연구자들은 인간의 폐 세포로 독립적으로 움직이고 손상된 조직을 치료할 수 있는 '앤트로봇(anthrobots)'을 만들었습니다.
인간의 기관지 피부 세포는 스스로 조립되어 움직이는 다세포 오가노이드(organoids)인 앤트로봇으로 변합니다. 이 이미지는 표면(노란색)에 섬모가 다양한 패턴으로 분포된 앤트로봇을 보여줍니다. 섬모의 표면 패턴은 원형, 흔들림, 긴 곡선 또는 직선 등 다양한 움직임 패턴과 상관관계가 있습니다. 출처: 기젬 구무스카야 외, "성체 인간 체세포 전구세포에서 스스로 구성되는 움직이는 살아있는 바이오봇", Advanced Science, 11월 30일, 2023
2020년 생물학자 마이클 레빈과 그의 동료들은 세포 클러스터를 표면 위를 '걸어 다닐 수 있는' 작은 인공 형태로 만들어 '생물학적 로봇'을 만들었다고 보고했습니다. 레빈의 연구팀은 아프리카발톱개구리 제노푸스 라에비스(Xenopus laevis)의 피부와 심장 근육 세포로 만든 이 개체를 제노봇이라고 부르며 새로운 종류의 유기체로 간주할 수 있다고 주장했습니다. 1년 후 연구진이 개구리의 피부 세포에서 제노봇이 자발적으로 조립되어 액체 속을 헤엄치면서 다양한 행동을 보일 수 있다는 것을 보여 주었을 때 이 주장은 더욱 설득력을 얻었습니다.
일부 연구자들은 손상된 신체 부위를 재생하는 능력으로 유명한 양서류의 세포에서 이러한 행동이 그다지 놀라운 일이 아니라고 주장했습니다. 그러나 이제 터프츠 대학의 레빈과 그의 동료들은 인간 세포에서 유사한 "로봇과 같은" 개체를 만들었다고 Advanced Science에 보고했습니다. 그들은 이를 앤트로봇이라고 부릅니다.
앤트로봇을 움직일 수 있게 하는 핵심은 이종 로봇처럼 표면이 섬모라고 하는 머리카락 같은 단백질 부속물로 덮여 있고, 이 섬모가 유체를 통해 구조물을 흔들며 추진한다는 점입니다. 실제로 어디든 이동하려면 섬모가 모두 조화롭게 움직여야 합니다.
개미 로봇은 수영을 할 수 있을 뿐만 아니라 같은 종의 유기체 내에서 균주나 그룹처럼 뚜렷한 형태와 행동 양식을 가지고 있는 것으로 보입니다. 터프츠 연구팀은 개미 로봇이 다른 인간 세포의 층에서 초보적인 형태의 상처 치유를 유도할 수 있는 것으로 보인다고 보고하여 개미 로봇을 의학에 활용할 수 있는 가능성을 제기했습니다.
일부 과학자들은 최초의 외계인 로봇과 마찬가지로 이러한 인간 세포 덩어리의 중요성이 과장되었다고 주장하며, 자발적으로 형성되는 이러한 개체가 진정으로 "로봇"의 일종으로 간주될 수 있는지에 대해 의문을 제기합니다. 개구리 세포가 움직일 수 있는 작은 덩어리를 형성할 수 있다는 아이디어에서 특별히 새롭거나 놀라운 점을 발견하지 못했다는 의견도 있었습니다. 스코틀랜드 에든버러 대학의 발달 생물학자인 제이미 데이비스는 레빈의 2020년 연구나 최근 연구에 참여하지 않았지만 "대체로 이 세포를 알고 있는 제노퍼스 배아 커뮤니티는 이 소란이 무슨 소란인지 알 수 없었다"고 말합니다. 그는 이와 같은 인간 세포 클러스터가 이동한다는 사실에 놀랍지 않다고 말합니다.
