| Hint | Food | 맛과향 | Diet | Health | 불량지식 | 자연과학 | My Book | 유튜브 | Frims | 원 료 | 제 품 | Update | Site |
|
내몸 ≫ 감각 ≫ 후각 , Flavor 후각의 메카니즘 : 진동설  후각 : 인식기작 - 후각메카니즘 : 형태설 - 후각메카니즘 : 진동설 형태로 향료 인식 가능하다는 기작의 설명의 어려움 - Some molecules with similar shapes had very different smells - Some similar smells came from molecules with different shapes - Stereoisomers : smell different, different olfactory receptors activated Vibrationally assisted olfaction 원본 : http://www.ks.uiuc.edu/Research/olfaction/ The lock-and-key theory of olfaction The mainstream theory of olfaction is based on the so-called lock-and-key model [Silverman, The Organic Chemistry of Enzyme-Catalyzed Reactions, Academic Press, 2002]. According to this theory, size, shape and functional groups of odorant compounds determine activation of olfactory receptors. Once an associated odorant molecule binds to an olfactory receptor, the receptor is activated and triggers a neural signal. Olfactory receptors have been identified as G-protein coupled receptors (GPCRs) [Buck and Axel, Cell (Cambridge, Mass.) 65, 175 (1991)]. Since most of the GPCRs, e.g., β-adrenergic agonists, are activated through binding of ligands and are highly sensitive to ligands' conformation and surface properties, the lock-and-key mechanism seems to be a natural explanation of olfaction. However, the lock-and-key mechanism as the sole discriminant was questioned after a sensory analysis of isotope effects of benzaldehyde and its derivatives (C6(ring)-benzaldehyde, CHO-benzaldehyde and benzaldehyde-d6) acting as odorants [Haffecden, Yaylayan, Fortin, Food Chem. 73, 67 (2001)]. Based on the duo–trio test by 30 trained panelists, the authors reported a significant statistical odor difference of benzaldehyde-d6 relative to non-deuterated benzaldehyde, evoking a shift of vibrational frequencies in the benzaldehyde samples. Moreover, it was demonstrated recently that Drosophila melanogaster can distinguish between deuterated and regular odorant compounds, despite the fact that the shapes of such compounds are identical, while the only difference arises in the vibrational spectrum [Franco, Turin, Mershin, Skoulakis, PNAS 108, 3797 (2011)]. Vibrationally assisted mechanism of olfaction An alternative mechanism of olfaction had been suggested [Dyson, Chem. Ind. 57 647 (1938); Wright, J. Theor. Biol. 64, 473 (1977)]. According to this mechanism the differences in key vibrational frequencies of odorant compounds contribute to odor perception [Turin, Chem. Senses 21, 773 (1996)]. A plausible way of sensing the vibrational spectrum of an odorant is furnished through electron transfer in the olfactory receptor [Solov'yov, Chang, Schulten, 2012]. The mechanism is schematically illustrated in Fig. 2.  Figure 2. Principle of vibrationally assisted olfaction. The odorant molecule with characteristic frequency ω0 binds to the olfactory receptor binding pocket forming an electron–donor–acceptor complex with donor energy ED and acceptor energy EA. Electron tunneling from the donor site to the acceptor site of the olfactory receptor is enhanced if the vibrational frequency of the odorant molecule matches the energy difference Δε=ED-EA. Initially, an electron resides on the electron donor (D) site of the olfactory receptor. The receptor carries also an electron acceptor (A) site, but the D and A site redox energies differ by an amount Δε, too large to facilitate thermally assisted electron transfer on a relevant time scale, i.e., hundreds of nanoseconds or shorter, without the presence of an odorant. However, once a suitable odorant binds to the receptor, the vibrational frequency of the odorant that matches Δε makes electron transfer possible, as the energy Δε can be released to the vibrational mode of the odorant. Odorant vibrations employed that way have particularly high frequencies. Thus, the key idea of the vibrationally assisted electron tunneling mechanism is to increase the tunneling rate in the olfactory receptor through vibrational excitation of the odorant, to make it larger than the elastic tunneling rate in the olfactory receptor, a rate that by