3개월간 수영을…심근세포로 만든 바이오 로봇 물고기

하버드대학 위스연구소 연구팀이 인간 심근세포 성질을 이용해 자동으로 수영하는 로봇 물고기를 만들었다. 이 로봇 물고기는 인간 줄기세포에서 배양해 만들어낸 심근세포를 물고기 모양 젤라틴 모형 옆구리에 묻은 것이다. 심근세포는 당분을 동력원으로 삼아 심장이 고동치도록 수축을 반복하는 성질을 갖고 있어 여기에서 물고기 수영 동작을 낳는다.

근육은 이온 유입으로 수축하는 성질을 갖고 있다. 이는 일반적으로 신경 임펄스가 트리거가 되어 발생한다. 하지만 연구팀은 로봇 물고기에 대한 특정 파장 빛에 반응해 이온 유입을 일으키는 광활성화 이온 채널 작용을 가진 단백질을 몇 가지 발견하고 로봇 물고기 양쪽 심근세포 중 하나는 푸른빛, 다른 하나는 붉은 빛으로 수축하도록 작동한다. 이를 통해 로봇 물고기에 푸른색과 붉은색 빛을 번갈아가면서 몸을 좌우로 비틀어 수영 동작을 유발할 수 있었다.

또 연구자는 다른 방법을 만들었다. 심장 구조에서 착상을 얻은 것으로 옆구리 심근세포 2개를 중앙에서 연결하는 심근세포 구를 만들어 이를 수축을 제어하는 페이스메이커 역할을 하도록 하는 구조다. 이 방법에선 페이스메이커가 되는 중앙 세포로 시작된 이온 유입이 양옆 심근세포로 퍼져 수축을 일으키게 되어 있다.

이 방법은 보통 생각하면 양옆 근육이 동시에 수축할 거라고 생각되지만 실제로는 양측 세포가 서로 수축하는 타이밍을 조정하게 됐다. 심근세포는 근육이 수축했을 때 신장을 촉진하기 위한 수용체가 활성화됨에 따라 늘리는 동작으로 전환하는 성질이 있다. 이 성질에 의해 오른쪽 근육이 수축했을 때 반대쪽 세포가 늘어나고 다음 사이클에선 왼쪽이 수축했을 때 오른쪽 세포가 늘어난다. 이 동작은 각각 마음대로 움직이면 주기가 어긋나 동기화를 할 수 없지만 중앙 페이스메이커로 기능하는 세포가 좌우 각각 움직임 동기를 유지하는 역할을 수행한다.

이 로봇물고기는 이런 방식으로 3개월간 계속 수영할 수 있었다. 더구나 제작에서 1개월 시점까지는 심근세포 성장에 따라 근육이 증강해 성능 향상을 보여 1초간 몸길이보다 긴 거리를 수영하게 됐다고 한다. 물론 인간 심장은 죽기 전까지 수십억 회 박동을 반복하기 때문에 높은 내구성을 필요로 하는 용도에 적용할 가능성이 이 같은 연구를 통해 조금은 생겼다고 할 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.