1940년 8월 23일, 미국의 생화학자 토머스 A. 스타이츠 (Thomas Arthur Steitz, 1940 ~ 2018) 출생

1940년 8월 23일, 미국의 생화학자 토머스 A. 스타이츠 (Thomas Arthur Steitz, 1940 ~ 2018) 출생

토마스 아서 스타이츠 (Thomas Arthur Steitz, 1940년 8월 23일 ~ 2018년 10월 9일)는 미국의 생화학자이다. “리보솜의 구조와 기능에 대한 연구”로 2009년 벤카트라만 라마크리슈난, 아다 요나트와 함께 노벨 화학상을 공동 수상했다.

– 토머스 A. 스타이츠 (Thomas Arthur Steitz)

.출생: 1940년 8월 23일, 미국 위스콘신 밀워키

.사망: 2018년 10월 9일, 미국 코네티컷 브렌포드

.국적: 미국

.배우자: 조안 A. 스타이츠 (1966 ~ )

.학력: 하버드 대학교, 로렌스 대학, Wauwatosa East High School

.수상: 노벨 화학상, Keio Medical Science Prize, Canada Gairdner International Award

토머스 A. 스타이츠는 미국의 생화학자, 분자 생물리학자이며, X선 결정학을 이용한 리보솜 구조 연구로 2009년 노벨 화학상을 수상했다.

위스콘신 주 밀워키에서 태어나 로렌스 대학교에서 화학을 전공하고 하버드 대학교에서 생화학 및 분자 생물학으로 박사 학위를 받았다. 1970년부터 예일 대학교 교수로 재직하며 50S 리보솜 소단위체의 원자 구조를 밝혀냈고, 리보솜을 기반으로 한 신약 개발 회사인 Rib-X Pharmaceuticals의 창립자이기도 하다.

대학생 시절이던 1963년, 토머스 스타이즈는 막스 페루츠(케임브리지 소재 MRC 분자생물학 연구소)에게 미오글로빈(myoglobin)의 구조에 관한 강연을 들었다.

미오글로빈은 원자수준 해상도의 구조가 밝혀진 최초의 단백질로, 1962년 페루츠와 동료 존 캔드루에게 노벨화학상을 선사했다. 스타이츠는 나중에 이렇게 회고했다.

“페루츠가 준비한 작은 입체 슬라이드 덕분에, 미오글로빈의 구조가 그의 머리 위에 3차원으로 나타나는 것을 보고 깜짝 놀랐다.”

‘저 기법이 생명의 분자적 기초(molecular basis)에 대한 의문을 풀어줄 수 있겠구나’라고 생각한 스타이츠는 박사학위 연구를 위해 단백질결정술 연구소에 합류했다.

뛰어난 과학적 통찰과 ‘까다롭기로 악명 높은 실험’에서의 능숙한 손놀림 덕분에, 그는 결국 예일 대학교 분자생물학/생화학 스털링 교수 자리를 꿰차게 된다.

2009년 그는 리보솜의 무한히 복잡한 구조를 해명한 공로를 인정받아, 벤카트라만 라마크리슈난, 아다 E. 요나스와 함께 노벨화학상을 공동으로 수상했다. 리보솜이란 유전정보를 단백질로 번역하는 역할을 수행하는 세포내 소기관이다.

○ 생애 및 활동

토머스 A. 스타이츠 (Thomas Arthur Steitz)는 1940년 8월 23일, 미국 위스콘신 밀워키에서 출생했다.

그의 가족은 시내에서 패인트가게를 운영하였다. 그의 아버지는 마케트 대학에서 변호사 자격을 취득하여 밀워키 지방병원에서 인사담당 직원으로 일하였고 그의 어머니는 집안일과 양육에 헌신적인 가정주부였다.

