138억 년 전 빅뱅 이후 처음 60초 동안 우주가 탄생할 때 원시 플라스마에서 첫 번째 만들어진 것이 수소였는데, 하나의 양성자와 하나의 전자로 만들어졌다. 기온은 10억도 정도였고, 전자와 양성자는 소멸하여 광자를 만드는 반면, 양성자와 중성자는 결합하여 중수소, 즉 양성자와 중성자 쌍을 만들었다.
거의 모든 중수소가 결합하여 헬륨을 만든다. 따라서 원시 물질은 1/4 헬륨과 3/4이 수소라는 두 가지로 분리되었다.
세 번째, 방사성 동위 원소인 삼중 수소 (중성자 2개)는 거의 존재하지 않는 4천1백만 개의 수소 중 1개다.
우주가 냉각되면서 중수소핵이 수소와 헬륨 사이에 짝을 이루지 않고 분리된 상태로 남아 있는데, 대부분은 수소와 함께 별의 에너지 원천이 되었다. 중수소 원자는 결국 산소 원자와 2대 1을 결합하여 물을 생성했으며 현재는 지구상의 해수와 담수에서 발견된다. 지구상의 물 1리터당 약 6방울 (300㎎)의 중수소가 있다.
1932년 미국 컬럼비아 대학의 Harold C. Urey와 그의 동료 Ferdinand G. Brickwedde와 George R. Murphy가 중수소의 존재를 증명하였다. 이들에 의해 발견되기 전에는 수소는 하나의 양성자와 하나의 전자만 있다고 믿었다.
수소에 중성자가 추가된 이 희귀한 수소 동위 원소는 수소와 비교해 무게가 두 배 무거우므로 질량은 수소보다 2배가 된다.
중수소는 우주의 모든 수소의 0.0149% 차지하기 때문에 물리학자들이 쉽게 발견하지 못했다. 1913년 일부 물리학자들은 수소의 두 번째 동위 원소가 존재한다고 의심했고 그 후 Harold C. Urey가 그것이 사실임을 증명했다.
1934년에 Dr. Urey는 원자 시대를 여는 이 기념비적인 발견으로 노벨 화학상을 받았다. 농축된 중수소, 즉 중수는 원자로와 원자 폭탄 제조에 꼭 있어야 하는 부분이었기에 당시 시대적 상황이었다 할 수 있다. 1930년대는 물리학의 패러다임 전환을 가져왔지만 분자 생물학의 경우는 거의 발전이 없었다.
한편, 1929년 모든 생명체는 미토콘드리아에서 ATP가 만들어진다는 사실을 발견했다. 이것은 1897년 칼 벤더(Carl Benda)가 세포 속에 미토콘드리아의 존재를 증명한 지 34년 후였다.
1937년에 ATP가 생성되는 메커니즘을 설명하는 크렙스 회로 (Krebs Cycle. 산소를 이용한 세포 호흡의 두 번째 과정인 TCA 회로(tricarboxylic acid cycle)를 일컫는 말로, 산소 호흡의 첫 단계인 해당 과정을 통해 만들어진 대사 산물을 산화시켜 그 에너지의 일부는 ATP에 저장하고, 나머지는 전자 전달계로 전달하는 일련의 과정을 말한다) 가 발견되었다. 그러나 ATP 생산에 대한 중수소의 영향이 이해될 때까지 60년을 더 기다려야 했다.
버클리 화학과 교수인 Urey의 멘토인 Gilbert N. Lewis는 Urey가 존재를 증명한 직후 1933년에 전기분해를 통해 순수한 중수를 최초로 생성했다. 그 후 그는 이 중수를 얼렸을 때 일반 물속으로 완전히 가라앉는 것을 처음으로 관찰했다. 그는 또한 이것이 미생물 번식력에 에러를 발생시키고 종자의 성장을 지연시키는 것을 관찰했다.
이때부터 새로 발견된 이 수소 동위 원소인 중수소에 초점을 맞춘 새로운 연구 시대가 도래했다. Lewis 교수의 중수 관찰 직후 예일 대학의 오즈번 동물 연구소의 연구원인 오스카 W. 리차즈는 효모와 설탕은 중수에서 9배 느리게 작동하는 것을 확인했다.
