼스가 지리적으로 달랐고, 그런 만큼 심리적인 거리도 커서 예과 때까지는 전혀 의대생이라는 자각이 들지 않았다.

이런 장면까지 기대했던건 아니지만..

본과 캠퍼스 기숙사에 입사하며 이사를 한 후에야 내 자신이 의대생이라는 자각과 중압감이 동시에 다가오기 시작했다. 진입 후 처음 만났던 의대다운 학문은 모든 의대생들이 그렇듯이 골학이었다. 돌이켜보면 단순암기 외엔 아무것도 없는, 그 단순암기조차도 차후에 만날 다른 과목에 비해서는 하찮을 정도로 양이 작은 과목이었지만, 본과 수업에 대한 공포나 두려움을 심어주기에는 충분했다. 지겹도록 반복적으로 암기하고 쏟아내고 하는 생활의 시작점이었다. 

그 중에서 그나마 재미있다고 느끼며 배우게 된 과목이 생리학이었다. 생리학 또는 physiology, 이름부터 내가 좋아하던 과목인 물리, physics랑 닮아있었고 과목 내용 자체도 그러했다. 의대 본과 1학년의 중추라고 할 수 있는 해부학, 생리학, 생화학을 내 기준에서 비교하자면 다음과 같다. 

해부학은 형태에 대한 암기, 생화학은 핵산, 단백질, 탄수화물, 지방에 대한 암기(적어도 나에겐 이해하기가 힘들었다)라면 생리학은 세포, 기관, 생명이 작동하는 원리에 대해 이해하는 과목이었다. 내가 생리학을 좋아해서 그랬는지 몰라도, 생리학에서 배웠던 심장생리, 신장생리, 호흡생리 등등은 병리학, 더 나아가 임상과목 순환기학, 신장학 등등을 배울때 기반지식으로서 도움이 많이 되었다.

그중에서도 전기생리 분야를 가장 즐겁게 공부했었는데, 전기화학평형이라는 개념을 설명하는 막전압 방정식, 그러니까 Nernst 방정식은 아름다움 그 자체였다.

여기 이상한 사람이 있어요

사실, '더 이상 자세한 설명은 생략한다' 라고 넘어가고 싶은데, "오지의 마법사"가 그러지 말라고 해서 짧게 설명하면 다음과 같다.

왼쪽항을 먼저 순서대로 살펴보면 몇가 이온인지 나타내는 z값, 1가 양이온 Na+라면 1, 2가 양이온 Ca2+라면 2, Cl-라면 -1 등으로 매겨진다. 전압 E은 세포막를 기준으로 양 쪽에 걸리게 되는 상대적인 전위차를 말하는데 이 세포막은 일종의 축전기같은 역할을 한다. 그도 그럴것이 전류가 직접적으로 흐르지 못하는 축전기나 인지질 이중막으로 이온이 잘 통과 못하는 세포막은 성격상 비슷하다. 패러데이상수 F는 단위가 C/mol로서 1몰의 전자가 가진 전하량을 말한다. 다시 정리하면 왼쪽항은 막 사이에 걸리는 전기적 에너지(전압x전하량)다. 

오른쪽항은 기체상수 R은 단위가 J/mol*k 이다. 1몰의 분자의 화학적 자유에너지라고 보면 된다. 온도 T는 더 이상 설명이 필요없고, 세포막 안팎의 이온농도 C로 이루어진 항을 보면, 결국 농도차에 의해 생기는 세포막를 통과하려는 에너지로 정리할 수 있다. 

쉽게 설명하면 이온의 전기에너지인 왼쪽항과 화학에너지인 오른쪽항이 평형에 이르는 지점을 찾는 방정식이다. 이온은 전하를 띠고 있는 동시에 농도 구배에 영향받는 분자이기도 하니까 말이다. 

그렇게 전기화학적 에너지가 평형상태에 이른 상태의 평형전압, 또는 이온의 농도를 알 수 있다. 사실 아주 적은 농도의 이온 이동만으로 막전압은 쉽게 변하기 때문에, 세포 안밖의 이온 농도는 거의 변하지 않으므로 평형전압을 알아내는데 쓰인다. 

