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2025-04-02 (수)

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[우주의 속삭임(109)] 우주여행, 뼈에 '치명적 구멍'…NASA의 실험쥐가 보여준 골다공증의 미래

인간의 우주여행이 점점 현실이 되고 있는 가운데, 장기간의 무중력 상태에 머무는 것이 심각한 골밀도 소실이 일어날 수 있다는 인체에 미치는 충격적 결과가 드러났다. 미 항공우주국(나사·NASA)이 국제우주정거장(ISS)에 37일간 실험쥐를 보내 수행한 골밀도 관련 연구에서, 뼛속이 '속부터 녹아내리는' 심각한 현상이 확인된 것이다. 특히 하중을 견디는 역할을 하는 대퇴골이 가장 큰 피해를 입었다. 해당 연구에 대해서는 과학 전문매체 사이언스얼럿이 3월 31일(현지시간) 보도했다. NASA와 블루마블우주과학연구소가 공동 진행한 이번 연구는 미국 공공과학 도서관 온라인 학술 웹사이트 '플로스 원(PLOS ONE)'에 게재됐다. 뼈가 비어간다⋯"지구의 하중 잃은 뼈, 내부부터 무너져" 연구진은 쥐를 이용해 무중력 상태에서의 골다공증 진행 과정을 정밀 분석했다. 그 결과, 지구에 남아 있던 대조군 쥐들과 비교해 우주로 떠난 쥐들은 대퇴골 말단, 즉 엉덩이와 무릎 관절이 연결되는 부위에 커다란 공백(구멍)이 생긴 것으로 나타났다. 반면 척추 부위, 특히 요추는 비교적 온전하게 보존됐다. 이는 뼈가 단순히 전신적으로 약해지는 것이 아니라, 지구에서 체중을 지탱하던 부위일수록 미세중력에서 훨씬 더 빨리, 더 심하게 손상된다는 사실을 보여준다. 연구에 참여한 생체공학자 루크마니 케이힐 박사는 "우주에서는 신체의 하중을 지탱하는 기능이 사라지기 때문에 뼈가 쓰임을 잃고, 그 결과 구조 자체가 붕괴하기 시작한다"며 "이는 뇌과학에서 말하는 '사용하지 않으면 퇴화한다'는 개념과 유사하다"고 밝혔다. 우주골다공증, 지구보다 10배 빠른 속도로 진행 중력에서 자유로워지는 것이 인간의 몸에 꼭 유익한 것만은 아니다. 실제로 우주에 다녀온 우주비행사들은 평균적으로 한 달에 1% 이상, 지구 평균보다 10배 가까운 속도로 골밀도를 상실하는 것으로 보고됐다. 이는 골다공증 노인 환자보다 더 빠른 속도이며, 수개월만 우주에 머물러도 수십 년 치의 골소실이 일어날 수 있다. 심지어 이번 실험의 실험쥐들은 골격 성장이 마무리되지 않은 젊은 개체들이었음에도, 미세중력에서 대퇴골 내 연골이 조기 골화되는 현상이 나타났다. 이는 뼈의 성장이 멈추고, 오히려 발육이 저해될 수 있다는 신호다. 방사선 탓 아니다⋯"골 소실 문제는 중력 부재" 이번 연구의 핵심은, 우주 공간에서의 뼈 손상이 단순한 우주 방사선, 빛 부족 등의 전신적 요인이 아니라는 점이다. 연구진은 대조군 쥐에게도 로켓 발사 시의 진동과 비행 조건을 모사했지만, 유의미한 골소실은 나타나지 않았다. 또한, 우주에서 쥐가 받은 일일 방사선량은 극히 낮았으며, 과거 방사선 단독 실험에서 골소실을 유도한 수준과 비교해도 수십 분의 일에 불과했다. 결국, 골밀도 저하의 본질적인 원인은 '중력이 없는 환경' 그 자체라는 결론에 가까워지고 있다. 해답은 '운동'⋯식이요법은 한계 이러한 우주골다공증 현상을 막기 위해, NASA는 단순한 식단 조절이나 칼슘 보충제보다 무중력 환경에서도 하중을 시뮬레이션할 수 있는 운동 기기의 활용에 주목하고 있다. 실제로 ISS에서는 러닝머신에 몸을 고정해 사용하는 방식의 운동이 도입되어 있으며, 향후 중력 모사 웨이트 트레이닝 기기도 확대될 전망이다. 인류가 화성이나 그 너머로의 장기 우주여행을 본격적으로 준비하고 있는 지금, 우주에서 모무는 동안 인간의 '뼈'는 최대 약점이자 극복 과제로 떠오르고 있다. 우주에서의 '골다공증'을 극복하지 못한다면, 미래의 우주인들은 먼 별보다 지구의 중력을 그리워하게 될지도 모른다.
