우리 몸속 코스모스(Cosmos)
칼 세이건 '코스모스(Cosmos)'
벽돌책으로 몇 년간 내 베개 옆을 차지해오고 있던 "칼 세이건"의 "코스모스(Cosmos)"를 마음 잡고 읽기 시작한 것은 직장 내 윤독(돌아가면 책 읽기) 모임을 통해서이다. 혼자 읽기 싫은 책, 혼자 읽기 힘든 책, 혼자서는 도저히 못 읽는 책은 윤독으로 해결할 수 있다는 내용을 "카페에서 공부하는 할머니(작가 : 심혜경)"에서 보고, 코스모스야 말로 이 3가지 조건이 모두 AND인데 하면서 윤독 모임을 시작하게 되었다. 코스모스로 시작된 윤독 모임은 5~6명으로 출발했지만 하나 둘 참여가 뜸해지면서 한동안 2명으로만 운영되다가 지금은 3명이 모여 읽기 모임을 이어가고 있다. 적어도 주 2회는 모이려고 하지만 점심시간에, 그것도 3명 모두 가능할 때만 모이다 보니 책을 아예 읽지 못하고 지나가는 주도 있다. 그래도 2022년 여름, 코로나 끝물에 시작된 윤독 모임을 통해 지금은 12번째 책을 읽고 있다.
윤독 모임이 아니었으면 결코 완독 하지 못했을 코스모스를 읽는 내내, 방대한 내용에 치여 맥락과 의미는 고사하고 끝까지 읽어냈다는 것에만 만족했었다. 그래서인지 다른 책은 시간이 지나도 다시 뒤적이다 보면 맞아 이 부분이 좋았지, 그래 이 부분이 인상적이었지 하며 생각나는 데가 있는데, 코스모스는 책장을 펼쳐도 손가락이 어디를 향해야 할지 혼란스러웠다. 그나마 기억에 남아있던 2군데가 있었는데, 이것 또한 내 멋대로 이해하고 있었다는 것을 알게 되었다. 먼저 책의 절반 정도 읽다 보면 시간이 지날수록 천재적인 과학자들의 등장이 급격하게 감소한다는 그래프가 나온다. 기질 때문인지 직업 때문인지는 모르겠지만 도표나 그래프 이런 것에 관심이 많다. 아무튼 기원전 600년에서 기원후 500년 사이를 범위로 한 이 그래프에는 천재 과학자들이 그래도 기원전 2세기까지는 100년에 2~3명 꼴로 등장하다가 그 이후에는 200~300년에 1명 정도로 감소한다는 것이 주요한 내용이다.
나는 이러한 추세를 현대로까지 끌어와서 시간이 흐르면서 왜 천재 과학자가 희귀해질까에 대해서 나름 결론을 내렸던 것이, 신경 쓸 것도 관심 둘 것도 많아진 현대의 환경에 원인을 두었었다. 기원전 그 옛날에는 제대로 된 측정도구나 기술이 없더라도 하늘을 바라보든 별을 관찰하든 집중해서 사색할 수 있는 환경이었던 것에 비해 지금은 빠르게 변화하는 세상에서 집중력을 발휘하기가 어렵고 그만큼 천재 과학자가 등장하기 어려운 환경이 되어서 그런 것이 아닐까 생각했었다. 그런데 이번 글을 계기로 코스모스를 다시 들여다보니 기원전 1세기부터 급격히 쇠락한 그리스 과학의 이유는 노예 소유와 제도에서 출발한다는 것이 핵심이다. 책의 내용은 이렇다. "노예의 정체성은 손을 사용하는 그들의 육체노동에 있었다. 육체노동은 바로 노예임을 뜻했다. 한편 과학 실험도 육체노동이었다(매우 공감)." 사실 바이오 연구도 그렇다. AI가 노동 집약적이며, 시간 소모적인 반복 실험을 많이 줄여줄 것이라고 예상하고 있지만, 아직은 체감하기 힘든 현실이다. 다시 책으로 돌아와서 "노예 소유자들은 당연히 육체노동과 거리를 뒀다. 그러나 과학을 할 만큼의 물질적, 시간적 여유가 있었던 사람들도 바로 노예주들뿐이었다. 그러니 과연 누가 과학을 했겠는가?" 이러한 이유를 고대 과학이 쇠락한 이유라고 설명했다. 현대로까지 끌어와서 추측했던 내 생각은 상당히 자의적인 해석과 상상이었던 것이다.
