[고든 정의 TECH+] 단세포 생물을 로봇으로 개조…마이크로봇 등장

눈으로 보이지 않을 만큼 작은 마이크로 로봇이나 나노 로봇을 몸속에 넣어서 암세포나 세균을 퇴치하는 것은 과학자들의 오랜 꿈이었습니다. 실제로 관련 연구도 많이 진행되어 있습니다. 알약 크기의 캡슐 내시경은 이미 의료 분야에서 널리 사용되고 있으며 최근에는 약물을 전달하는 마이크로 로봇이나 캡슐에 대한 연구도 많은 진전을 이뤘습니다.

하지만 세포 크기의 마이크로 로봇을 대량 생산해서 세균이나 암세포를 퇴치하는 일은 여전히 어려운 일입니다. 설령 최첨단 기술을 이용해서 세균을 찾아내고 선별적으로 파괴할 수 있는 로봇을 개발한다고 해도 이를 대량 생산하고 안전하게 몸 안에서 회수하는 일은 쉽지 않습니다. 따라서 일부 과학자들은 다른 대안을 모색하고 있습니다.

미국 캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스의 과학자들은 최근 저널 네이처 메터리얼스(Nature Materials)에 단세포 생물을 마이크로 로봇으로 개조한 연구 결과를 발표했습니다. 연구팀이 선택한 생물은 뜻밖에도 광합성을 하는 작은 생물인 단세포 조류(algae)입니다. 클라미도모나스 레인하티(Chlamydomonas reinhardtii)는 10마이크로미터 크기의 단세포 조류로 두 개의 큰 편모를 이용해서 물속을 헤엄쳐 다닙니다.

연구팀은 클라미도모나스의 표면에 생분해성 폴리머 나노스피어(nanosphere)라는 나노 입자를 붙였습니다. 이 입자 내부에서는 항생제가 들어 있고 껍데기는 백혈구의 일종인 호중구의 세포막으로 코팅되어 있습니다. 호중구의 세포막은 세균과 결합하는 용도이고 실제로 세균을 죽이는 것은 내부에 들어 있는 항생제입니다. 이 나노스피어를 세균에 전달하는 일은 클라미도모나스가 담당합니다. 연구팀은 쥐를 이용한 동물 모델에서 이 살아 있는 마이크로봇(microbot)의 효과와 안전성을 검증했습니다. 우선 연구팀은 실험 동물의 폐에 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 주입해 폐렴 모델을 만들었습니다. 이 실험용 쥐의 폐에 마이크로봇을 투입한 결과 일반적인 항생제 용량보다 3000배나 적은 용량으로도 치료 효과가 있다는 사실을 확인했습니다. 클라미도모나스가 폐 내부에서 활발하게 움직이면서 무작위로 세균과 접촉하면 나노스피어가 터지면서 항생제를 목표 세균에 직접 투여하는 것입니다.

주사제 형태이든 먹는 약이든 간에 환자의 몸에 투여한 항생제 중 세균에 실제 도달하는 양은 극히 일부에 불과합니다. 대부분의 항생제는 혈액을 타고 세균이 존재하지 않는 몸 전체를 돌다가 간과 콩팥에서 처리됩니다. 이 과정에서 여러 조직과 장기에 부작용이 발생합니다.

연구팀이 개발한 마이크로봇은 매우 적은 양의 항생제를 목표에 집중 투여해 부작용을 전혀 일으키지 않을 정도의 소량으로도 효과적인 치료가 가능합니다. 이 실험에서 마이크로봇 투여 실험군은 30일 이상 모두 생존했지만, 투여하지 않은 대조군은 3일 이내 모두 죽었습니다. 그리고 이 과정에서 특별한 부작용도 보고되지 않았습니다.

물론 클라모도모나스가 체내에서 증식해서 새로운 병을 만드는 건 아닌가 하는 우려가 있을 수 있습니다. 하지만 광합성 조류를 선택한 이유가 바로 여기 있습니다. 햇빛이 없는 체내에서는 광합성을 할 수 없습니다. 결국 마이크로봇은 역할을 마치고 난 후에는 굶어 죽거나 면역 세포의 공격을 받아 죽게 되고 나머지 잔해는 흡수되어 사라집니다. 로봇처럼 전자 회로나 배터리, 모터를 사용하지 않기 때문에 인체에 유해한 중금속이나 화학 물질이 남을 염려도 없습니다.

살아 있는 세포를 이용한 로봇처럼 제조 과정이 복잡하지 않고 광합성을 통해 쉽게 키울 수 있어 나노스피어만 저렴하게 양산할 수 있으면 제조 가격이 저렴할 것으로 기대됩니다. 세포처럼 작은 로봇을 만드는 대신 그냥 살아 있는 세포를 활용한다는 아이디어가 돋보이는 부분입니다. 물론 사람에서 심각한 부작용 없이 안전하게 사용할 수 있고 세균을 효과적으로 제거할 수 있는지 검증하기 위해서는 앞으로 많은 연구가 필요합니다. 마이크로봇이 앞으로 의미 있는 성과를 거둘지 주목됩니다.