최근 젊은 층을 중심으로 건강한 식단과 생활 습관 관리로 신체의 노화 속도를 늦추는 저속노화 열풍이 불고 있다. 미국 실리콘밸리 CEO들은 영생을 꿈꾸며 생명공학 기업에 투자하거나 각종 건강 관리 요법을 실행한다. 이런 바람대로 인간은 노화 현상을 늦출 수 있을까? 늙지 않고 계속 살 수 있는 날이 올까? 그 답을 찾으려면 생명체의 생존 메커니즘부터 알아야 한다. 《저속노화를 위한 생물학》은 에너지공학과 전기화학을 바탕으로 생명체의 생존 메커니즘을 에너지의 관점에서 알아본다. 물리화학을 전공한 저자는 생명에 관심을 가진 후로 관련 분야를 공부하면서 생명체의 생명 활동과 생존을 결정하는 가장 중요한 요소는 에너지 대사라는 결론을 얻는다. 에너지 대사란 생명체가 생명 활동을 유지하기 위해 필요한 에너지를 얻고 사용하는 과정이다. 이 책은 생명체의 공통조상인 루카에서 시작하여 ATP, 미토콘드리아, 자가포식 같은 생명활동과 관련된 과학적 주제를 흥미롭게 풀어내며, 생명체가 어떻게 에너지를 얻고 사용하는지 그리고 이 과정이 어떻게 우리의 탄생과 성장, 노화와 죽음에 영향을 주는지 자세하게 설명한다. 또한 《저속노화를 위한 생물학》은 유전자 편집 같은 의학기술, 인간과 기계를 결합한 사이보그 같은 과학기술의 발전이 수명 연장과 무병장수를 실현할 수 있을지 살펴보고, 이 과정에서 생기는 윤리적 문제까지도 숙고하게 한다.

들어가며 1장 모든 생명체의 근원, 루카 2장 모든 생명체의 배터리, 아데노신 삼인산 3장 빛에서 에너지를 얻는 남세균의 등장 4장 세균 간 공생을 통한 진핵 생명체의 탄생 5장 인체의 에너지 발전소, 미토콘드리아 6장 우리 몸을 형성하는 단백질 7장 단백질 합성 과정을 밝힌 센트럴 도그마 8장 프로그램된 세포사멸: 세포 자연사 9장 생명체가 에너지를 얻는 또 다른 방식: 자가포식 10장 인체에서 에너지를 가장 많이 사용하는 뇌 11장 유전자 조작은 만병통치약이 될 수 있을까? 12장 궁극적으로 인간의 수명을 늘릴 수 있을까? 저속노화를 위한 생활 팁 나오며 참고자료

루카는 단세포 원핵 생명체였을 겁니다. 현재의 분류법에 따르면 아마도 세균이나 고세균이었겠죠. 이런 원핵 생명체는 세포분열을 통해 자기복제를 합니다. 그래서 생명체의 개수를 증가시킬 수 있죠. 그런데 이런 세포분열은 물리학적으로 보면 상당히 이상하고 경이로운 일입니다. 똑같은 물체가 두 개 생기니까 ‘질서도’가 증가하는 방향으로 현상이 진행된 것이죠. 세균이 자기복제를 계속해 똑같은 세포가 지속적으로 증가하면 질서도가 지속적으로 증가하는 것이죠. 콩과 팥이 섞이는 것이 아니라 콩만 계속 한곳으로 모이는 것과 같은 일이 일어나는 것입니다. 즉 엔트로피가 감소하는 방향으로 진행하는 것입니다. -19쪽

그렇다면 생명체는 어떻게 에너지를 얻어 움직이거나 소리를 내거나 열매를 맺는 것일까요? 생명체에도 전지(배터리) 같은 것이 있어 생명체를 작동하게 만드는 것일까요? 우리가 생각하는 전지는 아니지만 생명체에도 비슷하게 작동하게 만드는 물질이 있습니다. 바로 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)이라는 물질인데요. 이름이 길어 줄여 ATP라고 부릅니다. 이 ATP는 모든 생명체에 배터리처럼 작동하는 에너지원입니다. 미생물, 식물, 동물, 심지어 인간도 이 ATP라는 에너지원을 통해 생명 활동을 합니다. -30쪽