두 번째로 별들의 삶과 죽음이라는 부분을 읽으면서 지구도 수명이 있는데, 무분별한 개발이 지구의 죽음을 더 앞당기고 있다는 느낌적인 느낌을 가졌었다. 그런데 이 부분 또한 책장을 다시 들춰보니 지구의 죽음이란 지금으로부터 수십억 년 후에나 발생할 일이며, 더 다행인 점은 이러한 불상사가 지구에 오기 훨씬 전에 우리 인류는 오늘날과는 꽤나 다른 형태의 존재로 이미 진화했을 수도 있다는 것이다. "어쩌면 우리의 후손들은 태양의 진화 속도를 조정하여 지구에 닥쳐올 재앙을 적당한 단계에서 막을 수 있을지도 모른다. 아니면 화성, 유로파, 타이탄 중에서 하나를 골라 지구를 버리고 그곳으로 떠났을지도 모른다"는 것이 책의 내용이다. 이 책이 처음 출판된 1980년에는 기후변화의 영향이 지금처럼 현실(여름이면 좋아라 했던 오징어를 생물로 영접하기 힘들어진 상황)로 느껴지지 않았겠지만 긍정적이고 다행인 해석에 마음이 놓였다.
찾아보니 "Cosmos(코스모스)"는 그리스어에서 유래된 단어로, "질서"나 "조화"를 의미한다고 한다. 이런 점에서 극도의 질서와 조화를 살펴볼 수 있는 곳이 있으니 바로 우리 몸이다. 우리 몸 안에서 발견되는 질서와 조화로운 시스템 또한 "Cosmos(코스모스)"와 비견될 만큼 광활하며, 복잡하다. 우주의 별과 같이 아직까지 발견하지 못한 세포들이 우리 몸 안에 빼곡히 존재한다. 그래서 이번 글에는 우리 몸속 "Cosmos(코스모스)"를 연구하는 내용에 대해서 이야기해보고자 한다.
인체를 이루는 수조 개의 세포는 동일한 유전체(유전자의 집단) 정보를 지니고 있지만, 발현되는 유전자에 따라 서로 다른 기능을 하는 조직과 장기를 형성하게 된다. 하지만 어느 한 조직과 장기를 형성하는 세포라 하더라도 일률적인지 않고, 그 시간, 그 위치, 그 상황에 따라 제대로의 기능과 역할을 수행해야 인체는 건강을 유지할 수 있다. TPO(Time, Place, Occasion)가 중요한 건 눈치 챙겨야 하는 우리 어른들만이 아니라 세포에도 해당되는 이야기인 것 같다. 우리 몸속에서 TPO를 벗어난 비정상 세포는 암세포가 될 수도 있다. 그렇기 때문에 조직과 장기를 이루는 세포별 상태를 살펴볼 수 있다면, 언제, 어디에서 세포가 정상 궤도를 이탈하는지와 같은 질문에 답을 할 수 있을 것이다. 그런데 최근 우리 몸속의 조직과 장기를 이루는 개별 세포 하나하나를 분석할 수 있는 다양한 연구 방법과 기술이 등장하면서 질문에 머물러 있었던 과학자들의 상상이 실험을 통해 검증되고 있으며, 그동안 몰랐던 새로운 사실을 발견하고 있다.
