파스퇴르: 미생물학의 거장, 백신의 아버지 1편

루이 파스퇴르는 프랑스 화학자이자 미생물학자로서 광학 이성질체 분리, 발효 연구로 생물학적 과정임을 밝혀내고, 병원체 이론을 제창. 탄저 및 광견병 백신 개발로 현대 의학 발전에 크게 기여하였으며, 공중 보건 및 예방 의학의 선구자로 불립니다.

루이 파스퇴르(1822-1895)

파스퇴르의 삶 요약

루이 파스퇴르는 1822년 프랑스 돌에서 태어났으며, 17세에 에콜 프리마이어를 졸업하고 파리로 이주하여 고등학교 교육을 받았습니다. 21세에 파리고등사범학교에 입학하였고, 24세에 물리학과 화학으로 석사 학위를, 25세에는 철학 박사학위를 받았습니다. 그의 학문 경력은 26세에 스트라스부르 대학교에서 화학 강사로 시작하여 32세에는 릴 대학교의 과학부 학과장, 35세에는 파리 과학아카데미의 부학장으로 임명되어 자신의 연구소를 설립했습니다. 40세에 발효 과정이 생물학적 현상임을 증명하였고, 43세에는 실크웜 질병을 연구로 원인을 밝혀 프랑스 실크 산업을 구하였습니다.
1870년대에 파스퇴르는 감염성 질병에 대한 연구를 시작하여 병원체 이론을 세웠고, 59세에 탄저균 백신 실험에 성공했으며, 63세에는 개발한 광견병 백신을 사람에게 최초로 투여하여 광견병으로부터 한 소년의 생명을 구했습니다. 파스퇴르의 업적을 기리기 위해 66세에 파스퇴르 연구소가 설립되었습니다. 그는 1895년 뇌졸중으로 인해 사망하였으나 그의 업적은 과학과 의학 분야에서 지대한 영향을 주었고, 특히 현대 의학과 백신 개발의 기초를 마련한 것으로 인정을 받고 있습니다.파스퇴르의 연구는 재미있고 현대 과학과 의료에 영향이 커서 4가지로 나누어서 정리해보자 합니다. 제 1편은 와인과 관련된 광학이성질체 연구입니다.

 

광학 이성질체 연구

파스퇴르의 광학 이성질체 연구는 그의 과학 경력에서 중요한 업적으로 현대 화학과 분자생물학의 발전에 큰 영향을 미쳤습니다. 

연구의 배경: 1840년대 중반, 파스퇴르는 화학 분야에서 교육을 받으며 자연 발생설과 광학 활성에 관한 이론에 관심을 가지게 됩니다. 당시 과학자들은 특정 유기 화합물이 평면 편광된 빛을 회전시킬 수 있는 현상, 즉 광학 활성에 대해 알고 있었지만, 그 원인을 명확히 이해하지 못했습니다.

와인 다이아몬드

파스퇴르의 이 연구는 프랑스 와인과 관계가 있습니다. 파스퇴르는 포도주의 쓴맛을 내는 원인을 조사하기 위해 포도주 안의 성분인 타르타르산을 연구하는 중 이었습니다. 와인병의 코르크마개나 병 바닥에 흑적색 결정을 와인 다이아몬드라하는데 주석으로 인체에는 무해한 주성분이 중타르타르산칼륨(potassium bitartrate)이라는 물질입니다. 이러한 이유로주석이라는 침전물을 만드는 산인 타르타르산을 주석산이라고도 부른다. 주석산은 포도나 바나나 등에 흔히 들어 있는 물질로서 바나나, 타마린드와 같은 많은 식물에서 존재하며 신맛을 가하기 위해 식품에 첨가하기도 한다. 파스퇴르는 실험실에서 타르타르산(타르타르산, 주석산, 포) 결정을 관찰하다 두 가지 형태가 있음을 알아차렸습니다. 여기 그의 이야기를 정리하여 보았습니다.

