신기술 동향
저궤도 우주의학 연구 및 민간 산업 성장 동향
스페이스린텍 윤학순 대표들어가는 글
달, 화성 유인 탐사 시 미세 중력, 우주 방사선, 지구로부터 거리, 고립 등 극한 환경은 우주인의 생존과 건강에 위협이 되기에, 우주의학 연구는 필수적이다.
우주의학은 우주 미세 중력을 활용해 지상에서는 어려운 생물학적, 화학적인 변화를 일으켜 새로운 치료제 연구 및 생산을 가능하게 한다. 따라서 다양한 민간 기업과 메이저 제약 회사들이 도전하고 있다. 미세 중력과 우주방사선이 혼합된 저궤도에서 미국 NASA는 심우주 탐사에 필요한 의학 기술 확보에 더 집중하고, 민간은 미세 중력 환경을 새로운 제약 기술 개발을 위한 돌파구로 여기고 있는 양상이다. 이 흐름은 2017년 이후 다국적 제약사들이 우주정거장에서 수행하고 있는 다양한 제약 실험 사례로 확인할 수 있다(그림1).
이러한 글로벌 제약사들의 움직임은 2019년 NASA가 발표한 Commercial LEO Development Plan과 연동되어 있으며 민간 기업이 지상에서 한계에 부딪힌 신약 개발의 돌파구를 우주에서 찾으려는 동기에 부합한다. Commercial LEO Development Plan은 저궤도에서의 민간 산업 개발 및 경제 활동을 지원하기 위하여 수립되었으며, 아래의 다섯 항목을 주요 내용으로 담고 있다.
- 민간 소유 및 운영: 이 전략의 핵심은 민간 기업이 NASA를 고객으로 삼아 자체 우주정거장을 건설하고 운영할 수 있도록 하는 것이다.
- NASA 고객: NASA는 고객이 됨으로써 우주정거장 운영에 단독 책임을 지는 대신 연구, 우주인 훈련 및 기타 필요한 서비스를 구매할 수 있다.
- 국제 우주 정거장(ISS)에서의 전환: 이 계획은 국제 우주정거장의 점진적인 상업 플랫폼 전환을 지원하여 저궤도(LEO)에서의 인간 거주 및 활동의 연속성을 보장한다.
- 상업 경제 활성화: 궁극적인 목표는 우주 관광, 연구, 제조 및 잠재적 자원 활용등 강력한 저궤도(LEO) 상업 시장을 창출하는 것이다.
- 아르테미스 프로그램 집중: 저궤도(LEO) 운영을 민간 부문에 위임하고 NASA는 아르테미스 프로그램 및 기타 심우주 임무에 자원을 집중할 수 있다.
이러한 저궤도에서의 민간 경제 창출 및 우주 활용 움직임은, 2020년 SpaceX가 재사용 가능한 유인 우주선을 성공적으로 발사하면서, 그 가능성이 확인되었고, 저궤도 공간을 기반으로 한 시장 확대를 가속하고 있다. 우주의 생명 연구 및 제약 생산을 위한 시도들은 이러한 흐름에서 중심 분야로 여겨지고 있다. 최근 우주 미세 중력 환경을 활용한 제약 연구와 그 결과물들이 상품화되고, 다양한 임상 시험이 수행 중이다(그림2). 이렇게 의학 및 제약 관련 기술의 산업화가 진행되며, 후발 국가들 또한 이 분야에 접근하기 위한 다양한 시도를 하고 있다.
오랜 기간 축적된 기술과 인프라, 그리고 자본을 활용하여 시장을 형성하고 빠르게 점유해 가는 우주 선진 국가들과의 기술 격차를 줄이고 독자적 영역을 확보하기 위해, 후발 국가들은 면밀한 저궤도 진출 전략을 수립하여야 한다. 이 글의 목적은 저궤도에서 지금까지 진행된 주요 우주 의생명 연구와 동향을 짚어 보고, 국내 민간 기업들이 저궤도로 진출하고 그것을 활용하는 데 참고가 될 만한 내용들을 간략하게나마 제시하는 것이다.