- 포커스온
2025-04-02 09:58:00
[신소재 신기술(139)] 중국, 소행성 탐사용 고양이 닮은 4족 로봇 개 개발

중국 연구원들이 소행성의 울퉁불퉁하고 중력이 낮은 표면을 뛰어넘을 수 있는 인공지능(AI) 기반 로봇 개를 제작했다. 하얼빈 공업대학 연구진은 고양이가 몸을 비틀고 발로 착지하는 능력에 영감을 받아 강화 학습을 이용한 소행성 탐사용 4족 로봇 개를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 중국의 한 온라인 매체에 따르면 이 로봇은 네 다리를 무거운 안정화 하드웨어에 의존하는 대신 '모델 없는' 제어 시스템을 사용해 동작을 조정한다. 이러한 설계 덕분에 로봇은 공중에서 자세를 조정하고 기울기를 수정하며 방향을 바꿀 수 있다. 이는 작은 천체를 탐사하는 방식을 변화시켜 우주 탐사의 새로운 가능성을 제시하고 멀리 떨어진 천체에 대한 이해를 높일 수 있다. 저중력 혁신 저중력은 현재 연구중인 소행성 탐사에서 로봇이 해결해야 할 중요한 난제다. 태양계 생성의 유물인 이 행성들은 백금과 같은 자원이 풍부해 미래 우주 연구에 도움이 될 수 있다. 또한 태양계의 기원에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 그러나 기존의 바퀴 달린 탐사선은 중력이 지구의 수천 분의 1에 불과해 견인력을 얻기 어렵기 때문에 큰 어려움에 직면해 있다. 연구팀은 충돌, 제어할 수 없는 회전 또는 로봇이 땅에서 튕겨져 나갈 수 있는 다리 힘의 불균형 문제를 해결하는 데 집중했다. 에어 서스펜션 기술을 사용하여 미세중력 시뮬레이션 플랫폼을 개발하여 제어 기술을 테스트하고 로봇이 안전하게 착륙하고, 후속 도약을 위해 요(yaw)를 수정하거나 자유 낙하 중 고도 편차를 수정할 수 있는지 확인했다. 그동안 우주 기관이 소행성에 우주선을 착륙시켜 샘플을 채취하는 데 성공한 적은 있지만, 장기적으로 표면 탐사를 수행할 수 있는 탐사선을 보낸 임무는 아직 없다. 홍콩 매체 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면 이 점핑 로봇의 성공은 소행성 탐사를 변화시켜 소멸 소행성에 대한 새로운 연구의 길을 열고 우주 자원 활용을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 점프 안정화 연구팀은 중력이 낮은 천체에서 점프하는 동안 스스로 안정화할 수 있는 로봇을 개발했다. 이러한 환경에서는 점프할 때마다 로봇이 최대 10초 동안 공중에 떠 있는 상태가 유지되는 데, 이는 다리 힘의 불균형으로 인해 로봇이 제어되지 않고 회전하거나 심지어 우주로 표류하고도 남는 시간이다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 강화 학습, 특히 근거리 정책 최적화를 사용해 가상 시뮬레이션에서 로봇을 훈련시켰다. 7시간에 걸쳐 AI는 안정적인 착륙을 위해 움직임을 개선하고 몇 초 내에 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)를 수정하는 방법을 학습했다. 예를 들어 140도의 가파른 전방 기울기로 발사했을 때 로봇은 단 8초만에 안정화되었고, 공중에서는 최대 90도까지 회전해 방향을 바꿀 수 있었다. 저중력을 이겨내고 점프 동작을 안정화시킨 중국의 로봇 개가 소행성 탐사 현장에 언제 투입될지 귀추가 주목된다.
