1935년 노벨 생리의학상 — 한스 슈페만

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수정란 하나가 어떻게 온전한 유기체가 되는지, 그리고 그 발생 과정 속에서 어느 작은 몇 개의 세포가 나머지 전체의 운명을 결정하는지 를 밝힌 슈페만과 그의 제자 힐데 만골드의 이야기를 이해하게 됩니다.

알 하나가 한 사람이 되는 미스터리

수정란은 세포 하나입니다. 그 세포가 두 개가 되고, 네 개가 되고, 결국 수십조 개의 세포로 이루어진 온전한 유기체가 됩니다. 뇌, 심장, 간, 뼈, 피부 — 이 모든 다양한 조직이 원래는 똑같은 세포 하나에서 나옵니다.

여기서 자연스러운 질문이 나옵니다. 모두 같은 유전 정보를 가진 세포들이 어떻게 서로 다른 조직으로 분화하는가? 어떤 세포가 어떤 조직이 될지는 누가 결정하는가?

20세기 초까지의 답은 대체로 "이미 정해져 있다" 였습니다. 배아의 각 부분은 처음부터 자신의 운명을 알고 있으며, 발생은 그 정보의 펼침이라는 관점. 이것을 "모자이크 발생 이론" 이라 불렀습니다.

그런데 프라이부르크의 슈페만 실험실이 이 이론을 뒤집습니다. 그의 발견의 핵심은 이것이었습니다: 배아의 어느 작은 영역이 나머지 배아 전체에게 "무엇이 되어야 하는지"를 지시한다. 그 영역이 없으면 발생이 완전히 다르게 진행됩니다. 그 영역을 다른 곳으로 옮기면 그곳에서 또 하나의 배아가 만들어집니다. 그는 이 영역을 "조직화 중심(Organisator)" — 형성체 — 이라 불렀습니다.

시대의 풍경 — 뉘른베르크 법과 학문의 어둠

1935년의 세계는 나치 독일의 반유대주의가 법제화된 해 였습니다. 9월 15일 뉘른베르크 인종법 이 공포됩니다. 유대인의 시민권을 박탈하고, 유대인과 비유대인 간 결혼을 금지하는 법이었습니다. 이 법이 홀로코스트로 이어지는 법적 기반 이었습니다.

슈페만은 이 시기 프라이부르크 대학의 발생학 교수로 있었습니다. 그가 나치 정권과 어떤 관계였는지는 논쟁이 있는 부분입니다. 그는 명시적 나치 당원이 되지는 않았지만, 이 시기 학내 나치 활동에 명확한 저항을 하지 않았습니다. 그의 학생 중 유대인이었던 요하네스 홀트프레터가 정치적 이유로 독일을 떠나 미국으로 망명한 것도 이 시기입니다.

이 시기 이탈리아는 에티오피아 침공(10월) 을 시작했습니다. 무솔리니 파시즘이 아프리카 식민지 야심을 실행에 옮긴 것입니다. 세계는 이 침공에 국제연맹 제재로 대응했지만 실효성이 없었고, 이 실패가 3년 뒤 뮌헨 협정, 6년 뒤 진주만 공습으로 이어지는 유화 정책의 시작이었습니다.

소련에서는 스탈린의 우크라이나 대기근 이후 회복기와 대숙청 준비기가 이 시기였습니다. 몇 년 뒤 상당수 지식인과 과학자가 처형되거나 굴라크에 보내집니다.

한국사와 겹쳐 보면, 1935년은 조선어학회의 표준 조선어 사전 편찬 작업이 본격화 되던 시기입니다. 조선어 어휘의 정확한 뜻과 형태를 규정하는 이 작업이 7년 뒤 조선어학회 사건으로 강제 중단됩니다. 유럽에서 "배아의 어느 세포가 무엇이 될지"를 결정하는 조직화 중심이 밝혀지던 그 시기, 조선에서는 어떤 단어가 무엇을 뜻할지 결정하는 지식의 조직화 작업이 진행되고 있었습니다.

인물 서사 — 실험 정밀도의 대가와 죽음을 앞둔 제자

슈페만 — 미세 이식의 대가

한스 슈페만은 1869년 독일 슈투트가르트 출생. 그의 결정적 강점은 극도로 정밀한 미세 이식 기술 이었습니다. 도롱뇽 배아의 작은 부분을 잘라내어 다른 배아에 이식하는 일 — 이것을 그는 스스로 만든 아기 머리카락 하나로 만든 올가미(loop) 로 해냈습니다. 마이크로 도구가 없던 시대에, 아기의 미세한 머리카락이 그의 결정적 도구였습니다.

이 정밀도가 그의 발견을 가능하게 했습니다. 배아의 특정 지점 몇 개 세포만 정확히 잘라 다른 곳에 붙이는 작업. 오늘 우리는 microscopy와 마이크로 매니퓰레이터로 이런 실험을 하지만, 그는 손과 눈과 머리카락 올가미로 이 정밀 실험을 수십 년 반복했습니다.

