에스터라는 말은 1848년에 독일 화학자인 레오폴드 그멜린(Leopold Gmelin)에 의해 만들어졌으며, 그 유래는 독일의 Essigäther에서 시작되었다. 보통적으로 에스터는 특징적인 냄새가 나기 때문에 화장품, 향수, 폴리머 합성 등에 많이 사용된다. 대표적으로 바나나, 오렌지, 사과 등의 냄새를 인공적으로 제품에 첨가되어 있는 것들이 바로 에스터 화합물들이다.
예를 들어, 바나나 또는 사과맛이 나는 제품에는 아세트산 아밀(Amyl acetate)이 사용되며, 파인애플 또는 오렌지 주스의 향미 강화제로는 뷰 티르 산 에틸(Ethyl butyrate)이 사용된다. 오렌지, 자몽 또는 기타 감귤류 제품에는 아세트산 옥틸(Octyl acetate), 배 또는 살구 제품의 향료에는 펜틸부트레이트(Pentyl butyrate)이 사용되기도 한다.
에스터(에스테르, ester)의 합성
에스터를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 가장 널리 쓰이는 방법은 아래에 나와 있는 것처럼 유기산과 알코올을 합치는 방법이다. 이를 에스터화 반응(esterification reaction)이라고 부른다. 보통 황산과 같은 강한 산을 촉매로 사용한다.
에스터(ester)는 유기화합물의 한 종류로, 하나 혹은 그 이상의 수산기(hydroxy group, -OH)를 가진 유기산의 수산기가 알콕시기(alkoxy group, -OR)로 치환되어 있다. 위 그림은 유기산 (RCOOH)과 알코올 (R1OH)이 결합하여 에스터가 만들어지는 것을 보여준다.
여기서 R, R1은 탄소를 포함하는, 즉 탄소와 연결된 일반적인 부분을 나타내며, 이 과정에서 생성된 물이 빠져있다. 가장 간단한 에스터는 아래 나와 있는 메틸 포름 에스터(methyl formate, HCOOCH3)로, 개미산이라고도 부르는 포름산(formic acid, HCOOH)의 수산기가 메톡시기로 치환되어 있다.
에스터는 결합된 부분 – 위의 R, R1에 따라 매우 다양한 종류가 존재하는데, 그 이름은 알코올 부분과 산 부분에 접미사로 ate를 붙여 사용한다. 위 메틸포름 에스터의 공식 명칭은 methyl formate로, 알코올 부분은 methanol에서 유래한 methyl과 산 부분은 formic acid에서 유래한 부분에 ate를 접미사로 사용하여 만들어졌다.
그 중 메틸 살리실산 에스터는 노루발풀 오일 (oil of wintergreen)이라고 부르는 일종의 허브 (herb)로, 냄새는 좋지만 먹으면 위험하다. 이 에스터는 여러 가지 식물에 존재하며, 살리실산 (salicylic acid)과 메탄올 (methanol)을 반응시켜 합성할 수 있지만 아스피린과 메탄올을 반응시켜 합성할 수도 있다. 아스피린은 산인 동시에 에스터인데, 이 방법이 합성하기에 좀 더 쉽다.
엽산(folic acid)은 인간의 생활에 필수적인 영양소로써 1,3,5,8-tetraazanaphthalene(프테리딘, pteridine; 6 원자 피리미딘 고리와 6 원자 피라진 고리가 융합된 두 개의 고리 구조를 가지고 있는 방향족 화합물) 고리와 4-aminobenzoic acid 그리고 (S)-2-Aminopentanedioic (glutamic) acid의 구조로 구성되어 있다.
특히 임신에 필요한 영영소로써 많이 알려져 있다. 엽산의 기능 중의 하나는 한 개 탄소 조각들과 생체분자 간의 전달로써 임신 중 엽산이 부족하게 되면 조산 저체중아, 척추 파열, 무뇌증 등 선천적 장애를 가진 아이를 출산할 확률이 올라가기 때문에 하루 400㎍의 권장량을 꼭 섭취해주는 것을 권하고 있다. 물론 수용성 비타민이라서 권장량 이상 섭취해도 문제가 없지만 합성 엽산의 경우 과다복용 시 임산부에게 아연 부족 현상을 일으킬 수 있다고 한다.
vitamin D
비타민 D 역시 인간의 생활에 필수적인 영양소이다. 비타민 D의 역할은 아이들이 건강한 뼈로 자라게 하는 것을 도와주며, 결핍 시 뼈에 칼슘이 붙기 어려워 뼈의 변형(안짱다리)이나 성장 장애 등이 일어나는 구루병(rickets)이 일어날 수 있다. 섭취로만 공급할 수 있는 엽산과는 다르게, 비타민 D는 음식으로 섭취해서 공급할 수도 있지만 햇빛(자외선)을 쐬어 인체 내에서 만들 수 있다. 인체 내에서 비타민 D를 합성하기 위해서는 콜레스테롤과 햇빛으로부터 공급되는 자외선 B 복사선(파장 범위 280~315㎚)이다.
엽산, 비타민 D에 따른 피부색의 선택적 진화
인간의 피부색을 보면 아프리카와 같은 열대 지역의 사람들은 검은 피부색을 가졌지만, 서양 유럽 사람들은 하얀 피부색을 가지고 있다. 이와 같은 차이는 위에서 언급한 엽산과 인체 내에서 합성하는 비타민 D와 관계가 있다.
