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[KRIBB 워킹그룹] 우주 생명공학의 현재와 미래

  • 등록일2023-12-12
  • 조회수2592
  • 분류자연 > 수학･물리학･지구과학,  생명 > 생명과학,  생명 > 생물공학


 

우주 생명공학의 현재와 미래

2023년도 KRIBB 워킹그룹이슈페이퍼 제 11호

 

◈ 목차

1. 개요

2. 주요 동향 및 이슈

  2.1. 지구상의 극한 환경 식물

  2.2. 우주에서의 식물

  2.3. 우주에서의 인간

3. 결론 및 시사점

 

 

◈본문

1. 개요


□ 우주여행의 접근성 및 범위의 변화

  • ○우주 산업으로의 민간 기업의 참여 증가

  • ╶︎과거 정부 기관 및 관련 기관 주도 하의 사업으로 진행되던 우주 탐사는 민간 업체의 참여도가 높아지고 있음

  • ╶︎Virgin Galactic, Blue Origin, SpaceX 등과 같은 기업에 의해 우주여행의 민간화가 이루어지고 있으며, 과거 정부에 의해 훈련된 우주인들과 달리 일반인들에게도 우주여행의 기회가 열림

  • ╶︎국제적 시설인 ISS의 재보급 임무에 SpaceX가 주도하고, ISS의 과학 연구 사용 권한을 민간 바이오 및 의약 업체에 제공하며 연구를 진행하여 참여를 유도함

우주의학에 참여 중인 민간 기업

출처 : https://www.spacetech.global/space-medicine

[그림 1] 우주의학에 참여 중인 민간 기업

  • ○국내에서의 우주 산업의 발달

  • ╶︎국내 역시 발사체, 인공위성 등을 제작하는 민간 기업이 증가하는 추세를 보임

  • ╶︎국내에서는 우주 의학 및 생명 산업에 참여한 기업은 매우 적으며 초기 단계임

 [표 1] 2020년 우주 산업 실태 조사 중 우주 분야별 참여현황

분야

전체

기업체

연구기관

대학

합계

449(512)

359

34

56(119)

위성체 제작

96(100)

58

18

20(24)

발사체 제작

94(95)

75

4

15(16)

지상장비

지상국 및 시험시설

96

(96)

50(50)

80

35

8

8

8(8)

7(7)

발사대 및 시험시설

50(50)

47

1

2(2)

우주보험

8(8)

8

-

-

위성활용

서비스 및 장비

원격탐사

204(219)

70(80)

157

33

16

13

31(46)

24(34)

위성방송통신

76(77)

68

1

7(8)

위성항법

72(74)

60

4

8(10)

과학연구

지구과학

50(68)

29(36)

6

5

17

12

27(45)

12(19)

우주 및 행성과학

34(41)

1

12

21(28)

천문학

13(14)

-

2

11(12)

우주탐사

무인우주탐사

17(20)

14(16)

3

3

2

1

12(15)

10(12)

유인우주탐사

6(6)

1

2

3(3)

출처 : 2020 우주산업 실태조사, 과학기술통신부


□ 장기 우주여행의 목표

  • ○NASA의 화성 탐사 목표

  • ╶︎인류의 달 탐사 이후로 집약된 기술의 발전은 화성 탐사라는 새로운 지평을 바라보고 있으며 NASA는 2030년대에 화성으로 인간을 보내는 탐사 임무를 준비 중임

  • ╶︎장기 우주에서의 복무 시 안구 이상, 근육 위축증, 심장 수축, 면역 약화 등의 문제를 경험하는 것은 알려졌으나 현실적인 제약으로 충분한 연구가 진행되진 않았음

  • ╶︎우주에서 인간이 경험하는 위험은 다양하며 특별히 우주 방사능, 미세중력, 제한적이며 소외된 공간 등을 포함

인간 건강에 대한 우주의 위험 요소들

출처 : DOI:10.1089/space.2020.0048

[그림 2] 인간 건강에 대한 우주의 위험 요소들


□ 우주 생명과학 정책

  • ○현 과학 정책의 특성

  • ╶︎전세계적으로 ‘과학기술’이 이제는 먹고 사는 문제 외에도 외교·안보 등 국제질서까지 뒤흔드는 기술패권 시대가 본격화되고 있으며, 美·中·日·EU 등 주요국은 국익을 최우선으로 기술패권 경쟁에서 우위를 확보하기 위해 앞다투어 국가차원 전략을 구체화하고 있는 실정임

  • ╶︎이에 정부는 2022년 10월, 과기정통부를 통해 ‘국가전략기술 육성방안’을 발표하고 ‘12대 국가 전략기술’을 선정

  • ╶︎‘우주항공/해양 분야’도 12대 국가전략기술 중 하나로서 선정되었으며 특히 ‘미래도전’이라는 큰 카테고리 내에서 첨단바이오, 수소, 사이버보안과 더불어 4대 항목 중 하나로 지정됨

12대 국가전략기술

출처 : 기술주권 확보를 통한 과학기술 G5 도약, 국가전략기술 육성방안(안), 과기정통부, 2022.10.28

[그림 3] 12대 국가전략기술

  • ╶︎우주항공 분야가 포함된 ‘미래도전’ 카테고리는 ‘급격한 성장과 국가안보 관점에서의 핵심이익을 좌우할 기술군’으로 정의를 내렸으며, 특히 ‘민관 협업기반 시장 스케일업 및 임무지향 R&D로 대체불가 원천기술을 확보’하는 것에 목표를 둠

