흥미로웠던 나노로봇공학자로서의 삶과 연구

김민준의 이너스페이스 - 나노로봇공학자, 우리와 우리 몸속의 우주를 연결하다
김민준.정이숙 지음 / 동아시아 / 2020년 9월

이 글에는 스포일러가 포함되어 있습니다.

평소 과학고전과 교양서를 적지 않게 읽어온 나에게도 생소한 분야가 있으니 바로 '나노공학', '나노로봇'의 세계다. 매체에서 4차 산업혁명이나 미래산업에 대해서 소개할 때마다 빠지지 않는 분야이기도 해서 개인적으로 너무 궁금했었는데 이번에 좋은 길잡이가 되어줄 책을 만났으니 바로 「김민준의 이너스페이스」다.

김민준 교수는 현재 서던메소디스트대학교 기계공학과, 전기·컴퓨터 공학과, 화학과에서 석좌교수로 마이크로·나노로봇 연구 분야에 있어 세계적인 권위자로 꼽힌다. 책의 제목은 초소형 잠수함이 사람이 몸속을 탐험하는 공상과학영화 <이너스페이스(1987)>에서 차용해온 듯 한데 그 역시 프롤로그에서 독자들이 이 책을 읽으며 "공상과학영화에 등장하는 작은 로봇이 현실에 존재할까? 어떻게 만들까? 어떤 모양일까? 어떻게 움직일까?"에 대한 답을 찾고 공학적 상상을 펼치길 기대한다고 밝혔다.

실제로 이 책에선 마이크로·나노로봇 연구의 학문적 계보와 김민준 교수의 연구 발자취를 차례차례 소개하고 있어 나노로봇의 과학적 원리와 기술적 배경, 발전 과정 등에 대해 상세하게 알 수 있었다. 나노로봇은 수십~수백 나노미터(nm) 크기의 극초소형 로봇을 말하는데, 일반적인 로봇과 달리 △ 혈액과 같은 인간의 체액 안에서 (헤엄쳐) 움직이고 △ 무기물과 생체 재료들의 생화학적 조작으로 만들어진다. 또한 △ 크기가 워낙 작기 때문에 자기장, 화학반응, 빛, 열 등 외부에너지를 이용하여 동력·추진력을 만들어내야 한다.

위와 같은 제약을 극복하기 위해 김민준 교수는 박테리아의 외형과 구조를 모방한 나노로봇을 개발했다. 박테리아의 편모는 물 속 수소이온을 에너지원으로 하여 비반복적으로 회전, 유체의 점성력을 최대한 활용하여 지그재그 형태로 헤엄치는데, 여기에서 김민준 교수는 나노로봇의 구동장치(엑츄에이터)로 박테리아를 이용하되 박테리아의 불규칙한 회전운동을 전기장(방향제어)이나 빛(출발과 정지) 같은 외부 자극을 통해 제어한다는 발상을 떠올린 것. 그렇게 개발한 '박테리아 동력 마이크로 로봇'에 △ 유전공학을 적용, 환경감지를 가능케하고 △ 외부 자기장을 실시간으로 3차원 조작할 수 있는 자동 제어 시스템을 제작하여 세포조작기술을 한단계 더 발전시키기도 했다.

그러나 박테리아를 이용한 마이크로 로봇에도 문제점이 있었으니 그것은 바로 '박테리아가 생산하는 파워가 아주 제한적이라는 것'이었다. 공학적으로 비효율적인 움직임을 극복하기 위해 새로운 미생물 세포가 엑츄에이터로 필요했고 김민준 교수팀이 새로 찾아낸 것이 '테트라하이메나 피리포르미스'(원형생물 세포)였다고 한다. 테트라하이메나의 운동역학을 (수학적 모델링을 통해) 분석하여 운동 제어 알고리즘을 만들고, 유체 안에서 전기장·자외선에 어떻게 반응하는지 관찰하고, 우연히 테트라하이메나의 '자기화'에 성공하면서 세계 최초로 '마이크로 사이보그(세포 기반 로봇)'을 개발하게 된다.

김민준 교수의 도전은 여기에서 멈추지 않았다. 인체에 무해하고 생물학적으로 적합하며 생화학적으로 쉽게 분해되는 물질을 이용한 나노로봇을 만들기 위해 새로운 공학적 설계 - 자성입자를 활용한 트랜스포머 나노로봇-를 고안했고 더 많은 환경지표분석이 가능한 나노로봇 개발을 위해 바이오 소재를 합성하여 로봇에 부착하는 방법을 개발하기도 했다.

