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[우주생명과학 시리즈 18] 이웃집 한스가 화성(Mars)으로 비행한다면 어떤 일이?

아폴로 11호가 Saturn V 로켓에 실려 플로리다 케네디 우주센터를 출발한 시기는 1969년 7월 16일입니다. 나흘 뒤인 7월 20일, 닐 암스트롱과 버즈 올드린은 차례로 달 착륙선에서 내려와 월면에 발을 내디뎠습니다. 인류 역사 상 외계 천체에 첫 발을 디딘 대사건이었습니다. 그후 아폴로 프로그램은 계속 이어졌고, 1972년 12월 7일 - 19일간 17호 비행을 끝으로 달 탐사 계획은 마감하게 됩니다.[1] 아폴로의 달 탐사 여정은 약 45년 뒤인 2017년 아르테미스 프로그램(Artemis Program)으로 돌아왔습니다.[2,3] 아르테미스는 그리스 신화에서 아폴로의 쌍둥이 누나이자 달의 여신으로 나옵니다. 이 계획에는 NASA를 비롯해 ESA, JAXA 등의 우주 기구들이 참여하고 우리나라도 2021년 5월부터 10번째 참여국으로 합류했으며, SpaceX, 블루오리진과 같은 민간기업들도 참여하고 있습니다. 이 사업의 핵심 중 하나는 2026년까지 우주인 장기 체류...
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[우주생명과학 시리즈 17] 장기간 우주 체류를 가능하게 할 인공중력 기술

미래 우주 시대를 활짝 열려면 무부하 상태에서 발생하는 뼈소실과 근위축을 비롯한 의과학적 문제들을 선결해야 합니다. 무엇보다 화성 탐사와 같은 장거리/장기간의 왕복 임무를 완수하려면 신체에 나타날 근본 문제들을 반드시 해결해야 할 것입니다. 이에 NASA와 ESA를 비롯한 각국 우주 기구들은 운동 체계 및 다양한 약제 활용에 거의 모든 역량을 기울이고 있습니다. 그러나 앞선 연재에서 보았듯, 지구 환경을 떠난 상태에서는 운동+약리적 요법이 신체기능 유지에 충분치 못하다는 결과들을 밝히고 있습니다. 따라서 장기간 우주 체류를 위한 근본 대안으로 인공중력(artificial gravity) 기술을 개발하려는 계획이 국제적 협력 하에 적극 모색되고 있는 상황입니다 (그림 1,2).[1-4] 마이크로중력 환경에서 인공중력을 제공해 줄 수 있다면 우주인의 신체 여건(신경-근-골격, 심혈관 기능 등)을 목적지의 중력에 맞춰 대비하도록 하중 부하(weight loading) 세기를 조정할 ...
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[우주생명과학 시리즈 16] 우주 여행 중의 뼈소실과 근위축을 막으려면 - 1

본 연재의 최근 기고에서는 우주 여행 중 피할 수 없이 발생하는 뼈소실(시리즈 11 – 12)과 근위축(시리즈 13 – 15)에 대해 세포/조직의 변화에서부터 분자 기전에 이르기까지 다양한 측면에서 정리했었습니다. 이 같은 연구들은 미래 우주시대를 무탈하게 열기 위한 의과학적 대비책 마련의 일환이 될 것입니다. 이번 글을 포함해 향후 이어지는 연재에서는 '골격-근 강화'를 위한 그동안의 의약학적 연구 성과들을 정리해 보고자 합니다. 먼저, 운동은 가장 편리하게 접근할 수 있는 골격-근 강화 방법입니다. 앞서 살펴보았듯, 무부하 상태에서는 뼈소실이 주로 하체 골격에서 나타나는 것으로 확인된 바 있으며, 이를 억제하기 위해서는 충격 가력(impact loading) 운동이 정적 운동(static loading)보다 더 효과적인 것으로 보고되어 있습니다.[1] 예를 들어 역도나 체조와 같은 운동이 단순 달리기나 수영보다 뼈소실을 막는데 더 효과적인 것으로 알려져 있습니다.[1,2] ...
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[우주생명과학 시리즈 15] 우주 여행 중의 불청객: 골격근 위축의 분자 기전

