단백질 발견의 역사
단백질은 아미노산이라고 불리는 작은 단위로 만들어진 큰 분자입니다. 이렇게 여러 가지 방법으로 결합하여 단백질을 만드는 아미노산은 20가지가 있습니다. 아미노산의 순서와 배열에 따라 각 단백질은 독특한 모양과 기능을 가지고 있습니다. 단백질이라는 단어는 "일차적으로 중요한"을 의미하는 그리스 단어 "Proteios"에서 유래되었는데, 이것은 단백질이 살아있는 유기체라는 중요한 단서입니다. 하지만 단백질의 존재는 19세기가 되어서야 알려졌습니다. 단백질을 최초로 기술한 사람은 1838년 네덜란드의 화학자 Geradus Johannes Mulder입니다. 그는 달걀흰자, 고기, 치즈 등 다양한 유기물질의 조성을 분석한 결과, 모두 비슷한 화학공식을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 그는 이 물질을 "단백질"이라고 불렀지만, 그 구조나 기능은 알지 못했습니다. 유기화학이라는 용어를 만든 스웨덴의 화학자 Jons Jakob Berzelius는 Mulder의 발견을 확인하고 그를 단백질의 발견자로 명명했습니다. 그러나 그 역시 단백질의 실체를 알지 못했습니다. 그는 쉽게 분해되어 합성될 수 있는 단순한 화합물이라고 생각했습니다. 20세기가 되어서야 단백질의 복잡성과 다양성이 드러났습니다. 1902년 독일의 화학자 Hermann Emil Fischer는 단백질이 아미노산으로 만들어졌다는 것을 보여주었고, 그는 이것을 단백질의 "Building stone"이라고 불렀습니다. 그는 또한 실험실에서 몇 가지 아미노산을 합성하여 그것들이 살아있는 유기체에만 있는 것이 아님을 증명했습니다. 1910년에 미국의 생화학자 John Howard Northrop은 돼지의 위에서 최초의 순수한 단백질인 펩신 효소를 분리했습니다. 그는 단백질이 단순한 화합물이 아니라 특정한 촉매 활성을 가진 복잡한 거대분자라는 것을 보여주었습니다. 또한 그는 단백질이 결정화될 수 있다는 것을 보여주었고, 이것은 그들의 구조에 대한 추가적인 연구의 길을 열었습니다. 1953년에 영국의 생물 물리학자 John Cowdery Kendrew와 Max Perutz는 X선 결정학을 이용하여 산소를 운반하는 분자 헤모글로빈이라는 단백질의 최초의 3차원 구조를 결정했습니다. 그들은 단백질이 그들의 기능을 결정하는 정확하고 복잡한 모양을 가지고 있다는 것을 보여주었습니다.
생체 내에서 단백질의 중요성
단백질이 발견된 이래로 많은 과학자들이 단백질 연구의 발전에 기여해 왔습니다. 1958년에 혈당을 조절하는 호르몬인 인슐린의 아미노산 서열이 밝혀지면서 단백질의 구조와 기능을 이해하는 데 중요한 역할을 했습니다. 오랜 시간동안 단백질과 관련된 연구가 본격적으로 시작하였고, 1990년대에 약 20,000개의 단백질 코딩 유전자를 포함하는 전체 인간 게놈의 염기서열을 밝히는 것을 목표로 인간 게놈 프로젝트(HGP)가 시작되었습니다. 그 프로젝트는 전 세계의 수천 명의 과학자들이 참여했고 완성하는데 13년이 걸렸습니다. 단백질에 대한 우리의 이해가 깊어질수록 복잡한 세포의 기계에서 그들의 필수 불가결한 역할이 점점 더 분명해졌습니다. 단백질, 특히 효소는 세포 내에서 생화학적 반응을 일으키는 촉매제로 등장했습니다. 락 앤 키 모델은 효소가 우리 위에서 음식물을 소화시키는 것부터 세포 내에서 필수 분자의 합성을 촉진하는 것까지 어떻게 화학적 변환을 촉진하는지 이해하는 데 그 실용성을 발견했습니다. 단백질은 촉매 역할을 넘어 세포와 조직의 구조적 통합에 기여합니다. 구상 단백질은 세포 형태와 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 하고, 콜라겐과 같은 섬유 단백질은 피부와 뼈, 결합 조직의 기초가 됩니다. 구조 단백질의 복잡한 생명체 내의 환경을 유기적으로 조율하는 역할을 합니다. 세포 내에서 다양한 과정을 조절하는 신호를 전달하는 메신저 역할을 하면서 중요한 분자로 자리 잡고 있습니다. 예를 들어 호르몬은 신호를 보내는 단백질로 성장과 발달에서 신진대사에 이르기까지 다양한 활동을 조율합니다. 이러한 신호 전달 경로를 이해하는 것은 의학에 지대한 영향을 미치며, 질병에 대한 통찰력과 잠재적인 치료 개입을 제공합니다.
단백질의 활용
단백질은 우리의 생리학과 병리학의 모든 면에 관여하기 때문에, 단백질 연구는 우리의 건강과 복지에 중요합니다. 단백질을 연구함으로써, 우리는 우리의 몸이 어떻게 작동하고 어떻게 그것들이 오작동을 일으키는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 우리는 또한 단백질에 의해 발생하거나 영향을 미치는 질병을 진단, 치료, 예방하는 새로운 방법을 개발할 수 있습니다. 바이러스나 박테리아와 같은 전염병과 싸우기 위해 우리의 면역 체계를 자극하는 단백질인 백신의 개발. 백신은 수백만 명의 목숨을 구했고 천연두와 소아마비와 같은 질병을 치료했으며, 몸이 인슐린을 제대로 생산하거나 사용할 수 없는 상태인 당뇨병을 치료하기 위해 단백질인 합성 인슐린을 주사하는 인슐린 치료법이 개발되기도 했습니다. 인슐린은 수백만 명의 당뇨병 환자들이 더 오래 건강하게 살 수 있도록 해주었습니다. 단일클론항체는 암세포나 병원체 등 특정 표적에 결합해 이를 중화하거나 면역체계에 의해 파괴되는 것으로 표시할 수 있는 단백질입니다. 단일클론항체는 면역체계를 이용해 질병과 싸우는 면역치료 분야에 혁명을 일으켰습니다. 블록버스터라고 하는 항체치료제는 모두 단백질로 이루어진 치료제 입니다. 또한, 단백질을 암호화하는 유전자를 세포에 전달해 기능을 교정하거나 강화하는 유전자 치료법이 개발되고 있습니다. 유전자 치료법은 낭포성 섬유증, 혈우병과 같은 유전병과 암, HIV와 같은 후천성 질환을 치료할 수 있습니다. 단백질을 활용한 복합적인 연구를 프로테오믹스라고 하는데, 이는 세포, 조직, 유기체 안에 있는 전체 단백질 집합을 연구하는 학문입니다. 프로테오믹스는 단백질의 상호작용, 변형, 기능뿐만 아니라 다양한 조건에 대한 반응 변화를 밝힐 수 있고, 질병의 존재 또는 진행을 나타낼 수 있는 단백질인 바이오마커도 식별할 수 있습니다. 단백질 연구의 성과는 여러 면에서 우리의 건강을 향상하며, 앞으로 중요한 연구 분야 중 하나입니다.