김민준 교수팀의 끊임없는 나노로봇 개발과정을 지켜보며 자연을 관찰, 모방, 해석하여 연구를 창의적으로 설계해나가는 것, 우연한 발견을 과학 지식과 연결지어 새로운 문제해결방안을 찾아가는 방법 등이 너무나 흥미로웠다. 특히, 나노로봇 연구를 하기 위해선 다학제간의 협력과 융합적 지식이 필요한데, 그것을 가능케하는 미국대학들의 연구환경이 부럽기도 했고 인공지능, 3D 바이오프린팅 등 최신 과학기술과 나노공학이 어떻게 융합되는지도 알 수 있어 매우 유익했다.

그렇다고 이 책을 '나노공학', '나노로봇'에 대한 지식 차원에서만 읽기엔 아쉽다. 이 책의 첫 장에서 김민준 교수는 "자신이 30cm자가 없으면 책을 읽기 어려울 정도로 심한 난독증을 앓고 있다"고 고백했는데, 읽기'가 수월하지 않은 상태에서 어찌 하루다 다르게 업데이트되는 논문, 뉴스, 책 등을 읽고 동료 학자, 연구실 학생들과 커뮤니케이션하는 것이 가능했을까? 큰 불편함을 딛고 세계적인 학자가 되기까지~ 그의 삶 자체가 존경스럽더라.

또한 책을 읽다보면 그에게서 '끊임없이 질문하며 답을 찾아가는 실험주의자'로서의 면모를 발견할 수 있는데, 그것이 바로 과학자가 갖추어야할 덕목이라 느껴지더라. 나를 둘러싼 세계의 여러 문제들을 해결해나가는 과정 자체가 과학자의 연구와 크게 다르지 않기에, 책을 읽는 내내 김민준 교수의 삶의 태도를 배우고 싶다는 생각이 들기도 했다.

마지막으로 김민준 교수는 5장에서 나노로봇공학자로서 이제까지의 경험을 바탕으로 한 개인적 생각들을 짧게 요약하듯 써두었는데, 이는 4차산업혁명시대를 살아갈 우리들에게도 꼭 필요한 조언이 아닐까 싶더라. 실패를 통해 피어난 창의적인 생각들, 자연현상을 읽고 상상을 현실화하기 위해 필요한 도구로서의 수학과 과학, 동료학자, 학생들과의 협업을 통한 발전, 경쟁과 협업을 보장하는 국가적 연구환경, 동물과 환경을 고려한 임상실험의 미래 등 어느 하나 허투루 할 수 없는 현실적인 문제와 그것을 극복하기 위한 대안들을 담고 있었기 때문이다.

처음엔 나노로봇의 세계에 푹 빠져 읽기 시작했지만 나중엔 과학자로서 그의 연구와 삶에 감명받으며 마지막 페이지를 덮었던 책, 「김민준의 이너스페이스」. 나노공학, 나노로봇에 관심있는 청소년들, 과학자로서의 삶을 꿈꾸는 청소년들에게 권하고 싶다.

포스트코로나 시대를 생각하다

뉴노멀의 철학 - 대전환의 시대를 구축할 사상적 토대 ㅣ 코로나 팬데믹 시리즈 2
김재인 지음 / 동아시아 / 2020년 7월

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코로나19가 우리의 일상을 뒤바꿔놓은지 7개월째.

코로나19는 인류가 극복해야할 질병을 넘어 전세계적 정치, 경제, 사회적 변화를 가속화하는 트리거가 되어 우리 삶의 질서를 재편하고 있다. 이에 코로나19 팬데믹으로 인한 이슈들을 진단하고 포스트 코로나 시대를 예측하기 위해 여러 전문가들의 책들이 쏟아지고 있는데 그 중 눈에 띈 것이 바로 김재인 교수의 「뉴노멀의 철학」이다.

김재인 교수는 책의 서두에서 지금의 코로나19 사태를 '코로나 혁명'으로 명명하며 "현재 일어나고 있는 급진적인 변화는 서양 근대 체제의 변화와 함께할 것"이라 예측한다. 근대 이후 등장한 개인이라는 개념, 개인들의 연대로서의 사회와 국가, 자유·평등·박애·소유 등의 가치와 권리가 이제 새로운 사상들로 대체될 거라는 것이다. 사실 우리가 선진국이라 여기며 성공적인 국가모델로 삼아왔던 서유럽과 미국 등이 코로나19에 제대로 대처하지 못하고 사회적 갈등과 혼란에 휩싸이는 모습을 보며 모두가 예견했던 일일지도 모른다.

그렇다면 포스트 코로나 시대에는 어떠한 사상적 토대들이 뉴노멀(새로운 표준)이 될 것인가?

