[스프] 킁킁…냄새 맡으면 무슨 병에 걸렸는지 알 수 있다?

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<예언자들>은 각 분야에서 연구 중인 KAIST 교수들이 특정 시점을 전제로 미래를 예측해 쓰는 가상의 에세이입니다. 그저 공상 수준이 아니라 현재 연구 성과와 미래의 실현 가능성을 정교하게 조율하기에, <예언자들>은 스프 구독자들에게 짧게는 10년, 길게는 50년 이상 과학이 내다보는 미래를 미리 살펴볼 수 있게 할 것입니다. (글 : 김일두 KAIST 신소재공학과 교수)

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어릴 적에 '600만 불의 사나이(The Six Million Dollar Man : 1973-1978년 미국에서 방송된 SF 액션 드라마)'를 매주 손꼽아 기다리면서 본 적이 있었다. 공상과학 SF 영화의 수준이 비약적으로 발전하면서, 아이언맨, 인터스텔라 영화 속 로봇이나 우주선의 움직임은 마치 실사를 보는 것 같이 자연스러워졌지만, 1970년 드라마나 영화는 그렇지 못했다. 1973년대 당시 우리 국민소득이 400불 수준인 것을 고려하면, 600만 불은 정말 엄청나게 큰돈이었음을 강조하고 싶다. 600만 불 사나이를 지금 보면 너무 유치할 수도 있지만, 당시는 획기적인 상상이었다. 우주비행사인 주인공이 불의의 사고로, 두 다리와 한쪽 팔, 한쪽 눈이 불구가 되면서 이를 고치기 위해 600만 불을 들여, 초능력 인간으로 거듭나며 불의와 싸워 정의를 구현하는 내용이 주된 줄거리다.

로봇 다리를 이용해 시속 100km로 달리고, 집채만한 바위를 번쩍 들어 올리고, 멀리 떨어져 있는 사물을 줌인 기능을 넣어서 독수리 눈과 같이 선명하게 관찰하는 모습은 당시 너무 충격적인 내용이었다. 방송을 보고 잘 때마다 나도 저렇게 잘 달리고, 천하무적으로 싸움도 잘하면 좋겠다는 상상을 했었다. 주인공의 여자친구인 소머즈(테니스 선수) 또한 스카이다이빙 중 사고로, 동일한 치료를 받고 슈퍼 우먼으로 활약하는 드라마 바이오닉 우먼(The Bionic Woman)도 함께 방영되었다. 600만 불의 사나이는 천리안 능력을 가진 반면, 소머즈는 극미세한 소리도 들을 수 있는 슈퍼 청력 기능을 가졌다. 인간의 오감(시각, 청각, 촉각, 미각, 후각) 중에 가장 중요한 시각과 청각 기능에 초능력을 부여하여 둘이 힘을 합쳐 악당들을 통쾌하게 물리치는 드라마로 큰 인기를 끌었었다.

70년 전 인간의 감각 중에서 특별히 시각과 청각 기능을 동물 수준 또는 그 이상으로 높인 상상의 이야기를 드라마로 제작한 부분이 우리에게 시사하는 메시지는 명확하다. 카메라와 보청기가 막 알려지면서, 일반인들도 구입을 시작하던 시기이기도 하고, 모든 인지 감각이 다 중요하지만 시각과 청각이 가장 필수적인 감각이기도 해서, 인간 한계를 넘어서는 주인공을 만들어 시청자들의 공감을 얻은 것이라 판단된다. 국민소득이 3만 불을 넘어가면서, 2020년대 초반에 집을 이쁘게 꾸미는 프로그램과 요리 관련된 프로그램이 한창 인기를 끈 적이 있었다. 특히 음식 프로그램은 방송사들마다 고유의 특색을 입혀서, 다양한 볼거리로 방영이 되었다. 작은 음식점들의 매출을 높여 주기 위해서 조리 레시피를 도와주는 백종원의 골목식당, 연예인들이 유명한 셰프와 팀이 되어 서로 요리 대결을 하는 편스토랑은 TV 시청을 거의 안 하던 시절이었는데도, 워낙 유명한 프로그램이었기에 기억이 난다.

'음식은 손맛이다'는 말이 있듯이 정성을 들여 잘 만들어진 음식은 보는 것만으로도 입안에 군침을 돌게 한다. 먹기 전에 후각 기능을 최대한 활용하여 음식 향을 묘사하면서 분위기를 고조시키는데, 냄새에 대한 설명은 정말 제각각이었다. 일상에서도 냄새를 설명할 때 보면 구체적이지 않은 경우들이 많다. "달달하다, 은은하다, 살짝 구린내가 난다"부터, "시큼하면서도 자극적인 냄새가 난다"까지 하나의 단어로 명확하게 설명하기 어려운 경우들이 대부분이다. 시각이나 청각은 파장이나 주파수와 같이 객관화가 가능한 물리적인 지표들이 있는 반면, 후각 센싱 과정은 공기를 매개체로 하여 한 가지의 분자만을 검출하는 것이 아니기 때문에 더욱 인지과정이 복잡하다.