- IT/바이오
2024-12-02 15:20:00
[퓨처 Eyes(60)] 우주에서 자란 줄기세포, 노화와 질병 치료에 새 길 열다

우주는 더 이상 단순한 탐험의 공간이 아니다. 국제우주정거장(ISS)과 민간 우주 임무에서 진행된 줄기세포 실험에서 의료 과학의 판도를 바꿀 혁신적인 결과가 나왔다. ISS의 미세중력 환경에서 배양된 줄기세포가 지구에서는 실현할 수 없었던 뛰어난 능력을 발휘한 것이다. 미국 플로리다 메이요 클리닉과 세다스-사이나이 연구진은 이번 실험 결과가 질병 치료와 재생의학 연구에 새로운 지평을 열 것이라고 최근 발표했다. 우주에서는 줄기세포가 스스로 3차원 구형 배열을 형성했다는 점이 연구진에게 가장 큰 놀라움을 안겨 주었다. 지구의 중력 때문에 평면 배양 접시 위에서만 자라던 줄기세포가 우주의 미세중력 아래에서는 스스로 진화하듯 3차원 조직 구조를 만들어 낸 것이다. 이는 인체 조직에 가까운 구조로, 면역 조절과 염증 완화 능력을 크게 향상시켰다. 플로리다 메이요 클리닉의 아바 주바이르 박사는 "우리는 세포가 3차원으로 자라리라고는 기대하지 않았다. 그러나 미세중력 환경은 세포가 자연스럽게 구형 배열을 형성하도록 했다. 이는 지구에서는 불가능했던 현상"이라고 설명했다. 이처럼 우주의 미세중력은 줄기세포의 자가 조립 능력을 활성화하며, 새로운 의료 혁신의 가능성을 열어주었다. 이번 연구는 NPJ 마이크로그래비티(NPJ Microgravity)에 게재됐으며, 우주 환경을 활용한 줄기세포 연구가 새로운 의료 혁신을 가져올 것으로 기대된다. [미니해설] 우주 실험이 밝혀낸 줄기세포의 비밀⋯불로장생의 꿈 '성큼' 줄기세포는 손상된 조직을 복원하거나 질병 치료에 사용될 수 있는 '만능 세포'로, 재생의학의 핵심이다. 일본의 야마나카 신야(山中伸弥) 박사가 2012년 노벨 생리학·의학상을 수상한 연구를 통해, 일반 세포를 줄기세포로 변환하는 기술이 세상에 알려졌다. 그는 Sox와 POU 유전자를 포함한 4가지 인자를 활용해 줄기세포를 유도했다. 줄기세포는 그 자체로 현대 의학의 혁신적인 가능성을 품고 있다. 복제와 분화 능력은 조직 재생과 질병 치료의 핵심 자원으로 평가받는다. 그러나 기존 기술은 여전히 복잡한 한계를 지니고 있다. 이런 상황에서 우주에서 진행된 줄기세포 배양 실험은 재샌의학 분야에 새로운 방향을 제시하며 주목받고 있다. 미세중력, 줄기세포 배양의 최적 환경 미세중력은 중력이 거의 없는 상태를 말한다. '무중력' 이라고도 불리지만, 중력이 완전히 없는 것은 아니고 지구 표면 중력의 100만분의 1 정도로 매우 작은 중력만 존재하는 환경이다. 지구 궤도를 도는 우주정거장에서는 지구 중력의 영향을 거의 받지 안항 미세중력 환경이 조성된다. 우주 환경에서 줄기세포를 배양하는 일은 간단하지 않았다. 미세중력 상태에서는 액체가 접시 밖으로 흘러나갈 위험이 있었기 때문이다. 하지만 연구진은 96웰 플레이트의 액체 표면 장력을 활용해 세포를 고정하는 기술을 개발하여, 성공적으로 배양 과정을 진행할 수 있었다. 아룬 샤르마 세다스-사이나이 연구소 박사는 "표면 장력을 활용한 이번 기술은 실험 성공의 핵심이었다. 맞춤형 장비 없이도 우주 실험을 가능하게 한 중요한 성과였다"라고 말했다. 우주에서의 새로운 가능성: 노화 관련 질환 치료 미세중력 환경은 줄기세포가 더 자연스러운 성장 상태를 유지하며, 면역 조절 능력과 염증 완화 효과를 향상시키는 데 기여했다. 이는 단순한 발견을 넘어, 줄기세포의 응용 가능성을 확장하는 중요한 과학적 단서를 제공한다. 연구진은 미세중력 환경에서 줄기세포를 대량으로 제조할 방법을 모색 중이다. 이는 줄기세포 기술의 상업적 생산과 재생의학 응용을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 이번 연구는 노화 관련 질환의 치료에 새로운 전환점을 마련했다. 줄기세포는 뇌졸중, 암, 치매와 같은 질환 치료에서 중요한 역할을 할 가능성을 보여주었다. 또한, 우주 환경에서 배양된 줄기세포는 지구로 돌아온 뒤에도 복제 안정성과 확장 능력을 유지하며 의료 응용 가능성을 높였다. 클라이브 스벤슨 세다스-사이나이 연구소 교수는 "우리가 수행한 연구는 시작에 불과하다. 우주에서 제조된 줄기세포는 재생의학을 혁신할 독특한 특성을 갖고 있다"고 말했다. 우주 시대의 의료 혁명: '불로장생'의 가능성 이번 연구 결과는 단순한 과학적 발견을 넘어, 재생의학의 새로운 장을 열었다. 우주라는 실험실은 줄기세포 기술의 대량 생산과 상업적 생산 가능성을 제시하며, 인류의 오랜 꿈인 '불로장생'을 현실로 만들 가능성을 보여준다. 우주에서 시작된 줄기세포 연구는 더 이상 공상과학의 영역이 아니다. 미세중력이라는 우주의 독특한 환경은 질병 치료와 장기 이식 기술에 혁신적인 변화를 가져올 것이다. 미래의 어느 날, 우리는 줄기세포 기술 덕분에 질병의 고통에서 벗어나 건강하게 오래 사는 꿈을 이룰지도 모른다. 그리고 그 꿈을 현실로 만들 열쇠는 바로 우주에서 진화한 작은 세포들이 쥐고 있을 것이다.