미국 생물학자 린 마굴리스(Lynn Margulis)는 1967년 논문을 통해 진핵세포의 미토콘드리아와 엽록체가 독립적인 세균이었고 서로 공생하면서 진화했다는 공생설을 주장했습니다. 공생설은 진핵세포가 단순한 원핵생물들이 서로 공생관계를 통해 복잡한 세포로 진화했다는 이론이죠. 공생설에 따르면 20~25억 년 전 산소 농도가 증가하는 초기 지구에서 호기성 세균이 산소를 사용하는 대사 능력을 갖추게 되었고 이 호기성 세균 중에 프로테오박테리아가 고세균과 같은 혐기성 원핵생물 중 메탄생성 고세균에 의해 흡수되어 공생관계를 이루었다는 것입니다. -60쪽

미토콘드리아는 세포 내에서 에너지를 생성하는 주요 기관으로 생명체의 에너지 대사에서 핵심 역할을 합니다. 미토콘드리아의 에너지 대사는 주로 호흡 과정을 통해 이루어지며 이를 통해 모든 생명체의 에너지 화폐인 ATP를 생성하죠. 구조를 살펴보면 미토콘드리아는 외막과 내막 두 개의 막으로 둘러싸여 있습니다. 외막은 비교적 투과성이 높아 작은 분자들이 자유롭게 통과할 수 있고 내막은 매우 선택적인 투과성을 가지며 크리스타(crista)라는 주름을 통해 표면적을 확장해 효율적인 에너지 생산을 할 수 있는 형태입니다. 내막과 외막 사이에는 막 사이 공간(intermembrane space)을 가지고 있죠. -73~74쪽

크릭은 DNA에서 RNA를 통해 단백질을 합성하는 일방향(한쪽으로만 진행되고 반대쪽으로는 진행되지 않는) 프로세스를 통해 생명현상이 발현된다는 ‘센트럴 도그마’ 개념을 제시했습니다. 훗날 이 개념은 DNA가 복제를 하고 복제된 DNA의 일부를 틀로 삼아 RNA가 전사되며 RNA를 통해 번역과정을 거치면 단백질이 합성된다는 센트럴 도그마 이론으로 발전했는데, 이 이론은 생명체의 생명현상에서 근본적인 매우 중요한 개념입니다. -109쪽

리소좀의 또 다른 역할 중 하나는 자가포식(autophagy)입니다. 자가포식은 세포 내에서 손상되거나 오래된 소기관을 리소좀에서 분해하는 과정으로 영양분이 부족할 때 세포 내 물질 중에서 불필요하거나 기능이 떨어진 미토콘드리아 같은 소기관 등을 먹어 재활용하는 것이죠. ‘먹는다’라는 표현이 좀 이상하지만 그 과정을 살펴보면 ‘먹는다’라고 표현한 이유를 알 수 있습니다. 그래서 세포가 자신을 먹는다는 뜻의 자가포식이라고 부르죠. -142쪽

현생 인류인 호모 사피엔스는 ‘현명한 인간’이라는 뜻입니다. 말 그대로 지적능력이 뛰어난 종이 탄생한 것이죠. 에너지적 측면에서 볼 때 뛰어난 지적능력을 유지하는 것은 쉽지 않습니다. 지적능력을 발휘하기 위해 작동하는 신경세포의 집합체인 뇌가 많은 양의 에너지를 사용하기 때문입니다. 일반적으로 뇌는 신체 내 다른 장기들에 비해 매우 높은 수준의 에너지를 소비하는 것으로 알려져 있습니다. 뇌는 전체 체중의 약 2퍼센트를 차지하지만 기초대사 에너지의 20퍼센트 내외를 사용합니다. 물론 달리기나 근육운동을 할 때는 단기적으로 신체에서 많은 에너지를 사용하지만 평소에는 뇌가 신체에 비해 월등히 많은 양의 에너지를 사용하죠. -156쪽

