항공우주의학회지 제23권 제1호 □ 종 설 □ The KJAsEM Vol.23(1), April, 2013
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무중력 모의 실험장치 소개
임 정 구
공군 항공우주의료원Introduction to Microgravity Simulator
Jeongku Lim, M.D., M.S.
Aerospace Medical Center, ROKAF, Cheongwon-gun, Korea
Conducting scientific research in a state of nongravitation is very difficult to do. One of best way for such experiments is task execution in space precluding the possibility of actual performance. The clinostat, designed in 1882 can simulate microgravity conditions rotating one or two axes with motors. On the basis of the classic clinostat, a Random Positioning Machine (RPM) was developed by D. Mesland in 1997.
Although RPM has some limitations to analyze the results while simulating microgravity and few machines in Korea, it is a valuable tool to explore physiologic changes in space and proper understanding on RPM is needed for further study.
Key words: Clinostat, Microgravity simulator, Random Positioning Machine (RPM)
접수: 2013년 3월 31일, 심사완료일: 2013년 4월 16일 교신저자: 임정구
우 363-849 충북 청원군 남일면 쌍수리 사서함 21호 공군 항공우주의료원
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I. 서 론
우주 여행을 위해서 인간은 우주 환경에 적응 할 수 있어 야 한다. 그러나 실제로 이러한 우주 환경에 노출 시키는 것은 매우 제한적이라 우주 환경에 대한 인체의 변화를 연 구하는 것은 어려운 실정이다. 지상에서 무중력 상태를 조 성하여 식물이나 동물 세포 또는 egg 등의 변화를 관찰하는 연구가 대안으로 진행되고 있다. 무중력 상태를 지상에서 조성하는 방법으로 자유 낙하, 포물선 비행 등을 할 수 있으 나 충분한 실험을 하기에는 그 시간이 매우 짧다[1]. 무중력 을 조성해주는 장치로 clinostat이 오래 전부터 사용되어 왔 다. Clinostat은 회전을 통하여 중앙 부위에 무중력을 조성해 주는 장치로 최근 무작위 회전 장치(random positioning machine, RPM)로 발전되어 왔으나 기본 원리는 같다. 소 등
은 국내에서 3차원(3D) clinostat을 이용하여 Arabidopsis 식물 을 대상으로 모의 무중력하 유전자 변이에 대한 연구를 발 표하기도 하였다[2].
식물이 우주환경에서 어떻게 성장할지에 대한 연구가 진 행되어왔고 뿌리 끝쪽에 중력을 감지하는 statoliths가 있음 이 밝혀졌다. 또한 동물세포의 경우에도 핵과 미토콘드리 아 등이 지구에서 비하여 무중력 환경에서 상대적으로 세 포 내에 넓게 분포함이 알려졌다[3]. 세포 수준의 연구를 지 상에서 하기 위해서는 clinostat과 같은 무중력 모의 장치가 필요하고 국내에도 이를 통한 다양한 연구가 진행되어야 향후 2030년 유인 우주 비행 시대를 준비 할 수 있을 것이 다. 저자는 우주 환경을 지상에서 조성할 수 있는 clinostat과 RPM을 소개하고자 한다.
II. 본 론
1882년 Sachs에 의해 처음 제작된 clinostat은 한 개 축의 회전을 통하여 무중력 상태를 조성하기 위한 장치로 고안 되었다(Fig. 1)[4]. 이 장치는 자유낙하나 포물선 비행 등에 서 보이는 시간적 제약을 비교적 받지 않을 수 있는 장점이
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Fig. 1. The clinostat apparatus.
Fig. 2. The 3D clinostat apparatus.
Fig. 3. The relationship between angular velocity and radius.
Fig. 4. Desktop RPM.
있다. 실험에 사용되는 식물이나 동물 세포는 중앙의 표본 설치대(sample stage)에 정확하게 위치시켜야 원심력에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 한 축으로 회전하는 clinostat은 중 력 방향을 변화시켜 줌으로써 식물이 중력방향과 나란하게 자라는 것을 방해한다. 그러나 회전이 충분히 빠르지 않으 면 자극의 제거가 아닌 오히려 만성적 동적 자극이 주어지 게 된다[5]. 그리고 회전이 너무 빠르거나 중심 축으로부터 표본의 거리가 멀면 원심력을 받게 되고 식물의 경우 성장 시 구부러질 수 있다[6].
초기 한 개의 축 clinostat에서 발전한 3D clinostat은 2개의 축으로 상호 수직으로 회전하며 더욱 무중력 상태에 가깝 게 환경을 조성할 수 있게 되었다(Fig. 2) [7]. 두 개의 축은 각기 다른 motor에 의하여 회전하며 회전 속도를 높일 수 있었다. 이를 이용한 실험에서 statocyte는 무중력 환경과 같 은 구조적 변화를 보였다. 원리는 “gravity-vector-averaging”이 다. 중력은 벡터이므로 방향과 크기를 가진다. 회전을 통하 여 중력의 벡터를 계속적으로 상쇄시켜 결국 무중력과 유 사한 환경을 조성하는 것이다. 이렇게 3차원 방향으로 회전
시켜 줌으로써 한 개의 축으로 회전시켜 발생했던 단점을 부분적으로 극복할 수 있게 되었다. 회전 시작, 회전율, 그 리고 회전 시간 등은 개인용 컴퓨터를 연결하여 제어하게 된다. 두 개 축의 회전 속도가 일정할 경우 중력의 상쇄는 불가하며 두 개의 축이 다른 회전 속도를 가질 때 중력 방 향의 벡터는 상쇄 될 수 있다. 그러나 더욱 정밀하게 무중력 을 조성하기 위해서는 두 개 축의 회전 속도가 무작위로 바뀌어야 한다. Honson 등의 연구에서는 이를 달성하기 위 해 2에서 －2 rpm을 매 30초 혹은 60초 마다 무작위로 변경 시켜 주었다[8].