하지만 레빈은 여기서 핵심은 관점의 변화라고 주장합니다. 세포 클러스터를 인간 생물학을 연구하는 데 사용할 수 있는 작은 조직 조각으로 간주하기보다는 그 자체로 유기체와 같은 개체로 간주해야 하며, 이러한 특성을 체계적으로 수정하여 신체의 손상된 조직을 복구하는 등의 유용한 동작을 얻을 수 있는 의료 및 기타 응용 분야의 "바이오 로봇 플랫폼"으로 사용할 수 있는 특정 모양과 동작을 가진 개체로 간주해야 한다는 것입니다.
더 근본적으로 레빈은 앤트로봇이 인체의 조직과 기관뿐만 아니라 자연이 만들어내지 못한 전혀 다른 구조를 자발적으로 만들 수 있다는 것을 보여줌으로써 인간 세포가 이용할 수 있는 '형태 공간'을 엿볼 수 있다고 말합니다. "우리는 형태 공간의 여러 측면을 탐구하고 있습니다."라고 그는 말합니다. "진화를 통해 약간의 변이를 알 수 있지만 실제로는 훨씬 더 많은 것이 있습니다." 세포와 조직이 다양한 유형의 구조를 개발할 수 있는 이러한 능력을 가소성이라고 합니다.
크기가 30~500마이크로미터이고 최대 2개월 동안 생존할 수 있는 이 개미 로봇은 성인의 폐 조직에서 채취한 세포로 만들어졌습니다. 이 조직은 자연적으로 표면에 섬모가 있어 앞뒤로 흔들리며 점액을 운반하여 흡입한 공기 중의 이물질을 흡수하여 제거할 수 있습니다. (대조적으로 개구리 피부의 섬모는 점액을 이동시켜 피부를 촉촉하게 유지합니다.)
이러한 유형의 조직이 섬모 덩어리로 응집할 수 있다는 것은 이미 알려져 있습니다. 2010년대 초부터 여러 논문에서 오가노이드라고 불리는 이러한 응집체를 폐 기능을 연구하는 데 사용할 수 있다고 보고했습니다. 이 중 일부는 섬모가 사람의 기도 가지처럼 속이 빈 내부 공간을 안쪽으로 향하고 있습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 연구자들은 개미 로봇에서처럼 섬모가 표면을 향하고 있는 대략 구형의 기도 세포 클러스터(스페로이드)가 자라는 것을 발견했습니다.
이전의 연구는 인간 호흡기 시스템의 모델로서 오가노이드를 만드는 데 중점을 두었기 때문에 세포 구조의 동작에 대한 조사는 포함되지 않았습니다. 일반적으로 이 연구에서는 기도 스페로이드를 매트리겔이라는 단백질이 풍부한 젤에 내장하고 고정했습니다. "우리의 주요 목표는 선천성 폐 질환인 낭포성 섬유증을 치료할 수 있는 잠재적 약물 치료법을 확인하기 위한 기도 오가노이드 시스템을 개발하는 것이었습니다."라고 초기 연구의 저자 중 한 명인 샌프란시스코 캘리포니아 대학교의 병리학자 월터 핑크베이너(Walter Finkbeiner)는 말합니다.
터프츠(Tufts University) 연구팀의 첫 번째 과제는 외형적으로 미생물처럼 보이는 인간 조직의 무작위 조각이 아니라 세포가 집합적으로 '추구하는' 형태와 행동을 가진 독립적인 개체라는 점을 다른 사람들에게 설득하는 것입니다.
이전에 레빈과 함께 합성 형태학에 관한 리뷰 기사를 공동 집필한 적이 있는 데이비스는 초기 제노봇 연구에 어느 정도 관심이 있다고 느꼈습니다. 하지만 그는 인간 세포 클러스터가 섬모와 함께 '수영'할 수 있다는 사실에 깊은 인상을 받지 못했습니다. 그는 스페로이드가 젤 매트릭스에서 풀려나면 섬모와 함께 헤엄치는 것은 거의 필연적이라고 말합니다. 그것은 뉴턴 역학에 불과하며 순전히 우연한 기능이라고 그는 말하며, "섬모가 펄럭이는 세포 덩어리가 어떻게 '로봇'이라는 용어를 사용할 가치가 있는지 알 수 없다"고 덧붙였습니다.