itself is too small for olfactory reception. We like to emphasize that the stated mechanism complements, but does not replace, a lock-and-key mechanism of olfaction, i.e., both shape and vibrations should be significant for odor perception. Theory of vibrationally assisted electron transfer (생략) Odorant discrimination through shape and vibrational frequencies Figure 6 demonstrates the principle of odorant discrimination through shape and vibrational frequencies and, in particular, illustrates the similarity between deuterated octanol and non-deuterated citronellyl nitrile. Shape is a decisive factor to link odorants to a particular receptor. Figure 6 illustrates two types of odorant receptors, chosen to detect either octanol (light blue cones) and citronellyl nitrile (pink cones). Since the size of octanol and citronellyl nitrile is similar (the molecules have a length of about 11 Angstroems, and are about 3–4 Angstroems in diameter), both receptors could likely accommodate either molecule. Thus, the octanol and citronellyl nitrile can be recognized only through the vibrationally assisted electron transfer mechanism if the octanol (citronellal nitrile) receptor exhibits a Δε value characteristic of an octanol (citronellal nitrile) vibrational energy quantum, thereby enhancing the electron tunneling rate in the octanol receptor through the presence of octanol, and similarly in the citronellyl nitrile receptor through the presence of citronellyl nitrile. Figure 6 illustrates also how electron transfer through the receptor is affected by deuteration. Deuteration of octanol decreases the vibrational frequency of some vibrational modes, and certain modes become energetically close to a vibrational mode in citronellyl nitrile. This results in the mismatch of the vibrational energy εoct–deu with Δε of the octanol receptor, but in a match of this energy to the Δε value of the citronellyl nitrile receptor such that deuterated octanol activates the citronellyl nitrile receptor.  Vibrationally assisted electron transfer mechanism of olfaction: myth or reality? Ilia A. Solov'yov , Po-Yao Chang and Klaus Schulten Phys. Chem. Chem. Phys., 2012,14, 13861-13871 Smell is a vital sense for animals. The mainstream explanation of smell is based on recognition of the odorant molecules through characteristics of their surface, e.g., shape, but certain experiments suggest that such recognition is complemented by recognition of vibrational modes. According to this suggestion an olfactory receptor is activated by electron transfer assisted through odorant vibrational excitation. The hundreds to thousands of different olfactory receptors in an animal recognize odorants over a discriminant landscape with surface properties and vibrational frequencies as the two major dimensions. In the present paper we introduce the vibrationally assisted mechanism of olfaction and demonstrate for several odorants that, indeed, a strong enhancement of an electron tunneling rate due to odorant vibrations can arise. We discuss in this regard the influence of odorant deuteration and explain, thereby, recent experiments performed on Drosophila melanogaster. Our demonstration is based on known physical properties of biological electron transfer and on ab initio calculations on odorants carried out for the purpose of the present study. We identify a range of physical characteristics which olfactory receptors and odorants must obey for the vibrationally assisted electron transfer mechanism to function. We argue that the stated characteristics are feasible for realistic olfactory receptors, noting, though, that the receptor structure presently is still unknown, but can be studied through homology modeling.     위기에 몰린 후각 진동이론 [일러스트가 있는 과학에세이] 일러스트가 있는 과학에세이 124 2015.05.29 08:25 강석기 과학칼럼니스트 생명체가 살아나가려면 주위 환경(다세포 생물의 경우 조직이나 신체기관도 포함)의 정보를 입수해 분석한 뒤 대응할 수 있어야 한다. 첫 단계인 정보입수 역할을 하는 분자가 바로 수용체다. 외부정보는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 물리적 정보와 화학적 정보다. 시각과 청각, 체감각이 물리적 정보라면 후각과 미각은 화학적 정보이고 호르몬 등 다양한 신호전달체도 화학적 정보라고 볼 수 있다. 화학적 정보, 즉 어떤 분자(리간드라고 부른다)가 수용체에 달라붙으면 수용체의 구조를 바뀌어 신호를 전달된다. 이 과정은 열쇠-자물쇠 관계로 비유된다. 