1장~3장에서 저자는 철학자들의 사상과 정치적 개념을 빌어 새로운 국가의 모습을 상상한다. 서양근대의 전통에서 '정부'란 일차적으로 전제군주정을 가리켰고, 정부에서 독립해서 개인의 자유를 확대하는 것이 중요한 과제였다. 그러나 우리는 코로나19 상황에서 자유란 인위적으로 조성된 환경, 즉 영토(국가) 안에서만 성립한다는 것을 경험했다. 국가들은 코로나19 확산을 방지하기 위해 (그간 신자유주의적 세계화 체제에서 무시해온) 국가간의 경계를 다시 강화하는 행태를 보였기 때문이다. 이 과정에서 연대와 차별, 공포와 혐오, 안전과 인권 등의 가치들이 서로 상충되며 사회적 갈등을 일으켰고 이 갈등을 극복해내는 과정에서 개인들은 (개인적 자유만을 우선시하기 보다는) 구체적 자유를 발현할 수 있는 공동체를 모색할 필요를 느꼈다. 이에 저자는 들뢰즈와 과타리의 영토 개념 및 노모스 개념을 빌어 앞으로의 정부는 자연적 인위로서의 국가, 초월적 강제성을 배제한 정부, 즉 탈 근대적인 개념인 '거버넌스'로 거듭날 것이라 보았다.

저자는 새로운 거버넌스의 형태에 대해서는 베네딕트 앤더슨이 말하는 '민족'의 개념을 빌어오기도 했다. 앤더슨의 '민족' 개념은 '운명공동체로서 구성원들의 수평적인 동지애 위에 세워진, 주권을 가진 정치 공동체를 향한 상상이라는 정치적 행위'를 말하는데 이 역시 탈식민주의·탈근대성의 산물이기 때문이다. (*민족은 번역어로서 발명된 것으로 식민주의에 저항하기 위해 필요했던 독특한 한국어 개념이다) 그러나 민족주의가 수구적 패권주의나 팽창주의로 향할 위험을 내포하고 있는만큼 민주적 거버넌스를 형성하기 위해서는 민주주의 성숙하게 지켜내야 함을 강조한다.

또한 저자는 홉스가 제안한 근대 계약론을 비판하며 흄의 윤리학-정치학을 옹호한다. '이성과 계산에 따른 계약은 허구이며 느낌의 동감(무엇을 지향하고 어떤 삶을 살고자 하는지)에서 비롯된 묵계를 통해 사회가 구성된다'는 흄의 시각에 동조한다. 코로나19로 인해 겪고 있는 위기경험을 바탕으로 새로운 전지구적 공동체를 그려야 한다는 것이다. 그러기 위해선 이제까지 서양 근대 국가를 지탱한 자유, 평등, 박애, 소유 등의 가치와 권리들을 재해석할 필요가 있다.

이어 4장부터 6장까지는 포스트 코로나 시대, 학문과 교육의 새로운 체계에 대해 다룬다.

사실 코로나19는 세계화를 막 완성한 자본주의의 여러 증상 중 하나일 뿐이다. 저자는 지금 우리가 처해있는 문제상황으로 감염병 대유행과 함께 인공지능, 기후위기 3가지를 꼽았는데 이에 대처하기 위한 새로운 학문적 체계와 교육과정이 필요하다고 역설한다.

저자는 가장 먼저 과학의 중요성을 강조했다. 과학을 '자연에 대한 인간의 앎, 그 앎에 도달하기 위한 태도'라 말하며 지금 우리가 처한 문제를 해결하기 위해선 누구나 과학적 지식과 태도를 가져야 한다고 말한다. 그러나 과학 또한 특정한 해석에 치우치는 '관점주의' 함정에 빠질 수 있다고 경고하며 비판적인 자세를 주문한다.

이어 서양 근대에 발명되어 20세기까지 유효했던 학문의 체계, 인문학·사회과학·수학·자연과학·공학·예술 등 전문성과 계열성을 중시하던 풍토는 사라지고 여러 학문들이 융합하는 '뉴리버럴 아츠 New Liberal Arts' 시대가 도래할 것이라 예측했다. 현재 우리가 직면한 문제들은 하나의 학문에서 답을 찾을 수 있는 것들이 아니기 때문이다. 각 학문의 역할을 이해하고 그것들을 바탕으로 새로운 솔루션을 구상해 나가야 한다.

또한 앞으로는 창조성이 중요한 역량이 될거라 주장했다. 창조성은 사회가 그것을 가치있는 것으로 받아들여야만 발현될 수 있기 때문에 창조적 실험의 위험성을 이겨내는 개인적·사회적 용기, 그것을 실천할 수 있는 자유가 전제되어야 한다. 그래야 사회 곳곳에서 창작활동이 이루어질 수 있기 때문이다.

마지막으로 세상의 변화속도가 매우 빠르고 변화규모 역시 커졌기 때문에 사람들은 생애에 걸쳐 지속적으로 새롭게 배우고 익혀야 할 것이다. 학습이 일상이 된다는 것. 학생들은 사회에 진출하기 전 학교에서 스스로 학습하는 법을 배워야만 한다.

