암 정복의 역사는 '부작용과의 전쟁'이었다. 기존의 방사선이나 항암제는 암세포뿐만 아니라 정상 세포까지 무차별 폭격해 탈모, 구토, 면역 저하 같은 고통을 수반했다. 과학계가 오랫동안 암세포만 정밀 타격하는 '마법의 탄환'을 찾아 헤맨 이유다.

최근 스위스 제네바대학교(UNIGE)와 독일 마르부르크대학교 공동 연구진이 생명의 기본 블록인 아미노산의 '거울상(Mirror image)' 구조를 이용해 이 난제를 풀 실마리를 찾았다. 연구진은 특정 아미노산의 '쌍둥이 분자'가 정상 세포는 건드리지 않고, 오직 암세포의 숨통만 조인다는 사실을 밝혀내 국제학술지 '네이처 메타볼리즘(Nature Metabolism)'에 발표했다.

왼손 장갑을 오른손에 낄 수 없는 이치

아미노산의 '거울상(Mirror image)' 구조 발견을 이해하려면 먼저 생명의 기묘한 특성인 '카이랄성(Chirality·손대칭성)'을 알아야 한다.

자연계의 분자들은 화학식은 똑같지만, 구조가 거울에 비친 것처럼 정반대인 두 가지 형태가 존재한다. 마치 왼손과 오른손이 겹쳐지지 않는 것과 같다. 이를 'L형(좌선성)'과 'D형(우선성)'이라 부른다.

흥미로운 점은 우리 몸을 포함한 지구상의 모든 생명체가 단백질을 만들 때 오직 'L형' 아미노산만 사용한다는 것이다. 'D형'은 자연계에 존재하지만, 생체 활동에는 거의 쓰이지 않는, 일종의 '그림자 분자' 취급을 받아왔다. 연구진은 바로 이 지점에 주목했다. "생명체가 외면해 온 D형 아미노산이 암세포에는 어떤 영향을 미칠까?"

암세포만 열어주는 '지옥의 문'

연구진은 아미노산의 일종인 시스테인(Cysteine)의 거울상 분자, 'D-시스테인(D-cysteine)'을 실험에 투입했다. 결과는 놀라웠다. 정상 세포는 D-시스테인을 거들떠보지도 않았지만, 특정 암세포들은 이를 걸신들린 듯 빨아들였다.

비결은 '수송체(Transporter)'에 있었다. 세포막에는 영양분을 받아들이는 전용 출입문(수송체)이 있는데, 연구진이 발견한 특정 수송체는 오직 암세포 표면에만 존재했다.

이것은 마치 '트로이 목마'와 같다. 암세포는 D-시스테인을 영양분인 줄 알고 전용 문을 열어 받아들인다. 하지만 일단 세포 안으로 들어온 D-시스테인은 영양분이 아니라 치명적인 독으로 돌변한다. 반면, 이 전용 문이 없는 정상 세포는 D-시스테인이 곁에 있어도 흡수하지 않아 아무런 피해를 입지 않는다. 연구를 주도한 장클로드 마르티누 교수는 "정상 세포와 암세포의 대사적 차이를 완벽하게 파고든 전략"이라고 설명했다.

세포의 배터리, 미토콘드리아를 셧다운 시키다

세포 내부로 침투한 D-시스테인은 암세포의 심장부인 미토콘드리아를 정조준한다. 구체적으로는 미토콘드리아 내부에 있는 'NFS1'이라는 효소를 마비시킨다.

NFS1은 세포의 호흡과 에너지 생산, DNA 합성에 필수적인 '철-황 클러스터(Iron-sulfur clusters)'를 만드는 핵심 효소다. D-시스테인에 의해 NFS1이 차단되면, 암세포는 에너지를 만들지 못하고(호흡 곤란), 유전 정보(DNA)를 복제할 수도 없게 된다. 결국 배터리가 방전된 기계처럼 암세포의 성장과 증식이 멈춰버리는 것이다.

마르부르크대 롤란드 릴 교수는 "D-시스테인은 암세포 내부에서 연쇄적인 붕괴를 일으킨다"며 "에너지 생산 중단, DNA 손상, 세포 주기 정지라는 삼중고를 겪게 만든다"고 분석했다.

부작용 없이 암 성장 억제…전이 막을 가능성도

연구진은 공격성이 매우 강한 유방암을 이식한 쥐 모델에 D-시스테인을 투여했다. 결과는 고무적이었다. 암세포의 성장은 눈에 띄게 느려졌고, 쥐에게서 체중 감소나 장기 손상 같은 중대한 부작용은 발견되지 않았다. '선택적 독성'이 생체 내에서도 작동함을 입증한 셈이다.

물론 상용화까지는 넘어야 할 산이 있다. 인간에게 투여했을 때의 적정 용량과 장기적인 안전성을 확보해야 한다. 하지만 연구진은 D-시스테인이 암의 성장뿐만 아니라, 암세포가 다른 장기로 퍼지는 '전이(Metastasis)'를 억제하는 데도 효과가 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 '더 강한 독'을 쓰는 것이 능사가 아님을 보여준다. 대신 암세포가 가진 생물학적 허점, 즉 '거울 분자'를 구별하지 못하고 받아들이는 탐욕을 역이용하는 '정밀한 덫'이 미래 항암 치료의 핵심이 될 것임을 시사한다. 자연이 선택하지 않은 '오른손(D형)' 분자가, 인류를 괴롭히는 암을 잡는 '신의 한 수'가 될지 학계가 주목하고 있다.