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2018년 노벨화학상에 미국 프랜시스 아널드와 조지 P. 스미스, 영국 그레고리 P. 윈터 공동수상

 2018년 노벨상 수상자 발표를  노벨사이언스와 연합뉴스 공동으로 신속하게 제공하고 있습니다. 

'진화의 힘' 활용한 美英 과학자 3인에 노벨화학상 … 여성 5번째

노벨위원회 "진화의 힘 활용해 항체와 효소 연구" … 9년만에 여성 수상
美아널드 '효소의 유도진화'…美스미스·英윈터는 '파지 디스플레이' 연구 공로

 

올해 노벨화학상의 영예는 진화의 힘을 활용해 항체와 효소를 연구·개발한 미국 프랜시스 아널드와 조지 P. 스미스, 영국 그레고리 P. 윈터 경에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 3일(현지시간) 프랜시스 아널드(62·캘리포니아공대)와 조지 P. 스미스(77·미주리대), 영국의 그레고리 P. 윈터(67·케임브리지대) 경을 노벨화학상 수상자로 선정했다고 발표했다.

노벨위원회는 "2018년 노벨화학상 수상자들은 인류를 가장 이롭게 하려는 목적으로 진화를 제어(control)하고 활용해 왔다"고 설명했다. 이어 노벨위는 "수상자들은 진화의 힘에서 영감을 받았고 유전적 변화와 선택이라고 하는 동일한 원칙을 인류의 화학적 문제를 해결할 수 있는 단백질을 개발하는데 활용했다"고 말했다.

올해 수상 비중의 절반을 차지한 아널드는 효소의 유도진화를, 나머지 2명은 항체와 펩타이드의 파지 디스플레이를 연구한 공로로 올해 노벨화학상 수상의 영예를 안았다.

미국 아널드는 9년 만에 탄생한 여성 노벨화학상 수상자다. 마리 퀴리(1911년 수상), 아다 요나트(2009년 수상) 등에 이어 역대 5번째 여성 수상자가 됐다.

올해 노벨상 수상자 중에서는 물리학상을 공동 수상한 캐나다의 도나 스트리클런드에 이어 2번째다. 아널드의 효소 연구는 의약품과 같은 화학물질을 보다 환경친화적으로 제조하고 재생가능한 수송 연료를 생산하는 데 활용됐다. 스미스는 박테리아를 감염시키는 바이러스를 새로운 단백질 생산에 활용하는 방식을 개발했으며 윈터는 항체의 유도진화를 위한 같은 방식을 신약 개발을 목적으로활용했다.

노벨위원회는 1일 생리의학상을 시작으로 2일 물리학상, 3일 화학상, 5일 평화상, 8일 경제학상 수상자를 발표한다. 올해는 '미투'(Me Too) 파문 논란으로 문학상 수상자는 1949년 이후 69년 만에 선정하지 않는다.

수상자에게는 노벨상 메달과 증서, 900만 스웨덴 크로나(약 11억3천만원)의 상금이 수여된다. 이번 상금의 절반은 아널드에게 수여되며 나머지 절반은 스미스와 윈터가 50%씩 나눠 받는다.

지난해 노벨화학상은 용액 내 생체분자를 고화질로 영상화할 수 있는 저온전자 현미경 관찰 기술을 개발한 자크 뒤보셰(스위스), 요아힘 프랑크(독일·미국), 리처드 헨더슨(영국)이 공동 수상했다. 노벨위원회에 따르면 노벨화학상은 1901년부터 지난해까지 109차례에 걸쳐 177명에게 수여됐다. 이를 2차례 수상한 과학자는 영국 프레더릭 생어(1958년, 1980년 수상)가 유일하다. 

'진화의 혁명'으로 신약·소재 생산 길을 개척한 노벨화학상 수상자들

바이오-화학 공정·질환치료에 '최적화' 효소·항체 제작방법 개발

조지 P. 스미스(77) 미국 미주리대 교

눈에 보이지 않는 세균부터 거대한 포유류까지 생물은 뜨거운 웅덩이나 깊은 바다, 건조한 사막 등 다양한 환경에 적응해 살아간다. 이런 다양한 환경에서 생물이 스스로 '살 길'을 개척하며 살아갈 수 있는 것은 유전자 돌연변이를 통해 생명현상을 유지하는 '단백질'을 환경에 맞게 변화시켜 왔기 때문이다올해 노벨화학상은 이런 단백질의 변화를 원하는 방향으로 빠르게 일으키는 방법을 개발해 신약 물질이나 신소재 등을 생산할 길을 연 미국과 영국 과학자 3명에게 돌아갔다.

