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C. elegans(예쁜꼬마선충)
 과학자들에게 널리 받아들여지고 있는 상식을 뒤집고 벌레가 기는 것과 헤엄치는 것이 똑같은 하나의 동작이라는 새로운 연구가 나왔다고 라이브 사이언스 닷컴이 보도했다. 영국 리즈대학 연구진은 길이 1㎜에 불과한 예쁜꼬마선충의 움직임을 실험실 작업과 컴퓨터 시뮬레이션으로 관찰한 결과 이런 결론을 얻었다고 밝혔다. 예쁜꼬마선충은 게놈 지도가 완성된 최초의 동물로 많은 유전자가 사람과 일치하기 때문에 과학자들은 생명체의 기본 요소들을 이해하는 적합한 모델로 여기고 있다. 실제로 사람 두뇌의 기원은 벌레의 중추신경계로 거슬러 올라간다는 지난 2007년 연구도 나와 있다. 예쁜꼬마선충은 뇌가 없고 302개의 신경세포로 구성된 매우 작은 신경계를 갖고 있지만 먹이 찾기와 학습, 기억, 심지어 사회적 행동에 이르는 광범위한 행동을 보이고 있어 학자들은 동물종 가운데 최초로 이 벌레의 모든 것을 이해할 날이 올 것으로 기대하고 있다. 연구진은 "우리의 발견은 다양한 환경에서 기능하는 선충의 기능을 연구하는 것이 중요함을 말해준다. 선충의 신경계와 각각의 유전자가 맡은 특정 기능은 다양한 환경에서 더욱 분명히 드러난다"고 밝혔다. 예쁜꼬마선충은 진흙탕이나 마른 땅의 축축한 겉부분, 썩은 과일 속 등 다양한 환경을 자연 서식지로 삼고 있는데 각 환경에서 보이는 헤엄치기와 기기 동작이 너무도 달라 학자들은 이를 말의 질주 동작과 속보 동작처럼 완전히 다른 동작으로 간주해 왔다. 연구진은 "이처럼 단순한 신경계가 어떻게 그처럼 다른 동작을 보이다가 갑자기 다른 동작으로 전환할 수 있는지 의문을 가져왔다"면서 "이 발견은 모든 범위의 행동을 처음으로 통일되게 설명한 것으로 앞으로 이 선충의 모델작업을 더욱 쉽게 해 줄 것으로 기대한다"고 말했다.
생물학의 진수는 생명의 신비 앞에 항복하는 것이 아니다. 다만 그것을 정복하는 것이다. 복잡한 생명체는 어디서부터 손을 대야 할지 알 수 없는 밀린 청소와 같다. 따라서 과학자들은 복잡한 현상에 맞닥뜨렸을 때 몇 가지 무기를 사용한다. 가장 대표적인 과학자들의 무기는 “단순화 simplification”라는 도구다. 복잡한 현상을 단순화하는 몇 가지 방법이 존재한다. 원하지 않는 변수를 모두 제거한 모델을 만드는 것이 그 한 가지 방법이다. 부분을 파헤쳐 전체를 알아가는 방법도 있다. 흔히 “나눠서 정복하기(divide and conquer)”라고 한다. 환원주의(reductionism)라는 말이 이러한 과학적 연구방법을 통칭하고 있지만 과학에서 방법론적 환원주의는 피할 수 없는 선택이다. 가장 단순한 시스템을 알 수 없다면 가장 복잡한 것도 알 수 없다. 과학자들이 전체론적 현상을 설명하고 싶어하지 않는 것은 아니다. 자연 전체를 설명하기 위해선 그들이 다룰 수 있는 간단한 시스템이 필요할 뿐이다. 따라서 전일주의(holism)적 과학과 환원주의적 과학을 나눈다는 것 자체가 어불성설이다. 분자생물학의 환원주의에 관한 많은 형이상학적 논의들이 존재하지만 대부분이 공론에 불과하다. C. elegans(예쁜꼬마선충)의 연구는 그것이 왜 공론에 불과한지를 보여주는 가장 좋은 예일 것이다.
예쁜꼬마선충은 959개의 세포로 이루어진 1mm 정도 되는 다세포생물이다. 알에서 성체가 되기까지 걸리는 기간은 20℃에서 대략 3.5일 정도이다. 수컷이 존재하지만 대부분 자웅동체이며 자웅동체인 성체는 평생 320개의 정자와 1000개 이상의 난자를 생산하기 때문에 한 마리의 성체가 320마리의 자손을 낳을 수 있다.
꼬마선충의 유전체는 1998년 다세포생물 중 가장 먼저 해독됐다. 게놈프로젝트 결과 꼬마선충은 9700만 쌍의 염기서열을 가지고 있고, 1만9천 개 이상의 유전자를 지니고 있음이 밝혀졌다. 사람의 유전자 수가 2만 5천 개 내외로 추산되고 있으니 이 조그만 벌레는 상당히 많은 유전자를 지니고 있는 셈이다. 예쁜꼬마선충은 토양 세균을 먹고 사는데 실험실에서는 대장균을 먹인다. 몸이 투명하기 때문에 현미경을 이용해서 자세한 관찰이 용이하고, 유지가 매우 쉬우며 많은 수의 자손을 매우 빠른 시간에 얻을 수 있다. 이러한 특징은 대부분의 유전학적 모델동물들이 공유하는 것이다. 꼬마선충이 모델동물로 사용되던 최초의 시기에는 많은 비판들이 있었다. 이미 초파리라는 잘 정립된 시스템이 있었던 데다가 그냥 조그만 튜브같이 생긴 벌레를 가지고 복잡한 행동이나 신경생물학적 연구를 한다는 것 자체가 의문이었기 때문이다.