  • ╶︎아래와 같은 우주항공/해양 분야 단기 및 중장기 계획이 수반됨

우주항공 해양 분야 단기 및 중장기 계획

출처 : 기술주권 확보를 통한 과학기술 G5 도약, 국가전략기술 육성방안(안), 과기정통부, 2022.10.28

[그림 4] 우주항공 해양 분야 단기 및 중장기 계획


□ KRIBB 및 생명과학자들이 어떻게 우주 개발에 참여 가능성

  • ○우주인 및 우주 생명과학 연구

  • ╶︎위 자료 중 우주항공/해양에 대한 단기 및 중장기 계획에서도 나타났지만 정부는 발사체 엔진, 항법 위성 개발 등 하드웨어 분야, 그리고 달착륙 및 표면탐사 등에 치중하고 있음

  • ╶︎세부적인 계획이 나오지 않았지만 생명공학 기술을 활용한 우주 실험 등은 일부라도 포함되어 있지 않으며 우리나라에서도 2008년 최초의 우주인인 이소연 박사가 우주에 머물면서 여러 가지 과학실험을 수행함

한국 우주인 배출과 우주실험

출처 :항공우주산업기술동향, v.6 no.2, 2008년, pp.99 - 108

[그림 5] 한국 우주인 배출과 우주실험

  • ╶︎이소연 박사가 밝힌 바와 같이 한국에서는 이소연 박사의 우주인 참여 후 더 이상 정부 차원의 우주 과학실험은 추진되지 못하였으나, 2012년 우주생명과학을 주제로 여러 출연연 연구자들이 자발적으로 학술 교류회를 시작함

우주생명과학연구회 창립

출처 : 집필진 자료

[그림 6] 우주생명과학연구회 창립

  • ○우주생물학 R&D 추진을 위한 제안

  • ╶︎2022년 ‘우주생물학 소모임’이라는 이름으로 생명연이 주관하여 항우연, 천문연 연구자들과 미래 도전을 하기 위한 네트워크를 구축하고 발전 방향에 대해 여러 차례 발표 모임을 가지게 됨

  • ╶︎이를 통해 생명연 혹은 우리나라에서 우주생명과학연구는 어떻게 하면 좋을 것인가에 대해 고민을 시작함

  • ╶︎위 소모임에서 제안된 사항 중에 ‘우리나라 실험실 내에 무중력 실험실을 구비하고 여기서나마 생명공학기술을 접목한 연구를 수행해 보자’라는 것이 있었음. 인하대나 몇몇 대학에서 이와 유사한 환경에서 실험을 수행한다는 것도 알게 됨

  • ╶︎이에 제안을 하자면 소규모일지라도 실험실 수준에서 우리만의 ‘우주환경 유사 랩’을 만들어 여기에서 우리의 생명과학기술을 접목해 실현해보자는 것임

  • ╶︎물론 미국, 유럽, 중국처럼 자기들만의 우주정거장을 보유하고 있다면, 그리고 우주정거장이 없더라도 공동사용할 수 있는 계약이라도 되어 있다면 좋겠지만 현실적으로 어려우니 우리만의 자체 실험실(랩)을 만들어 보자는 것임

  • ╶︎이미 여러 대학 혹은 기관에서 수행하고 있다면 공동 연구 형태나 융합연구 형태로 우주생명과학분야에 대한 사업 혹은 과제를 만들어야 함. 최근 대전시에서 우주바이오 분야 정책과제로 제안서를 준비하는 것으로 파악되고 있어 여기에 우주생명과학분야 연구자들의 적극 참여가 필요함

2. 주요 동향 및 이슈


2.1. 지구상의 극한 환경 생물


□ 지구상 남겨진 마지막 미지의 세계 심해

  • ○지구상 남겨진 마지막 미지의 세계 심해

  • ╶︎수심 200m 이상의 깊은 바다인 심해(지구상 최저점 수심은 태평양 마리아나 해구 내 Challenger Deep 약 10,898m vs. 에베레스트산 최고봉은 약 8,848m)는 지구 표면적의 2/3를 차지하며, 태양 빛이 도달하지 않아 어둡고 수온이 낮음

  • ╶︎현장 접근성의 어려움(육지로부터 거리, 배타적 경제수역 등)과 깊은 수심으로 인해 발생하는 고압(수심 1000m 약 100 기압, 첨단탐사장비 필요)으로 심해탐사는 일부 선진국에 의해 일부 지역에 국한되어 진행되고 있음

  • ○생명의 보고인 화학합성생태계 심해 열수분출구(Deep-sea hydrothermal vents)

  • ╶︎지구 최초의 생명은 고온성 세균일 것으로 추정되고 있는데, 그 탄생의 장소가 열수분출공일 가능성이 높은 것으로 추정되고 있음

  • ╶︎원시지구환경과 매우 유사한 환경(고온·고압·고농도 중금속·빈산소 등)을 보여주는 열수분출구는 빛을 에너지원으로 하는 육상 광합성 생태계와 달리 플룸으로 배출되는 황화수소, 메탄, 수소를 주 에너지원으로 이용하는 단세포생물(세균, 고세균)에 기초한 화학합성기반 생태계 형성

  • ○생물들의 다양한 적응 전략

  • ╶︎심해는 저온·고압의 무광층 지역으로 단세포생물과 동물만 발견됨. 심해 생물들의 적응 전략은 매우 다양함

  • (1)경쟁보다 부족한 부분을 보충하기 원활한 공생 관계를 형성하는 생물들(해면동물-새우, 산호-따개비).