특히, 단일세포 분석기술의 등장으로 과거에는 조직, 장기별로 세포의 유형과 유전자 발현 패턴을 분석하는 것이 힘들었지만 이제는 각 세포의 생체분자(DNA, RNA, 단백질 등)가 어떻게 다른지 분석할 수 있게 되었다. 아까도 이야기했지만 우리 몸의 세포는 동일한 유전체 정보, 즉 유전자 코드를 가지고 있다. 하지만 모든 코드가 활성화되는 것이 아니라 TPO에 맞게 활성화되는 코드 부위가 달라진다. 활성화된 코드에 따라 DNA가 RNA를 거쳐 단백질이 만들어져 그 기능을 하게 되는데, 단일세포 전사체학(single cell transcriptomics)이라는 분야는 중간 전달자로서 매우 중요한 역할을 하는 RNA에 대해서 각 세포별로 모든 RNA를 식별하여 어떤 유전자가 많이 발현되고 있는지 분석해서 연구하는 분야이다. 최근에는 여기에 공간적 개념을 추가하여 전례 없는 해상도로 조직과 장기의 단일세포를 분석하여 우리 몸속 세포 지도(아틀라스)를 만들고 있다.
우리 몸속 공간을 탐험하여 세포 지도(아틀라스)를 작성 중인 논문과 자료가 실린 Nature 표지출처 : Nature 표지(VOL 619, ISSUE 7970, 2023.7.20) / Nature, Cell-level reference maps for the human body take shape, 2023.7.19
이런 점에서 인체의 태반, 장, 신장에 있는 모든 세포를 지도화하는 단일세포 아틀라스 프로젝트가 추진되고 있으며 그 일부 결과가 발표되었는데, 이를 통해 베일에 싸여 있던 우리 몸속 세포의 시간적, 공간적 변화를 조금씩 알아가고 있다. 그 일부를 소개하면, 엄마와 그 자궁에서 자라고 있는 아기의 유전자 코드는 다르다. 왜냐하면 아기의 유전체 중 절반은 아빠로부터 받았기 때문이다. 그래서 신기한 것이 엄마와 태아의 관계인데, 원래 우리 몸은 나 자신과 다른 것이 들어오거나 생기면 싸워서 보호한다. 병원균이나 암세포에 대한 면역반응이 그러한 이유에서 우리 몸속에서 일어나는 현상이다. 오래전부터 유전적 배경이 서로 달라 거부 반응을 일으킬 수밖에 없는 엄마와 태아 사이에 어떤 신비로운 현상이 있기에 엄마는 태아를 면역적으로 공격하지 않는 것인지에 대한 질문이 있어 왔다.
이러한 질문은 단일세포 아틀라스를 통해 실마리를 찾을 수 있었는데, 이를 위해 연구팀은 임신 6~22주에 해당하는 모체-태아 경계면(fetal-maternal interface)에서 채취한 66개 표본에 있는 50만 개 이상이 세포와 558개의 동맥을 분석하였다. 임신 초기, 태반의 태아 쪽 세포가 모체의 자궁 내막을 침범하지만 엄마의 면역 체계는 이를 공격 대상으로 인식하지 않고 오히려 동맥이 리모델링되면서 태아에게 혈액을 공급하는 것을 세포 지도 제작을 통해 알게 되었다. 또한 태아와 모체의 면역세포가 어떻게 평화롭게 공존하는지에 대해 태아의 영양막 세포와 모체의 면역계가 복잡하면서도 정교하게 신호를 주고받으면서 모체가 태아의 낯선 세포를 받아들이도록 조율한다는 것이 밝혀졌다. 더 나아가 일부 유산은 엄마의 면역 체계가 임신 유지에 충분할 만큼 태반 발달을 수용하지 못하기 때문에 발생하며, 이러한 연구가 특정 유형의 불임을 설명하고 치료법을 발전시키는 데 도움이 될 수 있을 것이라고 연구팀은 기대하고 있다.