실제로 약이나 독 대다수가 리간드와 비슷한 구조를 지녀 수용체에 작용해 효과를 낸다. 그런데 유독 열쇠-자물쇠 메커니즘에 ‘저항’하는 분야가 있다. 바로 후각이다. 사실 후각이야 말로 전형적인 열쇠-자물쇠 메커니즘으로 여겨진다. 사람의 경우 비강 위쪽의 후각망울 표면에 후각수용체단백질을 지니고 있는 후각세포가 330여 가지 존재한다. 냄새분자가 콧속으로 들어오면 330가지 가운데 구조가 맞는 몇 가지와 상호작용을 하고 뇌는 그 패턴을 인식해 특정한 냄새라고 느낀다(이를 ‘형태이론’이라고 부른다). 후각수용체유전자무리를 발견하고 이런 후각 메커니즘을 제안한 린다 벅과 리처드 액설은 2004년 노벨생리의학상까지 받았다. 이런 주류에 맞서는 소수의 과학자들이 있었으니 그 원조는 19세기 영국의 생리학자 윌리엄 오글(William Ogle)까지 거슬러 올라간다. 오글은 1870년 발표한 논문에서 후각도 시각이나 청각처럼 파동(진동)이 정보를 전달할 것이라고 주장했다. 그 뒤 1920~30년대 영국의 멜컴 다이슨이, 1950~70년대는 라이트가 계보를 이었다. 후각의 진동이론이 전면에 등장한 건 루카 투린이라는 괴짜 과학자가 등장하면서부터다. 1953년 레바논에서 태어난 투린은 영국에서 생리학으로 학위를 받은 뒤 남프랑스의 빌프랑슈 해양 관측소에서 자리를 잡았다. 향수의 본고장에서 일하며 점차 향기에 빠져든 투린은 영국 유니버시티칼리지런던으로 옮긴 뒤 본격적으로 후각 메커니즘을 연구했다. 다이슨의 진동이론에 깊은 감명을 받은 투린은 이를 입증하는 기발한 실험을 고안했다. 즉 구아야콜과 벤조알데히드라는 두 분자는 바닐라향이 나지 않지만 적절한 비율로 섞으면 바닐라향이 난다는 것. 투린은 두 분자의 진동패턴을 합치면 바닐라향이 나는 바닐린이라는 분자의 진동패턴과 비슷해지기 때문이라고 설명했다. 1995년 투린은 논문을 써 학술지 ‘네이처’에 보냈지만 결국은 게재가 거절돼 이듬해 학술지 ‘화학적 감각’에 실었다. 논문이 나간 뒤에도 후각의 진동이론은 주목을 받지 못했지만 2002년 미국의 저널리스트 챈들러 버가 ‘루카 투린, 향기에 취한 과학자’라는 책을 내면서 대중에게도 알려지기 시작했다. 그 뒤 간헐적으로 후각의 진동이론을 지지하는 연구결과를 담은 논문이 몇 편 발표됐다. 진동이론을 널리 알리는데 큰 역할을 한 루카 투린(현재 독일 울름대에 방문교수로 있다)은 이를 바탕으로 향료회사들에게 컨설팅을 하기도 했다. 그 자신 향수 전문가로 향수에 관한 책도 여러 권 집필했다. 진동이론 진영의 수장인 투린은 이번 연구에 어떻게 반응했을까. ⓒ 강석기 진동이론을 널리 알리는데 큰 역할을 한 루카 투린(현재 독일 울름대에 방문교수로 있다)은 이를 바탕으로 향료회사들에게 컨설팅을 하기도 했다. 그 자신 향수 전문가로 향수에 관한 책도 여러 권 집필했다. 진동이론 진영의 수장인 투린은 이번 연구에 어떻게 반응했을까. ⓒ 강석기 세포실험은 형태이론 지지 형태이론과 진동이론 어느 쪽이 맞느냐를 명쾌하게 밝힐 수 있는 방법으로 거론되는 두 가지 실험이 있다. 하나는 광학이성질체 비교실험이고 다른 하나는 동위원소이성질체 비교실험이다. 광학이성질체는 서로 거울(오른손 왼손처럼) 관계다. 즉 두 열쇠(냄새분자)가 광학이성질체일 경우 자물쇠(수용체)가 둘 가운데 하나에만 맞을 가능성이 있다. 따라서 형태이론에 따르면 광학이성질체는 냄새가 다를 수 있다. 반면 진동이론은 냄새분자를 이루는 원자 사이의 진동이 냄새를 결정하므로 광학이성질체는 냄새로 구분할 수 없다. 한편 동위원소이성질체는 분자를 이루는 원자의 동위원소에 따른 이성질체다. 즉 수소분자와 중수소분자가 동위원소이성질체 관계다. 이 경우 분자 형태는 같기 때문에 형태이론이 맞다면 수용체가 구분하지 못한다. 즉 냄새가 같다는 말이다. 반면 분자의 진동은 원자의 질량에 따라 결정되므로 이 경우 바뀌게 된다. 즉 진동이론이 맞다면 동위원소이성질체는 다른 냄새로 느껴질 것이다. 지금까지 이 방법들을 써서 두 가지 이론 가운데 어느 쪽이 맞는가를 밝힌 논문이 몇 편 나왔는데 실망스럽게도 결과가 엇갈렸다. 즉 광학이성질체를 다른 냄새로 맡는다는 결과도 있고(형태이론 승) 동위원소이성질체를 다른 냄새로 지각한다는 결과도 있다(진동이론 승). 그러나 대체로 실험이 정교하지 못해 여전히 논란이 계속되고 있다. 학술지 ‘미국립과학원회보’ 5월 26일자에는 진동이론 진영에는 치명적일수도 있는 실험결과를 담은 논문이 실렸다. 미 뉴욕주립대 에릭 블록 교수 등 공동연구자들은 사람들에게 냄새를 맡게 한 뒤 평가하게 하는 오류의 가능성이 있는 행동실험 대신 후각수용체단백질을 발현하는 세포가 동위원소이성질체에 반응하는가를 측정하는 실험을 고안했다. 이들은 사이클로펜타데카논이라는 머스크향이 나는 분자의 동위원소이성질체를 만든 뒤(분자를 이루는 수소원자를 중수소원자로 바꿨다) 사람에서 머스크향을 감지하는 수용체인 OR5AN1을 표면에 지니고 있는 세포를 대상으로 실험을 진행했다. 그 결과 OR5AN1은 동위원소이성질체에 상관없이 모든 사이클로펜타데카논에 반응했다. 즉 수용체가 인식하는 건 냄새분자의 형태이지 진동이 아니라는 말이다. 연구자들은 이 결과를 일반화하기 위해 사람과 생쥐의 여러 수용체단백질에 대해 각각이 인식하는 분자의 동위원소이성질체를 만든 뒤 비교 실험을 진행했다. 그 결과 모든 경우에서 수용체는 동위원소이성질체를 구분하지 못하는 것으로 나타났다. 이번 연구결과는 사람들이 사이클로펜타데카논의 동위원소이성질체를 냄새로 구분할 수 있다는 2013년 학술지 ‘플로스 원’에 발표된 결과를 뒤집는 내용이다. 이런 모순에 대해 연구자들은 당시 실험에 쓰인 시료에 미량의 불순물이 있어 다른 냄새가 날 수도 있었을 것이라고 해석했다. 이에 대해 진동이론 진영이 또 어떤 실험결과를 들고 대응할지 기다려진다. --------- 생명, 경계에 서다 / 양자생물학의 시대가 온다 / 짐 알칼릴리 존조 맥패든 5장 니모의 집을 찾아서 (1/3로 줄인 간략버전) 어류는 예리한 후각을 갖고 있다. 뇌의 3분의 2를 후각에 할애하고 있는 상어가 1킬로미터 밖에서 피 한 방울의 냄새를 맡을 수 있다는 이야기는 유명하다. 후각을 이용해서 길을 찾는 동물의 능력은 매우 유명하다. 해마다 세계 전역의 해안을 따라 강어귀로 몰려드는 수백 마리의 연어 떼는 내륙의 태어난 곳으로 돌아가기 위해 거센 물살을 거스르며 폭포와 모래톱을 오르는 모험을 감행한다. 1939년, 캐나다의 윌버트 A. 클레먼스는 프레이저강의 특정지류에서 잡은 46만 9326마리의 어린 연어에 인식표를 달았다. 몇 년 뒤, 그는 자신의 인식표를 달은 같은 지류로 돌아온 연어 1만 958마리를 잡았다. 다른 지류에서는 같은 인식표를 달고 있는 인어가 한 마리도 잡히지 않았다. 단 한 마리도 대양에서 집으로 돌아오는 길을 잃지 않은 것이다. 연어들이 어떻게 대양에서 자신이 태어난 개울을 찾아오는지에 대한 궁금증은 한동안 풀리지 않았다. 그때 위스콘신-매디슨 대학의 아서 하슬러가 어린 연어들이 냄새의 흔적을 따라간다는 주장을 내놓았다. 그는 1954년에 자신의 가설을 검증하기 위해, 시애틀 인근 이사콰강의 두 지류가 합류하는 지점의 상류에서 회귀하던 연어 수백 마리를 잡아서 합류 지점의 하류로 이동시켰다. 연어는 예외 없이 처음 잡혔던 곳과 같은 지류로 돌아왔다. 그러나 연어를 풀어주기 전에 콧구멍을 탈지변으로 틀어막자, 연어는 합류 지점에서 어디로 갈지 결정하지 못하고 갈팡질팡했다. 후각은 육상에서 더 놀라운 것일지도 모른다. 냄새 입자가 희석되는 대기의 부피가 대양에 비해 훨씬 크기 때문이다. 또 대기에서는 기상 현상으로 인해 기류의 변화가 심하므로 물속에서보다 냄새 입자가 훨씬 빨리 흩어진다. 그러나 후각은 대부분의 육상동물의 생존에 중요한 역할을 한다. 집을 찾아가는 데 쓰일 뿐 아니라, 먹이를 잡거나 포식자로부터 도망치거나 짝을 찾거나 경계 신호가 되거나 영역을 표시하거나 생리적 변화를 일으키거나 의사소통을 하는 데 이용된다. 블러드 하운드는 사람이나 다른 동물들 속에 섞여 있는 미량의 화학물질 냄새를 감지할 수 있으며, 후각이 특별히 민감하다. 이를테면 1그램 부티르산을 어떤 공간에서 증발시키면, 우리 일간은 단순히 퀴퀴한 냄새가 난다고만 생각할 것이다. 그러나 개는 같은 양의 부티르산이 도시 전체의 공기 중 100미터 높이까지 확산되어도 감지할 수 있다. 그리고 연어는 광막한 바다에 희석된 고향의 냄새를 수 킬로미터 떨어진 곳에서도 감지할 수 있는 것이다. 