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몸 속 돌아다니며 노폐물만 삼키는 '팩맨' 캡슐 개발됐다

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몸 속 돌아다니며 노폐물만 삼키는 '팩맨' 캡슐 개발됐다

2021.09.10 07:00
미국 연구팀이 지름 수 마이크로미터 크기의 동그란 몸집에 작은 구멍을 통해 물질을 먹어 치우는 ′세포 모방체′ 캡슐을 개발했다. 물 속 오염물질을 삼키거나 몸 속 대장균을 잡아먹는 데 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 미국 시카고대 제공
미국 연구팀이 지름 수 마이크로미터 크기의 동그란 몸집에 작은 구멍을 통해 물질을 먹어 치우는 '세포 모방체' 캡슐을 개발했다. 물 속 오염물질을 삼키거나 몸 속 대장균을 잡아먹는 데 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 미국 시카고대 제공

일본 남코사가 1980년 내놓은 아케이드 게임 팩맨은 동그란 몸과 큰 입만 가진 게임 캐릭터가 유령을 피해 미로를 오가며 먹이를 먹어 치우는 게임이다. 내용이 폭력적이지 않고 간단하면서도 중독성이 있어 한때 세계적으로 선풍적인 인기를 끌었다. 미국 과학자들이 몸속을 다니며 몸에 해로운 유해 물질만 찾아서 먹어치우는 동그란 팩맨 모양의 캡슐을 개발했다. 과학자들은 물 속을 누비며 오염물질을 삼키는 용도나 사람의 장 속 대장균을 잡아먹는 데 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 


스테파노 사카나 미국 뉴욕대 화학과 교수와 윌리엄 어빙 미국 시카고대 물리학과 교수 연구팀은 지름이 수 마이크로미터(μm∙100만분의 1미터) 크기의 동그란 몸집에 작은 구멍을 통해 물질을 먹어 치우는 '세포 모방체' 캡슐을 개발했다고 국제학술지 ‘네이처’에 9일 공개했다.

 

생물의 세포는 ‘아데노신삼인산(ATP)’라는 분자에서 에너지를 얻어 세포막을 통해 물질을 흡수하고 내뱉는다. 이런 과정을 ‘능동수송’이라고 하는데 세포막을 경계로 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물질이 이동한다. 세포는 이런 방식으로 포도당, 아미노산과 같은 영양분을 막 안으로 흡수해 에너지를 저장하고 부산물을 세포 밖으로 배출한다. 지금까지 살아있는 세포 외에 이런 기능이 인공적으로 구현된 적은 없다. 

 

과학자들은 수 십년간 '능동수송'을 모방한 인공 구조체를 만들기 위해 노력했지만 모두 실패에 그쳤다. 최시영 KAIST 생명화학공학과 교수는 “세포와 같은 능동수송이 가능하려면 스스로 물질을 흡수하고 내뱉을 수 있고 원하는 물질만 흡수하고 불필요한 물질은 흡수하지 않는 구조를 가져야 한다”면서 "이런 세포를 모사한 구조체를 만드는 것은 굉장히 어렵다”고 설명했다. 

 

연구팀은 살아있는 세포와 닮은 구조를 가진 캡슐을 구현하는데 성공했다. 지름이 약 8마이크로미터(μm·1μm 는 100만분의 1m) 정도의 적혈구와 형태와 크기가 비슷하다. 캡슐에 뚫린 작은 구멍을 통해 물질을 흡수하고 내뱉는다. 연구팀은 캡슐에 작은 펌프 기능을 집어 넣었다. 빛에 반응하는 촉매를 넣어 빛을 받으면 화학반응이 일어나서 캡슐 내부가 진공 상태가 되면서 바깥의 물질을 끌어들이는 원리다. 반대로 빛이 없으면 물질은 그대로 캡슐안에 갇힌다. 필요에 따라 화학반응을 반대로 유도하면 캡슐 안 물질은 외부로 빠져나간다. 연구팀은 "캡슐이 흡수한 물질은 수개월간 보관이 가능하다"며 "캡슐 구멍의 형태에 따라 원하는 물질만 흡수할 수도 있다"고 설명했다.

 

연구팀은 물에 캡슐을 풀어넣고 불빛을 쪼인 결과 캡슐이 불순물을 흡수하는 현상을 확인했다. 또 대장균을 대상으로 한 실험에서도 캡슐이 대장균을 삼키는 것을 확인했다. 연구팀은 네이처와 인터뷰에서 "세포를 모방한 캡슐이 팩맨처럼 다양한 물질을 삼킬 수 있다"며 "향후 캡슐을 수질 정화나 몸 속 대장균을 제거하는 데 활용할 수 있고, 몸 속에 필요한 약물을 전달하는 전달체로도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다. 

 

연구팀은 사람 몸속에서 활용되려면 독성 시험은 물론이고 위치 추적까지 가능해야 하는 등 넘어야할 산이 있다고 설명했다. 또 여러 캡슐을 활용하려면 캡슐 간 통신 시스템을 만드는 것도 필요하다고 덧붙였다. 최 교수는 “당장 활용하기는 어렵지만 영양분을 삼기는 세포 기능을 구현한 캡슐을 아주 작게 만드는 기술부터 표면에 그보다 작고 정교한 구멍을 뚫어 물질을 흡수하고 배출하는 기능까지 구현해 뛰어난 기술적 진보를 이뤄냈다"며 "지금까지 찾아보기 어려운 획기적인 연구 성과라고 본다"고 말했다.

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