스타이츠는 초등학교 시절 모범생은 아니였다. 하굣길에 선배들에게 맞기도 하고 학업에 그리 신경 쓰지는 않았기에 성적표는 낙점에 가까운 점수를 받았다. 농장을 운영하시는 조부모님 댁에 방문했던 것이 그의 삶에 큰 역할을 하였다. 어릴 적 여름의 대부분의 시간을 그곳에서 보내며 자랐다. 고등학교때 음악에 대한 관심을 키워갔으며 밴드와 성가대로 활동하였다. 그는 섹소폰 연주에 부각을 보였는데, 학교 밴드에서 단독 연주를 하거나 합동연주를 하여 금매달을 수상하기도 했다.

로렌스 대학에서 그는 전액 장학금을 받으며 화학을 전공했다. 학교를 통해 세상을 보는 시야가 넓어졌다.

대학생 시절이던 1963년, 토머스 스타이즈는 막스 페루츠 (케임브리지 소재 MRC 분자생물학 연구소)에게 미오글로빈 (myoglobin)의 구조에 관한 강연을 들었다. 미오글로빈은 원자수준 해상도의 구조가 밝혀진 최초의 단백질로, 1962년 페루츠와 동료 존 캔드루에게 노벨화학상을 선사했다. 스타이츠는 나중에 이렇게 회고했다. “페루츠가 준비한 작은 입체 슬라이드 덕분에, 미오글로빈의 구조가 그의 머리 위에 3차원으로 나타나는 것을 보고 깜짝 놀랐다.”

1967년 학생들에게 생물물리학 분야를 알리기 위한 미국 생물학회에서 주최한 MIT에서 열린 컨퍼런스에 참석했다. CPA라는 팀에 속해 아포단백질의 결정체를 결정하는 모임에 들기도 했다.

‘저 기법이 생명의 분자적 기초 (molecular basis)에 대한 의문을 풀어줄 수 있겠구나’라고 생각한 스타이츠는 박사학위 연구를 위해 단백질결정술 연구소에 합류했다. 뛰어난 과학적 통찰과 ‘까다롭기로 악명 높은 실험’에서의 능숙한 손놀림 덕분에, 그는 결국 예일 대학교 분자생물학/생화학 스털링 교수 자리를 꿰차게 된다.

2009년 그는 리보솜의 무한히 복잡한 구조를 해명한 공로를 인정받아, 벤카트라만 라마크리슈난, 아다 E. 요나스와 함께 노벨화학상을 공동으로 수상했다. 리보솜이란 유전정보를 단백질로 번역하는 역할을 수행하는 세포내 소기관이다.

스타이츠는 중요한 문제를 간파하는 안목을 갖고 있었다. 그래서 프랜시스 크릭이 일찍이 ‘생물학의 중심원리 (central dogma)’라고 부른 유전자의 분자적 기초를 해명하는 작업에 착수했다. DNA로 구성된 유전자는 RNA를 매개로 하여 단백질 생성을 지휘하는 역할을 한다. 그는 초기연구에서 ‘효소가 기질에 결합하여 DNA의 3D 형태를 바꿀 것’이라는 예측을 확인하고, 이를 바탕으로 단백질과 핵산 간의 상호작용을 연구하기에 이르렀다. 그가 이끄는 연구팀은 DNA에 결합하는 단백질 (전사인자)의 구조를 최초로 해명하고, DNA 분자를 합성하는 효소 중 하나 (DNA 폴리머레이스)의 구조도 최초로 규명했다.

위스콘신 주 밀워키에서 태어나 성장한 스타이츠는, 초등학생 시절 휴일마다 할아버지가 인근에서 운영하는 농장을 방문하여 무와 양파 재배를 도왔다. 고등학생 때는 학교 밴드부에서 색소폰을 불며 한때 전문 뮤지션이 될 생각을 했다. 그러나 그는 애플톤에 있는 소규모 교양예술 학교인 로렌스 칼리지에 장학생으로 들어가, 화학을 전공하면서도 다양한 인문학 강의를 들었다. 덕분에 그는 성장과정에서 생겨난 편협한 믿음을 의심하고 실험실 연구를 경험하는 기회를 얻었다.