하지만 959개의 세포 중 3분의 1인 300여 개의 세포가 신경세포로 알려지고 많은 행동학적 돌연변이와 신경계 돌연변이가 밝혀지면서 이러한 비판은 줄어들기 시작했다. 여전히 어떤 생물학자들은 “벌레는 벌레일 뿐이라”고 말하지만 설스턴 같은 과학자는 “벌레는 작은 인간”이라고 말한다. 벌레에 존재하는 유전자의 40%가 인간에도 존재하기 때문이다. 사실 벌레로 연구하고 있는 분야의 광범위함을 보면 “벌레 같은”이라는 표현을 주저하게 될지도 모른다. 먼저 브레너와 설스턴, 호비츠에게 노벨상을 안겨 준 세포사멸(programmed cell death) 연구가 선충으로부터 시작됐다. 세포사멸연구는 발생뿐 아니라 노화 및 암 연구에도 매우 중요한 기반이 된다. 여러분의 손가락이 세포사멸이라는 현상 없이 5개가 될 수 없다고 말하면 조금 쉽게 이해가 갈 듯싶다. 무려 3분의 1의 세포를 신경세포로 가진 동물인지라 대부분의 꼬마선충 연구자들은 신경생물학자들이다. 브레너가 꼬마선충을 선택한 이유도 신경생물학을 연구하고 싶었기 때문이다. 벌레의 근육은 인간과 거의 유사한 구조로 돼 있다. 근육 연구도 벌레를 통해 인간에 직접 적용할 수 있는 연구 중 하나다
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다프-투(DAF-2)라 부르는 선충이 있다. 이 선충의 유전자에 상처를 내면 선충은 야생의 선충보다 수명이 2배나 길어진다.
다프-투(DAF-2)는, 생물에 있어서 중요한 호르몬인 인슐린을 감지(感知)하는 인슐린-수용체를 만드는 유전자에 상처를 입히면, 인슐린 수용체가 만들어지지 않게 된다. 그러면 인슐린이 나와도 이것을 감지(感知)하여 받아들이는 수용체가 없어, 인슐린이 작용하지 못하는 것이다. 만약 인체에서 인슐린 수용체가 만들어지지 못하면, 인슐린은 신체 내에서 기능하지 못하는 것은 당연하다 할것이다. 사람의 인슐린이 신체 내에서 기능하지 못하면, 혈액 속에 있는 당(糖)이 세포내로 들어가지 못해, 혈액은 당(糖)이 축적되어 당뇨병이 된다. 선충의 인슐린은, 사람의 인슐린과 아주 유사(類似)하지만, 똑 같지는 않아 “인슐린 같은 물질”이라고 부르고 있다.
실(實)은 인슐린 수용체가 정상적으로 기능하지 않는 “타프-투(DAF-2) 선충”은, 당뇨병에 걸리지 않아 수명이 연장된다. 이것을 다시 설명하자면 먼저 선충이 당뇨병에 걸리지 않는 것은, 선충에는 간장(肝臟)도 췌장(膵臟)도 없어, 원래부터 당뇨병에 걸리지 않는 신체이기 때문이다. 췌장과 간장은, 생명진화의 과정에서 왕성하게 살아온 생물(生物)이 획득한 것으로 선충 같은 하등(下等)한 생물에는 없다. 이 의미(意味)는 질병과 선충의 수명은 관계가 없다는 것이다.
그럼 인슐린 수용체가 작용하지 않은데 왜 수명이 연장된다는 것일까?
실제로는 인슐린 수용체가 정상적으로 작동하지 않는 선충은, 주위에 있는 영양성분을 감지하는 능력도 없다. 따라서 주위의 영양(먹이)성분이 많이 있어도, 없다고 판단하여 기아상태에 빠져, 자기스스로 ‘이코노미-모터“로 들어가 버린다. 선충의 경우, 저온(低溫)에 둔다거나, 저(低)영양 상태로 두어두면, “내성유충”이라는 형태로 변태(變態)한다. 내성유충이 되면, 별로 움직이지 않고, 신체도 직선적으로 되며, 생명활동도 극단적으로 억제(抑制)된다. 생명활동을 정지(停止)하지는 않지만, 소위 동면상태에 들어간 것이다. 이 상태로 저온, 저(低)영양 상태를 견디며, 온도가 상온으로 되거나, 영양상태가 좋아지기를 기다린다.
즉 “다프-투(DAF-2) 선충”은 인슐린 수용체가 기능하지 않기 때문에, 영양성분(먹이)이 없다고 판단하여 “동면상태‘가 되고, 생명활동도 억제되어 수명(壽命)이 2배로 연장되는 것이다. 선충의 수명을 2배로 늘이는데 인슐린 수용체의 유전자에 상처를 입혀, 자동으로 배가곺아 굶주리게 하면된다.
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