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2020 Bioengineering for space 학회 참석 후기
2020 Bioengineering for space 학회 참석 후기 저자 김장근 (한국생명공학연구원)
등록일 2021.02.25
자료번호 BRIC VIEW 2021-C02
조회 879  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
2020년 12월 10일 뉴욕 과학 아카데미(The New York Academy of Sciences)에서 개최한 Bioengineering for space 웨비나가 진행되었다. Jef Boeke, Lisa Carnell, Christopher Mason을 포함한 8명의 과학조직위원회가 학회를 주관하였다. 이번 학회에서는 점차 관심과 실현 가능성이 높아지는 달 탐사, 화성 탐사와 그 이후의 심우주(Deep space) 탐사에서 인류가 직면한 문제와 이를 생명과학의 진보를 통해 극복하는 방안을 논의하였다. 발표자들은 생명공학을 인간과 환경에 구체적으로 적용하는 방안을 제시하였으며, 이에 관하여 발생할 수 있는 사회윤리적 질문들을 제시하였다. 이번 학회에서는 총 6명의 발표자가 우주탐사 시대에서 생명과학의 적용과 향후 발생할 수 있는 문제들에 대하여 논의하였다.
키워드: 우주탐사, 생명공학
분야: Biotechnology

목 차

1. 소개
2. 주요 내용
  2.1. Keynote lecture – Anousheh Ansari, MS
  2.2. Session 1: Bioengineering ourselves
    2.2.1. Resurrecting essential metabolism for biological self-sufficiency - Harris Wang, Ph.D.
    2.2.2. Space Omics – Christopher Mason, Ph.D.
    2.2.3. Pioneering work in organ manufacturing and engineering – Martine Rothblatt, Ph.D.
  2.3. Session 2: Bioengineering our environment
    2.3.1. The microbiome of the built environment – Jack Gilbert, Ph.D.
    2.3.2. Plants in space, veggie, and space crop production – Gioia Massa, Ph.D.
3. 총평


1. 소개

뉴욕 과학 아카데미는 미국에서 가장 오래된 학술 모임 중 하나로 1817년 설립되었으며 현재 전 세계 약 100개국에서 20,000명 이상의 회원이 참여하고 있다. 뉴욕 과학 아카데미의 사명 선언은 ‘1) 과학 연구와 지식을 발전시킨다., 2) 학술 활동을 지원한다. 3) 과학 기반 해결책을 통해 국제적 과제 해결을 촉진한다.’의 세 가지로 학문의 증진과 사회 발전을 도모한다. 현재 뉴욕 과학 아카데미는 정기 간행물 발행, 학회 개최, 직업 센터(Career center) 운영, 공동체(Community) 구성 등 활발한 활동을 하고 있다. 뉴욕 과학 아카데미는 공중 보건, 신경과학, 학계 문화, 진화, 생태 등 다양한 분야의 학술 이벤트를 개최하고 있다 (그림 1).

이번 Bioengineering for space 학회는 그 일환으로 개최되었다 (그림 2). New York university, NASA, Baylor college of medicine, Weill Cornell medicine, New York academy of Sciences 등의 기관에 소속된 우주 생물학(Space biology) 리더들이 중심이 되어 학회를 구성하였으며 University of California San Diego, United Therapeutics, Columbia university 등의 기관에 소속된 연구자들이 최근 연구 내용을 발표하였다.

2020년은 미국, 중국, 아랍에미리트(UAE)에서 화성 탐사선을 발사한 해면서 국제 우주 정거장 20주년으로 우주 탐사에서 중요한 해였다. 인류의 우주 탐사는 점차 가속화될 예정으로 NASA는 2024년까지 아르테미스 미션으로 달 탐사 및 정착지 건설 계획을 하고 있으며, 2030년까지 화성에 우주인을 보낼 예정이다. 그 이후 화성을 넘어 심우주까지 장기 탐사를 예정하고 있다.

현재까지 사람이 우주정거장에서 보낸 최장기간은 1년 남짓이나 향후 달, 화성, 그 너머까지의 탐사가 이어지며 인류는 경험하지 못한 도전을 마주하게 될 것이다. 대표적으로 생각해 볼 수 있는 점으로는 첫째로 장기간의 우주 환경이 인간에게 영향을 주는 문제가 발생하며, 둘째로 인간이 우주 환경에 주는 영향으로 문제가 발생한다.

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그림 1. 뉴욕 과학 아카데미 홈페이지.

 

우주 환경은 미세 중력, 방사선, 사회적 고립 등으로 인하여 사람에게 부정적인 영향을 끼친다. 현재까지는 국제 우주 정거장에서 최장 1년까지의 기간 동안 우주인에게 발생하는 단기적인 영향에 대하여 연구하고 있으나, 장기적인 영향에 대한 연구와 이를 극복하는 방안은 아직 마련되어 있지 않다. 한편, 우주 탐사가 장기화 되거나, 타 행성에 정착을 하면서 식량 공급의 문제, 지구 생명체로부터 타 행성 보호의 문제와 같은 환경에 관한 주제 역시 대비와 논의가 필요한 상황이다.

이번 Bioengineering for space 학회에서는 우주 탐사와 관련하여 생명과학이 사람에게 미치는 영향과 환경에 미치는 영향으로 구분하여 최신 연구 내용을 소개하였고, 향후 우주 탐사에서 발생할 수 있는 문제들을 제시하고 논의하여 진지하게 고민하는 기회를 제공하였다.