하버드 대학교와 MIT의 교수진이 지도한 매사추세츠 주 케임브리지의 여름학교에서, 그는 생물물리학 (biophysics)이라는 분야를 처음으로 접하고 매력을 느껴 하버드 대학교 박사과정에 진학하기로 결심했다.
그리고 1년차 강의실에서 ‘예수공현 (epiphany)’을 경험하고 자신의 경로를 결정하게 되었다. 그리하여 윌리엄 립스콤의 연구실에 들어가 단백질 결정학자가 되어, 카르복시말단펩티드 가수분해효소 A (carboxypeptidase A)라는 다재다능한 효소의 구조해명에 기여했다.

1966년 하버드대학교에서 생화학과 분자생물학에 관한 논문으로 박사학위를 취득하였다.

스타이츠는 박사학위를 받은 직후 하버드 박사과정 학생 존 아겟싱어와 결혼했다. 그녀는 제임스 왓슨의 연구실에서 박테리오파지의 RNA를 연구하고 있었다. 또한 아겟싱어는 중서부 출신으로, 소규모 교양예술 칼리지를 졸업한 경력이 있었다. 두 사람의 경력은 각각 별도로 진행됐지만, 사실은 천생연분을 쌓아왔던 것이다. 두 사람은 함께 영국으로 떠나, MRC 분자생물학연구소에서 박사후 과정을 밟았다. 토머스는 데이비드 블로와 함께 키모트립신 (chymotrypsin)과 기질 간의 상호작용을 연구했고, 존은 프랜시스 크릭, 시드니 브레너, 막스 브레처와 함께 전령 RNA (mRNA)를 연구했다.

토머스는 UC 버클리에서 조교수로 출발했지만 곧 사임했는데, 그 이유는 존이 (여자라는 이유로) 교수로 임용되지 않았기 때문이었다. 예일이 얼씨구나 하고 두 사람을 동시에 채용하자, 그들은 1970년 이후 각각 자신의 연구그룹을 이끌어 왔다.

하버드 대학이후 1967년부터 1970년까지 분자생물물리학 (MRC)연구소에서 데이비드 블로우 (David Blow) 팀에서 3년간 연구를 한다. 캐임브리지 분재생물학 연구소는 독특하고도 훌륭한 연구소였다고 그는 말했다. 미국에서 분자와 구조 생물학분야로 전환하거나 다시 연구를 시작함에 있어 많은 팀을 교육시키고 격려하는 연구소였다. 1970년 예일 대학에서는 효모 핵소키나이제의 구조를 연구하기 시작했다. 1970년 동안 그의 연구실에서 대부분 포도당 유무에 따른 효모 핵소키나이제를 연구하며 보냈다.

토머스는 도널드 엔젤먼, 피터 무어와 함께 예일 대학교 구조생물학 센터를 맡았다. 그는 효소와 기질에 대한 연구를 계속하며, 점차 DNA 합성 및 RNA 전사에 관여하는 효소에 집중하게 되었다.

1995년 토머스는 무어와 손을 잡고, 리보솜의 구조를 연구하기 시작했다. 리보솜은 중심원리의 분자적 기초를 정리하는 데 있어서 마지막 전선 (final frontier)이었다. 2000년 두 사람이 이끄는 연구팀은 세균 리보솜의 ’50S 서브유닛 (50S subunit)’의 구조를 해명했는데, 그것은 아미노산을 단백질로 조립하는 부분이었다.

그리하여 항생제의 작용 메커니즘이 즉시 밝혀졌다. 즉, 항생제는 세균의 세포 안에서 50S 서브유닛에 결합하여, 단백질을 합성하지 못하도록 억제하는 것으로 드러났다. 스타이츠가 이끄는 연구팀은 Rib-X Pharmaceuticals (現, 뉴욕 소재 Melinta Therapeutics )라는 업체를 설립하여, 동일한 결합부위 (binding site)를 겨냥하는 항생제를 개발했다.

