4'00" 읽기
생물학적 미니 로봇은 자기 조직화되어 세포 배양 중 신경 손상을 치료

인간 세포로 만든 최초의 '인류 로봇'
생물학적 미니 로봇은 자기 조직화되어 세포 배양 중 신경 손상을 치료한다.

세포 자체 조직:
과학자들이 유전자 조작이나 기타 변경 개입 없이 처음으로 인간 세포로 생물학적 로봇을 제작했다. 점막 세포에서 생성된 "인류 로봇"은 독립적으로 새로운 기능을 수행하는 다양한 모양의 이동 세포 단위를 형성한다. 이러한 방식으로 그들은 손상을 연결하고 다시 함께 성장할 수 있는 뉴런을 배양했다. 이러한 뉴런은 스스로 할 수 없는 일이었다. 팀에 따르면 다른 생물의학적 응용도 가능하다고 한다. 

▲ 이 "Anthrobot"은 인간의 기관지 세포에서 만들어졌으며 이제는 새롭고 때로는 예상치 못한 능력을 보여주고 있다. © Gizem Gumuskaya/Tufts University

과학자들은 오랫동안 생물학적 분자와 살아있는 세포를 기반으로 한 소형 마이크로 로봇을 실험해 왔다. 이에 대한 예로는 DNA로 만들어진 나노로봇과 나노머신뿐 아니라 심장 세포와 플라스틱으로 만들어진 하이브리드 구조물, 살아있는 근육 세포와 전자 부품으로 만들어진 로봇 광선 등이 있다. 2021년에 한 팀은 발톱개구리 제노푸스(Xenopus)의 세포에서 완전히 생물학적이고 자가 조직화되는 마이크로 로봇을 만드는 데 처음으로 성공했다. 이러한 "제노봇"은 탐색하고, 자료나 정보를 수집하고, 부상을 입었을 경우 스스로 치료할 수 있다.

변형되지 않은 인간 세포로 만든 바이오봇(Biobots)

그러나 인간 세포도 DNA에 대한 개입이나 기타 변형된 조작 없이 자율적인 바이오봇을 형성할 수 있을까? 하버드 대학의 기젬 구무스카야(Gizem Gumuskaya)와 그의 동료들은 “우리는 유전자 조작 없이 다세포 이동 생물 구조를 형성하는 능력이 양서류 세포에만 국한되는지 알고 싶었다. 우리는 이것이 특히 놀라운 세포 기질, 즉 인간 호흡기 점막 조직을 선택했다”고 설명했다.

▲ 인간 기관지 상피 세포는 다세포 운동성 살아있는 구조로 스스로 구성된다. (출처: 관련논문 Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells / Advanced Science)

실험을 위해 연구자들은 인간 기관지의 섬모가 늘어선 점막 조직에서 샘플을 채취하고 배양에서 세포를 계속 성장시켰다. 적절한 조건에서 이러한 세포는 섬모로 채워진 구멍이 있는 둥근 구조를 자동으로 형성할 수 있다는 것이 이전 실험을 통해 이미 알려져 있었다. "우리는 이제 이러한 세포가 외부 섬모와 함께 회전타원체를 형성하도록 배양 조건을 수정했다"고 팀은 보고했다.

자체 조직된 모바일 유닛

단 2주 후에 섬모의 도움으로 배양 용액을 통해 독립적으로 움직이는 수많은 다세포 구조가 나타났다. 크기가 30~500㎛(마이크로미터)인 이들 구조 중 일부는 구형이고 주위에 섬모가 있었으며 다른 구조는 더 길거나 불규칙한 모양이었다. 연구자들은 이러한 구조를 "인류로봇(Anthrobots)"이라고 명명했다. 이는 세포의 기원을 나타내는 이름이기도 한 제노봇과 유사하다.

▲ 표면의 섬모 배열에 따라 세포 바이오봇은 다양한 방식으로 움직일 수 있다. © Gizem Gumuskaya/터프츠 대학교

구무스카야Gumuskaya는 "이러한 인류 로봇은 실험실에서 스스로 형성된다"고 설명했다. “제노봇과 달리 이러한 모양을 만드는 데 핀셋이나 메스가 필요하지 않다. 또한 배아세포 대신 성인 인간의 세포를 사용할 수 있다.” 따라서 인간 세포로 만들어진 부유 구조물은 특별한 배양 조건을 통해서만 인간의 조직에서 얻을 수 있다.

Anthrobots는 뉴런을 성장시킨다.

이것의 요점이나 이점은 무엇일까? 이는 예상치 못한 결과와 함께 초기 테스트에서 입증되었다. 이를 위해 연구자들은 인간 뉴런의 세포 배양을 사용했는데, 그 폐쇄 세포 카펫을 긁어 파괴했다. 이로 인해 신경 조직에 틈이 생겼다. 그런 다음 그들은 이 틈새에 앤트로봇 몇 덩어리를 배치하고 무슨 일이 일어나는지 기다렸다.

놀라운 결과는 비록 인류 로봇이 기관지 세포로 만들어졌음에도 불구하고, 그 존재만으로도 뉴런이 틈새로 성장하여 부상을 치료하게 되었다는 것이다. 그러나 앤트로봇이 없었다면 신경 손상은 치유될 수 없었다. "환자의 정상적인 비DNA 변형 기관지 세포가 손상을 통해 뉴런의 성장을 촉진할 수 있다는 것은 흥미롭고 전혀 예상하지 못한 일이다"고 Tufts 대학의 수석 저자인 Michael Levin은 말했다.

▲ Anthrobot은 긁힌 살아있는 신경 단층의 간격 폐쇄를 촉진할 수 있다.

Anthrobot이 이 치유 기능을 어떻게 수행하는지는 아직 알려지지 않았다. Levin은 "우리는 현재 이 치유 메커니즘이 어떻게 작동하는지, 그리고 이러한 구조가 무엇을 할 수 있는지 계속 연구하고 있다"고 말했다. "분명히 실험실에서 만들어진 이러한 세포 모음은 이러한 세포가 인체에서 일반적으로 수행하는 것 이상의 능력을 가지고 있다.”

▲ 앤트로봇(녹색) 컬렉션은 뉴런(빨간색)의 틈새로의 내부 성장을 자극한다. © Gizem Gumuskaya/터프츠 대학교

다양한 응용이 가능하다.

과학자들에 따르면, 이는 예를 들어 진단이나 치료 목적으로 바이오봇을 사용함으로써 바이오의학에 대한 새로운 가능성을 열어준다. 예를 들어, 환자 신체의 특정 목표 위치에 약물을 전달하거나, 신경 조직을 복구하는 데 도움을 주거나, 심지어 동맥 경화증과 같은 혈관의 유해한 침전물을 제거할 수도 있다. 인류 로봇은 환자 자신의 세포에서 쉽고 빠르게 성장할 수 있기 때문에 거부 반응이 발생하지 않는다고 연구팀은 설명했다.

“세포 배양의 환경 조건을 제어함으로써 새롭고 예상치 못한 행동과 생물의학적 관련 능력을 나타내는 새로운 구조가 나타날 수 있다”고 연구원은 썼다. 또 다른 장점은 인류 로봇이 유전적으로 변형되지 않았기 때문에 인체는 그들을 정상 세포처럼 취급하고 다시 정상처럼 분해한다고 Gumuskaya와 그의 동료들은 설명했다. 유전자 변형 구조물로 인한 위험도 여기서 사라진다.
(Advanced Science, 2023; doi: 10.1002/advs.202303575)
출처: Tufts University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]