미국 콜롬비아 대학(Colombia University)의 리차드 액셀(Richard Axel) 교수와 프레드 허친슨 암연구센터(Fred Hutchinson Cancer Research Center)의 린다 버크 (Linda B. Buck) 박사는 코 속에 냄새 인지에서 중요한 역할을 하는 단백질 (수용체)을 생산하는 유전자 집단이 존재함을 발견하였고, 이를 바탕으로 2004년 노벨 의학상을 수상하였다.

인간의 후각 상피세포에는 냄새 분자와 결합하여 이를 감지할 수 있는 후각 수용체(olfactory receptor)가 있다. 냄새 분자가 콧속에 있는 후각상피 세포에 닿아 후각 수용체와 결합이 되어 우리가 인지할 수 있는 전기 신호로 변환되어 뇌에 전달되고 우리는 이 신호를 분석해서 냄새를 인지하게 된다.

포유류는 대략 1,000개의 후각 수용체가 있는데 인간은 400개의 후각 수용체가 작동하여 10,000가지 이상의 냄새를 구분할 수 있는 것으로 알려져 있다. 코 속 후각 상피 안에 위치하는 후각세포 수는 인간이 5백만~1천만 개, 개의 경우 종에 따라지만 2억 개 이상의 세포가 존재하는 것으로 보고되고 있다.

개는 인간보다 최소 40배 이상 후각 세포 수가 많다. 또한 작동하는 후각 수용체의 개수도 1,000여 종 이상으로 인간보다 최소 600개 이상 많기에 탁월한 냄새 인지 능력을 갖는다.

픽사 애니메이션에서 2007년 만든 영화 '라따뚜이'를 한참 뒤에 본 적이 있다. 후각과 미각이 매우 예민하고 요리에 관심이 무척 많은 동물 주인공 레이(생쥐)가 발군의 요리 실력을 발휘하여 레스토랑에 청소부로 들어온 요리와는 거리가 매우 먼 청년을 유명 요리사로 만드는 과정을 그린 가족 영화 이야기다. 개와 생쥐 같은 동물들은 뛰어난 후각 능력을 갖고 있다. 후각수용체와 후각세포의 개수가 우리보다 훨씬 많기 때문이다.

2054년 현재 동물보다 월등히 뛰어난 후각 센서들이 보급되어, 후각 센서가 장착된 로봇이 먼저 냄새 위험을 인지하고, 휴대폰의 센서가 주변 공기 질과 냄새 정보들을 1ppb(10억분의 1) 농도 수준으로 정확하게 알려주고 있지만, 2020년만 하더라도 냄새를 측정하는 센서는 감도와 선택성에 있어서 한계가 있었다. 이로 인해 동물들의 후각 능력을 빌려서 중요한 센싱 정보를 구하기도 했었다.
2020년 말 유튜브를 통해서 우연히 접한 'Do You Love Me?' 영상은 정말 충격적이었다. '어떻게 나보다 로봇이 춤을 더 잘 추지…'하는 생각이 들었다. 600만 불의 사나이 드라마를 보고 자랐던 터라 보스턴 다이나믹스 로봇들이 춤추는 모습에서 과학 발전이 참 위대하구나 하는 생각이 들었다. 다행인 것은 2021년 현대차그룹이 거금 1조 원을 들여 소프트뱅크로부터 보스턴 다이나믹스 지분 80%를 인수했다는 것이다. 전 세계 공항에 현대차그룹과 대한민국 로고가 적힌 로봇 견이 마약 탐지 로봇으로 이용되는 것을 보면 당시 인수를 잘했다는 생각이 든다.

대부분의 마약들은 휘발성이 낮아서, 냄새가 거의 나지 않는 편이다. 이런 마약을 탐지하기 위해서 마약견들은 최소 수주~ 수개월의 훈련 기간을 거쳐, 현장에 투입된다. 미국 학회 참석차 방문한 LA 공항 대기 줄에서 커다란 마약견이 내 앞에서 잠시 멈칫했을 때 괜히 다른 냄새 때문인가 하고 긴장했던 적도 있다. 지금은 로봇이 움직이니 덜 부담스럽기도 하고, 특히 아이들이 좋아해서 마약 탐지 로봇의 움직임을 흐뭇하게 지켜보게 된다.

