1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

생명체의 신경계는 신경세포로 구성되는데, 신경세포는 서로 정보를 전달하면서 network을 이루고 있습니다. 그 이유로 신경계에 대한 이해와 연구가 어려운 것이지요. 신경세포가 서로 정보를 전달하는 과정 (synaptic transmission)에서 중요한 부분이 vesicle fusion입니다. 신경전달물질이 담겨져 있는 vesicle이 presynapse 에서 세포막과 융합하게 되고, 궁극적으로는 분비된 신경전달물질이 postsynapse의 수용체를 자극 하게 되는 것입니다. 그리고 calcium이 vesicle fusion의 triggering factor라는 사실은 잘 알려져 있습니다. 이러한 신경전달물질을 통해 수 많은 신경세포는 서로 신호를 전달하면서 network을 형성하고 있습니다.

제가 수행한 실험은 vesicle fusion의 분자적인 기작을 연구하기 위해 vesicle fusion을 in vitro에서 구현하는 것입니다 (reconstitution of vesicle fusion in vitro). 지금까지 많은 관련 논문이 있지만, 대부분 인위적인 조건에서만 행해진 것이라서 해결하지 못한 점들이 많았습니다. 대표적인 예가 calcium이 in vitro에서 vesicle fusion을 증가시키지 못하는 것이지요. 물론 소수의 논문들이 calcium효과를 보고하였지만 인위적인 조건에서만 가능합니다; 예를 들어, calcium sensor인 synaptotagmin의 full-length가 아닌 C2AB domain fragment만 사용, non-physiological mM range의 calcium 사용, calcium 자극 전에 preincubation을 시켜야만 함, 그리고 synaptotagmin을 주입한 liposome의 anionic phospholipid 없거나 양이 지나치게 낮은 경우 등. 일반적인 조건에서는 calcium이 in vitro에서 vesicle fusion을 줄이거나 효과가 거의 없다는 것이 정설입니다. 이런 문제로 인해 in vitro 연구가 in vivo 연구를 하는 신경학자들로 부터 많은 공격을 받아 왔습니다.

위와 같은 인위적인 문제점을 극복하기 위해 저는 기존의 liposome 대신 native vesicle을 분리해서 사용하였고, 처음으로 calcium-dependent fusion in vitro구현에 성공했습니다. 흥미롭게도 calcium이 vesicle fusion을 유도하기 위해서는 에너지원으로 사용되는 ATP의 electrostatic effect가 필수적임을 처음으로 발견했습니다. ATP가 없는 상황에서는 calcium 과 결합한 synaptotagmin이 vesicle membrane에 결합합니다 (back binding). 이 이유로 in vitro에서는 calcium 효과가 없는 것이지요. 놀랍게도, ATP가 synaptotagmin의 back binding을 억제하고 PIP2를 가지고 있는 target membrane에만 결합하도록 유도하는 것입니다. 즉, ATP 존재하는 상황에서만 synaptotagmin이 calcium에 의해 일어나는 vesicle fusion을 유도할 수 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

독일의 막스플랑크 연구소 (Max Planck Institutes)의 역사는 1911년으로 거슬러 올라갑니다. Kaiser Wilhelm Society라는 이름의 연구소로 시작되었습니다. 비스마르크에 의해 통일된 이후 독일은 프랑스와의 전쟁에서도 승리하며 국력을 키우기 시작했고, 그 과정에서 Kaiser Wilhelm Institutes는 독일의 기초과학을 책임지게 됩니다. 우리가 잘 아는 알버트 아인슈타인도 이 연구소에서 미국으로 망명하기 전 (1932년) 까지 18년간을 director로 있을 정도로 수준 높은 연구소였습니다. 독일은 두 번의 세계전쟁을 일으키게 되는데, 사실 이곳에서 연구한 기술들이 적잖은 도움(?)이 되었다 해도 과언은 아닙니다. 대표적인 예가 프리츠 하버(Fritz Haber, 1868~1934)인데요, 질소와 수소의 촉매반응을 통해 암모니아를 합성하는 기술로 1918년 노벨화학상을 수상합니다. 이로 인해 질소를 보정하는 질소비료가 농작물 수확률을 폭발적으로 증가시킵니다. 이것이 바로 녹색혁명이지요. 굶주림을 운명이라 여기던 과거에서, 인구증가에도 불구하고 음식이 남아 도는 현재의 기적을 만들어 낸 장본인입니다. 인류를 가난에서 구해준 사람이기에 인류역사상 위대한 과학자 중 한명임에 틀림없지요. 그런데, 그가 만든 질소 독가스는 1차 세계대전 중 700만명의 사람을 죽게 만들고, 2차 세계대전에서도 화학전에 사용됩니다. 그 이유로 그는 화학전의 아버지로 불리지요. 그가 죽기 전 까지 나치와 동조해 수행한 모든 일들이 이곳 Kaiser Wilhelm Institutes에서 이룩한 것들입니다.

1948년에 Kaiser Wilhelm Institutes는 현재의 Max Planck Institutes로 개명하여 지금에 이르게 됩니다. 2001년에 Max Planck Institutes 지도자들은 (German scientists say sorry)라는 사과문을 발표합니다. 나치에 동조한 독일 과학자들의 잘못을 인정하고 반성하는 내용이었지요.