  • (2)어두운 환경에서 상대 식별을 원활하게 하기 위해 발광기를 획득한 것으로 생각되는 생물.

  • (3)저온과 적은 먹이로 인한 느린 성장을 보완하기 위해 수명을 키우거나 높은 수압을 견디기 위해 물질 대사를 높이기 위한 선택으로 몸집을 대형화한 생물.

  • (4)멀리 있는 먹이를 잘 볼 수 있도록 시력을 발달시킨 생물.

  • (5)적은 먹잇감으로 살아가기 위해 오히려 몸집을 소형화한 일부 심해어

  • ╶︎열수분출구는 심해의 오아시스로써 한 종 또는 다수 생물군(달팽이류, 홍합류, 흰눈새우, 설인게 등)이 좁은 지역에 엄청난 밀도로 발견되고 있음. 이렇게 높은 생물량 유지가 가능한 이유는 열수분출구에서 뿜어져 나오는 다양한 물질을 이용할 수 있는 화학합성 세균(공생세균)이 1차 생산자의 역할을 담당하며, 더 나아가 숙주생물과 외부/내부 공생관계를 유지함으로써 열수생태계의 형성·확장·유지에 긴밀하게 관여하는 것으로 추정됨

  • ╶︎또한 일부 대형 생물(관벌레류, 홍합류)의 주 먹이원도 공생세균인 것으로 확인됨. 그 외 적의 공격을 방어하기 위해 열수분출구에서 뿜어져 나온 황화철을 온몸에 철갑을 두른 생물, 어두운 곳에서 불필요한 시각을 퇴화시키고 다른 감각기관을 더 활성화시킨 생물도 확인됨

□ 지구 생물의 적응력을 우주 환경 연구에서의 활용

  • ○극한 환경 서식 생물 연구의 중요성

  • ╶︎극한 환경이란 우리가 흔히 접하는 생물 대부분의 생존에 극단적이고 도전적인 지역의 환경을 일컬음. 지구상에서 가장 생명이 살아가기 적합하지 않은 극한 환경으로 여겨졌던 심해 열수 분출구, 산성 온천(acid hot springs), 빙저호(subglacial lakes) 등에서 번성하여 살고 있는 생물들이 지속적으로 발견되고 있음

  • ╶︎이러한 발견은 겉보기에 생명체 적대적 환경인 다른 행성, 달 또는 우주 어는 곳에서의 외계 생명체의 존재 유무 및 지구 생명체의 잠재적 거주 가능성을 검토하고 이해하는 데 있어서 중요한 통찰력을 제공해 줌

  • ╶︎복잡한 환경적 조건(태양 풍, 우주 선량, 중력, 대기, 방사선 등)에 대한 안정성 확보는 우주 탐사·개발, 우주 자원 활용, 우주로의 인류 이주 가능성을 모색하는 데 있어서 매우 기초적이고 중요한 과제임. 따라서 우주 환경 요소를 반영하는 지구 내 극한 환경 지역은 간접적으로 우주의 다양한 측면을 보다 깊이 이해하고 미래의 우주 개발과 인류 역할을 모색하기 위한 기반 마련에 유용한 자연실험장으로써 활용할 수 있음

  • ○지구의 극한 환경과 유사한 조건을 갖춘 태양계 천체

  • ╶︎생명체가 살기 위해서는 액체 상태의 물과 탄소, 인산염 등의 필수 분자 요소가 요구됨. 기술의 발전으로 태양계뿐 아니라 태양계 외부에 생명체가 잠재적으로 존재 가능한 환경 조건을 가진 천체를 확인하는 것이 가능

  • ╶︎유로파(Europa): 목성의 4대 위성 중 하나로 표면은 3km-30km 두께의 얼음 지각으로 덮여 있음. 얼음 지각 아래로 평균 수심 100km의 액체 상태 바다가 존재하는 것으로 보고됨. 그 구조는 지구 극지방에서 발견되는 빙저호와 유사할 것으로 추정됨. 최근 지하 바다에서 기원한 것으로 추정되는 이산화탄소(탄소 존재 암시)가 얼음으로 뒤덮인 지표면에서 확인됨. 이는 유로파 지하 바다에 생명체가 존재할 가능성에 힘을 실어주는 발견임

  • ╶︎엔켈라두스(Enceladus): 토성의 6번째로 큰 위성으로 지름은 500㎞이며 표면은 얼음으로 덮여 있음. 남극에 해당하는 지역의 표면 얼음층에 균열(Tiger strips)이 나있고, 그 틈 사이로 얼음과 수증기를 내뿜는 열수분출구가 관측됨. 얼음 알갱이에서는 탄소·수소·산소·질소와 같은 수백 개의 원자로 구성된 복잡한 유기물과 이산화규소가 발견됨

  • ╶︎그리고 지하 바다에서는 인산염 형태의 인이 검출되었는데, 그 농도가 지구의 바다보다 최소 100배 이상 높은 것으로 확인됨. 지하 바다에 있는 유기물이 대기 중으로 방출되는 원리는 지구 심해에서 만들어진 물속 기포가 수면 밖으로 나오며 다양한 유기물들을 해수면에 흐트러뜨리는 원리와 비슷한 것으로 파악됨

유로파. 얼음 지각 아래 워터포켓 존재 추측

엔켈라두스. 고온의 열수 대양 존재 추측

출처 : https://www.smithsonianmag.com/smart-news/europas-icy-shell-may-be-habitable-for-life-180979944/

