고등과학원 연구팀, 스스로 클러치 작동하는 스마트 나노로봇 개발

세계 최초로 나노로봇에 클러치 기능 탑재

DNA 클러치에 1조 개 정보 프로그래밍 … 자율주행 나노로봇 개발 눈앞

[사진. (왼쪽부터) 고등과학원 천진우 원장, 고등과학원 룽게리히 도미닉(Dominik Lungerich) 연구교수, IBS 린무홍(Mouhong Lin) 박사후 연구원]

고등과학원 천진우 원장 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 코팅돼 있다. 로터 표면의 구멍을 통해 환경 인자가 내부로 유입돼 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 전달돼 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 이뤄져 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 구현됐다는 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 연구 성과는 국제 저명 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)’에 2월 7일 게재됐다.

고등과학원은 세계 최고 수준의 나노의학 융합 연구를 수행하고자 나노, 바이오, 그리고 디바이스의 3가지 핵심 시설을 구축해 세계에서 가장 선진화된 원스톱 나노의학 연구 인프라를 완성했다. 고등과학원은 융합 분야의 퍼스트 무버(First Mover) 및 빅 사이언스(Big Science) 창출을 목표로 하며 나노과학과 의학을 융합한 나노바이오메디컬엔지니어링 전공을 통해 미래 과학을 선점하는 데 기여하고 있다.

논문정보

● 논문제목: A magnetically powered nanomachine with a DNA clutch

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01599-6