3일 노벨위원회는 프랜시스 아널드(62) 미국 캘리포니아공대(Caltech) 교수, 조지 P. 스미스(77) 미국 미주리대 교수, 그레고리 P. 윈터(67) 영국 케임브리지대 MRC분자생물학연구소 연구원 등 3명을 올해 노벨화학상 수상자로 발표하며 "진화 과정을 제어해 인류에게 큰 이익을 가져다줬다"라고 평가했다.

단백질은 20종의 아미노산이 긴 사슬로 이어진 뒤 접힌 3차원 구조의 물질이다. 각 부위를 이루는 아미노산의 종류가 바뀌면 단백질의 3차원 구조가 달라지고 이에 따라 기능도 변하게 된다.

프랜시스 아널드 교수는 단백질 중 생체에서 촉매 역할을 하는 '효소'(enzyme)를 구성하는 아미노산의 종류를 일부 치환하고 이를 통해 효소의 기능이 바뀔 수 있음을 1993년 최초로 확인했다.

아널드 교수가 타깃으로 삼은 효소는 '서브틸신'(subtilisin)이라는 것으로 우유 단백질인 '카제인'을 분해한다. 서브틸신 효소를 만드는 유전자에 돌연변이를 일으킨 뒤 세균에 주입하자, 이 세균은 일부 아미노산이 바뀐 '변형 효소'를 생산했고 이들 중에는 카제인을 분해하지 못하는 것도 있었다.

이렇게 효소를 변형하는 방식을 통해 현재는 바이오 연료나 유용 화학물질을 만드는 '친환경 촉매'를 개발하는 데 이르게 됐다. 변형 효소를 이용하면 복잡한 화학 공정을 간단하게 줄이거나 유독물질을 쓰지 않고도 원하는 물질을 만들 수 있다.

조지 스미스 교수는 세균을 숙주로 하는 바이러스인 박테리오파지를 이용해 새로운 단백질을 진화시킬 수 있는 파지 디스플레이 기술을 진전시켰으며 윈터도 항체의 유도진화에 파지 디스플레이를 활용했다. 이런 방식에 바탕을 두고 만들어진 첫 약물이 류머티스성 관절염에 쓰이는 아달리무맙(adalimumab)이다. 이것으로 만들어진 제품이 세계적인 '블록버스터' 의약품 휴미라(Humira)다.

이후 파지 디스플레이는 독소를 중화하는데 쓰이거나, 자가면역질환에 대응, 전이성 암 치료 기능을 갖는 항암제의 항체생산에 활용돼오고 있다. 스미스는 노벨상 수상자 선정 소식이 전해진 뒤, AP통신에서 "자신이 상을 받을 수 있는 공적은 딱 그때 그곳에 있었기에 활용하게 된 수많은 아이디어와 연구들, 그리고 전례 위에 쌓인 업적들임을 잘 알고 있다"고 설명했다.

그는 “노벨상까지 이르는 연구는 사실상 전부가 이전에 진행됐던 것에 기반을 둔 것이며, 그 위에 새로이 발견한 것이 우연이라면서 내 연구도 그렇다”며 “이전의 연구들 위에 자연스럽게 구축된 것이라고 강조했다.”

조유희 차의과대 교수는 "어떤 특정 물질(항원)에 결합하는 단백질이나 펩타이드의 구조를 알고 싶을 때, 항원을 파지 표면에 노출한 뒤 바이러스를 감염시키면 항원에 결합하는 단백질이나 펩타이드 구조를 알아낼 수 있다"며 "이 방법으로 항원에 결합하는 단백질이나 펩타이드의 구조를 알아내면, 사람에게 병을 일으키는 병원체에 대한 항체도 인간에 주입하지 않고 만들어낼 수 있다"고 설명했다.

그레고리 윈터 연구원은 파지 전시법을 이용해 실제 의약물질로 쓸 수 있는 항체(Antibody)를 만들어내는 데 성공했다. 현재 이 파지전시법은 자가면역질환이나 전이성 암 치료 항체를 만드는 데 쓰이고 있다. 2002년 승인을 받은 류마티스 관절염 치료물질인 '아달리무맙'이 대표 사례다.

다국적제약사 애브비는 아달리무맙을 '휴미라'라는 류머티즘 관절염, 궤양성 대장염, 크론병, 강직 척추염, 건선 등 치료제로 제품화했다. 휴미라는 지난해 기준 연간 매출이 약 20조원에 달하는 전 세계 판매 1위 바이오의약품이 됐다.

이덕환 서강대 화학과 교수는 "자연상태에서는 효소가 어떤 기능을 갖도록 진화하는 데 매우 긴 시간이 걸리지만 아널드 교수가 개발한 '유도진화'나 스미스 교수와 윈터 연구원이 개발한 파지전시법은 아주 짧은 시간에 인간에게 필요한 기능을 가진 효소나 항체를 만들어낸다는 점에서 '진화의 힘'을 인간이 손쉽게 이용할 수 있는 길을 열었다고 할 수 있다"고 밝혔다.