출처 : https://www.npr.org/sections/thetwo-way/2017/04/13/523756092/signs-of-hospitality-to-life-found-on-saturns-moon-enceladus

[그림 7] 유로파. 얼음 지각 아래 워터포켓 존재 추측

[그림 8] 엔켈라두스. 고온의 열수 대양 존재 추측


2.2. 우주에서의 식물


□ 우주 식물과학의 연구 동향

  • ○국내

  • ╶︎우리나라는 우주핵심기술개발사업을 통해 국제우주정거장(ISS)을 활용한 소규모의 기초 연구를 지원하고 있으나, 발사체나 위성 연구에 집중하고 있으며, 우주 탐사를 위한 기초 연구도 무인 우주선 연구에 집중되어 있음

  • ╶︎2017년에 들어서면서 유인우주탐사를 위한 기초 연구 과제가 시작되고 있으나, 아직까지 식물의 우주환경 적응에 관한 기초 연구 지원은 전무한 실정임

  • ○국외

  • ╶︎International Space Life Sciences Working Group(ISLSWG)은 ISS를 기점으로 각국의 우주 관련 연구 시설 및 내용을 공유하는 네트워크 그룹으로 1996년 형성된 이후 우주 관련 연구를 수행하고 있음. 특별히 2012년에는 독일의 Freiburg에서 ‘Plant Biology in Space’를 주제로 그동안의 우주 식물에 대한 최근 연구 업적 및 미래 연구방향에 대한 심도 있는 논의가 이루어졌으며 이를 기반으로 현재까지 연구가 진행되고 있음

  • ╶︎NASA는 ‘Veggie project’를 통해 소형작물 재배 모듈로써 28일정도 상추 등의 샐러드용 작물 재배. 이 재배 시설을 이용해 우주에서 성공적으로 상추를 재배하고 우주인이 시식함

  • ╶︎또한, NASA는 달과 화성에 유인 우주기지를 건설하기 위해 산소와 식량을 제공할 ‘우주 온실 프로젝트’를 최근에 시작함. 프로토타입 달/화성 온실(Prototype Lunar/Mars Greenhouse) 모듈 프로젝트는 애리조나 대학과 NASA가 공동으로 개발 중이며 수개월에서 수년에 걸쳐 작도하는 것을 목표로 함. 식물 재배 모듈이 물, 이산화탄소, 산소, 배설물을 포함한 유기물을 끊임없이 순환시켜 작은 생태계를 만드는 것으로써 이 모든 구성 요소를 세세하게 컨트롤할 수 있는 장치 개발 또한 목표임

  • ╶︎중국은 2016년 3D 프린터를 이용해 제작한 식물 재배기를 이용해 중국 우주정거장 톈궁 2호에서 식물 재배에 성공. 현재까지 진행된 여러 실험을 통해 식물이 우주공간에서 자라나는 규칙 등을 밝혀내 더욱 다양한 식물, 양이 많은 식물을 재배하려 하고 있다고 밝힘

  • ╶︎일본은 우주농업 내지는 우주식물 개발을 연구주제로 내세운 독자적인 프로젝트는 없으나 ISLSWG의 일원으로서 미세중력의 영향 특히 식물 뿌리에 미치는 영향, 물의 공급 방향에 따른 뿌리의 발달 등 매우 기초적인 다양한 연구를 수행 중임

□ NASA의 우주 식물 연구

  • ╶︎NASA는 우주 식물 연구를 통해 우주에서 식물을 재배하고 유지하는 방법을 오랫동안 연구하고 있음. 이를 통해 장기간 우주 임무를 수행하는 우주비행사들에게 식량과 산소를 제공하고, 우주에서 식물 재배의 경제적 및 생태학적 가능성을 평가하고자 하는 것임

  • ╶︎NASA의 우주 식물 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있는데, 첫째, 우주에서 식물이 어떻게 자라는지 연구하는 것으로, 이를 통해 우주 환경이 식물의 성장과 발달에 미치는 영향을 이해하고, 식물의 생존 가능성을 높이기 위한 방법을 개발하는 것임

  • ╶︎둘째, 우주에서 식물을 재배하는 방법을 연구하는 것인데, 이를 통해 우주에서 식물을 효율적으로 재배하고 관리할 수 있는 방법을 개발하고자 하는 것임

  • ○Veggie 프로젝트

  • ╶︎Veggie 프로젝트는 국제우주정거장(ISS)에서 식물 재배를 위한 시스템을 개발하고 운영하는 프로젝트로 2014년부터 시작되었는데, 우주에서 식물을 재배하고 유지하는 방법을 연구하고, 우주비행사들에게 식량과 산소를 제공하는 것을 목표로 함

  • ╶︎Veggie 프로젝트의 주요 구성 요소는 다음과 같음.