이 방정식은 전기적 특성을 가진 이온이 자유롭게 통과할 수 없는 세포막을 만났을 때만 성립한다. 때문에 태초 생명 발생의 신비를 마주한 것 같은 느낌을 주기에 충분했다. 최초의 생명이 세포막으로 외부 환경과 구별짓고, 세포막 내부에 이온, 각종 단백질을 모아 생긴 결과를 보여주기 때문이다. 그걸 다시 좀 자세히 설명하자면 다음과 같다. 

원시바다에서 최초로 생명체가 생성되려할때, 주변환경과 구별되는 경계를 세포막으로 구분했을 것이다. 그리고 세포막 안에서는 유전체, 단백질 등을 구성했겠지. 그런데 이 물질들은 공교롭게도 대부분 음전하를 띠고 있다. 그래서 상보적인 양이온을 대량으로 세포 안으로 끌어들이기로 결정하는데, 이게 K+ 이온이다. 그리고 세포막 바깥에는 원시바다에 풍부한 Na+ 이온과 Cl- 이온이 대응하게 된다. 그리고 안정 상태의 세포는 K+ 이온에 대해서 투과성이 높고, Na+ 이온과 Cl- 이온에 대해서 투과성이 낮다. 그 결과 안정상태의 세포의 막전압은 K+ 이온의 평형전압에 가깝게 된다. Nernst 방정식의 등장이다. Nernst 방정식에 세포 내의 K+ 농도 140mM, 세포 바깥 농도 5mM 을 넣으면 평형전압이 대충 -80mV가 된다. 

이런 방식으로 안정을 이룬 덕분에 세포는 삼투압으로 인해 세포막이 터지거나 하지 않고 외부환경과 분리된 내부환경을 이룰수 있었다. 뿐만 아니라, 평소에 불투과성인 Na+이온의 평형전압은 약 +40mV이상인데 (K+ 이온과 분포 양상이 반대이므로), 외부에 풍부한 Na+이온에 대해 투과성이 생기게 하면, 다른 말로 Na channel이 열리면 Na+ 이온이 세포 안쪽으로 유입되면서 세포의 막전압이 순간적으로 +40mV로 치솟게 된다. 이것은 전기생리나 신경생리에서 중요한 개념인 활동전압을 일으키는 기전이다. 

여튼! Nernst 방정식은 생명 발생의 모습부터 활동전압이라는 개념까지 두루두루 설명할 수 있다. 이것은 마치 물리학자들이 행했던 노력들, 자연의 네가지 기본힘인 전기력, 중력, 강력, 약력을 통일하려 했던 그 노력들, 이를 바탕으로 우주의 탄생에 대해 이해하고자 했던 노력들을 연상케 했다. 생명탄생의 신비 중 일부를 훔쳐본 마냥 흥분을 감출 수 없었다.

아님 말고....

여기서 더 나아가 인간의 뇌/마음 역시 수학, 물리학적으로 설명할 수 있지 않을까 하는 생각을 가지게 된 것 역시 생리학 수업 덕분이었다. 비록 공부를 더 하면 할수록 인간의 뇌/마음이 그렇게 쉽게 답을 내줄 수 있는 성질이 아니라는 것을 깨달아가고 있지만 말이다.

뱀발. 요즘 신경과학의 철학이란 책을 읽고 있는데 역시 마음/뇌 문제는 만만치 않다는 걸 느끼고 있다. 서평을 쓰고 싶지만..읽는 속도가 영 느려서 언제 쓸 수 있을지 모르겠다. 두달정도 읽어서 이제 180쪽 정도...OTL 아직 남은게 700여쪽...으하하하!

첫 글로서, 제가 공부하고 있는 분야인 genome에 대해 간단히 (하지만 최선을 다해) 설명드리고자 한다.

휴먼 게놈? 지놈? 제목을 어떻게 읽으셨을지 모르겠다. Genome은 독일 사람이 처음 만든 단어이므로(1) 게놈이라 읽는게 맞겠지만, 영어에서 지놈으로 읽으므로 국제 회의에서 대부분 '지놈'으로 통용된다.

