지구중력을 벗어나면 뼈마디가 늘어나며 골손실이 진행된다. 생물학자들이 생쥐를 중력이 미세한 우주정거장에 머물게 한 뒤 생쥐의 장내미생물의 변화를 주시했다. 그 결과 장내미생물들이 만들어 내는 물질이 골다공증 치료의 단초가 됨을 발견했다.
필자 소개
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우주정거장 생쥐와 골다공증 치료실마리
지구 위에 떠있는 우주정거장은 지구중력 범위 밖에 있어서 거의 무중력 상태(Microgravity, 미세중력)다. 미국 포이사이스 연구소(Forsyth Institute)의 연구팀이 생쥐를 우주정거장에서 한달 이상 체류시키며 생쥐가 골손실에 어떻게 대처하는지를 관찰했다.
연구팀은 연구에 앞서 장내미생물이 치매, 파킨슨병 등 신체의 다양한 질환에 관여하는 사실에 착안했다. 중력이 달라질 때 발생하는 골손실에 대응해서 장내미생물이 변할 것이라는 가설을 일단 세웠다.
https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230419125058.htm
놀랍게도 생쥐의 장내미생물(마이크로바이옴, microbiome) 변화가 포착됐다. 우주정거장에 가기 전후와 우주정거장에 체류 중에 생쥐의 장내미생물에 괄목한 변화가 있었다. 이러한 연구결과는 2023년 4월 19일 국제학술지 ‘셀리포트(Cell Reports)에 실렸다.
중력이 변할 때 이에 대처하기 위해 장내미생물이 대사작용을 통해 평소와는 다른 물질을 만들어 낸 것이다. 원래도 장내미생물은 대사작용을 통해 여러 물질을 만들어낸다는 것은 알려져 있다.
중력과 골격
극미 중력과 무중력상태에서는 뼈의 무기질량이 감소할 뿐 아니라 골 형태를 유지하는 미세구조 손상이 발생한다. 그래서 중력이 없는 상황에서는 성장기가 아닌데도 키가 7cm~9cm 커진다.
지구 밖에서 임무를 수행하는 우주비행사들은 지구의 중력이 닿지 않아 골격의 변화와 골손실을 겪는다. 우주에 몇달씩 있다가 지구에 귀환하면 바로 걷지도 못해서 재활훈련시기를 거친다.
뉴턴에 앞서 이미 16세기 영국 천문학자들은 중력에 대해 알고 있었다. 지구상에서 측정되는 중력과 천체운동에 필요한 구심력이 같다는 정도의 개념은 다들 대략이나마 알고 있었다.
지구가 태양주위를 원형이 아니라 타원형으로 돈다는 것(타원 궤도)과 두 천체 사이의 만유인력을 수학으로 풀어낸 지성인은 아이작 뉴턴이었다. 즉, 중력은 거리의 역제곱이란 사실을 미적분으로 도출해 냈다.
중력은 만유인력의 한 예이다. 중력은 만유인력에 지구의 자전에 따른 원심력을 합한 힘이다. 중력은 지구가 물체를 당기는 힘이고 만유인력은 두 물체 사이에 잡아당기는 힘으로 거리의 제곱에 반비례하고 질량의 곱에 비례하는 힘이다.
헬리 혜성으로 유명한 에드먼드 헬리가 뉴턴과 왕립연구소 동료였다. 왕립연구소(The Royal Society)는 과학에 관심이 많던 스튜어트 왕조의 찰스 2세 왕이 1660년 설립했고 지금도 연구자들이 성과를 내고 있다.
뉴턴이 그다지 신경쓰지 않아 20년간 잠들어 있던 중력 관련 성과물이 헬리의 권유로 드디어 1668년 프린키피아(Principia)라는 라틴어 원서로 발표되었다. 이는 물리학의 고전으로 뉴턴역학이 집대성되어 있고 물리학의 결정적인 전환점이다.
골손실 복구에 즉각 직접관여하는 장내미생물 산물
우선 연구팀은 극미 중력이 골손실을 일으키는지 확인해야 해서 우주정거장에 쥐 20마리를 보내 4.5주~ 9주 동안 머무르게 했다. 실험대상 쥐들을 우주로 보내기 전, 지구귀환 후, 연구종료 후 등 각 시점마다 장내미생물 변화를 기록했다.
분석결과는 우주에 다녀온 쥐의 장내미생물이 지상에만 있던 쥐보다 다양해졌다는 사실이다. 특히 락토바실러스와 도레아 박테리아가 눈에 띄게 급증했다.
우주에 오래 머물수록 이 박테리아들이 더 증가했다. 과학자들은 이 박테리아들이 활동하며 만든 대사물질이 골형성에 즉각 작용하는 것을 확인했다.
연구팀은 우주정거장 등 극도로 미세한 중력상태에서 골손실이 발생하면 신체가 이를 대처하기 위해 장내미생물에 변화가 일어남을 확인했다. 이 분야는 1958년 설립된 나사 역사상 이번에 최초로 수행되었다.
초식동물은 새끼에게 대략 3개월 동안 어미의 배설물을 먹게 하는 습성(식분증)이 있다. 개 중에서도 자기 배설물을 먹는 경우가 있다. 쥐들도 이런 습성이 있다. 다만 우주정거장에서는 배설물을 먹지 않게 했다. 이러한 상황이 장내미생물변화에 영향을 주었는지는 아직 모른다.
아직 후속 연구가 더 필요하다. 그렇긴 해도 골손실 복구에 관여하는 장내미생물 존재가능성을 알게 되어 골다공증의 예방과 치료의 단서로 쓸 수 있다. 장내미생물은 인체면역체계와 호르몬 체계까지 영향을 준다.
우주정거장이라는 미세중력 환경에서 쥐의 골형성부진과 장내미생물에 변화가 왔다. 우주에 더 오래 머무를수록 장내미생물 중에서 특히 락토바실러스와 도레아 박테리아의 산물이 다양해지고 많아지며 골손실을 수리한다.
장내미생물은 살아있어서 자체의 대사작용을 한다. 대사작용의 결과 여러 물질들이 만들어지고 이중에 특정 입자들은 뼈형성과 수리에 직접적으로 관여한다.
