시모무라 오사무: 해파리에서 빛을 추출한 화학자
1961년 여름, 워싱턴주 프라이데이 하버의 물 위에서 한 일본인 화학자와 그의 미국인 멘토는 퓨젓사운드에서 매일 2,000~3,000마리의 해파리를 건져 올렸고, 약 50,000마리를 처리할 때까지 작업을 멈추지 않았습니다. 시모무라는 "우리 실험실은 공장 같았고 해파리 냄새로 가득 찼습니다"라고 회상했습니다. 그는 19번의 여름 동안 그 의식과 같은 과정을 반복하며 수십만 마리의 표본을 수집했습니다. 그가 결국 슬러리에서 추출해낸 것은 생물학에 가장 유용한 램프를 제공했습니다.
나가사키 위의 섬광
그는 일본 제국 육군 장교의 아들로 1928년 8월 27일 교토 후쿠치야마에서 태어났으며, 가족이 나가사키 현 이사하야에 정착하기 전까지 아버지의 부임을 따라 만주국과 오사카를 오갔습니다. 1945년 8월 전쟁이 머리 위로 닥쳤을 때 그는 열여섯 살이었습니다. 폭심지에서 25km 떨어진 곳에서 그는 폭발 전 폭격기 '복스카(Bockscar)'의 소리를 들었고, 섬광으로 약 30초 동안 눈이 멀었으며, 그 후 방사능 흑비가 그에게 내렸습니다. 그의 학업은 전쟁으로 이미 산산조각이 났습니다. 그를 무사의 명예와 불굴의 정신으로 키운 할머니는 교실에서 얻지 못한 기질을 그에게 심어주었습니다.
졸업장 없이 그를 받아준 대학
1948년 나가사키 약학전문학교는 고등학교 졸업장 없이 그를 입학시켰는데, 이는 그의 남은 인생을 결정짓는 제도적 자비였습니다. 그는 1951년 현재 나가사키 대학 약학부의 전신에서 약학 학위를 받았고, 1955년까지 실험 조교로 남았는데 이는 뚜렷한 전망이 없는 일이었습니다. 상황을 바꾼 것은 나고야 대학의 히라타 요시마사(Yoshimasa Hirata)에게 소개된 것이었는데, 히라타는 그를 받아들여 더 좋은 자격을 갖춘 화학자들도 해결하지 못한 문제를 던져주었습니다. 바로 짓이겨진 바다반딧불이(Vargula hilgendorfii)의 건조된 잔해가 왜 젖으면 파란색으로 빛나는가 하는 문제였습니다.
10개월, 하나의 결정
이 과제는 그를 바쁘게 만들 의도였습니다. 그 과제는 10개월 동안 그를 몰입시켰고, 그 끝에 그는 1957년 다루는 즉시 산화되는 악명 높은 불안정 추출물에서 발광 분자 자체인 순수한 루시페린 결정을 얻었습니다. 일본화학회지에 실린 논문 "결정성 해파리 루시페린(Crystalline Cypridina luciferin)"은 일본을 넘어 널리 퍼진 기술적 위업이었습니다. 나고야 대학은 1958년 그에게 유기화학 석사 학위를 주었고, 1960년 바다반딧불이 루시페린의 구조에 관한 논문으로 박사 학위를 수여했습니다. 그는 고등학교 졸업장 없이 대학에 입학하여 박사 학위와 불가능한 일을 손수 해냈다는 국제적 명성을 얻고 떠났습니다.
해파리 공장
프린스턴 대학의 프랭크 존슨(Frank Johnson)은 루시페린 논문을 읽고 그를 영입했습니다. 시모무라는 1960년 풀브라이트 장학금을 받고 도착했습니다. 존슨은 그에게 아무도 빛나는 테두리를 설명할 수 없었던 수정해파리(Aequorea victoria)를 연구하게 했습니다. 이 동물들은 야생에서 잡아야 했기 때문에 작업은 매년 여름 워싱턴 대학의 프라이데이 하버 연구소로 옮겨졌습니다. 규모는 산업적이었고 화학적 과정은 비참했습니다. 빛을 내는 물질은 빠르게 분해되었고 수확량은 극히 적었습니다.
1962년 그 노력은 두 배로 보상받았습니다. 시모무라는 칼슘이 결합하면 파란색 빛을 내는 단백질인 에쿼린(aequorin)을 분리했고, 그 옆에서 녹색 형광을 내는 두 번째 소량의 단백질을 발견했습니다. 녹색 단백질은 수년간 뒷전으로 밀려났으며, 파란색 단백질을 쫓던 중에 발견된 호기심 어린 부산물이었습니다. 그것이 바로 녹색형광단백질(GFP)이었습니다.