일렉트로닉 노즈(Electronic Nose)로 불리는 전자 코는 특정 화학물질(물질이 증발하면서 주변 공기와 혼합되어 형성된 기체, 휘발성 유기화합물(volatile organic compound) 및 휘발성 황화합물(volatile sulfur compound)을 포함하는 각종 가스들)의 냄새를 검출하고 식별하는 전자기기를 일컫는다. 전자 코는 후각수용체 역할을 하는 가스 센서 배열(gas sensor array)과 센서 신호 정보를 인식하는 패턴 인식 알고리즘(신호처리 기술)으로 구성된다. (함께 보면 좋은 참고 자료 1-2)

전자 코는 주변 냄새 자극에 가스 센서를 이용하여 특징적인 냄새 패턴을 수집하고, 패턴인식 알고리즘을 통해 신호 처리되어 냄새를 구분한다. 뇌가 냄새를 인식하는 과정과 매우 유사하다. 냄새 정보는 후각 신경을 통해 뇌로 전달되고, 뇌의 후각 피질에 위치한 뉴런들에 의해 처리된다. 뉴런들은 각기 다른 냄새에 대한 특이 패턴을 인식하고, 이런 패턴 인식 과정을 통해 냄새를 식별한다.

결국 전자 코의 감도(gas response)와 정확도(selectivity)를 높이기 위해서는 개별 가스 센서들의 발전뿐만 아니라 패턴을 인식하는 신호처리 기술도 함께 발전해야 하는데, 2020년대에는 개별 센서 기술뿐만 아니라 신호처리 기술에서 한계점이 있었다. 후각 센서 기술은 2040년을 기점으로 한계 돌파(Breakthrough)가 이루어졌다.

포유류의 후각수용체 역할을 수행할 수 있는 400개의 개별 센서들이 나노과학의 발전으로 초미세한 크기의 어레이(array)로 만들어졌다. 소비전력을 낮추기 위해 1cm X 1cm 크기 안에 400개의 센서를 집적화한 것을 정말 놀라운 진보이다. 냄새 인지에 인공지능 해석이 도입되고, 패턴 인식 신호처리 속도 또한 빨라져서, 0.01초 만에 99% 이상의 정확도로 냄새 정보가 제공된다.

마침내 2040년 마약견을 대체하는 로봇 개가 실용화되었다. 인간의 감각 중에서 가장 정확하게 모사하기 어려웠던 후각 기술이 드디어 동물 수준을 능가하게 되었다. 이 로봇 개는 마약견과 달리 배터리 충전만 이루어지면 지치지 않고 계속 냄새를 탐지할 수 있는 장점이 있다.
교수로 한창 연구에 매진할 때 1년에 한 번씩 받는 건강 검진이 번거롭게 느껴졌다. 미루고 미루다가 매해 12월 어렵게 예약을 잡아서 검진을 받았었다. 2020년 전 세계를 발칵 놀라게 했던 감염병인 코로나19 바이러스가 유행할 때는 2년간 건강검진을 건너뛰기도 했다. 학교에서 검진 비용을 대신 내주는 혜택임에도, 한창 일할 때는 왜 귀찮아했었는지 모르겠다.

2040년 초고령화 사회에 진입하면서, 모든 직업에 대한 정년이 연장되어 75세까지 일할 수 있게 된 것에 감사하다. 로봇 기술의 발전으로 인간의 노동 활동은 크게 줄고, 재택근무도 탄력적으로 운영이 되면서, 가족들과 함께하는 시간도 더욱 길어졌다. 정년 연장으로 노후 건강 관리에 대한 관심이 크게 높아졌고, 특히 질병이 생기기 전에 미리 예측하거나 조기에 발견할 수 있는 비침습적 진단 기술이 크게 주목을 받게 되었다. 상용 단계의 가시적인 성과들은 2040년대 들어서 나오고 시작했다.


2000년대 초반부터 동물 훈련을 통해 호기 가스(숨을 내쉬는 과정에서 배출되는 날숨 가스)를 분석해서 암을 진단하는 연구들이 유행인 적이 있었다. 당시 생명공학연구소에서는 생쥐를 훈련시켜서 특정 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compound) 성분 중 하나인 톨루엔 가스를 탐지하는 연구를 하였고, 재미있는 성과를 발표하기도 했다. 영국의 비영리 기관인 메디컬 디텍션 도그스(Medical Detection Dogs)에서 인간의 냄새 인지에 특화된 개가 90% 수준의 정확도로 암을 진단했다는 연구 결과들이 보고되었다. 당시 전 자코를 이용한 질병 진단 연구도 활발히 수행이 되었지만, 잘 훈련된 개에 비하면 가스 센서의 정확도는 상당히 낮았다. 또한 수십 종 가스들이 극미량으로 섞인 경우 패턴인식 기술이 완성되지 못해 반복 신뢰도에 문제점이 많이 있었다.

