박찬흠 한림대 춘천성심병원 이비인후과 교수(한림대 나노바이오재생의학연구소장)팀이 개발한 우주생물학 연구 탑재체 ‘바이오캐비넷(BioCabinet)’이 차세대 중형위성 3호기에 탑재돼 오는 11월 27일 누리호 4차 발사를 통해 우주로 향할 예정이다.

이 바이오캐비넷은 무게 55kg, 크기 790×590×249mm로, 바이오 3D 프린터와 줄기세포 분화 배양기를 포함한 첨단 연구 탑재체다. 우주 환경에서 자동으로 인간의 인공 심장을 제작할 수 있도록 설계됐다. 지구에서는 질환이 발생하면 즉시 치료가 가능하지만, 우주에서는 신속한 진료가 어렵고, 지구 귀환에는 많은 시간과 비용이 소요된다. 바이오캐비넷은 이러한 한계를 극복하고, 우주 공간에서 생체조직을 신속히 제작하며 질환 반응성을 확인할 수 있는 ‘우주 의료 기술’을 실증하는 것을 목표로 한다. 임무 수행 기간은 60일이며, 세포 상태와 연구 목적에 따라 최대 1년까지 연장이 가능하다.

박찬흠 교수는 발사 과정의 충격과 우주 환경에서도 안전하게 세포를 배양하고 분화시키며 모니터링할 수 있는 시스템을 직접 고안했다. 국제우주정거장 사용 권한이 없는 한국의 현 상황을 고려, 사람이 개입할 수 없는 환경에서도 완전 자동으로 작동하는 3D 프린터를 직접 제작했다.

탑재체에는 두 가지 바이오 모듈이 있다. 첫 번째 모듈은 역분화 심장 줄기세포를 이용해 심장 조직을 3D 프린팅하고, 세포가 스스로 수축하며 박동하는 과정을 관찰한다. 이 세포는 사람의 체세포에서 심장 줄기세포로 역분화시킨 것으로, 실제 심장세포와 거의 동일한 기능을 재현할 수 있어 인체에 실제 활용 가능한 인공심장 조직체다.

두 번째 모듈은 편도(Tonsil)에서 유래한 줄기세포를 사용한다. 편도는 인체에서 대량으로 줄기세포를 채취할 수 있는 조직으로, 면역 기능 및 줄기세포 생존력이 높고, 다양한 세포로 분화할 가능성이 높아 이를 혈관 세포분화가 가능하다. 따라서 편도유래 줄기세포는 우주환경에서도 안정적으로 혈관 분화를 확인한다면, 지상 및 우주에서 혈관질환 치료에 활용될 수 있다.

바이오캐비넷은 향후 심혈관질환 치료를 위한 인공장기 제작 연구의 기초자료 확보에도 크게 기여할 것으로 보고 있다. 특히 바이오캐비넷은 단순한 실험장비를 넘어, 우주의 압력·온도·방사선 등 영향을 받은 바이오 환경 데이터를 국내 최초로 확보하며 우주 의생명 연구 분야에서 국가적 자산으로 평가받는 첫 사례가 됐다. 

우주 연구는 지상 연구의 한계를 극복하고, 전 세계 연구진이 주목하는 인류의 우주 생존과 미래 기술 개발을 위한 핵심 분야다. 지상에서는 중력의 영향으로 세포가 바닥으로 쏠리며 혈관 분화가 원활하지 않아 정교한 장기 조직 형성이 어렵다. 미세중력 환경에서는 혈관 직경이 늘어나고 심박출량이 증가해 부정맥, 심근경색 등 심혈관질환 위험이 높아진다. 박 교수 연구팀은 심장이 우주인에게서 가장 먼저 손상될 가능성이 높은 장기로 보고, 장기 체류를 위한 치료 및 예방책 개발을 목표로 연구를 시작하게 됐다.

