에른스트 체인: 페니실린을 현실로 만든 화학자

1940년 5월 25일, 옥스퍼드에서 8마리의 생쥐에게 연쇄상구균을 주사했고, 그중 4마리에게 독일 출신 난민이 2년 동안 추출법을 연구해 만든 갈색 가루를 투여했습니다. 다음 날 아침, 치료받은 4마리의 생쥐는 살아 있었고 치료받지 않은 4마리는 죽어 있었습니다. 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming)은 12년 전 이 곰팡이를 발견하고 방치했었지만, 에른스트 체인은 이를 약으로 바꿨습니다.

베를린, 그리고 화학자의 아들

체인은 1906년 6월 19일 베를린에서 태어났습니다. 그의 아버지 미하엘 체인(Dr Michael Chain) 박사는 러시아 제국 모길레프에서 이주해 해외에서 화학을 공부한 화학자이자 산업가였고, 어머니 마르가레테 아이스너(Margarete Eisner)는 베를린 출신이었습니다. 가족은 유대인이었습니다. 그는 루이젠 김나지움(Luisengymnasium)을 거쳐 1930년 프리드리히 빌헬름 대학교(Friedrich-Wilhelm University)에서 화학 학위를 받았고, 이후 샤리테 병원(Charité hospital)에서 3년간 효소 연구를 했습니다.

그는 나치의 부상을 정확하고 빠르게 간파했습니다. 1933년 4월 2일, 그는 10파운드를 들고 영국에 도착했습니다. 유전학자 J.B.S. 홀데인(J.B.S. Haldane)이 런던의 유니버시티 칼리지 병원(University College Hospital)에 자리를 마련해 주었고, 그곳에서 그는 케임브리지의 피츠윌리엄 칼리지(Fitzwilliam College)로 옮겨 프레더릭 가울랜드 홉킨스(Sir Frederick Gowland Hopkins) 경 밑에서 인지질 연구를 했습니다. 그는 전쟁 발발 몇 달 전인 1939년 4월 영국 시민권자가 되었습니다.

옥스퍼드와 체계적 탐구

1935년 옥스퍼드 윌리엄 던 병리학 학교(Sir William Dunn School of Pathology)가 그를 초빙했고, 1936년에는 화학 병리학 시연자 및 강사가 되었습니다. 옥스퍼드에서의 초기 연구는 뱀 독, 종양 대사, 리소자임 메커니즘 등 폭넓었으며, 바로 리소자임 연구가 다음 단계로 나아갈 방향을 제시했습니다.

1938년 체인과 학교의 호주 출신 책임자 하워드 플로리(Howard Florey)는 미생물이 생성하는 특정 항균 물질의 생화학적 및 생물학적 특성을 조사하기로 했습니다. 페니실린은 목록 중 하나였습니다. 그들의 작업 가설은 흥미로운 방식으로 틀렸습니다. 그들은 이 물질들이 리소자임과 같은 효소일 것이라고 생각했습니다. 중요한 것은 이 문제를 미생물학적 호기심이 아닌 화학적 문제로 다루기로 한 결정이었습니다.

추출은 비참했습니다. 체인은 에드워드 펜리 에이브러햄(Edward Penley Abraham)과 함께 신중한 pH 조절, 저온 유지, 반복적인 증발(본질적으로 동결 건조)을 통한 정제 경로를 구축했지만, 수율은 형편없었습니다. 많은 양의 곰팡이 배양액에서 나온 결과물은 손톱 하나를 덮을 정도에 불과했습니다. 노먼 히틀리(Norman Heatley)는 나중에 이 공정을 규모 확장이 가능한 수준으로 개선했습니다. 1940년 5월 25일의 생쥐 실험은 학과에 큰 흥분을 불러일으켰고, 이는 해당 물질이 치명적인 감염에 대해 살아있는 동물에게 작용한다는 최초의 확실한 증거였습니다.

1941년 2월, 팀은 첫 감염 환자인 옥스퍼드 경찰관을 치료했습니다. 그는 눈에 띄게 호전되었으나 페니실린이 떨어지자 다시 악화되어 사망했습니다. 플로리는 그 실패를 겪으며 치료를 완료하기에 충분한 페니실린을 항상 확보하겠다고 다짐했습니다. 1941년 7월 플로리와 히틀리는 미국으로 건너가 일리노이주 피오리아에 있는 미국 농무부 북부 지역 연구소(Northern Regional Research Laboratories)와 접촉했고, 결과적으로 수천 명의 사람과 약 35개의 기관이 참여하는 생산 노력을 시작했습니다.

그가 얻지 못한 특허

체인은 페니실린의 특허를 원했습니다. 그가 훈련받았던 독일 기관에서는 특허 출원이 관례였고 추가 연구 자금을 마련하는 분명한 방법이었습니다. 플로리는 그 발견이 인류 전체의 이익을 위해야 한다는 생각으로 이를 거부했습니다. 이 결정은 오랫동안 체인을 괴롭혔으며, 단순히 자존심 문제만이 아니었습니다. 영국 의학계는 이후 생산 공정에 대해 특허를 낸 미국 제조업체들로부터 페니실린을 다시 사들여야 했습니다.