모체-태아 경계면 세포 지도 외에 다양한 구조와 기능을 보이는 복잡한 기관인 장(intestines)의 8개 위치를 지도화하여 장의 위치에 따라 세포 구성이 급변한다는 것과 함께 이전에 알려지지 않은 상피세포의 세부 유형과 필요시 면역세포가 쉽게 활성화될 수 있는 세포 유형도 발견하였다. 또 다른 연구팀에서는 건강한 신장과 병으로 손상된 신장을 비교 분석하여 손상된 신장에서 세뇨관 형성을 방해할 수 있는 이전에는 확인된 적 없는 부적응 세포의 위치를 확인하였고, 이 부적응 세포가 섬유화 및 염증세포와 상호 작용하는 것을 관찰하였다. 이러한 연구는 지난 2018년부터 미국 국립보건원(NIH)을 중심으로 세계 40여 개 기관, 과학자 400여 명으로 구성된 인간 생체분자 아틀라스 프로그램(HuBMAP, Human Biomolecular Atlas Program)을 통해 나온 결과이다. HuBMAP은 인체 내 세포가 조직과 장기별로 어떻게 배열되고, 작동하는지, 그리고 상호 작용하는지에 대해 새로운 발견과 이해를 높일 것으로 내다보고 있다.
신장(Kidney), 태아 태반과 모체 자궁벽 사이 경계면(Fetal-maternal interface), 장(Intestines)의 단일세포 아틀라스출처 : Nature, Advances and prospects for the Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP), 2023.7.19
새로운 발견을 이끌고 있는 우리 몸속 세포 지도는 질병과 관련된 세포가 공간적으로 어디에 있고, 어떤 변화를 겪게 되는지, 또 생명 발달의 초기 단계인 태아 및 유소아 시기의 포괄적이고 종단적인 아틀라스 구축을 통해 성숙과 노화, 질병 진행을 이해하는 데에도 도움이 것으로 기대된다. 우리 몸속을 관찰할 수 있는 공간 기술의 폭과 깊이를 늘리면 궁극적으로 우리 건강의 미래를 내다볼 수 있을 것으로 예상하며, 이러한 이유에서 초정밀의 바이오 기반기술을 지속적으로 개발하고, 발전시켜야 한다고 생각한다.
지도라는 말이 나와서 그런데 요즘 내가 꽂혀 있는 또 다른 지도가 있다. 이름하야 "난제 지도"라는 것인데, 난제란 풀기 어려운 문제, 해결하기 어려운 문제라는 것으로, 과학기술 분야에는 수 백 년간 풀지 못한 문제와 아직 해소되지 않은 질문들이 있다. 내가 쓴 브런치스토리 "너(심장)와 나(뇌)의 연결고리"에도 난제에 관한 내용이 나온다. "불안, 두려움과 같은 감정은 우리의 심장 박동을 빠르게 한다"라는 인과 관계는 실험을 통해 증명된 사실이다. 하지만 "그 반대로 심박수가 증가하면 불안, 두려움을 불러일으키는가?"에 대한 질문에 대해서는 거의 100년 동안 논쟁의 대상이 되어 왔다. 왜냐하면 심박수와 같은 신체 기능을 독립적으로 제어하고 이것이 불안, 두려움과 같은 감정을 불러일으키는지 그 연결 고리를 관찰할 수 있는 실험 방법이 없었기 때문이다.
오랜 기간 과학자들이 여러 방법을 시도했지만, 깔끔한 결과를 얻지 못하다가 빛을 통해 세포 활동을 조절하는 광유전학(optogenetics / 광학(optics)과 유전학(genetics)의 합성어로, 빛으로 세포의 활동을 조절할 수 있는 연구 분야)이라는 새로운 접근 방법을 통해 마우스의 심장 근육을 활성화하여 심박수를 증가시키자 마우스가 불안 관련 행동(개방된 공간을 회피하고자 하는)을 하는 것을 관찰했을 뿐만 아니라 이와 연계된 뇌의 특정 영역을 발견함에 따라 치료 표적을 찾아냈다는데 큰 의미가 있는 사례이다. 과학기술 분야의 풀기 어려운 문제는 새로운 연구 방법과 기술에 의해 해소되는 경우가 많고, 이를 통해 그동안 몰랐던 새로운 사실을 발견할 수 있게 된다.