우주에서 미세중력은 약물 결정화에 최적화된 조건을 제공해 불순물이 없는 고순도(99.9%) 항암제 생산이 가능하다. 실제로 미국 머크(MSD), 화이자 등 글로벌 제약사들이 국제우주정거장(ISS)에 수조 원을 투자하는 이유도 여기에 있다. 이번 연구를 통해 인공장기의 실제 박동 데이터를 확보하게 되면 심혈관질환 치료제 개발의 돌파구가 될 것으로 기대된다.

‘바이오캐비넷' 앞에 선 박찬흠 교수팀

박 교수는 외상 및 재건 수술에 관심을 갖는 이비인후과 의사였다. 환자에게 인공 고막이나 인공 후두연골 등을 이식하는 과정에서 재생의학이나 조직공학에 관심을 가졌다. 3D 바이오프린팅 분야에서 성과를 내고 있다.

그는 연구를 시작할 때 러시아 교수에게 “발사체도 없는 한국은 북한보다 기술적으로 낙후되어 있다” “의사가 왜 우주 연구를 하느냐”는 반응에 직면했다. 박 교수는 우주항공청, 항공우주연구원, 한국천문연구원 등에 직접 문을 두드리며 연구의 필요성을 피력했으나 쉽지 않았지만 좌절하지 않고, 마침내 2021년에야 누리호 탑재가 확정될 수 있었다.

박찬흠 교수는 2027년 발사 예정인 인공위성 기반 약물 스크린 플랫폼 ‘바이오렉스(BioRexs, Bio Reentry Experimental Satellite)’를 개발하고 있다. 이 연구는 지구에서 악성도가 가장 높은 뇌종양인 교모세포종을 우주 궤도에서 배양하고, 새로 개발된 항암제의 미세중력과 우주 환경에서의 약물 효용성 기전을 규명하는 것을 목표로 한다. 박 교수는 “교모세포종의 경우 미세중력에서 증식 및 분화 인자 등의 변형이 관찰되며, 우주 미세 중력하에서 새로 개발된 항암제를 투여하면 소멸시킬 수 있지 않을까 하는 가설을 세우고 이를 검증하고 있다”고 설명했다.

2027년 국제우주정거장 발사를 목표로 난치성 간질환 치료를 위해 우주정거장에서 인공 간 구조체를 바이오 3D 프린터로 제작 및 배양 후 다시 지구로 귀환하여 동물에 이식하는 바이오리브(BioLiv) 연구도 진행하고 있다. 이는 세계 최초로 우주에서 제작된 인공 장기의 비임상 연구가 될 것이다.

장기적으로 박찬흠 교수는 우주에서 약물 및 조직공학 제형을 제작해 지구로 귀환시키는 ‘바이오팩토리(BioFactory)’, 1년 이상 심우주를 비행하며 미생물의 변화를 관찰하는 ‘바이오딥(BioDeep)’, 달 환경을 연구하는 ‘바이오루나(BioLunar)’, 화성 환경에서의 우주 의생명공학 연구를 하는 ‘바이오마스(BioMars)’ 등의 프로젝트도 준비하고 있다.

박찬흠 교수는 “우주 개발이 당장 수익이 나는 것은 아니지만, CT·MRI·인터넷처럼 미래에 거대한 파급력을 지닌 기술을 낳는 ‘꿈을 먹고 사는 분야’”라며 “지속적인 국가적 투자가 필요하며, 이번 연구를 계기로 대한민국 우주 의생명공학 분야의 새로운 장을 열겠다”는 포부를 밝혔다.

이번 발사는 단순한 위성 탑재 실험이 아니라, 한국 의생명공학이 우주로 진출한 역사적 첫걸음으로 평가된다. 박찬흠 교수팀은 국내 최초로 생체조직 3D 프린팅 기반 우주 의생명공학 연구를 실현하며, 우주 환경에서 줄기세포의 생존과 심장 조직 형성 가능성을 검증할 수 있는 기반을 마련했다.

그의 연구 행로에는 한국 우주의학의 방향성과 K-Medicine의 정수가 담겨 있으며, 글로벌 연구진도 시도하지 못한 한국형 의생명공학의 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 의미가 크다.