"화성 다녀오면 15년 늙어"…바이오칩 우주에 보내 노화 연구

김덕호 존스홉킨스의대 교수

11일 서울 한국과학기술회관에서 만난 김덕호 미국 존스홉킨스의대 교수. 이채린 기자

"화성을 탐사하고 오면 뼈와 근육을 50% 이상 손실하고 생물학적으로 10~15년 이상 늙습니다. 이같은 노화속도 때문에 우주에 나가는 것을 꺼려하는 사람이 생길 수 있습니다. 머지 않아 더 많은 사람이 우주에 가게 되는 미래를 대비하기 위해 현재 우주에서의 노화 연구가 굉장히 활발합니다."

'제2회 세계 한인 과학기술인 대회' 참석을 위해 한국을 찾은 김덕호 미국 존스홉킨스의대 교수는 11일 서울 한국과학기술회관에서 진행한 인터뷰에서 이같이 말했다. 김 교수는 심장 바이오칩 및 미니 장기인 '오가노이드' 전문가다. 최근 우주에 관심을 갖게된 그는 우주 탐사가 더욱 활발해지면서 앞으로 우주비행사의 노화 및 질병 문제를 해결할 필요성이 커질 것이라고 진단했다. 나아가 이는 지구에 사는 수십억 명의 노화 연구 및 치료제 개발 초석이 된다. 

김 교수는 포스텍 기계공학부에서 학사, 서울대 기계항공공학부에서 석사학위를 마치고 한국과학기술연구원(KIST) 연구원을 거쳐 미국 존스홉킨스의대에서 의생명공학 박사 학위를 받았다.

2011년 미국 워싱턴대를 거쳐 현재 존스홉킨스의대 교수로 재직 중이다. 연구원 시절 김 교수는 사람의 줄기 세포와 나노공학을 기반으로 하는 인간 심장을 모사한 바이오칩을 개발했다. 바이오칩은 작은 기판 위에 DNA나 단백질을 배열시켜 동시에 많은 양의 단백질을 분석하고 유전자의 발현이나 결함 등을 식별하는 데에 이용되는 칩이다. 

김 교수는 수정란이나 난자를 사용하지 않고 피부 등 다 자란 체세포에 외래 유전자나 특정 단백질을 가해 줄기세포의 성질을 갖도록 유도한 세포인 '유도만능 줄기세포'를 이용해 심장 바이오칩을 만들었다. 실제 세포를 이용해 만들어져 신약의 효능과 안전성 평가에 활용할 수 있어 동물 실험을 대체할 차세대 기술로 주목 받았다.

이 연구로 미국 심장재단의 '젊은 과학자상', 미국 의생명공학협회 '신진 과학자상', 재미한인과학기술자협회(KSEA) '젊은 과학기술자상' 등을 수상했다. 2015년에는 벤처기업 '나노 서페이스 바이오메디컬(현 큐리바이오)'을 창업했다. 

그런 그가 최근 우주에 눈을 돌리고 있다. 2018년 미국 국립보건연구원(NIH)과 미국 항공우주국(NASA)이 2018년 시작한 ‘티슈 칩스 인 스페이스(Tissue Chips in Space)’ 프로젝트에 참여했다. 방사능, 미소중력 등 우주 환경에서 질병의 메커니즘과 잠재적 치료법의 효과를 더 잘 이해하기 위해 바이오칩을 우주에 띄워 연구하는 프로젝트다. 

국제우주정거장(ISS)은 지구 상공 약 400km에서 지구를 돌고 있는 '우주 실험실'이다. 1998년 건설이 시작된 이후 지구에서 할 수 없는 수많은 과학 실험을 수행하는 플랫폼 역할을 했다. NASA 제공

김 교수는 "지금까지 우주에 초파리, 마우스 같은 실험동물을 띄워 노화에 대해 실험했다"면서 "동물실험에서 효과가 있는 치료제 20개 중 1개 정도만 인간에게 효과가 있어 동물로 우주에서의 노화를 연구하기에 한계가 있다고 판단해 시작된 프로젝트다"라고 말했다.

김 교수가 개발한 심장 바이오칩은 2020년 3월, 2023년 3월 2차례에 걸쳐 스페이스X 로켓에 실려 국제우주정거장(ISS)에 도착했다. ISS 연구실에서 바이오칩은 연구됐다. 

김 교수는 "첫 번째 연구에서는 우주와 지상에 있는 심장 바이오칩을 비교 연구했고 두 번째 연구에서는 심장 바이오칩에 3가지 약물을 투여해 효과가 있는지 알아보는 실험을 했다"면서 "우주 환경을 재현한 '챔버'에 넣은 바이오칩과 실제 우주에 있는 바이오칩에서 모두 심장이 불규칙하게 뛰는 '부정맥'이 발생하는 등 같은 이상 증세가 나타나는 사실을 확인해 논문을 작성했다"고 말했다. 이 논문은 현재 국제 학술지 미국국립과학원회보(PNAS) 출판을 앞두고 있다. 앞으로 김 교수는 티슈 칩스 인 스페이스 3차 연구에도 도전할 예정이다. 

2020년 김 교수는 NASA로부터 우주방사선이 우주비행사에게 끼치는 영향을 조사하는 과제도 받아 수행하기 시작했다. 김 교수의 심장 바이오칩을 비롯해 뇌, 혈관 조직 등을 미국 브룩헤븐 국립연구소 우주방사선 실험실에서 우주방사선을 쬐어 변화를 살펴보는 연구였다.

그는 "재밌게도 우주방사선을 받은 바이오칩이 우주의 미소중력의 영향을 받은 것과 비슷한 증상이 나타난다"면서 "우주방사선과 미소중력의 영향을 둘다 최소화하는 치료제를 만들 수 있다는 단서"라고 전했다. 내년 가을에는 NASA와 함께 김 교수가 개발한 나노 기반 치료제를 ISS 바이오칩에 적용하고 효과를 알아보는 실험을 진행할 계획이다. 

기계공학과 출신인 김 교수가 오늘날 심장과 노화를 활발히 연구하게된 계기는 가족사와 관련이 있다. "대학교 4학년 때 심장마비로 아버지가 60대 중반에 돌아가셨습니다. 임종도 못 지켰어요. 이후 저도 모르게 심장에 대한 관심이 생겨 생명공학 공부에 매진했어요. 8년 전에는 어머니가 암으로 돌아가셨습니다. 노화를 늦추고 질병을 치료하는 신약 개발에 매진하는 계기가 됐어요. 앞으로 심장 오가나이드 기술을 더욱 발전시키고 노화를 연구하는 기업을 창업할 계획입니다." 

[이채린 기자 rini113@donga.com]