그는 "손이 있는 곳에 마음이 있다" 는 태도를 가진 사람이었습니다. 실험의 성패가 이론이 아니라 손끝의 감각 에 달려있음을 이해한 실험가였습니다.

힐데 만골드 — 박사논문으로 발견을 낳고 사고사한 젊은 여성

**힐데 만골드(Hilde Mangold, 결혼 전 성 Pröscholdt)**는 1898년 태생. 슈페만의 박사 과정 학생이었습니다. 그녀의 박사논문 실험이 오늘 우리가 아는 형성체(organizer) 실험의 본체 였습니다.

만골드가 한 실험은 이런 것이었습니다. 두 종류의 도롱뇽 배아를 사용합니다. 하나는 색소가 있는 종류, 하나는 색소가 없는 종류. 색소 없는 배아에서 원구배순부(dorsal blastopore lip) — 배아 등쪽의 한 특정 지점 — 를 작게 잘라, 색소 있는 배아의 배쪽으로 이식했습니다.

결과는 놀라웠습니다. 이식된 색소 없는 조직이 자기 자리에서 정상 발생을 하되, 그것이 주변의 색소 있는 조직들을 모아 두 번째 배아를 만들었습니다. 그 결과 색소 있는 배아 안에 색소 없는 이식조직을 중심으로 한 또 하나의 완전한 배아 가 생겼습니다. 등뼈, 근육, 척수, 심지어 신경계까지 갖춘 두 번째 몸통이 만들어진 것입니다.

이것이 결정적 실험이었습니다. 이식된 조각 하나가 주변 조직에게 "너희는 등쪽 조직이 되어야 한다"고 지시했음을 명확히 보여주는 실험. 이식된 조각은 자기 자신뿐 아니라 주변 세포들의 운명까지 결정한 것입니다.

만골드는 이 실험을 1921~1923년에 완성하고 1923년 논문을 발표했습니다. 그 몇 달 뒤 그녀는 부엌의 가솔린 히터 폭발 사고로 26세에 사망합니다. 그녀의 발견의 진짜 중요성이 세계에 알려지는 것은 그 뒤였습니다. 그녀가 살아있었다면, 이 노벨상은 슈페만과 만골드 공동 수상이 됐어야 마땅합니다. 그러나 노벨상은 사망자에게 수여되지 않는 규정 때문에 슈페만 단독 수상이 되었습니다.

슈페만의 노벨상 수상 강연에서 그는 만골드의 기여를 명확히 인정했습니다. "이 발견의 결정적 실험을 수행한 것은 나의 제자 힐데 만골드였다." 이 발언이 오늘 발생학사에서 만골드의 이름이 조직화 중심(Spemann-Mangold organizer)에 함께 붙어 있는 이유입니다.

핵심 업적 — 부트스트랩 프로세스로 본 발생

결정적 조직화 중심

만골드의 실험이 실증한 것은 하나의 작은 영역이 나머지 전체의 발생 프로그램을 시작시킨다 는 원칙이었습니다.

CS 비유가 여기서 자연스럽게 관통합니다. 이것은 컴퓨터의 부트스트랩 프로세스 와 유사합니다.

컴퓨터를 켜면 첫 몇 밀리초 안에 하드웨어 초기화, BIOS 로드, 부트로더 실행이 일어나며, 이 짧은 초기 순서가 나머지 운영체제와 모든 응용 프로그램이 어떤 환경에서 실행될지를 결정 합니다. 만약 부트 순서가 다르게 진행되면, 그 다음의 모든 것이 달라집니다.

배아 발생도 같은 원리입니다. 초기 배아의 소수 세포가 "여기가 등이다, 여기가 배다, 여기가 앞이다"라는 좌표를 확립 합니다. 이 좌표가 확립된 뒤, 나머지 세포들은 이 좌표를 참조하여 자기 정체성을 결정합니다. 만골드의 이식 실험이 이것을 실증했습니다 — 조직화 중심을 다른 곳에 이식하면 그곳에서 새 좌표계가 만들어지고, 새 배아가 자라납니다.

이 발견의 놀라운 함의는 초기 세포들의 정보가 유전자 안에만 있지 않다 는 것입니다. 모든 세포가 같은 유전자를 가졌으므로, 유전자만으로는 어느 세포가 무엇이 될지 결정할 수 없습니다. 세포의 공간적 위치와 이웃과의 상호작용이 정체성을 결정합니다. 만골드의 이식된 조직이 그 새 위치에서 자기 정체성을 유지하는 동시에 주변에 신호를 보내 새 배아를 만들어낸 것이 이 원칙을 명확히 보여줬습니다.