 

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그림 2. Bioengineering for Space 학회 소개 페이지.

 

2. 주요 내용

이번 학회는 뉴욕 과학 아카데미의 Kari Fisher의 사회로 진행되었으며 COVID19로 인하여 웨비나의 형식으로 진행되었다. 각 세션 및 발표에 앞서 Kari Fisher가 발표자를 소개하여 발표가 진행되었으며, 발표 후에는 다시 Kari Fisher의 진행에 따라 질의응답이 있었다. 이번 학회의 주제가 우주 탐사에서 생명과학의 역할에 대한 논의인 만큼 특별히 국제 우주 정거장에서 보낸 축하 영상으로 학회가 시작되었다 (그림 3).

 

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그림 3. 국제 우주 정거장에서 보낸 축하 영상.

 

2.1. Keynote lecture – Anousheh Ansari, MS

Keynote lecture는 XPRIZE foundation의 CEO인 Anousheh Ansari가 맡아 XPRIZE에서 추진하고 있는 우주 탐사 관련 정부와 기업 협력 플랫폼을 소개하고 향후 비전을 공유하였다 (그림 4). 발표자는 Telecom Technologies, Inc (TTI)의 CEO였으며, 우주 탐사에 대한 열정을 실현하기 위하여 XPRIZE foundation에 중대한 기여를 한 인물이다. 발표자는 자비로 국제 우주 정거장에 다녀올 만큼 이 프로젝트에 강한 열정을 가지고 있으며 우주 탐사를 실현하기 위한 노력을 XPRIZE foundation을 통하여 이어가고 있다. 발표자는 이번 keynote lecture를 통하여 자신의 우주에 대한 동경의 계기, 우주 탐사의 방법, 우주 탐사의 중요성에 대한 생각을 나누었다.

먼저, 발표자는 우주에 대한 자신의 동경을 나누었다. 발표자는 인간의 특별함이 상상력에 있다고 생각하는데 우주가 미래를 꿈꾸게 하고 인간의 상상력의 대상이 된다는 점에 주목하였다. 어린 시절부터 밤하늘을 보며 하늘에는 무엇이 있는지, 어떤 존재가 있는지 새로운 세계에 대한 상상을 하게 되었고 이 상상력이 그녀를 우주로 향하게 만들어 2006년에 우주인이 될 수 있었다고 소개하였다.

사람의 생활 반경은 현재로서는 지구에 머물러 있지만, 우주 탐사를 하기 위하여 우주의 거대한 규모에 대한 이해가 필요하며, 이를 극복하는 것이 우주 탐사의 과제가 될 것이다. 발표자는 지구의 지름이 12,756 km (그림 5A)인데 비하여 태양계의 지름은 9,000,000,000 km (그림 5B)이고 가장 가까운 별인 Alpha centauri까지는 41,200,000,000,000 km (그림 5C), 현재 측정 가능한 우주의 크기는 123,000,000,000,000,000,000 km (그림 5D)라는 점을 소개하였다. 우주 탐사를 위해 지구 생활권에서 상상할 수 없던 거리와 시간의 문제를 극복해야 하는 것이다.

XPRIZE foundation은 이와 같은 문제를 설정하고 해결방안을 마련하기 위하여 26개의 팀의 연구를 지원하고 있으며, 여러 기업과 협업을 하고 있다. XPRIZE foundation은 정부와 기업의 협력으로 우주 탐사를 가능하게 하는 플랫폼을 구성하는 목표를 가지고 있다. 예시로 기업 주도의 우주 탐사의 대표인 Elon Musk의 SpaceX와 Jeff Bezos의 Blue origin이 있다.

발표자는 우주 탐사의 현실화를 위하여는 SpaceX와 Blue origin으로 대표되는 운송 분야 외에 건강, 로봇, 인공지능, 식품 등 다분야의 문제가 해결되어야 한다고 설명하였다. 그리고 현재 진행 중인 관련 분야의 연구와 논쟁을 제시하였다. 대표적으로 우주에서 음식 생산을 가능하게 할 기술로서 3D 음식 프린터 (그림 6A)를 제시하였고, 3D 프린터를 이용한 우주에서 인간 장기 생산 (그림 6B), 행성 탐사 로봇 (그림 6C), 신체 활동 보조 기구 (그림 6D)를 제시하였다. 우주 탐사의 한계 중 현 시점에서 가장 극복이 필요하다고 제시한 것은 제조 기술이며 물, 음식, 생필품 등을 지구에서 모두 가져가는 것에는 한계가 있기 때문에 지구 밖에서 이들을 쉽게 생산해낼 수 있는 혁신이 필요하다고 설명하였다.

한편 급속도로 발전 중인 생명공학과 인공지능 기술의 발전, 도입은 우주 탐사의 속도를 가속화 할 수 있을 것으로 제안하였다. 다만, 유전자 편집, 인공지능 등 충분히 그 영향이 알려지지 않은 경우 조심스럽게 접근할 필요가 있고, 그 위험성에 대하여 현재 단순하게 대답하기는 어려우나 논의를 지속해 나가는 것의 중요성을 강조하였다.

