공상과학 영화로는 최초로 사람의 몸 속을 탐험하는 내용을 그렸던 ‘마이크로결사대’(Fantastic Voyage, 1966)를 보면 잠수함을 탄 과학자들이 미생물 크기로 축소된 채, 사경을 헤매는 환자의 체내로 투입되어 위독한 생명을 구하는 장면이 나온다. 과학기술 전문 매체인 Sciencedaily는 미 펜실베니아주립대의 과학자들이 사상 처음으로 살아있는 세포 안에 나노모터(Nano Motor)를 집어넣어 인간이 원하는 방향으로 조작할 수 있는 기술을 개발했다고 최근 보도하면서, 이 나노모터가 지금까지 상상으로만 여겼던 ‘치료를 위한 인체 내의 침투 작업’를 현실로 바꿔줄 것이라고 기대했다.
세포를 인간이 원하는 방향으로 조절할 수 있어
펜실베니아주립대 물리 및 재료화학부의 톰 말록(Tom Mallouk) 교수와 동료 연구진이 최근 개발한 나노 모터는 길이가 3㎛이고 직경은 0.3㎛인 로켓 모양으로서, 사람의 머리카락보다 얇고 작다. 또한 나노모터의 재료는 금과 루테늄(ruthenium)의 합금으로 이루어져 있는데, 그림에서 보듯이 둥근 세포 내에서 돌아다니고 있는 금색 물체가 바로 나노모터다. 이 나노모터들은 세포 안에서 드릴처럼 회전하거나 세포 내벽을 빙빙 돌고, 때로는 가만히 대기하고 있기도 한다. 또한 세포 외벽을 둘러싼 채 이를 운반할 수도 있다. 연구진이 헬라세포 주변에 나노모터를 뿌리자 세포는 재빨리 나노모터를 안으로 빨아들였다. 이후 나노모터는 세포 내에서 자유롭게 이동하면서 동력원의 전달 여부에 따라 움직이거나 멈춰서는 작업을 반복했고, 때로는 세포막에 구멍을 내기도 했다. 이 같은 결과에 대해 멀록 교수는 “나노모터가 헬라세포 내의 소기관 사이를 돌아다니거나 조직을 건드릴 때 마다 세포가 지금까지 볼 수 없었던 반응을 하는 것을 관찰할 수 있었다”며 “이런 반응을 보며 치료에 대한 새로운 가능성을 찾았다”고 밝혔다.
나노모터의 동력원은 초음파와 자기장
나노모터를 생체 실험에 적용한 연구를 펜실베니아주립대 연구진이 처음 시도한 것은 아니다. 하지만 연구진의 발표에 따르면 살아 있는 세포 안에서 나노모터가 작동하도록 개발된 것은 이번이 처음인 것으로 나타났다. 또한 이번 나노모터의 가장 특징에 대해 말록 교수는 “세포에 독성을 지닌 연료를 사용하지 않아도 된다는 점”이라며 “이전의 나노 모터들은 세포 안을 돌아다닐 수 있는 구동력을 얻기 위해 인체에 유해한 화학물질을 이용해야 했는데, 이런 이유 때문에 인체 내에 나노모터를 사용하는 것은 문제가 있있다”고 말했다. 말록 교수와 함께 이번 프로젝트에 관여하고 있는 물리학과의 에반 퓨(Evan Pugh) 교수는 “이 나노모터는 이동하면서 세포 내부 구조로 들어가 실제로 살아있는 세포의 내부를 사람들에게 보여줄 수 있을 것으로 기대를 모으고 있는데, 우리의 기대대로만 된다면 다양한 세포의 메카니즘 연구도 가능할 것”이라고 예상했다. 나노모터의 개발이 완전히 새로운 방식의 세포 생물학 연구 및 질병 치료법을 가져올 수 있을 것이라는 학계의 평가에 대해 말록 교수도 “우리는 나노모터를 암 및 기타 질병을 치료하는 용도로 가장 먼저 사용해 볼 것”이라며 “나노모터가 세포 내 수술을 수행할 수 있고, 세포 조직에 간접적으로 약물도 전달 할 수 있기 때문”이라고 설명했다.
자연의 나노모터를 모방하려는 연구도 증가
생체에 적용하는 인공 나노모터와는 반대로 생체가 가진 자연적인 나노모터의 원리를 규명하여 이를 다양한 용도의 인공 나노모터로 개발하려는 움직임도 활발해지고 있다. 최근 일본의 과학자들이 대장균이 가진 천연의 나노모터를 통해 초소형 엔진 기술을 개발하려는 시도를 하고 있어 관심을 모으고 있다. 일본 토호쿠대학 생명과학부의 과학자들은 자연계에서 수소 이온의 흐름만을 에너지원으로 이용하는 대장균의 편모가 가진 천연의 나노모터를 나트륨 이온 흐름도 동시에 이용할 수 있는 하이브리드 모터처럼 기능하게 하는 데 성공했다고 최근 발표했다. 대장균을 비롯한 많은 박테리아는 편모라고 불리는 나선형의 섬유를 스크류처럼 회전시켜 수중을 헤엄치고 보다 좋은 환경으로 이동하는데, 편모의 회전은 그 근원의 세포막에 묻혀 있는 직경이 불과 45nm인 천연의 나노모터에 의해 구동된다. 이 천연의 나노모터는 매분 약 2만 회전으로 경주용 자동차의 엔진에 필적할 만큼 고속 구동을 하면서 순식간에 회전 방향을 선회하고 100%에 가까운 효율로 에너지를 변환할 수 있다. 이런 동작은 현존하는 인류의 기술로는 이룰 수 없는 고성능의 천연 나노머신만이 가능한 수준이다. 토호쿠대 외에 일본의 대표적인 생물물리학자들도 미생물들의 나노모터가 정확히 어떻게 작동하는지 이해하기 위해서 수년간 막대한 돈을 투자하고 있는 것으로 알려졌다. 그 이유는 인류도 언젠가는 이 놀라운 생체 설계의 정보를 모방하여 환상적인 초소형 엔진 기술을 개발할 수 있으리라는 희망 때문이라는 것이 일본 과학계의 공통된 시각이다.
