유전자 편집부터 바이오프린팅까지 내 몸을 바꾸는 의공학의 비밀

콘택트렌즈, 인공 기관, 유전자 편집 내 몸 그리고 주변 어디에나 있는 의공학

‘의공학’이라는 단어가 낯설 독자가 많을 것이다. 하지만 의학과 공학이 만난 의공학은 아주 오래 전부터 인류의 삶 속에서 활약해 온 학문이다, 약 3,000년 전 매장된 고대 이집트의 미라는 나무 발가락을 달고 있었다. 공학 원리로 만든 도구를 의학을 이용해 우리 몸에 결합한 결과물이다. 지금도 마찬가지다. 눈이 나쁜 사람은 시력을 보완하는 콘택트렌즈를 끼고 팔다리를 잃은 이는 인공 기관을 달며 장기가 손상된 사람은 여러 가지 방법으로 만들어진 인공 장기를 몸에 넣고 산다. DNA의 일부분을 자르고 새로운 DNA를 넣는 유전자 편집을 통해 병을 고치고 예방하는 이들도 있다. 병원에서, 연구실에서 그리고 여러 기업에서 의공학은 오늘도 활약 중이다. 《세상을 바꿀 미래 의학 설명서》는 고대 이집트로 거슬러 올라가는 의공학의 시작부터 유전자를 편집하는 현재의 최첨단 기술까지, 의공학의 다양한 분야를 살피고 이들이 이룬 성과를 알려준다.

들어가며t나무 발가락에서 바이오봇까지 007
1장t 도롱뇽도 다리를 새로 만드는데, 나라고 왜 안 되겠어? 013
2장t 내게 딱 맞는 인공 장기 만들기 033
3장t 모든 것을 가능하게 만드는 뇌의 힘 057
4장t 인간 게놈을 편집하려면? 079
5장t 신경과학을 비추는 빛 한 줄기 097
6장t 컴퓨터가 낳은 세균 117
7장t 의공학자가 되기까지 133
용어설명 150
자료출처 158
사진출처 164
참고문헌 166
더 찾아볼 정보 167
찾아보기t 170

의학과 공학이 결합된 의공학은 갑자기 하늘에서 뚝 떨어진 학문이 아니다. 수천 년 동안 인류는 서투르게나마 신체 부위를 고치거나 바꿨다. 가장 오래된 인공 기관은 고대 이집트로 거슬러 올라간다. 나무 발가락을 달고 있는 미라가 발견된 것이다. 하지만 21세기인 요즘에는 콘택트렌즈, 안경, 보청기를 흔히 볼 수 있다, 이 모든 것이 부상이나 질병에 맞서 신체를 고치려고 의공학을 사용하는 방식이다. 우리는 의학 그리고 삶 자체를 생각하는 방법까지도 완전히 뒤바꿀 의공학 혁명 한가운데에 있다._9쪽아탈라가 이끄는 연구팀은 인간의 턱뼈, 근육, 귀까지도 만들어 내는 3D 바이오프린터 개발에 힘써 왔다. 귀를 만들기 위해 컴퓨터 단층 촬영CT으로 인간의 귀를 촬영하고 엑스선을 이용해 몇 번이나 3D 도면을 그렸다. 그러고는 생분해성 폴리머를 채운3 D 바이오프린터로 도면을 따라 귀 모양 지지체를 만들었다. 연구팀은 연골세포와 피부세포를 이 지지체에 이식했다. 연골세포는 귀나 코처럼 적당히 말랑하면서도 단단하고 탄력이 있는 조직(연골)을 만드는 역할을 한다. 아탈라는 필수 영양소와 산소를 세포로 운반할 작은 ‘혈관’도 만들었다. 약 6개월 후 ‘잉크’로 쓰인 재료가 생분해되었고, 그사이 이식한 연골세포와 피부세포는 자라고 증식해 인간의 세포로만 이루어진 귀 하나가 완성되었다._40쪽영화 〈매드맥스: 분노의 도로〉에서, 샤를리즈 테론이 연기한 최고 사령관 퓨리오사는 뇌의 힘으로 움직이는 인공 팔을 장착하고 있다. 영화 속에서만 가능한 이야기 같지만, 현실에서도 생각만으로 인공 기관, 로봇 등 외부 장치를 통제하는 능력을 손에 쥘 날이 다가오고 있다. 바로 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’라는 기술 덕분이다. 이 기술은 뇌가 보내는 전기 신호를 인식하고 분석해 기계 또는 다른 사람에게까지 전달한다._59쪽과학자들은 크리스퍼 유전자 가위 시스템이 어떻게 작동하는지 연구했다. 그 결과 특정 DNA 염기 서열에 맞는 RNA 형태의 크리스퍼 염기 서열을 연구실에서 만들어 캐스9에 집어넣을 수 있다는 사실을 알아냈다. 그러면 캐스9이 RNA와 일치하는 DNA 암호를 가진 게놈을 탐색해 자르기 시작할 것이다. 과학자들은 특정 유전자를 발현되지 않게 만들거나 고치는 데까지도 크리스퍼 유전자 가위 기술을 이용할 수 있다는 것을 깨달았다._85쪽연구팀은 어떤 세균의 게놈을 바탕으로 새로운 게놈을 만들어 그 세균에 다시 집어넣었다. 그 결과로 나온 생명체인 JCVI-syn1.0을 최초의 합성 세포라고 하는 과학자들이 있다. 반면 기존 게놈을 복사한 것이지 새롭게 설계한 게 아니라고 주장하는 이들도 있다. 그러나 벤터가 2010년 TED 강연에서 말했듯 그의 연구팀은 합성 생명체를 만들어 냈다. “지구상에서 최초로 등장한, 부모가 컴퓨터인 자기복제종입니다.”_125쪽버냐크 노바코비치는 이렇게 말했다. “오늘날에는 직업을 가지고 나서 어떻게 살지 스스로 설계할 수 있습니다. 저는 새로운 세대가 위대하고 용감하다고 봅니다. 완전히 색다른 분야를 탐험하는 것을 두려워해서는 안 됩니다. …… 이제는 10~20년 후에 세상이 어떻게 변할지 상상조차 할 수 없어요. 여러분은 똑똑하면서도 유연해야 하고, 용감하면서도 독특한 것을 파헤쳐야 하죠. 바로 지금이 의공학에 뛰어들기 가장 좋은 시기입니다.”_149쪽