그러나 동물의 후각에서 놀라운 점은 민감도만이 아니다. 냄새를 구별할 수 있는 능력도 특별하다. 세관에서는 광범위한 냄새 물질을 감지하는 일에 일상적으로 개를 활용한다. 개가 감지하는 물질은 대마초, 코카인 같은 약물에서 C4 같은 폭약에 들어가는 화학물질에 이르며, 단단히 밀봉되어 여행 가방 속에 들어 있어도 감지할 수 있다. 또한 개들은 사람의 냄새도 구별한다. 일란성 쌍둥이의 냄새까지도 구별할 수 있다. 어떻게 이것이 가능할까? 누군가가 내뿜는 부티르산의 냄새는 다른 사람이 풍기는 부티르산의 냄새와 분명 똑같다. 당연한 이야기다. 그러나 모든 사람은 부티르산 외에도 미묘하고 복잡한 수백 가지 유기분자의 칵테일을 내뿜는데, 이것이 지문처럼 각자의 존재를 나타내는 특징이 된다. 개는 우리의 후각적 지문을 '볼' 수 있는 특별한 능력을 갖고 있다. 그러나 개나 연어나 흰동가리가 최고의 후각을 가진 동물이라고는 할 수 없다. 곰의 후각은 블러드하운드보다 일곱 배 더 민감해서, 20킬로미터 밖에 있는 죽은 동물의 냄새를 맡을 수 있다. 나방은 약 10킬로미터 떨어진 곳에 있는 짝의 냄새를 감지할 수 있다. 쥐는 입체적으로 냄새를 맡고, 뱀은 혀로 냄새를 맡는다. 이 모든 후각 능력은 동물이 먹이나 짝을 찾을 때 혹은 포식자를 피하기 위해 반드시 필요하다. 공기 중에서나 물속에서나, 동물은 자원 혹은 위험이 가까이 있다는 것을 알려주는 휘발성 신호에 대한 민감성을 진화시킨 것이다. 후각은 동물의 생존에 대단히 중요하기 때문에, 많은 동물이 냄새와 관련된 고유한 행동 반응을 갖고 있는 것으로 보인다. 한 실험에서는 오크니 제도의 밭쥐가 포식자인 담비의 분비물이 있는 덫을 피하는 것으로 밝혀졌다. 심지어 이 섬에는 5000년 동안이나 담비가 없었는데도 말이다! 인간은 가까운 다른 동물에 비해 후각이 훨씬 약한 것으로 알려져 있다. 수백만 년 전, 호모 에렉투스가 숲 바닥에서 상체를 일으켜 직립보행을 하게 되었을 때, 그의 코 역시 지면에서 멀어졌고 땅에서 나는 풍부한 냄새들도 함께 멀어져버렸다. 그 이후에는 더 높은 위치에서 효과적인 시각적 정보와 소리가 인간의 기본적인 경고의 급원이 되었다. 그래서 인간의 후각 영역은 좁아지고, 구멍이 좁아졌으며, 후각 수용체의 숫자도 줄어들었다. 게다가 우리는 다른 동물에서 볼 수 있는 보조 후각 기관도 잃었다. 보습코 기관 또는 야콥슨 기관이라 불리는 이 기관은 페로몬을 감지하는 역할을 한다. 비록 유전자 능력이 감소해서 후각 수용체 유전자가 약 400개에 불과하고 해부학적 구조가 바뀌긴 했지만, 우리는 놀라울 정도로 훌륭한 후각을 보유하고 있다. 냄새로 짝을 찾거나 수 킬로미터 밖에 차려진 저녁 상의 냄새를 맡을 수는 없어도, 우리는 1조 가지의 서로 다른 냄새를 구별할 수 있다. 냄새를 감지하는 우리의 능력은 가장 위대한 시심에 영감을 불러일으켰으며, 우리의 행복과 만족감에 중요한 역할을 한다. 후각은 인류 역사에서도 놀라울 정도로 중요한 역할을 했다. 아주 오래된 문헌에도 좋은 향기에 대한 숭배와 악취에 대한 혐오와 기록이 남아 있다. 숭배와 명상의 장소에는 향수와 향료의 냄새가 물씬 풍겼다. 구약성경에서 신은 모세에게 숭배 장소를 만들라고 지시하면서, 이렇게 말했다. "향료를 구하여라. 때죽나무와 향조 껍질과 풍지향 등 향료를 구하여 순수한 향과 같은 분량으로 하여 향 제조공이 하듯이 잘 섞은 다음 소금을 쳐서 순수하고 거룩한 가루 향을 만들어라." 고대 이집트에는 향수의 신도 있었다. 치유의 신인 네페르툼은 일종의 신화 속 향기 치료사였다. 건강은 좋은 향기와 관련이 있고, 반대로 질병과 부패는 악취와 연관이 있다. 그래서 건강이나 질병으로 인해 냄새가 생긴다고 생각하지 않고, 인과관계의 방향이 그 반대라고 믿는 사람이 많았다. 이를테면 로마 시대의 위대한 의사인 갈레노스는 악취를 풍기는 홑이불과 매트리스와 담요가 체액을 더 빨리 오염시킬 수 있다고 가르쳤다. 하수구, 시체 안치소, 분뇨 구덩이, 습지대에서 스며 나오는 역겨운 물질은 여러 치명적인 질병의 원인으로 여겨졌다. 반대로 기분 좋은 냄새는 질병을 막아준다고 생각했다. 그래서 중세 유럽에서는 전염병 희생자의 집에 들어가려는 내과 의사라면 사전에 철저히 통풍을 시키고, 몰약과 장미와 클로버와 그 밖의 다른 허브로 만든 향을 피워서 좋은 냄새가 나도록 했다. 사실 향수 제조법은 원래 몸단장보다는 소독이 주목적이었다. 후각의 중요성은 코로 들어오는 냄새의 감지에나 한정되지 않는다. 놀랍게도 우리의 미각은 일반적으로 약 90퍼센트가 냄새에 의해 결정된다. 우리가 음식 맛을 볼 때, 우리 혀와 입천장에 있는 미각 수용체는 침에 녹아 있는 화학물질을 감지한다. 그러나 미각 수용체에서는 다섯 가지 기본적인 맛의 조합을 확인할 수 있을 뿐이다. 이 다섯 가지 맛은 단맛, 신맛, 짠맛, 쓴맛, 감칠맛이다. 그러나 우리의 식음료에서 증발한 휘발성 향은 목구멍 안쪽을 통해 비강으로 들어와서 수백 개의 서로 다른 후각 수용체를 활성화시킨다. 이 작용은 우리에게 단순한 미각보다 훨씬 뛰어난 능력을 선사한다. 수천 가지 서로 다른 향을 구별하고, 와인과 향기로운 음식과 향료와 커피의 풍부한 풍미를 즐길 수 있게 해준다. 우리는 다른 대부분의 포유류가 갖고 있는 보습코의 감각은 잃었지만, 거대한 향수 산업은 인간의 구애 행위와 성에서 향이 지금도 계속 중요한 역할을 하고 있다는 증거다. 향의 물리적 실재 어떤 대상으로부터 전자기파나 음파를 통해 간접적으로 전달된 정보를 수집하는 시각 혹은 청각과 달리, 미각과 후각은 '물리적 실재부터' 메시지를 전달하는 대상과의 접촉을 통해서 정보를 직접 받아들인다. 둘 다 상당히 비슷한 원리를 통해 작동하는 것처럼 보인다. 후각과 미각이 감지하는 분자는 둘 다 침이 녹거나 공기 중을 떠다니다가, 혀나 비강의 천장에 위치한 후각상피에 있는 수용체에 감지된다. 휘발성이 있어야 한다는 요건은 대부분의 향이 꽤 작은 분자라는 뜻이다. 코는 냄새 맡기에서 어떤 직접적인 역할도 하지 않는다. 다만 코 뒤편에 있는 후각상피 쪽으로 공기를 보낼 뿐이다. 인간의 후각상피는 넓이가 3제곱센티미터에 불과한 무척 작은 조각이지만, 점액질 분비샘들과 수백만 개의 후각 뉴런으로 덮여 있다. 후각 뉴런의 앞쪽 끝은 빗자루처럼 여러 갈래로 갈라진 형태를 하고 있는데, 세포막이 접혀서 수많은 작은 털이 밀집한 섬모를 이룬다. 섬모라는 솔이 달린 이 빗자루는 냄새 분자를 수집해서 전달할 수 있는 세포층 바깥으로 비죽 튀어나와 있다. 빗자루의 손잡이에 해당하는 축색돌기, 즉 신경섬유는 안쪽으로 길게 뻗어있다. 축색돌기는 비강 안쪽에 있는 작은 뼈를 지나 뇌로 들어가서 뇌의 후각 신경구라는 영역과 연결된다. 모든 자연의 향과 마찬가지로, 오렌지 냄새 역시 수백 가지의 휘발성 물질로 이루어진 아주 복잡한 혼합물이다. 그러나 우리는 그 중 가장 많이 들어 있는 물질 가운데 하나인 리모넨의 경로를 따라가면서 물질이 향기가 되는 과정을 알아볼 것이다. 이름에서 알 수 있듯이, 오렌지나 레몬 같은 감귤류 과일에 많이 들어 있는 물질인 리모넨은 상큼한 향과 맛을 만들어낸다. 리모넨이 속하는 테르펜이라는 화합물 무리는 여러 식물과 꽃의 정유에서 향기를 내는 성분으로, 소나무, 장미, 포도, 홉의 풍부한 향을 만들어낸다. 따라서 원한다면 오렌지 대신 맥주나 포도주로 바꿔도 좋다. 이 화합물은 잎을 포함한 감귤류 식물의 다양한 부분에서 만들어지지만, 가장 풍부하게 들어 있는 곳은 과일의 껍질이다. 껍질을 짜면 거의 순수한 리모넨을 얻을 수 있을 정도다. 리모넨은 실온에서 서서히 증발하는 휘발성 액체다. 따라서 당신의 오렌지에서는 수백만 개의 리모넨 분자가 공기 중으로 방출될 것이다. 대부분의 리모넨 분자는 방 안을 떠다니다가 문이나 창문을 통해서 밖으로 나가겠지만, 일부는 공기를 타고 당신의 코 근처로 올 것이다. 당신이 숨을 들이마시면, 리모넨을 실은 수 리터의 공기가 콧구멍을 지나서 약 1000만 개의 후각 뉴런으로 뒤덮여 있는 후각상피에 닿을 것이다 리모넨 분자가 후각상피의 섬모를 지날 때, 일부 분자는 후각 뉴런에 걸려든다. 하나의 리모넨 분자만으로도 후각 뉴런의 세포막에 있는 작은 통로를 열기에는 충분하며, 이 통로가 열리면 양전하로 하전된 칼슘 이온들이 세포 밖에서 안으로 흘러 들어온다. 약 35개의 리모넨 분자가 포집되면, 세포 내로 흘러들어오는 이온의 양은 약 1피코암페어의 전류가 된다. 