[이중나선의 DNA]

Genome에 대해서 어렵게 느끼고 있는 분들이 생각외로 많다. 많은 의사들도 genome이라면 어려워한다. (이것에 익숙하시다면 당신은 대단한 분이다!) 의과대학 curriculum에서 배운 기억이 별로 없기 때문일지도 모른다. 그도 그럴것이 human genomics (인간 유전체학)라는 학문이 제대로 정립된 것이 'Human Genome Project'가 완성된(2) 2000년대 초반 부터이므로, 좁은 의미의 역사만 놓고 보면 10년 정도다. 반면 그동안의 발전속도는 역사상 유례가 없을 정도다. 상대적으로 보수적인 의학 교육이 이 속도에 쫓아오지 못하는 것은 어찌보면 당연한지도 모른다.

[도대체 genome 이 뭔가요...@.@]

Genome이 한 생명체 내의 전체염기서열이라는 둥 유전자의 총합이라 등의 건조한 설명은 처음 입문하는 분들에게 큰 도움이 되지 않는 것 같다. 그러면 '염기가 뭐에요?' '유전자는 뭐죠?' 이런 질문이 반드시 나온다. 좋은 현상이다. 하지만 이것들을 글로 써 내려가면 하나의 교과서가 집필될 것이고, 그것은 정확한 전달 방법이 될지언정 이 블로그의 목표와는 벗어난다고 본다. 이것을 원하시는 분은 유전학 교과서를 구입해서 공부하시길 권한다.

'콩심은데 콩난다'라는 속담이 있다. 매우 insightful한 속담인데, 이것은 아버지-어머니 콩에서 아들-딸 콩으로 정보가 필히 전달되어야 한다는 것을 뜻한다. "너는 팥이 아니라 '콩'이다" 라는 정보가, 어떤 형태로든지 말이다. 그 정보 안에는 '넌 동그랗고, 초록색이고, 크기는 얼마얼마 정도고..' 이런 세부사항이 포함되어 있을 것이다. 이런 정보를 '유전' (inheritance)이라고 한다. 이런 부모의 (거의) 모든 유전정보는 genome 을 통해 전달되는 것이다. 너 자신을 알기 위해서 먼저 당신의 genome 을 알아야 하는지도 모른다.

[염색체. 이 사람은 남자일까요, 아니면 여자일까요?]

'눈에 보이는' 실체로서의 genome은 염색체(chromosome)이다. '사람은 23쌍의 염색체가 있고, 다운 증후군은 21번 염색체가 3개...' 할 때의 그 염색체 말이다. 염색체가 전달하는 유전정보는 염색체를 이루고 있는 DNA라는 물질에 코딩되어 있다. 그렇다면 어떻게 코딩되어 있느냐? 

그것이 바로 유전학을 하는 사람들이 풀고자 하는 궁극의 질문이다.

현존하는 생명체는 30억년 간 진화해오며 그들의 자손에게 계속 유전정보를 전달해 왔다. (그렇지 못했다면 대를 잇지 못한 것이다!) 우리의 genome에는 우리가 조상들에게 받은 모든 생명정보가 포함되어 있는데, 따라서 우리가 쓸 수 있는 생물학적인 전략은 결국 이 범위를 벗어날 수 없다. 그래서 때론 유전은 무섭기도 하다.

Genome의 단순구조는 상당히 잘 알려져 있는 편이다. 한글은 자음 14자/모음 10자로, 영문은 ABCD 알파벳 26자로, 십진법 수는 0,1,2,3,4..9 숫자 10개로 표현되는, genome은 염기 4개 (A,C,G,T 염기)로 코딩되어 있다.

