생리의학 + 전자공학…심장전류 기제 규명하다
생리의학 + 전자공학…심장전류 기제 규명하다
  • 김종현
  • 승인 2020.09.02 21:30
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대구, 노벨상을 품자 - (29) 학제간 연구로 노벨상을
네덜란드 생리학자 ‘에인트호번’
신경근육 활동전류 측정 등
생물체 전류연구에 큰 기여
‘심전도’ 고안한 최초의 학자
1924년 노벨생리의학상 수상
독일 생화학자 ‘오토 바르부르크’
세포호흡서 철 촉매작용 발견
전자전달체계 기초 마련 공로
호흡기 효소 본질 규명 성공
노벨생리의학상-방역
노벨생리의학상 K방역. 그림 이대영

시대적 특이성을 간파했던 타이완(臺灣)이나 한국(韓國)은 COVID19 방역에 있어, i) 인공지능(AI)을 통한 진단시약개발과 컴퓨터시스템을 활용한 신속진단, ii) 국내확진자 및 해외유입자의 추적관리, iii) 자가진단(격리) 등을 SNS(mobile-phone) 시스템에 연계한 ‘전자울타리(electronic fence)’로 둘려쳤다. iv) 개인적 위생관리인 손씻기(hand-washing)와 마스크착용(mask-wearing)에다가 사회적 거리두기를 접목한 초고속의 비약제적 개입(non-pharmaceutical intervention)으로 역병을 정밀 타격했다.

한편, 이렇게 생리의학에서도 전자(기)공학을 접목한 학제간연구(interdisciplinary research)를 통해 노벨생리의학상을 수상한 사례를 살펴보면, 1924년 인도네시아 태생 네덜란드 생리학자 빌럼 에인트호번(Willem Einthoven, 1860~1927)에게 “심장전류의 기제를 규명”한 공로로 노벨생리의학상을 수여했다.

1903년 신경근육 등에서 발생하는 활동전류(active current)를 측정하는 현전류계(弦電流計)를 고안해 생물체의 전류연구에 기여했으며, 이를 인간의 질환치료에 접목시켜 심장전류의 생리연구에 활용해 오늘날 우리의 건강진단시 반드시 측정하는 심전도(electrocardiogram)를 고안했다.

그는 인도네시아 자바 세마랑(Semarang, Java)에서 유대인계 의사 아버지 아들로 태어나 1870년 10살 때 어머니와 같이 네덜란드로 귀국했다. 1878년 위트레흐트대학(Utrecht University)에 입학해 의학을 전공해 1885년 졸업했다. 1886년 레이덴대학교(University of Leiden)생리학 교수가 되었다.

1902년 네덜란드 왕립예술과학 아카데미(Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences) 회원, 1903년 심전도(ECG: electrocardiogram)를 발명했으나 21년이 지난 뒤에 공적을 인정받아 비로소 노벨생리의학상 수상자가 되었다.

물론 이전에도 심장박동이 전류(electric current)를 만들어낸다는 사실(beating of the heart electrical currents)은 알려졌으나 아무도 계측하고자 하지는 않았다.

1901년에 에인트호벤(Willem Einthoven)은 이를 계측하고자 검류계 시제품에다가 i) 강한 두 개의 자석 사이에 전류가 지나가는 전도성의 필라멘트(conductive filament)를 사용해, ii) 전류가 필라멘트를 통해 흐르면 전류생성에 의한 자기장의 선(line)이 작동되도록 하고, iii) 밝은 빛이 가는 선을 비취면 롤(roll)처럼 움직이는 사진용지에 그림자를 투사시켜, iv) 선의 움직임을 연속적으로 곡선을 따라가면서 기록하도록 1903년에 개량 제작했다.

◇ 생화학(biochemistry)에다가 전자전달체계를 접목해

1931년 독일 생화학자 오토 하인리히 바르부르크(Otto Heinrich Warburg, 1883~1970)에게 “호흡기 효소의 작동모드와 본질을 규명한 공로”로 노벨생리의학상을 주었다. 그의 공적을 세분하면 i) 검압계(manometer)를 발명하고, ii) 세포호흡을 조사, iii) 세포호흡에서 철(Fe)의 촉매작용을 발견해 전자전달체계의 기초를 마련, iv) 또한 세포호흡체계(細胞呼吸體系)의 중요한 조효소를 발견, v) 암세포의 해당작용기제(解糖作用機制) 연구와 vi) 광합성에서 광양자수량의 결정에 대한 연구다.

독일 프라이부르크(Freiburg)에서 당시 유명한 물리학자의 아들로 태어나서 1903년 베를린대학교(University of Berlin)에서 유기화학 에밀 피셔(Hermann Emil Fischer, 1852~1919) 교수에게 생화학(biochemistry)을 공부했고, 유대인 혈통의 아버지 에밀 바르부르크(Emil Gabriel Warburg,1846~1931)로부터 물리학과 광화학을 익혀, 부자(父子)가 공동으로 광합성연구를 한 적도 있었다. 1906년 베를린대학에서 화학박사학위를 받았다. 1911년 하이델베르크대학(University of Heidelberg)에서 루돌프 폰 크레렐(Ludolf von Krehl, 1861~1937) 교수의 지도 아래 의학박사학위까지 취득했다.