이 전류가 스위치처럼 작용해서 활동전위라고 불리는 전기 신호가 점화되고, 활동전위는 빗자루처럼 생긴 세포의 손잡이, 즉 축색돌기를 따라서 전달된다. 이 신호는 먼 길을 돌아 뇌 속의 후각 신경구에 당도한다. 추가적인 신경 처리를 거친 뒤, 우리는 이 '물리적 실재로부터의 메시지'를 상큼한 오렌지 향으로 경험한다. 이 과정 전체에서 핵심적인 사건은 당연히 후각 뉴런에 의한 향기분자의 포획이다. 그렇다면 이 과정은 어떻게 일어나는 것일까? 눈의 감광세포인 원추세포와 간상세포가 시각과 이루는 관계로 미루어 볼 때, 후각 역시 표면에 위치한 후각 수용체와 연관이 있을 것으로 예상되었다. 그러나 1970년대에는 후각 수용체의 특성과 정체가 전혀 알려져 있지 않았다. 리처드 엑설은 1946년 뉴욕 브루클린에서 태어났다. 그는 문학과 과학 사이에서 고민하다가, 결국 유전학으로 대학원 과정을 등록하기로 결심했지만 베트남 전 징집을 피하기 위해 전공을 의학으로 바꿨다. 의대에서의 그는 확실히 실험 기구를 닦을 때만큼이나 서툴렀다. 그는 심장의 이상 음을 들을 수 없었고, 한 번도 망막을 보지 못했다. 안경을 절개된 복부에 떨어뜨린 적도 있고, 심지어 외과의사의 손가락을 자신의 환자에게 꿰매기도 했다. 결국 그는 살아 있는 환자에게는 의술을 행하지 않는다는 약속을 하는 조건으로 졸업을 허락 받았다. 그는 병리학을 공부하기 위해 컬럼비아대학으로 돌아왔지만, 1년 뒤 그의 학장은 그가 죽은 환자도 맡아서는 안 된다고 주장했다. 의학에는 소질이 없다는 것을 깨달은 액설은 마침내 컬럼비아 대학에서 원래 관심을 두었던 연구로 돌아왔다. 1980년대에 액설은 인간 뇌의 작동 방식이라는 미스터리 중의 미스터리를 푸는 데 분자생물학이 도움이 될 수 있을지에 관해 고민하고 있었다. 그는 유전자의 행동에 대한 연구를 행동에 대한 유전자 연구로 바꾸고, "더 고등한 뇌의 중추에서 어떻게 '지각'이 만들어지는지, 다시 말해서 라일락이나 커피나 스컹크의 냄새를 어떻게 인식하는지에 대한 분석"을 장기적은 목표로 세웠다. 뇌과학 연구에서 그의 첫 번째 시도는 고둥의 산란 행동에 대한 조사였다. 당시 그의 연구실에는 대단히 재능 있는 연구자인 린다 벅이 막 들어온 참이었다. 원래는 댈러스 대학에서 면역학을 연구했던 벅은 새롭게 부상하기 시작한 분자 뇌과학이라는 분야에 매료되었고, 이 분야의 최전선에 뛰어 들기 위해 액설의 연구실에 들어왔다. 액설과 벅은 일련의 기발한 실험들을 고안해서 냄새의 분자적 토대를 조사했다. 그들이 다뤘던 첫 번째 문제는 후각 수용체 분자의 정체였다. 이 분자는 후각 뉴런의 표면에 존재하면서 서로 다른 냄새 분자를 포획하고 확인하는 것으로 추정되었다. 그들은 다른 감각 세포에서 알려진 사실들에 근거해서, 후각 수용체 역시 세포막에서 튀어나온 단백질의 일종이며 전달된 냄새 분자와 결합할 수 있을 것이라고 추측했다. 그러나 당시에는 아무도 후각 수용체를 분리해내지 못했기 때문에, 후각 수용체가 어떻게 생겼으며 어떻게 작용하는지에 관한 단서는 아무것도 없었다. 연구진은 이 수용체가 막연히 G-단백질 연결 수용체라는 단백질군에 속할 가능성이 있다는 짐작만으로 연구를 계속해야 했다. G-단백질 연결수용체는 호르몬 같은 화학적 신호의 감지와 연관이 있는 것으로 알려져 있었다. 린다 벅은 이런 종류의 수용체가 암호화되어 있는 완전히 새로운 유전자군을 확인했는데, 이 유전자군은 후각 수용체 뉴런에서만 표현되었다. 계속해서 그녀는 이 유전자에 정말로 향을 포집하는 수용체가 암호화되어 있다는 것을 증명했다. 추가적인 분석을 통해서 증명된 바에 따르면, 주의 유전체에는 이처럼 새롭게 확인된 수용체 약 100개가 암호화되어 있었다. 서로 조금씩 다른 이 수용체들은 각각 하나의 향을 감지하도록 맞춰져 있는 것으로 추정되었다. 인간도 비슷한 수의 후각 수용체를 갖고 있지만, 그중 3분의 2가 퇴화되었다. 위유전자라 불리는 이런 퇴화된 유전자는 일종의 유전자 화석이며, 돌연변이가 너무 많이 축적되어 더 이상 작동하지 않는다. 수용체 유전자가 400개든 1000개든, 인간이 확인할 수 있는 향의 종류는 이보다 훨씬 많아서 1조 가지나 된다. 수용체와 향이 일대일 대응이 되는 것은 아니다. 따라서 후각 수용체에서 받아들인 신호가 냄새로 전달되는 방식은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 다양한 냄새 분자를 감지하는 일이 서로 다른 세포들 사이에서 어떻게 할당되는지 역시 명확하지 않다. 세포마다 모든 향을 감지할 가능성도 있고 일종의 분업이 일어날 수도 있다. 이 의문에 대한 답을 찾기 위해, 컬럼비아 대학 연구팀은 더욱 기발한 실험을 고안했다. 이들은 생쥐의 유전자를 조작해서, 특정 냄새 수용체가 발현되는 후각 뉴런이 모두 파란색으로 염색되도록 만들었다. 만약 모두 세포가 파란색으로 염색되면, 이 수용체가 모든 세포에서 표현된다는 것을 알 수 있는 것이다. 연구진은 유전자가 조작된 생쥐의 후각세포를 조사해서, 1000개의 세포 중 약 한 개가 파란색으로 염색되었다는 사실을 명확하게 밝혔다. 각각의 후각세포는 전천후 선수가 아니라, 한 가지 냄새만 감지할 수 있는 전문가였다. 얼마 지나지 않아 린다 벅은 컬럼비아 대학을 떠나서 하버드 대학에 자신의 연구실을 꾸렸고, 두 연구팀은 나란히 후각의 여러 비밀을 파헤쳤다. 그들은 곧 후각 뉴런을 개별적으로 분리해서 리모넨 같은 특정 향기에 대한 민감도를 직접 알아보는 기술을 고안했다. 그들은 각각의 향기 물질이 하나가 아닌 여러 개의 뉴런을 활성화시킨다는 것을 발견했다. 게다가 하나의 뉴런은 여러 개의 서로 다른 향에 반응했다. 이 발견은 400개의 후각 수용체로 어떻게 1조 가지의 서로 다른 냄새를 구별할 수 있는지와 관련된 수수께끼를 해결해줄 것처럼 보인다. 단 스물여섯 글자의 알파벳을 다양한 방식으로 조합해서 책에 있는 모든 단어를 쓸 수 있듯이, 수백 개의 후각 수용체가 수억 가지 서로 다른 조합으로 활성화되어 무수한 향을 느낄 수 있는 것이다. 리처드 액설과 린다 벅은 '후각 수용체와 후각계의 구조'발견을 개척한 공로를 인정받아 2004년에 노벨상을 수상했다. 드러나고 있는 후각의 비밀 각각의 후각 수용체는 어떻게 자신과 맞는 냄새 분자, 이를테면 리모넨 같은 것만 인식하고, 다른 수많은 냄새 물질과는 결합되지 않는 것일까? 이것이 냄새에서 가장 중요한 미스터리다. 보통 이것을 자물쇠와 열쇠 메커니즘으로 설명 한다. 이 메커니즘은 자물쇠의 구멍에 열쇠가 꼭 들어맞듯이, 냄새 분자와 후각 수용체가 일치할 것이라는 생각이다. 이를테면 리모넨 분자는 특정 후각 수용체에 딱 맞아 들어가고, 이 결합이 수용체의 자물쇠를 풀고 신호를 만든다. 신호는 세포막에 이온이 쏟아져 들어올 수 있는 통로를 만고 통로를 통해 흘러들어온 이온이 전류를 만들고, 후각세포를 점화시킨다. 그리고 뇌를 향해 신소가 전달된다. 자물쇠와 열쇠 메커니즘은 수용체 분자가 그 내부에 꼭 맞아 들어가는 냄새 분자와 형태적으로 상보관계에 있다는 것을 암시한다. 쉽게 말해서 유아들이 좋아하는 모양 맞추기 퍼즐과 비슷하다. 퍼즐은 특정형태의 블록을 그 형태로 잘려있는 나무판에 맞춰 집어넣어야 한다. 후각에서 각각의 냄새분자는 이런 블록 형태 중 하나라고 생각할 수 있다. 오렌지 향은 원형, 사과 향은 사각형, 바나나 향은 삼각형인 것이다. 그리고 각각의 후각 수용체에는 이런 모양의 냄새 분자가 쏙 들어갈 수 있는 형태로 만들어진 냄새 결합부위가 있다고 생각할 수 있다. 물론 진짜 분자가 그렇게 깔끔한 형태를 갖는 일이 드물다. 식품에 냄새물질의 종류가 1만종이 되고, 동물의 후각수용체의 종류는 보통 1,000종이 되는데, 진짜 수용체의 결합 부위는 훨씬 더 복잡해야만 한다. 이것은 기질 분자와 결합하는 효소의 활성 부위와 비슷할 것이다. 냄새 분자가 후각 수용체와 결합하는 원리는 기질이 효소의 활성 부위에 결합하는 원리, 면역세포가 작동하는 원리, 약물이나 호르몬이 작용하는 방식과 비슷할 것이다. 그래서 형태설을 쉽게 받아들여졌다. 그런데 이 형태설에 강하게 반발하는 것이 진동설이다 화학자인 맬컴 다이슨은 공업용 화합물을 합성하는 일을 하였고, 코를 이용해서 합성 물질의 냄새를 맡았다. 그런데 다이슨을 어리둥절하게 한 것은 분자의 형태와 냄새 사이에는 뚜렷한 관계가 전혀 없다는 점이었다. 