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세포보다 작고, 세균보다 작은 본문

완결된 연재/(完) 보이지 않는 권력자

세포보다 작고, 세균보다 작은

Editor! 2018.08.03 15:47

1997년 (주)사이언스북스에서 이재열 경북 대학교 명예 교수의 『보이지 않는 권력자』가 출간되었습니다. 아마 국내 저자가 쓴 책으로는 거의 처음 출간된 미생물 소개 교양 과학서였을 것입니다. 출간 당시 언론과 독자로부터 ‘보이지 않는 권력자’인 미생물의 세계를 흥미롭게 소개한 책으로 관심과 사랑을 받았습니다. 이재열 교수가 같은 제목으로 출간 전 사전 연재를 진행합니다. 지난 「미생물의 족보 찾기」에 이어서 이번에는 세균에서 바이러스, 바이로이드, 프리온까지, 더욱 작아지고 더욱 넓어지는 생명의 경계를 파헤칩니다. 우리가 본 적 없던 세계에서 펼쳐지는 ‘보이지 않는 권력자들’의 활약, 볼 준비 되셨나요?



이재열의 「보이지 않는 권력자」 두 번째 이야기 

세포보다 작고, 세균보다 작은



아침에 눈을 뜨는 것으로 하루는 시작된다. 눈을 뜨면 우리 눈에는 모든 사물이 드러나 보인다. 만약에 눈을 떴는데도 잘 보이지 않으면 눈을 비비며 시력을 회복하려 한다. 방 안에 놓인 탁자와 의자, 벽에 붙어 있는 그림 액자, 유리창 너머로 내다보이는 바깥 풍경, 가까이는 내가 밤새 누워 있던 이부자리까지, 눈앞에 펼쳐진 모습을 바라본다. 이들 모두는 나에게 가장 익숙한 모양과 크기를 하고 있다. 모든 것이 어젯밤, 아니 오래전부터 보아 온 모습과 전혀 변함이 없다는 것을 보고 나면 나도 모르게 긴장이 풀리면서 마음에 평온함이 자리 잡는다.


그런데 아침에 눈을 떠 보니 아무것도 보이지 않는다면 우리는 무척이나 당황할 것이다. 무엇이 잘못되었는지 미처 확인할 틈도 없이 황당함과 두려움이 밀려들 것이다. 혹은 만약에 갑자기 모든 사물의 크기가 10분의 1로 축소된다거나 10배로 확대된다면, 아무것도 보이지 않는 상황보다는 조금 낫더라도 황당하기는 마찬가지일 것이다. 편안한 마음으로 살려면 나도, 세상도 원래의 크기를 하고 있어야겠다.


가끔은 전혀 상상하지 못한 미시의 세계를 경험할 때가 있다. 해마다 봄철이면 중국에서 황사가 날아온다. 황사는 그야말로 진흙 가루가 아닌가. 보통 때에는 흙먼지가 일더라도 ‘그런가 보다.’ 하고 대수롭지 않게 생각하지만, 저 멀리 중국의 내륙에서 여기까지 흙먼지가 날아온다고는 선뜻 이해하기 어렵다. 게다가 흙먼지 속에 아주 작은 크기의 여러 광물질은 물론이고 눈에 보이지 않는 미생물 또한 들어 있다는 사실을 알고 나면 마치 조금은 다른 세계를 여행한 듯한 느낌이 든다.



먼지는 그야말로 아주 작은 것을 나타내는 대표적인 말이다. 청소하더라도 이리저리 흩어져 있는 작은 먼지는 눈에 보이지 않지만, 한꺼번에 모아 놓으면 덩어리로 모습을 드러낸다. 아무것도 보이지 않는 선반 위에 가만히 손을 얹고 표면을 쓸어 보면 선반에 쌓여 있던 먼지가 손바닥에 한 움큼 묻어 나온다. 이렇게 크기가 아주 작은 것들은 우리와 전혀 차원이 다른 세상에 있을 것이라고 생각하지만, 먼지나 미생물이 존재하는 미시의 세계가 생활에서 가끔씩 드러나기도 한다.



0.1밀리미터 이하의 존재들

눈으로 볼 수 없는 작은 생물을 우리는 미생물이라 부른다. 미생물은 눈으로 볼 수가 없으니 차라리 없다고 생각하면 마음이라도 편할 듯하다. 그런데 사람들에게는 호기심이 있어서, 작은 미생물의 존재를 알고 나면 호기심이 발동해 그것을 그냥 내버려두지 않는다. 오래전부터 사람들은 눈으로 볼 수 없는 것조차 볼 수 있는 기구를 만들어 눈에 보이지 않는 작은 생물을 탐구하기 시작했다. 그리하여 전혀 상상하지 못한 미시의 세계를 개척했다. 이른바 현미경의 세계라고나 할까. 그리고는 미생물의 세계에는 여러 가지 종류가 있다는 것도 점차 알아냈다.