1. 미세 중력 활용한 생명공학 및 제약 연구
저궤도 우주 공간 연구들의 핵심은 미세 중력 환경과 우주정거장 활용이다. 2020년까지 우주정거장 실험을 통해 1200개 이상의 미세 중력 관련 특허가 등록되었다. 우주 미세 중력은 지구에서는 실현하기 어려운 생물학적·화학적 현상들을 가능하게 하며, 지상에서 질병 치료 시 난제를 해결할 수 있도록 기술 혁신을 이뤄 내고 있다. 그리고 우주의학 연구는 새로운 패러다임 제시라는 과학적 가치뿐만 아니라 미래 세대의 주요 산업군이 우주 제약 분야로 형성될 것이라는 경제적 가능성 또한 입증하고 있다.
2016년부터 민간 기업에서 우주정거장(ISS)을 사용할 수 있게 됨에 따라, 약동학 및 약물 전달 시스템 연구 등 다양한 제약 관련 연구가 우주에서 진행되고 있다. 민간 기업들은 우주공간을 활용한 기술 개발과 혁신을 통해 신약 개발 경쟁 우위 확보 및 브랜드 홍보 효과를 기대하며, 활동을 늘려가고 있다. 2021년 기준으로 우주의학 산업을 선도하는 주요 기업들이 세계적으로 분포되어 있으며, 우주정거장을 활용한 연구에 참여하는 기업 수는 꾸준히 증가하는 추세다(그림3). 최근 우주에서의 성공적인 의생명 연구 사례들은 우주의학 분야에서 조만간 실질적인 성과 모델이 등장할 가능성을 보여주고 있으며, 지난 약 10년간의 우주정거장 의생명 주요 연구 분야를 정리해 보면 다음과 같다:
- 항암 약물 제조 및 전달법 개발
- 퇴행성 뇌질환 치료법
- 질병 원인 규명 및 수명 연장
- 유전자 변형, 줄기세포, 장기 성장 등의 재생의학
이 중 대표적인 사례는 글로벌 제약사 Merck가 블록버스터 항암제인 키트루다를 미세 중력 환경에서 고순도 단백질 결정 형태로 성장시키는 데 성공한 것이다. 이러한 성공은 현 제약 기술의 주요 흐름인 제형 변경이 우주 미세 중력 환경에서 가능하다는 것을 보여 주었으며(그림4), 이는 환자 치료 효과 향상과 비용 절감, 치료 편의성 증대에 크게 기여했다. 이 외에도 Eli Lilly, Bristol Myer Squibb, AstraZeneca 등의 글로벌 제약사들과, MicroQuin, LambdaVision 등의 중소 제약사들도 새로운 항암제, 당뇨 치료제, 인공 망막 개발 실험에 참여하고 있다.
또한 Michael J. Fox Foundation은 새로운 파킨슨병 치료제 개발을 위한 궤도 실험을 지원하고 있으며, 일본의 JAXA는 우주정거장에서의 단백질 결정 실험을 통해 얻은 상세한 단백질 구조를 Taiho Pharmaceuticals에 제공하여 새로운 듀센 근이영양증 치료제 개발이 가능하게 되었다. 이 치료제는 지난 2024년 12월 임상 3상 시험에 들어갔으며, 실험을 성공적으로 마칠 경우, 환자들에게 새로운 희망을 가져다 줄 것으로 여겨진다(그림5).
2. 저궤도 우주의학 연구 플랫폼
저궤도에서는 안정적인 미세 중력 환경을 제공할 수 있고, 이를 활용한 정밀하고 장기적인 생명과학 연구가 가능하다. 이러한 우주 미세 중력 실험은 크게 우주정거장과 저궤도 위성 활용, 두 가지 방식으로 나뉜다. 우주정거장 실험의 경우 우주인이 직접 참여할 수 있고 실험 환경이 안정적인 것이 장점이다. 저궤도 위성 활용 시에는 극심한 온도 변화, 우주방사선 차단 등이 연구 준비 과정에서 문제가 될 수 있기 때문이다. 또한, 샘플의 지구 귀환 가능 여부, 실험 기간, 비용, 연구 목적과 활용 가능한 자원에 따라 두 방식 중 선택할 수 있고, 실험 플랫폼 또한 다르게 설계된다.