이를테면 화합물은 형태가 대단히 다르지만, 모두 똑같이 머스크 향이 나는 경우도 있다. 반대로 대단히 비슷한 구조의 화합물에서 전혀 다른 냄새가 나기도 한다. 분자의 형태와 그 냄새 사이의 간단치 않은 관계는 향수 제조업계의 중요한 문제였다. 아니, 여전히 중요한 문제다. 다이슨은 향기 물질에 같은 작용기를 가진 화합물이 비슷한 특성을 가진 것을 발견했다. 예를 들어 머스크향이 나는 물질에서는 케톤기(C=O)가 있었고, 티올(-SH)기를 가진 것은 썪은 달걀 냄새가 나기도 했다. 그래서 다이슨은 코가 감지하는 것은 전체적인 분자의 형태가 아니라 물리적 특성의 차이라고 제안했다. 이를테면 구성 원자들 사이의 결합이 진동하는 진동수를 감지한다는 것이다. 하지만 다이슨이 이런 주장을 처음 내놓았던 1920년대 후반에는 아무도 분자의 진동을 감지할 방법을 알지 못했다. 그러다 라만 분광법이 등장했다. 다이슨은 라만의 연구에 관해서 듣고, 이 연구가 냄새 분자의 분자 진동을 조사할 메커니즘을 제공할 수 있다는 것을 알게 되었다. 그는 코가 "어쩌면 분광기처럼" 서로 다른 화학결합이 일으키는 특유의 진동수를 감지할 수 있을지도 모른다고 제안했다. 그리고 냄새가 같은 화합물들에서 라만 스펙트럼을 통해 같은 진동수를 확인하기도 했다. 예를 들어 메르캅탄 물질들은 공통적으로 2567~2580의 진동수에서 특별한 피크를 나타내고, 모두 계란 썩는 악취를 풍긴다. 하지만 우리의 코에는 라만 분광기는 없고 그 역할을 하는 시스템을 아직 모른다. 더 큰 문제는 우리의 코는 라만 스펙트럼에서 같은 진동수를 가진 것을 전혀 다른 물질로 인식하기도 한다. 대표적인 것이 광학 이성체인데 왼손과 오른손처럼 분자량, 형태 그리고 작용기와 진동수까지 같은 경우에 같은 냄새가 나야 하는데, 우리의 코는 다르게 인식하는 경우가 많다. 카본(Carvone), 이오논(ionone), 누트카톤(nootkatone) 같은 물질이 대표적이다. 이들은 거울에 비친 것처럼 방향만 다르지 나머지는 모두 같은데도 냄새가 전혀 다르다. 이것으로 알 수 있는 것은 후각은 적어도 분자의 진동 감지에만 의존하지는 않는다는 것이다. 이런 문제로 후각의 진동 가설은 형태설에 밀려 완전히 사라지는 듯 했다. 하지만 형태설에도 해결되지 않는 문제가 있다. 형태는 비슷하지만 냄새는 전혀 다른 분자를 설명하기가 어렵다. 그래서 등장한 것이 후각 수용체가 분자의 전체 형태를 인식하는 것이 아니라 부분적인 기의 형태를 인식한다는 이론이다. 이 점은 나름 획기적인 전환이다. 앞서 말했듯이 머스크 향을 내는 화합물들은 모두 케톤(C=O)기가 있다. 후각 수용체는 전체에 반응하지 않고 이 부분만 반응한다고 하면 나름 해결책이 되는 것이다. 분자를 형태로 인식한다는 것은 직관적으로 이해하기 쉽다. 우리가 왼 장갑과 오른 장갑을 구분해서 끼우거나, 열쇠를 자물쇠에 끼울 때도 방향이 있고, 맞는 형태가 있다. 항체, 호르몬, 효소와 수용체, 그 외 많은 분자들이 형태의 차이를 통해 상호작용을 하는 것으로 알려져 있다. 그러니 후각의 형태설이 쉽게 받아들여지는 것은 당연한 일이다. 하지만 우리는 정작 중요한 것은 진동을 통해서 신호를 교환한다. 바로 시각과 청각이다. 눈은 빛의 진동수를 감지하는 것이고, 우리는 진동을 통해 소리로 의사를 표현하고 귀를 통해 그 진동을 감각한다. 코도 과연 진동을 이해할까 1953년 레바논에서 태어난 루카 투린도 진동 스펙트럼과 향 사이에 밀접한 관계가 있다고 확신했다. 그리고 생물학적 기반으로 생체분자가 전자의 양자 터널링을 통해서 화학결합을 감지할 수 있었다고 주장했다. 현악기에서는 줄을 건드리지 않고도 공명을 이용해서 소리를 낼 수 있는데 투린은 후각 수용체가 그와 비슷한 원리로 양자 터널링을 통해 진동을 감각할 수 있다는 것이다. 양자 터널링을 통해서 수용체로 넘어간 전자가 G단백질을 활성화 시켜 후각 신호를 만든다는 것이다. 투린은 진동설을 주장하면서 한 가지 기가 막힌 예측을 하였는데, 분자에 계란 썩은 냄새가 나는 물질은 철-황 결합이 있고, 약 76테라헤르츠인 진동수가 있는데, 진동수가 76테라헤르츠인 결합이 있는 화합물은 모두 구성 분자나 형태에 관계없이 계란 썩는 냄새가 날 것이라는 예측이다. 문제는 그런 진동수를 가진 화합물이 대단히 드물다는 것이다 투린은 분광학 문헌을 철저히 조사하여 마침내 보란이라 불리는 수소화붕소 화합물의 붕소-수소 결합이 78테라헤르츠로 진동한다는 것을 발견했다. 그리고 실제로 붕소와 수소 원자로만 이루어진 데카보란 같은 보란은 황이 없음에도 황화수소처럼 계란 썩는 악취를 풍기는 물질로 알려져 있다. 진동 가설은 데카보란 덕분에 어느 정도 고무적인 성공을 거두었다. 그럼에도 여전히 형태 가설과 비슷한 문제를 겪고 있었다. 이를테면 거울 이성체는 냄새는 전혀 다르지만 동일한 진동 스펙트럼을 갖고 있었다. 투린은 진동설에 힘을 실을만한 또 다른 실험을 하였다. 분자의 크기, 형태는 물론 광학이성체 까지 완벽하게 동일한 분자이면서 진동수만 다른 분자가 같은 냄새를 낼지 다른 냄새가 날까이다. 형태설에 의하면 같은 냄새가 나고 진동설에 의하면 다른 냄새가 나야 한다. 이를 위해 냄새분자를 구성하는 수소 원자를 중소수 같이 더 무거운 동위원소로 바꿔서 실험을 하였다. 투린은 아세토페논을 구성하는 수소 원자 8개를 중수소로 바꾼 화합물을 비싼 비용을 주고 구입하여 평가를 하였다. 원래는 85~93테라헤르츠의 진동수를 가진 분자가 66테라헤르츠의 진동수로 바뀐 분자이다. 투린은 실험실의 문을 잠그고 조심스럽게 냄새를 비교했다. 그는 "냄새가 달랐다"고 확신했다. "중수소가 들어간 쪽은 덜 달콤하고 용제와 더 비슷한 향이 났다"고 묘사했다. 작가인 챈들러 버는 냄새의 분자 메커니즘을 밝히기 위한 투린의 여정을 묘사한 책 그러나 많은 사람은 여전히 그의 가설을 받아들이지 못하고 있었다. 보통 사람은 중수소로 치환된 아세토페논의 냄새의 차이를 구분하지 못한다는 것이다. 그리스 알렉산더 플레밍 연구소의 에프티미오스 스코올라키스가 이끄는 연구팀과 루카 투린을 포함한 MIT의 연구자들은 사람 대신에 초파리를 이용하기로 했다. 'T자 미로실험‘을 한 것인데, 미로의 오른쪽 갈래 끝에 아세토페논을 살짝만 발라놓아도 거의 모든 초파리가 아세토페논의 과일 향이 있는 쪽으로 날아갔다. 그리고 아세토페논의 여덟 개의 수소 원자 중에서 세 개, 다섯 개, 또는 여덟 개 모두를 중수소로 치환한 화합물에 대해 개별적으로 실험했다. 각각의 실험에서 미로 맞은편에는 항상 치환하지 않은 아세토페논을 두었다. 결과는 놀라웠다. 초파리는 중수소 세 개가 치환된 아세토페논에서만 양 방향을 무작위로 향했고, 다섯 개나 여덟 개가 치환된 아세토페논이었을 때는 모두 중수소 아세톤페논의 반대 방향으로 향했다. 초파리는 원래의 아세토페논과 중수소로 치환된 아세토페논의 냄새 차이를 구발할 수 있는 듯 보였고, 원래의 아세토페논을 좋아했다. 연구진은 두 가지 냄새물질을 추가하여 실험을 했는데, 옥타놀에서는 수소와 중수소 사이의 차이를 구별할 수 있지만, 밴즈알데하이드에서는 그렇지 못했다. 확실히 후각수용체로 그런 구분을 하는지 확인하기 위해 연구자들이 후각 수용체가 없는 돌연변이 초파리로도 실험을 했다. 예상대로 이 후각 상실 돌연변이는 수소와 중수소 냄새 물질 사이의 차이를 전혀 구별하지 못했다. 연구자들은 초파리가 분자의 진동을 감지할 수 있는지를 확인하기 위해 더욱 놀라운 실험을 실시하였다. 파블로프식 조건 형성 장치를 이용해서 발에 약한 전기 충격을 줌으로써, 초파리가 특정 형태의 화학물질에 대해 기피하도록 훈련시키기도 했다. 먼저 진동수가 66테라헤르츠인 탄소-중수소 결합이 있는 화합물을 피하도록 초파리를 훈련시켰다. 초파리가 그 파장을 감지한다면 우연히 진동수가 같은 전혀 다른 화합물도 피하는 반응을 할 것이다. 그러자 탄소-중수소 결합의 화합물을 피하도록 훈련된 초파리는 니트릴 이라는 화합물도 피했다. 니트릴은 진동수만 같지 탄소-질소라는 전혀 다른 결합을 가지고 있고 냄새도 달랐다. 그 물질에 대해 초파리는 기피반응을 한 것이다. 적어도 초파리에 대해서 후각의 진동설을 강력하게 지지하는 이 연구는 2011년 <미국 국립과학원 회보>에 실렸다. 이 팀들은 다시 인간도 가능한지에 대한 테스트를 하였다. 아세토페논의 경우 냄새의 차이가 미미했는데, 좀 더 복잡한 머스크 향 분자로 테스트를 해보기로 했다. 