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[Part II(6-10). 1880년 7월 3일 미국의 발명왕 토머스 에디슨이 창간한 유서깊은 과학전문지 美 사이언스지 2005년 7월 1일자 창간 125 주년 기념호에서, 인간이 풀지 못한 125개의 주요 문제(big questions) 중 앞으로 25년 안에 인간이 풀어 낼 ‘과학적 수수께끼 25개(25 Big Questions)' 선정, 이중 6-10번 문제 소개(The Top 25 Essays by our news staff on 25 big questions facing science over the next quarter-century(08/Aug/2005)]

드넓은 우주에서부터 미세한 세포에 이르기까지 인류의 호기심과 궁금증을 자극하는 수수께끼들은 도처에 널려 있다. 그러나 인류탄생 이래 과학은 꾸준히 발전해왔지만, 우주의 신비를 벗겨내는 걸음은 느리기만 하다. 1880년 7월 3일 미국의 발명왕 토머스 에디슨이 창간한 유서깊은 과학전문지 ‘사이언스(Science)’는 2005년 7월 1일 발간된 창간 125주년 기념호에서 ‘인류가 여전히 풀지 못한 수수께끼 125개’를 선정하여 이중 앞으로 25년 안에 인간이 풀어 낼 '과학적 수수께끼 25개(25 Big Questions)' 선정, 제시했다. 사이언스는 “이 수수께끼들은 과학이 얼마나 진전을 이뤘는지 보여주는 동시에 미래의 발견에 대한 동력이 되고 있다.”면서 “25년 안에 풀어낼 가능성이 있거나 그 해법에 대한 접근법을 제시할 수 있을 것”이라고 내다봤다. 오늘은 이 주요 내용을 살펴보는데 그간 배운 제 지식과 경험으로 이에 대한 답도 제시해보고자 한다. 어떤 것은 종교철학으로 접근하겠지만...물론 얼마나 맞을 지 모르겠지만...

이번 2005년 7월 1일자 사이언스지는 [Vol 309, Issue 5731] 호로 75페이지에서 102페이지에 걸쳐 25개의 Big Questions을 제시하고 있는데 이는 무료로 일반에게 공개되고 있다. 한번 들어가서 본 내용을 확인해보라. 이 25가지의 수수께끼를 푸는 사람들은 바로 노벨상 후보가 되기 때문이다. 총 Part I-V까지 5개씩 소개하고자 한다. 기대하시라!!!
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[목차]

[Part I]
 

[Part II]
 

[Part III]
 

[Part IV]
 

[Part V]
 

6. 인간 수명은 어디까지 연장할 수 있는가?(How Much Can Human Life Span Be Extended?)

이스트에서 쥐까지 수명을 연장 시킬 수 있다는 사실과 인간의 예상수명 트렌드 통계 등을 보면 과학자들은 인간의 수명을 100년 또는 110년으로 연장할 수 있을 것이라는 한줄기 희망을 확신하고 있다. 그러나 다른 과학자들은 인간의 수명을 연장하는 것은 극도로 제한될 것이라 말을 한다(Life-span extension in species from yeast to mice and extrapolation(보외법, 외삽법) from life expectancy trends in humans have convinced a swath of scientists that humans will routinely coast beyond 100 or 110 years of age. Others say human life span may be far more limited). 인간의 수명은 정말 120을 넘을 수 있을 것인가?

[그림 : Science - CREDIT: GETTY IMAGES.]

[차원용 소장 의견 1] 텔로미어(Telomere)와 텔로머라제(telomerase)란 무엇인가? 왜 인간은 120세를 넘지 못하고 죽는가?

세포는 영원히 살지 못하며 언젠가는 죽어야 할 운명이다. 1961년 미국의 노화 연구자인 레오나드 헤이플릭(Leonard Hayflick, 1928-) 박사는 생물이나 장기 등에 따라 세포의 분열 횟수가 정해져 있으며, 그 후에는 세포가 노화하여 죽는다는 사실을 발견했다. 헤이플릭 박사는 먼저 태아의 조직에서 세포를 떼어내서 분열시켜 봤는데, 100번 정도 분열하더니 그냥 분열이 멈추고 세포들이 축 늘어져 버렸으며, 다음엔 70세 노인에게서 세포를 떼어내서 분열시켜 봤는데, 이번엔 20-30번 정도 분열하고 나서 노화가 되는 사실을 발견했던 것이다. 전문가들은 이를 ‘헤이플릭 리미트(Hayflick Limit)’라고 부른다. 헤이플릭 박사에 따르면 고양이의 세포 분열은 8회, 말은 20회, 인간 세포의 반복분열 횟수는 60회라고 한다. 이것을 계산했을 때 인간은 능히 120세는 살 수 있는 수명이다.

