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TAG: MPI (막스플랑크연구소)

작성 2014-09-05
조회 2,365

출생1872-08-13, 독일 카를스루에
국적 독일
분야화학
소속카이저비헬름학회 회장
출신대학뮌헨대학교
주요업적식물 색소, 특히 클로로필에 관한 연구- 엑스선을 사용한 결정의 구조 분석
수상노벨 화학상 (1915)

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인물정보

독일의 화학자. 생명현상에 중요한 역할을 하는 것으로 생각되는 천연성 유기화합물을 연구하였다. 엽록소를 정제·결정화하여 구조를 연구하고, 엽록소에 의한 광합성 작용의 연구를 확립하여 1915년 노벨화학상을 수상하였다.

빌슈테터의 아버지는 직물을 판매하는 상인이었고, 그의 어머니의 가족은 직물사업을 하다가 빌슈테터가 11살 되던 해에 뉴욕으로 이사하여 17살 될 때까지 살았다. 그가 학교를 옮긴 이유는 라틴어를 못하는 것도 있었지만, 반유대주의적 사상에 적응하지 못하였다. 이 때에는 실과 고등학교가 인기였는데, 그의 경험과 주위의 조언으로 화학자가 되기로 결심했었다고 알려져 있다. 또한, 화학보다 물리학이나 의학 쪽에 더 많은 관심을 가졌지만, 어머니가 긴 학교 생활로 인해 허락하지 않을 것 같아 바꾸지 않았다고 한다.

빌슈테터의 주요 연구는 알칼로이드류, 꽃의 색소 안토시아닌, 엽록소, 카토린 등으로 엽록소를 결정함으로서 얻었다. 1894년에 뮌헨대학교에서 아돌프 폰 바이어의 지도 아래 코카인의 구조를 연구하여 박사학위를 받았으며 알칼로이드의 구조를 연구하며 몇 가지의 알칼로이드를 합성했다.

1905년 취리히대학교의 교수가 되면서 클로로필에 관한 연구를 시작해 빛에너지를 흡수하는 식물색소의 구조를 밝히고, 생물학적으로 가장 중요한 색소 헤모글로빈과 클로로필에서 발견한 포피린 화합물의 구조가 비슷하다는 사실을 밝혔다. 그 외에도 카로티노이드, 안토시아닌 등의 식물색소를 연구했다.

1912년에는 베를린대학교 화학교수직과 카이저빌헬름연구소 소장으로 1916년까지 4년간 일하다가 1916년에는 뮌헨대학교 교수가 되었다. 소장으로 있을 때에, 꽃과 과일에 들어 있는 색소의 구조를 많이 밝혀 냈지만, 전쟁 때문에 연구를 하지 못하자, 프리츠 하버의 요청으로 방독면 개발을 시작한다. 1920년대에는 효소가 생물유기체가 아닌 화학물질인 것을 밝혀내고 반유대주의 압력에 맞서며 저항하다 1924년 뮌헨대학교 교수직을 정치적인 이유로 사퇴하였다. 뮌헨에서 개인연구를 계속하다가 1939년엔 스위스로 망명하여 연구를 계속했다.

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시상연설

햇빛 아래서 이산화탄소를 동화하여 식물의 녹색 부분에서 유기물질을 합성하는 클로로필은 생물학적으로 매우 중요하며, 자연이라는 경제세계를 충족시켜야 하는 막중한 임무가 있습니다. 따라서 이 물질의 성질과 작동 방식을 밝히는 것은 과학자에게 가장 중요한 임무입니다. 그러나 이 분야 연구에서 과학자들이 부딪치는 어려움이 너무 커서 아주 최근까지도 클로로필에 대한 연구는 성과가 미미했습니다. 빌슈테터 교수는 최초로, 몇몇 학생들과 함께 새롭고 아주 가치 있는 방법과 명인다운 실험 기술로 행한 광범위한 연구로 이 어려움을 극복하는 데 성공했습니다. 빌슈테터 교수는 연구 결과에서 얻은 새롭고 중요한 발견을 바탕으로 클로로필 핵심부의 화학적 성질에 관한 의구심을 밝힐 수 있었습니다.

