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냄새 맡는 반도체 나온다? KIST, 인공 감각 칩 개발
안정성 뛰어난 3차원 인공세포막 제작, 신경신호전달 확인
2019년 08월 20일 오후 12:27
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[아이뉴스24 최상국 기자] 실리콘 기판 위에 3차원 인공세포막을 형성해 생체 세포가 외부 현상을 감지하는 것과 같은 감각 기능을 수행할 수 있는 인공 감각 칩이 개발됐다.

20일 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템 연구단(단장 김태송)은 국민대 화학과 유연규 교수팀과 공동으로 실리콘 기판 위에 수만 개 이상의 3차원 인공세포막을 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 또한 이 인공세포막 표면에 이온 채널 단백질을 결합해 특정 조건을 감지하면 이온 채널이 열리고 신호를 발생시키는 것을 확인했다. 생체 감각기능을 본뜬 인공 감각 칩을 개발한 것으로, 고체 기판 위에 3차원 구조의 인공세포막을 구현한 것은 처음이다.

(상) 실리콘 기판에 형성된 직경 8㎛ 홀 어레이 평면 및 단면. (중) 개개의 실리콘 홀 위에 형성된 구형상의 인공세포막 구조물 콘포컬(공초점) 현미경 사진. 위쪽 및 옆쪽에서 본 인공세포막. (하 우측) 인공 세포구조물 크기 분포 그래프 [KIST]
인공세포막 개발은 생명체의 생명현상을 밝히거나, 생명현상에 관여하는 특정 반응을 밝히기 위한 모델실험, 신약 개발 등에 활용할 수 있어 세계적으로 관심이 큰 연구주제다. 지금까지는 생체환경과 유사한 액체에 떠 있는 세포 모양의 인공 세포를 이용하거나 2차원의 평평한 막을 이용한 방법이 주로 개발됐으나 막의 안정성이 떨어져 생존시간이 24시간 정도에 불과했다.

연구팀은 이러한 한계점들을 극복하기 위해 실리콘 기판에 수만 개의 미세 구멍을 만들어 개개의 구멍 위에 균일하고 넓은 표면적을 갖는 3차원 인공세포 구조물을 제작하는 방법을 최초로 개발했다. 특히 5일 이상 구조물이 터지거나 변형되지 않고 유지될 수 있을 정도로 인공세포막의 안정성이 뛰어났다.

또한 제작된 인공세포막 구조물에 신경전달물질의 하나인 세로토닌 수용 채널을 다량 결합한 결과 신호전달이 정상적으로 이루어지는 것을 확인했다. 인공세포막이 구조물로서 뿐만 아니라 세포의 기능도 정상적으로 수행할 수 있음을 밝힌 것이다.

연구팀은 이 결과를 후각, 미각, 촉각, 청각, 시각 등에서 생명체만큼 민감하고 정확한 센서를 개발하는 데 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

예를 들어, 개는 인간보다 약 천배 이상 민감한 후각을 보유하고 있는데 이는 개의 후각세포와, 냄새를 구별하는 이온 채널의 숫자가 훨씬 많기 때문이다. 만약 이들 후각세포를 인공적으로 반도체 소자와 같은 초소형 칩 위에 구현할 수 있다면 탐지견을 대체할 수 있는 수준의 후각 칩을 만들 수 있다.

KIST 김태송 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 기술은 아직도 우리가 알지 못하는 생명현상의 근원을 밝히기 위한 연구 플랫폼으로서뿐 아니라, 반도체 기판 위에 고정된 3D 인공 세포 집합체에 실제 개 코의 후각세포와 기능을 그대로 적용해 마약이나 폭발물 같은 특정 물질을 인식하는 인공 개 코를 포함한 우수한 인공 오감 센싱 플랫폼으로 활용할 수 있다”고 설명했다.

이번 연구결과는 '바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics’최신호에 게재됐다.

◇논문명 : Enhancement of membrane protein reconstitution on 3D free-standing lipid bilayer array in a microfluidic channel.
◇주저자 : 한국과학기술연구원 한원배 박사(제1저자), 한국과학기술연구원 김태송 책임연구원(교신저자)

/최상국 기자 skchoi@inews24.com

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