일반세포의 평균 생명주기(또는 세포주기, Lifespan, Lifecycle)는 2년이다. 단, 머리카락 세포주기는 5년이다. 다음 사이트에서 머리카락의 비밀을 참조하라. 따라서 인간의 나이는 60회 x 2년 = 120세가 한계이다. 아직까지 120을 넘은 사람이 없다. 이 원인을 풀어내면 노벨의학상이다. 이 노벨상에 도전하는 한국의 과학자들은 차후 뉴런(Neuron)단에서 소개할 예정이다. 물론 2005년 3월 4일 브라질 상파울루 시에 거주하는 <마리아 올리비아 다 실바> 할머니가 최근 125번째 생일을 맞았으며, 브라질 뿐 아니라 세계에서 가장 오래 살고 있는 여성일 것이라고 기네스북 기록을 담당하는 기구인 랭크 브라질의 이올레테 카다리 소장이 말했다는 브라질 언론보도가 있지만, 아직 공식적인 발표는 아니며 출생일인 1880년 2월 28일을 확인중이다. 지금까지 기네스북에 기록된 세계 최장수 여성은 네덜란드의 헨드리케 반 안델-시퍼로 2005년 7월 현재 115세까지 살고 계신다. 국내 최고령 할머니인 최애기 할머니는 1895년 2월 18일 출생하여 정확히 109년 11개월 8일 살다가 2005년 1월 25일 새벽에 돌아가셨다. 서울대 의대 체력과학노화연구소의 박상철 교수팀은 주민등록상 전국의 100세 이상 노인 1천653명을 대상으로 실제 나이를 확인한 결과 전국을 통틀어 최 할머니가 최고령자로 확인됐다고 2004년 10월 발표한 바 있다. 한편 최장수 기록으로 기네스북에 올라 있는 사람은 지난 1997년 사망한 프랑스의 잔-루이 칼망(Jeanne Calment) 할머니로 당시 나이는 122세였다. 문제는 이 칼망 할머니가 어떻게 120을 넘겼는가이다.

[차원용 소장 의견 2] 120세를 넘지 못하는 이유는 바로 절대자가 인간의 수명을 120으로 정했다는 창세기(Genesis) 제 6장 3절에 “여호와께서 가라사대 나의 영혼이 영원히 사람과 함께하지 아니하리니 이는 그들은 죽을 운명이라 그러므로 그들의 날은 일백이십년이 되리라 하시니라(Then the LORD said, “My Spirit will not contend with man forever, for he is mortal: his days will be a hundred and twenty years.”)라고 말씀하신 것으로, 이를 과학적으로 풀어보면 헤이플릭 박사 이후로 발견된 것이 텔로미어(telomere) 인데, 이는 세포의 분열 횟수를 정하는 것으로 DNA 염기배열 끝에 있다는 게 밝혀졌고, 그 염기배열이 없어지면 분열도 끝난다는 사실도 밝혀졌다. 이것은 염색체 끝부분의 핵산 서열인데, 세포가 분열할 때 마다 조금씩 크기가 줄어들어서 다 없어지고 나중엔 작은 매듭만 남게 되는데, 즉 노화점(SenescencePoint)에 이르게 되는데, 이때 세포가 복제(세포분열)를 멈추게 된다. 결국 이때가 되면 세포가 노화되어 죽게 되는 것이다. 그래서 이것이 노화나 수명을 결정하는 유력한 용의자가 된 것이었다.

재미있는 것은 생식세포와 암세포는 텔로미어가 줄어들지 않는다는 것이다. 결국 무제한 증식이 가능하다. 특히 암세포에 대한 연구가 많이 진행되었는데, 암세포가 분열할 때 마다 텔로미어가 DNA에 계속 첨가되어 암세포의 무한증식이 가능한 것이다. 이런 암세포의 무한증식을 가능하게 하는 것은 텔로머라제(telomerase)라는 효소인데 사람의 난자를 만드는 전구세포, 혈액세포를 만드는 조혈모 간세포, 그리고 거의 95%에 이르는 대부분의 암세포에서 발견되고 있다. 암세포에서는 텔로머라제가 텔로미어를 노화점 아래로 짧아지지 않도록 보호한다. 그래서 암세포는 늙지 않고 계속 세포분열을 하며 다른 장기로 확산되는 것이다. 이 텔로머라제를 억제하는 유전자를 발견하던가 새로운 효소, 단백질, 신약을 개발하면 모든 암세포를 죽일 수 있는 것이다. 이에 대한 사례는 차후 다시 소개하기로 한다. 분명 그런 날이 올 것이다.

[차원용 소장 의견 3] 죽기만 하는 가장 강력한 컴퓨팅인 뉴런(신경세포, Neuron). 뉴런의 메커니즘을 밝히면 영생이고 노벨상이다.

666조 개로 추정되는 세포들 중 다른 모든 세포들은 분열(Division)과 사멸(Death)이 반복되지만 오로지 뉴런 세포들은 어머니 자궁(Matrix) 에서 나오는 순간부터 사멸만 있다. 그래서 인간은 죽을 수 밖에 없으며 앞서 말한 대로 인간의 최대 수명은 120세가 한계라 했다.

그러나 과학자들은 이에 대한 다양한 솔루션을 찾고 있다. 뇌에 새로운 뉴런 세포를 이식하거나 뉴런 기능의 칩을 이식하는 기술을 개발하고 있다. 다른 과학자들은 이제 우리가 계속해서 배우고 마음이나 정신을 잘 훈련하고 활용한다면 살아가는 내내 신경 세포의 수를 늘려갈 수 있을 것이라 확신하고 그 답을 찾고 있다. 또한 한국의 고려대학 선웅 교수팀이 2004년 12월에 <신경세포의 사멸기전>에 대한 논문을 발표한바 있다. 신경세포가 왜 죽기만 하는지 그 유전자인 백스(Bax)를 찾아낸 것이다. 이 유전자만 조절하면 인간은 영생을 할 수 있다? 이들은 미래의 노벨상 후보자들이다.