1820년경, 필립 케스너라는 스트라스부르 인근의 산업 화학자가 와인 발효 과정에서 포타슘 염을 정제하던 중 우연히 미스터리한 산을 만들어 냈습니다. 이 산은 비오(파스퇴르의 지도교수  장 바티스트 비오)에 의해 연구된 이전의 산과는 달리, 수용액과 알코올 용액에서 광학 활성이 없었습니다. 나중에 요엔스 야콥 베르셀리우스(1779-1848)에 의해 파라타르타르산으로, 조제프 루이 게이-뤼삭(1778-1850)에 의해 라세믹산이라고 명명되었습니다. 독일의 화학자이자 결정학자인 아일하르트 미쳐리히(1794-1863)는 이 파라타르타르산의 화학적 구성, 결정형, 물리적 성질을 규명하기 위해 연구를 시작했습니다. 그는 광학 활성과 비활성 타르타르산에서 자란 더블 나트륨 암모늄 타르트레이트 염의 결정을 연구하고 두 결정이 동일하다는 결론을 내렸지만 용액에서 선형 편광과는 다르게 상호작용했습니다. 파스퇴르는 이 모순을 믿지 않았고, 케스너로부터 이 라세믹산을 제공받자 결정의 세밀한 분석을 시작했습니다. 그의 혁신은 돋보기로 파라타르타르산 결정의 형태를 관찰한 것이었습니다. 그는 1883년 파리에서 열린 한 회의에서 자신의 첫 가설을 설명했습니다: "나는 TA의 더블 나트륨-암모늄 염과 해당 파라타르타르산을 준비하고, 이들의 결정형을 비교하기 시작했다. 이러한 선입견을 가지고, 타르타르산의 형태에서 비대칭을, 파라타르타르산에서는 비대칭의 부재를 발견하리라 생각했다. 그러면 모든 것이 설명될 것이라 생각했다. 타르타르산의 형태의 비대칭이 광학적 비대칭에 해당하고, 파라타르타르산의 형태의 비대칭 부재가 이 염이 편광된 빛에 대해 광학적으로 무관심하다는 것을 의미할 것이다." 그러나 놀랍게도 그는 파라타르타르산이 두 가지 형태의 비대칭 결정으로 구성되어 있음을 관찰했습니다: "이 두 개의 사면체는 대칭적이다(그림 2A, 빨간 면); 그들은 중첩될 수 없다: 그들은 거울에 비친 이미지와 실제 사물과의 관계와 같다." 그는 그의 유명한 실험을 계속했습니다: "나는 신중하게 오른쪽 반면체 결정과 왼쪽 반면체 결정을 분리하고, 비오의 편광 장치에서 그들의 용액을 별도로 관찰했다. 나는 놀라움과 기쁨을 감추지 못하면서, 오른쪽 반면체 결정이 오른쪽으로, 왼쪽 반면체 결정이 편광면을 왼쪽으로 편향시키는 것을 보았고, 각각의 결정에서 동일한 무게를 취했을 때, 혼합된 용액은 두 개의 동일하고 반대되는 개별 편향의 상호 중화에 의해 빛에 대해 중립이 되었다." 파스퇴르는 파라타르타르산이 순수한 화합물이 아니라 라세믹 혼합물인 1:1의 두 개의 에난티오머 조합임을 증명했습니다(그의 타르트르산 결정은 여전히 파리에서 볼 수 있습니다, 그림 3 참조). 이 중요한 발견은 나중에 비오와 함께 재현되었고, 그때 비오는 "몽 셰르 앙팡, 쥐 아이 탕트 에메 레 시앙스 당 마 비 케 셀라 므 페 바트르 르 쾨르"("내 사랑하는 아이여, 나는 내 인생 동안 과학을 너무 사랑했기에 이것은 내 마음을 울리게 한다")라고 외쳤습니다. 그들은 결정의 키랄 구조가 분자의 비대칭 구조에서 비롯될 수 있다는 결론을 내리고, 유사한 화학적 및 물리적 성질을 가진 분자가 다른 3차원 조직을 가질 수 있음을 증명했습니다. 분자 비대칭의 원리가 설립되었습니다.("Pasteur and chirality: A story of how serendipity favors the prepared minds" 발췌)

타르타르산의 거울상 이성질체

 

결정의 분리: 주석산 수용액을 편광을 비추면 편광이 용액을 통과하려면 편광판을 약간 오른쪽으로 회전해야 합니다. 편광이란 전자기파인 빛의 전기장이 한쪽 방향으로만 진동하는 특성입니다. 특이하게도 인공으로 만든 주석산 용액에서는 편광 현상이 관찰되지 않았습니다. 이에 천연 주석산의 구조와 편광을 알고 있었던 파스퇴르는 자연산 주석산과 인공 주석산의 결정구조를 분석하기 위해 인공 결정에서 서로 다른 두 결정체를 연구하였습니다. 파스퇴르는 두 종류의 결정이 서로 거울상에 해당하는 대칭 형태를 가지고 있음을 현미경으로 확인하고(오늘날의 이해하는 거울상 이성질체(mirror-image isomers)하였다. 인공 결정은 두 종류의 결정체가 섞여 있었기 때문에 핀셋을 사용하여 수작업으로 이 두 유형의 결정을 하나씩 분리하였습니다. 천연 주석산 결정에서 볼 수 없었던 거울상 결정인 분리된 결정을 분리하여 수용액에 넣어 관찰한 결과 정반대의 편광회전을 보이는, 즉 편광을 왼쪽으로 회전시키는 것으로 알아냈습니다.