유전자부터 장기, 생명체까지 고루 만들어 내는
21세기 의공학자들의 활약 《세상을 바꿀 미래 의학 설명서》는 의공학의 정의를 시작으로 각 분야 전문가들의 구체적인 연구 내용을 청소년 눈높이에 맞춰 소개한다. 줄기세포를 이용해 잃어버린 몸의 일부분을 재생시키는 방법을 살펴보고, 컴퓨터와 뇌를 연결해 몸을 움직이는 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’로 사지마비 장애인이 새 삶을 사는 과정을 알려준다. 척수가 손상되어 방광 능력을 조절할 수 없던 소년이 바이오프린팅 인공 방광으로 일상을 되찾고 시력을 잃은 이들은 광유전학을 이용한 인공 망막으로 세상의 빛을 다시 담는다. 개발 직후부터 유전자 분야에서 가장 ‘핫’한 기술로 떠오른 크리스퍼 유전자 가위 기술을 자세히 알고 배아 편집을 둘러싼 생명윤리 문제를 함께 고민할 수도 있다. 작디 작은 세균을 편집해 사람의 장에 안착시키고 유전정보 덩어리인 ‘게놈’을 재배열해 새로운 생명체를 만드는 단계에 이르러서는 탄성이 나올지도 모른다. 《세상을 바꿀 미래 의학 설명서》을 읽으며 지금 우리 주변에서 일어나고 있는 의학 혁명을 바로 알고, 앞으로 인류의 근본을 바꿀 생명공학의 기본 원리를 자연스레 익힐 수 있을 것이다. 호기심이 많고 생명을 사랑한다면 누구나 도전 가능!
의공학자를 꿈꾸는 청소년을 위한 진로 가이드《세상을 바꿀 미래 의학 설명서》는 한 장(章)을 할애해 책 속에 소개된 의공학자들의 솔직담백한 ‘과거사’를 담아내고 있다. 이들은 화공학, 물리학, 컴퓨터공학 등 의학과는 거리가 있는 학문을 전공한 자신이 왜 ‘의공학자’가 되었는지 이야기해 준다. 의사가 되고 싶었지만 비위가 약해 포기한 화공학자는 이제 실험실에서 세포와 장기를 키워내는 연구를 하고 있다. 변호사를 꿈꾸던 법학도는 대학에서 들은 생물학 강의에 푹 빠져 사람의 통증을 줄여 주는 광유전학 분야로 뛰어들었다. ‘호기심이 많고 도전 정신이 강하며 생명을 사랑한다’는 점 외에는 공통점 하나 없는 사람들이 어떻게 ‘의공학’이라는 이름 아래 묶였을까? 그 답은 이들이 가진 바로 그 공통점에 있다. 호기심이 많고 도전 정신이 강하며 생명을 사랑하는, 생명공학이나 의학 분야에서 활약하길 원하는 청소년이라면 이 책을 통해 자신의 길을 찾아볼 수 있을 것이다. 다양한 분야를 거쳐 의공학자가 된 ‘선배’의 이야기는 아직 미래를 확신할 수 없지만 여러 가지를 경험하고 진로를 결정하고 싶은 청소년에게도 좋은 가이드가 되어 줄 것이다.