엽산 구조 중 1,3,5,8-tetraazanaphthalene 속 고리의 확장된 방향족 π계(aromatic ring)는 생각보다 자유로운 전자의 움직임이 가능해 자외선을 강하게 흡수하며 구조적으로 변화를 일어난다. 즉, 비타민 D의 합성에 필요한 자외선 B 복사선이지만, 엽산에게는 구조 변형을 일으켜 엽산을 파괴하는 작용을 하는 것이다. 인간은 신체를 보호하는 털이 없어지는 쪽으로 진화해왔고, 햇빛이 강하게 내리쬐는 아프리카의 경우 많은 양의 자외선을 받을 수 있기 때문에 비타민 D의 합성은 원활히 되지만 체내에 저장된 엽산이 파괴돼 인체가 필요로 하는 엽산의 양을 충족시킬 수 없었다. 때문에 아프리카인들은 피부는 많은 양의 UV(자외선)에서 적응하기 위해 피부를 검게 하는 멜라닌 색소의 양을 많이 가지고 태어나는 쪽으로 진화를 해왔고, 그 결과 검은 피부가 되었을 것이다.
여기서 멜라닌 색소란 자외선을 막는 천연 보호막으로 이 멜라닌 세포는 티로시나제(tyrosinase), TRP1, TRP2 등 세 가지 효소의 영향을 받아 멜라닌이라는 어두운 색을 띤 물질을 만들어낸다. 검은색의 멜라닌은 자외선을 흡수해 자외선이 피부 깊숙이 침투하는 것을 막아주고, 세포에게 해를 입히는 유해산소나 유리기를 제거하는 일도 하여 피부의 건강을 유지시켜 준다. 때문에 같은 양의 자외선을 쬐었을 때, 피부가 검은 사람보다 흰 사람에게서 피부암 발생 비율이 월등히 높게 나타난다.
반대로 햇빛을 덜 받는 북쪽 위도의 유럽 사람들은 부족한 자외선으로 엽산은 체내에 필요한 양만큼 충분히 쌓이지만, 비타민 D의 합성이 부족해 결핍이 나타날 수 있었다. 물론 생선 등을 통해서 비타민 D의 흡수가 가능하긴 하지만 매번 생선을 구해서 밥을 먹기란 쉽지 않았을 것이다. 때문에 북유럽 서양인들은 부족한 비타민 D의 보충을 위해 멜라닌 색소를 최대한 줄이고 체내에 자외선을 최대한 많이 흡수할 수 있도록 진화했을 것이다. 즉, 피부를 검게 만드는 멜라닌 색소를 적게 가지고 태어남으로써 하얀 피부로 진화했을 것이다.
피부색에 따른 또 하나의 차이점이라면 피부암을 유발하는 자외선을 차단해주는 멜라닌 색소가 많은 흑인의 경우 피부암에 걸릴 확률이 백인에 비해 상당히 낮다고 한다. 이렇듯 질병에 대한 보호의 관점에서는 백색의 피부보단 흑색의 피부가 더 우월하지만, 서양 백인들의 흑인에 대한 식민지배로 백인이 흑인보다 우월하다는 잘못된 인식을 갖게 되었다. 결과적으로 피부의 진화를 살펴보자면 피부색은 인종적 정체성과는 무관하다는 뜻이며, 단순히 자신이 사는 환경에 맞게 진화해왔다고 설명이 된다.
화학과 법의학은 1863년 스코틀랜드 화학자 제임스 마쉬(James Marsh)가 자신의 이름을 붙인 마쉬 검사를 발표한 이래 불가분의 관계가 되어왔다. 마취 검사는 비소 (As, arsenic)와 안티몬(Sb, antimony)에 대한 검사 방법이다. 19세기 초반 비소 화합물들을 여러 가지 목적에 널리 사용하였으며 그 가격도 저렴하였다. 비소 화합물들은 적은 양으로도 사람을 죽일 수 있을 만큼 치명적이었고, 물에 쉽게 용해되고 냄새와 맛도 없으며, 검출하기 불가능하였기 때문에 당시 비소는 이상적인 독살 독극물로 사용되었다. 비소에 중독된 증상은 위장염과 아주 비슷하기 때문에 당시 많은 살인 사건의 희생자들은 자연사한 것으로 밖에 생각할 수 없었다.
이렇게 비소에 의한 살인이 의심되더라도 그를 증명할 방법이 없었다. 마쉬는 이러한 상황에서 살인자들이 무죄 방면 되는데 절망하여 검사법을 개발하였다. 1832년 마쉬는 할아버지의 커피에 비소를 넣어 살해한 죄로 기소된 존 보들의 재판에서 전문가로서 증언하였다. 의심이 가는 시료와 염산, 황화수소를 섞어 불용성의 삼황화비소(arsenic trisulfide) 침전을 만드는 방법인 표준 검사법을 선보였다. 하지만 실험을 할 당시에 시료는 분해되어 배심원들은 마쉬의 실험 증언을 받아들이지 않았다. 이날 일로 19세기 말까지 법정에서 법의학자의 증언에 신빙성을 두지 않았다. 마쉬는 이런 일이 다시는 일어나서는 안 된다고 생각하였고 신빙성 있는 검사법 개발에 몰두하였다. 이후 질량 분석기와 같은 현대적인 고가의 장비를 갖추지 못한 실험실에서 마쉬가 개발한 방법은 당시로서는 혁명적인 검사법으로 오늘날까지 범죄 수사에서 이용되고 있다.
범죄 수사에 사용되는 과학 원리
초기 범죄 수사 화학자들은 독성 물질들을 검출, 확인하는데 지대한 노력을 하였고, 현재는 과학 수사로 혈액 검출, 금지약물 추정검사, 지문 검사 등으로 확산되었다. 현대 범죄수사학에서는 고전적인 *습식 화학(wet chemistry)을 대신하여 고가의 기기들을 통해 분석을 하고 있지만, 아직 마약 의심 물질을 빠르게 추정 검사를 하는 데 사용될 정도로 습식 화학은 여전히 중요하다. 대표적으로 혈액 검출과 금지약물 추정 검사, 지문검사 분석 방법이 있다.
