생명과 전기 #023

제2부 재생 전류

제6장 다루기 힘든 유전자

뼈 내부의 전자공학

찰리와 나는 뼈의 전기적 성질을 좀 더 상세히 조사하고 울프 법칙이 어떻게 작용하는지 알아보기로 했다. 우리는 바셋과 같이 한 나의 실험을 토대로 하나의 가설을 세웠다. 우리는 뼈 조직이 두 가지 형태의 반도체라고 가정했다. 즉 인회석과 콜라겐 중 어느 하나는 N형 반도체이고 다른 하나는 P형이다. 따라서 그것들이 연결된 면은 자연스럽게 PN접합 다이오드가 되어 뼈 속의 어떠한 전류도 정류시키게 되는 것이다. 나아가서 우리는 둘 중 하나만이 압전 능력이 있다고 추론했다. 힘을 받은 뼈의 압축된 부분에서는 양의 신호가 걸러지고 음의 신호가 골막세포를 자극해 새로운 뼈를 성장시키는 것이라 생각했다.

우리는 의료상의 이유 때문에 제거한 환자 뼈를 가지런히 절단하여, 몇 쌍의 시험 장치를 만들었다. 각 쌍의 한쪽에서는 화학 처리를 하여 인회석을 제거했다. 다른 쪽에서는 콜라겐을 녹여 버렸다. 순수한 콜라겐은 누르스름하고 약간 탄력성이 있는 고무 같았고, 순수한 인회석은 새하얀 색의 부서지기 쉬운 재질이었다. 어쨌든 양쪽은 여전히 뼈같이 보였다. 첫 단계는 반도체성과 압전성에 대해 시험해 보는 것이었다. 콜라겐은 N형 반도체로, 그리고 인회석은 P형으로 판명되었다.

다음에 우리는 전에 바셋과 내가 전체 뼈에 대해서 했던 것과 같은 방법으로 각 성분들의 압전 현상을 시험했다. 우리는 인회석은 결정이므로 압전성을 갖고 있을 것이라 예측하고 있었다. 그러나 압전성을 갖고 있는 것은 콜라겐이었고, 인회석은 아니었다. 이제 우리는 PN접합점의 밑받침이 되는 구조물을 얻게 되었다. 하나는 N형 또 하나는 P형의 두 반도체로, 고도로 유기적인 방식으로 결합되어 있다.

이제 우리가 세운 가설의 결정적인 부분의 차례가 되었다. 우리는 PN접합점에서의 정류를 입증하는 방법을 알아내야만 했다. 중대한 기로에 다다른 것이다.

여기서 우리는 상업에서 말하는 기술 문제에 직면했다. 정류에 대한 실험을 하기 위해서는, 한 전극은 콜라겐 위에 놓고 또 한 전극은 인회석 위에 놓아야 한다. 불행하게도 인회석 결정 길이는 겨우 500 옹스트롬 밖에 되지 않았다. 옹스트롬(분광분석의 선구자인 스웨덴의 앤더스 요나스 옹스트롬의 이름을 딴 것)이란 단위는 원자나 분자를 측정하기 위해 만든 것으로서 매우 작은 것이다. 500옹스트롬이라고 해봤자 녹색 단색광 파장의 10분의 1밖에 되지 않는다. 오늘날에조차도 가장 가느다란 미세 전극은 1미크론(10,000옹스트롬) 두께를 가졌고, 당시에는 물론 훨씬 두꺼웠다. 그것은 마치 전신주로 쌀 한 알을 측정하려는 것과 같았다.

그래서 일종의 통계적 방법으로 실험해 볼 도리밖에 없었다. 뼈가 만들어져 있는 구조 — 수백만 인회석들이 훨씬 큰 콜라겐 섬유에 붙어 있는 형태 — 때문에 나는 이렇게 추론했다. 길이로 자른 측면에 전극을 두면 거의 인회서에 접촉될 것이고, 가로 절단면에 전극을 두면 좀더 많은 부분이 콜라겐에 접촉될 것이다. 이러한 전극 설치 방법이 옳고 뼈에 정류 기능이 있다면, 전류가 단지 한쪽 방향으로만 흐를 것이다. 과연 정확히 그렇게 되었다. 우리가 사용한 뼈 견본은 시중에서 판매하는 정류기만큼 효율적이지는 않았지만, 일정한 전압의 전지로부터 흘릴 수 있는 전류의 양은 한쪽 방향이 다른 쪽 방향보다 훨씬 많았다.