  • (1)Veggie 시스템: 식물 재배를 위한 환경을 제공하는 시스템으로, 조명, 온도, 습도, 양분 공급을 제어하는 것

  • (2)Veggie 팟: 식물을 재배하는 용기로, 우주 환경에 적합한 재질을 개발하는 것

  • (3)Veggie 식물: 우주에서 재배하기에 적합한 품종의 식물을 개발하는 것. 현재는 레드치커리와 상추가 사용되고 있음

  • ╶︎Veggie 프로젝트는 ISS에서 식물 재배에 성공을 거두어 2015년에는 우주에서 재배한 레드치커리를 우주비행사들이 첫 번째로 맛 보았음. 또한, Veggie 프로젝트를 통해 우주 환경이 식물의 성장과 발달에 미치는 영향을 연구하고, 식물의 생존 가능성을 높이는 방법을 개발하는 과정을 통해 식물생물학에 대한 이해를 높이고 극한 환경에서의 식물 재배를 위한 신기술 개발에 기여함

  • ╶︎Veggie 프로젝트는 우주 식물 연구의 중요한 이정표로 평가받고 있는데, 이 프로젝트를 통해 우주에서 식물을 재배하고 유지하는 방법이 입증되었으며, 향후 장기간 우주 임무를 수행하는 우주비행사들에게 식량과 산소를 제공하여 임무 수행에 큰 도움이 될 것으로 기대됨

  • ○Plant Habitat-02(PH-02) 프로젝트

  • ╶︎PH-02 프로젝트는 국제우주정거장(ISS)의 APH(Advanced Plant Habitat) 시설에서 무의 성장을 연구하는 실험임. APH는 연구자들이 미세 중력 환경에서 뿌리 식물이 어떻게 행동하는지 연구할 수 있는 밀폐된 성장 챔버임

  • ╶︎PH-02 프로젝트는 2020년에 시작되었으며 NASA가 ISS의 APH에서 무를 모델 식물로 처음 재배를 시도하였음. 무는 영양가가 높고, 식용 가능하며, 재배 시간이 짧고, 미세 중력에서 자주 연구되는 식물인 애기장대와 유전적으로 유사하기 때문에 선택되음

  • ╶︎PH-02 프로젝트는 미세 중력 하에서 무 성장의 종자 발아, 뿌리 성장, 싹의 성장, 잎 발달, 개화, 결실, 무의 영양가에 대한 미세 중력의 영향 등의 측면을 연구하고 있음

NASA의 Plant Habitat-02

https://www.nasa.gov/image-article/astronauts-grow-radishes-second-advanced-plant-habitat-experiment/

[그림 9] NASA의 Plant Habitat-02

  • ○Plant Habitat-03(PH-03) 프로젝트

  • ╶︎PH-03 프로젝트는 과학자들이 여러 세대에 걸쳐 우주에서 자라는 식물에서 발생하는 후생적 변화를 연구하는 최초의 프로젝트로 애기장대(Arabidopsis thaliana)를 모델 유기체로 사용하고 있음

  • ╶︎PH-03 프로젝트는 우주비행 환경에 반응하여 애기장대 식물의 후생적 변화에 대해 DNA 메틸화, 히스톤 변형, 비코딩 RNA 수준에서 연구하고 있음

  • ╶︎본 프로젝트는 우주비행 환경이 분자 수준에서 식물 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공할 것으로 예상되며, 이는 우주에서 식물을 재배하기 위한 새로운 전략 개발 및 우주 비행이 인간 건강에 미치는 영향에 대한 이해도 제고에 기여할 것임


출처 : https://science.nasa.gov/biological-physical/investigations/plant-habitat-03-foarz/

[그림 10] NASA의 Plant Habitat-03


2.3. 우주에서의 인간


□ 인간 건강에 대한 우주 환경의 영향

  • ○우주인의 생체 변화에 대한 이해

  • ╶︎1956년부터 시작된 우주 비행에 의한 우주인 생체 변화 데이터는 누적되었으나 정량적인 연구 구조가 어려운 실정이었음

  • ╶︎정량적인 분석 연구를 NASA에서 일란성 쌍둥이를 통한 ISS에서의 1년의 장기복무가 미치는 연구를 2019년에 발표함

  • ╶︎민간 기업에 의한 우주여행이 가능해져 우주인 인원이 대폭 증가하였으며, 특히 정부에 의해 고도로 훈련된 인원이 아닌 민간인도 참여하고 있으며, 향후 Voyager Station과 Pioneer Station 등의 우주 호텔 사업을 통해서도 우주에서 장기로 우주여행을 하는 인원이 발생할 것임

  • ╶︎늘어나는 우주인, 길어지는 우주 거류 기간 등을 고려할 때 우주 환경의 생체 변화를 다방면으로 연구할 필요가 있음


출처 : 2019, Garrett-Bakelman

[그림 11] NASA의 일란성 쌍둥이 우주인 연구

  • ○다양한 우주 환경의 각 요인에 관한 연구 방법

  • ╶︎우주의 영향 중 미세중력 및 우주 방사선 등의 우주 환경을 별도로 분리하여 연구가 진행되어야 함

  • ╶︎또한, 미세 중력이 근육 약화에 미치는 영향과 면역 세포에 미치는 영향을 구분하여 연구할 필요가 있음

□ 인체에 대한 미세중력 영향의 연구 기법

  • ○다양한 미세중력의 유도 및 실제 미세 중력 구현 방법

  • ╶︎미세중력은 중력의 영향이 지구의 중력의 영향 이하로 나타나는 현상을 의미하며, 우주상에서의 중력과 근접한 상태를 의미함

  • ╶︎유도된 미세중력(simulated microgravity)은 대상을 회전함으로써 대상에 가해지는 지구의 중력 벡터가 평균 0으로 수렴하도록 하는 기법이며 비교적 간단하게 구현할 수 있으나, 상대적으로 약한 미세중력을 포함하며, 해당 대상의 크기가 클수록 중력 조건이 균일하지 못하게 나타남

  • ╶︎유도된 미세중력은 표2와 같이 1D/2D/3D clinostat, RWV(rotating wall vehicle), RPM(random positioning machine)등의 기기를 활용하며, 회전축의 개수에 따른 차이점이 있으며, 자기장을 이용한 부유도 가능함