노벨물리학상 이어 화학상서도 여성 '두각'…역대 수상자 명단은

1901년부터 110차례 시상…아널드, 181명 중 다섯번째 여성 수상자

프랜시스 아널드 캘리포니아공과대 교수
 올해 노벨화학상의 영예는 효소의 유도 진화를 연구한 미국의 프랜시스 아널드 캘리포니아공과대 교수, 항체와 펩타이드의 파지 디스플레이(phage display of peptides and antibodies)를 연구한 미국 미주리대의 조지 P. 스미스와 영국 케임브리지대의 그레고리 P. 윈터 경 등 3명에게 돌아갔다. 앞서 노벨물리학상에서도 55년 만에 여성 수상자를 배출한 데 이어 이날 아널드가 노벨화학상을 공동 수상하면서 올해 노벨상에서 여성 과학자들의 약진이 두드러졌다.

◇ 노벨화학상, 1901년부터 총 110차례 수여…수상자는 181명
노벨상 공식 웹사이트(nobelprize.org)에 따르면 노벨화학상은 1901년 첫 수상자를 배출한 데 이어 올해까지 총 110차례 수상자를 냈다.
제1차 세계대전 중이던 1916년, 1917년을 비롯해 1919년, 1924년, 1933년, 그리고 제2차 세계대전 중이던 1940년, 1941년, 1942년 등 모두 8차례는 수상자를 선정하지 않았다. 노벨재단은 심사 대상자 중 중요한 화학적 발견이나 발전을 이뤄냈다는 평가를 받을 만한 이가 없는 것으로 판단될 경우 수여하지 않는 것을 원칙으로 한다. 단독 수상자가 나온 경우는 모두 63차례이고 두 명이 받은 경우는 23차례, 3명이 받은 경우는 올해까지 24차례다. 공동수상자를 포함해 지금까지 110차례에 걸쳐 노벨화학상을 받은 과학자는 모두 181명에 이른다.
다만 영국의 생화학자 프레데릭 생어가 1958년과 1980년 두 차례 노벨화학상을 받아 실제 수상자 수로만 따지면 180명이다.

◇ 최고령은 85세이고, 최연소는 35세…英 생어는 2번 수상
1901년부터 지난해까지 노벨화학상 수상자들의 평균 나이는 58세였다. 올해는 아널드(62), 스미스(77), 윈터(67) 등 3명이 추가되면서 평균 나이도 다소 올라갈 전망이다. 지난해까지 화학상 수상자 중 최고령자는 2002년 공동수상자인 미국의 존 펜으로 당시 85세였다.
역대 수상자 가운데 가장 어린 나이에 노벨화학상을 받은 이는 '퀴리 부인'으로 유명한 프랑스의 노벨 물리학자 마리 퀴리의 사위 프레데릭 졸리오이다.  그가 아내 이렌 졸리오 퀴리와 공동 노벨생리의학 수상할 당시 나이는 35세였다. 역대 수상자 가운데 화학상을 2번 받은 이는 영국의 생어가 유일하다. 그리고 노벨화학상 수상자 중 다른 노벨상도 받아 생전에 화학상과 함께 노벨상을 두 번 받은 과학자는 생어를 포함해 3명이나 있다.
퀴리 부인은 노벨물리학상(1903)과 노벨화학상(1911년)을, 미국의 물리화학자 라이너스 폴링은 노벨화학상(1954년)과 노벨평화상(1962년)을 받아 각각 2관왕이 되었다.'
◇ 여성 수상자는 올해까지 5명…그중 2명은 퀴리 모녀
그동안 110차례 총 개인 180명에게 노벨화학상이 수여되는 동안 배출된 여성 수상자는 올해 아널드를 포함해 5명에 불과하다. 퀴리 부인이 1903년 남편과 노벨물리학상을 받은 이후 1911년 노벨화학상을 단독 수상했다. 그의 딸인 이렌 졸리오 퀴리는 그로부터 24년 뒤인 1935년 남편과 노벨화학상을 공동 수상했다. 1964년에는 영국의 화학자 도로시 크로풋 호지킨이 노벨화학상의 영예를 안았고 2009년 이스라엘의 아다 요나트에 이어 올해 아널드가 9년 만에 다섯 번째 여성 수상자로 이름을 올렸다. 이들 5명 가운데 마리 퀴리와 호지킨은 단독으로 노벨화학상을 받은 바 있다.
◆1996∼2018년 노벨화학상 수상자 및 수상공적
    ▲ 2018년: 프랜시스 아널드(미국)
    = 효소의 유도 진화 연구.  
      조지 P. 스미스(미국), 그레고리 P. 윈터(영국)
    = 항체와 펩타이드의 파지 디스플레이 연구.
    ▲ 2017년: 자크 뒤보셰(프랑스), 요아힘 프랑크(미국), 리처드 헨더슨(영국)
    = 용액내 생체분자 구조 결정을 위한 고해상도 저온 전자 현미경 관찰법 개발
    ▲ 2016년: 장피에르 소바주(프랑스), 프레이저 스토더트(영국), 베리나르트 페링하(네덜란드)
    = 분자기계를 설계·제작.
    ▲ 2015년: 토마스 린달(스웨덴), 폴 모드리치(미국), 아지즈 산자르(미국·터키)
    = DNA(유전자) 복구 메커니즘 연구.
    ▲ 2014년: 에릭 베치그, 윌리엄 E.머너(이상 미국), 슈테판 W.헬(독일)
    = 초고해상도 형광 현미경 기술 개발.
    ▲ 2013년: 마틴 카플러스, 마이클 레빗, 아리 워셜(이상 미국)
    = 복합체 분석을 위한 다중척도 모델링의 기초 마련.