P형 반도체에서 N형 반도체로의 정상적인 흐름에 대하여 '거슬러' 흐르는 전류는 역방향 바이어스 전류라 불린다. 우리는 이것을 광전光電효과(빛을 받았을 때 전기를 생산하는 성질)를 찾는 데 사용했다. 많은 반도체들은 빛으로부터 에너지를 흡수하고, 전류를 증폭시킨다. 우리는 한 줄기의 작은 빛만을 뼈에 비췄는데, 그것은 음 전극이 빛에 다소 민감하여 엉뚱한 잡음을 만들지를 염려해서였다. 전압이 일정한 상태에서, 빛은 확실하게 전류를 증가시켰다. 만약에 뼈가 정말로 정류기를 포함하고 있다면, 광전효과가 전류의 방향에 민감해야 한다. 즉, 역방향 바이어스 전류는 같은 세기의 빛 아래에서 순방향 바이어스 전류보다 더 증가해야 한다. 그 실험은 간단했다. 전지의 전극을 바꾸고 전등을 켰다. 전보다 전류가 커졌다. 정류기는 실재하는 것이었다.

우리는 이제 울프 법칙의 전체 제어 시스템을 따를 수 있게 되었다. 뼈에 가해진 기계적 힘은 콜라겐으로부터 압전 신호를 일으킨다. 이 신호는 힘을 가하고 풀고 함에 따라 극성을 바꾸는 양방향성이다. 이 신호는 인회석과 콜라겐 사이의 PN접합점에 의해 정류된다. 이 정류된 신호는 단순히 힘이 가해졌음을 전달하는 것 이상의 역할을 한다. 그 신호 강도는 세포들에게 가해진 힘이 얼마나 센가를 전달하고, 신호의 극성은 어느 방향으로 힘이 가해졌는가를 알려준다. 전위가 음인 곳의 뼈 형성 세포들은 뼈를 더 성장시키도록 자극되고, 반면에 양인 곳의 세포들은 문을 닫고 조직을 해체시키도록 유도된다. 성장과 해체가 한 과정의 두 국면으로 간주된다면, 전기 신호는 아날로그 코드 역할을 해 세포들에게 가한 힘에 대한 정보를 전달해 주고 적절한 반응을 유도한다.

이제 우리는 가한 힘이 어떻게 전기 신호로 변환되는지 밝혔다. 우리는 가한 힘을 전기 신호로 바꾸거나 그 반대로도 할 수 있는 변환기를 찾아냈다. 울프 법칙 시스템에는 또다른 변환기가 있었다. 전기 신호를 적절한 세포 반응으로 변환시키는 것이다. 다음 실험은 이것이 어떻게 작용하는가를 어느 정도 규명하는 것이었다.

콜라겐 섬유는 트로포콜라겐이라 불리우는, 요리하지 않은 스파게티와 같이 긴 막대기 모양을 한 선행 분자로부터 형성된다. 생물학 연구에서 많이 사용하는 이 화합물은 콜라겐에서 추출해 — 흔히 쥐의 꼬리로부터 — 용액으로 만든다. 용액의 수소이온 농도가 약간만 변하면 콜라겐 섬유가 응결한다. 그러나 이렇게 형성된 섬유들은 펠트천과 같은 뒤범벅 덩어리로서, 가지런하게 적층된 뼈의 배열과는 전혀 닮지 않았다. 그런데, 이 용액에 매우 약한 직류를 흘렸을 때, 이것은 우리의 새로운 발견들에 완벽하게 들어맞는 것이었다. 왜냐하면 구부러진 뼈에서 생기는 전류의 방향도 뼈의 배열과 직각이었던 것이다.

