[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 빛을 이용해 세포의 에너지를 생산하고 조절할 수 있는 인공 세포소기관이 개발됐다. 빛을 비추면 세포의 에너지 분자인 ATP를 만들어 내고 이를 통해 세포의 형태를 바꾸거나 산화 스트레스로 손상된 세포의 생존율을 높일 수 있는 기술이다.

울산과학기술원(UNIST)는 바이오메디컬공학과 조윤경 교수팀이 POSTECH 화학과 이인수 교수팀과 공동으로 빛에 반응해 ATP를 생산하는 인공 세포소기관 'PNO(플라즈모닉 나노소기관)'를 개발했다고 5일 밝혔다.

ATP는 세포가 움직이거나 형태를 바꾸고 손상된 부분을 복구할 때 사용하는 핵심 에너지 분자다. 실제 세포에서는 미토콘드리아 등 세포소기관이 영양분을 분해해 ATP를 생산한다.

연구팀이 개발한 PNO는 빛에 반응하는 금·백금 나노구조를 ATP 합성효소가 포함된 대장균 유래 막으로 감싼 형태다. 세포소기관이 수소이온의 농도 차이를 이용해 ATP를 만드는 생물학적 원리를 모방했다.

작동 원리는 간단하다. PNO에 포도당과 산소가 있는 상태에서 근적외선을 비추면 금·백금 나노구조가 화학반응을 촉진해 수소이온을 만들어 낸다. 이때 형성된 수소이온의 농도 차이로 이온이 막을 통과하면서 ATP 합성효소를 작동시켜 ATP를 생산한다.

빛이 작동 스위치라면 포도당은 연료인 셈이다.

연구팀은 PNO의 에너지 생산 능력을 인공세포와 3차원 조직 모형에서 확인했다.

먼저 PNO와 액틴 단백질을 넣은 인공세포에 빛을 비추자 ATP가 생산되면서 액틴이 긴 섬유 형태로 조립됐다. 이 섬유가 세포막을 밀어내면서 인공세포의 모양이 변했다. 빛을 끄면 세포는 다시 둥근 형태에 가까워졌으며 빛을 켜고 끄는 방식으로 형태 변화를 반복할 수 있었다.

살아 있는 근육 전구세포와 PNO를 알지네이트 젤에 넣어 만든 3차원 조직 모형에서도 효과가 확인됐다. 근적외선을 비추자 세포 내부의 ATP가 증가하고 액틴 섬유 형성이 활발해졌다. 조직 모형의 단단함도 빛을 비추기 전보다 약 1.9배 높아졌다.

특히 산화 스트레스로 손상된 조직 모형에서 에너지 회복과 세포 보호 효과가 두드러졌다.

산화 스트레스를 가한 조직 모형에 포도당을 공급하고 근적외선을 비추자 PNO가 포함된 모형의 ATP 수준은 스트레스 처리 전의 약 84%까지 회복됐다. 반면 PNO가 없는 대조군은 약 22%에 그쳤다.

세포 생존율 역시 PNO를 포함한 모형이 대조군보다 약 두 배 높았다. 빛과 포도당을 이용한 PNO의 에너지 공급이 산화 스트레스 환경에서 세포 생존을 돕는 것으로 나타났다.

조윤경 교수는 "인공세포가 살아 있는 실제 세포처럼 작동하려면 필요한 때와 장소에 맞춰 에너지 공급을 조절할 수 있는 기술이 중요하다"며 "이번 기술은 빛에 반응해 형태와 성질이 달라지는 인공조직을 개발하고 세포가 에너지를 사용하는 과정을 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 9월 29일 게재됐다.


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