질의 응답 시간에는 질문자가 채팅으로 질문을 작성하면 사회자가 이를 발표자에게 전달하는 방식으로 진행되었다. 대표적인 질문으로는 우주 환경이 성별에 따라 건강에 미치는 차이에 대한 연구 결과가 있는지에 대한 것이었는데, 발표자는 현재 우주인 수가 적은 데다가 그 중 여성은 10%이기에 데이터 수가 부족하여 성별 차이를 일반화하기 어려운 상황이라는 설명을 하였다. 추후 여성 우주인의 비율이 증가될 필요가 있다는 의견을 제시하였다. 다음으로는 향후 우주 탐사를 위해 유전체 편집 기술을 이용할 우선 순위를 질의하였고, 현재 발표자는 우주 환경으로 인한 대표적인 문제인 근육 위축(Muscle atrophy)과 골격 손실(Bone loss)을 제시하였다.

끝으로 우주적 세계관을 갖는 것의 중요성을 역설하였고, 우주적 세계관에서는 국가 간 경계가 무너지고 고정관념이 허물어져 자신과 세계를 더 잘 이해할 수 있다는 점을 강조하였다.

 

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그림 4. 발표 중인 Anousheh Ansari.

 

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그림 5. 지구 (A), 태양계 (B), Alpha centauri (C), 우주의 크기 (D) 비교 (출처: XPRIZE foundation).

 

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그림 6. 3D 음식 프린터 (A), 3D 프린터를 이용한 우주에서 인간 장기 생산 (B), 우주 탐사 로봇 (C), 신체 활동 보조 기구 (D) 비교 (출처: XPRIZE foundation).

 

2.2. Session 1: Bioengineering ourselves

첫 번째 세션에서는 생명과학 기술을 우주 탐사를 위해 인간에게 적용하는 것과 관련된 연구에 대하여 Harris Wang, Christopher Mason, Martine Rothblatt가 발표하였다.

2.2.1. Resurrecting essential metabolism for biological self-sufficiency - Harris Wang, Ph.D.

세션 1의 첫 번째 발표자는 Columbia University의 Harris Wang으로 합성생물학 및 시스템생물학 기법을 이용하여 인간 대사 경로 엔지니어링에 대한 연구를 발표하였다 (그림 7).

발표자는 인간은 생존에 필요한 대사체 중 일부만 합성할 수 종속영양생물로서 직접 합성이 불가능한 영양소는 음식을 통해 섭취해야만 함을 설명하였다. 필수 영양소가 결핍될 경우 이로 인하여 질병에 걸리게 된다. 대표적인 예로 비타민 C 결핍에 의한 괴혈병이 있다. 단세포 생물이나 식물은 단백질을 구성하는 모든 아미노산을 합성할 수 있으나, 인간과 같은 고등 진핵생물은 진화 과정에서 이 기능을 상실하게 되었다.

고등 진행생물이 필수 영양소 생합성 능력을 상실한 이유는 아직 불분명하지만, 필수 아미노산, 필수 지방산, 필수 비타민 등을 합성하는 경로가 복잡한 것이 그 이유로 추정되고 있으며, 필수 대사체 합성 능력을 회복하기 위해서 약 230개의 추가적인 유전자가 필요하다고 추산되고 있다고 설명하였다.

발표자는 뉴욕 대학교 Jef Boeke 연구팀과 공동 연구로 합성생물학 및 시스템생물학 기법으로 필수 아미노산 생합성을 포유류에서 가능하게 할 수 있는지 여부에 대한 연구를 수행하였다. 이들은 필수 아미노산 합성에 필수적인 생합성 경로 재생을 위하여 1) 생물정보학적 기법으로 필요한 유전자와 조절 과정을 정리, 2) 효모를 이용한 유전자 합성과 회로 조립, 3) CHO (Chinese Hamster Ovary) 세포에 2의 유전자 합성, 4) 성장, 대사체, 유전체 분석의 로드맵으로 연구를 수행하였다.

대표적인 예로 필수 아미노산인 프롤린 생합성 경로에 필요한 유전자인 proA, proB, proC를 CHO 세포에 도입할 경우 프롤린을 추가하지 않아도 세포가 성장을 하는 연구 결과를 소개하였다. 같은 접근으로 발표자는 정상 세포가 branched chain amino acid인 발린이 없을 때 6일만에 모두 죽는 데에 비하여 발린 생합성 경로를 재생시킨 CHO 세포는 6일 이상 정상적으로 살아있다는 결과를 제시하였다. 발표자는 질량 분석으로 확인 시 발린이 없는 배지 조건에서 성장한 발린 생합성 경로를 재생시킨 세포에서 발린이 확인되어 생성 능력이 회복되었음이 확인하였고 전사체 분석을 통하여 발린 생합성 능력 회복 세포가 정상 세포에 비하여 발린 결여 배지 조건에서 성장 중이라는 데이터를 제시하였다. Harris Wang 연구팀은 이와 같은 생합성 경로 재생 연구를 확장하여 현재 세포 배양에 필수적인 혈청과 성장인자 없이 성장 가능한 세포주를 제작하고 있다.

발표자는 현재의 연구를 발전 시켜 장기적으로 인간의 유전체 편집을 통한 대사 독립성을 높일 수 있다는 아이디어를 제시하고 있다. 이와 같은 연구를 통해 향후 우주 탐사 및 우주 정착지 건설에서 필수 대사체에 대한 독립성을 확보하는데 기여할 수 있을 것이라고 설명하였다.

 

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그림 7. Harris Wang의 발표 표지 슬라이드 (출처: Harris Wang).