아직 개념이 명확하지는 않지만 사이보그 기술 개발의 목표는 대부분 인간의 근본적인 신체적 한계를 넘어서는 기술 개발입니다. 이러한 개념을 인간 증강(human augmentation)이라고 하는데 기술을 활용해 인간의 신체적, 인지적, 감각적 능력을 확장하거나 향상한다는 개념입니다. 이와 더불어 최근 인간의 뇌와 컴퓨터를 직접 연결하는 연구도 진행 중입니다. 이 분야의 대표적인 회사가 바로 일론 머스크가 세운 뉴럴링크죠. 뉴럴링크는 인간의 뇌 속 신경세포의 전기신호를 디지털 정보로 변환하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 목표가 달성되면 우리가 머릿속으로 생각만 해도 컴퓨터를 작동할 수 있게 되죠. 마찬가지로 스마트폰과 로봇도 제어할 수 있습니다. 이러한 목표를 위해 뇌에 이식할 수 있는 초소형 신경 인터페이스 칩을 개발 중인데 이 칩 안에는 머리카락보다 얇은 섬유 전극이 들어 있고 신경세포와 연결되어 신경세포의 전기신호를 읽고 전송할 수 있습니다. -188~189쪽

에너지공학자의 관점으로 정리한 저속노화와 무병장수의 꿈 최근 젊은 층을 중심으로 식단과 생활 습관을 관리하여 신체 노화 속도를 늦추는 저속노화 열풍이 불고 있다. 저속노화 열풍에는 단순히 수명을 늘리는 것이 아니라 최대한 건강하게, 천천히 늙고 싶다는 바람이 담겨 있다. 여기서 더 나아가 미국 실리콘밸리의 성공한 CEO들은 영생을 꿈꾸며 생명공학 기업에 투자하거나 온갖 건강 관리 요법을 실행한다. 사람들의 이런 바람대로 인간은 노화 현상을 늦출 수 있을까? 늙지 않고 계속 살 수 있는 날이 올까? 그 답을 찾으려면 생명체란 무엇이며, 우리 몸은 어떻게 작동하는지 생명체의 생존 메커니즘을 알아야 한다. 《저속노화를 위한 생물학》의 저자는 물리화학을 전공하고 한국에너지기술연구원에서 근무하고 있는 에너지공학자다. 50대에 접어들며 생명에 관심을 가지기 시작한 저자는 책과 연구자료들을 공부하며 자신의 전공과 생명체의 생명 활동이 깊은 관련이 있다는 사실을 깨닫는다. 그리고 생명체의 생명 활동, 생존과 노화를 결정하는 가장 중요한 요소는 에너지 대사라는 결론을 얻는다. 에너지 대사란 생명체가 생명 활동을 유지하기 위해 필요한 에너지를 얻고 사용하는 과정이다. 이 책은 전기화학과 에너지공학을 바탕으로 생명체의 탄생부터 성장을 거쳐 노화와 죽음에 이르는 생명 활동을 에너지의 관점에서 새롭게 정리한다. 에너지로 살펴본 생명 활동과 노화의 메커니즘 - 루카부터 ATP와 미토콘드리아, 자가포식까지 《저속노화를 위한 생물학》은 생명체의 탄생과 진화, 생명체가 에너지를 사용하는 방식, 생명 활동과 노화의 메커니즘에 관해 전방위로 살펴본다. 1장, 4장과 5장에서는 모든 생명체의 근원이자 공통조상인 루카에서 출발하여 남세균과 진핵 생명체의 탄생과 에너지원에 관해 이야기한다. 최초 생명체인 루카는 약 35~38억 년 전 바다 밑 심해 열수분출공에서 탄생했다는 가설이 가장 유력하며, 에너지원 가운데 가장 이용하기 쉬운 수소를 이용하는 형태로 생겨났을 가능성이 크다. 약 30억 년 전 세균 가운데 일부가 진화해 광합성 세균(남세균)이 나타나며 태양 에너지를 사용해 물과 이산화탄소로부터 에너지를 얻고 산소를 방출하는 광합성을 시작했다. 