2-1. 우주정거장 우주의학 연구 플랫폼 개발 현황
최근 몇 년간 저궤도 우주공간상 의생명 연구가 활발해지면서, 다양한 우주의학 플랫폼이 개발되고 있다. 이러한 플랫폼들은 실험 목적에 맞도록 모듈들이 설계된 후 각종 지상 시험을 거쳐 우주 실험을 준비하게 된다(그림6). 우주 실험은 우주정거장에서의 우주인 활동 유지를 위한 NASA의 Commercial Resupply Services (CRS) mission과 연동된다. 위성을 활용한 실험은 이러한 제약으로부터는 자유로우나, 우주정거장에서 제공되는 설비나 인력 지원 없이 모든 실험을 독자적으로 원격 수행해야 하는 부담을 가지게 된다. 또한 샘플의 지구 귀환 수단이 별도로 제공되어야 한다는 점이 현재로서는 위성 활용 연구에 상당한 제한을 주고 있다.
위와 같은 각각의 특징을 반영하여, 다양한 연구 플랫폼이 제공되고 있으며 국가별로 민간 플랫폼 제공 기업들은 아래와 같다(표1). 이러한 기업들은 과거의 정부 주도 우주 의생명 연구 활동에서 벗어나, 민간이 독자적으로 연구 활동을 할 수 있게 하고, 생태계 형성 및 경제 규모를 확장시키는 데 크게 기여하고 있다. 민간 수익 구조가 형성되어 감으로써, 글로벌 제약 회사, 각종 기관들에 다양한 실험 목적에 따른 맞춤형 플랫폼을 제공 가능해졌고, 저궤도 공간에서의 미세 중력 활용 영역도 확대되고 있다.
| Redwire | 미국 | ISS 기반 다양한 우주의학 실험 모듈 제공 |
| Voyager Technologies | 미국 | ISS Nanode를 통한 우주의학 실험 서비스 제공 |
| Space Tango | 미국 | Tango Labs 모듈 제공 |
| Techshot | 미국 | 생명과학 실험 모듈 이송 |
| Space Application Services | 벨기에 | ICE Cubes 실험 모듈 제공 |
| ISIS | 네덜란드 | CubeSat 플랫폼 제공 |
| SpacePharma | 이스라엘 | ISS, 위성기반 의학실험 플랫폼 제공 |
| Space LiinTEch | 한국 | ISS, 위성기반 의학실험 플랫폼 제공 |
| Space-BD | 일본 | ISS KIBO 기반 의학실험 플랫폼 제공 |
2-2. 위성기반 우주의학 플랫폼
우주정거장에서의 우주의학 연구 이외에도 NASA는 오랜 기간 무인·원격 조절형 CubeSat 실험 플랫폼을 통해 저궤도 생명과학 연구를 지속적으로 확장하고 있다. 2006년 GeneSat-1을 시작으로, 다양한 생물학 실험이 가능한 CubeSat들을 개발해왔으며, 위성 기반 연구의 특성상 모든 실험은 자동화되어 수행되었다, 가장 최근의 BioSentinel은 심우주 궤도에서 방사선의 생물학적 영향을 분석하기 위해 개발되었으며, 심우주 생명과학 연구의 새로운 장을 여는 실험으로 평가받고 있다.
| GeneSat-1 | 2006 | 3U | 유전자 발현에 대한 미세중력 영향, 12-well 카드, LED 감지 |
| PharmaSat | 2009 | 3U | 항진균 반응 연구, 48-well 카드, 3-LED 센서 |
| O/OREOS SESLO | 2010 | 3U | 미세중력 및 저궤도 방사선 영향, 다중 시간대 활성화 |
| SporeSat | 2014 | 3U | 칼슘 수송 연구, 인공중력, 랩온어칩 기술 |
| EaAMSat | 2017 | 6U | 항생체 반응연구, 가변투여 시스템 포함 |
| BioSentinel | 2021/2022 | 6U | 심우주 방사선이 DNA에 미치는 영향, 효모 탑재, 288-well 카드, LET 분광기 포함, ISS 대조 실험 병행 |
우주정거장에서의 의학 실험은 우주정거장의 우주인의 수용 한계와 높은 비용으로 제한적이다. 이러한 상황으로 인해, 연간 신청되는 300여 연구 중 10% 정도만 실제 수행되고 있다. 그리고, 이렇게 선정된 실험 또한, 복잡한 실험을 수행하기 위해 우주인의 훈련이 필요하고, 실험 준비에 많은 시간이 소요되는 문제가 상존한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 민간 플랫폼 제공 업체들은 원격·자동 조절형 실험 모듈들을 개발하고 있으며, 지상과 궤도 실험을 통해 상업화 가능성을 검증해 가고 있다. 2024년 미국 Varda사가 저궤도에서의 제약 생산물을 지상으로 회수한 것은 가장 큰 성공 사례다(그림7).