  • ╶︎유도된 미세중력(simulated microgravity)은 지상에서 발생시킬 수 있으며 비교적 적은 비용으로 일반적인 실험실 환경에서 사용할 수 있는 장점이 있음

  • ╶︎단 미세중력의 강도가 10-2~10-4 g로 우주상에서 발생하는 미세중력과는 차이가 있으며, 미세중력으로 진입하거나 정상 중력으로 진입할 때 점진적으로 이동하게 되는 단점이 있음

  • ╶︎또한, 벡터 평균화로 유도되는 미세중력은 회전축에 따른 격차로 인해 식물을 제외한 크기가 큰 유기체에 적용하기 어려운 점이 있음

[표 2] 유도된 미세중력 발생 방법

Table1. Specifications of ground microgravity simulators. RWV, rotating wall vessel; RPM, random positioning machine.

 

1D/2D Clinostat/RWV

3D Clinostat/RPM

Diamagnetic Levitation

Microgravity Duration

Hours to weeks

Hours to weeks

Minutes to hours

Microgravity Quality

Quality ≤10−3 g

10−4 g

<10−2 g

Hypogravity

Y

Y

Y

Biological System

Cells, microbes, plants

Cells, microbes, plants

Cells, microbes,

plants, animals

Cost

Low

Low

Medium

Accessibility

Easy

Easy

Easy

출처 : Ferranti, F.; Marta, D.B.; Pacelli, C. Advantages and Limitations of Current Microgravity Platforms for Space Biology Research. Appl. Sci. 2021, 11, 68. https://dx.doi.org/10.3390/app11010068

  • ╶︎유도된 미세중력과 다르게 실제 미세중력(real microgravity)은 대상과 대상 주변 환경이 낙하하며 기준계 상으로 중력이 0에 수렴하는 현상을 의미하며, 구현되는 미세중력의 강도가 비교적 높지만, 지속 시간 및 비용 등의 한계가 존재함

  • ╶︎실제 미세중력의 낙하 방법은 타워 내에서의 낙하, 비행기를 사용한 낙하, 발사체를 사용한 낙하 등 다양한 방법이 존재함

  • ╶︎실제 미세중력은 우주에서 경험하게 되는 미세중력 수준인 10-6g까지의 중력을 유도할 수 있음

  • ╶︎또한, 크기가 큰 유기체에 적용할 수 있으며 그중 포물선 비행(parabolic flight)은 비행기를 사용한 실험 방법으로 인간에 직접적인 미세중력의 영향을 확인할 수 있는 방법임

  • ╶︎단점은 현재의 기술로는 반복 및 주기적인 실험을 진행하기 어려우며, 대체적인 비용이 매우 높은 점이 있음

[표 3] 실제 미세중력 발생 방법

Table 3. Specifications of non-orbiting and orbiting microgravity facilities. ISS, International Space Station.

 

Drop Tower

Parabolic Flight

Sounding Rocket

CubeSat

ISS

Microgravity Duration

2.2 s up to 9.5 s

20 s repetitive

5–20 min

Weeks to months

Months to years

Microgravity Quality

10−6 g

10−2 g

≤10−4 g

10−6 g

10−6 g

Hypogravity

Yes

Yes

No

No

Yes

Biological System

Cells, microbes,

plants

Cells, microbes,

plants, animals,

humans

Cells, plants,

microbes, animals

Microbes, plants

Cells, microbes,

plants, animals,

humans

Cost

Medium

Medium

Medium

Medium

High

Accessibility

Medium

Medium

Medium

Medium

Hard

Late access before

experiment

2 h

10 min

<3 h

24 h

24 h

Early retrieval after

experiment

45 min

1 min

1–2 h

Not Applicable

≥48 h

출처 : Ferranti, F, 2021

  • ╶︎국내에서 진행된 대부분의 연구는 유도된 미세중력을 사용하여 진행되었음.

  • ╶︎실제 미세중력을 활용한 연구로 국제 협력을 통한 ISS에서 진행된 C. elgans의 근위축 연구가 있으며 국내에는 아직 실제 미세중력을 이용한 연구 기반이 부족하나 국제 협력을 통한 연구가 가능함(Kim, 2023).

 [표 4] 국내에서 진행된 미세중력 관련 연구

발행 연도

교신 저자

제목

사용방법

2022

Robert Mitchell

Predation of colistin- and carbapenem-resistant bacterial pathogenic populations and their antibiotic resistance genes in simulated microgravity

HARV

2021

양수근

The effects of real and simulated microgravity on cellular mitochondrial function

-

2020

서상우

Transcriptional Profiling of the Probiotic Escherichia coli Nissle 1917 Strain under Simulated Microgravity

RCCS

2019

윤미섭

Simulated microgravity inhibits C2C12 myogenesis via phospholipase D2-induced Akt/FOXO1 regulation

3D clinostat

2019

이진우

Simulated microgravity with floating environment promotes migration of non-small cell lung cancers

3D clinostat

2018

예상규

Microgravity induces autophagy via mitochondrial dysfunction in human Hodgkin's lymphoma cells

3D clinostat

2014

박준수

Simulated microgravity contributes to autophagy induction by regulating AMP-activated protein kinase

3D clinostat

출처 : (Jang, 2022), (Nguyen, 2021), (Yim, 2020), (Baek, 2019), (Ahn, 2019), (Jeong, 2018), (Ryu, 2014)

 