[참고]

[사람 생각 인지하는 두뇌 칩 장착 성공. 사람의 생각(man's thoughts)을 읽을 수 있는 두뇌 칩(brain chip)이 최초로 미국의 한 신경마비 남자(a paralysed man)에게 장착되어 그 남자의 마음(his mind)을 읽을 수 있는 두뇌 칩(brain chip)의 혜택을 받고 있다고 영국 BBC방송 인터넷판이 2005년 3월 31일 보도하고 있고, 2005년 3월 30일 대만 언론 매체들에 따르면 중산(中山) 의대 뇌신경외과에서 전자칩 이식 수술을 통한 전류자극 치료로 지난 1년간 식물인간 6명이 의식을 되찾았다는 보도, 신경망과 신경세포를 움직일 수 있는 두뇌 칩에 도전, 언젠가는 666조의 세포와 666,000 개의 유전자를 콘트롤하는 666 칩의 시대로 진입(Brain chip reads man's thoughts. A paralysed man in the US has become the first person to benefit from a brain chip that reads his mind(11/Apr/2005)]
[고려대 의대 김현, 선웅 교수 - 과기부 <21세기 프론티어연구개발사업>인 <뇌신경생물학사업단> 및 <뇌기능활용 및 뇌질환치료 기술개발사업단> 연구과제를 통해 신경줄기세포에서 분열-분화-증식한 신경세포의 사멸(死滅)원인 규명, 신경세포 사멸(死滅)에 백스(Bax)유전자가 결정적인 역할을 하고 있음을 세계 최초로 밝혀, 미신경과학회지(Journal of Neuroscience) 2004년 12월 8일에 실려, 노벨 의학상에 맞먹는 연구결과, 이 유전자만 콘트롤 하면 줄기세포를 이용한 뇌질환 치료 응용 가능성 제시, 정상 성인의 뇌 속에서 유래된 해마(기억)용 신경세포의 사멸 프로그램은 사전적 사멸 유전자 백스에 의해 조절(Programmed Cell Death of Adult-Generated Hippocampal Neurons Is Mediated by the Proapoptotic Gene Bax)(14/Jan/2005)]

[차원용 소장 의견 4] 곤충이나 벌레들은 인슐린 수용체의 활동을 줄임으로써 수명을 두 배로 늘려 6주까지 살고 있다. 한국 연세대학의 백융기/정말길 교수팀은 수명 10배 연장 생체 페르몬(Pheromone)인 선충(Caenorhabditis elegans, 線蟲)의 다우몬(Daumone) 첫 발견하여 2005년 2월 3일자 네이처지에 보고 하였다. 또한 미국 워싱턴 대학 및 프레드 허친슨 암 연구센터(Fred Hutchinson Cancer Research Center)는 쥐 인공 동면에 성공(Mice put in 'suspended animation') 함으로써 인간의 수명을 연장할 수 있는 발판을 놓았다. 미국의 국방성은 5일 동안 먹지 않고 전쟁을 수행 할 수 있는 "신진대사를 지배하라(Metabolic Dominance Program)"는 프로젝트를 추진중이다.

이밖에 과학자들은 (1) 칼로리 열량을 제한하는 방법(Calorie restriction), (2) 인슐린 성장 요인 단백질인 IGF-1을 줄이는 방법(Reducing levels of insulinlike growth factor 1(IGF-1), (3) 몸 안의 조직에 심각한 손상을 일으키는 산화의 방지(Preventing oxidative damage to the body's issues) 등을 연구하고 있다.

[참고]

[수명 10배 연장 생체 페르몬(Pheromone)인 선충(Caenorhabditis elegans, 線蟲)의 다우몬(Daumone) 첫 발견, 연세대 백융기·정만길 교수팀, 선충 대상 연구결과 네이처 2005년 2월 3일자에 게재, 이 다우몬의 기능을 다른 동물에 적용할 경우 수명연장을 유도하는 노화조절제 및 비만치료제 등으로 개발이 가능할 것으로 기대, 선충과 같은 종류인 소나무 재선충을 계속 휴면상태로 유지시키는 신개념의 살충제도 개발 중이며, 난치병 환자를 치료제가 개발될 때까지 휴면상태에 빠지게 해 수명을 연장시키는 것이 최종 목표, 선충이 분비하는 페르몬의 화학 구조 및 생물학적 활동에 관한 연구(Chemical structure and biological activity of the Caenorhabditis elegans dauer-inducing pheromone(18/Feb/2005)]
[쥐 인공 동면에 성공(Mice put in 'suspended animation'). 미국 워싱턴 대학 및 프레드 허친슨 암 연구센터(Fred Hutchinson Cancer Research Center), 황화수소(hydrogen sulphide(H2S) 이용 쥐 인공 동면에 성공, 5년 내 인간대상 실험, 사람을 인공 동면에 빠뜨린 후 암 치료나 장기이식, 외과수술 등에 효과적, 정상세포 동면 후 癌세포만 공격 치료할 수도, 2005년 4월 22일자의 사이언스(Science) 지에 실려, SF 영화 ‘2001 스페이스 오디세이’나 ‘에일리언’에서 나온 장면처럼, 장기간의 우주비행 동안 우주인들을 동면시키는 방법도 가능(H2S Induces a Suspended Animation - Like State in Mice(11/Jul/2005)]
[미국 첨단국방과학연구소(DAPRA)의 라이언 일병 구하기가 아닌 병사들이 스스로 상처를 고치는(Self-Healing) "전쟁터에서의 영속성(Persistence in Combat)" 프로그램, 몸의 조직기관을 복합칩(SOC)에 넣어 군번에 이식하여 홀로머(Holomer)를 통해 보다 빠른 진단/치료가 가능케하는 "버추얼 병사(Virtual Soldier) 프로그램, 병사들이 먹지 않고 5일간 전쟁터에서 싸울 수 있는 "신진대사를 지배하라(Metabolic Dominance)" 프로그램 연구개발 착수, 2013년이면 버추얼 병사 탄생(DARPA Offers Self-Healing Systems From Pain By Soldiers as Persistence in Combat Program, Offers Soldiers' Body/Anatomy Into One Chip as Virtual Soldiers Program, and Offers No Food System for Soldiers for 5 Days in Combat as Metabolic Dominance Program(02/Mar/2004)]