지난 연재에서는 우주/무부하 상태에서 발생하는 근위축과 근력 감소의 실체를 액틴-미오신필라멘트의 구조 변형 관점에서 살펴보았습니다. 전자현미경 사진 분석을 통해 액틴필라멘트의 손상과 분해가 미오신필라멘트보다 상대적으로 심각하고 이것이 활주운동을 저해하여 근력을 감소시키는 것으로 해석되었습니다.  이번 글에서는 무부하-고부하와 같은 외부 상황 변화가 근세포에 물리적 신호로 작용하여 근위축-근비대를 일으키는 분자 기전에 대해 살펴보겠습니다. 이 내용도 대단히 복잡하므로 가급적 핵심 부분만 요약하고자 하며, 보다 자세한 정보는 전문 서적과 연구 논문들을 참고하기를 권합니다.[1-7] 본 연재물이 우주-의생명과학에 초점을 두고 있으므로, 여기서는 우주 여행 중 피할 수 없는 근위축을 중점으로 다루되, 운동과 같은 고부하 상황에서 근위축을 억제하는 방안과 비교하며 설명해 보겠습니다. 근질량은 근단백질 합성과 분해의 조절 기능으로 결정됩니다. 무부하 상태에서는 잉여 단백질들이 있게 되고 ...
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[우주생명과학 시리즈 14] 우주 여행 중의 불청객: 골격근 위축-2

이번 글에서는 지난 연재에 이어 우주 여행에서 만나게 되는 골격근 위축(muscle atrophy)의 발생 기전과 근력에 미치는 영향에 대해 실험 자료들을 근거로 소개해 보고자 합니다.[1] 근위축 연구가 필자의 전문 분야이기도 하여 본 글에 소개할 자료들은 본인의 과거 연구 결과들을 위주로 정리해 보겠습니다. 본 연재물의 시리즈 10에서 소개한 것처럼, 동물을 대상으로 지상에서 수행하는 근위축 연구에는 하지현수 모델이 주로 사용됩니다. 그림 1A 사진에서 보듯, 흰쥐(Sprague Dawley rat)의 꼬리를 위로 잡아 올린 채 3주간(U3w) 유지하며, 동일 기간 동안 대조군(C3w)도 함께 준비하게 됩니다. 무부하 3주를 보낸 개체들 중 상당 수는 꼬리를 풀어주어 재부하 1시간(R1h), 5시간(R5h), 1일(R1d), 2주일(R2w) 실험을 이어갑니다. 총 7개 그룹에 대해 체질량(body mass, Mb) 대비 가자미근(soleus muscle) 질량(muscle ...
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[우주생명과학 시리즈 13] 우주 여행 중의 불청객: 골격근 위축-1

이번 연재부터는 우주 여행 중 가장 큰 문제로 부각되어 온 ‘근위축(muscle atrophy)’ 발생과 그 대응 방안에 대해 알아보겠습니다. 여기서 근육은 골격근(뼈대 근육 skeletal muscle)을 의미하며, 연재 내용이 제법 길고 전문 용어들이 자주 등장하므로 몇 차례 나누어 가능한 쉽게 풀어 쓰겠습니다. 우리가 간이나 콩팥을 각각 기관으로 다루듯 각 골격근도 하나의 기관으로 보고 있습니다. 인체에는 해부학적 이름을 가진 골격근들이 좌우 대칭으로 약 320쌍이 있습니다. 숫자로 보면 총 640 여개 기관이 있는 셈이지요.[1] 각 근육은 많은 근다발(근주)로 이루어져 있고, 각 근다발은 수많은 근세포들로 채워져 있으며, 각 근세포는 엄청난 수의 근원섬유들로 구성되어 있습니다(그림 1).[1] 각 근원섬유는 궁극적으로 미오신-액틴 필라멘트들로 정교하게 채워져 있으며 이 필라멘트들의 활주운동(sliding movement)으로 근수축을 일으키게 됩니다. 대뇌에서 출발한 ...
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[우주생명과학 시리즈 12] 하중 부하와 골격계의 변화-2

'집을 나서면 고생'이라는 말이 있습니다만, 우리가 지구를 벗어나는 건 고생 정도가 아니라 생존의 문제가 될 것입니다. 지난 시리즈-11의 후속 편으로 이번 연재에서는 우주 무부하 상태에서 겪게 되는 골밀도 감소 기전에 대해 좀 더 자세히 들여다 보고자 합니다. 장기간 우주 체류가 우주인의 골밀도를 감소시킨다는 사실은 지난 반세기에 걸쳐 충분히 밝혀져 왔습니다.[1,2] 그리고 골밀도 감소를 억제하기 위해 운동-재활 의료를 비롯해 근-골격계 강화를 위한 다앙햔 의약학적 노력이 수행되어 왔습니다. 이러한 결과들은 미래 장거리 우주탐사 시대에 발맞춰 지상과 우주 연계 신산업들에도 새로운 전기를 마련해 주고 있으며, 무엇보다 지구인의 건강 관리(예, 운동계의 퇴행성 노화 방지)에도 선순환 효과를 높여줄 전망입니다.[2] 우리의 관심사는 우주 체류로 인해 발생하는 뼈소실은 얼마나 심각한지 그리고 그 과정에는 어떤 기전이 관여하는지 밝히려는 것입니다. 이런 노력을 통해 궁극적으로는 골밀...
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[우주생명과학 시리즈 11] 하중 부하와 골격계의 변화-1