사실 우리 사회엔 위와 같이 교육체계를 바꾸어 나가는데 있어 장애물들이 많다. 중등교육과정의 문이과 구분 교육, 전공 중심의 대학 교육 과정, 인문학 무용성 테제, 경쟁을 부추기는 사회정의 시스템 등을 차례차례 바꾸어 나가야 한다. 그 과정이 쉽진 않겠지만 포스트 코로나 시대를 대비하기 위해선 지금이 마지막 기회일 수도 있다.

우리는 지금 코로나 19로 닥친 경제위기, 그리고 정치사회적 변화가 휘몰아치는 중심에 서 있다. 당장 눈앞에 닥친 문제를 해결하는 것만으로도 힘에 부친다. 그러나 코로나19가 가져온 변화의 빠르기와 규모를 고려할 때 포스트 코로나 시대에 대한 사회적 논의를 더 이상 미룰 수는 없다. 김재인 교수는 이러한 논의의 훌륭한 발제자로, 이 책 「뉴노멀의 철학」은 우리가 주목해야할 논의 주제로서 훌륭한 역할을 하리라 믿는다.

해양과학자가 들려주는 남극탐사기

남극이 부른다 - 해양과학자의 남극 해저 탐사기
박숭현 지음 / 동아시아 / 2020년 7월

이 책에서 저자는 자신이 해양과학자가 된 과정, 지난 25년간 지구 곳곳의 바다를 누리며 해온 탐사 여정과 그 과정에서 만난 사람들에 대한 이야기를 들려준다. 또한 해양 탐험의 역사, 바다와 극지 연구를 통해 알 수 있는 지구의 특징에 대해서도 쉽고 자세하게 설명하고 있다.

저자는 대학원에서 지질학을 공부하던 중 우연한 기회에 해양연구소의 태평양 탐사에 참여하면서 해양과학자로서의 첫 발을 내딛었다고 한다. 해양학은 해류와 조석을 연구하는 물리해양학, 바닷물의 화학적 특성을 연구하는 화학 해양학, 바다에 사는 생물을 연구하는 생물해양학, 그리고 해저 지질을 연구하는 지질해양학으로 구분되는데, 저자는 지질해양학자로서 극지연구소에서 아직 탐사되지 않은 (극지 근처) 중앙 해령을 중심으로 암석을 채취, 분석하여 지구 맨틀과 판구조론을 연구해왔다.

왜 중앙 해령이었을까? 중앙해령은 해저 지각이 벌어지면서 상승한 맨틀이 용융되어 만들어진 마그마가 지표로 분출되는 곳이다. 분출된 마그마가 (지각을 뚫고 파고든 해수를 가열하여) 열수를 형성하고 이 열수가 지표로 재분출되며 그 안에 포함된 광물질이 침전되어 해저 광맥을 만든다. 이 열수에 포함되어 있는 에너지를 이용하여 살아가는 생명체들이 독자적인 생태계를 이루고 있는 곳이기도 하다. (이 곳에서 지구 최초의 생명체가 탄생했다는 가설이 지배적이다) 지구의 역사와 생물의 역사가 새겨져있는 매혹적인 곳인 셈이다.

사실 중앙해령은 전 지구적으로 분포하고 있지만 그 중의 1/3이 남극 지역을 둘러싸고 있다. 남극 근처 중앙해령은 유럽과 북미에서 멀어 연구가 많이 진행되지 않았고 거친 바다 환경 때문에 탐사가 극도로 힘들어 미지의 지역으로 남아있었다. 이에 우리나라는 극지연구소에서 2010년 경 쇄빙 연구선 아라온 호와 남극 장보고 기지를 갖추면서 탐사 여건을 마련했고 저자도 그 때부터 본격적으로 남극 근처 중앙해령 연구를 시작했다.

10여년에 걸친 연구기간동안 남극 중앙 해령 최초의 열수 분출구와 신종 열수 생물, 빙하기- 간빙기 순환 증거, '질란디아-남극 맨틀' 발견까지 저자와 그의 연구팀이 세계 최초로 발견한 성과만 해도 여럿. 정말 대단한 일이 아닐 수 없다.

저자의 생생한 탐사기를 읽으며 흥미로웠던 점이 너무나 많았는데, 먼저 다양한 탐사방법과 그에 사용한 장비들이 눈길을 끌었다. 망간단괴 표층 퇴적물 채취에 사용한 박스코어, 망간각과 열수 광상 지역의 암석 채취에 사용한 드레지, 열수 탐사를 위해 필요한 매퍼(해수의 탁도와 온도를 측정하여 열수 분출구의 위치를 추적하는 장치), 중앙 해령에서 암석 시료를 채취하기 위한 록코어 등 책에 실린 장비 사진들을 보고 있노라니 과학자들이 현장에서 어떤 방식으로 탐사하고 연구하는지 방법론에 대해 유추해볼 수 있었기 때문이다.