현재 Max Planck Institutes는 80여개의 연구기관이 독일 여러 도시에 퍼져있습니다. 제가 있는 곳은 G?ttingen에 위치한 Max Planck Institute for Biophysical Chemistry인데요, 광학, 화학, 물리학을 생물학에 응용하는 학제간 연구가 특히 발달한 곳입니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

처음엔 제 결과에 반신반의 하는 지도교수와 랩 멤버들 때문에 맘 고생을 했습니다. 하지만 너무나 분명한 결과였고 이후 많은 추가 실험에서도 부인할 수 없는 증거들이 이어졌습니다. 흥미롭게도 이전에 세포 수준의 실험에서 ATP가 calcium-dependent vesicle fusion에 필요하다는 결과가 이 실험실에서 나왔는데, 그 때 까지는 결과를 설명할 수 없었습니다. 저의 in vitro 결과가 in vivo 현상을 분자수준에서 설명하게 된 것입니다.

제가 논문을 투고할 무렵, 지도교수인 Jahn 교수님이 저에게 했던 말이 기억납니다. ``I had never thought that it would make sense, but now I am quite convinced.´´

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

i) 학제간 연구의 중요성. 저는 한국에서 박사과정 동안 cell biology, electrophysiology methods사용하여 vesicle fusion을 연구했었고, 포닥인 지금은 biochemical, biophysical methods 이용하여 vesicle fusion을 연구하고 있습니다. 지금까지 in vitro vesicle fusion 실험에서 ATP를 사용한 적은 없습니다. 왜냐하면 ATP가 calcium-dependent vesicle fusion 과정에 필요없기 때문입니다. 저도 처음엔 기존 연구를 따라 반복하다가 calcium 효과를 관찰하지 못했습니다. 그런데, 저의 in vivo 관련 지식이 문제 해결에 도움이 되었습니다.

ii) 휴지통을 잘 뒤지면 보물을 찾습니다. 실험결과가 가설과 다르거나 원하지 않는 것이라 해도 실험노트에 잘 정리해 두면, 당장 지금은 필요없거나 내가 설정한 가설과 반 할 수도 있지만 몇 년이 지난 후엔 보물로 둔갑하는 경우가 있습니다. 이번 논문도 사실은 버린 데이터에서 시작 된 것이고, 진행 하고 있는 다른 프로젝트 역시 2년 전에 잘못 된 것이라 생각하고 휴지통에 버린 것입니다. 하지만 시간이 흘러 기존엔 생각지 못했던 가설을 세우게 되고 이전에 잘못된 결과라 치부해 버리며 버렸던 결과가 그 가설을 뒷바침하는 것을 경험합니다. 재미있게도 이런 결과들이 impact 큰 것들이 많습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

Vesicle fusion에서 중요한 연구 주제 중 하나가 SNARE clamping 가설입니다. Basal condition에서 어떻게 vesicle fusion이 억제 되어 있다가 calcium에 의해 fusion이 일어나는지에 대한 질문인데요, 기존에 complexin이라는 단백질이 clamping factor로 알려져 있습니다. 하지만 저는 이 가설이 완전히 허구임을 발견했고 다분히 정치적인 힘에 의해 이루어진 것임을 보았습니다. Clamping hypothesis에 대한 새로운 결과를 얻었고 기존의 가설이 갖는 문제점을 보여줄 계획입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

먼저, 이 기회를 통해 하나님께 감사를 드리고 싶습니다. 이 논문은 하나님께서 주신 지혜로 쓸 수 있었습니다. 하나님의 은혜를 더욱 깊이 체험할 수 있는 시간이었지요. 과학자가 무슨 하나님을 믿느냐고 의아해 할 수 있을 것입니다. 그런데 인간은 영적인 존재입니다. 저는 생물학자로서 단언컨데, 지구에 존재하는 생명체 중에서 영을 가지고 있는 존재는 인간이 유일합니다. 그래서 인간만이 종교를 가지고 있는 것이지요. 그 영적인 세계에서 하나님이 창조주입니다. 이 글을 읽는 많은 분들에게 영의 세계가 분명히 존재함을 말하고 싶고, 하나님이 창조주임을 강조하고 싶습니다.

지금까지 많은 분들에게 은혜를 입었습니다. 과학자의 길로 인도해 주신 한동대 교수님들, 포항공대 김경태 교수님, 전기생리학을 가르쳐 주신 고득수 교수님에게도 감사를 드립니다. Biochemical, biophysical 기법을 통해 새로이 vesicle fusion을 이해할 수 있도록 도와 주신 Jahn 교수님께도 감사합니다.

항상 기도로 저를 후원해 주시는 부모님, 동생 인자, 그리고 장인어르신과 장모님께 감사를 드립니다. 마지막으로 아내 혜린이를 비롯한 우리 아이들에게 고맙다는 말을 전하고 싶습니다. 가끔 ´아빠는 뭐하는 사람이야?`라고 물어보는 5살 된 아들 훈이에게 `아빤 뽀로로에 나오는 에디처럼 과학자야´라고 대답을 했는데요, 아들이 언제가 에디처럼 과학자가 되길 바라는 마음에서 저의 논문을 아들에게 자랑스럽게 보여주고 싶습니다.