“단백질은 이제 모두의 필수 상식이다!” 알파폴드, 위고비, 치매 치료, 항체 의약품… 단백질은 지금 어떤 미래를 열어가고 있는가? “단백질 하면 머릿속에 무엇이 떠오르는가?” 『단백질 혁명』은 이 질문으로 시작한다. 대부분 고기, 근육, 단백질 음료를 첫 번째로 떠올릴 것이다. 단백질에 관한 우리의 지식은, 이처럼 몸에 필요한 영양소라는 사실 정도에 그친다. 그러나 단백질은 생명과 건강에 직결된 가장 중요한 생체 분자다. 뼈와 피부, 근육은 물론 몸에서 일어나는 다양한 화학 반응을 도와주는 효소, 면역 시스템에서 질병과 싸우는 항체, 몸을 조절하는 호르몬 등이 모두 단백질로 이뤄져 있다. 현재 과학계는 인간 생로병사의 비밀을 풀 열쇠로 단백질에 주목하고 있다. 최근 25년 사이 노벨 화학상 수상의 약 40퍼센트가 단백질 관련 연구였으며, 2024년 노벨 화학상 역시 ‘단백질 구조 분석 인공지능’ 분야 연구자들에게 돌아갔다. 뿐만 아니라 단백질은 ‘기적의 다이어트약’이라 불리는 위고비와 오젬픽을 비롯해 질병 치료의 혁신을 이끌고 있다. 단백질이라는 작은 분자가 세상을 바꾸고 있는 것이다. 바이오 분야의 세계적 석학인 김성훈 교수가 『단백질 혁명』을 집필한 이유가 여기에 있다. 그는 암, 면역, 대사질환 등에 관여하는 각종 신기능 단백질을 발굴했고, 세계적 과학 학술지 《셀》 《사이언스》 등에 270여 편의 논문을 게재했다. 단백질 연구에 평생을 쏟은 그는 이 책에서 단백질이 세상을 어떻게 바꿔나가고 있는지, 얼마나 무궁무진한 가능성을 지니고 있는지 탐구한다. 단백질에 대한 이해는 이제 과학자들만의 몫이 아니다. 이 시대를 살아가는 우리 모두가 함께 탐구해야 할 지식이자, 더 나은 미래를 위해 공유해야 할 교양이다. 『단백질 혁명』을 통해 독자들은 단백질의 놀라운 비밀은 물론 바이오 시대의 현재와 미래를 짚어볼 수 있을 것이다.

저자 : 김성훈 ‘인간 생로병사의 비밀은 무엇일까, 불로불사의 약은 가능할까?’ 어린 시절부터 품었던 궁금증을 좇아 생명 현상을 연구하는 삶을 살기로 결심했다. 서울대학교에서 약학을, 카이스트에서 생명공학을, 브라운대학교에서 분자세포생물학을, MIT에서 생화학을 전공했다. 서울대학교 약학대학 교수를 거쳐 현재 연세대학교 약학대학 및 의과대학 연구특임교수로 재직하고 있다. 그동안 암, 면역, 대사질환 등에 관여하는 각종 신기능 단백질을 발굴했고, 세계적 과학 학술지 《셀》 《사이언스》 등에 270여 편의 논문을 게재했다. 수백 건의 특허 출원 및 다수의 기술 이전을 통해 기초연구뿐만 아니라 연구 결과의 산업화에도 크게 기여했다. 최근에는 바이오 벤처기업 자이메디를 창업해 신약 개발에 직접 나서고 있다. 한국과학재단(현 한국연구재단) 의약단백질네트워크연구단장, 서울대학교 융합과학기술대학원 통합생명공학연구소장을 역임했다. 현재는 의약바이오컨버젼스연구단장, 연세대학교 지능형의약바이오연구원장으로 차세대 의약학을 위해 생명과학, 인공지능, 첨단 공학을 융합하는 새로운 연구 기법을 탐구하고 있다. 또한 한국과학상, 대한민국최고과학기술인상, 대한민국학술원상, 호암 의학상 등 다수의 상을 받았으며, 지은 책으로 카오스재단 권장 도서로 선정된 『생명과 약의 연결고리』를 비롯해 『물질에서 생명으로』(공저)가 있다.