그런 점에서 과학기술 분야의 난제는 3가지 관점에서 의미가 있다고 생각한다. 광유전학과 같이 혁신적인 연구 방법이나 접근 기술에 의해 난제를 해결하는 경우가 많은데, 광유전학으로 시각 장애인의 시력을 회복하는 데 성공한 과학자들이 '미리 보는 노벨상'으로 불리는 울프상에서 2024년 의학상을 수상했다. 이처럼 난제 해결 과정에서 새롭게 등장하거나 그 활용 가치가 재소환되는 기술들은 바이오 연구를 한 단계 도약할 수 있게 하기도 하며, 다양한 분야로의 파급력이 높은 기술로서 과학 발전과 기술 진보를 촉진한다는 점에서 의미가 있다.
또 다른 관점에서, 바이오 분야는 접근 방법이 없어 해석하기 어려운 생명 현상에 대한 질문들이 많다. 위에서 말한 바와 같이 "심박수가 증가하면 불안, 두려움을 불러일으키는가?"라는 것처럼 말이다. 하지만 정밀한 연구 방법과 기술에 의해 베일에 싸여 있던 생명 현상의 영역에 도달할 수 있게 되면서 그곳에서 새로운 사실을 발견하고 있다. 비유를 하자면 15세기말 대양을 건널 수 있는 큰 배와 방향을 가늠할 수 있는 나침반이 뒷받침되면서 신대륙 탐험에 나설 수 있었던 것처럼 정밀하게 관찰하고, 분석할 수 있는 핵심 기반 기술의 지원으로 생명에 대한 새로운 지식 대륙을 발견할 수 있으며, 이를 통해 신흥 연구 분야(emerging research field)를 개척해 나갈 수 있다. 난제 해결의 결과로써, 지식의 신대륙 발견은 매우 의미 있는 가치라고 생각한다.
마지막 의미로, 이 또한 난제 해결의 결과로써, 새롭게 발견한 지식 대륙에서 우리는 생명에 관한 방대한 정보(바이오 빅데이터)를 확보할 수 있다. 15세기말 콜럼버스로 상징되는 대항해 시대, 신대륙 발견을 통해 새로운 자원과 문화를 접할 수 있었던 것처럼 지식의 신대륙 발견을 통해 신비로운 생명 현상에 관한 빅데이터를 확보할 수 있다. 과거에 "골드 러시(gold rush)"가 있었다면 지금은 지식의 신대륙에서 "데이터 러시(data rush)"가 일어나고 있다고 생각한다. 다만, 여기에서 강조하고 싶은 것은 어마어마한 정보가 포함된 우리 몸 더 나아가 모든 생명에 대한 데이터 러시는 누가 빨리 확보하느냐에 따라 독점할 수 있는 구조는 아니라는 점이다. 데이터는 독립적인 요소가 아니라 환경에 따라 인종에 따라 매우 다양해지기 때문에 상호 비교가 가능할 때 더 가치가 높아진다. 특히, 바이오 데이터에 대한 연구는 협력을 통해 더 소중한 의미를 찾아나갈 수 있다고 생각한다.
아인슈타인의 "문제를 발견하는 것은 그것을 해결하는 것보다 더 중요하다"라는 말과 같이 난제 해결 이전에 더 중요한 것이 난제를 발견하는 것이라고 생각한다. 우리는 지금까지 주어진 문제나 질문을 푸는 데에 익숙해왔다. 하지만 이제는 해답 찾기보다 질문 찾기에 더 무게 중심을 두어야 할 때이다. 그런 점에서 "난제 지도"란 과학기술적 상상력을 불러일으키는 질문을 체계적으로 찾고 거기에서 난제를 발견하고, 해결하는 과정, 또 그 결과를 잘 축적하여 관리할 수 있는 도구라고 말하고 싶다. 경계를 파악하기 힘든 우주, 새롭게 도달한 별에서 그 너머의 또 다른 별을 볼 수 있게 되는 것과 같이 난제의 발견과 해결을 통해 코스모스(Cosmos)의 질서와 조화를 이해할 수 있으리라 생각한다.