□ 인간 면역에 대한 미세 중력의 영향 연구

  • ○미세중력의 세포 단위에서의 연구

  • ╶︎지구상에서 생명체는 항시 중력의 영향 아래에 있으므로, 중력의 유무가 아닌 중력의 방향에 대한 반응이 주요 감지 대상임

  • ╶︎하지만 우주여행 시에는 달, 화성 등의 표면에서의 저중력(hypogravity)과 자유 낙하 상태에서의 미세 중력(microgravity), 우주로 이동할 시에 가해지는 과중력(hypergravity)의 영향 등을 생명체는 경험하게 됨

  • ╶︎세포 단위에서의 미세중력에 반응은 두 가지 이상으로, 세포 소기관을 이용한 반응과, 세포 골격의 변화가 직접적으로 염색체에 영향을 주며 일어나는 신속하고 일시적인(rapid and transient) 반응이 있음

  • ╶︎이와 같은 연구를 진행하기 위해 벡터 평균화는 미세중력으로 진입하는데 15~30분 정도의 시간이 소요되며 세포골격에 가해지는 중력 변화를 충분히 반영하지 못하기에 포물선 비행 등을 사용함

  • ╶︎ElGindi et al.은 면역세포에 미치는 미세중력의 연구를 종합하여 선천면역과 후천면역으로 구분하여 분석하였으며, 같은 종류의 세포종 역시 다른 플랫폼에서 다른 결과를 보여주기도 하여 우주의학 연구에 사용되는 다양한 미세중력 플랫폼이 체계화될 필요가 있음을 지적함

[표 4] 면역세포에 대한 미세중력 연구

세포 종류

중력 유형

플랫폼

세포 원천

관찰

호종구

실제

포물선 비행

인간 PBMC

Neutrophils are increased while all other immune cell subsets decrease

호종구

실제

우주 비행

인간 PBMC

No change in neutrophil numbers before and after flight

호종구

실제/유도

Space Flight/RWV

인간 PBMC

Increase in neutrophils and neutrophil to lymphocyte ratio which could be used

자연살해세포

유도

RWV

인간 PBMC

Decrease in NK cell cytotoxicity related to a decrease in associated cytokine

production and surface receptor expression

자연살해세포

유도

RWV

인간 PBMC

NKG2D was found to be significantly reduced on the surface of NK cells and rescued with the addition of polysaccharides

자연살해세포

실제

ISS

인간 PBMC

Impaired NK cell function in terms of cytotoxic activity against leukemia K562 cell line

단핵구

실제

우주 비행

인간 PBMC

Total monocyte percentages were unchanged after a 13–16-day spaceflight

단핵구

실제

포물선 비행 and 관측 로켓

U937

Microarray studies identified eight genes that remained stable during normal and microgravity conditions

대식세포

실제

우주 비행

J-111

J-111 cells were found to have decreased cell motility and a reduction of F-actin

대식세포

실제

우주 비행

U937

PMA stimulated U937 cells had a disorganized cytoskeleton and decreased expression of CD18, CD36, andMHC-II

대식세포

실제

ISS

인간 Primary M1

M1 macrophages showed a decrease in ICAM-1 expression. No structural changes to actinorvimentin were seen and an increase in free fucose was also shown along with a decrease in cell surface bound fucose

대식세포

실제

관측 로켓

인간 Primary M1

Human primary M1 macrophages were found to have a significant reduction in cell volume, nuclear volume, and actin cytoskeleton as early as 4s in microgravity

대식세포

실제/유도

포물선 비행/2D clinostat

U937

Microgravity conditions cause non-specific activation of U937 cells and PMA stimulated U937 cells are inhibited under these condition

대식세포

실제/유도

포물선 비행/우주 비행/2D clinostat

U937/인간 Primary M2

U937 human macrophages and human primary M2 macrophages had an increased expression of ICAM-1

수지상 세포

유도

RCCS

인간 PBMC

pDC and mDC number are decreased under microgravity indicating that space flight could impair the development of these cells

수지상 세포

유도

RCCS

JAWS II DC

Prolonged culture of DCs in simulated microgravity reduced surface expression markers and the ability to activate Tcells

T 세포

유도

RWV

인간 PBMC

Microgravity causes no impairment of DAG, or further downstream signaling, in CD4+ T cells

T 세포

유도

RCCS

Mouse Primary

CD25, CD69, IL-2 and IFNγ were all decreased in a time dependent manner from 24 to 72 h under simulated microgravity. CD4+ T cells were more susceptible to simulated microgravity effects of decreased proliferation than CD8+ T cells

T 세포

유도

RCCW

OT II mice

Long term culture of OT-II T cells results in resistance to activation by JAWS II DCs

T 세포

유도

RPM

Jurkat T cells

Decreased Ca2+ and ROS levels compared to 1 g controls

T 세포

실제

우주 비행

인간 PBMC

Reduced expression of CD3, IL-2R and p44/42-MAPK-phosphorylation

T 세포

실제

ISS

인간 PBMC

Gene expression of miR-21 was suppressed in conA and anti-CD28 stimulated T cells

T 세포

실제

우주 비행

OT II mice

2-fold increase in OT-II cells in microgravity and an increase in IL-1b and IL-17 release when the cells were restimulated with OVA in vitro

T 세포

실제

관측 로켓/포물선 비행

Jurkat T cells

Gene changes were found primarily in regulatory RNA

T 세포

실제

포물선 비행

Jurkat T cells

Levels of HIF1a remained relatively unchanged during microgravity exposure

T 세포

실제/유도

2D clinostat/포물선 비행

Jurkat T cells

Increase in the phosphorylation of MAP kinases ERK-1/2, MEK, and p38

T 세포

실제/유도

2D clinostat/포물선 비행

인간 PBMC/Jurkat T cells

Microgravity disrupted cell cycle regulatory proteins such as p21Waf1/Cip1, cdc2, and cdc25C