추천의 글 들어가는 글: 과학의 눈으로 단백질을 보다 1장 생명의 두 번째 암호, 단백질 유전자가 그린 악보, 단백질이 연주하다 단백질은 유전자의 명령에 충실한 일꾼일까? 유전자는 곧 운명일까? 인간 게놈 프로젝트의 완성, 그 이후 포스트 게놈 시대: 정적인 유전자에서 동적인 단백질로 단백질, 3차원의 마술사 2장 생로병사의 비밀을 풀다 단백질이 여는 100세 시대 노화는 운명일까, 치료 가능한 질병일까? 고장 난 단백질이 기억을 삭제하다 발냄새가 나는 병, 달콤한 냄새가 나는 병 정보 과부하 시대, 뇌의 급발진을 막아라 오래 살고 싶다면 근육을 지켜라 빈혈과 말라리아 사이의 관계 3장 음식에 담긴 단백질의 과학 감칠맛에 숨겨진 비밀 사람을 홀리는 향기의 정체 설탕보다 200배 달콤한 슈퍼 감미료 식물의 생존 무기, 매운맛 고양이에게 생선 가게를 맡기면 안 되는 이유 저기압일 땐 고기 앞으로 암 유발 물질이 숙취 해소를? 미래 식량과 환경 문제의 해결사 4장 사람을 살리는 약, 사람을 죽이는 약 누구에겐 약 누구에겐 독, 호르몬의 양면성 모르는 게 약이 아니라 알아야 약이다 당뇨 치료제에서 다이어트 혁명까지 단백질을 알면 돈이 보인다 세상에서 가장 위험하고 아름다운 ‘독’ 단백질 의약품을 주사로 맞는 이유 알비노, 축복일까 저주일까? 범인을 잡는 보라색 5장 바이오 혁신과 생명의 미래 실험실에서 만든 고기의 맛은 어떨까? 우주에서 전해준 생명의 기원 노벨 화학상 수상자가 된 인공지능 생명 창조의 시대는 열릴 수 있을까? 우리 몸을 지키는 스마트 무기, 항체 아미노산이 알려주는 건강 정보 유전자 코드를 단백질로 번역하는 통역사들 나가는 글: 단백질이 그리는 바이오 시대 감사의 글 이미지 출처

지금까지 과학자들은 생명의 첫 번째 암호인 유전자의 비밀을 밝히고, 유전자를 새롭게 만들거나 유전자 일부를 바꿔 기존에 존재하지 않는 생명체를 만들어내는 데 집중해왔다. 그리고 이제 과학계의 시선은 생명의 두 번째 암호인 단백질을 향하고 있다. 왜 과학계는 단백질에 주목하는가? 단백질은 우리의 생명 및 건강과 직결된 가장 중요한 생체 분자이기 때문이다.
_들어가는 글

그토록 인류가 고대하던 인간 유전체 지도를 손에 넣고도 왜 우리는 여전히 생로병사의 비밀을 풀지 못하고 있는 것일까? 이유는 간단하다. 인체의 생로병사는 유전자 염기서열에 의해서만 결정되는 것이 아니기 때문이다. 유전자의 서열은 마치 베토벤이 작곡한 교향곡의 악보와도 같다. 그 악보를 누가 지휘하고 연주하느냐에 따라 매번 다른 느낌의 음악이 연주된다. 심지어 동일한 지휘자와 연주자가 같은 곡을 연주해도 매번 완전히 똑같지는 않다. 그렇기에 같은 악보가 수만 번, 수십만 번 연주되어도 여전히 우리는 각각의 연주에서 새롭고 신선한 감동을 받는다.
_1장 생명의 두 번째 암호, 단백질

최근 과학자들은 스트레스 등으로 단백질의 구조가 변형되어 체내에 축적되면 이것이 원인이 되어 노화가 빨라지거나 질병이 발생한다고 의심하고 있다. 따라서 이런 현상을 막아 노화를 조절하려는 연구들이 세계 각국에서 활발히 진행되고 있다. 이제는 신체 내 주요 단백질들의 나쁜 변형을 방지하는 것이 노화를 지연시키고 질병을 예방하는 데 매우 중요한 전략으로 떠오르고 있다.
_2장 생로병사의 비밀을 풀다

