공상과학 영화 속에서 자주 등장하는 나노로봇은 미래 의학의 획기적이고 필수적인 도구입니다. 아주 작은 나노로봇은 사람 몸 안에 들어가 질병을 찾아내고 치료하는 등 다양한 일을 수행할 수 있을 것으로 기대됩니다. 혁신적인 나노로봇 기술의 발전을 위해, 나노의 개념을 바탕으로 물질과 생명을 매개하는 융합연구 패러다임에 도전하는 기초과학연구원 나노의학 연구단 천진우 단장 연구팀의 ‘스마트 클러치 나노로봇’을 소개합니다.

작은 크기 뒤에 숨겨진 독특한 성질, 나노

코로나바이러스 항원 검사나 임신 테스트기에 사용되는 자가 진단키트는 양성과 음성 결과를 구분하기 위해 붉은색 선을 활용합니다. 이 붉은색 시료는 금 나노입자인데, 입자 표면에 특정 질병의 표적 물질이 결합하거나 흡착되어 선의 형태로 나타나게 됩니다. 우리가 생각하기에 금은 보통 노란색인데, 어떻게 붉은색을 띠게 되는 것일까요? 그 답은 입자의 ‘나노’ 크기에 있습니다.

나노입자의 ‘나노’는 10억 분의 1을 나타내는 단위로 아주 작은 크기를 나타내며, 이 작은 크기 뒤에는 숨겨진 특별한 물성과 특성이 있습니다.

금, 은과 같은 금속 입자는 빛의 파장보다 작은 나노미터의 크기가 되면 우리가 생각하는 일반적인 색과 다른 색으로 변하게 됩니다. 이는 표면 플라즈몬 공명 효과 때문인데요. 금속은 자유전자를 가지고 있으며, 금속 나노입자에 빛을 쪼이게 되면 표면의 자유전자는 특정 파장의 빛과 아주 강하게 공명하고 집단으로 진동하게 됩니다. 이때 나노입자는 그 특정 파장의 빛을 흡수하고 일반적이지 않은 새로운 색을 띠게 됩니다. 이 색은 나노입자의 크기나 모양에 따라 달라져 금 나노입자는 붉은색이 나타나게 되고, 이렇게 달라진 색을 진단키트에 이용하는 것이죠.

[그림 1] 자가 진단키트에 사용되는 금 나노입자 (왼쪽), 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 효과 (오른쪽).

또한 산화철과 같은 자성물질은 크기가 나노미터로 작아짐에 따라 초상자성이라는 독특한 성질을 가집니다. 초상자성을 가지는 나노입자는 주변에 자석이 있으면 자화가 되어 자성을 띠는 입자이지만 주변 자석이 사라지면 자화가 빠르게 풀려 자석이 아니게 되는 새로운 성질을 띠는 입자입니다. 즉, 외부 자기장에 의해 자화되더라도 외부 자기장이 사라지면 자화 방향이 빠르게 변화하여 무질서한 상태로 돌아가는 것이죠. 자성 나노입자는 이러한 새로운 특성을 바탕으로 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 특히 의료 분야에서는 자성 나노입자를 이용하여 약물 전달체를 특정 부위로 이동시키거나, 자기 공명 이미징(MRI)에서 이미지 개선을 위해 활용됩니다. 또한, 생물학적 연구에서는 세포 조절 등 다양한 생체 시스템에서 응용되고 있습니다.

[그림 2] 외부 자기장이 있을 때 자성체로 행동하는 자성 나노입자 (왼쪽), 외부 자기장이 없을 때 자화방향이 빠르게 변화하여 비자성체로 행동하는 자성 나노입자 (오른쪽).

이렇게 새롭고 독특한 성질을 바탕으로 나노물질은 현대 의학과 생명과학 연구에 새로운 가능성을 열어가고 있습니다.

상상이 현실이 되는 나노로봇

공상과학 영화에서는 종종 아주 작은 나노로봇이 특별한 역할을 하는 모습이 등장합니다. 몸속에서 질병을 찾아내고 치료하거나 몸의 강화를 도와주는 역할을 하기도 합니다. 나노기술의 발전은 이러한 상상을 현실로 만들어가고 있습니다.

실제로, 나노입자의 개발을 통해 다양한 나노로봇이 연구되고 있습니다. 나노로봇의 흥미로운 디자인 컨셉과 그 예시들이 제시되고 있으며, 이들은 빛, 소리, 전기나 자기장과 같은 외부 에너지원에 의해 작동이 가능합니다. 외부 에너지원 중 자기장은 다른 물리적 신호들에 비해 생체 투과성이 높고 인체에 무해하다는 장점이 있어 의료 분야에서의 활용도가 더욱 주목되고 있지요.

나노보다는 큰 마이크로 로봇은 지난 10여 년간 다양한 형상과 기능을 가지고 활발히 개발되어 왔습니다. 대표적으로 2018년, 독일 막스플랑크연구소의 페어 피셔 (Peer Fischer) 교수팀은 약물 전달이 가능한 마이크로미터 크기의 의학 로봇을 개발하였습니다. 이 마이크로 로봇은 마치 올챙이처럼 머리와 나선형 꼬리로 구성되어 있습니다. 머리의 니켈 금속 캡슐에는 약물을 탑재할 수 있으며, 나선형 꼬리는 외부 회전 자기장 하에서 발생하는 힘으로 스스로 전진할 수 있었습니다.
[A swarm of slippery micropropellers penetrates the vitreous body of the eye, 사이언스 어드밴시스, 2018].