1934년부터 1939년까지 예일대학의 약리학과 HG Barbour와 그의 동료들은 중수소가 생쥐에 미치는 영향에 대한 최초의 체계적인 연구를 시작했다. 1933년에서 1939년 사이에 중수소의 생물학적 영향에 대한 216개의 연구가 발표되었으며 모두 동일한 결과에 도달했다. 일반 물에 30% 중수소수를 혼합한 실험에서 박테리아, 식물 및 동물은 며칠 만에 죽는 것을 확인했다.
더 많은 연구가 필요했지만, 제2차 세계대전이 일어남에 따라 군사 부문의 엄청난 수요로 인해 중수소를 구하기가 점점 더 어려워졌다. 중수소에 대한 생물학적 연구는 중단되었고 1950년대까지 점차 사라졌다.
1953 년 Francis HC Crick과 James D. Watson이 DNA의 이중 나선 구조를 발표한 것과 거의 같은 시기에 시베리아 톰스크 대학 (소비에트 연방)의 Gennady D. Berdyshev 라는 노인학 및 유전학을 연구하는 대학원생이 시발이 되었다. 동료인 Boris N. Rodimov (생물 물리학자)와 함께 소련 인구의 수명에 관한 매우 특이한 의문을 조사했다.
소비에트 연방 전체의 평균 100세 이상 인구 비율은 100만 명당 10명 미만이었지만 시베리아의 특정 지역에서 만은 324명 (10만명당 32명. 참고 한국 2019년 10만명당 약 25명)이었다. 그곳은 높은 알타이산맥과 야쿠티아 지역에 사는 사람들이었다. 그들은 노년기까지 건강과 활력을 누렸다. 이 지역에는 높은 고도에서 녹아내린 깨끗한 빙하의 물이 땅속에서 독특하게 공급되고 있다는 것을 알고, 그는 이 요소를 주민들의 수명에 대한 연관성을 조사하고자 했다. 이들 과학자는 아마도 고대 빙하 얼음에 숨겨져 있는 비밀의 특성이 관계된 것이라는 가능성에 초점을 맞추었다.
첫 번째 실험은 3억 년 동안 잠긴 얼음을 20ｍ 깊이에서 채굴하여 녹이는 것이었다. 실험실에서 이 물이 세포 분열에 어떤 영향을 미치어 노화를 늦추는 것이 관찰되었다. 연구소가 더는 3억 년간 잠긴 얼음을 추출하는 비용을 감당할 수 없게 되었을 때 그들은 주변의 시베리아에 눈을 돌렸고 놀랍게도 비슷한 효과가 있는 것을 확인했다. 비로소 중수소 감소수 연구가 시작되는 계기가 되었다.
1959년부터 1960년까지 톰스크 대학에서 VM Muhachev가 수행한 실험은 그의 동료들에게 소량의 중수소조차도 수소 결합의 화학을 왜곡하고 하위 분자 과정을 억제한다고 확신시켰다. 1960년까지 Berdyshev는 야쿠티아와 알타이 지역의 인간 수명이 빙하 녹은 물 섭취와 연관성이 있는 충분한 정보를 얻었다. 톰스크 대학의 연구자들은 적도에서 155.76ppm인 빈 표준 해양수(Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW))로 알려진 중수소 비율과 비교해 고대 얼음을 녹인 물, 높은 산 위 빙하수는 중수소가 평균 15-20% 감소하여 있음을 발견했다. 역사적 기록의 이 발견은 1961년 옴스크 농업 저널에 처음으로 발표되었다.
Berdyshev, Rodimov, Muhachev 등은 인체의 활력을 되찾아주는 물이 중수소가 감소한 물임을 발견했을 무렵, 우랄산맥 남부에 있는 키쉬팀 원자력 발전소에서 6단계 원자력 사고가 발생했다는 사실을 접했다. 이는 역사상 세 번째로 큰 원자력 사고였다. Berdyshev와 그의 동료들은 새로 발견된 “기적의 얼음물”을 여러 희생자에게 먹였고 그들은 회복되는 기적을 보았다.