반대로 도파민을 치료제로 사용하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 최근 연구 결과에 따르면 알츠하이머병에 걸린 쥐에 도파민이 만들어지기 전 단계 물질인 레보도파(levodopa)를 투여하자 인지 능력이 향상되는 등 병증이 감소하는 것으로 나타났다. 아직 뚜렷한 치료제가 없는 알츠하이머병의 치료 가능성을 확인한 것이다. 도파민이 긍정적으로 활용될 수 있음을 보여주는 예다.
_2장 생로병사의 비밀을 풀다

그런데 왜 인간은 정확하게 설명할 수 없는 이 감칠맛에 끌리는 것일까? 그 비밀은 우리가 이 감칠맛을 아주 어릴 적부터, 이미 엄마 뱃속에 있을 때부터 맛보았기 때문이다. 연구에 따르면 태아가 40주 동안 생활하는 양수에서 글루탐산의 음이온 상태인 글루타메이트가 가장 높은 농도로 검출된다. 이처럼 우리는 태어나기 전부터 감칠맛을 경험한다. 뿐만 아니라 아기가 태어나면 가장 먼저 먹기 시작하는 모유에는 아기의 건강한 성장을 위해 다양한 아미노산이 풍부하게 들어 있는데, 이 중 글루타메이트가 44.17퍼센트로 가장 높은 농도로 포함되어 있다.
_3장 음식에 담긴 단백질의 과학

우리 몸에서 만들어지는 세로토닌(serotonin)이라는 신경전달물질이 있다. 이 세로토닌은 흔히 ‘행복 호르몬’이라고도 불리는데, 연구에 따르면 우울증이나 불안 증세를 완화시키는 역할을 한다. 이 세로토닌의 원료가 트립토판(tryptophan)이라는 아미노산이다. 그리고 트립토판이 많이 함유되어 있는 대표적인 식품이 바로 돼지고기, 소고기 등 육류 단백질이다.
_3장 음식에 담긴 단백질의 과학

하지만 GLP-1이 체내에 분비되면 1~2분가량만 작동하고 분해되어 사라진다는 치명적인 문제가 있었다. 이에 과학자들은 GLP-1과 기능은 유사하면서도 빠르게 분해되지 않고 오랫동안 유지되는 단백질을 만들기 위해 연구했고, 결국 13시간 동안 체내에서 작용하는 GLP-1 유사체 세마글루타이드(semaglutide)를 탄생시켰다. 그리고 미국 FDA는 2017년 덴마크의 제약회사 노보 노디스크(Novo Nordisk)가 세마글루타이드를 이용해 만든 당뇨병 치료제 오젬픽(Ozempic)을 최종 사용 승인했다.
_4장 사람을 살리는 약, 사람을 죽이는 약

우리가 잘 알고 있는 아스피린, 타이레놀 등은 화학 물질을 이용해 인공적으로 만든 합성의약품으로, 저분자 구조로 되어 있어 경구 투여가 가능하며 대량생산이 쉽고 생산 비용이 낮다는 장점이 있다. 하지만 많은 경우 생체 내에서 원래 타깃이 아닌 단백질과도 결합해 원하지 않은 부작용이나 독성이 발현될 수 있다는 한계도 있다. 이에 반해 바이오 의약품은 단백질이나 핵산 등 고분자 물질들로 만들기 때문에 경구 투여가 불가능하며 대량생산이 어렵고 생산 비용이 높다. 하지만 저분자 화합물들에 비해 비교적 작용 기전이 명확하고 타깃에 대한 결합 특이성이 높아 상대적으로 부작용과 독성이 낮다는 장점이 있다.
_4장 사람을 살리는 약, 사람을 죽이는 약

역사상 가장 비싼 햄버거를 시식한 사람들은 “햄버거 패티의 육즙이 조금 약하지만 질감은 완벽하다”, “고기와 비슷하다” 등의 시식 평을 남겼다. 그리고 이날 행사는 인류가 그동안 이어온 먹거리 생산 법칙을 바꾸는 시발점이 되었다. 왜냐하면 이 햄버거에 들어간 패티가 네덜란드 마스트릭트대학교의 마크 포스트 교수가 약 3개월에 걸쳐 실험실에서 키운 2만여 개의 소 근섬유로 만들어진 배양육이었기 때문이다.
_5장 바이오 혁신과 생명의 미래