1908년부터 1914년까지 이탈리아 나폴리 해양생물 스테이션(Naples Marine Biological Station) 연구를 통해 성게(sea urchin)의 수정 시에 산소흡수율이 6배나 소비되고, 철분이 애벌레의 필수적 요소임 규명했다.

제1차 세계대전 기간 중에는 기병연대(Uhlans) 장교로 복무했다. 1913년 베를린 카이저 빌헬름 생물학연구소(Kaiser Wilhelm Institute for Biology)에서 1920년 검압계를 고안해 세포의 호흡을 조사했다. 1924년 세포호흡(cell respiration)에서 철의 촉매작용을 발견해 ‘철분을 포함하는 산소가 생체의 산화·환원반응에 있어 중요한 역할을 한다’는 사실을 규명함으로써 전자전달체계의 기초를 마련했다.

1949년 스위스의 생리학자 월터 루돌프 헤스(Walter Rudolf Hess, 1881~1973)에게 “내부기관의 활동조정자로써 뇌간이 기능적 기관임을 규명”과 포르투갈 신경학자 안토니우 에가스 모니스(Antonio Caetano de Abreu Freire Egas Moniz, 1874~1955)에게 “특정 정신병에서 백질전단술의 치료방안을 발견”한 공로로 2인 공동수상자로 노벨생리의학상을 수여했다.

월터 루돌프 헤스(Walter Rudolf Hess)는 스위스 프라우엔펠트(Fauenfeld, Switzerland)서 태어나 1899년 로잔대학교 의학부(medicine in Lausanne)에서 공부를 했다. 베를린대학(University in Berlin), 킬 대학(University of Kiel)에 공부를 했으며, 1906년 취리히대학교(University of Zurich)에서 혈액점도를 측정하는 점도계측기(viscometer)를 개발했다.

또한 오토 하브(Otto Haab, 1850~1931) 교수의 지도 아래에서 ‘혈액과 심장의 점도에 관한 연구’학위논문을 제출하여 의학박사학위를 취득했다. 1912년 베를린대학(University of Berlin)에서 연구원으로 근무했으며, 1917년 취리히대학교 생리학 연구소(University of Zurich, ETH Zurich) 소장을 역임했다.

1979년 남아프리카공화국 출신 미국 의료물리학자인 앨런 맥러드 코맥(Allan MacLeod Cormack, 19245~1998)과 영국 전기공학자 고드프리 뉴볼드 하운스필드(Godfrey Newbold Hounsfield, 1919~2004)에게 “컴퓨터보조단층촬영기를 개발한 공로”로 2인 공동수상자로 노벨생리의학상을 수여했다.

고드프리 뉴볼드 하운스필드(Godfrey Newbold Hounsfield)는 영국 잉글랜드 노팅엄셔(Nottinghamshire, England) 서튼온트렌트(Sutton-on-Trent)에서 농부의 5남매 막대아들로 태어나 맥너스 그래머스쿨(Magnus Grammar School)에 다녔다. 제2차 세계대전 중 영국공군( Royal Air Force) 지원병으로 복무했으며, 전쟁 후에 런던의 패러데이 하우스 전기공학 칼리지(Faraday House Electrical Engineering College) 전자공학과 전파탐지기를 공부했다. 1951년에는 영국의 거대음반회사(EMI, Ltd)에서 레코드와 음향기기 생산 연구원으로 전향했다. 그곳에서 컴퓨터에 대한 관심을 가졌으며, 1958년부터 1959년에 걸쳐 영국 최초로 트랜지스터 컴퓨터 에미덱(EMIDEC)1100을 설계하는데 팀장을 맡았다. 1963년부터 연구프로젝트를 시작하고 1964년에 발표한 앨런 맥러드 코맥(Allan McLeod Cormack, 1924~1998)의 1차원 투영상(投影像)에서 2차원화상 재구성방안에 대한 논문을 읽었으나, 그 내용을 전혀 이해를 못 했다. 그러나 이를 기반으로 연구를 계속했는데 X선 기술부족으로 영상진단이 어려움을 겪기도 했다.

각고의 노력을 한 결과, 신체 각 부위 단층촬영 진단기술인 컴퓨터단층촬영(computed tomography) 진단기법을 개발했다. 1971년 1월1일 영국 윔블던(Wimbledon) 액킨슨 몰리 병원(Atkinson Morley Hospital)에서 대뇌종양환자(cerebral cyst patient)를 대상으로 촬영을 하면서 진단을 실시했다. 1975년 EMI회사에서 전신단층촬영(whole-body scanner) CT(computed tomography)를 제작했으며, EMI회사에서 제품을 생산하게 되었다.

글 = 이대영<코리아미래연구소장>

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