*습식 화학(wet chemistry) : 물질을 관찰하고 분석하는 사용되는 고전적인 화학 분석 방법의 형태
혈액 검출 방법
20세기 초반 범죄수사학자들은 혈액을 검사하는 방법을 알지 못하였다. 혈액을 검출하는 데 사용할 수 있는 방법은 혈흔을 현미경으로 관찰하여 적혈구 세포를 확인하는 것이었다. 하지만 이 방법은 혈흔이 최근의 것이 아니라면 그 결과를 신뢰할 수 없었다. 이에 많은 살인 용의자의 변호사들은 범죄 증거 중 하나인 혈흔을 녹이나 붉은 페인트라고 주장하여 법망을 빠져나갔는데 당시 범죄 수사학자들은 그런 주장을 반박할 수 없었다.
1901년 켄터키 대학의 조셰프 카스틀(Joseph Kastle) 박사는 간편하고 저렴하면서 신뢰할 수 있는 추정 검사 방법을 개발하였다. 후에 다른 범죄 수사학자의 제안에 따라 이 검사법을 개선하여 오늘날에도 사용되는 카스틀-메이어(Kastle- Mayer) 검사법이 라고 부른다. 이 방법은 코난 도일의 1888년 소설 셜록 홈스에 나오는 방법과 외견상 비슷하여 셜록 홈스 검사법이라고도 부르는데 헤모글로빈을 검사한다. 이 빠르고 저렴한 검사법은 에탄올, 과산화수소, *KM시약을 사용한다. 이 검사법은 비파괴 검사법이기 때문에 나중의 검사를 위해 시료를 보존할 수 있다.
에탄올은 용매로 작용하여 반응에 직접 참여하지는 않는다. 사람이나 동물의 혈액 성분인 헤모글로빈에 존재하는 과산화효소(peroxidase)는 색이 없는 페놀프탈레인을 핑크빛 페놀프탈레인 이온으로 변화시키는 화학 반응의 촉매로 작용한다. 이 효소는 그 효과가 매우 좋아, 효소 분자 한 개가 1초 동안 수백, 수천의 과산화수소 분자를 변환시키는 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 극미량의 혈액만 있어도 색 변화를 관찰할 수 있다.
*KM시약: 증류수 100ml, KOH 20g, 아연 가루 30g, 페놀프탈레인 가루 2g을 넣고 2~3시간동안 가열하면 붉은 보라색의 합성물이 무색으로 변하는데 이것을 Kastle-Meyer 시약이라고 부른다.
혈액을 검출할 수 있는 방법 중 다른 하나는 바로 루미놀 반응이 있다. 이는 루미놀(3–아미노프탈히드라디드)과 과산화수소수의 알칼리 혼합액에 혈색소, 또는 헤민이 작용하면 그 촉매작용에 의해 루미놀이 화학 발광하는 현상을 응용한 것이다. 화학발광검사법이라고도 불리는데, 반흔이 KM시약보다 훨씬 빠르며 타액, 정액, 오줌 등과 반응하지 않고 선택적으로 혈액에만 반응하며 1~2만 배로 희석된 혈액에도 반응하기 때문에 현재는 가장 많이 쓰이는 혈액 검출 방법이다. 오래된 혈흔 역시 반응이 예민해서 검출이 가능하다.
금지약물 추정검사
마약 단속반에서는 압수한 물질이 금지 약물인지 즉시 검사할 필요가 있다. 현장에서 압수한 물품에 헤로인과 같은 금지 약물이 있는지 빠르게 판단을 해야 되기 때문에 추정 검사는 마약 단속에서는 꼭 필요한 검사방법이다. 이 금지약물 추정 검사는 소량의 시약들과 먼셀 표색표(Munsell Color Chart)등이 들어있는 키트를 사용하여 간편하게 할 수 있다.
Munsell Color System
금지 약물 추정 검사의 단점은 오류가 생길 수도 있다는 점이다. 금지 약물이 아닌 합법적인 약물이 금지 약물에 대한 양성 반응을 보일 수 도 있다. 이런 오류는 동일 금지 약물에 대하여 여러 가지 추정 검사를 통해 해결할 수 있다.
지문 검사
지문 검사는 범죄수사학의 기초이다. 유리, 매끈한 금속 같은 표면에 있는 지문은 배경 표면과 대비되는 색을 가진 미세한 가루를 뿌리면 드러난다. 하지만 종이와 같은 물질에 잠복한 지문은 미세가루로 찾아내기가 매우 힘들다.
요오드 훈증은 이런 표면에 잠복한 지문을 찾기 위해 개발된 첫 번째 방법이었다. 종이와 같은 시료를 요오드 결정과 함께 통 안에 넣고 요오드를 가열하면 요오드는 승화하여 보라색 증기가 되어 붙는다. 요오드는 고체로 응축하는데 지문에 있는 기름에 선택적으로 흡착하여 흐린 오렌지 표시로 지문을 보여준다. 이는 잠복한 지문에 표시 물질이 물리적으로 결합하는 것에 따르기 때문에 미세가루를 사용하는 원리와 비슷하다. 요오드 증기는 매우 미세한 가루처럼 작용한다. 요오드 훈증은 시료를 파괴하지 않기 때문에 오늘날에도 사용된다. 요오드 증기로 드러난 지문은 요오드가 승화함에 따라 점차 사라지고 시료는 원래 상태가 된다. 이렇게 되기 전에 드러난 지문을 사진으로 찍거나 녹말 수용액으로 처리하여 현상할 수 있다. 요오드-녹말 반응은 무늬를 더 진한 푸른색으로 만들고 이는 몇 주 혹은 몇 달간 남는다. 시료의 원래 상태를 보존하는 것이 중요하지 않으면, 요오드와 반응하여 영구적인 무늬가 되는 용액으로 처리하여 드러난 무늬를 현상할 수 도 있다.