[차원용 소장 의견 5] 오늘날 선진국에서는 10,000 명중 1명 꼴로 100살(centenarian)을 유지한다. 통계청의 자료에 따르면 2002년 한국인 남자들의 평균 수명은 73.4세이고, 여자는 80.4세로 평균수명은 전체 77.0세이다. 2005년 7월 23일 일본 정부는 2004년의 일본 여성들의 평균수명이 85.59세로 세계에서 가장 수명이 긴 삶을 살고 있다고 밝혔다. 분명 2050년 경이 되면 인간의 평균 수명은 120세에 도달 할 것이다. 그러다가 태양계의 모든 에너지와 파장을 밝히는 날 인간은 300살에 도전하게 될 것이고 은하계에 도달하면 600살, 그리고 절대자게 계시는 대우주에 도달하면 창세기 때의 수명과 같은 900살에 도전하게 될 것이다. 물론 그 이후 아예 영원히 죽지 않는 영생을 사는 불사인에도 도전하게 될 것이다.

문제는 공평성(fairness)에 있을 것이다. 돈이 많은 사람들은 가난한 사람들보다 더 오래 살 것 임엔 틀림이 없다. 돈이 많은 사람들은 이 문제가 많은 지구를 제일 먼저 떠나 은하계에 먼저 도달하여 더욱 오래 살게 될 것이다. 이를 어떻게 설명해야 하는가? 마태복음(matthew) 25장 14절-30절에 나오는 예수님의 달란트의 비유(The Parable of the Talents)가 이 것을 의미하는 것일까? 무릇 있는 자는 받아 풍족하게 되고 없는 자는 그 있는 것까지 빼앗기리라(For everyone who has will be given more, and he will have an abundance. Whoever does not have, even what he has will be taken from him).

[참고]

[한경-호주의 과학자 - “2020년부터는 평균수명 120세” 주장(09/Nov/2004)]
[통계청 - 2002년 생명표 작성결과 현재 평균수명은 전체 77.0세, 남자 73.4세, 여자 80.4세임(20/Dec/2004)]
[세계일보-"20년 후 인간 永生 가능" 美과학자 주장(14/Feb/2005)]
[조선일보-캐나다 오타와 심장연구소장 봅 로버츠 박사, 2050년 인간 평균수명 150살 가능(29/Jan/2005)]
[중앙일보-미국 텍사스대 건강과학센터, "당대 인간 수명 150세 된다"(25/Oct/2004)]
[조선일보-일본 여성들의 평균 수명이 85.59년으로 20년 연속 세계 최고를 기록했다고 일본 정부가 22일 밝혀(23/Jul/2005)]

7. 기관/조직 재생을 통제하는 것은 무엇인가?(What Controls Organ Regeneration?)

재생의학 - 기관이나 조직을 재구성하는 의학 - 은 20세기의 항생제 발견과 맘먹는 21세기 의학의 크나큰 도전이다. 하지만 재생의학에 도전하기 전에 과학자들은 재생을 콘트롤(통제)하는 시그널(신호)을 반드시 이해해야 한다. 누가 신호를 보내고 누가 재생을 통제하는 것인가?(Regenerative medicine--rebuilding organs and tissues--could conceivably be the 21st century equivalent of antibiotics in the 20th. Before that can happen, researchers must understand the signals that control regeneration).

자동차와는 달리 우리 인간들은 부모님이 주신 오리지널 신체발부(original parts)를 갖고 대부분의 일생을 잘 영위한다. 그러나 기관들(organs)들은 종종 실패(fail)하여 자동차 같이 엔진을 간다든지 워터 펌프를 교체하려 정비소에 갈 수 없다. 옛날의 의학은 주로 수명을 단축시키는 전염병(infection)과 씨름하였으나 지금은 만성병(chronic illnesses)이나 악화되는 기관(deteriorating organs)들이 인간의 건강을 위협하는 가장 커다란 주제가 되었다. 따라서 21세기는 재생의학(regenerative medicine)이 20세기의 항생제 발견과 맘먹는 커다란 의학의 도전이 된 셈이다.

따라서 과학자들은 몸 부분들이 스스로 고칠 수 있는지(how body parts replenish themselves) 수세기 동안 씨름하여왔다.1700 년 중반에 예를 들면 스위스의 과학자인 Abraham Trembley는 깨끗한 물 속에 사는 촉각(촉수)을 가진 튜브같이 생긴(tubelike creatures) 원시적인 강장동물인 히드라(hydra)를 얇은 조각으로 쪼개면 이들은 다시 자라 완벽한 새로운 유기체(complete, new organisms)가 됨을 발견하였다. 이 당시의 다른 과학자들은 불도마뱀(salamander)은 심각하게 손상된 꼬리를 스스로 대체할 수 있는 능력(ability to replace a severed tail)을 갖고 있는지 연구하기도 했다. 한 세기 뒤인 1800년 경에 Thomas Hunt Morgan은 플라나리아(와충, planaria)와 편충(flatworms)들을 조사했는데 이들은 279 비트(bits)로 쪼개도 재생될 수 있음을 발견하였다. 하지만 그는 재생은 다루기 힘든 문제라고 결론짓고 플라나리아를 포기하고 초파리를 연구하기 시작했다(But he decided that regeneration was an intractable problem and forsook planaria in favor of fruit flies).

하지만 Morgan은 생물학의 주요 흐름을 바꾸어 놓았다. 동물이나 이들 곤충을 이용한 유전학적이고 배아적 개발(genetic and embryonic development)에 불을 당겼다. 몇몇 과학자들은 이미 재생의학 분야의 슈퍼스타로 등장하기 시작했으며 이들은 이러한 유기체의 유전자를 연구하기 위한 혁신적인 전략들을 고안해내기 시작했다. 이 새로운 재생 모델(new regeneration models)들은 바로 제브라피쉬(줄무늬가 있는 열대어, zebrafish) 및 특별한 쥐 종류 등을 이용하여 재생의 원천(힘, forces) 및 왜 재생이 불가능한지 그 이유를 밝히기 시작했다.

