연구자들은 현재 약물 전달부터 암세포 식별까지 인체 내에서 다양한 작업을 수행하기 위해 살아있는 세포로 만든 소형 바이오로봇을 개발하고 있습니다. 최근 개발에서 터프츠 대학교(Tufts University)와 하버드 대학교 Wyss Institute의 연구원들은 인간 기관 세포를 사용하여 새로운 유형의 생물학적 로봇을 성공적으로 만들었습니다.
연구자들은 인간의 기도 세포를 사용하여 유전자 변형 없이 스스로 움직일 수 있고 함께 작동하여 손상된 뉴런의 치유를 촉진할 수 있는 작은 생물학적 로봇을 만들었습니다. 이 작은 로봇은 재생 의학과 질병 치료를 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
이전에 터프츠 대학교(Tufts University)는 버몬트 대학교(University of Vermont)와 협력하여 개구리 배아 세포를 사용하여 탐색하고 정보를 기록하며 스스로 수리할 수 있는 "Xenobot"이라는 다중 세포 생물학적 로봇을 만들었습니다. 당시 연구자들은 이러한 능력이 제노봇이 개구리 세포로 만들어졌기 때문인지, 아니면 바이오봇이 다른 종의 세포로 만들어질 수 있는지 확신하지 못했습니다.
현재 연구에서 연구자들은 세포가 자연 환경에서 제거되어 다른 기능을 수행하기 위해 다른 "신체 계획"으로 재조립될 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 그들은 성인 인간 세포를 사용하면 유전자 변형 없이도 더 능력이 뛰어난 로봇을 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.
이번 연구의 제1저자이자 교신저자인 기젬 구무스카야(Gizem Gumuskaya)는 “우리는 신체에서 기본 기능을 생성하는 것 외에 세포가 무엇을 할 수 있는지 탐구하고 싶었습니다. "돌과 벽돌을 벽, 아치, 기둥과 같은 다양한 구조 요소로 배열할 수 있는 것처럼 세포 간 상호 작용을 재프로그래밍함으로써 새로운 다세포 구조가 생성될 수 있습니다."
그들은 먼저 인간 기관 표면에서 기관 세포를 추출한 다음 기관지 상피 전구 세포의 기존 능력을 활용하여 진동하고 움직일 수 있는 작은 머리카락과 같은 구조인 섬모가 있는 다세포 타원체를 형성하는 새로운 프로토콜을 개발했습니다. 그들은 섬모로 둘러싸인 구체를 생성하기 위해 이 과정을 수정했습니다. 즉, 섬모 구조는 구 내부가 아닌 외부에 있습니다.
며칠 만에 연구자들이 "앤트로봇(Anthrobots)"이라고 부르는 새로운 세포가 섬모에 의해 움직이기 시작했습니다. 로봇의 크기는 완전히 자랄 때 30 마이크론에서 500 마이크론까지 다양하며 일부는 구형이고 섬모로 완전히 덮여 있는 반면, 다른 일부는 불규칙하거나 축구 모양이며 섬모로 고르지 않게 덮여 있습니다. 섬모의 분포는 로봇이 직선 또는 곡선 경로에서 반복 또는 진동하는 방식을 결정합니다. 인류로봇은 일반적으로 실험실 조건에서 45~60일 동안 생존한 후 자연적으로 분해됩니다.
"인류로봇은 실험실 접시에서 스스로 조립할 수 있습니다"라고 Gumuskaya는 말했습니다. "Xenobots와 달리 형태를 만드는 데 핀셋이나 메스가 필요하지 않으며 배아 세포 대신 성체 세포 또는 노인 환자의 세포도 사용할 수 있습니다. 완전히 확장 가능합니다. 이러한 로봇 떼를 병렬로 생산할 수 있으며 이는 치료 도구 개발을 위한 좋은 시작입니다."
연구진은 실험실 접시에서 2차원 인간 뉴런 층을 성장시킨 다음 얇은 금속 막대로 세포를 긁어 세포가 없는 "상처"를 만들었습니다. 그들은 페트리 접시에 앤트로봇 떼를 놓고 그들이 뉴런 표면을 가로질러 움직이는 것을 관찰했습니다. 로봇은 새로운 세포의 성장을 촉진하여 상처로 인해 생긴 틈을 메우고 건강한 세포만큼 두꺼운 신경 다리를 형성했습니다. 앤트로봇이 없는 상처에서는 뉴런이 자라지 않았습니다.
또 다른 교신 저자인 Michael Levin은 다음과 같이 말했습니다. "우리가 실험실에서 만든 세포 조립체는 신체 내 능력 이상의 기능을 가질 수 있습니다. 정상적인 환자의 기도 세포가 DNA를 변경하지 않고 스스로 움직이고 손상된 부위의 뉴런 성장을 촉진할 수 있다는 것은 흥미롭고 전혀 예상치 못한 일입니다. 우리는 현재 이 치유 메커니즘이 어떻게 작동하는지 연구하고 이러한 구조가 무엇을 할 수 있는지 탐구하고 있습니다."
인간 세포를 사용하는 것의 장점 중 하나는 환자 자신의 세포를 사용하여 면역 반응을 유발하거나 면역억제제를 복용할 필요 없이 치료를 완료할 수 있는 로봇을 만들 수 있다는 것입니다.
이러한 로봇의 추가 개발은 동맥의 플라크 축적 제거, 손상된 척수 또는 망막 신경 복구, 박테리아 또는 암세포 식별, 표적 조직에 약물 전달과 같은 다른 응용 분야로 이어질 수 있습니다. 이론적으로 Anthrobots는 재생을 촉진하는 약물을 전달하는 동시에 조직을 치유하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
이 연구는 Advanced Science 저널에 게재되었습니다.