그리고 해양탐사는 우리나라 연구팀 단독으로 할 수 있는 것이 아니라 많은 사람들의 도움과 협업으로 이루어지는 점도 인상적이었다. 탐사에 필요한 장비 설계를 도와주고 서로의 연구결과를 공유하는 전세계의 과학자들, 출항지에서 예상치 못하게 생긴 문제들을 해결하는데 도움의 손길을 내민 현지 교포들, 탐사일을 최대한 확보하기 위해 여러 방면에서 힘쓰는 연구소 대원들, 변화무쌍한 날씨와 바다의 위험에서 안전한 항해를 돕는 선장과 항해사, 선원들의 도움까지~ 박숭현 박사와 그의 연구팀들의 성과는 이 분들의 도움이 없었더라면 이루지 못했을테다.

이외에도 탐사 여정에서 써내려간 저자의 감성적인 후기들도 인상적이었다. 마드리드에서는 프란시스코 고야의 그림을 생각하고 발파라이소에서는 파블로 네루다의 시를 떠올리고 하외이에 갔을 땐 서든 록을 찾아듣는 저자의 모습을 볼 때면 마치 여행작가의 에세이를 읽는 듯 했다. 특히, 그의 연구팀이 세계 최초로 발견한 열수 분출구의 이름을 김승옥의 '무진기행'에서 따와 '무진 열수구 지대'로 명명했다니~ 김승옥 작가 팬인 나로서는 괜시리 감동스럽더라는^^

이 책에는 저자의 탐사기 뿐만 아니라 지구과학적 지식도 광범위하게 포함되어 있어 유익했다.

저자는 탐사기 중간중간 해양학에 대한 다양한 지식들 - 대양의 순환, 판구조론, 기후변화(를 포함한 지구운동), 해저지형과 그 생성원리, 남극권의 특징, 해양탐사의 역사-을 쉽고 친절하게 설명해주고 있다. 4장 '바다에서 지구를 읽다'에서는 바다가 지구 환경과 인류의 삶에 얼마나 중요한 역할을 하는지 역설하고 있는데, 평소 바다에 대해 궁금했던 것들, 예를 들어 '바닷물은 왜 짠가', '망망대해에서 어떻게 위치를 알 수 있는가' , '남극과 북극은 어떻게 다른가' 등에 대한 해답도 얻을 수 있었다. 

우린 지구에 살고 있지만 아직 지구에 대해 아는 것이 많지 않다. 아직 지구에는 잘 설명되지 않은 흥미로운 현상과 문제들도 많다. 저자의 생생한 해양탐사기를 읽으며 우리나라 과학자들이 이를 밝히기 위한 해양탐사와 연구를 주도하고 있음에 감사하고 또 자랑스럽더라. 과거 대항해 시대의 탐사가 정복을 위해서였다면 지금 남극에서 이루어지고 있는 탐사활동과 연구들은 우리의 삶의 터전인 지구를 이해하기 위한 전지구적인 연대다. 이에 앞장서고 있는 박숭현 박사님과 연구팀께 박수를 보낸다.

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메이커스 주니어 01 : 피라미드 홀로그램 ㅣ 메이커스 주니어 1
메이커스 주니어 편집팀 지음 / 동아시아사이언스 / 2020년 5월

아이들 스스로 원하는 것을 만들고 그 과정을 다른 사람과 공유하며 배우는 활동을 '메이커 교육'이라 한다. 교수자가 일방적으로 지식을 가르치는 것이 아니라) 어린이가 직접 문제를 발견하고 그것을 해결하기 위해 아이디어를 고안, 직접 제작물(제품이니 장치)을 설계하고 만들어 활용해볼 수 있는, 스스로 지식을 탐구할 수 있도록 하는 교수법을 의미한다. 특히, 무언가를 직접 만들어보는 과정을 통해 과학, 기술, 공학, 수학, 예술 등의 지식을 통합적으로, 융합적으로 학습할 수 있어 미래교육의 하나로 주목받고 있다.  

개인적으로 메이커 교육에 관심이 있어 아이와 과학관 프로그램에 참여하기도 했었는데 아직 초등학생을 위한 메이커스페이스와 교육프로그램은 거의 없어 아쉬움이 컸는데, <메이커스 주니어>가 훌륭한 대안이 되어주었다.

<메이커스 주니어>는 매거진 1부와 제작키트 1개로 구성되어 있는데 창간호의 주제는 '피라미드 홀로그램'이다. <어른의 과학: 메이커스>가 마니아적인 주제, 미래기술을 다루고 있다면 <메이커스 주니어>는 좀 더 학습적인 내용을 담고 있는 듯 했다. 초·중등 과학 교과와 연계한 내용을 포함하기 때문.