    ▲ 2012년: 로버트 J. 레프코위츠, 브라이언 K. 코빌카(이상 미국)
    = 심혈관계 질환과 뇌 질환 등에 관여하는 'G단백질 연결 수용체'(GPCR)에 대한 연구.

    ▲ 2011년: 다니엘 셰흐트만(이스라엘)
    = 준결정 발견 공로.

    ▲ 2010년: 리처드 F. 헤크(미국), 네기시 에이이치, 스즈키 아키라(이상 일본)
    = 금속 촉매를 이용한 복잡한 유기화합물 합성 기술에 대한 연구
    ▲ 2009년: 아다 요나트(이스라엘), 벤카트라만 라마크리슈난, 토머스 스타이츠(이상 미국)
    = 세포 내 리보솜의 구조와 기능에 대한 연구.

    ▲ 2008년: 마틴 샬피, 로저 시앤(이상 미국), 시모무라 오사무(일본)
    = 녹색 형광단백질의 발견과 응용 연구.

    ▲ 2007년: 게르하르트 에르틀(독일)
    = 철이 녹스는 원인과 연료전지의 기능방식, 자동차 촉매제 작용 원리 이해에 기여.

    ▲ 2006년: 로저 D. 콘버그(미국)
    = 진핵생물의 유전정보가 복사돼 전달되는 과정을 분자수준에서 규명.

    ▲ 2005년: 로버트 그럽스. 리처드 슈록(이상 미국), 이브 쇼뱅(프랑스)
    =유기합성의 복분해(複分解) 방법 개발 공로.

    ▲ 2004년: 아론 치카노베르, 아브람 헤르슈코(이상 이스라엘), 어윈 로즈(미국)
    = 단백질 분해과정을 규명, 난치병 치료에 기여.

    ▲ 2003년: 피터 에이거, 로더릭 머키넌(이상 미국).

    = 세포막 내 수분과 이온 통로 발견, 인체 세포로 수분과 이온이 왕래하는 현상 규명.

    ▲ 2002년: 존 펜(미국), 다나카 고이치(일본), 쿠르트 뷔트리히(스위스).

    = 생물의 몸을 구성하는 단백질 분자의 질량과 3차원 구조를 알아내는 방법을 개발.

    ▲ 2001년: 윌리엄 S. 놀즈, K. 배리 샤플리스(이상 미국), 노요리 료지(일본).

    = 화학반응에서 광학 이성질체 중 하나만 합성할 수 있는 광학활성촉매를 개발, 심장병, 파킨슨병 등 치료제 개발에 공헌.

    ▲ 2000년: 앨런 히거, 앨런 맥더미드(이상 미국), 시라카와 히데키(일본).

    = 플라스틱도 금속처럼 전기 전도가 가능하다는 것을 증명하고 실제로 전도성 고분자를 발명.

    ▲ 1999년: 아메드 즈웨일(미국).

    = 초고속 레이저광원을 이용, 분자 화학반응의 중간과정 관측에 성공.

    ▲ 1998년: 월터 콘(미국).

    = 양자 화학에서 밀도 범함수(汎函數)의 새 이론 개발.

    존 포플(영국).

    = 양자 화학의 계산법인 'CNDO법' 등 개발.

    ▲1997년: 폴 보이어(미국), 옌스 스코우(덴마크), 존 워커(영국).

    = 생체 내 에너지원인 ATP(아데노신 3인산) 관련 효소의 작용 기구 해명.

    ▲1996년: 로버트 컬, 리처드 스몰리(이상 미국), 해럴드 크로토(영국).

    = 탄소원자 60개로 구성된 축구공 모양의 탄소분자 '버키볼' 발견, 초전도·재료 과학의 신분야 개척.

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