세포막은 세포 안팎의 보호막이자 지구상에서 가장 정확하고 정밀한 바이오센서이기도 하다. 한 면은 물과 잘 섞이는 친수성, 다른 면은 잘 섞이지 않는 소수성의 이중막 형태를 지닌 세포막은 수도꼭지처럼 이온채널을 여닫으며 외부의 물리화학적 자극을 전기신호로 바꿔 세포에 전달한다. 이에 따라 전 세계적으로 세포막의 탁월한 감지 및 정보전환 기능을 모사하는 바이오센서에 대한 연구가 활발하다. 하지만 인공 세포막 구조물의 경우 최대 5일 정도에 불과한 유지기간이 걸림돌이 되어 왔다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 뇌과학창의연구단 김태송 박사 연구팀이 실리콘 기판 위에서 50일 넘게 안정적으로 유지되는 세포막 인공구조물 개발에 성공했다고 밝혔다. 학계에 보고된 기간 중 최장기간이다. 김태송 박사팀은 지난 2018년에도 5일 간 유지되는 인공세포막을 구현한 데 이어, 이듬해인 2019년에는 이 인공세포막 표면에 세로토닌 단백질을 결합시킨 구조체에서 양이온이 내부로 전달되는 모습을 관측하며 바이오센서로서의 응용 가능성을 확인한 바 있다. 

하지만 인공세포막을 이용한 생명과학 연구와 실질적인 바이오센서 상용화를 위해서는 최소 1개월 이상의 내구성이 필수적이다. KIST 연구진은 5일 정도 수준에 머물던 인공세포막의 생존기간을 연장하기 위해 폴리머 재료의 일종인 블록코폴리머(BCP, block co-polymer)에 주목했다. 블록코폴리머는 2개 이상의 블록으로 구성된 고분자로, 인체 세포막의 친수성과 소수성처럼 서로 다른 특성의 블록을 반복적으로 길게 배열할 수 있다.   

김태송 박사 연구팀은 먼저 실리콘 기판 위에 지름 8㎛(마이크로미터) 크기의 홀 수 만 개를 규칙적으로 배열한 뒤, 표면처리를 통해 각각의 홀에 일정량의 블록코폴리머 용액을 넣어 건조시키는 기술을 개발했다. 이어 이를 삽입한 극미세 유채채널의 상부 판상 전극과 하부 실리콘 기판 사이에 전기력이 작용하는 전계(electric field)를 걸어 비눗방울 모양의 블록코폴리머 이중막 구조물을 만들었다. 이는 용액의 농도와 인가되는 전계 및 주파수에 따라 특정한 모습의 구조물이 유지되는 영역의 존재를 발견한 것으로, 비눗방울 같은 구형부터 튜브 같은 원통형까지 인공세포막의 크기와 모양을 마음대로 조절할 수 있는 길을 제시한 것이다. 

KIST 연구진은 최종적으로 이렇게 형성한 3차원 블록코폴리머 이중막 구조물의 외부를 인체의 구성성분과 유사하며 탄력성과 복원력이 뛰어난 다공성 하이드로젤로 채워 단단히 고정함으로써 50일 이상 안정적으로 유지되는 인공세포막을 구현하는 데 성공했다. 또한 블록코폴리머 이중막 구조물로 수천 개의 튜브형 구조물(실리아)로 이뤄진 소장 내 상피세포를 모사해 인공장기 구조물을 제작하고 당류 분해효소(β-galactosidase)를 결합시켜 인공장기 소재로서의 활용 가능성도 입증했다.

