“불가능은 없다”… 암 재발 방지 등 ‘ 과학 난제’ 2개 해결 도전

윤신영 동아사이언스 기자 입력 2020-08-03 03:00수정 2020-08-03 03:00
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과기부, 4년반 동안 90억원씩 지원… 나노조직 결합-분리 기술도 연구
개미가 서로 모여 다리를 이룬 모습. 자연에 있는 작은존재가 스스로 모인 뒤 결합해 좀 더 큰 구조를 만드는 ‘자기조립화’의 대표적인 예다. 이렇게 만들어진 다리는 작은 개미가 할 수 없는 새로운 기능을 발휘하는 창발성을 보인다. 이 과정을 소재와 기계에 응용하려는 ‘난제’ 연구가 국내에서 시도된다. 프린스턴대 제공
고전 공상과학(SF) 영화로 꼽히는 ‘터미네이터2’에는 액체금속 로봇이 등장한다. 총을 맞거나 차에 치여 형상이 처참하게 부서져도 곧 원래 모양을 회복한다. 튼튼한 기계보다 부드러운 액체로 된 기계가 더 강할 수 있다는 발상의 전환에 관객은 새로운 공포감을 느꼈다.

영화를 본 물리학자와 기계공학자는 이 장면에서 다른 가능성을 발견했다. 부드럽게 흐르던 액체금속 속 분자들이 서로 모여 큰 로봇을 만드는 것처럼 물질을 이루는 작은 입자들이 스스로 모여 보다 큰 형상을 이루고 기능까지 발휘할 가능성에 주목했다.

영화가 나오고 약 30년이 지난 한국에서 이 가능성이 진지하게 연구되기 시작했다. 과학기술정보통신부가 올해 처음 시도하는 ‘과학난제도전융합연구사업’에 선정된 선도형 융합연구단을 통해서다. 4년 반 동안 각각 90억 원이 지원되는 연구사업으로, 연구자가 직접 발굴한 과학계의 난제를 과학과 공학을 합해 새로운 방식으로 풀어낸다. 올해 초 모집을 통해 7월 말 최종적으로 2개 과제가 선정됐다.


그중 하나가 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 작은 소재 입자가 스스로 결합해 μm(마이크로미터·1μm는 100만분의 1m)나 mm(밀리미터), m(미터) 단위의 기계로 성장하도록 제어하는 기술을 개발하는 연구다.

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연구 주제를 제안한 김호영 서울대 기계공학부 교수는 “기존 공학은 거시세계 규모의 대상을 부분으로 잘게 잘라 점점 작은 세계를 구현하는 식으로 연구해왔다”며 “이를 거꾸로 뒤집어 작은 부분에서부터 전체로 연구를 확장하는 새로운 패러다임의 공학”이라고 말했다.

이 기술이 난제인 이유는 입자부터 거시세계까지 적용되는 물리학이 완전히 달라서 한꺼번에 제어하기 어렵다는 점이다.

김 교수는 “나노에서는 수소결합 등 분자 사이에 작용하는 힘이 입자의 결합과 분리 등을 결정하지만 거시세계에서는 마찰력이나 중력, 관성력 등이 영향을 미친다”며 “모든 규모에서 결합과 분리를 자유롭게 제어하고 이를 통해 원하는 입체 구조를 충분한 강도로 형성하게 만드는 기술을 연구할 계획”이라고 말했다.

이 기술이 현실화되면 주사로 입자를 주입하기만 하면 몸속에서 스스로 자라 수술을 한 뒤 분해되는 미세 수술로봇, 자유롭게 변형되거나 합체하는 기계와 건축물 등이 가능해질 것으로 전망된다.

암의 전이 과정을 설명할 새로운 이론도 연구 주제로 선정됐다. 박현우 연세대 생화학과 교수는 “암에 걸려 사망하는 사람의 90%는 암의 전이가 원인”이라며 “전이 과정을 설명하고 예측하던 기존 이론의 한계를 극복할 보다 근본적인 새로운 암 전이 이론과 이를 통한 진단·치료 방법을 연구하게 됐다”고 동기를 설명했다.

일부 혈액암을 제외하고 암세포는 대부분 상피세포에서 발생한다. 기존 이론에서는 이 상피세포가 줄기세포의 일종인 중간엽줄기세포로 전환하는 과정을 암 전이의 중요한 원인으로 봤다. 연구팀은 조직이나 세포에 부착된 암세포인 고형암세포가 특정 조건에서 떨어져 부유하면서 순환암세포가 되는 과정이 전이와 보다 관련이 깊다고 보고 있다.

연구팀은 부착세포가 부유세포로 변환하는 과정을 밝히고 이 과정에 영향을 미치는 생물학적 요인과 원리를 밝혀 진단과 예측에 이용할 수 있도록 바이오마커를 개발할 계획이다. 부유 암세포를 없애거나 전이를 제어하는 기술과 치료제를 발굴하는 것도 목표다. 연구팀은 “면역항암치료의 뒤를 잇는 ‘전이항암치료’라는 새 패러다임을 열 것”이라고 강조했다.

윤신영 동아사이언스 기자 ashilla@donga.com
#과학난제#해결#도전

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