- 포커스온
2024-11-28 14:28:00
우주에서 기른 양상추, 식중독 위험 높아

우주 무중력 환경에서 재배한 상추가 지구에서보다 대장균 등 세균에 감염되기 쉬워 식중독 위험이 놓다는 충격적인 연구 결과가 발표됐다. 미국 델라웨어 대학 연구팀은 우주 공간에서 자란 상추가 지구의 상추보다 대장균과 살모넬라 같은 박테리아 감염에 더 취약하다고 발표했다고 포브스 재팬(Forbes JAPAN)이 최근 보도했다. 지난 1월 9일 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'와 'npj 극미세중력(npj Microgravity)'에 게재된 이 연구는 국제우주정거장(ISS)의 무중력 환경을 모방한 조건에서 재배한 상추가 박테리아에 감염되기 쉽다는 것을 보여주었다. 상추는 지금까지 ISS의 수경재배실에서 3년 이상 재배되어 우주비행사들의 식량으로 사용되어 왔다. 하지만 연구진은 식중독이 발생하면 임무가 중단될 수 있다고 우려하고 있다. 델라웨어대 연구팀은 ISS의 무중력 환경을 모방한 조건에서 양상추를 재배했다. 그 결과 식물이 숨을 쉬기 위해 잎과 줄기에 있는 기공은 박테리아와 같은 스트레스 요인을 감지하면 보통 식물을 보호하기 위해 닫힌다는 것을 발견했다. 그러나 미세중력 시뮬레이션을 통해 상추에 박테리아를 넣었을 때 잎채소는 기공을 닫는 대신 크게 열어놓는 것으로 나타났다. 델라웨어대 식물토양과학과 졸업생이자 논문의 주저자인 노아 토트라인(Noah Totline)은 "스트레스라고 생각되는 것을 주었음에도 불구하고 (상추의 기공이) 열려 있었다는 것은 정말 예상치 못한 일이었다"고 말했다. 연구팀은 결국 살모넬라균이 지구상의 일반적인 조건보다 극미세중력 조건에서 잎 조직에 더 쉽게 침투할 수 있다는 것을 발견했다. 델라웨어대학교 생명공학연구소의 미생물 식품안전학 교수인 칼리 쿠니엘(Kari Knier)은 "우리는 현재 ISS에 살고 있는 사람들과 미래에 우주정거장에서 살게 될 사람들을 위해 우주에서의 위험을 줄여야 한다"고 말했다. 그는 "우리는 우주에서 재배되는 식물과 인간 병원균의 상호작용을 더 잘 이해할 필요가 있다"고 덧붙였다. 연구팀에 따르면 가까운 미래에 더 많은 사람들이 우주에서 생활하게 될 것이지만, 수경재배로 상추를 재배하는 것은 비교적 쉬운 일로 여겨진다. 쿠니엘 교수는 "이 위험을 줄이기 위해 멸균된 종자를 사용하는 것이 한 가지 대책으로 생각된다. 하지만 미생물이 우주 재배 공간에도 존재하고, 식물에 부착될 가능성도 있다"고 지적했다. 이번 연구 결과는 우주에서 식량을 생산하는 데 있어 새로운 과제를 제시한다. 무중력 환경에서 식물이 박테리아에 감염되기 쉽다는 사실은 우주 식량 생산의 안전성을 높이기 위한 새로운 기술 개발이 필요하다는 것을 의미한다. 연구팀은 앞으로 우주 환경에서 식물의 면역 체계를 강화하는 방법, 우주 재배 공간의 미생물 오염을 줄이는 방법 등에 대한 연구를 진행할 계획이다.
- 산업
2024-02-06 17:29:00