KIST 김태송 박사는 “지금까지 전 세계 대부분의 인공세포막 연구가 실리콘 기판 위에 2차원 평면형 구조물을 올리는 것이 대부분이었던 가운데 처음으로 3차원 인공세포막 구조물 제작 기술을 개발한 데 이어 안정적인 유지기간을 10배 이상으로 늘리는 데도 성공하게 됐다”며 “인공세포막 대량생산의 길을 제시한 이번 연구가 세포의 기능을 닮은 초고감도 바이오센서, 신약 개발을 위한 약물스크리닝, 뇌신경 전달 물질이나 호르몬 등의 역할을 규명하는 생명현상 연구의 플랫폼 기술로 더욱 발전할 수 있기를 기대하고 있다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업단, 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 저명 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications) (IF : 14.919, JCR 분야 상위 4.86%) 최신호에 게재되었다.
 * (논문명) Tunable and scalable fabrication of block copolymer-based 3D polymorphic artificial cell membrane array
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 강동현 (전문원), 한원배 (박사후연구원)
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김태송 (책임연구원)
 

연구결과 개요

1. 연구배경
세포는 생명현상을 유지하는 가장 작은 생체내 단위체(Unit) 이다. 세포 내부에는 생명현상을 유지하기 위한 생명체 고유의 유전자를 비롯한 각종 단백질 들을 만들어 내고 세포내의 항상성을 유지하기 위한 다양한 기능을 지속적으로 수행 하고 있다. 이러한 중요한 세포 내부를 외부로부터 보호하기 위하여 세포막으로 감싸고 있다. 필요시 개개의 세포는 외부로부터 오는 물리 화학적인 신호를 세포막을 통해서 전달 받는다. 이들 외부로부터 신호를 수용하기 위한 수용체가 세포막에 붙어 있기 때문에 가능하며 많은 수의 수용체는 이온이 통과하는 이온채널이 연결되어 있다. 한마디로 세포막은 외부로부터 전달해 오는 물리 화학적 신호를 이온채널을 이용하여 열고 닫음으로써 전기신호로 바꾸어주는 이 세상 최고로 정확하고 정밀한 센서로서의 기능을 수행한다. 전 세계의 많은 연구자들이 인공세포막을 이용하여 세포가 갖는 물리화학 신호 센싱 기능을 인공적으로 만들기 위한 시도를 하고 있다. 첫 걸음은 인공생체막 구조물을 원하는 위치에 안정적으로 만들기 위한 기술 개발이 중요하다. 본 연구팀은 선행 연구를 통하여 실리콘 기판위에 GUV형태의 3차원 인공세포 구조물을 제작하여 5일 동안 생존 가능함을 최초로 성공한바 있으나 실질 적인 응용을 위하여 1개월 이상의 안정성 증진이 필수적이다.

2. 연구내용
본 연구진은 세포막과 아주 유사한 친수성과 소수성을 보유하면서 동시에 폴리머 재료로서 훨씬 안정한 블록코폴리머(BCP) 재료에 주목하였다. BCP를 이용 기판위에 GUV(가운데 물이 들어 있는 비눗방울 모양의 이중막 구조물)형태의 3차원 구조물을 제작하기 위하여 1) 직경 8㎛, 깊이 8㎛ 크기의 홀이 규칙적으로 배열된 기판의 표면 처리를 통해 개개의 홀에 블록코폴리머 농도를 조절한 용액을 일정량 넣을 수 있는 기술, 2) 극미세 채널 내부에 상부 판상 전극과 하부 실리콘 기판 사이에 전계(Electrical field)를 인가하여 세포막과 같은 단일 이중막을 갖는 BCP인공세포막 구조물 제작 기술, 3) 구조물 외부에 하이드로젤을 채워 3차원 BCP 구조물을 고정 시키는 기술을 개발하여 50여일 이상의 안정적인 인공세포막 구조물 제작에 성공하였다. 특히 BCP농도, 인가 전계 크기 및 주파수를 변화시켜 GUV형태의 구형부터 튜브형에 이르기까지 크기와 모양을 실시간 변화시켜 3차원 인공세포막 구조물 제작 가능함을 처음으로 입증하였다.