1966년에 Rodimov와 그의 생물, 물리학과 위원장 IV Toroptsev는 모든 국가의 연구자와 과학자들을 위해 그들의 연구를 영어로 출판했다. 생물체에서 중수소의 생리적 역할에 대한 획기적인 발견을 한 그들은 시베리아를 세계에 알리게 된 것이다. 그들은 중수소가 감소한 물이 어떻게 긍정적으로 생물학적 영향을 미치는지를 보여주는 최초의 과학자가 되었다.
생쥐 실험에서 중수가 3%로 증가하면 새끼 출생 체중이 20% 감소하고, 대조군보다 크기가 3배 작으며, 3세대 이상 번식할 수 없음도 관찰했다. 또 다른 실험에서 빙하 녹은 물을 섭취한 쥐는 더 큰 성적인 활동을 보였고 대조군보다 더 건강하게 자랐다. 이 실험은 다른 동물과 식물을 이용한 소련의 국가 실험기관에서 반복되었다. 중수소가 30년 전에 발견된 것을 고려할 때 이것은 대단한 성과였다.
장수하는 비밀 중 한 가지가 비로소 밝혀진 것이다.
우연히도, 거의 같은 시기에 생물학에서 가장 큰 뉴스 중 하나는 UCLA의 분자 생물학자인 Paul D. Boyer에 의해 구체화하였다. 그는 중수소가 미토콘드리아에 있는 작은 단백질 나노 모터가 ETC (Electron Transport Chain)의 끝에서 ATP를 만드는데 부담을 준다는 것을 발견했다. 9000 RPM에서 회전하는 이 단백질 어셈블리는 회전자, 고정자 및 자기장을 갖춘 기계식 모터의 구조와 기능을 가지고 있는데 Boyer는 그것을 “ATP 신타아제“ (ATP Synthase” ATP 합성 효소) 라고 명명했다.
ATP Synthase 에 대한 중수소의 영향이 더 밝혀지기까지는 또 40년이 흘렀다.
1960년대 초까지 중수소는 비록 수소 동위 원소이긴 하지만 생화학적으로나 생물, 물리적으로 완전히 “다른” 것이 아닌, 단순히 중성자가 하나 더해져 질량이 두 배라는 정도였는데, 이는 다른 어떤 원소도 동위 원소 사이의 질량 차이가 그렇게 큰 것은 없다. 결론은 이런 차이 외에 중수소가 세포 수준에서 어떤 기능을 하는지에 대해서는 밝혀내지 못했다.
러시아인들이 조용히 연구하는 동안 미국인들은 중수소의 흔적을 연구하는데 열심이었다. 일리노이에 있는 아르곤 국립 연구소의 의학 연구 부서의 John F. Thomson 이 중수소의 생물학적 효과라는 제목의 152쪽짜리 논문을 썼는데 이때가 1963년이었다.
그의 동료인 Joseph J. Katz와 Henry L. Crespi의 연구는 중수소가 단백질의 형태와 DNA 복제에 영향을 미친다는 내용으로 1966년에 출판된 중수소 유기체 양생 및 용도(Deuterated Organisms Cultivation and Uses)에서 처음 언급하면서, 중수소의 생물학적 의미를 강조했다. 중수소의 비율을 높인 물 음용으로 체중의 변화를 마우스 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
실험 # 1 : 중수의 농도가 30%로 증가한 물을 먹은 쥐 실험에서 체중이 줄고,. 며칠 만에 쥐에게 치명적임이 입증되었다.
실험 # 2 : 중수소가 농도가 30% 감소한 물(105ppm)을 먹인 실험용 쥐는 체내 수분은 중수소에서 30% (105ppm) 감소하여 수명이 현저히 증가했다.
10년 후인 1974년 다시 아르곤 국립 연구소에서 영국 과학자 TR Griffiths는 안정 동위 원소에 관한 제2차 국제회의에서 중수소가 노화의 주요 원인일 수 있다는 이론을 발표했다.