이로 인해 지구 대기에 산소가 점점 축적되면서 약 24억 년 전 산소혁명이 일어났다. 초기 생명체들에게는 독성이던 산소지만, 산소에 적응한 생명체들이 등장하면서 호흡을 통해 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 호기성 세균이 생겨난 것이다. 그리고 약 20억 년 전 고세균과 세균이 공생하여 더 복잡한 세포 구조를 가진 진핵생물이 출현한다. 2장과 3장은 모든 생명체의 배터리 역할을 하는 ATP, 세포의 생존에 필수적인 미토콘드리아가 핵심 키워드다. 미생물, 식물, 동물, 그리고 인간도 배터리처럼 작동하는 아데노신 삼인산, 즉 ATP를 에너지원으로 삼아 생명 활동을 한다. ATP는 분해될 때 많은 에너지를 방출하는 인산 결합을 가지고 있다. APT가 물과 반응할 때 인산기가 하나 떨어져 나가 아데노신 이인산이 되면서 에너지를 방출하는데, 이 에너지를 이용해 생명체가 생명 활동을 하게 된다. 미토콘드리아는 세포 내에서 에너지를 생성하는 주요 기관으로서 생명체의 에너지 대사에서 아주 중요한 역할을 한다. 미토콘드리아는 주로 호흡 과정을 통해 에너지 대사를 하고, 이를 통해 ATP를 생성한다. 그래서 미토콘드리아를 인체의 에너지 발전소라고도 하며, 미토콘드리아의 정상적 기능은 세포의 생존과 건강에 필수적이다. 특히 미토콘드리아는 생명체의 노화와 관련이 깊다. 미토콘드리아에서 ATP를 생성할 때 활성산소가 부산물로 나온다. 활성산소는 반응성이 좋아 세포 내 분자에 손상을 줄 수 있으며, 미토콘드리아의 DNA에도 영향을 미쳐 기능을 저하시킨다. 미토콘드리아는 세포핵과는 별도로 자체 DNA를 가지고 있어 필요한 단백질을 스스로 만들 수 있지만, DNA가 손상되면 미토콘드리아의 기능이 떨어진다. 미토콘드리아의 DNA는 손상에 취약하고 복구 메커니즘이 제한적이어서 돌연변이가 쌓일 가능성이 크다. 이 돌연변이들은 미토콘드리아 효소 기능과 ATP 생성 효율에 영향을 주어 세포의 에너지 공급이 점점 부족해지면서 노화가 진행될 뿐 아니라 촉진시키기도 한다. 6장과 7장에서는 단백질과 단백질 합성 과정을 살펴본다. 손톱, 발톱, 뼈, 근육, 심장, 눈의 수정체 등 우리 몸을 만드는 구조 대부분이 단백질이다. 인체의 단백질 가운데 가장 큰 비중을 차지하는 콜라겐은 몸의 결합조직을 이루는 구조 단백질일 뿐만 아니라 생체 기능의 대부분을 수행한다. 또한 단백질은 유전자가 작동하거나 작동하지 않도록 한다. 생명 활동의 기본은 성장과 번식이다. 즉 몸집을 키우고 자신을 닮은 후세를 만드는 것이 생명체의 일생이다. 이 과정에서 중요한 역할을 하는 것도 단백질이다. 8장과 9장에서는 세포 자연사와 자가포식을 알아본다. 세포 자연사는 프로그램된 세포사멸 또는 세포자살로 불리는 과정으로 주변 조직의 손상을 최소화하기 위해 세포가 스스로 죽는 현상이다. 세포사멸은 생명체가 살아 있는 내내 발생하며, 생명체에서 꼭 필요한 과정으로 생명체 내에서 고도로 통제되면서 이루어진다. 죽어야 할 세포가 제대로 죽지 않으면 우리 몸은 건강을 잃거나 병을 얻기도 한다. 자가포식은 리소좀이라는 세포 소기관이 담당한다. 세포 내에서 손상되거나 오래된 소기관을 리소좀이 분해하는 과정으로, 영양분이 부족할 때 세포 내 물질 가운데 필요가 없거나 기능이 떨어진 미토콘드리아 같은 소기관 등을 먹어 재활용하는 것이다. 