성장 과정의 완전한 회로도가 만들어진 것은 이것이 사상 처음이었다. 우리에게 이것은 주목할 만한 성과로 보였다. 그러나 우리가 발표했을 때, 아무도 관심을 기울이지 않는 듯했다. 과학계는 생물 반도체에 아직 낯설었고, 생체 조직 속의 다이오드라는 개념 역시 마찬가지였다. 이러한 이유로 나는 이어지는 마무리 실험들을 굳이 발표하려 하지 않았다. 그것은 실험 내용이 기성 과학계의 관점에서 보면 너무 괴상했기 때문이다.

1960년대 중반에는 반도체 장치 개발이 아직 걸음마 단계였고, PN접합점의 가장 흥미로운 성질들 중 하나가 아직 쓰이고 있지 않았다. 그것은 전류를 순방향으로 흘리면, 전류 에너지의 일부가 빛으로 바뀌어 표면에서 방출된다. 달리 말하면, 전기가 그것이 빛을 발하게 하는 것이다. 오늘날 발광發光 다이오드라고 불리는 여러 가지 종류의 이 PN접합점은 시계나 계산기의 숫자 표시 같은 것에 널리 쓰이고 있으나, 당시에는 아직 실험실을 벗어나지 못하고 있었다.

우리는 뼈가 하나의 발광 다이오드라는 것을 발견했다. 비슷한 많은 물질들과 같이, 뼈는 전류가 그 자신의 빛을 내기 전에 외부로부터 빛의 공급원을 필요로 한다. 그리고 그것이 내는 빛은 적외선 주파수 영역이어서 우리 눈에 보이지 않는다. 그러나 그 현상은 부정할 수 없는 분명한 것이다.

이미 우리의 가설들을 증명했음에도 불구하고, 찰리와 나는 뼈의 반도체성에 대한 몇 가지 실험을 더했다. 그것은 부분적으로는 추가 확인을 위해서였고 부분적으로는 재미삼아서였다. 어떤 반도체들은 형광성이 있다고 알려져 있었다. 즉, 자외선을 흡수하여 그 일부를 더 낮은 주파수인 가시광선으로 발광하는 것이다. 우리는 전체 뼈가 푸르스름한 상아색으로 형광빛을 낸다는 것을 확인했다. 반면에, 콜라겐은 짙은 푸른색을 냈고 인회석은 벽돌색과 같은 침침한 붉은색이었다. 여기서 우리는 수수께끼 같은 모순에 접했는데, 이것이 나중에 많은 사람에게 구원을 준 한 발견을 초래했다. 콜라겐과 인회석으로부터 뽑은 형광색을 섞으면 전체 뼈의 형광과 같은 색이 되어야 했다. 그런데, 그렇지 않았다. 이것은 뼈의 조직에 무언가 다른 물질이 있다는 것을 시사하고 있었다. 그 물질은 아마도 뼈를 화학적으로 분리시킬 때 씻겨 내려갔음에 틀림없었다.

찰리와 나는 이 수수께끼 같은 문제에 매달려 근 2년 동안을 씨름했다. 그러면서 우리는 도핑doping이라고 하는 반도체 기술의 발전에 주목했다. 도핑이라는 것은 반도체 물질에 소량의 광물을 혼합시켜 그 특성을 엄청나게 변화시킬 수 있는 기술이었다. 선택적인 도핑에 의해 필요한 반도체의 특성을 만들어 내는 것 그 자체로서 하나의 과학이었다. 이 기술은 우리에게 뼈 속에 있는 미량원소의 윤곽을 암시했다. 우리는 이미 어떤 금속들 — 구리, 납, 은, 베릴륨 같은 것들 — 이 뼈에 쉽게 결합된다는 것을 알고 있었다. 베릴륨은 뼈의 정상적인 성장 제어 시스템을 무너뜨려 급속하게 뼈 종양이나 암을 만들었다. 방사성 스트론튬 90은 이온화 방사로 뼈의 세포들을 공격했다. 아마도 뼈에 정상적으로 존재하는 도핑 물질이 뼈의 전기적 특성을 변화시키고 있는 듯했다.