인간 기도 오가노이드를 성장시킨 생명공학 기업 스템셀 테크놀로지스(STEMCELL Technologies)의 살바토레 심미니와 제나 모치아에 따르면, 이 오가노이드의 행동은 세포의 생물학적 기능을 잘 보여줍니다. 심미니와 모치아는 섬모가 바깥쪽을 향하는 오가노이드에서 기도에서 점액을 쓸어내는 섬모의 조율된 움직임이 유지되면 섬모가 액체를 통해 세포 클러스터를 추진하는 작은 노 역할을 할 것이라고 말했습니다.
그러나 레빈과 그의 동료들은 이러한 움직임이 무작위적인 것이 아니라고 주장합니다. 수백 개의 개미 로봇의 움직임을 통계적으로 조사한 결과, 이들은 로봇이 뚜렷한 부류로 나뉘는 것 같다고 말합니다. 한 그룹은 작고 다소 구형의 구조물로서 표면 전체에 섬모가 있으며 전혀 움직이지 않는 경향이 있습니다. 다른 그룹은 섬모로 부분적으로만 덮여 있는 불규칙한(다소 감자 모양) 구조를 가지고 있습니다. 섬모가 한 부위에 촘촘히 모여 있어 원형 경로를 따라 헤엄치거나, 섬모가 느슨하게 분산되어 있어 직선으로 움직인다는 점에서 차이가 있습니다.
연구진은 이러한 각각의 형태적 및 행동적 유형이 인체의 다양한 조직 유형이나 기관처럼 세포 그룹에 대한 고유한 표적 구조로 간주될 수 있다고 말합니다.
레빈은 "이전에 밝혀지지 않은 것은 이러한 것들이 다른 세포에 미치는 영향입니다."라고 덧붙입니다. 연구진은 스크래치로 인해 손상된 접시에서 자란 인간 뉴런의 평평한 층 위를 돌아다니게 한 결과, 개미 로봇이 그 틈새를 가로질러 뉴런이 다시 자라도록 돕는다는 사실을 발견했습니다. 이는 개미 로봇이 두 가장자리 사이에 수동적인 다리를 제공했기 때문만이 아니라, 불활성 다당류 젤의 작은 조각으로는 동일한 효과를 얻을 수 없었기 때문입니다.
구무스카야는 "우리는 그 메커니즘을 알지 못하며, 그것이 우리가 알아내려고 노력하는 것 중 하나입니다."라고 말합니다. "하지만 단순히 기계적인 것이 아니라는 것은 알고 있습니다." 레빈은 앤스로봇이 스크래치 가장자리에 있는 뉴런에 생화학적인 신호를 보내 그 틈새로 자라도록 유도하는 것으로 의심하고 있습니다.
레빈은 "이 능력을 발견하는 것이 우리가 가장 먼저 살펴본 것 중 하나였습니다."라고 말합니다. "이는 아마도 다른 많은 것들이 가능하다는 것을 의미하며, 이것은 빙산의 일각에 불과합니다. 이것은 이러한 구조를 사용하여 다른 여러 가지 방법으로 [살아있는 유기체나 실험실 접시에 있는] 다른 세포에 영향을 줄 수 있는 가능성을 열어줍니다." 구무스카야는 뇌를 모방한 뉴런 오가노이드와 같은 인간 신경 퇴행성 질환 모델에서 유사한 '치유' 행동을 찾고자 하며, 레빈은 손상된 망막이나 척수를 복구하는 데 앤스로봇이 사용될 수 있다고 제안합니다. 그러나 이러한 아이디어는 현재로서는 전적으로 추측에 불과합니다.
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