'빛의 성질과 반사의 원리'를 응용한 '홀로그램' 장치를 직접 만들어보고 그것과 관련된 과학 원리를 상세히 설명해준다. 뿐만 아니라 해당 원리와 관련된 다양한 도구(장치)와 기술, 과학자, 역사 속 이야기까지 흥미로운 내용들이 가득했는데 마치 '빛'을 주제로 한 융합적인 콘텐츠를 한 번에 만나볼 수 있는 책 한 권을 보는 듯 했다. 

기존 과학잡지 키트보다는 전문적이고 융합적인 지식을 다루고 있어 유익했고 무엇보다 초등학교 시기에는 (인지발달단계를 고려할 때) 학습에 있어 구체물을 직접 조작해보고 관찰·실험해보는 것이 효과적인데 그 점에 있어서는 <메이커스 주니어>가 큰 도움이 될 것으로 보인다. 

감염의 전장에서 싸운 과학자, 그가 바꾼 세계사

감염의 전장에서 - 최초의 항생제, 설파제는 어떻게 만들어져 인류를 구했나
토머스 헤이거 지음, 노승영 옮김 / 동아시아 / 2020년 5월

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코로나-19 사태가 장기화되고 "앞으로는 감염병이 일상적으로 찾아올지도 모른다"는 불안감에 평소에는 잘 읽지 않았던 질병과 의약품에 대한 책들을 찾아보게 된다. 그 중 인상적으로 읽은 책 한 권이 바로 「감염의 전장에서」 이다.

이 책의 저자인 토마스 헤이거는 의학미생물학을 전공한 과학자로 현재는 과학저술가로 활발하게 활동하고 있다. 그는「아시모프의 과학기술 인명사전」을 읽던 중 파울 에를리히와 관련한 글에서 '게르하르트 도마크'라는 독일 병리학자를 발견했는데, 도마크에 대해 조사하면 할수록 설파제의 개발과 관련한 흥미로운 이야기들에 매료되었고 그가 현대 의학과 제약시스템에 끼친 영향력을 깨달았다고 한다. 그 이야기들을 한 권의 책으로 정리한 것이 바로 「감염의 전장에서」다.

도마크는 젊은 시절, 제1차 세계대전 우크라이나 전장에서 위생병으로 복무하며 가스 괴저로 죽어가는 수많은 전우의 모습을 목격했다. 당시 전장에서의 유일한 치료법은 괴저를 일으킨 부위를 절단하는 것. 야전병원에서 이루어지는 수술 자체가 엄청난 고통과 위험을 동반하는 것이었기에 도마크는 죽어가는 동료들을 지켜보며 추후 이 세균 감염병과 싸우는데 삶을 바치기로 결심했고, 전장에서 돌아온 후 대학에서 의학과 병리학을 공부하고 독일의 한 연구소에서 세균과 면역계에 대한 연구를 시작했다.

그러던 중 독일에선 거대 화학 복합 기업인 이게파르벤이 설립되었고 계열사 중 하나인 바이엘에서는 제1차 세계대전의 손실을 만회할 신규 의약품을 개발하기 위한 대규모 연구가 시작되었다. 의약품연구부문을 이끌었던 사람은 하인리히 회를라인. 그는 1927년 도마크를 바이엘로 불러들여 함께 각종 세균에 효과적인 화학물질을 찾기 위한 연구에 돌입했다. 도마크는 4년이 넘도록 3,000여가지 화합물을 시험했지만 뚜렷한 성과가 없어 절망하던 중 '아조 염료에 술파닐아미드를 결합한 화합물을 동물에 투여하니 연쇄구균에 감염된 쥐가 완벽하게 회복된다'는 결과를 얻었다. 다른 세포는 헤치지 않고 오로지 연쇄구균에만 작용하는 화합물을 찾은 것이다. 이것이 바로 설파제였다. (유황 sulfar를 포함하고 있어 설파제라 부른다)

인체에 설파제 효과를 시험할 기회는 1935년, 우연한 기회에 찾아왔다. 도마크의 여섯 살짜리 딸 힐데가르트가 바늘에 손을 찔렸고 운 나쁘게도 바늘은 살에 박힌 채 부러지고 말았다. 수술로 바늘은 빼냈지만 상처 부위에 고름이 생기고 나날이 상태가 악화되었다. 고열로 의식이 없어지자 의사는 급기야 팔을 절단해야한다는 끔찍한 처방을 내놓았다. 도마크는 실험실의 설파제를 가져와 딸에게 투약했고 얼마 지나지 않아 딸은 완벽히 회복했다. 인체에 해를 끼치지 않고 세균만 표적으로 삼아 공격하는 마법의 탄약이 탄생하는 순간이었다.

