유전자 신호 감지하는 스마트 나노로봇 개발, 암 치료에 새 희망 밝혀!

IBS 나노의학 연구단이 세계 최초로 유전자 신호를 감지해 스스로 클러치를 작동하는 스마트 나노로봇을 개발했다. 이 나노로봇은 특정 질병 인자를 감지하고 세포와 결합해 생체 신호를 조절하는 능력을 가지고 있다. 또한, 무한대에 가까운 질병 인자를 감지하도록 DNA 클러치를 프로그래밍할 수 있어, 진단 및 치료에 활용 가능한 자율주행 나노로봇의 개발이 눈앞에 와 있다.

 

▲ 클러치 나노로봇 크기를 나타낸 모식도

• 클러치 나노로봇은 바이러스 크기인 200㎚(나노미터)의 극미세 영역 안에 엔진, 클러치, 로터 등의 기계 장치를 탑재하여 프로펠러의 회전과 같은 기능을 수행함.

나노로봇이 암세포를 직접 공격한다면?

스마트 나노로봇이라는 이름으로 우리 앞에 나타난 이 특별한 기계는, 질병을 찾아내고 치료하는 역할을 수행할 수 있다. 이는 공상과학 영화에서나 볼 법한 상황이지만, 최근의 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단의 연구로 현실이 되었다.

 

▲ 클러치 나노로봇의 구조와 작동원리

• 클러치는 엔진의 동력을 전달(go) 혹은 차단(stop)하는 로봇의 필수 요소. 클러치 나노로봇은 (1)자성 엔진, (2)구형 로터, (3)DNA 클러치로 이루어져 있음. 20개의 염기서열로 이루어진 DNA 클러치는 무한대에 가까운(4의 20제곱) 정보를 코딩할 수 있음.

세계 최초로 개발된 스마트 나노로봇의 독특한 구조

이 연구팀은 세계 최초로 유전자 신호를 감지해 스스로 클러치를 작동하는 생체 나노로봇을 개발했다. 이 나노로봇은 200㎚(나노미터) 크기의 극미세 영역 내에 엔진, 로터(회전체), 클러치 등 기계 장치를 탑재하고 있다. 이들 장치들은 특정 질병 인자를 감지하고 세포와 결합하여 생체 신호를 조절하는 능력을 가지고 있다.

 

▲ 프로펠러 방향 조절이 가능한 클러치 나노로봇

• 클러치 나노로봇은 다양한 나노 프로펠러와 결합할 수 있음. 자성 엔진을 통해 무선으로 제어할 수 있으며, 프로펠러의 회전 방향을 외부에서 자유자재로 조절할 수 있음.

▲ 질병 인자를 감지하여 작동하는 클러치 나노로봇

• (상단) 세포와 결합한 클러치 나노로봇의 전자현미경 사진.
  (하단) 질병 인자가 존재하는 경우 클러치 나노로봇이 힘을 발생하여, 세포의 유전자 활성을 유도함(활성화된 세포는 빨간색 형광 표시).

 

▲ 클러치 나노로봇의 합성 과정

• 자성 엔진은 다공성 구형 로터 안에 존재하며, DNA 클러치를 코팅하여 나노로봇을 제작함.

 

DNA 클러치를 통한 나노로봇의 클러치 작동 방식

나노로봇의 클러치 작동 방식은 다음과 같습니다. 로터와 엔진은 각각 DNA로 코팅되어 있다. 로터 표면의 구멍을 통해 환경 인자가 내부로 유입되면, 특정 유전자 신호를 감지한다. 유전자 신호를 감지하면, 로터와 엔진에 코팅된 DNA 가닥이 서로 결합해 엔진의 힘을 로터로 전달하는 '클러치' 역할을 수행한다.

자율주행 나노로봇의 잠재적 활용 분야와 미래 전망

이렇게 작동하는 나노로봇은 세포와 결합해 생체 신호를 기계적으로 조절할 수 있다. 특정 마이크로 RNA 유전자가 존재하는 경우, 클러치 나노로봇이 이를 감지하고 스스로 작동해 세포의 유전자 활성화를 유도한다. 이와 같이 DNA 클러치는 20개의 염기서열로 이루어져 있어 무한대에 가까운(420≈1조 개) 질병 인자를 감지하도록 프로그래밍할 수 있다. 이는 무수히 많은 정보를 코딩해 기억 및 연산 기능을 가지는 '나노로봇의 지능화'가 가능하다는 것을 의미한다.