 

2.2.2. Space Omics – Christopher Mason, Ph.D.

세션 1의 두 번째 발표자는 Weill Cornell Medicine의 Christopher Mason으로 오믹스 기법을 이용하여 우주 환경이 생명에 미치는 영향에 대한 연구를 발표하였다 (그림 8). 현재 NASA를 필두로 한 국제 주요 국가들은 달과 화성의 유인 탐사를 계획하고 이를 실현하고 있다 (그림 9). 유인 달 탐사 재개를 시작으로 달에 유인 정착지 개척을 앞두고 있는 시점이다 (그림 10). 이와 같은 우주 연구가 그동안 무인 탐사로서 공학적인 문제를 해결하는데 집중되어 있다면 이제 유인 탐사의 시대로 전환되어가며 우주 환경이 인체에 미치는 영향에 대한 연구와 이의 극복 방안 마련이 중시되고 있다.

발표자는 국제 우주 정거장의 우주인을 대상으로 하여 분자 프로파일링을 수행하여 우주 환경이 인체에 미치는 연구를 주도하고 있다. 대표적으로 우주인인 Scott Kelly와 그의 일란성 쌍둥이 Mark Kelly를 비교하여 지구와 우주 환경에서의 변화를 보고하는 연구(이하 ‘NASA twin study’)를 주도하였고 (그림 11), 이후 수십 명의 우주인으로 대상을 확대하여 후속 연구를 활발히 수행하고 있다.

NASA twin study에서 발표자 연구팀은 Scott Kelly와 Mark Kelly의 인체 유래물을 이용하여 유전체, 후생유전체, 전사체, 후성전사체, 텔로미어 프로파일링, 사이토카인 프로파일링, 대사체, 미생물체 등 각종 오믹스 분석을 수행하여 우주 환경에서 미치는 영향을 비교하였다. 특히, 이 연구팀에서는 우주 환경의 영향을 비교하면서 우주 탐사 전, 우주 탐사 중, 우주 탐사 후로 세 가지 조건으로 구분하여 비교 분석하였다.

발표자의 연구 결과는 우주 환경에 의한 텔로미어 길이 변화, 후성유전체 나이(Epigenetic age) 변화, 클론 조혈(Clonal hematopoiesis) 변화, 미토콘드리아 기능 변화, 전사체 변화, 면역계 변화로 요약된다. 발표자에 따르면 텔로미어의 경우 우주 환경에서 그 길이가 지구에 비해 증가하는데, 우주 탐사 후 지구로 돌아오면 그 길이가 급속히 짧아져서 기존에 비해 더 짧아지게 되는 점이 특징이다. 후속 연구에서 NASA twin study 보다 더 많은 우주인에서 텔로미어 분석을 한 결과 동일한 길이 변화 패턴이 확인되었다. 유전체의 cytosine의 메틸화를 통해 후성 유전체 나이를 측정한 결과 우주 환경에서 일시적으로 후성 유전체 나이가 감소하나, 지구로 돌아온 이후 차차 정상 수준으로 돌아왔다. 혈액에서 특정 클론의 비율이 증가하는 현상을 “클론 조혈(Clonal hematopoiesis, 이하 ‘CH’)”이라 하는데 우주 환경에서 CH가 감소하나 지구로 돌아온 이후 기존 수준으로 돌아오는 현상이 확인되었다.

발표자에 따르면 이와 같은 유전체 및 후성유전체의 변화는 산화 스트레스(Oxidative stress)에 기인하는 것으로 생각되는데 이는 미토콘드리아 스트레스에 의해 발생하는 것으로 알려지고 있다. 우주인뿐만 아니라 우주 환경에 노출된 생쥐의 여러 조직과 세포에서 일관되게 확인되는 분자적 특징이 바로 미토콘드리아 기능 변화라는 점을 강조하였다 (그림 12). 발표자는 우주 환경의 스트레스는 미토콘드리아 손상을 일으켜 세포 유리(Cell free) 미토콘드리아 DNA 수가 증가하는 등 변화가 관찰되고 있으며 후속 연구를 통하여 그 원인을 규명하게 될 것이라는 의견을 제시하였다.

발표자에 따르면 우주 환경은 전사체에 변화를 일으키는데 흥미로운 점은 지구로 돌아오면 ~91.3%의 유전자 발현 변화는 정상으로 돌아오는데 ~8.7%는 발현 변화가 유지되는 것이다. 이 변화가 유지되는 유전자를 “우주 유전자(Space gene)”라 명하는데 이들은 면역 기능, DNA 복구, 과탄산혈증(Hypercapnia)과 관련된 유전자들로 확인된다.

면역계의 경우 미세중력에서 지구 중력으로 돌아오는 조건에서 급격한 변화를 보이는 특징이 있다. CCL2/MCP-1, IL-10, hs CRP NBL, IL-6, IL-1ra는 미세 중력인 우주에서 지구로 돌아올 때 급격히 증가했다가 수일 내에 정상 수치로 돌아오는 변화가 확인되었다.

국제 연구팀의 협업으로 우주 환경이 인체에 미치는 영향에 대한 다중 오믹스 분석과 이를 통한 우주 탐사 실현 달성을 관련 연구가 지속, 확대될 예정에 있다. 현재 오믹스 연구의 한계는 시료를 우주에서 직접 분석하지 못하고 지구로 보내어 분석하는 점인데 연구팀은 우주에서 나노포어 시퀀서를 이용하여 추후 연구에서 우주에서 직접 분석이 가능함을 입증하였다. 현재까지 나노포어 시퀀서를 이용하여 유전체 및 후성유전체 분석을 수행한 연구들이 발표되었다.