노화의 진행 및 다른 생화학적 메커니즘에서 중수소의 역할에 대해 “중수소는 DNA 복제에 관여하는 효소 분자의 모양에 악영향을 미친다”고 말했다. 그는 중수소가 수소보다 전기 음성이 더 크고, 두 배 더 무겁고, 정상적인 수소보다 원자 결합 특성이 다르기 때문에 DNA 복제를 방해한다는 것을 관찰했다. DNA 복구 효소가 예약, 지정된 위치에서 중수소가 증가하면 오류 반응에 참여하여 DNA 복제 및 복구를 훼손할 가능성이 있다고 발표했다. 이듬해인 1975년 JD Gleason과 I. Friedman은 러시아의 식물 성장에 대한 발견을 근거로 곡물의 성장을 증가시키기 위해 중수소 감소수 (DDW) 를 사용하는 것에 관한 미국 최초로 연구를 발표했다.
파키스탄 훈자 마을의 중수소 16% 감소한 물은 그다지 의미가 없어 보일 수 있지만, Griffiths의 이론에 의하면 중수소의 생물학적 역효과가 농도의 제곱에 비례한다고 한다. 이는 매우 중요한 문제로, 중수소가 약간 감소한 물이라 하더라도 생물학적 이점이 매우 크다는 것이다. 이와 관련 1990년대까지 루마니아와 헝가리에서 집중적인 연구가 진행되었다.
루마니아 의학 및 약리학 대학의 W. Bild와 동료들은 8.5 grays의 방사선의 치사량 이하에 노출된 마우스가 중수소가 감소한 물에서 더 높은 생존율을 보였다고 밝혔다. 30ppm의 중수소 감소한 물을 먹인 생쥐는 61%의 생존율을 보였고, 일반 수돗물 (150ppm)을 섭취한 대조군은 25%의 생존율을 보였다. 테스트 그룹은 그렇지 않은 대조군에 비해 정상적인 백혈구 및 적혈구 혈소판 수를 유지했다. 동일한 두 그룹에 폐렴을 감염시킨 후 테스트 그룹은 대조군에서는 볼 수 없는 면역 방어 강화를 보여주었다.
과학자들은 낮은 수준의 중수소를 마신 마우스가 세포 분열 시 오류가 적고 방사선으로 손상된 DNA를 더 효과적으로 복구함으로써 생존에 도움을 얻을 수 있다고 결론지었다.
중수소가 감소한 물이 전혀 알려지지 않았기 때문에, 겉으로 보기에 기적처럼 보인 것이지만 생물학적 효과가 있다는 것이 다시 한번 입증되었다. 이 동물 실험은 암 치료에서 화학 요법을 받는 환자에 대한 중수소 감소의 영향을 평가하기 위한 목적으로만 수행되었다.
그 후 헝가리 노벨상 수상자(생리, 의학상) 인 Albert Szent-Gyrgyi의 연구와 함께 90년대 초에 중수소 감소에 대한 가장 광범위한 임상 시험을 수행한 의사이자 분자 생물학자인 가보르 솜라이(Gabor Somylai)의 연구에 큰 성과가 있었다. 1998년, 중수소 감소와 생물학적 효과 (The Biological Effects of Deuterium Depletion) 와 2001년 저서 암 퇴치 솜라이 (Defeating Cancer. Somylai)의 이중 맹검 임상 시험은 먼저 중수소가 감소한 물은 부작용이 없었고, 두 번째로 그의 테스트 그룹의 생존율이 대조군의 암 환자보다 훨씬 더 우수하다는 것을 보여주었다. 그는 중수소가 감소한 물을 섭취하는 것이 기존의 암 치료에서 방사선 및 화학 요법에 대한 훌륭한 보완 치료제임을 보여주었다 (한국출판, 암을 치료하는 물).
1992년 10월부터 1999년 봄까지 Somylai 박사와 그의 팀은 12,000페이지 이상의 문서를 기록하였고, 약 1,200개의 특허에 약 350톤의 중수소 감소수를 환자들에게 투여했다. 2019년 솜라이는 중수소 감소수에 대한 2,222건의 사례 연구를 진행했고 그의 획기적인 연구로 헝가리는 중수소 감소수 연구의 중심 국가로 인식이 되었다.