스스로 빛을 내는 단백질
결정적인 통찰은 나중에 시모무라가 GFP의 존재를 넘어 화학적 원리를 밝혀내고 1972년 단백질 구조를 매핑했을 때 찾아왔습니다. 그는 GFP의 빛을 내는 발색단이 자신의 펩타이드 사슬 안에 내장되어 있음을 보여주었습니다. 즉, 단백질이 외부 기질, 보조 인자, 외부 분자 없이 스스로 램프를 만드는 것입니다. 그 단 하나의 구조적 사실이 모든 후속 연구를 가능하게 했습니다. 발광 장치가 단백질 서열에 암호화되어 있었기 때문에, 유전자를 복제하여 어떤 생물체에든 넣으면 스스로 빛을 낼 수 있었습니다. 마틴 찰피(Martin Chalfie)는 GFP를 살아있는 태그로 시연했고, 로저 첸(Roger Tsien)은 이를 범용 도구로 바꾼 색상 팔레트를 설계했습니다. 2008년 이 세 사람은 "녹색형광단백질(GFP)의 발견과 개발" 공로로 약 140만 달러 상당의 노벨 화학상을 공동 수상했습니다.
시모무라는 또한 그가 어렵게 얻은 재료를 아낌없이 나누어 주었습니다. 유전 공학이 GFP를 재현 가능하게 만들기 전, 그는 고생해서 수확한 단백질 재고를 전 세계 연구소에 무상으로 배포했습니다.
보스턴에서 가장 부재중인 교수
그는 경력의 대부분을 우즈홀의 해양생물학 연구소(MBL)에서 선임 과학자로 보냈으며, 보스턴 대학 의과대학의 생리학 교수직은 형식적으로만 처리했습니다. 대학 측의 기록에 따르면 그는 1982년에서 2001년 사이에 캠퍼스를 세 번만 방문했으며, 노벨상 발표가 나고서야 행정 직원들은 그가 은퇴했다는 사실을 알게 되었습니다. 그는 해당 분야가 그가 가능하게 만든 도구들로 넘어간 이후에도 생물발광 연구를 계속했으며, 표준 전문 서적 《생물발광: 화학적 원리와 방법(Bioluminescence: Chemical Principles and Methods)》과 일본어 회고록 《해파리로부터 배우다: 노벨상을 향한 길(Learning from Jellyfish: The Path to the Nobel Prize)》을 집필했습니다. 나가사키에서 만난 유기화학자 아내 아케미는 수십 년간 그의 연구 파트너였습니다. 아들 쓰토무는 해커 케빈 미트닉을 잡는 데 기여한 것으로 유명한 컴퓨터 보안 전문가가 되었고, 딸 사치는 버지니아 커먼웰스 대학의 중세 학자입니다.
시모무라가 천재라 불리는 이유
여기서 보여지는 자질은 개념적인 번뜩임이 아닙니다. 그것은 거의 병적일 정도의 정제 능력, 즉 생물학적 슬러지 속에서 깨지기 쉽고 자가 파괴적인 분자를 추출하는 능력이며, 다른 모든 이들의 재료가 이미 산화되었을 때 반복적으로 대규모로 수행하는 능력입니다. 다른 이들이 수년간 실패한 후 10개월 만에 해파리 루시페린을 결정화한 것은 첫째가 공예적 성취이고 둘째가 지적 성취이며, 시모무라 본인이 가장 먼저 그렇게 말했을 것입니다. 자신의 경력에 대한 그의 설명은 단조로운 끈기였습니다: "어려운 문제라도 큰 노력을 들이면 해결할 수 있다는 것을 배웠습니다."
지적 주장은 한 가지에 근거하며, 그것은 대단한 것입니다. GFP가 펩타이드 사슬 안에 자신의 발색단을 포함하고 있다는 것, 즉 다른 분자가 필요 없다는 것을 인식한 것은 다른 누구도 어떤 단백질에 대해서도 하지 못했던 개념적 단계였으며, 이것이 유전자가 나중에 복제되어 보편적인 리포터로 사용될 수 있었던 이유입니다. 생명공학계가 형광 태그로 수행하는 모든 것은 그 관찰에서 비롯됩니다.
정직한 반론은 시모무라가 그것을 스스로 해냈다는 것입니다. 그는 자신이 생물학적 마커를 "발견하려 하거나 의도하지 않았다"고 거듭 강조했으며, 자신의 노벨상을 실용적 목적이 없는 기초 연구의 가치를 주장하는 데 사용했습니다. 그는 도구를 만든 것이 아닙니다. 찰피와 첸이 만들었습니다. 동료들은 그를 재치보다는 우연과 끈기가 더 많은 설명을 한다고 믿었던 겸손하고 조용한 사람으로 묘사했습니다. 이를 이론이 아닌 손과 끊임없는 관심의 천재성이라 부릅니다.
유산
GFP는 이제 실험실에서 너무 평범해져서 그 기원에 대한 이야기는 희미해졌습니다. 모든 빛나는 뉴런, 종양 세포, 유전 발현 분석은 워싱턴 부두의 해파리 양동이로 거슬러 올라갑니다. 시모무라는 늦게나마 2004년 피어스상, 2006년 아사히상, 2008년 일본 문화훈장, 2012년 골든 구스상 수상, 2013년 미국 국립과학원 선출 등 명예를 얻었습니다. 그는 2018년 10월 19일 나가사키에서 90세를 일기로 암으로 사망했는데, 그곳은 그가 소년 시절 그 파괴를 목격했던 도시였습니다.