파스퇴르의 현미경과 거울상 이성질체

 

광학 활성의 확인: 분리한 두 종류의 결정을 각각 물에 녹여 그 용액의 광학 활성을 시험하였는데 각 용액이 편광된 빛을 서로 반대 방향으로 회전시키는 것을 알아 냈습니다. 이것은 두 이성질체가 광학적으로 활성이 있으며, 서로 반대의 광학 활성을 가지고 있음을 증명했습니다. 위 그림에서 두 결정 사이에 마치 거울이 있어 마주하듯 보이는 형상입니다. 빛을 시계방향으로 회전시키면 오른손 분자, D 거울상 이성질체라고 부르고, 반시계방향으로 회전시키면 왼손 분자, L 거울상 이성질체로 정의합니다. 이것은 편광현미경과 편광계를 사용하여 검증하였는데 편광현미경은 물질이 편광된 빛을 어떻게 회전시키는지 관찰하는 장비로서 같이 부착된 편광계로 편광의 회전 각도를 정확하게 측정합니다.

편광계와 동작 원리

위의 사진과 그림은 당시 사용했을 편광계와 유사한 장비와 장비의 작동 원리를 보여주는 그림입니다. 1의 광원에서 편광되지 않은 빛을 쪼이면 5번의 샘플 튜브에 넣은 용액 속 시료를 통과한 후  6번의 편광 필터를 통과합니다. 편광의 회전 정도는 이 편광 필터의 회전에 의해 결정됩니다. 각 구성품은 1. 광원 2. 편광되지 않은 빛 3. 선형 편광판 4. 선형 편광 5. 샘플 튜브 6. 분자에 의한 광학 회전 7. 회전 가능한 선형 분석기 8. 검출기입니다.

위에서 그림 1과 그림 4에 표시된 결정은 파스퇴르의 원본 간행물 중 하나에서 가져온 것으로 아래쪽 두 결정은 이 두 가지 결정 구성을 현대적으로 표현한 것입니다. 아래 사진은 파스퇴르가 보았을 타르타르 결정의 편광된 빛입니다.

 

과학적 의미: 파스퇴르의 연구는 분자가 공간에서 어떻게 배열될 수 있는지에 대한 이해도를 높였으며 분자가 3차원 공간에서 특정한 방향성을 가질 수 있고, 이것이 화학적 성질과 광학적 성질까지 영향을 준다는 것을 암시했습니다. 이 발견은 현대에 이르러 광학 이성질체가 생체 분자 활성에 주는 영향을 이해하는 기초가 되었습니다.

 

후속 연구: 파스퇴르의 광학 이성질체에 관한 연구는 이후 생화학, 약학, 그리고 분자생물학 등 여러 분야에서 중요한 연구 주제가 되었으며, 특히 생명체 내에서 발생하는 많은 생화학적 반응이 특정한 광학 이성질체 형태의 분자에 의존한다는 사실이 밝혀집니다. 그가 단순히 화학자를 넘어 현대 과학의 아버지로 인정받는 이유 중 하나이기도 합니다.

 

파스퇴르의 백신 연구, 병원체 연구 등은 양이 많아 별도로 분리하여 작성하였습니다. 주석산의 광학적 특성을 활용한 결정구조 연구는 현미경을 사용한 고통스런 핀셋 분리작업을 한 결과였다. 현미경을 사용한 와인 연구는 파스퇴르에게 또 다른 연구 기회를 제공한다. 와인을 포함해 모든 술은 발효 과정에서 나오는 알코올을 이용해 생산한다.  1854년 파스퇴르가 릴 대학 화학교수로 지낼 때 그 지방의 와인 양조업자들이 와인의 산패 문제를 파스퇴르에 의뢰했었다. 이야기의 내용은 제 2편으로 가져가 봅니다.