그는 화학 연구를 계속했습니다. 1942년 체인은 에이브러햄과 함께 페니실린 분자 중심의 베타-락탐 고리(beta-lactam ring)를 제안했습니다. 이 구조는 당시 논란이 있었으나 1945년 도로시 호지킨(Dorothy Hodgkin)의 X선 결정학으로 확인되었습니다. 그 고리 덕분에 단일 약물이 아닌 항생제 군 전체가 존재하게 된 것입니다.

전쟁이 끝날 무렵 그는 나치가 자신의 어머니와 여동생을 살해했다는 사실을 알게 되었습니다.

로마, 임페리얼, 그리고 공적인 유대인 정체성

1945년 노벨 생리학·의학상은 "페니실린의 발견과 다양한 감염병에 대한 치유 효과"를 이유로 플레밍, 플로리, 체인에게 수여되었습니다. 1946년 베르셀리우스 은메달(Silver Berzelius Medal), 왕립학회 펠로우 선출, 1954년 파울 에를리히 상(Paul Ehrlich Prize), 1957년 치료학 금메달, 1969년 생일 서훈에서의 기사 작위 수여 등 영예가 이어졌습니다.

인정받았다고 해서 어디서나 환영받은 것은 아니었습니다. 미국은 1950년 매카런 내부 보안법(McCarran Internal Security Act)에 따라 그를 입국 금지했고 1951년에는 두 차례 비자를 거부했습니다. 1948년 그는 옥스퍼드를 떠나 로마로 가서 고등보건연구소(Istituto Superiore di Sanità)의 국제 화학 미생물학 연구센터 과학 책임자로 일하며 항생제 제조의 실제 기반인 발효 산업 생물학 연구를 구축했습니다. 1961년 그는 런던으로 돌아와 임페리얼 칼리지(Imperial College)의 생화학 교수가 되었고 생화학 학과를 창설했습니다.

그는 1948년 생화학자 앤 벨로프(Anne Beloff)와 결혼하여 벤자민(Benjamin), 다니엘(Daniel), 주디스(Judith) 세 자녀를 두었으며, 유대교 신앙으로 길렀습니다. 나이가 들면서 그의 유대인 정체성은 더욱 중심적이고 공적인 것이 되었습니다. 그는 1954년 와이즈만 과학 연구소(Weizmann Institute of Science) 이사회에 합류했고, 열렬한 시오니스트였으며, 1965년 세계 유대인 대회 지식인 회의에서 "내가 유대인인 이유"라는 제목의 연설을 했습니다.

에른스트가 천재라 불리는 이유

체인의 주장은 특별한 종류의 지능에 기반합니다. 생물학적 관찰이 사실은 화학적 문제라는 것을 파악하고, 대상 분자가 다루는 과정에서 살아남을지조차 알 수 없는 상황에서 화학적 문제를 해결하는 능력입니다. 플레밍은 1928년에 페니실린을 가지고 있었지만 안정화하거나 농축할 수 없었습니다. 물질은 유명했지만 쓸모가 없었습니다. 1938년 체인의 통찰은 곰팡이의 항균제가 감탄하는 관찰의 연속이 아닌 체계적인 생화학적 공세의 대상이 되어야 한다는 것이었고, 그의 기술은 분리하는 물질을 파괴하지 않을 만큼 섬세한 추출법(pH, 저온, 반복 증발)을 고안하는 것이었습니다. 결정학으로 확인되기 몇 년 전 화학적 추론으로 만들어진 1942년의 베타-락탐 제안은 그의 두뇌를 가장 명확하게 보여주는 사례입니다.

반론 또한 실재합니다. 그는 페니실린을 발견하지 않았고, 본인도 그렇게 말했습니다. 플레밍에게 공을 돌리는 대중적 버전은 그를 평생 짜증 나게 했지만, 체인에게만 공을 돌리는 수정된 버전 또한 똑같이 잘못된 것입니다. 옥스퍼드의 페니실린은 팀의 성과입니다. 플로리는 방향과 배짱, 미국과의 연결을 제공했고, 히틀리는 없었다면 규모를 키울 수 없었을 생산 공학을, 에이브러햄은 그 옆에서 많은 화학 작업을, 호지킨은 구조적 증거를 제공했습니다. 또한 체인은 일반적으로 다루기 힘들고 공격적이며 공로에 대해 쉽게 불쾌감을 느끼는 것으로 알려졌습니다. 하지만 적어도 특허 문제에 관해서는 그의 판단이 옳았습니다. 그가 가진 것은 고독한 천재성이 아니라, 호기심이 약으로 변하는 바로 그 지점에서 적용된 탁월한 화학적 판단력이었습니다.

유산

체인은 1979년 8월 12일 메이요 카운티 캐슬바의 메이요 종합병원에서 73세의 나이로 사망했습니다. 임페리얼 칼리지의 생화학 건물과 캐슬바의 한 도로는 그의 이름을 따서 명명되었습니다. 더 큰 기념비는 구조적인 것입니다. 1942년 그가 주장한 베타-락탐 고리는 세계에서 가장 널리 사용되는 항생제 계열의 근간으로 남아 있으며, 모든 반합성 페니실린은 그가 실험실 접시의 얼룩에 불과할 때 분석해 낸 분자의 변형입니다.