지금까지 연구한 이들 동물들의 기관재생에 대한 3가지 주요 전략을 보면 다음과 같다.

(1) 첫째, 일반적으로 세포분열을 하지 않는 활동 중인 기관 세포들(working organ cells)들은 대량으로 분열 증식 성장하여 손상된 조직을 대체한다는 것이다. 예를 들면 불도마뱀이 손상된 심장을 고치는 경우이다(First, working organ cells that normally don't divide can multiply and grow to replenish lost tissue, as occurs in injured salamander hearts).
(2) 둘째, 특별한 세포들은 그들이 학습하고 배운 모든 프로세스들, 즉 차별화로 알려진 프로세스를 원 상태로 되돌릴 수 있다는 것이다. 그만큼 원하는 대로 융통성 있는 형태가 될 수 있고 손상되거나 손실된 부분을 재구성하는데 재차별화가 가능하다는 것이다. 예를 들면 불도마뱀이나 영원(newts) 등은 크게 손상된 손발(limb)들을 이와 같은 프로세스로 고치고 재구축한다. 제브라피쉬도 이와 같은 방법으로 잘려나간 지느러미를 고친다(Second, specialized cells can undo their training--a process known as dedifferentiation--and assume a more pliable form that can replicate and later respecialize to reconstruct a missing part. Salamanders and newts take this approach to heal and rebuild a severed limb, as do zebrafish to mend clipped fins).
(3) 셋째, 줄기세포들이 원하는 리노베이션을 수행하기 위해 투입된다는 것이다. 플라나리아의 경우 스스로를 재구성할 때 이러한 줄기세포를 이용한다(Finally, pools of stem cells can step in to perform required renovations. Planaria tap into this resource when reconstructing themselves).

[그림 : 스스로-고치기. 도마뱀의 일종인 영원은 심각하게 손상된 손발을 고치기 위해 그들의 세포들을 재프로그램한다(Self-repair. Newts reprogram their cells to reconstruct a severed limb). Science - CREDIT: J. P. BROCKES AND A. KUMAR, NATURE REVIEWS MOLECULAR CELL BIOLOGY 3, 566 (2002)]

이들 동물들의 메커니즘에 인간도 어느 정도 적용가능성이 연구되어지고 있는데, 예를 들면, 간장의 일부분을 제거하는 수술을 하고 나면(after surgical removal of part of a liver), 고치라는 신호(시그널)가 나머지 남은 간장 세포들에게 명령을 하여 분열과 성장을 거쳐 간장을 처음 오리지널 크기로 확장시킨다는 것이 밝혀진 것이다(healing signals tell remaining liver cells to resume growth and division to expand the organ back to its original size). 따라서 연구원들은 이들 메커니즘을 잘 유도하면 몇몇 인간의 세포들로 하여금 발생기 세포로 전환시킬 수 있음도 밝혀낸 것이다(Researchers have found that when properly enticed, some types of specialized human cells can revert to a more nascent state). 이게 성공하면 줄기세포들이 우리의 피, 피부, 뼈들을 대체할 수 있을 것이다(And stem cells help replenish our blood, skin, and bones).

문제는 유전학적 프로세스이다. 불도마뱀이나 플라나리아 등은 유전학적 메커니즘에 불을 지 피움으로써(rekindling genetic mechanisms) 이들 유전학적 프로세스들이 배아 성장 동안(embryonic development)에 몸의 구조를 패터닝하여(patterning of body structures) 결국 조직들을 재생시킨다. 똑 같은 방법을 인간에게 적용하면 우리 몸의 일 부분을 배아(embryos)로 만들 수 있다. 그러나 인간은 그 동안 진화과정에서 성인(adults)으로 되면서 이와 같은 배아로 재생되는 능력을 잃어버렸을 가능성이 크다. 그 이유는 재생시에 세포분열이 필요한데 이때 암세포의 출현 가능성을 고취시킬 수 있기 때문이었는지도 모른다. 그 대신 그러한 원초적인 능력이 상처를 고치는 능력으로 진화되면서 외부로부터의 전염예방능력으로 진화된 것이 아닌가 보는 것이다.

이와 같은 인간과 동물들의 재생의 신비를 푼다는 것은 인간과 동물간의 상처-고침 프로세스(wound-healing process)가 어떻게 차이가 나는지 그 메커니즘을 이해하는데 전적으로 달려있다. 이 차이는 아주 교묘할 수도 있다. 예를 들면 연구원들은 쥐의 특정 유전자들이 몇 주 동안 귀 구멍(ear holes)을 막고 있다(seals up)는 것을 발견했는데, 반면 다른 유전자들은 그렇지 않았던 것이다. 따라서 몇 개의 유전자만 가지고도 이와 같이 슈퍼힐러(superhealers)를 만들 수 있을지도 모른다. 하지만 설사 인간에 적용하는 것이 성공을 한다 해도 새로운 질문이 그 앞을 가로 막고 있다.

* 무엇이 재생세포들로 하여금 미쳐 날뛰게 하지 못하게 하는 것일까?(What keeps regenerating cells from running amok?).
* 무엇이 재생세포들로 하여금 자라서 정확한 크기와 모양을 결정하게 하고, 정확한 장소와 방향에 맞도록 결정하는 것일까?(And what ensures that regenerated parts are the right size and shape, and in the right place and orientation?).

