한양대 유기나노공학과 위정재 교수팀이 지난 31일 자성에 감응하여 형태 변화하는 삼차원 마이크로 지형을 개발해 인간과 60%의 유전 유사성을 가지는 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis Elegans, C. elegans)의 행동을 제어하는 연구결과를 발표했다.

예쁜꼬마선충은 알츠하이머나 파킨슨 병과 같이 노화 질병의 치료제를 시험해보는 마이크로 크기의 생체모델이다. 질병 관련 신경이 망가진 돌연변이(Mutant) 모델에 특정 치료제를 투여한 후, 정상(Wild) 모델이 가지는 머리와 몸의 다양한 신경들로 주변의 지형을 감지하는 기계감지능력(Mechanosensing ability)이 유효한 지를 관찰해 치료제를 시험할 수 있다.

본래 예쁜꼬마선충은 완충용액(Buffer solution)이나 한천배양기(Agar plate) 상에서는 무작위적인사인파형 행동(Sinusoidal behavior)을 한다. 하지만, 연구 결과 예쁜꼬마선충은 마이크로 단위로 좁아지거나 넓어진 마이크로 지형의 공간을 기계감지능력으로 감지해 직선 병진운동(Linear translation), 항해 운동(Navigating movement), 우회 운동(Circumventing movement), 그리고 등반 운동(Climbing)을 포함하는 다중 행동을 구현할 수 있다.

다중 행동 모드를 선택적으로 제어하는 마이크로 지형은 자성 입자가 포함된 탄성고분자 복합소재로 이루어진 직사각형의 마이크로 장벽들이 배열되어 있고 외부에서 자기장을 가하면 마이크로 장벽들이 비틀림(Twisting), 굽힘(Bending), 자가조립(Self-Assembly) 등의 삼차원으로 형태 변화하여 장벽 간 간격과 장벽의 높이가원하는 대로 조절된다.

예를 들어, 한 마이크로 지형에 약한 자기장을 가하면 작은 비틀림을 하는 마이크로 장벽 간의 일부 간격이 넓어지고 이를 선충이 기계감지 하여 길을 찾는 항해 운동을 한다. 하지만, 동일 마이크로 지형에 센 자기장을 가하면 장벽들이 비틀림 뿐 아니라 자가조립까지 하기 때문에 선충은 훨씬 좁아지고 막힌 공간을 기계감지해 우회 운동을 하게 된다.

다중 행동 모드 중에서도 우회 운동과 등반 운동 정상 모델은 모두 가능하지만, 머리 및 꼬리 신경 돌연변이(trp-4) 모델은 우회 운동이 불가하며 몸체 신경 돌연변이(mec-4)는 등반 운동이 불가하다는 연구 결과를 바탕으로 노화 질병 치료제 연구 개발을 위한 새로운 신경 연구 시스템으로써 생물 및 의료계의 활용 가능성이 기대된다.

이번 연구는 보건복지부 한국보건산업진흥원과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다. 또한 화학과 이승구 교수팀과 인하대학교 생명공학과 및 기계공학과의 김선민 교수팀과의 공동연구로 수행되었다.

해당 논문 (제목 : Multi-Modal Locomotion of Caenorhabditis Elegans by Magnetic Reconfiguration of Three-Dimensional Microtopography)은 한양대학교 산업과학연구소 및 인하대학교 고분자환경융합공학 전공의 박정은 석박통합과정 학생이 1저자로 참여하고, 미국의 저명한 국제학술지 「어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, IF=17.521)」에 게재됐다.