다른 하나의 사례로는 이스라엘의 SpacePharma를 들 수 있다. 2017년 SpacePharma가 개발한 SPmgLab의 경우 박테리아 성장, 항체 반응, 효소 작용, 나노 입자 분석, 결정화 과정 등에 사용되고 있으며, 4개의 실험 장치, 2개의 reservoir 카세트, 현미경 및 분광기등을 내장하고 있다. SPadLab의 경우는 Plug-n-Play 방식과 Micro-/Mill-fluidic 제어 방식을 특징으로 하고 있으며, 온도 조절, 형광 측정을 할 수 있다. 또 스펙트럼 분석(300-1000nm)과 형광 현미경을 통해 8배까지 확대 이미지를 얻을 수 있다(그림8).
SpacePharma는 SPadLab 기술을 바탕으로 무인 원격 생산 위성 모듈을 개발하고 있으며, 미세 중력 환경에서 생산된 제품은 지상에서 활용이 가능할 것으로 예상되고 있다. 특히, 의학용 단백질 결정 성장 기술은 환자 이식용 신경세포 및 피부조직 생장을 목표로 하고 있다.
2-3. 우주정거장 동물 실험 플랫폼
미국(NASA), 유럽(EU/ESA), 일본(JAXA)은 국제우주정거장 내 각각의 독자적인 실험실에Destiny, Columbus, Kibo 등 모듈을 접속해 실험 환경을 확장하고, 다양한 동물실험을 진수행하고 있다. 각국은 실험 목적에 따라 이송, 사육, 실험 조건에 맞는 특수 모듈을 개발해 운영하고 있으며, 대표적인 동물실험 모듈은 다음과 같다:
1) NASA - Animal Experiment Module(AEM)
이 실험 모듈은 NASA Ames Research Center에서 개발되었으며, 최근까지 약 27회 임무를 수행하였으며, 골밀도 측정 모듈들을 추가하며 그 활용을 넓히고 있다. 이 실험 장치는 동물의 이송, 사육, 실험, 귀환까지 전 과정의 관리를 위해 필요하며, 전원, 조명, 공기정화, 물·사료 등이 공급되며, 온습도 또한 자동으로 조절되고 모니터링된다. 모듈에 장착된 비디오를 활용하여 동물의 행동(수면, 섭취, 그루밍 등)이 관찰 가능하다(그림9).
2) ESA의 Mouse Drawer System(MDS) 실험 모듈
European Space Agency(ESA)가 개발한 Mouse Drawer System(MDS)은 두 개의 환기 가능한 케이지와 소형 마우스 쉘터로 구성된 동물실험 모듈이다. 환경 제어 기능을 통해 온도, 습도, CO₂, NH₃ 등의 조절이 가능하며, 우주인이 주기적으로 케이지를 청소해 환경을 유지시킨다(그림10). 생쥐 6마리까지 수용이 가능하고, 최대 91일간 실험이 이루어졌다. 이 모듈은 장기 실험에 적합하지만, 수용 능력에 한계가 있어 대규모 실험에는 제약이 있다.
3) 일본 JAXA의 Mouse Habitat Unit (MHU)
JAXA가 개발한 Mouse Habitat Unit(MHU)은 국제우주정거장의 KIBO 모듈에서 작동하도록 설계된 동물실험 장치이다. 원심력 발생 장치가 내장되어 있어, 미세 중력 환경에서도 centrifuge를 통해 다양한 중력 조건을 유도하고 조절이 가능하다(그림11). 이를 통해 중력의 영향을 비교·분석 가능하도록 세밀하게 실험을 설계할 수 있어, 우주 중력 변화에 따른 생명체 반응을 정밀하게 연구하는 데 매우 유용한 모듈이다.
2-4. 인공위성을 활용한 무인 자동 동물실험 플랫폼
우주정거장에서 진행하기 어려운 우주방사선에 대한 동물실험은 위성을 활용하여 진행하고 있으며, 그중 가장 대표적인 것이 Bion-M1 프로젝트이다. Bion-M1 프로젝트는 2013년 4월에 지상 575km 상공에서 30일간 진행되었으며, 45마리 쥐, 18마리 몽골리안 저빌, 15마리 도마뱀, 달팽이, 물고기, 원생생물 등을 위성에 탑재하여 실험을 진행하였다. Bion-M1 위성은 생명 유지 장치(먹이·물 공급, 온습도 조절, 공기 환기 등)와 데이터 처리 시스템, 비디오 및 센서 장비를 갖추어 동물의 행동과 생리학적 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하였다.
