한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템 연구단 김태송 단장 연구팀은 국민대 화학과 유연규 교수팀과의 공동연구를 통해 반도체의 주된 재료인 실리콘 기판 위에 수만 개 이상의 3차원 인공세포막을 제작하는 기술을 개발했다.

또한 연구팀은 이 인공세포막 표면에 이온 채널 단백질을 결합, 특정 조건을 감지하면 이온 채널이 열리고, 신호를 발생시키는 것을 확인했다. 이온 채널은 생체막을 관통하는 통로을 형성해 생체막 내외의 이온을 통과시키는 단백질 분자다. 예를 들어 후각세포의 경우 특정 이온이 채널을 통과하여 전기신호를 만듦으로써 뇌에서 냄새를 인식하게 된다.

포유동물은 개체마다 특유의 감각 기능을 보유하고 있다. 개는 인간보다 약 1000배 이상 민감한 후각을 보유하고 있다. 이는 개의 후각세포와, 냄새를 구별하는 이온 채널의 숫자가 훨씬 많기 때문이다. 만약 이들 후각세포를 인공적으로 반도체 소자와 같은 초소형 칩 위에 구현할 수 있다면 공항에서 개를 훈련해 폭발물이나 마약과 같은 금지약물의 검사에 동원하지 않고도 아주 정밀하고 손쉽게 검사함으로써 재난과 위험으로부터 보호할 수 있을 것이다.

지금까지 인공세포막은 시계보다 정확히 이루어지는 생명체의 생명현상을 밝히거나, 특정 반응 모델실험, 새로운 약물 개발 등에 활용됐다. 현재까지 연구결과는 생체환경과 유사한 액체에 떠 있는 세포 모양의 인공 세포(GUV)를 이용한 것으로, 고체 기판 위에 고정된 인공세포막을 이용한 것이 아니었다. GUV(Giant Unilamellar Vesicle)란 이중막인 인공세포막으로 이루어진 구형 구조물(1~200㎛)이다.

고체에 고정된 막 연구는 2차원의 평평한 막을 이용한 방법이 발표됐다. 하지만 넓은 표면적을 갖기에는 막의 안정성이 떨어져 인공세포막의 생존시간이 24시간 정도에 불과해 초민감·감각 센싱 플랫폼으로써 응용하기에 부족한 수준이다.

(상) 실리콘 기판에 형성된 직경 8㎛ 홀 어레이 평단면. (중) 개개의 실리콘 홀 위에 형성된 구형상의 인공세포막 구조물 콘포컬 현미경 사진과 인공세포막. (하우측) 인공 세포구조물 크기 분포 그래프.

KIST 연구진은 이러한 기존의 한계점들을 극복하기 위해 실리콘 기판에 수만 개의 미세 구멍을 만들어 개개의 구멍 위에 균일하고 넓은 표면적을 갖는 3차원 인공세포(GUV) 구조물 제작 방법을 최초로 개발했다. 특히, 5일 이상 구조물이 터지거나 변형되지 않고 유지될 수 있을 정도로 인공세포막의 안정성이 뛰어났다.

또한, 이 실리콘 기판 위에 제작된 3차원 인공세포막 구조물에 세로토닌 수용 채널을 다량 결합했다. 이 결합 된 채널들이 정상적으로 작동함을 확인하고, 이를 통해 제작한 인공세포막이 구조물로서 뿐만 아니라 세포의 기능도 정상적으로 수행할 수 있음을 밝혔다. 더 나아가 이를 응용하면 생명체만큼이나 민감하고 정확한 센서로 활용될 수 있음을 시사했다. 세로토닌은 뇌 신경계에 작용하는 신경전달물질의 하나로 행복을 느끼는 데에 기여한다고 일반적으로 알려져 있다.

개발된 기술은 알지 못하는 생명현상의 근원을 밝히기 위한 연구 플랫폼으로 기능할 수 있다. KIST 김태송 박사는 “반도체 기판 위에 고정된 3D 인공 세포 집합체에 실제 개 코의 후각세포와 기능을 그대로 적용하면 마약이나 폭발물 같은 특정 물질을 인식하는 인공 개 코를 포함한 우수한 인공 오감 센싱 플랫폼으로 활용할 수 있다”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업으로 수행, 연구결과는 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF : 9.518, JCR 분야 상위 0.595%)에 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Enhancement of membrane protein reconstitution on 3D free-standing lipid bilayer array in a microfluidic channel

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 한원배 박사(PostDoc.)

– (교신저자) 한국과학기술연구원 김태송 책임연구원