머스크 향 분자에는 28개 이상의 수소 원자가 있으며, 이 수소 원자들은 모두 중수소로 치환될 수 있다. 실험에 참여한 11명의 피험자 모두가 일반 머스크 향과 완전히 중수소로 치환된 머스크 향의 차이를 쉽게 구별하였다. 어쩌면 정말로 인간도 분자의 진동수 차이를 냄새로 구별할 지도 모른다. 그 연구팀의 일원인 제니퍼 브룩스는 여기서 한 걸음 더 나아가 좀 더 통합된 이론을 제시한다. 형태와 진동 모두가 후각 작용해서 역할을 한다는 것이다. 후각 수용체의 결합 부위가 신용카드 결제기와 같은 역할을 한다는 것이다. 카드를 긁으면 카드 결재기가 마그네틱 선의 정보를 읽는다. 그러나 아무것이나 카드 결제기에 다 맞진 않는다. 모양과 두께가 맞고, 마그네틱 띠가 알맞은 자리에 있어야 한다. 냄새 분자도 먼저 왼손이나 오른손 형태냐에 따라 결합이 가능할 수도 있고 불가능 할 수도 있다. 먼저 냄새 분자가 형태적으로 후각 수용체와 맞아만 하고, 이후 진동에 의해 유발되는 전자 터널링이 일어나서 후각 수용체가 분자의 차이를 감지한다는 것이다. 이들은 아직 가설의 단계이다. 이런 모형이 실험 자료와 맞아떨어진다고 해도 후각이 양자역학적 현상이라는 것이 증명이 되지 않는다. 아직까지 양자 터미널이 냄새와 연관 있는지를 직접적으로 검증한 실험은 없다. 후각이라는 퍼즐에서 아직까지 찾지 못한 중요한 조각은 후각 수용체의 구조다. 후각 수용체의 구조를 알면, 여러 중요한 문제의 해답을 찾기가 더 수월해질 것이다. 이런 문제들은 후각 수용체의 결합 부위가 각각 냄새 분자에 얼마나 편안하게 잘 들어맞는지, 후각 수용체 분자에서 비탄력적 전자 터미널이 일어날 수 있는 적절한 위치에 전자 공여체와 수용체가 배치되어 있는지와 같은 것들이다. 그러나 세계 유수의 구조생물학 연구팀들이 수년간 노력을 기울였음에도 불구하고, 아직까지는 효소나 광합성 색소 단백질에서 양자역학적 메커니즘을 밝힌 것과 같은 방식의 연구를 할 정도로 후각 수용체를 분리해낸 곳은 없었다. 문제는 후각 수용체가 세포막에 박혀 있는 상태가 해파리가 해수면에 떠 있는 상태와 비슷하다는 점이다. 후각 수용체 단백질을 막에서 추출하는 것은 바다에서 해파리를 건져내는 것과 비슷해서, 형태를 유지하지 못하게 된다. 게다가 아직까지 아무도 수용체가 세포막에 박혀 있는 동안 단백질의 구조를 결정하는 방식을 밝히지 못했다. 루카 투린, 향기에 매혹돼 아웃사이더가 된 과학자 2010년 06월 08일 강석기 동아사이언스 기자 sukki@donga.com 얼마 전 ‘케미컬 센스(Chemical Senses)’란 학술지에 흥미로운 논문이 하나 실렸다. 은방울꽃 향기를 내는 부르지오날(bourgeonal)이라는 냄새분자를 남자가 여자보다 더 잘 맡는다는 내용이다. 이런 게 뭐 논문거리냐 싶지만 후각은 여성이 남성보다 더 민감한 감각이라는 게 통설이고 실제 이전까지 있었던 남녀 후각 민감도 차이 연구는 모두 여성이 더 민감하거나 남녀차이가 없다는 결과를 얻었다. 이 학술지의 이름 케미컬 센스, 즉 화학적 감각은 후각과 미각을 뜻한다. 시각, 청각, 촉각은 물리적 감각이다. 둘의 결정적 차이는 감각 매개체에 있다. 파동이나 압력인 물리적 감각의 매개체는 쉽게 디지털화해 재현할 수 있다. 남아공에서 있을 월드컵을 TV로 봐도 (물론 현장의 생생함은 떨어지지만) 정보의 대부분을 얻을 수 있다. 그런데 남아공 들판에 있는 토착 야생화의 꽃향기는? 현지에서 아무리 화려한 수사로 꽃향기를 묘사한다고 해도 시청자는 ‘감(感)’도 잡히지 않을 것이다. 화학적 감각은 매개체인 ‘분자’가 직접 코의 후각상피나 혀의 미뢰에 닿아야 감지할 수 있기 때문이다. 아무리 IT가 발달해도 화학적 감각의 진정한 재현은 결코 이뤄지질 않을 것이다. 물론 모니터에 냄새분자가 담긴 작은 병을 수십~수백 개 꽂아놓고 화면에 맞는 냄새를 분사할 수는 있겠지만 이런 어설픈 재현은 금방 싫증날 것이다. 보통 사람이 구분할 수 있는 냄새만 해도 1만 가지이기 때문이다. ● 후각수용체 유전자 1000여개 발견 ‘케미컬 센스’에 실린 논문을 읽다가 문득 루카 투린(Luca Turin)이 떠올랐다. 투린은 후각 메커니즘을 연구한 과학자로 2002년 미국의 저널리스트 챈들러 버가 그의 삶을 다룬 ‘The Emperor of Scent’라는 책을 펴내 유명해졌다. 2005년 ‘루카 투린, 향기에 취한 과학자’란 제목으로 한글판이 나왔다. 당시 신문 신간면에 난 소개기사를 보고 재미있겠다 싶어 책을 산 기자는 책을 읽다가 전율했던 기억이 지금도 생생하다. 기자는 대학원에서 생화학 전공으로 석사과정을 마치고 한 대기업 화장품연구소 향료연구팀에서 근무했다. 순수과학을 하다가 향기를 맡고 외우는 일을 하다 보니 적응이 안 되기도 했지만 한편으로는 감각과 아름다움에 대해 이런저런 생각을 많이 했다. 후각을 공부하다 보니 후각 분야 자체가 거의 연구되지 않았었는데 당시는 수년 전 놀라운 발견이 있어 많은 미스터리가 풀리고 있던 상황임을 알게 됐다. 놀라운 발견이란 1991년 미국 컬럼비아대의 린다 벅 박사와 리처드 액설 교수가 냄새수용체 유전자 무리를 발견한 일이다. 전체 유전자의 3%에 해당하는 무려 1000여개의 유전자가 존재해 그동안 무시해왔던 후각이 얼마나 중요한 감각인지 인식하는 계기가 됐다. 훗날 그 가운데 3분의 1만이 작동하고 나머지는 퇴화한 화석 유전자로 밝혀져 인간의 진화과정에서 후각의 중요성이 상대적으로 떨어졌음을 보여주기도 했다. 린다 벅 박사는 냄새분자와 수용체 단백질이 열쇠와 자물쇠처럼 짝이 맞으면 뇌로 신호를 보내 냄새를 인지한다는 후각 메커니즘을 제안했다. 그렇다면 3백여 개의 수용체로 어떻게 수만 가지 냄새를 맡을 수 있을까. 벅 박사는 액정 시계 화면이 0에서 9까지 숫자를 표시하는 방식과 같다고 설명한다. 가로 셋, 세로 다섯, 전부 15개의 점(픽셀)으로 이뤄진 화면에서 각 점의 점멸 패턴에 따라 숫자가 인식되듯이, 냄새분자별로 결합하는 수용체의 종류가 달라 뇌는 그 신호패턴을 보고 냄새를 인식한다는 것이다. 당시 이런 최신 내용을 접하고 기자는 감탄을 거듭했다. 실제로 벅과 액설은 이 공로로 2004년 노벨생리의학상을 수상했다.  진동이론으로 설명할 수 있는 현상의 한 예. 구아야콜과 벤조알데히디 분자 각각은 바닐라향이 나지 않지만 적절한 비율로 섞으면 바닐라향이 난다. 이들의 진동패턴을 합치면 바닐라향이 나는 분자인 바닐린과 비슷해지기 때문이다. 그런데 문제는 실제로 다양한 냄새분자를 맡아보면 이 이론이 잘 맞지 않는다는 데 있다. 즉 열쇠와 자물쇠처럼 냄새분자와 수용체가 작동한다면 구조가 비슷한 분자는 냄새도 비슷해야 할 텐데 그렇지 않은 경우가 너무나 많았다. 게다가 구조는 전혀 다른데 냄새는 비슷한 경우도 꽤 많았다. 분자구조를 보고 냄새를 예측하는 연구가 있는지 찾아봤지만 없었다. 결국 기자가 직접 냄새 분자를 그려 펼쳐놓고 뭔가 패턴을 찾으려고 했지만 별 소득이 없었다. 그 뒤 회사를 그만두고 수년 간 기자를 하다가 우연히 손에 잡은 책이 바로 ‘루카 투린, 향기에 취한 과학자’였다. ●첫 직장에서 향수에 매료돼 1953년 아버지의 직장이 있던 레바논에서 태어난 루카 투린(국적은 이탈리아)은 프랑스와 스위스에서 자랐고 1982년 영국 유니버서티칼리지런던에서 생리학으로 박사학위를 받았다. 그의 첫 직장은 남프랑스 니스 근처의 빌프랑슈 해양 관측소였다. 니스에서 차로 한 시간 거리에는 향료의 메카인 ‘그라스’가 있다. 예전부터 향기에 관심이 있었던 투린은 연구는 제쳐두고 틈만 나면 그라스를 방문해 향수를 수집했다. 결국 그는 1992년 향수 안내서를 펴내 향료업계 사람들의 주목을 받았다. 세계 곳곳의 화장품 회사에 향료를 공급해주는 회사 가운데 하나인 퀘스트사의 향료연구자들과 친분을 갖게 된 투린은 이들이 후각 메커니즘을 제대로 모른채 사실상 시행착오를 거쳐 새로운 냄새분자를 만든다는 사실을 알고 충격을 받는다. 투린은 운 좋게 유니버시티칼리지런던 해부학과의 강사자리를 얻었는데 이때부터 본격적으로 후각 메커니즘을 밝히는 연구를 시작했다. 투린 역시 기자처럼 경험을 통해 냄새분자와 수용체분자가 마치 열쇠와 자물쇠처럼 꼭 맞을 때 신호를 전달한다는 ‘형태이론’에 회의적이었다. 대신 한 잡지에서 우연히 읽은 ‘진동이론’에 끌렸다. 진동이론은 1920년대 멜컴 다이슨이라는 영국의 과학자가 제시한 가설로 후각세포가 냄새분자의 진동을 감지해 신호를 전달한다고 설명한다. 