로봇물고기 스스로 헤엄? 인간 심장세포로 움직인다!

조지아공대 박성진 교수와 하버드대 이길용 박사 후 연구원은 하버드대 케빈 킷 파커 교수와 함께 인간 줄기세포에서 분화한 심장근육세포를 이용하여 스스로 헤엄치는 물고기 로봇을 개발했다.

이 연구는 국제학술지 '사이언스'에 2022년 2월 10일 발표됐다.

박성진 교수는 2016년에 쥐의 심장근육세포를 이용한 바이오 하이브리드 가오리 로봇을 개발하여 사이언스에 공개했었다. 이번 연구는 그 후속으로 인간의 심장근육세포를 이용한 물고기 로봇을 개발했다.

이번 연구로 인간 유도만능 줄기세포(IPS)로 심장근육의 이완과 수축을 스스로 하는 근육조직을 만들 수 있다는 사실을 보여줬다.

출처: 사이언스지

1. 실험 원리

스스로 헤엄치는 로봇물고기의 원리는 간단하다. 심장의 수축과 이완의 원리를 재현하여 스스로 헤엄친다.

친수성 고분자 물질(하이드로겔)로 물고기 모양을 만들고 고분자 물질 양면에 유도만능 줄기세포(IPS)에서 분화한 인간의 심장근육세포를 각각 붙여 물고기의 양쪽에 근육 형태로 만들었다. 그 후 인체 내부 환경과 유사한 전해질 용액에 물고기 로봇을 넣어 양쪽에 붙은 근육이 수축과 이완을 반복하면서 스스로 헤엄치는 사실을 확인했다.

이 로봇은 외부의 기계, 전기적 자극 없이 수축과 이완만으로 전해질 내에서 100일 이상 헤엄치며 생존했다. 단순히 헤엄치는 것뿐만 아니라 외부의 빛 자극을 통해 로봇의 움직임을 정교하게 조절할 수 있는 기능도 있었다. 물고기 로봇에 빛을 감지하는 센서 DNA를 세포 내에 집어넣어 빛 자극에 반응하도록 만들어 물고기의 움직임을 정교하게 조절할 수 있었다. 이 부분이 2016년 가오리 로봇보다 우수한 점이며, 외부 자극 없이도 헤엄칠 수 있다는 점이 전 연구와 차별점이다.

출처: 사이언즈지

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2. 결론

인간의 유도만능 줄기세포(IPS) 기술은 피부의 섬유아세포를 추출하여 만든다. 연구진은 IPS를 이용하여 근육세포로 인공심장 등과 같은 인공 조직을 만들 수 있다면 생체 적합성을 향상할 수 있다는 장점을 가진다.

사람에게 이식할 수 있는 인공심장이 아니더라도 이렇게 만든 근육세포를 이용해 만든 인공심장으로 약물 테스트를 진행할 수도 있다. 자신의 유도만능 줄기세포를 추출하여 만든 인공심장에 약물을 우선 투약하여 이상 반응이 없는지 확인할 수 있으며, 효과가 가장 좋은 약물은 무엇인지 확인할 수 있는 것이다.

박성진 교수는 "물고기 로봇이 100일 동안 문제없이 살아남았다는 사실을 보여줬다, 유도만능 줄기세포로 충분히 건강한 근육조직을 분화해 만들어낸다면 체내에 이식 가능한 인공심장 등 장기를 개발하는 데 토대가 되는 기술"이라고 말했다.

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처음에는 논문 제목만 보고 해양 탐사하는 물고기 로봇을 개발한 줄 알았다. 하지만 살아있는 근육세포로 만든 인공심장, 인공장기와 인공근육의 성능을 개선할 수 있는 놀라운 논문이었다. 인공장기와 인공심장 이식뿐만 아니라 자신의 IPS로 만들 경우 어떤 약물이 더 효과적인지 미리 확인할 수 있다는 점에서 굉장히 유용한 논문이 될 것 같다.