이번 연재부터는 무부하/무체중 상태에서 나타나는 근골격계의 형태-기능적 변화에 대해 알아보겠습니다. 앞선 연재에서 소개했듯 오랜 침상 생활이나 우주 마이크로중력 환경에 있게 되면 우리 신체는 에너지대사, 근골격계, 심혈관계 등의 기능 감소를 겪게 됩니다. 아래 그림 1A에서 보듯, 지상에서는 우리가 어떤 활동을 하든 지구 중력(1 G)의 영향을 받게 됩니다. 그러나 우주 마이크로중력에 노출되면 뼈와 근육에 가해지던 하중 부하가 사라지기 때문에 뼈기질이 점점 줄어드는 골다공이 발생하고, 근수축에 필요한 단백질들이 줄어들어 근질량과 근력이 감소하는 근위축이 일어납니다(그림 1B).[1-3] 따라서 인류가 미래 우주시대를 성공적으로 열어가려면 근골격계에 나타날 문제들을 해결할 방안을 모색해야 할 것입니다. 이번 연재에서는 부하 변화가 뼈밀도에 미치는 영향에 대해 구체적으로 알아 보고자 합니다.먼저 인체 골격의 특성에 대해 살펴보겠습니다. 우리 골격계는 머리뼈-척추뼈-갈비뼈-가슴뼈로 ...
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[우주생명과학 시리즈 10] 중력변화 대응 연구를 위한 지상모델-2: 매달거나 회전시키기

앞선 시리즈 9에 이어 이번 연재에서도 중력변화에 대응하기 위한 지상 연구모델들을 소개하고자 합니다. 장시간/장거리 우주여행에서 우주선 탑승자들의 생존을 위해서는 생명지원시스템(음식과 공기 공급 등) 기술의 고도화가 우선되어야 합니다.[1] 가령 우주 스마트 팜(space smart farming)은 우주식품과 산소 공급을 위해 아무리 강조해도 지나치지 않을 기술 분야라 하겠습니다. 또다른 중요한 분야는 좁은 선실에서 동승자들과 장기간 생활하는 동안 갈등이나 생존 불안감 등을 해소할 정신의학적 대책도 강구하는 일입니다.[1,2] 이런 복합적인 문제를 해결할 좋은 수단으로 동면동물의 특성을 활용할 수 있겠는데,[2] 이 주제는 긴 설명이 요구되므로 향후 별도의 기회에 자세히 소개하겠습니다.  대부분의 의과학적 연구가 그렇지만, 인체를 대상으로 임상시험 하는 데는 많은 난관이 겹쳐 있습니다. 원하는 연구 시간과 장소에서 원하는 신체 조직들을 충분히 확보하는 일이 어렵기 때문입니다....
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[우주생명과학 시리즈 9] 중력변화 대응 연구를 위한 지상모델-1: 드러눕거나 떠다니거나!

우주탐사 시대를 성공적으로 열어 가려면 지구중력(1 G)에 적응해온 우리 신체를 중력 변화에 적절히 대응하도록 의과학적 대응책을 마련하는 것입니다.[1,2] 지구 궤도를 공전하거나 지구에서 멀어질 경우 우리 신체는 마이크로중력(무부하) 또는 저중력(저체중) 상황에 있게 됩니다. 목성이나 토성으로 접근한다면 고중력권에 진입하게 되겠지요(중력 개념에 대해서는 앞선 시리즈 5 ~ 8 참고하심). 중력이 변하면 에너지대사, 신경-근-골격계, 심혈관계 등이 새로운 환경에 맞춰 적응하게 됩니다.[2] 팔 드는 동작을 예로 들면, 지상(1 G)에서는 팔의 무게를 이겨낼 만큼 팔근육들이 근력을 발생할 것입니다. 하지만 무체중 또는 저체중 환경에서는 팔 무게가 거의 없거나 가벼워지기 때문에 그만큼 근육을 덜 쓸 것입니다. 이러한 여건 속에서 장기간 지내면 근육들은 당연히 약해질 것입니다. 향후 자세히 소개하겠지만, 현재의 우주기술력으로 화성 여행을 할 경우, 편도 비행에만 6 - 8개월이 소요...
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