눈으로 볼 수 없는 작은 크기란 도대체 얼마만 할까? 문장 마지막에 찍히는 마침표는 우리 눈으로 볼 수 있다. 그런데 이 마침표 지름의 10분의 1 정도 크기라면 가물가물해 알아보기조차 힘들 것이다. 우리 눈으로 구분할 수 있는 한계는 0.1밀리미터이므로 이보다 작은 크기의 생물이라면 모두 미생물이라 할 수 있다. 우리가 알고 있는 미생물은 대부분 곰팡이, 박테리아, 바이러스 등의 병원균을 중심으로 구분된다. 이 가운데 곰팡이는 실 모양으로 뻗어 나는 균사(菌絲)를 만들기에 가끔씩 우리 눈에 띄기도 하지만 세균과 바이러스는 우리 눈에 전혀 보이지 않는다. 이들 미생물의 존재는 우리가 어떻게 알 수 있을까?


여기에서 미생물의 크기와 세포의 크기를 비교해 보자. 물론 세균은 세포 안으로 침입할 수 있기 때문에 세포는 분명히 세균보다는 월등히 크다. 바이러스 또한 세균에 침입할 수 있기 때문에 세균은 바이러스보다도 분명히 크다. 그렇다면 세포는 도대체 얼마나 큰 것일까? 세포의 길이는 대체로 수십 마이크로미터(μm, 1마이크로미터는 1,000분의 1밀리미터이다.)이다. 이에 비해서 세균의 길이는 보통 수 마이크로미터이고, 바이러스의 길이는 대개 수 나노미터(nm, 1나노미터는 100만분의 1밀리미터이다.), 길어도 수십 나노미터에 불과하다. 따라서 세포와 세균, 세균과 바이러스의 길이 차이는 각각 10배, 100배 정도라고 할 수 있다. 그런데 이것은 단순한 길이 차이이며, 미생물이라 하더라도 단순히 길이를 비교하지 않고 또 다른 특성인 부피를 살펴보아야 할 것만 같다. 부피는 각각 1,000배, 100만 배라는 엄청난 차이를 보인다.


바이러스의 크기는 생명체 중 가장 작다고 알려져 왔다. 단순한 분자와 크기를 비교하더라도 그리 엄청나게 크지도 않다. 일반적인 분자의 크기는 수 나노미터이며, 단백질의 크기 또한 수십 나노미터이다. 바이러스의 크기는 분자에 버금가는 셈이다. 그래도 바이러스가 분자보다 조금 더, 10배 정도 더 크다고 생각해 보자. 세균과 세포의 부피 차이가 1,000배 정도라고 한다면 바이러스와 분자의 부피 차이 또한 1,000배 정도이거나 그보다 작을 수 있다. 그런데 세균과 바이러스의 부피 차이가 100만 배 정도 나타나는 것은 도대체 어떻게 생각해야 할까?


양분을 먹고 자라는 세균을 증식시킬 때에는 영양 배지를 이용한다. 영양 배지는 세균이 사는 데 필요한 영양분이 골고루 들어 있는 액체이므로, 배지의 양을 측정할 때에는 물을 헤아릴 때처럼 밀리리터 단위를 이용한다. 1밀리리터는 부피로 따지면 1세제곱센티미터에 해당한다. 이것을 물로 생각해서 무게가 1그램이라고 가정해 보자. 만약에 영양 배지 1밀리리터 속에 크기가 1마이크로미터인 세균이 꽉 들어차 있다면 세균이 1012마리 있다고 본다. 1센티미터는 10밀리미터이기 때문에, 1세제곱센티미터 속에는 부피가 1세제곱마이크로미터인 세균들이 변마다 1만 마리씩 줄지어 서 있다. 입체적으로 보자면 1만 × 1만 × 1만 = 1조 마리가 꽉 차게 자리한 셈이다.


영양 배지에서 증식한 미생물들. ⓒ Sofia Vini


영양 배지에서 세균을 충분히 증식시키면 그 숫자는 대체로 108~109마리에 이른다. 이렇게 많이 증식한다 하더라도 1세제곱센티미터 안에서 세균이 차지하는 부피는 1,000분의 1에 불과하다. 이를테면 넓은 운동장에 모인 사람 1,000명 가운데 한 사람이 세균의 몫에 해당한다고 볼 수 있다. 그 한 사람이 사람들의 눈에 쉽게 드러나겠는가? 아무리 눈을 밝히고 찾는다 하더라도 쉽게 찾을 수 없는 일이다.