3. 기대효과
본 연구를 통하여 인공세포막 구조물을 이용한 세포의 구조와 기능을 닮은 정확한 센서응용, 세포 구조를 모사한 최신 기술인 영국의 oxford nanopore technologies의 실시간 단일 유전자 해독 장치 대비 진일보한 나노포어 센서, 약물 스크리닝 등 신약 개발 및 생명현상을 밝히기 위한 새로운 플랫폼으로 활용이 기대 된다.

연구 결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

본 연구진은 지난 20여년 이상을 초미세 공정 기술을 이용한 생체분자 감지 및 진단시스템 적용 연구를 수행해왔다. 그러나 몇몇 혈액내 타겟 분자를 제외하고 체외에서 생체분자를 실시간 극미량 측정하는데 한계가 있으며, 가능한한 생체내 환경을 유지한 상태의 생체분자 측정을 고려 하게 되었다. 이때 생체내 상태의 유지가 가능한 세포와 세포의 정확한 생체분자 감지 기능에 관심을 갖게 되었으며, 특히 세포막은 특정 조건에서 자기조립(self-assembly)에 의하여 조건에 따라 다양한 구조물 제작이 가능한 고유한 특성이 있어 아주 매력적인 물질로 연구진의 관심을 끌게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

우리 연구실에서는 인공세포막을 이용한 세포구조와 기능을 닮은 소자 구현을 목표로 2018년 3차원 인공세포막을 기판위에 세계 처음 구현하여 5일정도의 안정성을 갖는 연구성과를 발표한 바 있고, 2019년 이 구조물을 이용하여 5HT3a 세로토닌 단백질을 인공세포막 표면에 결합시켜 센서로서의 응용성을 처음으로 발표한바 있다. 본 연구는 상기 연구와 달리 블록코폴리머라는 폴리머 재료를 사용하여 세계에서 처음으로 Si기판위에 3차원 이중막 구조물 제작에 성공한 것이며, 특히 블록코롤리머 농도, 전계의 크기와 주파수 크기의 변화를 통해 비눗방울 형태의 구형에서부터 기다란 튜브형에 이르기까지 크기와 모양을 마음대로 조절할 수 있는 방법에 대한 것이 새로운 결과로서 핵심적으로 다르다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 

최 단기간 실용화를 고려한다면 3차원 블록코폴리커 구조물을 이용한 나노포어 센서 응용이라고 할 수 있다. 선두 주자인 영국의 oxford nanopore technologies의 실시간 단일 유전자 해독 장치는 2차원(평면형태)의 인공세포막 구조물을 이용하는데 반하여 기술적으로 발전된 3차원 구조물을 사용한 장점이 기대된다. 본 연구진이 가장 달성하고 싶은 부분은 본 연구를 통하여 인공세포막 구조물을 이용한 세포의 구조와 기능을 닮은 정확한 센서응용 분야이다. 인공세포막과 인공채널이 결합된 구조물을 구현함으로써 완전한 인공세포 구조와 기능을 닮은 꿈의 센서로 기대 된다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

상기의 설명과 같이 생체내 세포의 기능 구현을 통한 초 고감도 센서응용을 위하여 선행되어야 될 연구는 개개의 구조물 내부에 신호 측정을 위한 전극이 내장된 칩의 디자인과 측정 시스템의 설계 및 제작이 필요하다. 또한 특성 타겟 생체분자를 감지하기 위한 이온채널이 연결된 인공 수용체의 디자인, 생산 및 정제 기술의 개발이 이루어져야 하며 본 연구팀이 관련 연구를 수행 중에 있다. 

그림 A: 기판위에 상,하부 전계를 인가하여 블록코폴리머 (PBd-PEO) 농도와 전계의 조절에 의하여 다양한 크기 와 모양의 이중막 구조물 제작 모식도, B: 제작된 수많은 구형 및 튜브형 구조물들과 구조물 한 개를 확대한 측면 공초점 현미경 사진, C: 각각의 구형 및 튜브형 구조물 크기 분포