[참고] 미국의 IBM은 2001년 10월 15일 인간의 자율신경망시스템(ANS) 메커니즘을 언젠가 풀어 이를 서버나 시스템에 컨버전스 시키고자
자율컴퓨팅(Autonomic computing) 프로젝트를 추진하고 있다. 그런데 이 인간의 자율신경망시스템은 2040-2050년 경이나 가야 밝혀지기 때문에 먼저 생체모방학(Biomimetics) 기술에 의한 도마뱀의 4가지 비밀 - (1) 파충류는 모두 몰살당했는데 도마뱀만 오늘날 살아 남은 이유, 화산과 빙하시대를 어떻게 극복했는가? (2) 도마뱀은 앞서 설명했듯이 손발이 다치거나 잘려나가면 24시간 안에 복구되는 이유는? (3) 도마뱀이 천정을 기다가 서면 떨어지지 않고 천정에 붙어 있는 이유는? (4) 도마뱀이 물 위를 날라 가듯 미끄러져 강을 건너는 이유? 등 4가지의 비밀을 대학과 연계하여 2002년 8월에 풀어내고 도마뱀이 갖고 있는 4가지의 능력인 (1) 스스로 구성하기(Self-configuring), (2) 스스로 고치기(Self-healing), (3) 스스로 최적화하기(Self-optimizing), (4) 스스로 보호하기(Self-protecting) 메커니즘을 서버에 적용한 eLiza(e-lizard 의 준말)를 2005년 개발하여 시판 예정이다.

[도마뱀의 비밀]

[발톱도 없이 천장 기는 도마뱀(Lizard) 비장의 힘은 미세한 분자 털, 도마뱀같은 자율컴퓨팅의 구축(29/Aug/2002)]
[나노기술의 이중성 활용 신기술(제품) 개발, (1) 나노단위로 작아지면 어떤 물질도 나노바늘(Nano Needle)에 붙지 않고 미끄러져, 잠수함 더 빠르게, 방수용 옷 개발, 대용량 연료를 나노 배관으로 손쉽게 수송, (2) 나노단위로 작아지면 반데왈스 결합(Van der Waals Bond) 법칙으로 나노털(Nano Hairs)들은 같은 크기의 분자나 원자를 끌어당겨, 도마뱀이 천정에 붙어 있을 수 있어, 이 같은 나노털을 활용한 접착제 개발, 벽을 타는 로봇 개발, 우주복 개발 및 스파이더 맨 개발(04/Nov/2003)]

8. 피부 세포를 신경세포로 전환 할 수 있는 현대판 연금술의 비결은 무엇인가?(How Can a Skin Cell Become a Nerve Cell?)

과학자들은 무엇이 상호작용하여 세포들을 가이드 안내하고 최종 목표로 성장케 하는지 이제 막 이해하기 시작했다. 어떻게 33,300 여 개의 유전자가 상호 협력하여 조직을 만드는지? 어떻게 적당한 유전자들을 골라 미성숙 세포의 성장을 가이드 하는지? 과학자들은 앞으로 수십 년간 이를 이해하는데 바쁘게 될 것이다(Scientists are just beginning to understand how cues interact to guide a cell toward its final destiny. Understanding how the roughly 33,300 human genes work together to form tissues--and tweaking the right ones to guide an immature cell's development--will keep researchers occupied for decades).

중세 연금술사(Medieval alchemists)들이 비금속을 금으로 만들기 위해 조합한 가상적 약액인 연금약액(an elixir)을 찾아 나선 것과 같이 현대판 생물학 연금술사(biology's modern alchemists)들은 난모세포(oocytes)를 이용하여 정상적인 피부 세포(normal skin cells)를 만들고 다시 이를 가치있는 줄기 세포(valuable stem cells)로 전환하여 최종적으로 완벽한 동물들을 만드는 방법을 배우고 있다. 예를 들어 과학자들은 가축(cattle), 고양이(cats), 쥐(mice), 양(sheep), 염소(goats), 돼지(pigs) 등을 생산할 수 있는 핵 전이(nuclear transfer) 기술을 발견하였는데, 2005년 5월 20일 한국의 황우석 교수팀은 핵 전이를 통해 인간의 배아줄기세포(human embryonic stem (ES) cells) 복제에 성공하기도 했다. 이들은 이들 배아줄기세포를 그 전에는 치료할 수 없는 다양한 병의 치료에 사용하기를 희망하고 있다.

그러나 중세 연금술사들처럼 오늘날의 복제나 줄기 세포 생물학자들은 아직 완벽하게 이해하지 못하고 있는 프로세스들로 주로 연구 작업을 하고 있다(today's cloning and stem cell biologists are working largely with processes they don't fully understand). 예를 들어 실제로 핵을 전이 시켰을 때(체세포의 핵을 난모/난자 세포에 치환 이식 했을 때) 난모 세포 안에서 무엇이 일어나고 있는지? 난모 세포 안에서 핵을 어떻게 재프로그램(reprogram the nucleus) 하는지 이 것은 아직도 미스터리인 것이다. 따라서 수정 난자(fertilized egg)가 어떻게 다양한 세포(multiple cell types)로 분할되어 하나의 생명체인 아기를 만드는지 그 성장의 자연적 프로그램을 배워야 세포들의 차별화를 주도할 수 있는 것이다. 또한 이 때 어떤 유전자들이 작용하고 있는지? 어떤 협력을 하고 있는지? 누가 명령을 하고 있는지 그 유전자적 메커니즘을 배워야 한다.

과학자들은 지난 반 세기동안 난모세포의 재프로그램 파워(reprogramming powers of the oocyte)에 관해 연구해왔다. 1957년 성장연구 생물학자들은 최초로 성인 개구리 세포의 핵을 개구리의 난자에 삽입하는데(insert) 성공하여 유전자적으로 비슷한 수십 마리의 올챙이들을 생산해냈다. 그러나 그로부터 50년이 지난 지금 아직도 난모 세포는 비밀에 가려져 있다.