3D clinostat에서 키운 식물은 대개 지상과 같은 성장 속도 를 보였다[4]. 3D clinostat 회전으로 세포액의 삼투압은 변화 가 없었고 세포벽의 기계적 특성도 변화가 없었다[9]. 반면 에 싹이 나오는 모습은 변화가 생겨 뿌리와 싹이 나오는 방향이 불규칙하게 변하였다. 이러한 식물의 변화는 위성 궤도 비행에서도 관찰된바 있다[10]. 3D clinostat이 무중력
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Fig. 5. Desktop RPM system Diagram.
을 조성하기에 가장 좋은 장비이나 원심력의 발생, 진동, 그 리고 샘플의 크기 등은 실험 전에 충분히 검토해야 하며, 실험 종료 후 얻어진 결과의 해석에도 주의를 기울여야 한 다.
3D clinostat개념이 더욱 발전하여 1994년에 D. Mesland에 의하여 “true random positioning” 개념이 정립되기 시작하였 다[11]. 1997년에 원형이 제작되어 “무작위 회전 장치 (RPM)”이라 명명하였다. RPM내에 위치한 샘플이 중력에 대 하여 반응하는 시간보다 적은 시간에 샘플에 주어지는 중 력 벡터 방향을 무작위로 바꾸어 주면서 무중력 환경을 조 성한다. 따라서 식물처럼 반응시간이 느린 대상이 연구하 기에 적합하다. 샘플은 회전에 의하여 질량에 따라 원심력 이 발생하게 된다. 그러므로 샘플의 크기를 고려하여 각속 도를 고려해야 무중력 상태인 10－3 g 이하를 조성할 수 있 게 된다. 예를 들어 무작위 회전=1 rad/s인 경우 무중력 조 성을 위해서는 Fig. 3에서 샘플의 반지름 R=1 cm 이하여야 한다. 즉 샘플의 지름이 2 cm 미만 이여야 무중력 모의 환경 이라 할 수 있다.
최근에는 동물 세포의 배양을 위해 소형 RPM이 소개되었 다(Fig. 4) [11]. 세포 배양에서 온도와 습도 및 CO2 공급이 필요하여 RPM을 30×30×30 cm3 크기로 제작하고 세포 배양 기안에서 작동할 수 있도록 전원 공급 및 자료 교환이 가능
하도록 설계하였다(Fig. 5). 샘플 크기는 15×15×15 cm3로 주 로 소형 식물 및 동물 세포 배양에 적합하다. 표본 설치대는 다양한 실험 목적에 맞도록 제작되어 설치, 교환, 그리고 관 찰이 용이 하도록 하였다.
III. 결 론
RPM의 사용으로 지상에서 모의 우주 환경의 실험이 가 능해 졌다. 미세 중력 외에도 달과 화성의 중력인 0.17 G, 그리고 0.38 G에서의 실험도 가능해 질 것이다. 인간이 직 접 달과 화성에 거주하면서 실험하는 방법은 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 지상에서 이러한 환경에 동식물의 물 리 생리학적 변화를 관찰하는 것은 향후 우주 시대를 준비 하기 위한 필수적인 단계라고 볼 수 있다. Makihira 등은 3D clinostat으로 무중력 환경을 조성하여 장기간 무중력 상태 가 골의 형성과 흡수를 억제하는 것을 보고한 바 있다[12].
MC3T3-E1 세포를 7일 동안 무중력 환경에 노출하여 Runx2, Osterix, type I collagen αI chain, RANKL, 그리고 OPG 등의 유전자가 억제됨을 확인하였다. 우리나라의 clinostat 연구는 이제 막 시작 단계이다. RPM의 제작 노하우를 보유하는 것 이 현 단계에서는 매우 중요하며 향후 RPM을 이용한 다양 한 연구가 진행되어야 할 것이다.
참고문헌
1. Russomano T, Cardoso RB, Falcao FP, Dalmarco G, dos Santos CRV, dos Santos LGF, et al. Development and validation of a 3D clinostat for the study of cells during microgravity simulation.
Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2005;1:564-566.
2. Soh H, Auh C, Soh WY. Gene expression changes in Arabidopsis seedlings during short to long-term exposure to 3-D clinrotation. Planta 2011;234:255-270.
3. Clement G. Fundamentals of space medicine. Ntherlands: Kluwer Academic Publishers, 2003:54-55.
4. Hoson T, Kamisaka S, Masuda Y, Yamashita M. Changes in plant growth processes under microgravity conditions simulated by a three-dimensional clinostat. Bot Mag Tokyo 1992;105:53-70.
5. Lasen P. The development of geotropic and spontaneous curvatures in roots. Physiol Plant 1957;10:127-163.
6. Hoson T, Kamisaka S, Bucheon B, Sievers A, Yamashita M, Masuda Y. Possible use of a 3-D clinostat to analyze plant growth processes under microgravity conditions. Adv Space Res 1996;17:47-53.
7. Gordon SA, Shen-Miller J. Simulated weightlessness studies by compensation. Chicago London: University of Chicago Press, 1971:415- 426.
8. Hoson T, Kamisaka S, Masuda Y, Yamashita M, Buchen B.
Evaluation of the three-dimensional clinostat as a simulator of
weightlessness. Planta 1997;203:S187-S197.
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