이번 연구는 국제 저명 학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)'에 게재되었다. 이 연구를 통해, 머지않아 진단이나 치료에 활용할 수 있는 자율주행 나노로봇이 개발될 것이라는 전망이 제시되었다. 이는 현대 융합 과학의 꿈을 현실로 만드는 데 중요한 한 걸음이 될 것이다.

연구 추가 설명

논문/저널/저자

 

A magnetically powered nanomachine with a DNA clutch/ Nature Nanotechnology (2024)
Mouhong Lin, Jung-uk Lee, Youngjoo Kim, Gooreum Kim, Yunmin Jung, Ala Jo, Mansoo Park, Sol Lee, Jungsu David Lah, Jongseong Park, Kunwoo Noh, Jae-Hyun Lee, Minsuk Kwak, Dominik Lungerich & Jinwoo Cheon

연구내용 보충설명

영화 '판타스틱 보이지(Fantastic Voyage, 1966)'부터 다양한 과학 소설까지, 인간들은 아주 작은 미세 기계를 만들고 싶다는 생각을 계속해왔다. 이와 더불어 나노기술의 발전으로 과학 소설에서만 찾아볼 수 있었던 '나노로봇'이라는 개념이 최근에는 흥미로운 연구 분야로 자리매김하고 있다.

 

나노로봇 분야에서의 큰 방해물은 나노 영역에서 존재하는 특이한 물리학이다. 나노로봇은 상온에서 자유 운동(브라운 운동)이 나타나기 때문에 원하는 위치로 힘을 만들어 내비게이션하는 것이 과학적 난제다.

클러치 나노로봇은 기존에 없었던 새로운 유형의 스마트 나노로봇으로, 다공성 로터를 이용해 나노로봇의 예기치 않은 분해를 방지하면서 동시에 표면의 구멍을 통해 환경 인자가 내부로 유입되어 DNA 클러치가 가역적으로 작동할 수 있도록 한다.

이로써 약 200nm 크기 내에 무선 전원 공급, 가역적인 하위 유닛 조립, 미세환경 감지, 제어된 힘 전달 등 다양한 요소를 융합할 수 있었고, 생체 환경과 결합하여 세포 수용체의 기계적 활성화를 보여주며 나노-생체 융합 로봇의 새로운 가능성을 보여주었다.

영상 자료 링크

클러치 나노로봇 작동 영상 링크

1. 클러치 나노로봇과 프로펠러의 회전 영상: https://youtu.be/rHLtKe97ZQI
2. 다수 클러치 나노로봇의 동시 구동 영상: https://youtu.be/Idm5IGp4WIM
3. 클러치 나노로봇과 프로펠러의 방향 조절 영상: https://youtu.be/bTtiPO6dOKo

 

연구 이야기

지능형 나노로봇의 기계적, 생물학적 기능을 동시에 부여하는 것은 현대 융합 과학의 꿈이라고 볼 수 있다. 나노물질합성, 세포실험에 더하여 액상 투과 전자 현미경에서의 IBS의 지원은 프로젝트의 성공에 아주 중요한 부분이었다. 

우리는 이 연구를 발전시켜 더 정밀하고 복잡한 기능을 수행하는 차세대 스마트 나노로봇으로 나아가고자 한다. DNA 클러치는 프로그래밍 가능한 외부인자 감지, 가역적인 클러치 작동 및 제어된 힘 전달로 인해 큰 장점을 가지고 있다. 나노입자와 생체 고분자 등의 조합의 물리적 및 화학적 시너지를 통해 우리는 기계 구성 요소 중 아주 중요한 클러치를 나노 수준에서 개발할 수 있었다. 이 개념을 확장하여 다양한 기계 요소를 개발하고 융합하는 것이 나노로봇의 미래가 될 것이다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

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