KAIST

< (왼쪽부터) 최인성 교수, 이호재 교수, 한상영 석박사통합과정, 임형빈 석박사통합과정, 김나영 석박사통합과정 >

현재 전 세계적으로 마이크로 및 나노급의 작은 입자 기반의 비생명체 자가 추진 로봇 기술은 활발하게 연구되고 있는 반면에, 세포와 같은 생명체 구성 요소를 직접 활용한 세포로봇 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다. 우리 연구진이 세포 기반 시스템의 자율적으로 이동하는 세포로봇을 개발하는데 성공했다. 향후 정밀 약물 전달이나 차세대 세포 기반 치료법의 원천기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

우리 대학 화학과 최인성 교수 연구팀이 외부 동력 장치나 복잡한 기계 구조 없이, 생체 부산물인 ‘요소(urea)’*를 연료로 사용하는 자가 추진 세포로봇을 개발했다고 30일 밝혔다.

*요소(urea): 사람을 포함한 대부분의 동물 체내에서 단백질을 분해하면서 생기는 노폐물로 생명체 안에서는 단백질 대사 과정에서 암모니아를 독성이 낮은 형태로 전환하여 배출하는 중요한 역할을 함 

연구팀이 구현한 세포로봇은 방향성을 갖고 스스로 이동할 수 있으며, 원하는 물질을 운반하거나 주변 환경 제어 기능을 탑재할 수 있는 다기능성 플랫폼으로 설계됐다.

< 그림 1. 세포로봇 이동 10배속 동영상. 비대칭적인 세포-껍질 구조를 지닌 세포로봇의 요소 용액 내 자가 추진 이동양상을 시간에 따라 관찰한 공초점 현미경 영상. 시간이 경과함에 따라(오른쪽 위, 초 단위 표시) 껍질이 형성되지 않은 딸세포 쪽이 이동방향의 앞을 향하며 전진하는 모습을 보인다. >

연구팀은 쉽고 안정적으로 얻을 수 있는 생명체이면서 부산물로 생성된 에탄올 활용 가능성이 있고, 인공적인 복잡한 외부 장치 없이 생명체 스스로 만들어내는 물질을 활용할 수 있는 ‘효모’에 주목했다. 

제빵과 막걸리 발효에 사용되는 효모(이스트, yeast)는 포도당을 분해해 에너지를 얻는 대사 과정에서 알코올(에탄올)을 부산물로 생성하는데, 연구팀은 이때 생성된 에탄올을 활용해 효모 표면에 생체친화적인 방식으로 나노 껍질을 형성할 수 있는 원천기술을 개발했다. 

이를 위해, 알코올산화효소(AOx)와 겨자무과산화효소(HRP)로 구성된 효소 시스템을 도입했다. 이 효소 시스템은 효모의 포도당 분해 반응과 연계된 연쇄적 효소 반응을 유도하며, 그 결과로 멜라닌 계열의 나노껍질이 효모 표면에 형성된다.

< 그림 2. 세포대사 연계형 자율적 SCNE 방법론을 보여주는 모식도. AOx와 HRP로 구성된 다효소 시스템을 도입하여 효모의 물질대사와 멜라닌 계열의 껍질 형성반응을 이어주었다. AOx는 효모가 물질대사를 통해 생성한 에탄올을 사용하여 과산화수소를 형성하고, 이를 HRP가 사용하여 멜라닌 계열 껍질 형성반응을 가속화하는 원리이다. >

특히, 이번에 개발된 화학적 방법론은 효모가 성장하고 분열하는 동안에도 나노껍질 형성이 지속적으로 일어나도록 설계돼 있어서, 세포의 형태 변화에 따라 비대칭적인 세포-껍질 구조가 자연스럽게 생성된다. 

예를 들어, 분열 중인 세포 전체를 감싸는 껍질이 형성되기도 하지만, 모세포 부분에는 껍질이 생성되고 딸세포 부분에는 형성되지 않는 구조도 만들어진다.

< 그림 3. 다양한 형태의 세포-껍질 구조체로부터 자가 추진 세포로봇의 형성 과정을 보여주는 도식. 세포대사 연계형 자율적 SCNE 과정에서는 효모가 분열하는 동안에도 나노껍질 형성이 지속적으로 일어나 세포 형태 변화에 따른 비대칭적인 세포-껍질 구조가 생성된다. 예를 들면, 모세포 부분에는 껍질이 형성되고 딸세포 부분에는 형성되지 않은 구조가 관찰된다. 효모의 표면에 형성된 멜라닌 계열의 껍질에 우레아제를 부착하면 요소를 연료로 하여 움직이는 자가 추진 세포로봇을 형성할 수 있다. 우레아제는 요소를 이산화탄소와 암모니아로 분해하며, 이들의 물속 이동속도 차이가 세포 주변에 전기장을 형성하여 세포로봇의 움직임을 유도한다. >

연구팀은 세포를 감싸는 나노껍질에 우레아제(urease)*를 부착하고 세포로봇의 움직임을 관찰했다. 우레아제는 요소를 분해하는 촉매 역할을 하며 세포로봇이 스스로 움직일 수 있도록 구동력을 만들어내는 핵심 역할을 수행하며 비대칭 구조를 가진 세포로봇이 보다 명확한 방향성을 갖고 자가 추진하는 현상을 확인했다.

*우레아제(urease): 요소를 분해해 암모니아와 이산화탄소를 만드는 효소 

이번에 개발된 세포로봇은 세포 주위에 존재하는 물질만으로 자가 추진이 가능하고, 자석이나 레이저 등 복잡한 외부 제어 장치에 의존하지 않아 구동 메커니즘이 훨씬 간단하고 생체친화적이다. 또한, 나노껍질에 다양한 효소를 화학적으로 접합할 수 있어, 다양한 생체 물질을 연료로 활용하는 세포로봇의 확장 개발도 가능하다. 

이번 연구의 제1 저자인 화학과 김나영 박사과정은 “자가 추진 세포로봇은 스스로 환경을 감지하고 반응하며 움직이는 능력을 지닌 새로운 개념의 플랫폼으로, 향후 암세포 표적 치료나 정밀 약물전달시스템 등에서 중요한 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.

< 그림 4. 비대칭적인 세포-껍질 구조를 지닌 세포로봇의 요소 용액에서의 자가 추진 이동양상을 보여주는 공초점 현미경 이미지. 껍질이 형성되지 않은 딸세포 부분이 이동방향의 앞을 향하며 이동하는 모습을 보인다. >

이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 6월 25일 오후 2시(미국 동부시각) 온라인판에 게재됐다.

※ 논문명 : Autonomous Chemo-Metabolic Construction of Anisotropic Cell-in-Shell Nanobiohybrids in Enzyme-Powered Cell Microrobots; 국문 번역 : 효소 구동 세포 마이크로로봇 구축에서의 자율적인 화학-대사 반응을 통해 형성된 비등방성 세포내껍질 나노바이오하이브리드

※ DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu5451 

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 중견연구과제(제목: 세포대사 연계형 단일세포나노피포화)의 지원을 받아 수행됐다.