이 답은 세포 생물학 속에 깊이 숨겨져 있다(The answers lie deep in cell biology). 어떤 면에서 과학자들은 성장을 콘트롤 하는 유전자가 일반적으로 성인 세포에서는 꺼져 있다가 다시 난모 세포에 의해 켜진다는 사실이다(Somehow, scientists know, the genes that control development--generally turned off in adult cells--get turned back on again by the oocyte). 그러므로 새로운 수정란의 젊은 가능성을 이어 받아 작동하게 되는 것이다. 하지만 과학자들은 정상 세포내에서의 이와 같은 꺼지고 켜지는 스위치(on-and-off switches) 작동에 관해 아는 바가 거의 없다. 그저 핵을 전이 했을 때 스위치가 켜져 작동된다는 사실만 알고 있을 뿐이다.

세포가 차별화되면, 즉 자기의 목표가 달성되면, 유전자(DNA)는 아주 타이트하게 패킹되어 더이상 필요하지 않게 된다. 왜냐하면 유전자는 정보이고 프로그램이기 때문이다. 그래서 차별화가 달성되면 유전자들은 발현(express) 되지 않고 차단(blocked)되는 것이다. 이 때 유전자들은 히스톤(histones)이라는 단순 단백질의 일종에 보자기처럼 포장되고 유전자들은 단백질 생산 기계(proteinmaking machinery)의 작동을 멈추게 하는 메틸 그룹(methyl groups)에 기록된다. 그런데 체세포의 핵을 난자 세포에 치환이식하면 이들 메틸 그룹들을 제거하는 효소들이(enzymes) 등장한다는 것이다. 이 기록을 제거하면 다시 초기 상태로 전환되어 작동한다는 사실이다. 그러나 이것으로 모든게 다 해결되는 것은 아니다. 만약 과학자들이 난모세포의 비밀을 푼다면, 난모 세포를 이용하지 않고 그 비밀을 복제만 할 수 있다면 한 달에 하나 생산되는 난자 세포 기증의 어려움도 해결할 수 있고 난자를 이용한다는 윤리적 문제(ethical questions)를 피할 수 있는 것이다.

그래서 황우석교수님이나 과학자들은 난자 세포없는, 아예 세포 없는(cell-free bath) 껍데기 세포를 이용하여 이미 차별화된-성숙된 세포들을 초기로 돌려 보낼 수 있는 기술을 연구하고 있는데 이게 성공하면 그 파장은 엄청난 것이 될 것이다. 그러면 환자들로부터 체세포를 껍데기 세포(인공 세포)에 치환이식하면 줄기세포가 조직세포로 성장하여 병든 세포들을 모두 치료하게 될 것이다.

그러나 문제는 그러한 세포 없는 연금술이 가능할까? 난자의 구조는, 단백질을 구성하고 있는 뼈대는 세포분열시 23개의 염색체를 콘트롤 한다. 즉, 필요한 유전자를 부르는 것이다. 그래서 만약 과학자들이 성공을 한다해도 세포의 시간을 되돌린다는 것은 불가능하지도 모른다. 몇몇 과학자들은 줄기세포에서 신경세포를 만들었다. 그러나 어느 누구도 이러한 세포들이 궁극적으로 어떻게 최종의 세포가 되는지 그 비법을 밝힌 과학자는 없다. 이게 바로 25년 안에 과학자들이 밝힐 과제이다.

9. 단순한 체세포 하나가 어떻게 완전한 식물로 자라날 수 있을까?(How Does a Single Somatic Cell Become a Whole Plant?)

과학자들은 실제 프로세스를 누가 콘트롤하는지 아는 바 없지만 식물의 체세포(single somatic cells)에서 배아를 복제할 수 있다. 이 방법을 알게 되면 어떻게 식물 세포들이 성장하면서 자기의 최종 목표로 결정되는지 그러한 세포들의 융통성을 알게 될 것이다(Some plants are able to create new embryos from single somatic cells, although plant scientists understand little about what actually controls the process. The search for answers might shed light on how cells' fates become fixed during development, and how plants manage to retain such flexibility).

하나의 식물이 적자생존에서 살아 남고 재생되는데는 상당부분 융통성이 존재한다. 식물은 뿌리(roots)를 물에 내리고 잎파리들(leaves)을 태양으로 뻗게 한다. 그러나 약탈자를 피할 방법은 거의 없다. 또한 스스로 짝을 찾을 방법이 없다. 그래서 이 것을 보상하기 위해 많은 식물들은 정자나 난자의 도움 없이도 자식(offspring)을 낳을 수 있는 스스로 고치고 재생할 수 있는 메커니즘과 전략을 갖고 있다. 몇몇 식물들은 줄기(stems), 뿌리(roots), 구근(bulbs)의 싹틈(outgrowths)으로부터 재생이 가능하다. 그러나 다른 식물들은 이 것보다 더 근원적(radical)인데 체세포에서 배아를 생산한다(create new embryos from single somatic cells). 대부분의 감귤류(citrus trees)들은 주위의 수정이 되지 않은(무정란) 배우자들의 조직으로부터 배아를 만들기도 한다. 이러한 솜씨는 동물들에게는 그저 하나의 꿈에 불과하다. 가정용 나무인 Bryophyllum는 잎파리의 가장 자리로부터 배아를 생산하는데 이는 제우스(Zeus) 신의 머리로부터 태어난 지혜, 예술, 기술, 학문, 전술 등의 여신인 아테나(Athena)와 같은 방법이다.