발표 말미에 연구팀은 우주 탐사를 위한 유전체 엔지니어링 연구 결과를 발표하였다. 향후 달 탐사, 달 정착지 건설, 화성 탐사에서 가장 신체에 영향을 주는 요소 중 가장 문제가 되는 것은 우주 방사선이다. 지구 자기장이 우주 방사선으로부터 생명체를 보호하는데 지구를 벗어나면 보호를 받지 못해 방사선 피폭량이 크게 증가하게 된다. 국제 우주 정거장의 우주인들은 공통적으로 방사선에 의한 DNA 손상이 증가하여 8-oxoG가 증가되는 것이 확인된다. 지구에서 년간 자연 방사선 피폭량이 3 mSv인데 국제 우주 정거장에서는 80 mSv이고 화성에서는 232 mSv로 크게 증가하게 된다. 방사선에 의한 유전체 손상이 필연적으로 발생하기에 이에 대한 해결책 마련이 요구되고 있는 상황이다.

우주 탐사 시대에서 불리한 우주 환경 극복을 위하여 우주인의 유전체 보호 문제가 대두되었고 그 해결방안으로 유전체 엔지니어링이 논의되고 있다 (그림 15). 이는 진화적으로 불가피하다는 주장과 인간 존엄성에 대한 윤리의 문제가 충돌하는 이슈이다. 그러나, 현재 CRIPSR, AAV 등을 이용한 유전자 치료제가 현실화되었다는 점을 고려하면 이미 진행되고 있다는 점을 기억해야 함을 설명하였다. 미국 고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)에서는 우주 방사선 등으로부터 인류를 보호할 수 있는 방안으로 유전체 엔지니어링을 이용하는 연구를 진행하고 있다 (그림 16). 유전체 엔지니어링 기법을 이용한 치료 목적의 임상이 점차 확대되고 있는 추세를 (그림 17) 고려하면 앞으로 관련 연구의 공간이 넓어질 것으로 예측된다.

발표자 연구팀에서는 방사선으로부터 유전체를 보호하는 방안으로 물곰벌레의 유전자를 인간 세포주에 도입하는 연구를 수행하고 있었다. 물곰벌레는 우주 방사선에 노출되어도 그 유전체를 보호할 수 있는 Dsup 유전자를 가지고 있다. 발표자 연구팀에서 인간 세포주에 Dsup을 도입한 이후 해당 세포주를 방사선에 노출 시킬 경우 대조군에 비하여 8-oxoG가 80% 감소하는 결과를 얻어 유전체 엔지니어링으로 유전체의 보호가 가능하다는 결과를 제시하였다.

발표자는 우주 탐사와 정착지 개척에 대한 연구와 미션이 증가하고 있고 근 시일 내에 유인 탐사가 실현될 것이라 설명하였다. 이에 대하여 장기간에 걸친 안목으로 진행되어야 할 것이며 기초 연구의 결과를 바탕으로 사회적 논의를 거쳐 실현해 나가야 할 것이라는 의견을 제시하며 발표를 마무리하였다.

 

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그림 8. Christopher Mason의 발표 표지 슬라이드 (출처: Christopher Mason).

 

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그림 9. NASA의 향후 달 탐사 및 화성 탐사 계획 (출처: NASA).

 

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그림 10. NASA의 향후 달 정착지 예상 그림 (출처: NASA).

 

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그림 11. NASA twin study 기념 배지 (출처: NASA).

 

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그림 12. 우주 환경에서 미토콘드리아의 변화를 보고한 논문 표지 2개 [출처: da Silveira et al., Cell (2020), Bezdan et al., iScience (2020)].

 

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그림 13. 우주 환경에서 우주인 유전체 보호를 위한 엔지니어링에 대한 기사 [출처: Antonio Regalado, Technology Review (2017)].

 

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그림 14. DARPA의 유전체 엔지니어링을 통한 방어 전략 관련 연구 (출처: DARPA).

 

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그림 15. 유전체 엔지니어링 관련 임상 시험 추세 [출처: MacKay et al., Nature Biotechnology (2020)].

 

2.2.3. Pioneering work in organ manufacturing and engineering – Martine Rothblatt, Ph.D.

세션 1의 마지막 발표자는 United therapeutics의 Martin Rothblatt로 장기 제작과 엔지니어링에 대한 연구를 발표하였다. United therapeutics는 우주 탐사에 이용할 인공 장기를 제작하는 연구를 수행하고 있으며 발표자는 이 결과를 발표하였다.

발표자 연구팀은 크게 두 가지 방법으로 장기 제작 연구를 접근하고 있었다. 첫 번째는 유전자 변형 돼지에서 장기 제작하는 것이고 두 번째는 장기의 뼈대를 구성한 이후 세포를 뼈대에서 배양하여 장기를 제작하는 것이다.

발표자는 첫 번째 접근 방법으로 유전자 변형 돼지에서 장기를 제작하는 연구를 발표하였다. 전략의 요지는 돼지 유전체를 유전 공학 기법을 이용하여 사람의 유전자는 도입하고 불필요한 돼지 유전자를 제거한 이후 이 돼지의 장기를 사람에게 사용하는 것이다. 구체적인 과정으로 먼저 사람에게 적용할 수 있는 장기 생산을 위해 필요한 인간 유전자와 제거할 돼지 유전자를 선정하고, 이에 따라 유전체 편집 체세포 주를 제작한다. 이후 핵 치환 기법으로 돼지 난자 세포를 유전체 편집 체세포 주의 핵으로 변경하여 돼지 클론을 생산한다. 이를 통해 각 유전자 변형 클론 돼지를 생산한 이후 이 돼지들끼리 교배하여 태어난 후손 세대에서 인간 이식 장기를 최종적으로 생산하는 것이다.