종이와 같은 표면에 있는 잠복한 지물을 찾는 데 사용한 또 다른 방번은 질산은 (silver nitrate)로 현상하는 것이었다. 질산은 용액을 분무하거나 부드럽게 솔질하는 방법인데 질산은은 잠복한 지문에 있는 염(salt)과 반응하여 염화은 (silver chloride)을 만든다. 남아있는 질산은은 시료를 햇빛이나 자외선에 노출한 후에 증류수로 씻어낸다. 자외선은 염화은에 있는 은 이온을 금속은으로 환원시키는데 이는 주황 또는 검은색 표시로 보인다. 시료를 질산은으로 처리하는 것은 비가역적이기 때문에 질산은 방법은 요오드 훈증보다 덜 사용된다.
NaCl(s)+AgNO₃(aq)→AgCl(s)+NaNO₃(s)
세 번째 방법으로는 지문에 미량의 아미노산이 남아 있다는 점을 이용한다. 닌히드린(ninhydrin, C₉H₆O₄)은 아미노산의 분해 생성물과 반응하여 루히만 보라(Ruhemann‘s Purple)이라고 부르는 진한 파란색 또는 파랑-보라색 염료를 만든다. 에탄올이나 아세톤에 녹인 닌히드린 용액을 시료에 분사하면 잠복한 지문이 상온에서 한두 시간 후에 완전히 드러난다. 이과정은 시료를 오븐에서 80~100℃로 가열하면 빨라진다.
실제로 이 방법들을 적용하는 순서는 매우 중요하다. 요오드 훈증은 가역적이기 때문에 항상 제일 먼저 사용된다. 요오드 훈증으로 좋은 결과를 얻지 못하면 닌히드린 방법을 그다음에 적용한다. 닌히드린 방법으로도 좋은 결과를 얻지 못하면 잠복한 지문에 남아있는 미량의 염을 이용하는 질산은 방법을 시도한다. 질산은 방법은 시료에서 지방산과 아미노산을 없애기 때문에 질산은 방법이 실패하면 시료가 사라져 더 이상의 분석은 힘들 수 있다.
과학수사에서 개인을 식별, 인증하는 방법으로 오랫동안 중요하게 사용되어 온 것은 손가락 지문이었다. 1880년 일본에서 일하던 영국인 의료 선교사인 헨리 폴즈(Henry Faulds)가 지문이 범죄자의 신원을 파악할 수 있는 과학적인 수단이라는 논문을 ‘네이처’지에 발표하였고, 1892년 영국의 유전 통계학자 프랜시스 골턴이 ‘핑거프린트(지문)’라는 저서를 통해 지문이 실제 수사에 본격적으로 사용되기 시작했다.
하지만 손가락 지문은 개개인에 모두 다르며 평생 변하지 않는다는 특징 때문에 개인을 식별하는데 널리 사용되어 왔다. 그러나 손가락 지문은 손가락 끝에만 존재하며, 지문을 남기지 않는 지능형 범죄에서는 수사에 도움이 되지 않는다는 단점이 있었다.
그렇게 시간이 흘러 영국 레스터대의 유전학자인 알렉 제프리(Alec Jeffrei) 교수가 인간 미오글로빈 유전자 연구 중 33개의 염기쌍이 반복 배열함을 발견하고 이를 미니위성(minisatellite)이라 칭하고 이들 배열이 일정하게 직렬로 반복되는 것을 발견하였다. 이 반복되는 배열이 개개인에 따라 모두 다른 손가락 지문처럼, DNA상 특정 부위가 개인마다 고유의 패턴을 가지고 있어 손가락 지문과 같은 역할을 한다는 의미에서 유전자 지문(DNA fingerprint)이라고 명명하였다. 그러나 이 유전자 분석기법은 그 기술상의 문제로 인하여 보편화되지는 못했지만 이후에 1980년대 제한효소 절편 길이 다형성(Restriction Fragment Length Polymorphism, RFLP)방법이 나오면서 다시 활기를 띠었다.
DNA(DeoxyriboNucleic Acid)는 우리 몸에 있는 모든 세포의 핵에 존재하며 개인의 모든 세포에서 동일한 패턴을 가지고 있다. 따라서 어떤 신체 부위든 DNA가 존재하는 소량의 조직만 있다면 그 조직의 개인을 식별해 낼 수 있는 유용한 방법이 되는 것이다. 이와 같은 특성으로 인해 소량의 혈액이나 정액, 타액, 땀, 오줌, 눈물을 이용하여 유전자 지문 분석이 가능하며 담배꽁초나 입을 댄 자국, 머리카락 모근의 모낭에서도 DNA를 채취하여 분석할 수 있다. 또한 기본적인 DNA의 구조는 매우 안정하여 사체에서도 상당히 오랫동안 남아 있을 만큼 수명이 길다는 장점이 있어서, 유전자 지문(DNA ingerprint)은 과학수사에서 개인을 찾아내고 구별하는 중요한 수단이 되었다.
