인간의 몸을 구성하는 세포의 핵 속에는 생명의 모든 정보를 담은 설계도, DNA가 들어있다. 인류는 지난 2003년 '인간 게놈 프로젝트'를 통해 이 설계도의 글자(염기서열)를 모두 읽어내는 데 성공했다. 그러나 과학자들에게는 여전히 풀리지 않는 난제가 있었다. 설계도의 글자는 다 읽었지만, 정작 이 설계도가 좁은 세포 핵 안에서 '어떻게 접혀 있는지', 그 입체적인 형태를 몰랐던 것이다. 마치 가구 조립 설명서의 글자는 읽었으나, 조립된 가구의 완성된 입체 모습은 모르는 것과 같았다.

2025년, 마침내 그 수수께끼가 풀렸다. 노스웨스턴대학교 펑 위에(Feng Yue) 교수가 주도하는 국제 공동 연구팀 '4D 뉴클레옴 프로젝트(4D Nucleome Project)'가 인간 유전자의 3차원 입체 지도를 완성해 국제학술지 '네이처(Nature)' 최신호에 발표했다. 이것은 단순한 지도가 아니다. 시간이 흐름에 따라 역동적으로 변하는 '4D 영상 지도'다.

2m 실을 테니스공에 넣는 '압축의 미학'

우리 몸속 세포 하나에 들어있는 DNA를 일자로 펼치면 그 길이는 약 2m에 달한다. 반면 세포의 핵은 지름이 머리카락 굵기의 수백 분의 일에 불과할 정도로 작다. 2m짜리 긴 끈을 이 좁은 공간에 넣기 위해서는 고도의 '포장 기술'이 필요하다. DNA는 무질서하게 구겨진 것이 아니라, 히스톤 단백질을 감고 코헤신(cohesin) 단백질을 이용해 특정한 규칙에 따라 실타래처럼 감기고, 고리를 만들며 차곡차곡 접혀 있다.

우리가 교과서에서 흔히 보는 막대 모양의 'X자 염색체'는 세포가 분열할 때 이동을 위해 일시적으로 꽉 뭉쳐진 상태일 뿐이다. 평소 세포 속 DNA는 거대한 도서관의 책장처럼, 혹은 아주 복잡하지만 질서 정연한 오리가미(종이접기)처럼 존재한다. 연구팀은 이번에 인간 배아 줄기세포와 포피 섬유아세포를 정밀 분석해, DNA가 꼬이고 접히는 핵심 지점이 14만 곳이 넘는다는 사실을 밝혀냈다.

14만 개의 'DNA 루프'…유전자의 스위치 역할

이번 연구의 핵심 성과는 14만 개에 달하는 '염색질 루프(Chromatin Loops)'의 발견이다. 루프란 끈을 동그랗게 말아 만든 고리를 의미한다. 그렇다면 DNA는 왜 하필 고리 모양으로 접혀 있을까? 이를 이해하기 위해선 '전등 스위치'의 원리를 떠올리면 쉽다.

방의 전등(유전자)을 켜려면 벽에 있는 스위치(조절 부위)를 눌러야 한다. 전등과 스위치는 멀리 떨어져 있지만 벽 속의 전선으로 연결돼 있다. DNA도 마찬가지다. 유전자를 작동시키는 조절 부위는 유전자 본체와 물리적으로 멀리 떨어져 있는 경우가 많다. 이때 DNA가 고리(루프) 모양으로 접히면, 멀리 있던 조절 부위와 유전자가 물리적으로 딱 맞닿게 된다. 즉, "DNA가 접히는 순간 유전자의 스위치가 켜진다"는 것이다.

연구팀은 줄기세포에서 14만 1365개, 섬유아세포에서 14만 6140개의 루프를 확인했다. 이 루프들이 정확한 모양으로 접혀야만 필요한 유전자가 제때 활성화되어 세포가 정상 기능을 수행한다. 반대로 루프가 잘못 접히면 스위치가 고장 난 것처럼 유전자가 작동하지 않거나, 켜지지 말아야 할 유전자가 켜지면서 암이나 각종 유전 질환이 발생하게 된다.

AI 닥터, 게놈의 3차원 모양을 예측하다

이번 연구가 독자들의 주목을 끄는 또 다른 이유는 인공지능(AI) 기술의 결합이다. 연구팀은 방대한 실험 데이터를 바탕으로 '딥러닝 모델'을 훈련시켰다. 이를 통해 복잡한 실험 과정 없이도 환자의 DNA 염기서열(글자 정보)만 입력하면, AI가 "이 사람의 DNA는 3차원 공간에서 이런 모양으로 접힐 것"이라고 예측하는 기술을 확보했다.

이 기술의 의학적 가치는 막대하다. 많은 질병이 유전자 글자 자체의 오타(돌연변이)뿐만 아니라, 유전자가 위치한 '공간적 구조의 문제'에서 기인하기 때문이다. 펑 위에 교수는 "질병과 연관된 유전자 변이의 대다수는 단백질을 만들지 않는 '비부호화 영역(Non-coding regions)'에 위치한다"고 지적했다. 과거에는 '정크 DNA'(쓰레기 DNA) 취급을 받았던 이 영역들이 사실은 DNA를 어떻게 접을지 결정하는 중요한 '접기 안내선' 역할을 수행하고 있었음이 드러난 것이다.

'구조'를 고쳐 병을 낫게 한다

이번 '3차원 게놈 지도'의 완성은 의학계에 세 가지 중요한 시사점을 던진다.

첫째, 생물학적 관점이 1차원에서 3차원으로 확장됐다. 유전자가 단순히 '있다/없다'를 넘어, '어디에 위치하고 누구와 접촉하는지'가 중요해졌다. 둘째, 원인 불명이었던 질병의 매커니즘이 규명됐다. 백혈병이나 뇌종양 같은 암세포는 DNA 구조가 정상 세포와 달리 엉망으로 꼬여 있다는 사실이 확인됐다.

마지막으로 신약 개발의 패러다임이 바뀐다. 기존 약물이 특정 단백질을 공격하는 방식이었다면, 미래의 치료제는 꼬인 DNA를 풀어주거나 올바르게 접히도록 유도하는 '구조 교정' 방식이 될 전망이다. 펑 교수는 이를 "후생유전학적 억제제(epigenetic inhibitors)"를 이용한 치료라고 설명하며, 암과 발달 장애 치료의 새로운 돌파구가 될 것으로 내다봤다. 

2025년, 인류는 생명이라는 거대한 건축물의 설계도를 평면도가 아닌, 살아 움직이는 3D 입체도로 손에 넣게 됐다.