바이러스는 죽었을까 살았을까

이렇게 크기가 작은 미생물이라 하더라도 한 생명체로 살아가려면 생장과 증식, 변이라는 생명체로서의 특징을 지녀야 한다. 미생물 가운데 세균은 이 세 가지 특성을 모두 지니고 있으므로 완전한 생명체이다. 세균과 바이러스 모두가 같은 미생물이라고 생각한다면 ‘그게 그것 아닌가?’라고 생각할 수도 있겠지만, 실제로 생장을 하지 못하는 바이러스는 마치 무생물로 보이기도 한다. 세균과 바이러스를 ‘세균’과 ‘병독’이라는 말로 바꿔 놓으면, 서로를 구별할 수 있는 어떤 느낌이 다가오는 듯도 하다. ‘균’과 ‘독’이라는 말의 뜻을 조금만 깊이 생각해 본다면 ‘생명체’와 ‘물질’이라는 의미가 살며시 우러나온다.


그렇다. 완전한 생명체로 꼽히는 세균이 살아가기 위해서는 양분은 물론 알맞은 온도와 pH(수소 이온 농도)가 확보되어야 한다. 다시 말하면 세균은 우리처럼 밥을 먹고 키가 자라며, 결혼하여 자식을 낳고 지역과 사회에 봉사하며 살고 있다. 이는 세균이 완전한 생명체이기에 비로소 가능한 일이다. 그런데 바이러스는 먹이를 먹지 않는다는 점에서 세균과 아주 다르다. 따라서 바이러스는 시간이 지나더라도 몸집이 커지지 않는다. 현대자동차 아반떼가 3년 후에 그랜저나 제네시스로 바뀌지 않는 것과 같다. 자동차는 누가 뭐래도 무생물이기에 휘발유라는 먹이를 먹는다 하더라도 자랄 수가 없다.


아니, 그렇다면 바이러스는 죽었다는 말인가? 여기서 ‘죽었나, 살았나?’라는 질문은 잠시 접어 두고 조금만 더 생각해 보자. 바이러스는 희한하게도 자신과 똑같은 후손을 아주 많이 만들어 낼 수 있다. 다만 이는 바이러스가 살아 있는 숙주 세포에 들어가야만 가능하다. 경우에 따라서는 더욱 험한 세상에서도 살아남을 수 있는 똑똑한 바이러스 후손들이 태어나기도 한다. 이렇게 바이러스는 생장은 하지 않더라도 증식과 변이라는 생명체로서의 나머지 특징을 가진다. 그래서 사람들은 바이러스를 일컬어 “살아 있는 유전 물질”이라고 조금은 긴 표현을 쓰기도 한다. 이런 바이러스가 생명체로서 한몫을 한다는 사실이 정말로 대단해 보인다.


생명체가 나타내는 생명의 활성을 보면, 생명체의 크기가 반드시 중요하지는 않다고 말할 수 있다. 눈에 보이는 생물이나, 우리 눈으로 볼 수 없는 미생물이나 살아가는 현상은 따지고 보면 근본적으로 같기 때문이다.


바이러스가 생물의 몸을 구성하는 세포 안과 밖으로 들고 날 때에는 바이러스의 크기에 따라 흔적을 남기거나 경우에 따라서는 전혀 흔적을 남기지 않을 수도 있다. 흔적을 남기지 않는다는 말은 바이러스가 상당수 세포 속으로 들어간다 하더라도 세포가 안으로 들어간 바이러스 입자들의 부피만큼 부풀어 오르지도, 그리고 물론 터지지도 않는다는 뜻이다. 바이러스가 세포에 비해 표시조차 나지 않을 정도로 작기 때문이다. 만약에 세포가 부풀어 오를 만큼 바이러스 입자가 크다면, 바이러스가 세포에 직접적으로 피해를 주어서 세포가 파괴되고 말 것이다. 바이러스가 세포 안에서 어마어마한 숫자로 증식한 후에 세포를 부수고 나오게 되면 비로소 사람들은 바이러스가 가까이 있다고 느낀다.



이제까지 밝혀진 가장 작은 미생물, 바이로이드

이제까지 알려진 바이러스 가운데 가장 작은 것은 세균에 기생하는 MS2라는 박테리오파지(bacteriophage)이다. 박테리오파지 MS2는 핵산으로 외가닥의 RNA를 지니며, RNA 염기 약 3,600개로 구성되었다는 사실이 바이러스 가운데 가장 먼저 밝혀졌다. 물론 박테리오파지 MS2는 바이러스이기에 외피단백질이 핵산을 둘러싸고 있는 것은 두말할 나위가 없다. 그런데 바이러스와 성질이 비슷하면서도 외피단백질이 없는 식물 병원체가 알려졌다. 외가닥의 RNA를 지닌 점은 바이러스와 같지만 외피단백질이 없는 것은 물론 어떤 단백질도 만들어 내지 않는다. 더욱 흥미로운 것은 RNA 염기 300~380개로만 구성되었다는 점이다. 그런데도 바이러스와 비슷한 점이 많아 이것을 바이로이드(viroid)라고 부른다.


