- IBS 나노의학 연구단, 세계 최초로 나노로봇에 클러치 기능 탑재 -
- DNA 클러치에 1조 개 정보 프로그래밍…자율주행 나노로봇 개발 눈앞 -
우리 몸속에서 세포보다 작은 크기의 초소형 로봇이 스스로 질병을 찾아내고 치료도 한다. 공상과학 영화에서나 등장할법한 이야기가 최신 지능형 나노로봇의 등장으로 곧 현실이 될 전망이다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 언더우드 특훈교수) 연구팀은 유전자 신호를 감지해 스스로 클러치를 작동하는 생체 나노로봇을 세계 최초로 개발했다. 200㎚ 크기의 극미세 영역 내 엔진, 로터(회전체), 클러치 등 기계 장치를 탑재해 특정 질병 인자를 감지하고 세포와 결합해 생체 신호를 조절할 수 있다.
클러치는 기계의 엔진을 구동하는 핵심 요소로, 엔진의 동력을 로터로 전달(go) 혹은 차단(stop)하는 장치다. 클러치로 인해 필요에 따라 선택적으로 기계를 구동할 수 있어 에너지 효율도 향상된다. 놀랍게도 자연계의 박테리아 역시 편모의 운동을 제어하기 위해 생체 클러치를 이용한다고 밝혀진 바 있는데, 그동안 개발된 나노로봇에서는 클러치 기능을 구현하지 못했다.
연구진은 독창적인 구조를 설계함으로써 나노로봇에 클러치 장치를 탑재하는 데 성공했다. 화학적 합성법을 통해 제작된 나노로봇은 다공성 구형(多孔性 球形) 로터 안에 자성 엔진이 있으며, 로터와 엔진은 각각 DNA로 코팅되어 있다. 로터 표면의 구멍을 통해 환경인자가 내부로 유입되어 특정 유전자 신호를 감지하면, 로터와 엔진에 코팅된 DNA 가닥이 서로 결합해 엔진의 힘을 로터로 전달하는 ‘클러치’ 역할을 한다.
DNA 클러치가 작동하면 엔진에서 발생하는 피코 뉴턴(pN)의 힘이 로터로 전달되어 나노로봇이 헬리콥터의 프로펠러처럼 회전한다. 자성을 가진 엔진을 사용했기 때문에 인체 외부에서 자력을 이용해 무선으로 로봇 제어가 가능하다. 자기장의 방향에 따라 회전력의 발생 방향을 자유자재로 바꿀 수도 있다.
이렇게 구동하는 나노로봇은 세포와 결합해 생체 신호를 기계적으로 조절할 수 있다. 질병 인자에 해당하는 특정 마이크로 RNA 유전자가 존재하는 경우, 클러치 나노로봇이 이를 감지하고 스스로 작동해 세포의 유전자 활성화를 유도한다.
DNA 클러치는 20개의 염기서열로 이루어져 있어 무한대에 가까운(420≈1조 개) 질병 인자를 감지하도록 프로그래밍할 수 있다. 다시 말해, 무수히 많은 정보를 코딩해 기억 및 연산 기능을 가지는 ‘나노로봇의 지능화’가 가능하다는 것을 의미한다. 바이오 나노로봇 분야의 세계적 권위자인 페어 피셔 교수는 본 연구에 대해 “세계에서 가장 진보된 나노로봇이며, 특히 지능형 나노로봇 발전에 있어 퀀텀 점프를 이룬 연구”라고 평했다.
천진우 단장은 “정보의 프로그램화가 가능한 클러치가 구현되었다는 것은 자율주행 자동차처럼 로봇이 스스로 주변을 감지하고 판단할 수 있다는 의미”라며, “머지않아 진단이나 치료에 활용할 수 있는 자율주행 나노로봇이 개발될 것”이라고 전망했다.
이번 연구성과는 국제 저명 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)’에 2월 7일 게재됐다.
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.
[그림 1] 클러치 나노로봇 크기를 나타낸 모식도 [출처=기초과학연구원]
클러치 나노로봇은 바이러스 크기인 200㎚(나노미터)의 극미세 영역 안에 엔진, 클러치, 로터 등의 기계 장치를 탑재하여 프로펠러의 회전과 같은 기능을 수행함.
[그림 2] 클러치 나노로봇의 구조와 작동원리 [출처=기초과학연구원]
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.
[그림 3] 프로펠러 방향 조절이 가능한 클러치 나노로봇 [출처=기초과학연구원]
클러치 나노로봇은 다양한 나노 프로펠러와 결합할 수 있음. 자성 엔진을 통해 무선으로 제어할 수 있으며, 프로펠러의 회전 방향을 외부에서 자유자재로 조절할 수 있음.
[그림 4] 질병 인자를 감지하여 작동하는 클러치 나노로봇 [출처=기초과학연구원]
(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).
[그림 5] 클러치 나노로봇의 합성 과정 [출처=기초과학연구원]
자성 엔진은 다공성 구형 로터 안에 존재하며, DNA 클러치를 코팅하여 나노로봇을 제작함.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(기초과학연구원) 등록일2024.02.14