스타이츠는 상냥하고 관대하고 사교적이었으며, 많은 과학도들의 멘토였다. 그의 턱수염은 아미시 농부 (Amish farmer)나 뉴잉글랜드의 고래잡이와 같은 인상을 풍긴다. 그는 음악뿐만 아니라 스포츠와 야외활동을 좋아했으며, 아들 존 (그는 나중에 전문적인 야구선수가 되었다)과 야구를 하곤 했다. 아내로 하여금 ‘스타이츠 박사’로 변장하여 케임브리지 대학교 칼리지의 테니스코트에 입장하게 하여, 그녀를 ‘최초의 여성 멤버’로 인정받게 만들었다. 그리고 과학자 친구 및 그들의 가족과 함께 스키를 즐기기도 했다.

그는 2018년 10월 9일 췌장암으로 별세했다. 노벨상 수상도 췌장암 진단도, 그가 새로운 문제에 이끌리는 것을 막지 못했다. 그의 오랜 동료 피터 무어는 그를 가리켜 “우리 세대에서 가장 큰 업적을 남긴 구조생물학자”라고 했다.

○ 업적

1970년 예일 대학에서는 효모 핵소키나이제의 구조를 연구하기 시작했다.

1970년 동안 그의 연구실에서 대부분 포도당 유무에 따른 효모 핵소키나이제를 연구하며 보냈다.

그곳에서 세포 내에서 단백질을 만들어 ‘단백질 공장’이라 불리는 리보솜의 구조와 기능을 규명하는 데 힘써 리보솜의 3차원 구조를 원자 수준의 정밀도로 밝혀내는 데 성공하였다.

원핵생물의 리보솜은 50S와 30S 2개의 소단위체 (subunit)으로 이루어져 있는데, 스타이츠는 호염성 (好鹽性) 아키아 (archaea)인 할로아르쿨라 마리스모르투이 (Haloarcola marismortui) 50S 소단위체 구조를 ‘X-선 단결정법’을 이용하여 리보솜을 이루는 원자 수십만 개의 정확한 위치를 파악하였다.

리보솜을 결정체로 만든 뒤 X-선을 쏘아 리보솜을 이루는 개별 원자들에 부딪혀 꺾이는 패턴을 분석하여 리보솜의 원자 배열구조를 파악하였고, 2000년 이를 바탕으로 리보솜의 3차원 원자 지도를 제시하였다.

이로써 리보솜이 어떤 모양인지, 어떻게 작동하는지 알 수 있게 되었고, 여러 항생제들이 리보솜에 어떻게 달라붙어 기능을 하는지 파악할 수 있게 됨으로써 더욱 효과가 좋은 새로운 항생제를 개발하는 데 크게 기여하였다.

2009년 이러한 공로를 인정받아 아다 요나트 (Ada E. Yonath) · 벤카트라만 라마크리슈난 (Venkatraman Ramakrishnan)과 함께 노벨 화학상을 공동 수상하였다.

요나트와 라마크리슈난은 각각 독자적으로 고온성 세균인 테르무스 테르모필루스 (Thermus thermophilus)의 30S 소단위체 구조를 규명하여 동일한 업적을 이루었으며, 세 학자의 발표는 2000년 8월부터 3주 간격으로 발표되었다.

스타이츠는 이밖에 2007년 게어드너재단 국제상 (Gairdner Foundation International Award) 등을 수상하였다.