유전자 지문 분석 방법
DNA(DeoxyriboNucleic Acid)는 유전 정보를 담고 있는 생명을 이루는 기본 물질이며, 뉴클레오티드라고 하는 단위 물질이 수없이 연결되어 있는 고분자 유기물이다. 이 뉴클레오티드는 보통 염기라고 하는 물질과 탄수화물의 일종인 펜토오스(pentose), 그리고 인산이 각각 한 분자씩 구성된 것이다. 이중 염기에는 아데닌(adenine ; A), 구아닌(guanine ; G), 시토신(cytosine ; C) 및 티민(thymine ; T)이다. 따라서 디옥시리보핵산을 구성하는 뉴클레오티드는 A를 가진 것, G를 가진 것, C를 가진 것, 그리고 T를 가진 것의 4종류가 있다. 이 4종의 뉴클레오티드가 무수히 많이 연결된 것이 바로 DNA이며, 4종의 뉴클레오티드의 배열순서에 따라 다른 DNA가 만들어진다. 4종류의 뉴클레오티드가 수천 개 또는 수만 개 연결될 때 그 배열 순서에는 무한히 많은 종류가 있을 수 있으므로 그 결과 만들어지는 DNA의 종류도 무한히 많을 수 있다. 생물에 무수히 많은 종류의 유전자가 있을 수 있는 것은 DNA의 종류가 무수히 많을 수 있기 때문이다.
인간의 경우 총 46개 염색체 속의 DNA는 약 30억개 염기쌍을 만들 수 있으며, 일란성 쌍둥이를 제외하고는 각기 다른 DNA 염기서열을 가지고 있다. 이런 특징을 이용해 DNA 염기서열을 분석하면 각 개인의 유전적 차이를 식별할 수 있다.
그러나 아무리 과학이 발달했다 해도 30억 쌍이나 되는 수많은 DNA를 처음부터 끝까지 비교하기란 쉽지 않다. 따라서 어떤 특정 부위를 잘라서 비교하거나 (RFLP) 유난히 다형성이 심해서 개개인마다 서로 다른 초변이성 염기서열을 갖는 부위 (STR, VNTR)만을 집중 분석하는 기법이 사용되고 있다.
(1) RFLP
RFLP(restriction fragment length polymorphism)는 1980년 데이비드 보스테인(David Bostein)과 그의 동료들이 제한효소(restriction endonuclease)로 가계 지도를 작성하던 중 처음 발견되었다. RFLP는 염기서열의 특정부위에 점 돌연변이가 발생하면서 제한효소로 이 부위를 절단했을 때 생기는 절편의 길이가 사람마다 모두 다르게 나타나는 점을 이용한 분석법으로, 이렇게 조각된 DNA를 젤 전기영동의 방법을 사용하면 서로 다른 띠 모 양을 볼 수 있으며 이를 통해 개개인을 식별할 수 있다. 즉, 사람마다 뉴클레오티드의 배열순서가 다르기 때문에 특정 제한효소에 의해 잘린 DNA 절편의 크기가 다양하게 나타나며, 이런 절편들을 길이에 따라 분리해 나타낸 것이 'DNA 지문'인 것이다.
2) STR, VNTR
오늘날 유전자 지문 검사는 유난히 다형성이 심해서 개개인마다 서로 다른 초변이성 염기서열을 갖는 부위만을 집중 분석한다. 이런 다형성을 갖는 DNA 부위는 그 종류에 따라 STR, VNTR 등이 있는데, 이 부위들 역시 일란성 쌍둥이를 제외하고는 모든 사람이 서로 다르다. 때문에 이를 주로 ‘유전자 지문’이라고 한다.
STR(short tandem repeat)은 2~9개의 짧은 염기서열이 반복적으로 나타나며, VNTR(variable number of tandem repeat)은 10~100개의 염기서열이 반복적으로 나타난다. 초기에는 VNTR을 대상으로 유전자감식이 이루어졌지만, 요즘은 주로 STR을 대상으로 하여 분석이 이루어진다. 예를 들면 STR 부위의 염기서열이 ‘GTAGTAGTAGTA’로 된 경우 GTA가 네 번 중복된 것인데, 이 같은 반복 패턴의 수가 사람마다 다양하게 나타난다. 즉, 어떤 사람은 GTA가 6번 연속적으로 중복된 서열을 가질 수도 있고, 또 다른 사람은 이런 반복을 12개나 가질 수도 있다.
지난 30여 년 동안의 DNA 염기서열에 대한 정보가 데이터베이스로 구축된 결과, 친자확인에 사용할 수 있는 이 같은 염기서열의 반복 부위가 수십 군데 알려져 있다. 그 가운데 15~18개의 STR 좌위를 조사해 모두 일치하면 99.99% 친자 관계라고 판단한다. 반면 1개라도 일치하지 않는 좌위가 있을 경우 돌연변이가 아닌 이상 친자 확률은 0이 된다.
3) PCR (중합 효소연쇄반응)
1995년 캐리 멀리스(Kary Mullis)가 개발한 이 방법은 DNA의 특정 부위를 분리 및 추출해 대량으로 증폭시킨 후 증폭된 DNA를 크기별로 분석함으로써 유전자의 일치 여부를 가려낸다. 감수성과 특이성이 가장 높은 DNA분석법 중 하나로 효소를 이용, DNA 분자의 선택된 부분을 시험관 내에서 수백만 배 이상 증폭시킨 후 그 DNA산물을 다양한 방법으로 분석해 유전자에 대한 정보를 얻는다.
유충 호르몬(Juvenile Hormone, JH)이란 곤충의 변태를 조절하는 물질이다. 이 물질은 야생 비단 나방 수컷에서 만들어지고, 적당한 성장 단계에 도달할 때까지 유충의 성장을 지연시킨다. 유충 호르몬에 노출되면 곤충 변태는 번데기 상태에서 멈춘다. 때문에 유충 호르몬에 노출된 모기는 사람을 물고 알을 낳고 번식할 수 있는 성충으로 자라지 못한다. 이를 이용해 말라리아, 황열병, 웨스트나일 바이러스와 같이 모기를 매개체로 하는 질병을 줄일 수 있는 가능성을 가지고 있다.