다만 이 비유는 여기서 깨집니다. 부트스트랩 프로세스는 우리가 명시적으로 설계한 순서이고, 그 각 단계의 코드가 존재합니다. 그러나 배아의 조직화 중심이 정확히 어떤 신호(분자)로 주변을 지시하는지는 오랫동안 미스터리였습니다. 이 "형성체 물질"의 정체를 밝히려는 시도가 이후 60년 동안 무수한 실패로 이어졌습니다. 마침내 1990년대에 이르러 여러 개의 단백질(Chordin, Noggin, Wnt 신호 등)이 이 역할을 함께 담당한다는 것이 밝혀집니다. 하나의 마법 물질이 아니라 여러 신호의 조율된 조합 이 형성체 활동을 만듭니다.

발생의 결정 시점

슈페만-만골드 실험이 던진 또 하나의 중요한 질문은 "세포의 운명은 언제 결정되는가?" 였습니다. 그들의 후속 실험은 이 시점이 매우 이르다는 것을 보여줬습니다.

초기 배아에서 특정 세포들을 잘라 다른 위치로 이식하면, 이식된 세포가 새 위치의 정보를 받아 새 정체성을 획득합니다(정체성이 아직 유동적). 그러나 좀더 발생이 진행된 뒤 같은 이식을 하면, 이식된 세포가 원래 자기가 되기로 예정됐던 조직으로 발생합니다(정체성이 확정된 후). 정체성 결정은 특정 시점에 특정 신호에 의해 이뤄지고, 그 시점을 지나면 되돌릴 수 없습니다.

이 개념이 오늘 우리가 아는 줄기세포와 분화된 세포의 구분 의 기초입니다. 줄기세포는 정체성이 아직 확정되지 않은 상태로 유지되고, 분화된 세포는 특정 방향으로 결정된 상태입니다.

왜 중요한가

슈페만의 노벨상은 세 층위에서 오늘까지 유효합니다.

발생학 층위: 오늘의 발생학 전체가 조직화 중심 개념 위에 세워져 있습니다. 어떤 배아라도 그것의 발생 프로그램을 이해하려면 조직화 중심(들)을 찾는 것부터 시작합니다. 사람, 초파리, 지렁이, 물고기 — 모든 다세포 생물에서 이 원칙이 유효합니다.

재생 의학 층위: 줄기세포 연구, 유도만능줄기세포(iPS), 오가노이드(organoid) 배양 — 이 모든 현대 재생 의학의 개념적 뿌리가 슈페만의 조직화 중심 개념에 있습니다. 어떤 조건에서 세포가 자기 정체성을 유지하고, 어떤 조건에서 새 정체성을 획득하는가 — 이 질문이 오늘 재생 의학의 핵심입니다.

진화 발생학 층위: 사람과 초파리와 지렁이가 왜 서로 완전히 다른 몸을 가지면서도 발생의 근본 논리가 유사한가. 조직화 중심을 만드는 유전자들이 진화의 아주 이른 시점에 확립되어 대부분 생물에 보존 되어 있음이 밝혀졌습니다. 이것을 진화 발생학(evo-devo)이라 부르며, 오늘 활발한 분야입니다.

우리에게 남긴 교훈이 있습니다. "복잡한 시스템의 최종 형태를 이해하려면 초기 조건과 초기 조율 규칙을 봐야 한다." 어떤 조직이든 프로젝트든 시스템이든, 그 최종 형태는 대부분 초기 몇 개의 결정에 크게 좌우됩니다. 오늘 소프트웨어 아키텍처, 조직 문화, 심지어 도시 계획에서도 이 원칙이 유효합니다. 초기 지점의 작은 차이가 후기 전체의 큰 차이를 만듭니다.

지금 이 문장을 읽는 중에도 세계 여러 임산부의 몸 안에서 조직화 중심이 활동하며 새로운 사람을 만들고 있을 것입니다. 그 조율의 원리가 100년 전 프라이부르크의 도롱뇽 배아 이식 실험에서 밝혀졌습니다.

힐데 만골드에 관한 짧은 기억

이 상의 실제 결정적 실험을 수행한 사람은 26세의 여성 대학원생이었고, 그녀는 자기 발견이 노벨상을 받는 것을 보지 못했습니다. 그녀의 논문 「Über Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren」(이종 조직화 중심 이식에 의한 배아 원기의 유도)는 발생학 역사에서 가장 자주 인용되는 논문 중 하나로 남아 있습니다.

발생학사의 표준 표현으로 이 조직화 중심이 오늘 "Spemann-Mangold organizer" 로 불리는 이유가 이것입니다.

조직화 중심 발견 요약: 슈페만과 만골드는 도롱뇽 배아 이식 실험으로 배아의 특정 소영역(원구배순부)이 나머지 배아 전체의 좌표계와 운명을 결정함을 실증했습니다. 이 조직화 중심(Spemann-Mangold organizer) 개념이 20세기 발생학의 기초가 됐고, 오늘 재생 의학과 진화 발생학의 뿌리가 됐습니다.

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