그로부터 1년 후 설파제는 당시 미국대통령이었던 루즈벨트의 아들을 죽음의 문턱에서 살려냈고 이는 유럽을 넘어 미국까지(세계적으로) 설파제 수요가 폭발적으로 증가하는 계기가 되었다. 이게파르벤은 물론 전 세계 제약기업이 비슷비슷한 구조의 설파제를 만들어 팔기 시작했고 적용가능한 질환도 연쇄구균 감염증 뿐 아니라 폐렴과 산욕열, 수막염으로 범위가 넓어져서 1941년에는 50만명이 넘는 사람들의 목숨을 구하기도 했다. (*당시 독일의 특허제도는 신규 화학물질 자체가 아니라 제조과정을 대상으로 했기 때문에 누구나 그 화학물질의 구조물을 새롭게 제조하는 법을 찾으면 또 다른 특허를 출원할 수 있었다)

이에 1939년 스웨덴의 카롤린스카 연구소는 이 기적의 약을 창조한 도마크에게 노벨 생리의학상을 수여했지만, 폴란드를 침공하며 제2차 세계대전의 불씨를 붙인 나치정권은 독일인의 노벨상 수상을 금지하는 명령을 내렸다. (9년 후, 세계대전이 끝나고 나서야 도마크는 노벨상 수상을 할 수 있게 된다)

설파제는 제2차 세계대전 전장에서도 맹활약하게 되는데, 독일군에서는 부상병의 상처부위에 붉은 설파제 가루를 뿌리는 처치만으로도 세균감염으로 인한 사망률을 현저히 줄일 수 있었다. 설파제를 대량으로 군수물자에 투입한 연합군 역시 1만명 가까운 이질 환자가 나왔으나 그 중 겨우 두 명만 사망하는 데 그쳤다. 미군 역시 제1차 세계대전에서는 폐렴 등의 호흡기 질환으로 5만여명이 희생자가 나왔었지만 제 2차 세계대전에서는 호흡기 질환으로 인한 사망자가 1,265명에 그쳤고 이는 설파제 보급이 주된 요인이었다고 공식 기록으로 남아있다.

설파제로 인한 문제가 없는 것은 아니었다. 미국에서는 약의 오남용으로 사람들이 사망하는 사건이 발생하기도 했는데, 이는 당시 허술한 의약품법과 관련이 있었다. 1906년 제정된 미국의 식품의약품법은 의약품의 제조, 판매, 처방 등에 대한 어떤 규제도 없었다. 당시 의약품법 위반을 감시하는 유일한 기관은 농업부 내 작은 부서인 화학국(현재 FDA)이었는데, 시장에 출시된 의약품 중 의심스러운 약물의 라벨, 오염 정도만 검사할 뿐이었다. 설사 문제가 있는 것으로 여겨지는 약의 경우에도 그것을 회수할 수 있는 규제가 없었다. 제약업은 1930년대 중엽 미국에서 네 번째로 큰 산업이었음에도 불구하고 미국인들은 스스로 진단하고 스스로 치료법을 결정하고 자신이 원하는 의약품을 어디에서나 구할 수 있었다. 현대의 시각으로 보면 이해하기 어렵지만 당시엔 그것이 관행이었다.

이런 잘못된 관행을 고치기 위해 농업부 장관 헨리 윌리스, FDA 수장인 캠벨 등이 앞장섰다. 그들은 모든 의약품에 대해 안전을 위한 실험 및 임상시험을 의무화할 것, 건강에 위험을 끼치는 것으로 밝혀진 모든 의약품을 시장에서 퇴출시킬 것, 의약품 라벨에 모든 성분을 표시하고 부작용을 경고하고 올바른 사용을 위한 지침을 제시할 것 등을 미국 의회에 요구했고 마침내 1938년 새로운 연방식품의약품화장품법이 제정되었다.

이렇듯 설파제는 1930년대 중반 기적처럼 등장해서 많은 생명을 구했지만 10여년 후 설파제에 내성이 생긴 세균이 등장하기 시작하고 새로운 항생제 페니실린이 개발되면서 점차 인기가 시들해져갔다.

이 책에서 소개한 설파제 개발과정, 그것의 확산을 둘러싼 이야기들은 흥미로울 뿐만 아니라 의약품과 관련한 역사에 시사하는 바도 큰 것 같다. 개인적으로 인상적인 부분들을 적어보자면,

△ 세균 감염 질병 시대를 개척하다

19세기 후반, 파스퇴르와 코흐를 비롯한 과학자들은 세균이 우리 몸에 들어와 증식하는 과정에 수많은 질병이 발생한다는 사실을 발견하였고 추후 디프테리아, 결핵, 탄저병, 폐렴, 파상풍, 콜레라 등 감염병의 원인균들을 찾아낼 수 있었다. 그러나 1920년대까지 인체 내에서 질병을 일으키는 세균만 없애는 방법은 알지 못했고 유일한 방법은 면역계와 관련 있을거라 예상할 뿐이었다. 백신과 혈청요법이 개발되었지만 질병에 따라 효능이 크게 차이났고 면역계의 작동 원리에 대해서도 충분히 밝혀지지 않은 상태였다. 효과적인 살균 성분, 페놀이 개발되었지만 페놀은 세균 뿐만 아니라 인체세포까지 파괴하기 때문에 외부 소독용으로 사용할 수 밖에 없었다. 그러나 설파제는 눈에 띄는 독성없이 인체에 특정 세균만을 없애주었으니 바야흐로 세균 감염 질병을 극복할 수 있게 된 것이다.