테리오파지 MS2의 캡시드 구조를 형상화한 이미지. ⓒ Naranson


감자걀쭉병의 원인을 연구하다 최초로 바이로이드를 발견하고 명명한 식물 병리학자 테오도르 오토 디너(Theodor Otto Diener). 위키피디아에서.


감자걀쭉병(potato spindle tuber viroid, PSTVd)의 증상을 보이는 감자들. William M. Brown Jr., Bugwood.org


바이로이드야말로 이제까지 밝혀진 가장 작은 미생물이라고 말할 수 있다. 핵산 염기의 수를 비교하더라도 가장 작은 바이러스의 10분의 1 정도에 불과하기 때문이다. 따지고 본다면 바이로이드 역시 바이러스와 같이 생명체로서의 특성이 있다. 바이로이드의 존재가 알려진 것은 불과 30여 년 전의 일이다. 당시에는 바이로이드라는 말이 없었기에 그냥 “전염성이 있는 저분자량의 RNA”라고 불렀다. 이는 바이러스를 바이러스라 부르기 이전에 “액성 전염 물질(Contagium vivum fluidum)”이라고 불렀던 것을 기억나게 한다. 크기가 바이러스 핵산의 10분의 1도 채 안 되는 바이로이드 RNA가 독자적인 증식 체계를 갖추고 더 나아가 변이까지 일으킨다는 사실은 우리를 새삼스레 놀라게 만든다. 그리고 도대체 얼마나 작은 크기의 생명체가 앞으로도 나타날 것일까 하는 궁금증을 갖게 한다.



생물과 무생물의 경계에서

더욱 놀라운 것으로는 아직 성질이 완전히 알려지지는 않은 광우병(狂牛病)의 병원체를 꼽을 수 있다. 이것은 단백질의 성질을 나타내기에 프리온(prion)이라는 이름이 붙었는데, 이전까지 알려진 병원체와는 전혀 다른 성질을 지닌 것으로 드러났다. 바이러스나 바이로이드로 이뤄진 병원체들은 숙주 속에 침투한 다음 자신이 가진 유전 물질을 이용해 증식을 한다. 지금까지 알려진 바에 따르면, 프리온은 RNA 같은 유전 물질을 갖고 있지 않다. 스스로 같은 단백질을 만들어 증식하기보다는 오히려 정상 단백질을 프리온이라는 변형 단백질로 바꾸어 정상적인 단백질 역할을 제대로 못 하게 만들고 결국에는 숙주를 소멸시킨다. 이는 특정 단백질이 유전 물질을 이용해 스스로 증식하지 않더라도 변형된 단백질의 수를 늘릴 수 있음을 뜻한다. 이 메커니즘이 정확히 밝혀진다면 프리온을 하나의 병원체라고 정의하게 될 것이다. 


프리온에 감염된 쥐의 신경세포. 붉은 부분이 프리온이다. ⓒ NIAID


생명을 ‘복제자’라고 정의한다면 프리온 같은 단백질 덩어리도 넓은 의미에서 하나의 생명체라고 볼 수 있다. 그렇다면 생명의 경계는 어디일까? 프리온보다 작지만 나름 커다란 분자들이 잔뜩 있다. 그들은 활발하게 움직이며 다른 분자와 상호 작용한다. 이 세계에서는 우리가 한번도 연구해 본 적 없는 수많은 메커니즘들이 작용하고 있을 것이다. 이중에 어떤 것이 생명 현상이고, 아니고를 구별할 수 있을까? 아니면 우리가 생명의 정의를 바꾸어야 할까? 그 밖에도 이제까지 우리가 본 적이 없던 많은 미시의 세계가 우리 눈에 보일 듯 말 듯 하다.




이재열

서울 대학교 농생물학과를 졸업하고 독일 기센 대학교에서 바이러스에 관한 연구로 박사 학위를 받았다. 독일 막스 플랑크 생화학 연구소에서 박사 후 과정을 마치고 경북 대학교 생명 과학부 교수로 근무했다. 현재 명예 교수로 활동하고 있다. 모두들 어렵다고 말하는 과학에 대해 알기 쉽게 풀어 설명하려고 노력하고 있다. 『보이지 않는 권력자』, 『바이러스는 과연 적인가?』, 『보이지 않는 보물』, 『바이러스, 삶과 죽음 사이』, 『미생물의 세계』, 『우리 몸 미생물 이야기』, 『자연의 지배자들』, 『자연을 닮은 생명 이야기』, 『담장 속의 과학』, 『불상에서 걸어나온 사자』, 『토기: 내 마음의 그릇』 등의 책을 펴냈다.



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