클로로필이 다른 미네랄 물질 외에도 마그네슘을 포함한다는 것을 선행 연구자들이 발견한 것은 사실입니다. 그러나 빌슈테터 교수는 마그네슘이 불순물이 아니라 본래 순수한 클로로필의 필수요소라고 밝힘으로써, 생물학적 관점에서 아주 중요한 사실을 완벽한 증거를 가지고 최초로 인식하고 증명하는 업적을 이루었습니다. 그는 철이 헤모글로빈 내에 잡혀 있는 것과 아주 흡사한 방식으로 마그네슘이 클로로필 내에 잡혀 있다는 사실을 밝혔습니다. 이 결합은 매우 견고해서 마그네슘은 강알칼리와의 작용으로도 해리되지 않습니다. 반면 산은 클로로필의 나머지 부분을 손상시키지 않고 제거할 수 있으며, 이렇게 얻어진 마그네슘이 제거된 클로로필은 연구에 적합합니다.

빌슈테터 교수는 이러한 성질을 이용해서 클로로필이 각각 다른 종류의 식물에서 어느 정도까지 같은지 조사했습니다. 지금까지 꽃식물과 크립토가미아 등 200가지 이상의 식물 조사에서 클로로필은 모두 동일하다는 것이 밝혀졌습니다. 그럼에도 클로로필은 화학적으로 균일한 물질이 아닙니다. 클로로필은 약간 다르지만 밀접한 관련이 있는 두 가지 물질의 혼합물로서, 하나는 청록색이고 다른 하나는 연녹색이며 전자가 후자보다 나뭇잎에 더 많이 존재합니다.

일반적으로 클로로필이 두 가지 녹색 색소의 혼합물이라는 사실은 1864년 스토크스가 가능성을 보였고 츠베트와 마르클레프스키가 이 견해를 한층 더 지지하고 발전시켰습니다. 그러나 확실하게 결정적으로 증명한 사람은 빌슈테터 교수입니다.

완벽한 화학적 분석을 할 수 있을 만큼 충분한 양의 클로로필을 변하지 않는 순수한 상태로 확보하는 것이 클로로필 연구의 가장 중요한 과업 중의 하나였습니다. 동시에 그것은 모든 연구 과정에서 가장 어려운 일이었습니다. 이 과업을 성공적으로 해결함으로써 빌슈테터 교수는 두 가지 다른 형태의 클로로필을 순수한 상태로 분리할 수 있었고, 그들의 존재를 정확하게 증명할 수 있었습니다. 동시에 그는 이 두 가지 클로로필로부터 만들어질 수 있는 많은 양의 다른 유도체에 대해 완벽한 조사를 할 수 있었습니다. 그 결과 전에는 매우 복잡하고 혼동되던 클로로필 화학 분야를 명료하고 투명하게 만들었습니다. 또한 그는 순수한 클로로필을 다량으로 확보하는 방법을 공들여 만듦으로써, 미래의 결실있는 연구를 위한 새롭고 풍부한 가능성을 열었습니다.

그럼에도 불구하고 빌슈테터 교수의 연구 중 가장 중요한 부분은 클로로필의 화학적 구조를 찾아낸 것입니다. 그는 클로로필이 에스터이고 알칼리와 사포니피케이션 반응을 하며 ''피톨''과 ''클로로필린''으로 분리된다는 것을 밝혔습니다. 피톨은 이전에는 알려지지 않았던 일종의 알코올이며, 분자의 3분의 1을 구성합니다. 클로로필린은 마그네슘을 포함하는 색소성분이면서 분자의 나머지 부분을 구성합니다. 그는 두 성분을 좀 더 자세히 연구했으며, 이들의 변형과 분해 산물에 관해서도 연구했습니다. 더 나아가 빌슈테터 교수는 클로로필을 두 가지 성분으로 나누는 것은 나뭇잎에서 일어나는 것과 같은 효소의 활동 결과로도 일어날 수 있다는 것을 발견했습니다. 그는 이 효소를 클로로필라제라고 명명했고 결정화된 클로로필의 성질을 밝혀낼 수 있었습니다. 그는 이것이 몇몇 연구자들이 가정한 대로 나뭇잎에 있는 순수하고 변하지 않는 자연색소가 아니라는 것을 발견했습니다. 결정화된 클로로필은 실험실에서 만들어진 알킬 에스터이고 피톨이 없는 것입니다. 피톨을 포함하고 있는 무정형 클로로필은 식물의 녹색 부분에 있는 변하지 않는 자연색소입니다.

클로로필의 화학적 구조에 관한 빌슈테터 교수의 연구 가운데 아주 중요한 부분은 색소성분인 클로로필린과 다른 필린들, 그리고 이것으로부터 만들어진 유도체들에 관한 것입니다. 특히 이 연구는 적색 색소와 클로로필 사이의 관계에 관한 의문과 연결되어 흥미롭습니다.