소련이 몰락한 후, 지금까지 저명한 노화 학자이자 키예프에 있는 타라스 셰브첸코 국립대학교(Taras Shevchenko National University)의 유전학 학과장인 Berdyshev는 새로운 청소년학(Juventology)과를 시작했다. 그의 연구는 더는 민감한 국가 안보 문제가 아니었다. 그와 그의 동료들은 중수소 수준을 30-40% (90-105ppm)까지 줄일 수 있는 얼음 녹는 물을 재생하기 위해 3대의 장비를 만들었다. 중수가 약간 더 높은 온도에서 동결된다는 사실을 이용하여 동결 및 해동 주기를 반복하여 물에서 중수소를 분리했다. 또한 중수소가 감소한 물에 접근할 수 없는 사람들은 이를 “용해수 치료”라고 부르는 가정에서 비슷한 일을 할 수 있다는 것을 알렸다. 이 지침은 가정용 냉동고를 사용하여 반복적으로 냉동 및 해동을 수행하도록 요구했다. 처음에 얼어붙은 물(일찍 언 물)을 반복적으로 제거함으로써 5% 감소가 달성되었다고 주장했다. 이 프로토콜은 1990년대부터 오늘날까지 러시아와 다른 많은 국가에서 매우 인기가 있었다. 그러나 이 방법을 사용하는 중수소 수준은 큰 차이를 만들 만큼 충분히 감소할 수 없어서 효과가 거의 없다 할 것이다.
21세기 초에 연구자들은 중수소가 감소한 물을 마심으로써 DNA 손상으로부터 보호한다는 사실을 잘 알고 있었다. 하지만 그 이유에 대해 정확하게 알려지지는 않았다. 인체의 신비를 밝히려는 인간의 끝없는 노력 덕분에 이 수수께끼가 풀리는 것은 이제 시간문제인 것 같다.
2006년 러시아의 화학자 Igor A. Pomytkin과 그의 동료인 OE Kolesova는 미토콘드리아에 의한 중수소의 자연 농도와 과산화수소(H2O2) 생성 속도 간의 연구를 발표했다. 그들의 연구는 중수가 세포를 훼손하고 그 반대의 경우 가벼운 물(경수, 중수소 감소수)이 건강을 유지하는 메커니즘이 미토콘드리아 어딘가에서 일어나고 있음을 보여주는 연구였다. 이 연구는 중수가 산화 스트레스를 조절하는 신호를 보내는 메신저 분자 역할을 하는 과산화수소 (H2O2)를 생성하는 미토콘드리아의 능력을 억제하는 것으로 나타났다. Pomytkin의 연구는 ATP에 대한 중수소의 영향에 대해 그다음 해에 발표된 것과 동일한 결론을 내린 것이다.
2007년은 중수소 과학의 짧은 역사에서 가장 기념비적인 발견의 계기였다. 터키 앙카라에 있는 GULHANE 의과 보건과학 대학 생화학 및 임상 생화학과의 의사, 생화학자, 약리학자인 Abdullah Olgun은 중수소와 노화의 생물학적 효과 : ATP Synthase(ATP 분해효소)를 예로 발표했다. 노화를 유발하는 메커니즘에 대한 연구에 전념하면서 그는 2년간의 연구에 몰입하면서, 중수소가 어떻게 손상을 입혔는지 증명하기 위해 의학 수학에서 또 다른 학위를 취득해야 했다. ATP Synthase 는 나노 모터 내에서 전자 수송 체인의 마지막 단계에서 발생한다는 사실을 확인했다.
Olgun은 중수소로 인해 대략 15초마다 개방된 수용체가 없는 양성자 중성자 쌍이 빠르게 회전하는 나노 모터에 충돌하여 궁극적으로 고장을 일으킨다고 판단을 했다. Olgun은 중수소와 노화(Deuteronation and Aging) 논문에서 이를 상세히 설명한다., 같은 해에 뉴욕 과학 아카데미 연대기에서 이것이 노화의 주요 원인 중 하나라고 발표했다.