○ 노벨화학상 시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
올해의 노벨 화학상은 단원자의 위치를 확인할 정도의 고분해능으로 리보좀의 결정학적 구조를 밝혀내고, 이 결정학적 구조를 이용해서 리보솜이 유전정보 설계도에 따라 아미노산을 단백질로 만들어 내는 과정과 항생제가 박테리아 병원체에 있는 리보솜을 공격하는 작동원리를 원자 수준에서 밝혀낸 업적에 대해 수여됩니다.
지구상의 모든 생명체는 단백질의 존재와 관련이 있습니다. 단백질은 인체내 생명에 필수적인 화학반응을 촉진시키고, 보고 듣고 맛보고 냄새 맡고 느끼고 경험하고 생각하고 움직이는 모든 것을 가능하게 합니다. 단백질은 우리로 하여금 병원균의 공격에 덜 과민하게 하며, 또한 올해 수상자를 축하하기 위해 우리를 오늘 여기 모이도록 하였습니다. 리보솜에 있는 두 개의 큰 단위체 사이에서 어떻게 단백질이 만들어지는가는 긴 RNA 사슬과 약 50개의 단백질이 관련되는데, 이것은 우리 문명의 실존에 관한 이야기입니다.
잘 정돈된 혼돈이라 할 수 있는 우리의 유전체에는 인체내 모든 단백질 종류를 암호화하는 DNA에 근거한 수천 개의 유전자들이 있습니다. 유전체 내의 단백질 설계도들이 계속해서 각각의 단백질 제조를 위해 메신저 RNA에 복사됩니다. 메신저 RNA가 리보솜을 발견하면 리보솜의 단위체 사이에 정착하여 적당하게 접힌 아미노산 사슬로 번역되며 이것이 활성화된 단백질이 됩니다. 스무 개 아미노산 각각이 고유의 전이 RNA 분자에 연결된 리보솜에 들어갑니다. 리보솜에서 이 전이 RNA 분자는 각각의 아미노산에 대한 메신저 RNA 속에 있는 암호를 인식하고 리보솜 공장은 단백질 설계도를 따라 지시된 순서대로 아미노산을 연결합니다.
1980년대 아다 요나스 박사의 선구적 업적은 결정학 기술을 이용하여 높은 분해능으로 리보솜의 구조를 밝히는 일에 초석을 다졌습니다.
토머스 스타이츠 박사는 1998년에 큰 리보솜 단위체에 관한 상(phase)의 문제를 풀었으며, 그리하여 최초로 리보솜의 결정구조를 밝혀냈습니다.
2000년에는 세 명의 노벨상 수상자 모두가 리보솜 단위체의 고분해능 구조를 발표하였는데, 스타이츠 박사는 큰 단위체에 대해, 라마크리슈난 박사와 요나트 박사는 작은 리보솜 단위체의 구조를 결정하였습니다. 토머스 스타이츠 박사가 밝힌 기능성 복합체 내에 있는 큰 리보솜 단위체의 고분해능 구조는 리보솜에서 아미노산 간에 펩타이드 결합의 형성이 어떻게 촉진되는지에 관한 원자 수준의 이해를 이끌어 냈습니다.
기능성 복합체 내 작은 리보솜 단위체에 관한 벤카트라만 라마크리슈난 박사의 결정구조는 리보솜에 의한 유전정보의 해독이 유전자 설계도에 따라 모든 단백질이 한 치의 오차도 없이 어떻게 정확하게 만들어질 수 있는지에 관해 원자 수준에서 이해할 수 있도록 하였습니다.
라마크리슈난 박사, 스타이츠 박사, 요나스 박사는 어떻게 항생제가 리보솜 기능을 방해하는지, 어떻게 약 타겟 물질의 내성이 전개되는지에 관한 원자 수준의 이해를 돕는 항생제와 복합체를 이루는 리보솜 단위체의 고분해능 구조를 밝혀냈습니다. 이 핵심적인 지식은 박테리아 병원균에서 발견되는 약 내성에 대해 끊임없이 싸우는 의학계의 투쟁 속에서 새로운 항생제 개발을 위해 이미 사용되고 있습니다.
박사님들은 고분해능으로 리보솜의 결정 구조를 확인하였고, 리보솜 기능의 기초적이며 의학적으로 중요한 측면을 밝히기 위해 이와 같은 구조를 능숙하게 활용하여 노벨 화학상을 수상하게 되셨습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대신하여 진심어린 축하를 전해드리며, 이제 앞으로 나오셔서 전하께서 수여하시는 노벨상을 받으시기 바랍니다. – 노벨 화학위원회 만스 에렌베르그

○ Publications

Steitz, T. A., et al. “Determination of the Atomic-Resolution Crystal Structure of the Large Subunit from the Ribosome of Haloarcula marismortui;”, nsls newsletter, (November 2000).

Steitz, T. A., et al. “The Atomic Resolution Crystal Structure of the Large Ribosomal Subunit from Haloarcula marismortui”, NSLS Activity Report (2000).

참고 = 위키백과, 노벨상위원회

크리스천라이프 편집부