T 세포

실제/유도

ISS/RWV

인간 PBMC

T cells had significantly downregulated gene expression of Rel/NF-B transcription factors

T 세포

실제/유도

2D clinostat/포물선 비행

인간 PBMC

Anti-CD28/conA activated T cells had decreased Zap-70 expression

T 세포

실제/유도

관측 로켓/포물선 비행/2D clinostat

Jurkat T cells

5 genes remained unaltered in all microgravity conditions

T 세포

실제/유도

관측 로켓/2D clinostat

Jurkat T cells

11 transcript clusters in non-activated Jurkat T cells were altered

T 세포

실제/유도

우주 비행/RWV/RPM

Mouse Primary

T cells had suppressed immune regulatory genes compared to controls

B 세포

유도

RWV

HMy2.CIR

S decreased ion-radiation induced cell survival and increased apoptosis

B 세포

실제

포물선 비행

인간 PBMC

A decrease in B cells

B 세포

실제

우주 비행

인간 PBMC

15-day spaceflight showed no changes in B cell levels

B 세포

실제

우주 비행

Mouse Primary

A significant reduction in B cells in the spleens of mice

출처 : ElGindi, 2021

  • ○미세중력의 신체 단위에서의 연구

  • ╶︎미세중력이 세포 단위에의 영향과 더불어 신체에 미치는 영향 역시 중요함

  • ╶︎NASA 우주 비행사와 그의 일란성 쌍둥이를 이용한 연구를 통해서 장기간의 우주 비행은 전반적으로 큰 변화가 나타나지만 일반적으로 저위험성을 보이는 것으로 나타났으며, 우주 비행 중 나타난 변화들이 지구로 복귀하였을 때 정상 수준으로 돌아오는 것을 확인함

  • ╶︎모형 생물을 활용한 미세중력의 영향력 연구는 예쁜꼬마선충을 이용한 유전체 연구에서 미세중력과 과중력의 유전자 발현 변화의 양상을 비교한 것이 있음. 결과적으로 미세중력과 과중력은 동일한 방향(concurrent)의 변화를 보이는 유전자가 미세중력과 과중력에서 반대 방향을 보이는 유전자군보다 많음을 확인함

  • ○미세중력이 암, 바이러스의 재활성에 미치는 영향

  • ╶︎미세중력은 신체의 정상 세포에 영향을 줄 뿐 아니라 면역의 대상이 되는 특정 암세포 및 바이러스 등에도 영향을 주는 것으로 알려짐

  • ╶︎A549 세포는 미세중력에서 감소한 생존률을 보이며 이는 epithelial E-cadherin의 증가와 mesenchymal N-cadherin의 감소로 야기되는 전이 특성의 저하와 연결된 것으로 나타남

  • ╶︎미세중력뿐 아니라 과중력 역시 암세포에 영향을 미칠 수 있음

  • ╶︎MDA-MB-231 암세포종은 과중력에 의하여 나타나는 actin 반응이 자연살해세포(NK cell)에 대한 반응에 민감하게 하여 세포독성(cytotoxicity)이 증가하는 결과를 보여줌(2021, Lee)

3. 결론 및 시사점

 

□ 우주의학의 개발 전망

  • ○우주 탐험의 필요성

  • ╶︎우주 탐험에 대한 인류의 관심이 증대되고 있음

  • ╶︎지구의 자원 고갈 환경 악화로 인한 우주의 개발 필요성이 있음

  • ○우주의학의 지상 적용 가능성

  • ╶︎우주의학은 지상에서 연구된 현상을 우주에서도 적용되는가에 대한 검증 절차를 거치며 우주에 적용되는 것이 기본이지만 우주에 적합한 기술을 개발한 후에 다시 이를 지상에 적용하는 것 역시 가능함. 이런 예로 검정 기기인 ADUM(advanced diagnostic ultrasound in microgravity)가 있는데, 우주에서 액체가 없이 사용할 수 있는 초음파 기기를 개발하며 해당 기술을 응급시설에 적용한 사례가 있음

  • ╶︎또한, 우주의 특별한 환경 조건을 이용하여 지상에서 사용할 수 있는 의약품 등의 생산할 가능성이 있으며 이 중 Merk의 고순도 우주 의약품 공장 개발 중임

□ 중력 플랫폼의 중요성

  • ○우주 정거장의 활용

  • ╶︎ISS의 사용 권한은 NASA, ROSCOMOS, JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency), ESA(European Space Agency)에서 지니고 있으며 이를 사용하기 위해선 국제 협력이 필요함

  • ╶︎과거엔 국가 규모에서만 가능했지만, 우주정거장을 개발하는 회사들이 늘어남에 따라 이런 시설을 이용한 연구를 진행할 수 있는 접근성이 증가하는 추세임

  • ○다양한 중력 플랫폼의 개발 및 운용 방안 마련

  • ╶︎미세중력 플랫폼은 중력의 강도, 지속 시간, 진입 시간 등의 격차가 있으며, 이를 미세중력 후속의 단계들을 분리하여 연구하기 위해 사용해야 함

  • ╶︎또한, 세포, 오가노이드, 조직 및 조직체 등 다양한 규모의 연구대상 필요를 충족할 수 있도록 해야 함


...................(계속)

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