[Genome 서열 (sequence) A,C,G,T @.@]

그렇다면 전체 사람 genome 의 코드 길이는? 약 30억개 (bp로 표시, base-pair) 이다. 사람(Homo sapiens) 종의 30억 bp (3,000,000,000 !!)의 서열을 처음으로 밝혀 낸 작업이 Human Genome Project(2)이다. 1990년부터 약 13년간, 1조원 이상의 연구비를 들여 완성된 대규모 국제협력 프로젝트였다. 30억개나 되는 방대한 길이다보니, 컴퓨터 및 통계학의 도움은 필수적이었고, 이로써 biology, computer science, statistics, informatics가 만나게 된다.

[역사적인 Human Genome 초안 발표, Bill Clinton, 2000년 6월.]

오른쪽은 HG Project를 이끈 Dr. Francis Collins (현 NIH 원장), 

왼쪽은 Celera라는 회사를 만들어 HG Project와 경쟁했던 Dr. Craig Venter 

그렇다면 큰 돈과 시간, 노력을 들여 도대체 왜 human genome의 A/C/G/T 서열을 밝히려 했는가? 그것은 모든 생명현상의 가장 아래에는 바로 genome 이 있기 때문이다. 그래서 genome을 생명의 설계도라 한다. 물질을 쪼개고 쪼개고 또 쪼개면 드디어 '원자'라는 실체가 나타나듯이 (물론 쿼크와 렙톤도 있다지만, 이들은 사실 나의 인식범위 밖이다), 사람에서 모든 (대부분의) 생명현상을 확대하고 확대하면, 결국 맨 바닥에서 만나게 되는 것은 human genome이다. human genome 이하의 계층 (layer)은 존재하지 않는다. 맨 바닥의 근본을 이해하지 못하고 생명현상을 설명할 수는 없다. 이와 같은 맥락에서, 인간의 많은 질병 역시 결국 genome과 연관된다. 물론 질병마다 그 연관정도가 다르긴 하겠지만.

의학 역사를 통틀어 오랜동안 대부분의 질병은 '임상적'인 측면에서 '거시적'으로 연구되었다. 폐에 암이 생기면 폐암, 위에 암이 생기면 위암인 식이다. 병리학과 분자생물학이 발전하면서 같은 폐에 생긴 암이라 하더라도 폐선암 (lung adenocarcinoma), 폐편평상피암과 같이 조금 더 미시적인 이해가 가능해졌다. (이 둘은 같이 폐에 생기지만, 완전히 다른 암이다.) 질병 genome 분석을 통해 궁극적인 분석이 가능해진다. 정확한 원인의 이해는 정확한 치료가능성으로 이어진다. 그리고 기술의 발전으로 이제 그것이 가능한 시대가 도래했다. (이에 대해서는 언젠가 다른 글을 통해 설명하도록 하겠다) 개인적으로 암의 genome (cancer genome)을 연구하고 있기 때문에 암의 예를 들었으나, 다른 질병에도 일반적으로 통용될 것이다.

Genomics (유전체학)이 가장 fancy한 학문이라는 것을 주장하고자 하는 것은 아니다. 다만, 최근에 사람의 genome분야가 급속도로 발전하고 있고, genomics발전의 최대 수혜자는 바로 의학임은 두말할 필요도 없다. 분명히 genomics의 발전은 5년 이내에 현재의 임상의학의 모습을 직접적으로 바꾸어 놓을 것이다. 또한 이미 genome technology의 발전은 다른 의생명과학 분야와 접목되어 새로운 차원의 이해를 가능케 하고 있다. 예측할 수 없는 빠른 변화가 일어나는 시기가 바로 지금이다. 이런 의미에서, 우리는 어쩌면 물리학의 상대성 이론과 양자역학이 태동하던 20세기 초와 같은 대단한 시기에 살고 있는지도 모른다. 적어도 필자는 그런 생각(혼자만의 착각?) 속에 살고 있다. 그리고 이러한 파급력을 감안한다면 의과대학 교육에서 genomics에 대한 관심이 훨씬 높아져야 한다. 아마도 머지 않은 미래에 그렇게 될 수밖에 없을 것이다.

다음 글에서는 조금더 세부적인 내용을 언급해 보고자 한다. 본업이 글쓰기가 아니다보니 차분하게 글 쓸 여유가 또 주어지기만을 바랄 뿐이다.