보라색이며 철을 포함하지 않는 포피린은 철을 포함한 적혈세포 헤모글로빈으로부터 얻어지는데 그중 가장 잘 알려진 물질이 헤마토포피린입니다. 광학적 성질에 있어서 이것과 매우 밀접하게 관련된 물질이 호페-세일러에 의해 클로로필 유도체로부터 얻어졌습니다. 그는 이 클로로필 색소를 두 물질 사이의 유사성 때문에 필로포피린이라고 불렀습니다. 나중에 셩크와 마르클레프스키는 혈색소와 클로로필 사이에 화학적 관련이 있다는 것을 밝혔습니다. 그러나 이 경우도 역시 완전히 결정적인 연구를 한 사람은 빌슈테터 교수였습니다.

이러한 연구에서는 클로로필과 헤모글로빈의 경우 모두 색소 핵이 주요 관심사였는데, 그는 피롤과 핵 내에서 피롤의 위치에 관한 몇 가지 새롭고 중요한 발견을 했습니다. 특히 그는 두 가지 색소로부터 같은 모체 포피린인 ''에이치오포피린''이 만들어질 수 있으며, 이 분자는 색소 핵의 근본적 특성을 가지고 있다는 것을 밝혔습니다. 이렇게 하여 그는 자연계에서 가장 생물학적으로 중요한 색소인 헤모글로빈과 클로로필 사이의 관계에 관한 가장 흥미롭고 결정적인 증명을 해 보였습니다.

빌슈테터 교수는 또한 카로티노이드라 불리는 황색 색소를 순수한 상태로 만들고 완벽하게 연구했는데, 카로티노이드는 식물의 잎에서 클로로필과 함께 발견됩니다. 이 황색 색소와 클로로필에서 얻은 결과를 바탕으로 그는 카보닉산과 비슷한 다른 잎의 색소들에 대해 새로운 생물학적 연구를 위한 길을 닦았습니다.

그는 또한 다른 무리의 식물 색소들을 아주 성공적으로 연구했는데 꽃의 청색과 적색 색소인 일명 안토시아닌입니다. 그는 이 색소를 분리하고, 빌베리, 검정포도, 크랜베리와 같은 과일들뿐만 아니라 해바라기, 장미, 펠라르고늄, 참제비고깔, 접시꽃 등과 같은 많은 꽃들로부터 화학적 성질을 연구했습니다. 연구 결과 안토시아닌은 글리코시드임이 밝혀졌는데, 글리코시드는 대부분의 경우 일종의 당 성분인 글루코스와 색소 성분인 시아니딘으로 분리될 수 있습니다. 빌슈테터 교수는 시아니딘의 화학적 구조도 밝혀냈습니다.

그는 여러 가지 꽃과 과일에 어떠한 차이가 존재하는지를 밝혀냈으며, 자연에서 발견되는 플라본 또는 플라보놀 무리의 황색소와 그들의 밀접한 관계를 증명했습니다. 그러한 황색소의 하나인 쿼서틴의 환원에 의해서 장미와 해바라기에서 발견되는 시아니딘을 얻었고 화학합성에 의해서 펠라고니아와 펠라고니딘의 시아니딘을 만드는 데 성공했습니다. 그는 꽃의 색소가 식물의 수액반응과 관련이 있다는 것을 밝혔고, 따라서 같은 안토시아닌이 장미와 해바라기의 경우처럼 다른 꽃에서 어떻게 다른 색을 갖게 되는지를 설명했습니다. 안토시아닌은 같은 물질이지만, 장미에서는 식물의 산과 결합하여 적색이 되고, 해바라기에서는 알칼리와 결합하여 청색이 됩니다.

또한 꽃의 황색 색소에까지 연구를 확대하여 특정 종류에 있는 안토시아닌의 양을 정량적으로 결정함으로써, 자연 속에서, 또는 재배되는 환경에서 꽃이 나타내는 색이 다르다는 것을 증명했습니다. 즉 같은 종류의 꽃에서 다양하게 일어나는 안토시아닌의 발현, 안토시아닌 양에 따른 상당한 변화, 세포액의 서로 다른 반응과 황색 색소의 양이 동시에 다르게 존재하는 것 등이 그것입니다.

식물의 색소화학 분야에 있어서 빌슈테터 교수의 연구 또한 선구적인 것으로 평가됩니다. 하지만 가장 설득력 있고 가장 중요한 업적은 클로로필에 관한 연구입니다. 그는 클로로필의 화학적 구조를 밝히는 데 성공했을 뿐만 아니라 식물화학의 가장 중요한 분야에 지속적이고 성공적인 연구를 향한 과학적 초석을 놓았습니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 화학위원회 위원장 O. 함마르스텐

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