우주 한복판, 홀로 남겨진 우주선 안의 작은 실험실. 주인공 라일랜드 그레이스는 멸망 위기에 처한 지구를 구하기 위해 미지의 외계 단세포 생물 ‘아스트로파지’를 배양하며 고군분투합니다. 앤디 위어의 베스트셀러 소설이자 영화로도 개봉한 <프로젝트 헤일메리>의 한 장면입니다. 무중력에 가까운 우주 환경에서 현미경을 들여다보며, 미생물이 증식할 수 있는 최적의 온도와 영양분, 즉 '완벽한 배양 조건'을 찾아내기 위해 끊임없이 실험을 거듭하는 주인공의 모습은 깊은 인상을 남깁니다. 그런데 흥미롭게도, 이 SF 영화 속 이야기는 더 이상 상상 속의 전유물이 아닙니다. 영화와 다른 점이 있다면 우주선에서 키우는 것이 미지의 외계 생명체가 아니라, 바로 우리가 매일같이 다루고 연구하는 인간의 ‘세포(Cell)’라는 점입니다.

항공우주 기술과 생명과학이 만난 ‘우주 바이오(Space Biology)’는 이제 상상을 넘어 제약·바이오 업계의 가장 뜨거운 개척지가 되었습니다. 중력이 사라진 공간에서 세포들은 과연 어떤 기묘한 변화를 겪고 있을까요? 지구에서는 절대 풀지 못했던 생명의 수수께끼를 우주에서 해결하려는 과학자들의 흥미진진한 도전기를 소개합니다.

중력이 사라진 곳, 족쇄를 벗어 던진 세포들

지구상의 모든 생명체는 태어난 순간부터 단 한 번도 ‘1G’라는 지구 중력의 법칙을 벗어난 적이 없습니다. 우리가 실험실에서 세포를 키울 때도 마찬가지입니다. Petri dish(플라스틱 바닥)에 세포들이 납작하게 달라붙어 2차원 평면으로 자라는 것은 세포의 본래 성질이라기보다는, 지구 중력이 아래로 누르고 있기 때문에 생기는 현상입니다.

하지만 중력이 거의 존재하지 않는 마이크로 중력(Microgravity) 환경에 진입하면 세포들은 완전히 다른 세상을 만납니다. 바닥으로 가라앉지 않고 배양액 속에서 3차원(3D)으로 둥둥 떠다니며 사방으로 자유롭게 자라나기 시작합니다.

이것이 왜 혁명적일까요? 우리 몸속의 장기와 조직은 평면이 아닌 입체 구조입니다. 지구 실험실에서는 인위적인 지지체(Scaffold)를 대어주거나 특수한 가공을 해야 겨우 흉내만 낼 수 있었던 입체적인 세포 조직이, 우주에서는 중력이라는 족쇄가 풀리자마자 스스로 인간의 실제 장기와 놀랍도록 유사한 3차원 구조로 훌쩍 자라나는 것입니다. 과학자들은 이를 이용해 심장, 간, 뇌 등을 모사한 ‘오가노이드(미니 장기)’나 입체적인 암 조직을 우주에서 훨씬 더 정교하게 키워내고 있습니다.

세포의 생체 시계가 초고속으로 흐르는 '우주 타임머신'

우주 공간이 바이오 연구자들에게 매력적인 또 다른 이유는, 그곳이 일종의 ‘질병 및 노화 속성 코스’이기 때문입니다.

인간의 몸이 우주에 머물면 기묘한 변화가 일어납니다. 중력이 없어 근육을 쓸 일이 없다 보니 한 달 만에 근육량이 급격히 감소하고, 뼈에서는 칼슘이 빠져나가 골다공증 환자와 같은 상태가 됩니다. 면역 세포의 기능은 억제되고, 우주 방사선으로 인해 세포 내 DNA 손상이 가속화됩니다. 놀랍게도 이러한 변화는 지구에서 인간이 수십 년에 걸쳐 겪는 ‘노화’ 및 ‘퇴행성 질환’의 과정과 매우 흡사합니다. 우주에서는 이 모든 증상이 단 몇 주 만에 초고속으로 진행됩니다.