△ 염료 연구에서 화학요법 시대의 실마리를 발견하다

독일 의학자 파울 에일리히는 결핵환자의 병리조직을 염색하는 실험을 하던 중 우연히 결핵균만 선명하게 물들이는 염료를 발견하게 된다. 이는 결핵 진단을 간소화 시켰을 뿐만 아니라 '인체의 세포에 결합하지 않고 오로지 세균과 결합하는 염료가 있다면 세균만 파괴하는 화합물도 틀림없이 존재할 것'이라는 발상을 떠올리게 했다. 마침내 1904년 수면병 치료를 위해 개발한 트리판로트가 특정한 종의 파동편모충에 효과를 보이는 것을 발견하곤(아쉽게도 인간에겐 효과가 없었다) 오로지 세균만 공격하는 염료분자가 있을거라는 발상이 옳다는 것을 증명해냈다. 이후 수많은 실험을 반복하여 606번째 비소 화합물 살바르산이 (독성을 함유하고 있어 만병통치약은 아니었지만) 매독 치료에 효과가 있음을 밝혀냈다. 살바르산의 등장은 수없이 많은 다른 세균 감염증에 대해서도 화학요법을 통해 치료제를 개발할 수 있다는 가능성을 보여주었고 이는 설파제의 개발에도 큰 영향을 끼쳤다.

△ 도마크와 그의 연구팀은 근대적인 제약연구시스템을 만들었다

독일에선 살바르산 이후 뚜렷한 효능을 보이는 치료제를 찾기 어려워지자 화학요법에 대한 비관적인 전망이 고개를 들기 시작했지만, 그럼에도 불구하고 이 영역에 과감히 도전하며 10년간 막대한 자금과 인원을 투입한 이들이 있었으니 바로 바이엘사의 에를리히와 도마크 팀이다. 그들은 어떤 화합물에 약효가 있는지 하나하나 실험하고 가능성이 보이는 화합물을 발견하면 가설을 세우고, 뒷받침할 증거를 찾아 보완하고, 화합물을 개량해 설계하고 합성하는 과정을 반복하며 이상적인 화합물을 만들어갔다. 또한 동물 실험을 통해 면밀하게 효과를 기록하고 부작용을 체크하며 관련 데이터를 쌓아 분석했다.

다만 인체를 대상으로 한 시험 방식은 여전히 마구잡이식이었다. 1933년 당시에는 신약을 찾아낸 의사나 화학자가 자신이나 동료, 심지어 가족에게 시험하는 일이 비일비재했다. 유럽의 화학회사들은 대규모 인체실험을 하기 위해 종종 (자신들의 식민지였던) 아프리카에 갔다. 영국에선 병사들을 이용했고 미국에서는 죄수와 정신병원 입원 환자를 대상으로 시험했다. 당시엔 환자가 발생하면 의사가 화학회사나 판매상 등에 약물을 요청하고 정확한 투약 지침없이 (동물실험 데이터를 바탕으로 추정하여) 마구잡이로 투약하곤 했다. 사례는 개별적이었고 투여량은 제각각이었으며 결과는 소규모 학회나 무명의 학술지에 소개되는 것이 고작이었다.

설파제가 대규모로 생산되고 세계적으로 사용되자 부작용을 호소하거나 오남용으로 사망에 이르는 케이스들이 발생했고, 이는 위에서 언급했듯 의약품법 개정의 방아쇠를 당기게 된다. 의약품 효능판정은 과학의 진보, 그 중에서도 통계학이 제대로 자리잡은 후에야 의미있는 논의가 이루어질 수 있었는데 설파제가 그 첫걸음이었던 셈이다.

이외에도 이 책에선 제2차 세계대전 발발 당시 나치당에 협력한 기업과 과학자들의 말로, 설파제로 인해 달라진 2차 세계대전의 양상, 설파제를 둘러싼 과학자와 정치인들의 치열한 분투 등 흥미로운 에피소드들이 줄줄이 이어진다. 책장을 덮고나면 '의학사를 통틀어 가장 혁명적인 의약품이 설파제'라는 저자의 주장에 저절로 고개가 끄덕여질 정도.

감염의 전장에서 싸운 한 과학자의 삶, 그로 인한 세계사의 명장면들을 놓치고 싶지 않다면 이 책을 읽어보시길~