이와 같은 접근은 유전체 변형 돼지를 바이오리액터(Genetically-modified pigs as bioreactor)로 활용하는 것인데 발표자는 현재 연구 결과에 따르면 유전자 도입 또는 제거 대상 유전자의 수는 수십 개 수준이라고 발표하였다. 유전체 변형 돼지를 바이오리액터로 활용하는 연구에 관하여 미국 식약청과 논의하여 프로토콜을 정비하고 있으며 미국 식약청의 우려 사항을 부합하는 파이프라인을 맞추어 가고 있다고 설명하였다.

이후 발표자는 장기의 뼈대 제작 후 뼈대에서 세포를 키우는 방법을 이용한 장기 제작에 대한 연구를 발표하였다. 뼈대를 제작하는 방법은 돼지 장기에서 세포제거술(Decellularization)을 시행하는 방법과 3D 바이오 프린터를 이용하는 방법이 가능하며, 현재 두 방법 모두 1주 이내에 제작이 가능하다. 발표자 연구팀은 최근에는 유전체 엔지니어링으로 인간 콜라겐을 생성하는 담배를 제작하였으며, 이 담배에서 생성된 콜라겐을 바이오 잉크(Bio-ink)로 이용하여 폐 뼈대를 성공적으로 제작한 내용이 언론에 소개되기도 하였다 (그림 16). 이 제작된 뼈대에 원하는 장기의 세포를 키우는 세포화(Cellularization)는 3-4주 이상 소요된다. 이 방법으로 인공 폐를 제작하였고 혈관 형성과 폐포 형성이 성공적이라는 점을 소개하였다

장기 제작을 위해 뼈대에 여러 세포를 키우게 되지만, 아직 각 세포 간의 상호작용과 세포 내 상호작용에 대한 이해가 부족하여 추가 연구가 필요하다. 이에 대한 이해가 충분하게 된다면 유전체 또는 후성유전체 변형은 상대적으로 간단한 일이기 때문에 장기 제작을 현실화하는 중요한 기법이 될 것이다.

발표자는 마무리하며 우주 탐사 시대가 정착되었을 때 장기 제작 기법이 현실화 될 것을 강조하였다. 인공 장기는 생식 세포 또는 인간 대상 유전체 엔지니어링 보다 윤리적인 문제에서 자유롭고 다양한 실험이 가능하여 좋은 실험 대상이 된다는 의견을 제시하였다.

 

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그림 16. 장기 제작용 뼈대 제작 (출처: Martin Rothblatt).

 

2.3. Session 2: Bioengineering our environment

두 번째 세션에서는 생명과학 기술을 우주 탐사를 위해 환경에 적용하는 것과 관련된 연구에 대하여 Jack Gilbert, Gioia Massa가 발표하였다.

2.3.1. The microbiome of the built environment – Jack Gilbert, Ph.D.

세션 2의 첫 번째 발표자는 UC san Diego의 Jack Gilbert로 건축 환경의 마이크로바이옴에 대한 연구 결과를 발표하였다 (그림 17). 발표자는 건축 환경에서 마이크로바이옴의 변수를 모니터링하고 마이크로바이옴의 변화가 질병과 건강에 미치는 영향에 대한 연구를 소개하였다. 발표자는 주로 병원 내 미생물 또는 국제 우주정거장 내의 미생물 변화와 이의 감지에 대한 연구를 중점적으로 발표하였다.

발표자는 물건의 표면과 공기 중의 미생물들이 인체와 활발한 상호작용을 하며 인체에 상당한 영향을 준다는 점을 강조하였다 (그림 18). 특히, 미생물이 생성하는 알데하이드, 알코올, 아민, 케톤 등은 인체에 영향을 미치게 되고, 이에 의하여 호흡기 질환, 알러지, 감기 등의 부정적인 결과가 발생함이 알려지고 있다고 소개하였다. 발표자의 연구에 따르면 미생물들은 환경 조건 변화로 미생물 종류가 감소할지라도 생성하는 대사물질의 종류를 일정하게 유지한다고 한다.

미생물은 종류가 다양하며 개별 종끼리 서로의 성장에 영향을 미치며, 항생제에 대한 반응성이 다름을 소개하였다. 발표자에 따르면 박테리아와 균류의 성장의 양의 상관관계를 가지고, 바실러스(Bacillus)와 슈도모나스(Pseudomonas)의 성장은 음의 상관 관계를 가진다. 알칼로이드성 항생제를 처리할 경우 바실러스와 슈도모나스는 감소하는 반면, 자낭균류(Ascomycota)는 성장이 증가한다.

다음으로 발표자는 병원 내 미생물 성장과 분포 변화에 대한 연구를 소개하였다. 1년 간 병원 내에서 주기적으로 환자의 피부, 병원 내 물품의 표면, 필터 등에서 미생물 변화를 모니터링하였다. 병원 개업 전 2달 간과 개업 후 10달 간을 비교하였는데 병원이 열고 난 이후 아시네토박터(Acinetobacter), 코리네박테리움(Corynebacterium), 슈도모나스, 포도상구균(Staphylococcus), 연쇄상구군(Streptococcus)가 증가한 결과를 소개하였다. 시간이 지나며 항생제 저항성 미생물이 증가한다는 것이 확인되었다. 한편, 미생물 분포를 추적하여 확산 원인을 찾아본 결과 병원 직원들이 그 원인이라는 것이 확인되었다고 소개하였다.