연구자들에게 이것은 엄청난 기회입니다. 지구에서 골다공증이나 근감소증 치료제를 개발하려면 환자를 수년 동안 추적 관찰해야 하지만, 우주 환경에서는 단 몇 주 만에 약물의 효능을 빠르게 스크리닝할 수 있습니다. 실제로 글로벌 제약사들은 우주정거장에 세포를 보내 근육 손실을 막는 항체 치료제나 골다공증 치료제 후보물질을 초고속으로 테스트하고 있습니다. 우주라는 극단적인 환경을 역으로 활용해 인류의 난치병을 치료할 단서를 찾는 셈입니다.

완벽한 순도의 단백질 결정을 찾아서

우주 바이오가 각광받는 또 하나의 핵심 분야는 ‘단백질 결정화(Protein Crystallization)’입니다. 신약을 개발할 때 가장 중요한 단계 중 하나는 질병을 일으키는 단백질의 3차원 구조를 정확히 파악하는 것입니다. 단백질 구조를 알아야 그 자리에 딱 맞아떨어지는 열쇠(치료제 자성 물질)를 설계할 수 있기 때문입니다.

구조를 보려면 단백질을 마치 소금처럼 단단한 ‘결정(Crystal)’ 상태로 만들어야 합니다. 하지만 지구에서는 대류 현상(뜨거운 것은 위로, 차가운 것은 아래로 움직이는 현상)과 침강 현상 때문에 단백질 분자들이 고르게 뭉치지 못하고 결함이 생기기 일쑤입니다.

반면 대류와 침강이 없는 우주에서는 단백질 분자들이 마치 정밀한 레고 블록처럼 흐트러짐 없이 차곡차곡 쌓입니다. 그 결과 지구에서는 결코 얻을 수 없는, 결함이 전혀 없는 ‘완벽한 순도의 고품질 단백질 결정’이 만들어집니다.

실제로 면역항암제 ‘키트루다’로 유명한 글로벌 제약사 머크(Merck)는 ISS에서 단백질 결정을 키우는 실험을 진행했습니다. 우주에서 정밀하게 키워낸 단백질 결정을 바탕으로, 기존에는 병원에서 몇 시간 동안 정맥 주사로 맞아야 했던 치료제를 집에서 간단히 살에 찌르는 피하 주사(SC) 형태로 바꾸는 제형 변경 연구에 성공하기도 했습니다. 우주에서의 배양 실험이 지구 상의 수많은 환자의 삶의 질을 바꾸는 실질적인 결과로 이어진 대표적인 사례입니다.

지구의 한계를 넘어 미래로 가는 바이오 플랫폼

지금까지의 바이오 연구가 ‘더 좋은 시약, 더 정교한 배양기, 더 완벽한 무균실’이라는 지구 내부의 환경 최적화에 머물렀다면, 미래의 바이오는 아예 지구라는 물리적 한계(중력) 자체를 지워버리는 방향으로 진화하고 있습니다.

이미 글로벌 바이오 테크 기업들은 우주정거장을 넘어, 세포 배양과 신약 실험만을 전문으로 수행하는 ‘무인 우주 바이오 공장’을 궤도에 쏘아 올리는 프로젝트를 가동하고 있습니다. 지구에서 쏘아 올린 세포 시약 캡슐이 우주 공간에서 스스로 3차원 조직으로 자라나고 신약 반응 테스트를 마친 뒤, 다시 지구로 툭 떨어져 연구원들의 품에 안기는 시대가 머지않은 것입니다.

언뜻 멀고 막연하게만 느껴졌던 우주. 하지만 그곳은 지금 지구 생명과학의 패러다임을 뒤흔드는 가장 순수하고 강력한 촉매제가 되었습니다. 중력의 경계를 넘어 우주에서 자라난 아주 작은 세포 하나가, 언젠가 인류의 무병장수를 이끌 거대한 열쇠가 되어 돌아올 그날을 기대해 봅니다.