혈액은 세포 성분인 적혈구, 백혈구, 혈소판과 알부민·글로불린 등 수십 종의 단백질 및 전해질이 녹아 있는 혈장으로 구성되어 있다. 여기에 산소, 이산화탄소를 비롯해 섭취된 음식이 소화되어 흡수된 각종 영양소 등이 포함되어 있다. 이렇듯 수십여 개의 성분이 복잡하게 얽혀 있기 때문에 피 몇 방울로 다양한 질병을 진단하는 것은 현대 과학으로서도 매우 어려운 일이다. 1조 6,000억 원이라는 천문학적인 투자를 받은 테라노스의 투자자 중 의학과 관련된 인물은 단 한 명도 없었다는 사실이 이를 강하게 뒷받침한다.
_5장 바이오 혁신과 생명의 미래

마지막으로, 피브로인(fibroin)이나 케라틴 같은 단백질은 실크나 양털 등의 소재로 섬유 및 의류 산업에서 사용된다. 그 밖에도 화장품이나 심지어 친환경 접착제의 소재로 활용되며, 최근에는 온도나 수소이온지수에 따라 다이내믹하게 변화하는 단백질의 구조적 특성을 이용해 스마트 센서 기능을 가지는 단백질 소재들이 개발되어 의류, 화장품, 생체 센서 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
_나가는 글