발표자는 위와 같은 미생물 분포 연구에 대한 전문성을 바탕으로 국제 우주 정거장의 미생물 분포 변화와 병원성에 대한 연구를 수행하고 있다 (그림 19). 국제 우주정거장은 외부로부터 고립되어 있고 내부 건축구조와 물품을 쉽게 교체하기 어렵기 때문에 병원성 미생물의 출현은 우주 연구에 큰 위협이 될 수 있다. 발표자는 고립으로 인한 문제는 향후 우주 탐사에서 동일하게 발생될 문제이기에 국제 우주정거장에서 충분한 미생물 관련 연구가 필요한 상황임을 강조하였다.

현재 연구 계획을 수립한 상태로 지구에서 국제 우주정거장에 보낼 물품에서 우주로 발송 전에 미생물을 수집하고, 국제 우주정거장에 도착 이후 주기적으로 추가 미생물 수집하며, 해당 물품을 지구로 돌려보내어 마지막으로 미생물을 수집하게 된다. 이후 각 시점에 대한 미생물 분포를 확인하여 미생물 분포의 역동적인 변화를 확인하게 될 것이다.

마무리하며 발표자는 여전히 알려지지 않은 미생물이 많다는 점과 이에 대한 이해가 인류의 건강을 증진하고, 인간과 환경의 긍정적인 상호작용을 가능하게 하며, 향후 성공적인 우주 탐사의 기본이 될 것임을 강조하였다.

 

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그림 17. Jack Gilbert의 발표 표지 슬라이드 (출처: Jack Gilbert).

 

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그림 18. 건축 환경의 미생물이 인체에 미치는 영향 모식도 [출처: Gilbert and Stephens et al., Nature Reviews Microbiology (2019)].

 

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그림 19. 국제 우주정거장의 미생물 분포 변화 연구 표지 슬라이드 (출처: Jack Gilbert).

 

2.3.2. Plants in space, veggie, and space crop production – Gioia Massa, Ph.D.

세션 2의 마지막 발표자는 NASA의 Gioia Massa로 우주에서 식량 생산에 대한 연구를 발표하였다 (그림 20). 발표자는 미세 중력 환경이 식물에 미치는 영향과 이를 극복하기 위한 식물 재배 연구 활동을 이어오고 있으며, 국제 우주 정거장에서 관련 연구를 수행하고 있다.

발표자는 우주에서 식물 재배는 식량 생산, 심리적 건강 증진, 대기 조성 관리 등에 유익함을 설명하였고, 식량 생산은 유인 우주 탐사 및 정착 시대에 반드시 극복해야 할 문제임을 제시하였다. 현재는 국제 우주 정거장의 우주인에게 지구에서 생산한 음식을 공급하지만, 향후에는 식량 독립을 이루는 것이 중요한 극복 과제이기 때문이다. 발표자의 연구 방향 중 주요한 부분은 달 정착지 또는 화성 정착지에서 충분한 식량을 생산하는 시스템을 구축하는 것이라 설명하였다 (그림 21). 극한 환경에서 식물 재배를 하는 대표적인 예는 남극의 온실이 있으며 (그림 22), 남극에 식물 재배한 시스템을 우주 정착지에서 활용할 수 있을 것이라 소개하였다.

발표자는 우주 식량 재배 프로젝트를 수행하고 있는데 단기 목표는 일부 영양소를 대체하는 것이고 장기 목표는 지구에서 독립하여 칼로리 대체 식품을 생산하는 것이다. 식물 재배 후보로는 토마토, 후추, 딸기, 콩, 양배추, 감자, 쌀 등을 제안하였다 (그림 23).

발표자에 따르면 식물 재배를 위해서는 물, 빛, 비료, 대기, 온도의 조건이 적정하게 유지되어야 한다. 그러나, 국제 우주 정거장의 경우 무중력 상태이기 때문에 식물 재배 필수 조건에 여러 한계가 발생한다. 먼저 무중력 상태의 물은 구형을 이루며 공기와 잘 섞이지 않으며, 대기의 경우 국제우주정거장에서는 대류가 일어나지 않아 별도로 섞어 주어야 한다. 비료의 경우 지구에서 생산하여 보내기에 무게의 문제가 발생하며, 태양 빛이 충분히 공급되지 않기에 빛 공급을 위해 별도의 광원을 확보해야 한다.

발표자는 국제 우주 정거장에서 이와 같은 한계를 극복하는 식물 재배 시스템을 구축하고 있다. 초기 연구에서 상추와 백일홍을 재배하였다고 한다. 백일홍 재배 과정에서 기체 교환과 수분 공급 문제로 인하여 식물에서 수분이 배출되는 일액현상(Guttation), 잎 말림 현상, 이상 성장, 곰팡이 성장 등 문제가 발생하였으나, 이를 극복하고 꽃을 틔운 과정을 소개하였다. 그 다음 단계에서는 러시아 케일, 고추냉이 등을 시도하여 우주 정거장에서 성공적으로 수확하는 등 재배 가능한 작물의 종류를 확장해 나가고 있다.