Bion-M1 프로젝트는 장기간 우주 체류와 생명 유지 장치의 이상으로 많은 실험동물(쥐, 몽골리안 저빌)을 잃는 문제가 발생했다. 이를 바탕으로 실험 설계가 개선되었고, 2023년 8월 Bion-M2 프로젝트를 위한 위성이 Van Allen Belt로 보내졌다(그림12).
Bion-M2 프로젝트는 75마리의 쥐를 탑재하여, 지구 상공 800~1000km, Van Allen Belt 내부의 강한 우주방사선 환경에 위치시켜, 우주정거장에서는 불가능한 극한 환경 실험을 수행하도록 설계되었다. 주요 실험 항목들은 다음과 같으며, 이 프로젝트는 우주 의생명 연구의 새로운 지평을 여는 실험으로, 위성 기반의 자동화 실험이 갖는 독립성과 확장성을 잘 보여준다.
- 골수 세포의 단일세포 분석
- 우주비행 및 재적응이 근육·골격에 미치는 영향
- 동맥·정맥 혈관 반응 분석
- 장기 체류가 생식 건강에 미치는 영향
- 심장 기능 이상 관련 바이오마커 연구
- 신경혈관 재형성과 망막혈관 장벽 기능 변화
- 혈장 단백질의 프로테오믹 분석
- 조직 건강에 대한 장기 재적응 메커니즘
- 체온 조절 및 골격 재적응의 시간 경과 분석
3. 저궤도 활용 우주의학 산업 생태계 성장 전략
우주 의생명 연구의 핵심은 미세 중력 환경의 활용에 있다. 우주에서는 지구와 다른 방식으로 생화학적 반응이 일어나며, 세포·조직 성장, 장기 재생, 생리학적 변화 등 지구에서는 관찰하기 어려운 현상들이 나타난다. 이는 질병의 원인과 진행 과정에 대한 이해를 높이고, 새로운 치료법 개발로 이어질 수 있다. 이러한 산업 활용 가능성으로, 저궤도 활용을 둘러싼 우주 선도국 간 치열한 경쟁이 이루어지고 있지만, 한국은 아직 우주정거장 거점 접근에 제한적이다. 따라서 한국은 저궤도 우주의학 및 제약 산업 민간 생태계 조성을 위한 적절한 전략 수립과 전방위적 지원이 필요한 시점이다. 특히 기초 연구 기반이 취약한 상황에서 산업화를 목표해야 하는 상황에 다음과 같은 준비가 절실하다:
- 우주기술과 의학기술의 융복합, 거버넌스 체계 구축
- 민간 산업 성장을 위한 우주거점 및 플랫폼 기술 마련
- 우주의학 및 제약 연구 및 생산을 위한 전문 인프라 확보
- 다학제 인력 양성 및 교육
기술 개발에서 시장 진입까지 장기간의 투자와 고비용이 수반되는 우주 의생명 분야의 특수성과, 선진국들이 주도하고 한동안 독점하게 될 저궤도 연구 시설에 대한 접근 제한은 산업 성장에 커다란 장애 요인으로 작용할 것이다. 이러한 특성을 고려할 때 다음과 같은 단계적 성장 과정이 예상된다.
1단계: 기존 플랫폼 기술들을 활용한 실험 경험 축적
- NASA, ESA, JAXA 및 민간 기업들이 제공하는 검증된 실험 플랫폼을 활용
- 기존 플랫폼 기술들을 바탕으로 기술적·운영적 노하우 확보
- 국제 협력을 통한 지식 공유 및 자체 역량 강화
2단계: 자체 플랫폼 기술 및 저궤도 거점 확보
- 상업용 우주정거장을 활용한 독자적인 플랫폼 기술 확보
- 회수가 가능한 위성 기술 확보
- 국책연구기관과의 협력을 통한 중형·대형 플랫폼 기술로 확장
- 점진적 기술 고도화를 통한 독자 우주 거점 확보를 통한 자립형 우주제약 생태계 구축
이러한 단계적 전략은 우주항공청이 마련한 우주탐사 로드맵과 연동되어 우주 선진국들과의 기술 격차를 빠르게 줄이고, 우주 의생명 분야에서 산업화와 글로벌 경쟁력 확보를 위한 기반을 마련하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다(그림13).