하지만 유충 호르몬은 불안정하고, 천연적으로 추출하거나 인공적으로 합성하기가 어려워 이러한 잠재 가능성을 실현시키는데 어려움이 있다. 이에 유충 호르몬보다 더 안정적이며, 생체 활성이 유효하고, 인공적으로 합성하기 쉬운 유도체들이 대안으로 고려되어 왔다.
유충 호르몬(Juvenile Hormone, JH)
이러한 상황에서 합성 화합물인 메토프렌(methoprene)이 이러한 상황에서 해결책으로 떠올랐다. 초기 유충 호르몬 유도체의 합성은 생체 활성이 매우 나쁜 화합물들을 얻은 결과와 달리, 메토프렌은 다양한 해충에 대해 1000배의 활성을 보이고 있다. 이는 유충 호르몬과 같은 효과를 나타냄으로 직접적으로 해충을 죽이지는 않지만 성충이 되는것을 막아 살충의 효과를 낼 수 있다. 예를 들어 모기가 숨 쉴 것 같은 지역에 메토프렌을 작은 입자 형태로 살포하면 번데기 상태를 지나 생존하는 것을 막는다. 현재는 벼룩, 모기, 불개미에 효과적이어서 여러 가지 이름으로 시판되고 있다. 또한 메토프렌은 실내의 벼룩 감염을 막기 위해 사용될 수 있어서 기존의 살충제 사용량을 줄일 수 있다는 것이 장점이다. 여기에 메토프렌은 유해하고 강력한 살충제인 DDT와 같은 염소화 살충제와는 다르게 야채에 대해 비교적 낮은 독성을 가지고 있으며, 환경에서 오랫동안 남아있지 않는다. 이 물질은 살포 후 몇 주 또는 몇 개월 동안 안정하지만, 태양 빛에 의해 무해한 작은 분자로 분해된다. 따라서 메토프렌과 다른 여러 가지 유충 호르몬 유도체들은 해충 조절의 중요한 핵심으로 자리 잡고 있다.
메토프렌(methoprene) 합성 방법
메토프렌(methoprene, 유충 호르몬 유도체)
메토프렌의 합성은 옥시수은첨가반응과 수은이탈반응(oxymercuration demercuration mechanism)으로 삼차 메틸 에스터를 만든 후, 에스터 가수분해반응(esterification mechanism)과 일차알코올의 PCC 산화반응(pcc oxidation mechanism)으로 알데하이드를 합성하는 반응을 이용하여 만들 수 있다.
비교적 작은 분자인 단량체(monomer)들이 반복적으로 결합되어 만들어진 분자를 고분자(polymer) 혹은 거대분자(macromolecule)라고 한다. 고분자들은 작게는 수백 개에서 많게는 수백만 개의 원자들이 공유결합으로 연결된 복잡한 구조를 갖는다. 아래 반응으로 설명하면 단량체는 왼쪽의 에틸렌(ethylene), 만들어진 고분자는 오른쪽의 폴리에틸렌 (polyethylene)이다. 폴리에틸렌의 경우 화학적으로 정확한 이름은 아니지만 우리가 흔히 ‘비닐’이라고 부르는 물질이다.
이밖에도 생활에서 널리 쓰이는 플라스틱 제품들, 고무, 실리콘이라고 부르는 접착제 등은 고분자로 만든 것들이다. 이런 고분자들을 만드는 데 한 가지 단량체만 사용되지 않고 두 개 이상의 단량체를 사용하는 경우도 많다. 일반적으로 고분자 제품은 단량체뿐만 아니라 여러 가지 화합물들을 첨가하여 원하는 특성을 갖도록 한다.
고분자 물질은 자연에도 많이 존재한다. 나무나 풀의 줄기는 셀룰로스(cellulose)라는 고분자 물질로 당류의 하나인 글루코오스(glucose) 수천 개가 결합한 물질이다. 단백질은 자연에 존재하는 20개 아미노산이 단량체인 고분자 물질이며, 유전 정보를 전달하는 물질인 핵산(DNA 혹은 RNA)은 4 종류 단량체가 결합한 고분자 물질이다. 단백질이나 핵산과 같이 여러 종류의 단량체로 이루어진 고분자를 헤테로 폴리머(heteropolymer)라고(heteropolymer) 하고, 한 가지 단량체로 만들어진 고분자를 호모폴리머(homopolymer)라고 한다.
많은 고분자들은 유기화합물인데, 실리콘과 같은 무기물질로 만들어진 고분자도 활발하게 개발하고 있다. 강철과 같은 강도의 고분자나 생체에서 거부 반응을 보이지 않아 인공뼈나 인공 장기로 사용될 수 있는 특별한 기능을 가진 기능성 고분자에 대한 관심도 매우 높다.
나일론의 개발 배경과 합성 방법
석탄, 물, 공기에서 만들어진 나일론은 최초의 상업적으로 성공한 합성 고분자 물질이었으며, 최초의 합성 섬유(synthetic fiber)였다. 나일론은 1935년 듀퐁(DuPont) 사의(DuPont) 캐로더스 Carothers가 이끄는 연구팀에 의해서 처음 만들어져 합성 섬유로 사용되고 있는 고분자 폴리아미드(polyamide, 아미드[-CO-NH- 기를 가진 화합물]가 중합된 고분자)들의 상품명이다. 처음 나일론이 사용된 상품은 1938년에 판매된 칫솔로, 그 솔을 나일론으로 만들었다. 1940년 그 유명한 나일론 스타킹이 판매되었다. 제2차 세계대전 중에는 낙하산의 실 등 많은 군사 용품에 나일론이 사용되었다. 나일론은 섬유뿐만 아니라 고체 덩어리로, 강도를 가진 기계의 부품으로도 널리 사용된다.