★ 호암의학상, 대한민국최고과학기술인상 수상 김성훈 교수 신작 ★ 엑소쌤(이선호), 국내 최고 의약대 교수 추천 “이제 과학계의 시선은 생명의 두 번째 암호인 단백질을 향하고 있다” 의약대 및 간호대 준비생 필독 도서 『생명과 약의 연결고리』 저자 신작 2024년 노벨상은 한국인에게 한강 작가의 문학상 수상으로 기억되고 있다. 한국 밖으로 잠깐 시선을 돌리면 주목할 만한 일이 또 하나 있었다. 노벨 화학상이다. ‘단백질 구조 분석 인공지능’ 분야 연구자들이 상을 받았다. 인공지능을 활용한 연구가 수상한 것도 놀랍지만, ‘단백질 연구’라는 영역이 수상의 대상이 된 점을 주목할 필요가 있다. 과거 과학자들은 생명의 첫 번째 암호인 유전자의 비밀을 밝히고, 유전자를 새롭게 만들거나 유전자 일부를 바꿔 기존에 존재하지 않는 생명체를 만들어내는 데 집중해왔다. 그리고 ‘인간 게놈 프로젝트’를 통해 인간 유전체 지도를 손에 넣었다. 하지만 생로병사의 비밀은 풀리지 않았다. 이유는 다름 아닌 단백질에서 일어나는 복잡성 때문이었다. 과학계의 관심은 유전자에서, ‘생명의 두 번째 암호’인 단백질로 넘어오게 되었다. 2024년 노벨 화학상뿐만 아니라, 최근 25년 사이 노벨 화학상을 받은 연구의 약 40퍼센트가 단백질과 관련되었으며, 단백질 연구는 각종 질병뿐 아니라 노화, 비만에 이르기까지 인류 숙원의 해결 가능성을 보여주고 있다. 2023년 과학 학술지 《셀》에 실린 연구가 대표적이다. DNA 수리 단백질을 활성화하는 물질을 노화된 쥐에 주입하자 몸이 검은 털로 수북해졌으며 시력도 회복되었다는 내용으로, 노화 예방의 새로운 길을 보여주었다. 세계적으로 열풍을 일으키고 있는 비만 치료제 위고비와 당뇨병 치료제 오젬픽도 빼놓을 수 없다. 이제는 미용 시술로 익숙한 보톡스도 보툴리눔 톡신이라는 단백질 독을 활용한 것이다. 또한 항체 연구를 응용한 3세대 면역 항암제는 암 완치의 미래를 여는 의약품으로 기대를 받고 있다. 건강하게 살려면 단백질의 3차원 구조를 유지하라! 생로병사를 결정하는 단백질의 과학 단백질은 건강의 열쇠이기도 하다. 통계청의 자료에 따르면 2022년 기준 한국인의 기대수명은 남자 80.5세, 여자 86.5세로 세계적으로 봐도 매우 높은 편이다. 그러나 건강수명을 살펴보면 남자 71.3세, 여자 74.7세로 약 10년 이상을 병상에서 보내는 것으로 조사되었다. 건강수명은 우리 몸에 있는 단백질들의 3차원 구조를 얼마나 잘 유지하는가에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 가령 정상적인 단백질이 다양한 이유로 구겨져 잘못 접힘이 발생하면 각종 질병의 원인이 되는데, 대표적으로 우리가 가장 두려워하는 알츠하이머병의 주요 원인도 ‘단백질 잘못 접힘’이다. 세포 내 미세소관(microtubules)의 안정화 기능을 담당하는 타우 단백질(tau protein)은 스트레스 등으로 잘못 접히는 현상이 발생하면 미세소관의 기능을 방해하고 신경세포 내 물질 운반 시스템을 파괴해 세포를 사멸시킨다. 근육 역시 건강의 핵심이다. 30대부터 근육량이 감소해 70대가 되면 주요 근육의 40퍼센트 이상이 줄어드는데, 근육이 줄어들면 자유로운 활동이 어려워져 삶의 질이 떨어지는 것은 물론 당뇨병 위험이 두 배 이상, 심혈관 위험은 약 76퍼센트가 증가한다. 근육의 원료가 되는 단백질 섭취가 중요한 이유다. 단백질은 여기에 그치지 않고 정신 건강에도 영향을 미친다. 우리 몸이 스스로 만들어내는 비필수아미노산인 글루탐산과 GABA는 포유류의 중추신경계에서 가장 일반적으로 쓰이는 신경전달물질 중 하나다. 최근 연구에서 강박 장애 그룹의 뇌에서 흥분성 전달물질인 글루탐산과 억제성 전달물질인 GABA의 균형이 깨져 있다는 사실이 밝혀졌는데, 이 같은 연구 결과를 바탕으로 신경전달물질을 표적으로 하는 신경 및 정신 질환 치료제 개발 연구도 활발히 이어지고 있다. 이처럼 단백질은 우리 몸과 정신의 건강에 깊이 관여하고 있다. 이 책은 인체의 건강에 직결되는 단백질 이야기를 통해 생명과 건강에 관한 통찰을 제공한다. 일상의 변화부터 혁신 기술까지, 세상은 단백질로 연결되어 있다! 이처럼 단백질은 건강관리뿐만 아니라 질병 치료, 식생활, 환경 문제와 밀접하게 연결되어 있으며 신약 개발과 같은 바이오 혁신이 경제와 산업에 미치는 영향은 이루 말할 수 없을 정도다. 그리고 이 ‘필수 상식’을 알기 쉽게 전하는 것이 저자가 『단백질 혁명』을 쓴 이유다. 책은 총 5개의 장으로 구성되어 있다. 단백질이 세상을 어떻게 변화시키고 있는지 실제 사례를 통해 알기 쉽게 설명한다. 1장에서는 오늘날 단백질 연구가 과학계의 화두가 된 이유와 그 함의를 조명한다. 유전자 연구에서 단백질 연구로 이어진, 생명과학 연구의 흐름도 함께 파악할 수 있다. 2장은 단백질이 건강과 질병에 끼치는 영향이 주요 소재다. 치매와 단백질 간의 관계, 노화에 접근하는 새로운 패러다임, 건강 유지에 근육과 단백질이 중요한 이유 등을 다룬다. 3장은 우리 일상과 가장 밀접하게 닿아 있는 영역인 음식 속 과학을 다룬다. 오감을 자극하는 맛있는 요리, 자꾸 생각나는 맛인 감칠맛 뒤에는 단백질의 과학이 숨겨져 있다. 4장은 요즘 가장 뜨거운 주제인 의약품에 초점을 맞춘다. 단백질 연구가 신약 개발에 어떻게 활용·응용되는지 알 수 있다. 이를 통해 현재 바이오 산업의 트렌드가 무엇인지 간접적으로 확인할 수 있다. 마지막 5장에서는 바이오 시대의 미래를 점쳐본다. 생명 창조의 시대 도래, 아미노산으로 질병을 사전에 진단하는 기술 등 단백질이 열어가는 바이오 혁신의 현재와 미래를 살펴본다. 이제 단백질은 우리가 살아가는 시대를 제대로 이해하고 변화에 대응하기 위해 알아야 할 핵심 지식이자 필수 교양의 영역이 되었다. 『단백질 혁명』은 단백질이라는 분자에 담긴 놀라운 이야기뿐 아니라, 바이오 시대가 열어가는 미래를 통찰할 수 있게 해줄 것이다.