2054년 9월 26일, 70번째 생일을 맞아서, 두 딸아이가 손목에 차는 시계와 함께 연동이 가능한 탁상시계를 선물해 주었다. 최신 전자 코 기능이 탑재되어 있다는 설명과 함께, 질병의 조기 진단과 음식 식단 관리 목적으로 자주 호기 가스를 측정해 보라는 이야기도 함께 덧붙였다.
호기 속에 포함된 바이오마커(생체지표) 가스를 분석해서 질병을 진단하고 모니터링하는 연구들에서 주목할 만한 진전이 있었다. 인간은 날숨 과정에서 수백 종 이상의 가스들을 배출한다. 대표적으로 수소, 메탄, 황화수소, 메틸메르캅탄, 아세톤, 이소프렌, 일산화질소, 암모니아 가스들이 포함되어 있는데 이런 가스들은 특정한 질병이나 신진대사와 연결된 중요 생체지표 분자들로 알려져 있다. (함께 보면 좋은 참고 자료 3,4)

시보(SIBO, Samll Intersinal Bacterial Overgrowth)는 소장 안에 세균이 과다 증식되어 소장 기능이 저하되는 질환으로, 복통, 설사, 복부 팽만감 등을 일으키는 질병이다. 세균이 소장에서 단백질을 분해할 때 수소(H2)와 메탄(CH4)가스가 발생하는데 과거 2020년도에, 호흡 속 수소 농도를 분석해서, 어떠한 음식을 섭취하면 도움이 되는지 정보를 제공하는 센서가 푸드마블(FoodMarvel)에서 개발되어 시판된 적이 있다.

일산화질소(NO)는 천식의 생체지표 가스로 알려져 있다. 독일 보쉬의 자회사인 보쉬 헬스케어솔루션(Bosch Healthcare Solution)은 2020년 천식 진단 센서 업그레이드 버전을 출시하였다. 천식 환자들은 호흡기 활동을 매일 같이 앱에 기록하고, 천식 발작과 관련 있는 데이터를 수집하여 의사와 공유할 수 있다. 운동 후 아세톤(Acetone) 농도를 측정해서 운동량을 정밀 측정하고 관리하는 센서기기도 2020년에 출시되었는데, 당시 당뇨병 진단은 어려운 것으로 판단되어, 관련 연구가 중단된 적이 있었다.

그러나 2040년 1형 및 2형 당뇨병까지 정밀하게 진단하는 비침습 호기센서가 개발이 되어 혈당 관리기기로 상용화되면서 바이오산업에서 한 획을 긋는 혁명적인 발명으로 주목을 받게 되었다. 대부분의 당뇨 환자들이 손가락 끝에 피를 내는 침습 방식으로 혈당 관리를 했기에, 호흡 가스를 부는 것으로 혈당이 관리되는 점은 전 세계 수억 당뇨 환자들에게 큰 관심과 인기를 끌었다.

2054년 현재, 호기 센서의 지속적인 발전으로 기관지 확장, 신부전, 콜레스테롤 수치 추적을 통한 심혈관질환 관리까지 가능해졌다. 유방암, 대장암, 폐암 진단을 넘어서 가장 최근에는 췌장암까지 높은 정확도로 조기에 진단해 내는 수준까지 이르렀다.

70세 생일을 맞아 두 딸아이가 선물해 준 손목시계와 탁상시계에 포함되어 있는 호기 센서를 요즘은 매일 같이 측정하고 있다. 호기 센서 정보는 애플 시리와 삼성전자 빅스비와 같은 인공지능 비서와 연동되어 원할 때마다 유용한 정보를 내게 제공해 준다. 우리의 데일리(daily) 호흡 가스 패턴은 빅데이터 저장 서버와 연동되어 브레스 클라우드(Breath Cloud) 형태로 저장된다.

매일 같이 수천만에서 수억 명 이상의 호흡 정보가 클라우드 데이터베이스에 저장되며, 질병 추적과 신진대사 분석을 위해 Al 신호처리 후 그래프화 되어 앱에 저장이 된다. 브레스 클라우드에 모여진 방대한 데이터베이스 정보는 Al 진단의 정확도를 더욱 높이는 라이브러리로 활용되고 있으며, 최근 호기 센서를 이용한 질병 진단 정확도는 99% 수준에 이를 정도로 발전하였다.