우주 환경에서 식물 재배의 효과 중 스트레스 감소에 대한 부분도 뒤이어 소개하였다. 우주 환경에서 우주인이 겪는 대표적인 어려움이 사회 및 자연으로부터의 고립인데 식물을 재배하는 것이 스트레스 해소에 상당한 도움이 된다는 것이다. 특히 식물의 향이 우주인에게 주는 즐거움이 상당하다고 한다. 향후 우주 탐사에서 우주인의 정신 건강이 중요한 이슈인데 식물 재배가 이의 해결 방안으로 제시하였다.

선행 연구로 우주 정거장에서의 식물 재배 가능한 환경을 조성하고 성공 사례들을 확보하였다. 후속 연구에서는 식물 성장과 발달, 식물 생리, 영양성, 감각 수용성, 수확 후 문제 등을 고려하여 재배 대상 식물을 선정하게 될 것이다. 후속 연구에서 재배 대상 식물 선정 기준에 대한 더 자세한 설명을 아래에 하고자 한다.

먼저, 식물 성장과 발달에 관하여 다음의 조건을 고려하게 될 것이다. 제한된 공간을 고려하여 크기가 충분히 작아야 하며, 생산성이 높아야 하고, 먹을 수 있는 부분의 비율이 높아야 하며, 발아 가능해야 하고, 수확 시간이 짧아야 하며, 오랜 시간 수확 가능하고, 미생물 저항성이 높아야 한다.

두 번째로 식물 생리에 관하여 다음의 조건을 고려하게 될 것이다. 스트레스 저항성이 높아야 하고, 휴면 상태가 불필요하며, 향이 없거나 선호되어야 하고, 나트륨 저항성이 있고, 암모니아 선호도가 높아야 한다. 우주 정거장의 환경에 해당하는 높은 이산화탄소 농도, 낮은 습도, 20-23도의 온도, 광원의 좁은 파장대에서 성장 가능하여야 한다.

세 번째로 영양성에 관하여 다음의 조건을 고려하게 될 것이다. 항산화물 기본치가 높아야 하며, 루테인(lutein)과 같은 유용한 식물성 영양소가 풍부해야 하며, 영양 보조 성분(칼륨, 마그네슘, 철, 비타민 등)이 풍부해야 하고, 영양소의 흡수를 방해하는 화합물이 적어야 한다.

네 번째로 감각 수용성에 관하여 다음의 조건을 고려하게 될 것이다. 좋은 향을 가져야 하고, 명확한 향을 가져야 하며, 촉감이 좋아야 하고, 보기 좋은 외형과 색을 가져야 한다.

다섯 번째로 수확 후 문제에 관하여 다음의 조건을 고려하게 될 것이다. 보관에 용이해야 하고, 정제가 용이해야 하며, 부산물을 처리하기 쉬워야 하고, 먹을 수 없는 부분을 자원으로 사용 가능한 것이 좋다.

발표자는 우주 정거장을 기반으로 우주 탐사에 필요한 식량 생산 목적에 부합하는 식물을 찾아가고 재배해 나갈 것이며, 이를 기반으로 향후 자체 식량 생산과 식량 독립을 이루고 우주인들의 건강 증진에 기여할 것임을 설명하며 발표를 마무리하였다.

 

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그림 20. Gioia Massa의 발표 표지 슬라이드 (출처: Gioia Massa).

 

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그림 21. 우주 정착지에 건설한 식량 생산 모듈 (출처: Gioia Massa).

 

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그림 22. 남극에 건설한 식물 재배용 온실 (출처: Russ Durkee 블로그).

 

3. 총평

이번 학회에서는 현실로 다가오는 유인 우주 탐사와 우주 정착지 건설에서 생명과학의 역할과 이에 대한 사회적 동의의 중요성을 제시하였다. 연구 내용 발표를 통하여 우주 탐사에서 특이적으로 발생하는 인간과 환경의 문제에 대한 현재의 연구와 향후 방향이 다 분야에 걸쳐 제시되었다. 기존 무인 우주 탐사에서 고려되던 문제는 공학적 접근으로 해결할 수 있었지만, 유인 우주 탐사에서는 생명과학적 접근이 필연적이게 될 것이다. 특히, 인간 유전체 프로젝트 이후 급속히 발전한 유전체에 대한 이해와 CRISPR로 대표되는 유전체 엔지니어링 기법은 우주 탐사에서 식량 문제, 건강 문제, 미생물체 문제 등을 이해하고 극복하기 위한 주요한 도구가 될 것이다.

다만, 생명에 대한 인간의 적극적인 개입이 미칠 영향에 대하여 예측하기 어렵다는 점과 인간 유전체 엔지니어링에 대한 세심한 접근과 연구의 결과를 통하여 사회적인 동의를 이루어가는 과정이 매우 중요함을 고려할 때 이의 문제는 오랜 시간 동안 다루어 나가야 할 과제가 될 것이다.

인류의 진보는 한계를 극복하며 현실화 되었고 새로운 문제를 극복하며 발전해왔다. 식량과 질병으로 대표되는 지구에서의 생존 문제가 인류 진보 역사의 동력이었다. 우주 탐사를 넘어 우주 개척의 시대에서 또 다른 극한 환경에서의 생존의 문제를 극복하며 인류는 새로운 역사를 열게 될 것이다. 그 역사의 한 축에는 지구에서 발전시킨 생명과학에 대한 이해와 이를 적용 기법이 있을 것이다.

 

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김장근(2021). 2020 Bioengineering for space 학회 참석 후기. BRIC View 2021-C02. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3709 (Feb 25, 2021)
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