자가포식이 일어나면 세포가 깨끗해지고, 재활용을 통해 세포에 필요한 물질과 에너지를 얻을 수 있다. 우리 몸에서 가장 많은 에너지를 쓰는 곳은 어디일까? 바로 뇌다. 10장에서는 기본적으로 뇌가 많은 양의 에너지를 소모하는 이유를 설명한다. 뇌는 생각하는 역할을 할 뿐만 아니라 몸 전체의 감각, 운동 조절, 생체 항상성 유지 등을 총괄한다. 이 과정을 위해 뇌에서는 수많은 신경세포(뉴런)와 시냅스(뉴런 간 연결부)가 전기·화학 신호를 빠르게 교환해야 하는데, 이때 상당히 많은 에너지가 필요하다. 다시 말해 인간의 뇌는 항상 깨어 있고 몸의 여러 시스템을 지휘하면서 복잡한 신호처리를 수행해야 하므로 에너지 소비가 클 수밖에 없다. 《저속노화를 위한 생물학》은 이처럼 다양한 화학적, 생물학적 주제를 통해 우리 몸을 이해하고, 생명이라는 경이로운 현상을 새로운 시각으로 바라보게 한다. 유전자 편집과 사이보그의 시대 - 과학기술은 인간이 늙지 않고 계속 살도록 할 수 있을까 2003년 인간의 유전자 지도를 작성하고 이를 데이터베이스화한 인간 게놈 프로젝트 이후로 유전자 조작 혹은 유전자 편집기술이 떠오르기 시작했다. 중국 과학자 허젠쿠이는 2018년 11월 세계 최초로 유전자 가위를 사용하여 에이즈에 대한 면역력을 가진, 유전자 편집 맞춤 아기를 탄생시켰다. 지금은 가축에서도 같은 연구들이 동시다발적으로 진행 중이나, 유전적 획일화로 인해 질병에 취약해지거나 환경 변화 적응력이 떨어져 멸종 가능성이 높아진다는 우려가 일고 있다. 더욱이 근친교배가 반복되면 유전적 결함, 번식 능력 저하, 기형 발생 같은 문제도 생길 수 있다. 만약 미래에 유전자 편집기술이 발전해 인류가 좋은 유전자만 골라 편집한다면, 가축에서 일어난 일이 인류에게도 일어날 수 있다. 한편으로 인간의 생체조직과 기계 기술이 융합되어 인간의 신체 기능을 보완하거나 인간의 능력을 확장한 존재, 일명 사이보그의 시대도 시작되었다. 의수나 의족, 인공 망막이나 인공 와우 등을 비롯하여 사이보그 기술개발의 목표는 대부분 인간의 근본적인 신체적 한계를 넘어서는 것이다. 더불어 인간의 뇌와 컴퓨터를 직접 연결하는 연구도 진행 중이다. 일론 머스크가 세운 뉴럴링크는 인간의 뇌 속 신경세포의 전기신호를 디지털 정보로 변환하는 것을 목표로 하고 있다. 현재까지는 주로 척수손상으로 하반신이 마비된 환자가 휠체어와 같은 보조장치를 더 쉽게 조작하게 하거나 치매나 파킨슨병 환자들의 뇌 신호를 복원해 인지기능을 향상시키는 것이 목적이다. 《저속노화를 위한 생물학》은 앞으로 얼마나 대단한 기술들이 개발될지는 모르지만, 유전자 편집기술이든 사이보그 관련 기술이든 최종 목표는 인간의 수명 증대라고 본다. 지구상 생명체는 자신의 유전자를 보존하기 위해 최대한 후손을 많이 남기고 죽는 전략을 택해왔다. 그러나 살아남을 확률이 높아진 현대사회에서 결혼하지 않고 후손을 남기지 않으려는 사람들이 늘어나고 있다. 후손을 남기지 않고 내가 계속 생존하면 된다는 패러다임 시프트가 진행 중이다. 이런 기술이 극도로 발달한 미래사회가 유토피아일지 디스토피아일지는 아무도 모른다. 결국 기술의 개발과 사용에서 발생하는 윤리적 문제를 심사숙고하면서 인류 전체에게 도움이 되는 방향으로 진행되도록 해야 한다.