나노로봇 분야는 마이크로 로봇에 비하면 아직 걸음마 단계이지만 지속적인 연구 개발을 통해 진보하고 있습니다. 이러한 나노로봇의 기초 단계에서 가장 중요한 부분은 로봇에게 동력을 부여하는 엔진과 그 동력을 전달할 수 있는 시스템의 구축일 것입니다.

스스로 작동하는 스마트 클러치 나노로봇

논문명: A magnetically powered nanomachine with a DNA clutch, 네이처 나노테크놀로지, 2024

자동차의 중요한 장치 중 하나인 클러치는 변속기에서 동력을 전달하는 데에 사용됩니다. 클러치를 이용해 우리는 매번 엔진을 끄지 않고도 차를 멈출 수 있고, 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 신기하게도, 자연계의 박테리아 역시 생체 클러치를 이용해 편모의 운동을 제어한다고 밝혀진 바 있습니다. 이러한 클러치의 원리를 모방할 수 있다면, 나노로봇이 선택적으로 작동하고 높은 효율로 다양하고 복잡한 작업을 수행할 수 있을 것으로 기대됩니다.

2024년, 천진우 단장(연세대학교 언더우드 특훈교수)이 이끄는 기초과학연구원 (IBS) 나노의학 연구단은 이런 클러치 기능이 있는 스마트 클러치 나노로봇을 선보였습니다. 이 클러치 나노로봇은 머리카락 굵기보다 500배나 작은 200nm의 크기로 엔진, 로터, 클러치로 구성되어 있습니다. 힘 발생이 가능한 엔진은 자성 나노입자로 구성되어 있으며, 외부 자기장에 의해 원격으로 조절할 수 있습니다. 로터는 다공성 금 나노 막으로 이루어져 외부환경과의 상호작용을 가능하게 합니다.

마지막으로 DNA로 만든 클러치는 프로그래밍이 가능하며 생체 미세 환경에서 발생하는 다양한 신호를 감지하여 나노로봇의 힘 전달을 조절합니다. 외부 환경 인자에 따라 엔진이 동력 전달을 차단하는 “끄기” 상태와 엔진이 로터로 동력을 전달하는 “켜기” 상태 간의 전환이 가역적으로 가능한 것이지요.

[그림 3] 스마트 클러치 나노로봇의 구조와 작동원리. 클러치 나노로봇은 엔진, 로터, 클러치로 이루어져 있으며, 20개의 염기서열로 이루어진 유전자 클러치는 무한대에 가까운 (4의 20제곱) 정보를 코딩할 수 있음.

이때 회전 자기장 하에 자기장에 따라 회전하는 엔진은 세포 자극에 매우 중요한 범위인 피코 뉴턴 범위의 돌림힘을 발생시킵니다. 이 힘은 “켜기” 생태에서만 외부 로터로 힘을 전달하며, 외부 환경 인자가 없으면 “끄기” 상태가 되어 힘 전달을 차단하기 때문에 특정 환경의 세포만을 자극할 수 있는 것입니다.

연구진은 개발된 클러치 나노로봇의 선택적 힘 전달 능력을 이용해 생체 신호를 기계적으로 조절할 수 있음을 확인하였습니다. 질병 인자에 해당하는 특정 마이크로 RNA 유전자가 존재하는 경우, 클러치 나노로봇이 구동되어 세포의 유전자 활성화가 가능함을 증명한 것이지요. DNA 클러치는 약 20개의 염기서열로 이루어져 있어 무한대에 가까운 (4의 20제곱) 정보의 프로그램화가 가능합니다. 따라서 개발된 클러치 나노로봇은 원리적으로 기억 및 연산 기능을 가질 수 있고, 지능화가 가능하여 다양한 유전자 질병인자를 감지할 수 있습니다.

[그림 4] 세포와 결합된 클러치 나노로봇의 전자현미경 사진. (하단) 질병 인자가 존재하는 경우 클러치 나노로봇이 힘을 발생하여, 세포의 유전자 활성을 유도한다 (활성화된 세포는 빨간색 형광).

생체 환경에서 다양한 일을 하는 나노로봇

IBS 나노의학 연구단의 성과를 통해 나노로봇이 생체 환경에서 다양한 일을 수행하는 미래를 엿볼 수 있습니다. 작은 크기의 나노로봇은 아직 가야 할 길이 멀지만 단일 세포나 분자 수준으로 정밀한 조작이 가능하다는 장점이 있어 연구 및 개발 가치가 높습니다. 앞서 소개한 클러치 시스템과 더불어 다양한 기계장치의 작동 원리를 접목한다면 더욱 복잡한 일을 수행하는 것도 가능할 것입니다. 나노기술과 현대 의학의 융합을 통해 생체 환경 속에서 발생하는 문제를 진단하고 해결할 수 있는 나노로봇은 미래 의학의 획기적이고 필수적인 도구가 될 것입니다.

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