중수소가 생명을 어떻게 손상시켰는지에 대한 수수께끼가 마침내 밝혀졌다. 올건의 발견은 21세기의 가장 위대한 발견 중 하나이자 생물학에서 가장 위대한 감독 중 하나로 칭송받을 수 있을 것이다.
이것을 올바로 보고 실천한 사람은 러시아 사업가이자 과학자이자 중수소 감소수 연구가인 Anton Chernopiatko와 러시아 Pomytkin 및 옥스포드 과학자들과 함께한 2015년 연구에서 물속의 중수소 함량이 증가하면 우울증 감수성이 증가, “세로토닌 관련 메커니즘의 잠재적 역할”을 공동 저술했다. 학생 시절부터 중수소 감소의 중요성을 받아들여 평생 연구의 성과가 비로소 나타나기 시작한 것이다. 현재 생물학적 중수소의 역할에 대한 다양한 정보를 가지고 있는 Chernopiatko는 실험실 및 연구 목적을 넘어 경수 생산을 발전시키고 상업 규모로 경수를 생산하는 공장을 건설했다.
90년대 Berdyshev가 냉장 공정을 사용하여 중수소를 30~40 % 감소시키는 산업 공정을 만들었지만, 경수 생산을 위한 최초의 진공 정화 시스템이 Igor A. Pomytkin 박사에 의해 개발된 것은 바로 이때다.
모스크바 정밀 화학 기술 연구소의 Selivanenko는 수십 년간의 중수소 분리 방법에서 97% 이상의 중수를 제거할 수 있는 훨씬 더 효율적인 공정을 개발했다. 2008년 Selivanenko로부터 지적 재산권을 인수하고 기술자인 Alexander Emalianov와 함께 이를 개선하기 위해 수년을 보냈던 Chernopiatko는 2012년 모스크바 연구소에서 개발한 기술을 상용화하고 중수소 감소수 생산 공장을 건설했다.
중수소를 제거하는 프로세스와 생산 시스템은 잘 알려져 있긴 하지만 경제적이고 더 효율적인 방법은 아직도 개선할 것이 더 많다. 그리고 이 거대한 중수소 감소수에 대한 일반인들의 인식은 매우 초기 단계이다.
부다페스트에서 열린 중수소 감소에 관한 4개의 국제회의는 과학자들이 자신의 연구를 발표할 수 있는 장소를 제공한다.
캘리포니아 대학의 의학 박사이자 교수인 Laszlo Boros는 이 분야의 연구를 발전시키는 미국 과학자이며 아마도 이 중수소 감소에 대해 세계에서 가장 지식이 풍부한 생화학자일 것이다. 그는 로스앤젤레스에 중수소 감소 센터 (Center for Deuterium Depletion)를 공동 설립했으며, 이곳에서 인체 중수소 검사 및 치료 프로토콜을 대중에게 처음 제공하고 있다.
이 분야의 많은 과학자는 신체의 이상적인 중수소 수준은 120ppm 미만이라고 주장한다. 이를 위해서는 45~60 일 동안 매일 80 ~ 100ppm의 중수소 수를 1.5 리터씩 마시고 다른 모든 음료의 섭취를 최소화한다면 질병을 예방, 장수할 수 있으며, 이미 질환을 가지고 있는 사람들은 병을 고칠 수 있을 것이다. 60일 경과 후 100~120ppm 범위의 중수소 감소수 음용만으로 그 수준을 유지할 수 있을 것이다.
이 중수소 감소수를 모스크바 정밀 화학 기술 연구소와 협력하고 있는 Hue Light사는 국내 최초로 암 환자들에게 중수소 감소수를 공급하고 있다.
한편, 의학 지식에 끊임없는 의문을 가지고 있는 필자는 이 기사에 언급된 대부분의 의사와 과학자들의 문헌을 접하는 것으로, 그리고 그 내용을 정리, 이 정보를 대한민국에 처음으로 알리는 것만으로 큰 영광으로 생각한다.