이것을 규명하기 위해 찰리와 나는 전자 상자기 공명 분광분석계 electron paramagnetic resonance spectrometer라 불리는 복잡한 장치를 사용했다. 이 장치의 작동원리를 쉽게 설명할 수는 없지만, 기본적으로 그것은 물질에 자기장을 가했을 때 전자들의 진동 속에 생기는 공명을 감지함으로써 자유전자의 개수를 측정하는 장치였다. 우리는 그것을 사용하여 콜라겐과 인회석 속에 있는 자유전자의 수를 측정했는데, 역시 형광 실험에서와 같은 모순을 발견했다. 콜라겐과 인회석의 자유전자를 모두 합쳤을 때, 전체 뼈에서 발견한 것보다 그 수가 적었다. 이것은 어떤 도핑 물질이 씻겨 내려갔음을 분명히 말해주었다.

한번 거꾸로 해보기로 했다. 여러 가지 금속들을 조금씩 포함한 용액을 하나 준비했다. 다음에 콜라겐과 인회석 조각들을 담가 어떤 것에 달라붙는지 알아보았다.

이 실험 결과를 분석했을 때 비로소 실마리가 풀리고 있는 것을 느꼈다. 벨릴륨, 구리, 철, 아연, 납, 은 등 몇 개의 금속들만이 뼈에 결합되었다. 흡수된 모든 금속 원자들의 직경은 서로 약수와 배수를 이루고 있었다. 결합되는 지점은 은 또는 납의 한 원자, 철이나 구리 또는 아연의 두 원자, 또는 베릴륨 여섯 원자를 위한 은거지였다.

이 금속들 중에서 오직 하나만이 뼈의 전기적 성질에 영향을 줄 수 있을 만큼 많은 수의 자유전자를 갖고 있었다. 그 금속은 구리였다. 우리는 구리만을 넣은 용액을 준비했다. 우리는 구리가 콜라겐과 결합할 때 그 전자 상자기 공명 신호가 한 값이 되고, 인회석과 결합할 때 하나의 다른 값이 되리라고 예상했다. 둘의 분자 구조가 완전히 틀렸기 때문에, 둘은 각각 다른 방식으로 구리와 결합할 것이라 생각했다.

우리는 결과를 믿을 수 없었다. 결합 때문에 구리의 공명은 완전히 변했지만, 두 물질에 있어서의 변화는 똑같았다. 우리는 각 구리 원가 특정한 전하 패턴에 둘러싸인 채, 인회석 결정과 콜라겐 섬유표면의 구덩이에 끼여들어가는 것이라고 분석했다. 전하의 패턴이 두 물질에 있어서 같았기 때문에, 결합되는 곳이 양 물질의 같은 표면에 있고 그것들은 결정과 섬유를 연결시키는 늘어난 형태의 구멍처럼 배열되어 있을 것이라고 추론했다. 달리 말하면, 두 곳의 결합지점이 다시 연합해, 하나의 밀폐된 공간을 형성하면서 두 개의 구리 원자를 포함하는 것이었다. 이 구리 결합의 전기적 힘은 마치 나무못이 오래된 가구 부품을 서로 고정하고 있듯이 결정들과 섬유들을 결합하고 있었다. 더욱이, 못과 구멍의 전기적 성질은 우리가 이미 발견한 PN접합점 원자 수준에서의 정확한 위치를 표현하고 있었다.

이 발견은 의학적 의미를 띠고 있었다. 가장 안쪽의 인회석 결정이 어떻게 콜라겐에 결합하는가 하는 의문은 오랫동안 정형외과 학자들이 풀지 못한 숙제가 되어 왔었다. 이 발견은 또한 인회석 결정이 떨어져서 뼈를 퇴화시키는 골다공증을 이해하는 길을 열지도 몰랐다. 이 과정은 흔히 칼슘망실이라고도 불리는데, 사실은 칼슘보다 많은 것을 잃는 현상이다. 이것은 노화의 일반적인 특징이다. 나는 이 현상이 뼈에서 구리가 없어질 때 일어날 것이라고 추측했다. 이것은 화학적 • 신진대사적 반응에 의해서만이 아니라 전자기적 결합력의 감소에 의해 구리못이 '빠질 때'에도 일어날 수 있을 것 같았다. 그것은 몸 전체의 전자기장 변화로부터, 혹은 몸 주위를 둘러싸고 있는 환경의 전자기장 변화로부터 생길 수 있는 것이었다.