50년 전에 과학자들은 당근 세포(carrot cells)를 유인하여 실험실의 배아생태과정(embryogenesis)을 거치게 했다. 그 이후로 많은 과학자들이 소위 말하는 체세포 배아생태과정(so-called somatic embryogenesis)을 이용하여 수많은 종류의 커피 나무, 목련(magnolias), 열대산 망고(mangos) 및 장미꽃을 생산해 냈다. 카나다의 한 기업은 아예 조직 문화(tissue culture)에서 삶을 시작하는 전나무로 하나의 숲을 만들어 내기도 했다. 그러나 동물 배아를 연구하는 과학자들처럼 이들 식물 과학자들 역시 그 프로세스를 누가 통제 콘트롤 하는지 전혀 알지 못한다. 만약 이 것만 밝혀내면 식물들이 어떻게 다양성과 융통성을 유지하고 있는지 알게 될 것이다.

더욱이 과학자들은 도대체 어떤 세포가 배아생태과정을 가능케 하는지 알지 못한다. 그간 연구한 내용을 보면 식물들의 모든 세포들은 불안정(labile)하다는 것이다. 최근의 연구 결과 아주 미미한 일련의 세포들만이 배아로 전환될 수 있음이 밝혀졌다. 하지만 전환전의 세포들이 어케 생겼는지 그 것은 아직 미스터리이다. 과학자들은 이들 배아성장시의 과정을 비디오테이프로 찍었지만 어떤 세포가 싹이 트게 되는지, 어떤 일련의 유전자가 발현되는지 그 영상 패턴을 찾는데 실패했다.

[그림 : 오렌지 나무 배아들은 하나의 체세포로부터 싹을 튼다(Orange tree embryos can sprout from a single somatic cell. Science-CREDITS: USHRL/ARS/USDA]

10. 지구 내부에서는 어떤 작용이 일어나나?(How Does Earth's Interior Work?)

지난 40년간 지구 내부를 아주 정교한 지진 이미징으로 관찰한 것은 이 지구 내부의 복잡한 엔진을 볼 수 있다는 것을 부추겼으나 그러나 그 것만으로 도대체 지구 내부가 어떻게 작동하는지에 대한 논쟁을 잠식 시키지는 못했다. 하지만 앞으로 25년 동안 인내하면서 많은 연구를 통해 이 복잡한 지구행성이라는 기계를 해부할 수 있을 것이며 지구가 어떻게 움직이고 있는지 밝혀낼 수 있을 것이다(Forty years of probing inner Earth with ever more sophisticated 지진(seismic imaging has boosted the view of the engine's complexity without much calming the debate about how it works. More of the same, plus a large dose of patience, should help us disassemble the increasingly complex planetary machine and find what makes it tick).

판지각구조혁명(plate tectonics revolution)이 지구 깊이까지 내려갔다. 그러나 아직도 지구의 표면만을 이해할 뿐이다. 도대체 이 지구 내부에서 무엇이 일어나고 있으며 어떤 작용을 하고 있는지 아직 연구하고 이해해야 할 부분이 많다. 지구의 경우 이 지각구조판(tectonic plates) 밑으로 돌과 철로 구성된 6,300 킬로미터가 있다. 이 곳은 바로 지구 행성의 열 엔진(a planetary engine)이 작동되는 곳이다.

[그림 : 아직도 멀기만 한. 지각구조판의 작동을 알아내려면 더욱 깊은 탐사가 필요하다(A long way to go. Grasping the workings of plate tectonics will require deeper probing). Science - CREDIT: ROGER RESSMEYER/CORBIS]

하지만 공교롭게도 영화 Matrix에서 보면 지구의 핵은 평온지대(시온의 동산)로 묘사되고 있다. 정말 그럴까? 토네이도의 중심부는 무풍지대와 같이 지구의 핵도 가장 안전한 곳일 지도 모른다.

[소스]

[Science-Introduction to special issue. What Don't We Know?(01/Jul/2005)]
[Science - In a special collection of articles published beginning 1 July 2005, Science Magazine and its online companion sites celebrate the journal's 125th anniversary with a look forward -- at the most compelling puzzles and questions facing scientists today(01/Jul/2005)]
[서울신문-창간 125돌 사이언스誌 ‘과학적 수수께끼’ 25개 선정(07/Jul/2005)]
[문화일보-아직 못푼 과학수수께끼 25개는? 美사이언스지 창간 125주년 기념호서 선정(02/Jul/2005)]

키워드 : 1880년 7월 3일 미국의 발명왕 토머스 에디슨이 창간한 유서깊은 과학전문지 美 사이언스지 2005년 7월 1일자 창간 125 주년 기념호에서, 인간이 풀지 못한 125개의 주요 문제(big questions) 중 앞으로 25년 안에 인간이 풀어 낼 ‘과학적 수수께끼 25개(25 Big Questions)' 선정, The Top 25 Essays by our news staff on 25 big questions facing science over the next quarter-century, 125 big questions, 25 big questions, 이번 2005년 7월 1일자 사이언스지는 [Vol 309, Issue 5731] 호로 75페이지에서 102페이지에 걸쳐 25개의 Big Questions을 제시하고 있는데 이는 무료로 일반에게 공개되고 있다. 6. 인간 수명은 어디까지 연장할 수 있는가?(How Much Can Human Life Span Be Extended?) 7. 기관/조직 재생을 통제하는 것은 무엇인가?(What Controls Organ Regeneration?) 8. 피부 세포를 신경세포로 전환 할 수 있는 현대판 연금술의 비결은 무엇인가?(How Can a Skin Cell Become a Nerve Cell?) 9. 단순한 체세포 하나가 어떻게 완전한 식물로 자라날 수 있을까?(How Does a Single Somatic Cell Become a Whole Plant?) 10. 지구 내부에서는 어떤 작용이 일어나나?(How Does Earth's Interior Work?)