즉 분자를 이루는 원자 사이의 진동수는 원자의 종류나 화학결합의 종류에 따라 다른데 냄새수용체는 이 진동수를 인식한다는 가설이다. 투린은 독학으로 물리학과 화학을 공부해가며 진동이론을 검증하는 기발한 실험들을 생각해냈다. 그 가운데 하나가 바닐라향이 전혀 없는 구아야콜과 벤조알데히드라는 분자를 섞었을 때 바닐라향이 날 것이라는 예측이다. 이 두 분자의 진동을 합치면 바닐라향이 나는 분자인 바닐린의 진동패턴이 재현되기 때문이다. 실제로 둘을 합치자 바닐라향이 났다. 책에는 이 밖에 형태이론에는 안 맞지만 진동이론으로는 설명할 수 있는 여러 사례가 나오는데, ‘이 사람, 정말 천재구만!’이라는 생각에 감탄이 절로 나왔다. 투린은 1995년 연구결과를 논문으로 정리해 저명한 과학저널인 ‘네이처’에 보냈지만 거의 1년을 끈 끝에 게재가 거부됐다. 투린이 눈물을 머금고 이 논문을 보낸 저널이 바로 ‘케미컬 센스’다(1996년 9월 30일 출간). 루카 투린 박사가 2008년 펴낸 향수안내서. 1500여 종의 향수가 소개돼 있다. 투린은 향수의 핵심을 찌르는 놀라운 표현력으로 향수전문가들로부터도 경외의 대상이 됐다.투린의 논문은 후각 연구를 하는 주류에게는 터무니없는 소리라며 외면받았지만 그 뒤 그의 가설을 지지하는 논문이 하나 둘 발표되기 시작했다. 2004년 발표된 한 논문에 따르면 분자의 형태보다는 진동수가 냄새의 패턴과 더 밀접한 관계가 있음이 밝혀졌다. 2007년 저명한 물리학저널 ‘피지컬리뷰레터스’에는 투린의 가설이 물리학의 관점에서도 타당함을 입증하는 논문이 실리기도 했다. 물론 2004년 린다 벅과 리처드 액설이 노벨상을 받았고 생리학 교과서에도 이들이 다듬은 형태이론이 후각 메커니즘으로 소개돼 있다. 기자 역시 수년간 향기를 연구한 경험이 없었다면 미국 저널리스트가 쓴 책을 ‘과장과 왜곡’으로 폄하하며 넘어갔을 것이다. 그러나 후각에 대해 투린이 품었던 바로 그 의문을 똑 같이 생각했었고 그의 증거가 상당히 설득력이 있기 때문에 후각 메커니즘이 형태이론으로 명쾌히 밝혀지기는커녕 적어도 여전히 안개 속에 가려져 있다는 생각이다. 그럼에도 교과서에는 버젓이 형태이론이 마치 사실인 것처럼 소개돼 있고 진동이론은 언급조차 없는 걸 보면 과학 역시 누가 ‘패러다임’을 쥐고 있느냐에 자유로울 수 없다는 생각이 든다. 현재 투린은 미국 MIT에서 포유동물의 후각계를 재현하는 프로젝트에 참여하고 있다고 한다. 그의 진동이론이 좀 더 확실한 증거를 확보해 교과서에도 실리게 될지 자못 궁금하다. 위기에 몰린 후각 진동이론 일러스트가 있는 과학에세이 124 생명체가 살아나가려면 주위 환경(다세포 생물의 경우 조직이나 신체기관도 포함)의 정보를 입수해 분석한 뒤 대응할 수 있어야 한다. 첫 단계인 정보입수 역할을 하는 분자가 바로 수용체다. 외부정보는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 물리적 정보와 화학적 정보다. 시각과 청각, 체감각이 물리적 정보라면 후각과 미각은 화학적 정보이고 호르몬 등 다양한 신호전달체도 화학적 정보라고 볼 수 있다. 화학적 정보, 즉 어떤 분자(리간드라고 부른다)가 수용체에 달라붙으면 수용체의 구조를 바뀌어 신호를 전달된다. 이 과정은 열쇠-자물쇠 관계로 비유된다. 실제로 약이나 독 대다수가 리간드와 비슷한 구조를 지녀 수용체에 작용해 효과를 낸다. 그런데 유독 열쇠-자물쇠 메커니즘에 ‘저항’하는 분야가 있다. 바로 후각이다. 사실 후각이야 말로 전형적인 열쇠-자물쇠 메커니즘으로 여겨진다. 사람의 경우 비강 위쪽의 후각망울 표면에 후각수용체단백질을 지니고 있는 후각세포가 330여 가지 존재한다. 냄새분자가 콧속으로 들어오면 330가지 가운데 구조가 맞는 몇 가지와 상호작용을 하고 뇌는 그 패턴을 인식해 특정한 냄새라고 느낀다(이를 ‘형태이론’이라고 부른다). 후각수용체유전자무리를 발견하고 이런 후각 메커니즘을 제안한 린다 벅과 리처드 액설은 2004년 노벨생리의학상까지 받았다. 이런 주류에 맞서는 소수의 과학자들이 있었으니 그 원조는 19세기 영국의 생리학자 윌리엄 오글(William Ogle)까지 거슬러 올라간다. 오글은 1870년 발표한 논문에서 후각도 시각이나 청각처럼 파동(진동)이 정보를 전달할 것이라고 주장했다. 그 뒤 1920~30년대 영국의 멜컴 다이슨이, 1950~70년대는 라이트가 계보를 이었다. 후각의 진동이론이 전면에 등장한 건 루카 투린이라는 괴짜 과학자가 등장하면서부터다. 1953년 레바논에서 태어난 투린은 영국에서 생리학으로 학위를 받은 뒤 남프랑스의 빌프랑슈 해양 관측소에서 자리를 잡았다. 향수의 본고장에서 일하며 점차 향기에 빠져든 투린은 영국 유니버시티칼리지런던으로 옮긴 뒤 본격적으로 후각 메커니즘을 연구했다. 다이슨의 진동이론에 깊은 감명을 받은 투린은 이를 입증하는 기발한 실험을 고안했다. 즉 구아야콜과 벤조알데히드라는 두 분자는 바닐라향이 나지 않지만 적절한 비율로 섞으면 바닐라향이 난다는 것. 투린은 두 분자의 진동패턴을 합치면 바닐라향이 나는 바닐린이라는 분자의 진동패턴과 비슷해지기 때문이라고 설명했다. 1995년 투린은 논문을 써 학술지 ‘네이처’에 보냈지만 결국은 게재가 거절돼 이듬해 학술지 ‘화학적 감각’에 실었다. 논문이 나간 뒤에도 후각의 진동이론은 주목을 받지 못했지만 2002년 미국의 저널리스트 챈들러 버가 ‘루카 투린, 향기에 취한 과학자’라는 책을 내면서 대중에게도 알려지기 시작했다. 그 뒤 간헐적으로 후각의 진동이론을 지지하는 연구결과를 담은 논문이 몇 편 발표됐다. 세포실험은 형태이론 지지 형태이론과 진동이론 어느 쪽이 맞느냐를 명쾌하게 밝힐 수 있는 방법으로 거론되는 두 가지 실험이 있다. 하나는 광학이성질체 비교실험이고 다른 하나는 동위원소이성질체 비교실험이다. 광학이성질체는 서로 거울(오른손 왼손처럼) 관계다. 즉 두 열쇠(냄새분자)가 광학이성질체일 경우 자물쇠(수용체)가 둘 가운데 하나에만 맞을 가능성이 있다. 따라서 형태이론에 따르면 광학이성질체는 냄새가 다를 수 있다. 반면 진동이론은 냄새분자를 이루는 원자 사이의 진동이 냄새를 결정하므로 광학이성질체는 냄새로 구분할 수 없다. 한편 동위원소이성질체는 분자를 이루는 원자의 동위원소에 따른 이성질체다. 즉 수소분자와 중수소분자가 동위원소이성질체 관계다. 이 경우 분자 형태는 같기 때문에 형태이론이 맞다면 수용체가 구분하지 못한다. 즉 냄새가 같다는 말이다. 반면 분자의 진동은 원자의 질량에 따라 결정되므로 이 경우 바뀌게 된다. 즉 진동이론이 맞다면 동위원소이성질체는 다른 냄새로 느껴질 것이다. 지금까지 이 방법들을 써서 두 가지 이론 가운데 어느 쪽이 맞는가를 밝힌 논문이 몇 편 나왔는데 실망스럽게도 결과가 엇갈렸다. 즉 광학이성질체를 다른 냄새로 맡는다는 결과도 있고(형태이론 승) 동위원소이성질체를 다른 냄새로 지각한다는 결과도 있다(진동이론 승). 그러나 대체로 실험이 정교하지 못해 여전히 논란이 계속되고 있다. 학술지 ‘미국립과학원회보’ 5월 26일자에는 진동이론 진영에는 치명적일수도 있는 실험결과를 담은 논문이 실렸다. 미 뉴욕주립대 에릭 블록 교수 등 공동연구자들은 사람들에게 냄새를 맡게 한 뒤 평가하게 하는 오류의 가능성이 있는 행동실험 대신 후각수용체단백질을 발현하는 세포가 동위원소이성질체에 반응하는가를 측정하는 실험을 고안했다. 이들은 사이클로펜타데카논이라는 머스크향이 나는 분자의 동위원소이성질체를 만든 뒤(분자를 이루는 수소원자를 중수소원자로 바꿨다) 사람에서 머스크향을 감지하는 수용체인 OR5AN1을 표면에 지니고 있는 세포를 대상으로 실험을 진행했다. 그 결과 OR5AN1은 동위원소이성질체에 상관없이 모든 사이클로펜타데카논에 반응했다. 즉 수용체가 인식하는 건 냄새분자의 형태이지 진동이 아니라는 말이다. 연구자들은 이 결과를 일반화하기 위해 사람과 생쥐의 여러 수용체단백질에 대해 각각이 인식하는 분자의 동위원소이성질체를 만든 뒤 비교 실험을 진행했다. 그 결과 모든 경우에서 수용체는 동위원소이성질체를 구분하지 못하는 것으로 나타났다. 이번 연구결과는 사람들이 사이클로펜타데카논의 동위원소이성질체를 냄새로 구분할 수 있다는 2013년 학술지 ‘플로스 원’에 발표된 결과를 뒤집는 내용이다. 이런 모순에 대해 연구자들은 당시 실험에 쓰인 시료에 미량의 불순물이 있어 다른 냄새가 날 수도 있었을 것이라고 해석했다. 이에 대해 진동이론 진영이 또 어떤 실험결과를 들고 대응할지 기다려진다. |
||||
|
|
|||