골다공증은 미국과 소련의 우주개발 계획에 있어 주요한 골칫거리였다. 우주선이 높이 올라감에 따라, 점점 더 많은 인회석 결정이 망실되는 것을 의사들이 발견했던 것이다. 초기 소련의 살류트 우주정거장 실험에서 뼈 손실은 거의 8퍼센트에 달했다. 인회석 결정 손실이 20퍼센트에 달해야 심각한 문제가 발생한다고 알려져 있기는 했지만, 그러한 경향은 위협적인 것이었다. 특히 손실이 20퍼센트 수준에 이르기 전에, 칼슘 저장소의 고갈에 의해 신경계와 근육의 효율이 타격을 받기 때문에 그러했다. 1971년 6월 말, 24일간의 우주비행에서 돌아오던 소유즈 11호의 세 우주인이 사망했다. 직접적인 원인은 우주선 안의 모든 공기가 빠져나가기 전에 고장난 차단 밸브의 기능을 회복시키지 못한 데 있기는 했지만, 근육 약화에 의한 무기력이 간접적 원인이었을지도 모른다.

우주비행에서의 골다공증은 우주선이 지구 자기장 속을 빠른 속도로 움직임에 따라 뼈에 유도되는 비정상적인 전류 때문이거나, 반궤도마다 계속되는 극성의 역전 때문일 수도 있다. 이 비정상적인 상황은 뼈 세포들의 활동을 직접적으로 변화시키면서 무중력 상태에서 영향을 받은 뼈의 전기적 시스템의 비정상적인 반응에 덧붙여지는 듯하다. 익숙치 않은 외부 장의 역전은 구리못을 약화시킬 수도 있다. 동시에, 뼈는 지구에서 무게에 의한 전위로부터 '반발'하는 신호, 즉 "무게가 없어, 따라서 뼈도 필요없어."라고 말하는 신호를 끊임없이 받고 있는 상태이다. 무중력에 의해 혈액이 좀더 균일하게 분포되면 심장에서는 혈액 과잉 상태로 인식한다. 따라서 유체와 이온들이 칼슘과 함께 혈액에서 제거된다. 그러나, 그 현상이 무중력 때문만은 아닌 듯하다. 우주실험실 우주인들이 고된 훈련을 하면서 그들의 뼈에 충분한 힘을 가하고 근육을 강화시킨 바 있었는데, 12주간의 훈련 끝에 뼈의 손실은 여전히 6.8퍼센트에 이르고 있었다.

소련은 1977년과 1978년 간에 있었던 소유즈 26호 비행 당시 이 문제를 해결했다고 주장했다. 이때 두 우주인이 살류트 6호를 타고 3개월 이상 궤도를 돌았다. 또다른 소련 우주인들이 211일 동안이나 무중력 상태에 있었는데, 골다공증으로 아무런 질병을 일으키지 않았다고 보고했고, 소련 우주 의료진의 간부인 올레그 가젠코는 3개월 후에 그 차이가 없어졌다고 말했다. 그러나, 이 주장은 나중에 공식적으로 부인되었다. 소련이 우주정거장 내에 지구 표면과 같은 장을 만들어 건강 악화를 방지하는 수단을 써온 바 있는데, 그것이 생각대로 잘 되지 않은 것 같았다. 앤디 바셋은 미국 우주인에게 팔다리의 정상적인 중력 스트레스 신호와 거의 같은 전자기장을 만들어 주는 혁피 코일을 부착시키자고 제안한 바 있는데, 여태까지 NASA는 전혀 관심을 보이지 않았다.

골다공증 환자들에게는 참 안된 일인데, 내가 구리못의 역할을 15년 전에 발견하여 발표했음에도 불구하고 후속 연구가 이어지질 못하고 있다. 찰리와 나는 그쪽 방향으로 연구를 계속하고 싶었지만, 주요한 연구를 동시에 둘씩이나 붙들고 있을 수는 없었다. 우리는 재생적 성장 제어가 우리의 일차적 목표라는 데 의견일치를 보고, 내키지 않지만 골다공증 연구를 포기했다. 전기가 뼈에서 성장을 제어한다는 새로운 지식으로 무장한 채, 우리는 신경으로 다시 돌아가서, 뼈에서 전류가 어떻게 재성장을 유도하는지 상세히 알아보기로 했다.

생명과 전기 #024