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빛을 스위치 삼아 세포 에너지 분자인 아데노신삼인산(ATP)을 생산하는 ‘인공 세포 에너지 공장’이 개발됐다. 빛을 켜고 끄며 인공세포의 형태를 반복해서 바꾸고 손상된 3차원 조직 모형의 세포 생존율을 2배로 높이는 데도 성공했다. 울산과학기술원(UNIST)은 바이오메디컬공학과 조윤경 교수 연구팀이 POSTECH 화학과 이인수 교수 연구팀과 공동으로 빛에 반응해 ATP를 합성하는 인공 세포소기관 ‘PNO(plasmonic nano-organelle)’를 개발했다고 5일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 9월 29일 자로 게재됐다. 살아 있는 세포는 포도당 등 영양분에서 얻은 에너지로 ATP를 만들어 형태를 바꾸거나 손상 부위를 복구한다. 이러한 생명 활동을 모사하는 인공세포를 구동하려면 필요한 시。과 위치에 맞춰 에너지를 공급하고 조절하는 장치가 필수적이다. 연구팀은 빛에 반응하는 금·백금 나노구조 표면에 ATP 합성효소가 포함된 대장균 유래 세포막을 입혀 PNO를 제작했다. 오징어릴게임 제작 과정에는 미세한 액체 흐름을 정밀하게 제어하는 미세유체기술을 적용해 나노구조 표면에 막이 고르게 코팅되도록 했다. PNO는 막 안팎의 수소이온 농도 차이를 이용해 에너지를 만드는 생물학적 원리로 작동한다. 포도당과 산소가 녹아 있는 용액에 PNO를 넣고 근적외선을 비추면 금·백금 나노구조가 포도당의 산화 반응을 촉진해 내부에 수소이온을 생성한다. 막 안쪽에 쌓인 수소이온이 농도가 낮은 바깥쪽으로 이동할 때 대장균 유래 막의 ATP 합성효소를 통과하면서 효소를 회전시켜 ATP를 만들어낸다. 댐의 수위 차로 수차를 돌리는 원리와 같다. 이 시스템에서 포도당은 연료, 근적외선은 작동 스위치 역할을 한다. 연구팀은 빛을 켜고 끄는 방식으로 ATP 생산을 반복 조절했다. 생성된 에너지는 실제 세포 구조와 조직의 물리적 성질을 바꿨다. 연구팀이 PNO와 근육 단백질인 액틴을 지질 막 주머니에 넣어 인공세포 모형을 만든 뒤 빛을 비추자, 생산된 ATP를 이용해 액틴이 긴 섬유 형태로 조립됐다. 카카오야마토 길어진 액틴 섬유가 지질막을 밀어내면서 인공세포의 모양이 변했고, 빛을 끄면 원래에 가까운 둥근 형태로 돌아왔다. 살아 있는 근육 전구세포(C2C12)와 PNO를 알지네이트 젤에 함께 넣어 제작한 3차원 조직 모형에서도 효과가 입증됐다. 근적외선을 비추자 ATP 생산이 늘어나며 세포 내 액틴 섬유 형성이 촉진됐고, 조직 모형의 단단함은 빛을 비추기 전보다 약 1.9배 증가했다. 세포 보호 효과도 확인했다. 산화 스트레스를 가한 3차원 조직 모형에 포도당과 근적외선을 함께 공급한 결과, PNO를 포함한 모형은 ATP 수준이 스트레스 노출 전의 약 84%까지 회복됐다. PNO가 없는 대조군의 회복률은 약 22%에 그쳤다. 세포 생존율 역시 PNO가 포함된 모형에서 대조군보다 약 2배 높게 나타났다. 조윤경 교수는 “인공세포가 실제 세포처럼 작동하려면 시공간에 맞춰 에너지 공급을 제어하는 기술이 중요하다”며 “이번 연구는 세포의 에너지 소비 과정을 규명하고 빛에 반응해 성질이 변하는 생체재료를 개발하는 데 기여할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 UNIST 연구지원본부의 장비를 활용했다. dvanced Ma