합성한 나일론을 잡아당기고 있는 캐로더스
나일론을 합성한 것으로 알려진 캐로더스는 원래 하버드 등 대학에서 연구 활동을 하였는데, 1927년 듀퐁사가 상업적 가치를 제품의 개발이 아닌 기초 연구를 지원하기 위하여 초빙한 유기화학자였다. 나일론은 단량체들의 중합(polymerization) 과정과 분자량이 매우 큰 고분자 물질을 만들어보려는 캐로더스의 호기심에서 만들어진 물질로, 기초 연구가 상업적으로 성공할 수 있는 대표적 예로 많이 소개되기도 한다.
hexamethylenediaminesebacoyl chloride
위 두 물질, 헥사메틸렌다이아민(hexamethylenediamine, NH2(CH2)6NH2)과 염화세바코일(sebacoyl chloride, Cl-CO-(CH2)8-CO-Cl)이 결합하여 나일론-6,10이 합성된다. 여기서 6은 다이아민(diamine) 화합물에 포함된 탄소의 수이고, 10은 다이카복실산(dicarboxylic acid) 또는 다이카복실산의 염화물에 포함된 탄소의 수이다.
이 실험에서는 위 두 물질을 서로 섞이지 않는 물과 유기 용매 층에 각각 녹인 후 두 층을 섞어주면서 물과 유기 용매 사이의 계면에서 나일론이 합성된다.
인간의 한계를 뛰어넘으며 총알 탄 사나이로 불렸던 미국의 타이슨 게이와 자메이카의 아사파 파월 선수 모두 금지 약물검사 결과 양성반응이 나와 국제 스포츠계에 충격을 주었으며, 세계 무대로 날아오르던 한국 육상의 날개 이진일 씨처럼 약국에서 무심코 사 먹은 감기약 3 알속에 금지약물인 클렌부테롤이 포함되어 있어 4년의 자격 정지 처분이 떨어지기도 한다.
이러한 불법적인 약물들로 인해 스포츠의 공정성을 훼손하지 않기 위해서 약물을 검출할 수 있는 기술은 날로 발전해왔다. 그 중 하나가 바로 기체 크로마토그래피(GC, gas chromatography)이다. GC 기기를 이용하여 테스트 시료를 각각의 성분으로 분리(column)하고, 고분해능 질량분석법을 이용하여 각 성분을 분석한다. 불법 약물 투여와 같은 부정행위를 성공적으로 밝혀내기 위해서는 극도의 민감성과 정량 분석의 정확도에 달려있다. 때문에 긴 관을 이용해서 각 물질의 성분에 따른 차이로 분리를 확실하게 시키며, 긴 관 때문에 소요되는 시간과 압력을 해소하기 위해 액체가 아닌 기체를 사용한 기체 크로마토그래피가 사용된다. 여기에 미량의 분자로도 정량 및 정성 분성이 가능한 질량 분석기를 검출기로 연결하여 소량의 약물도 검출이 될 수 있도록 하는 것이다.
불법 약물 스테로이드의 검출 방법
불법 약물 중 가장 흔히 듣는 것이 바로 스테로이드 제이다. 테스토스테론과 같은 아나볼릭 스테로이드(anabolic steroid, 근육 증강제) 복용이 의심되는 경우에는 두 가지 방법이 사용된다. 첫 번째는 테스토스테론(T)과 이것의 *입체 이성질체인 에피테스토스테론(E)의 비율을 측정한다. 이때 T의 경우 경기력 향상에 도움이 되지만, T와 다르게 E의 경우 경기력 향상에 아무런 영향을 끼치지 않는다. E와 T는 사람의 생체에서 거의 같은 양의 비율로 존재한다. 만약 선수가 T를 복용하게 되면 T:E의 비율이 달라지게 되며, 이것을 위의 방법으로 분석하여 불법 약물 투여 여부를 확인하는 것이다.
때문에 비율이 바뀌는 것을 방지하기 위해 T와 E를 동시에 투여하는 운동선수도 있다고 한다. 하지만 생물학적 특이점을 이용하여 질량 분석법으로 이러한 경우 역시 골라낼 수 있다고 한다. 실물에서 유래된 화합물에서 만들어지는 합성 스테로이드는 사람의 몸에서 생합성되는 스테로이드에 비하여 탄소(12C)의 *동위원소인 13C의 비율이 약간 낮기 때문이다. 물론 그 차이는 12C 천 개당 13C 몇 개에 해당할 정도로 작지만 현재의 기술로는 충분히 구분할 수 있다. GC를 이용하여 시료에서 분리된 스테로이드를 연소시켜 CO2로 변환시킨 후에, 질량 분석계를 이용하여 12CO2와 13CO2의 비율을 측정한다. 이때 12C와 13C의 비율이 보통 사람의 스테로이드에서 발견되는 비율과는 크게 차이가 나며, 식물에서 합성되어 만들어지는 스테로이드의 비율에 근접하게 되면 이 시료의 주인은 약물 복용을 했다는 강력한 증거로 볼 수 있다.
*입체 이성질체: 동일한 화학구조를 가지고 있고, 구성하는 원자 간의 결합 순서도 동일하지만 삼차원 구조는 다른 분자들을 입체이성질체(stereoisomer)라고 한다. 테스토스테론의 경우 구조 중 고리에 있는 하이드록시기가 "위"에 있으며 에피 테스토스테론의 경우 "아래"로 향한 것 빼곤 동일한 구조를 지니고 있다.
*동위원소: 핵(nucleus)을 이루는 중성자(neutron)의 수는 다르지만 양성자(proton)의 수는 같아서 원자번호가 같고 화학적 성질도 같은 원소를 부르는 말이다.
mRNA백신이란 차세대 유전공학 백신으로 불릴 만큼 혁신적인 백신이었습니다. 코로나 백신을 예로 들면 코로나 바이러스라고 불리게 된 이유는 그림과 같이 표면 돌기가 2차원적 사진에서 보면 왕관 모양을 형성하고 있습니다. 코로나란 라틴어로 왕관이란 뜻으로 왕관의 모양을 한 바이러스라 해서 코로나 바이러스로 불리게 됐습니다. 이 코로나 바이러스의 돌기 부분을스파이크 단백질(S-protein)이라 불리는데 바로 이 부분을 우리 몸 안에서 직접 만들고, 만들어진 단백질을 외부 침입자로 간주해 항원-항체 반응이 일어나 항체를 형성하는것이 mRNA 백신의 핵심입니다. 자세히 설명하자면 스파이크 단백질을 인위적으로 mRNA를 만들어 인체에 주입하면 리보솜으로 이동하고, 세포 내 리보솜은 mRNA 코드를 읽고 이를 사용하여 일련의 아미노산을 결합하여 단백질을 만듭니다. 단백질이 세포 밖으로 세어나가 돌기가 생성되는데 즉, 코로나 바이러스와 껍데기만 같은 바이러스 단백질이 형성되는 것입니다. 이에 몸에서는 항체를 만들고 자연스럽게 백신의 효과를 나타나게 됩니다. 이렇게 만들어진 항체는 코로나 바이러스가 우리 몸에 침투 시 코로나 바이러스의 스파이크 단백질에 반응해 코로나 바이러스를 죽일 수 있는 것입니다.
mRNA 백신의 장점
기존 백신의 경우 크게 3가지의 백신 개발 방법이 있습니다. 첫 번째는 대장균에서 플라스미드를 분리하여 일부를 절단하고 항체 형성에 필요한 바이러스의 DNA를 삽입 후 다시 대장균에 넣어 대량으로 증식시켜 백신을 만드는 방식입니다. 두 번째 방식은 무균상태에서 원숭이, 강아지의 신장세포를 대량으로 배양시킨 후 바이러스에 노출시켜 바이러스를 증식시킵니다. 후에 세포와 바이러스를 분리하고 불활성화, 약화 과정을 거쳐 정제하여 백신을 만듭니다. 마지막 세번째는 유정란(계란)에 바이러스를 주입하여 바이러스 단백질을 배양하고, 바이러스만 정제 및 분리하여 백신을 개발합니다. 이 방법은 전 세계 백신 개발의 90%가 이 방법을 사용할 정도로 안정적이지만 바이러스 단백질이 만들어질 때까지 3~4개월이 소요된다는 단점이 있습니다.
mRNA 방식의 백신은 유전물질을 인체에 삽입하여바이러스 단백질을 인체내에서 직접 만들기 때문에 개발 기간이 최소 3~4개월이 단축된다는 장점이 있습니다. 여기에 기존 바이러스 백신은 약해진 바이러스를 인체에 투입합니다. 바이러스 자체를 투입하기 때문에 투여받는 사람의 건강상태에 따라 부작용이 생길 확률이 있습니다. 하지만mRNA 백신의 경우 바이러스를 투입하는 것이 아니기 때문에 비교적 안정하다는 장점이 있습니다.
mRNA 백신의 단점
미국 대형 제약회사에서는 mRNA 백신을 상용화만 안 했을 뿐이지 만들 충분한 기술력과 기반을 다져놓은 상태였습니다. 상용화를 하지 않은 이유는 빠르게 생산할 수 있는 장점에 비해영하 70도에서 보관해야 하는 mRNA백신의 특성상 운송 및 유지비용이 부담스러웠을 것입니다. 또한 콜드체인(최종 소비자에게 보내는 과정에서 온도를 낮게 유지하는 시스템)까지 형성해야하는데 백신 수요가 작으면 배보다 배꼽이 큰 상황이 올 수 있기 때문입니다. 실제로 영하 70도를 유지해야 하는 화학 분석 기기 중 proton NMR(nuclear magnetic resonance) 기기가 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는*MRI (nuclear magnetic resonance imaging)의 기본 원리가 되는 기기입니다. 이 기기는 연구를 하는데 있어 물질 규명을 할 수 있는 중요한 기기지만 규모가 큰 대학교의 공동기기실에만 있습니다. 이유는 기기를 유지하기 위해선 액체 질소로 유지를 해야 하는데 이 유지비용만 일 년에 억 단위로 소모가 되기 때문입니다. 이처럼 영하 70도 유지란 생각보다 유지비도 클뿐더러콜드체인 과정에서 문제가 생기면 백신이 제대로 작용할 수 없기 때문에 운송 과정 관리비도 문제가 됩니다. 따라서 전 세계를 수요로 하는 코로나 백신이야 말로 mRNA를 생산하여 테스트해보기에 최적의 상황입니다. 이러한 냉각 및 운송 과정이 기술의 발달로 더 나은 상태가 되면 이번 백신 개발을 발판 삼아 전 세계 백신 시장의 판도를 바꿀 수 있을 것입니다. *MRI : 실제 이름은 NMRI(핵자기공명영상)이지만 핵이란 단어에 부정적인 사람들의 인식상 nuclear를 뺀 나머지만 읽음
