Computational modelling reveals advantages of ventricular over atrial cardiomyocytes to power self-guided biorobots

살아있는 아주 작은 기계들이 혈류를 헤엄치며 혈액 속의 탐지견처럼 종양의 냄새를 추적하고, 그 근원지에 바로 약물을 방출하는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 공상 과학 소설이 아닙니다. 바로 '바이오로보틱스(biorobotics)'의 최전선입니다. 과학자들은 금속과 기어로 만들어진 로봇이 아니라, 살아있는 세포로 만들어진 로봇을 구축하려고 노력하고 있습니다. 핵심 아이디어는 심장 근육 세포처럼 자연스럽게 움직이거나 수축하려는 성질을 가진 세포를 사용하여 이 작은 장치에 동력을 공급하는 것입니다. 이것이 왜 중요할까요? 환자에게 약을 투여하는 것은 보통 몸 전체를 약물로 채우는 것을 의미하며, 이는 건강한 부위까지 해칠 수 있기 때문입니다. 만약 로봇이 스스로 아픈 부위를 찾아낼 수 있다면, 몸의 나머지 부분은 부작용으로부터 보호하면서 필요한 곳에 정확히 치료제를 전달할 수 있을 것입니다. 하지만 한 가지 걸림돌이 있습니다. 이 로봇들은 외부에서 자석이나 레이저로 밀어주지 않아도 스스로 길을 찾을 수 있을 만큼 똑똑해야 하며, 움직일 수 있을 만큼 강해야 합니다.

이 논문은 특정 퍼즐을 해결하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션에 대해 다룹니다: 어떤 종류의 심장 세포가 이러한 작은 로봇을 위한 최고의 엔진이 될 것인가? 연구진은 부드러운 실리콘 팔과 금 막대로 구성된 가상의 H자형 로봇을 제작했습니다. 그리고 그 위를 살아있는 심장 세포로 덮었습니다. 그들은 심장의 상부 챔버(심방)에서 온 세포와 하부의 더 격렬하게 일하는 챔버(심실)에서 온 세포 중 어떤 것이 로봇을 더 잘 움직이게 하는지 확인하고자 했습니다. 또한, 로봇이 종양의 흔적인 경우가 많은 저산소 구역을 향해 스스로 조종할 수 있는지도 테스트했습니다. 수천 번의 가상 경주를 실행한 결과, 세포의 종류가 예상보다 훨씬 더 중요하다는 사실을 발견했습니다. 본래 더 강력한 특성을 가진 '심실' 세포는 동일한 양의 에너지를 사용하면서도 심방 세포보다 훨씬 더 빠르게 질주하고 더 날카롭게 회전했습니다. 결국, 적절한 생물학적 부품을 선택하는 것은 로봇의 형태를 설계하는 것만큼이나 중요하다는 것이 밝혀졌습니다.

로봇 경주: 심장 세포 대 심장 세포

이 연구를 고도의 기술이 집약된 자동차 경주라고 생각해보십시오. 다만 엔진 대신 아주 작은 살아있는 심장 세포가 동력이 됩니다. 연구진은 알파벳 'H' 모양의 가상 로봇을 만들었습니다. 이 로봇은 두 개의 긴 팔(매우 잘 늘어나는 고무줄 같은 부드럽고 신축성 있는 재질)과 그 중앙을 연결하는 단단한 금 막대로 이루어져 있습니다. 이 로봇을 움직이기 위해, 그들은 수천 개의 갓 태어난 쥐의 심장 세포를 팔에 붙였습니다. 이 세포들은 심장이 박동하는 것처럼 자연스럽게 수축하고 이완하는 초능력을 가지고 있습니다.

이 수축 운동을 전진 운동으로 바꾸기 위해, 로봇은 '마찰 래칫(friction ratchet)'이라는 영리한 기술을 사용합니다. 지렁이나 뱀이 땅 위를 이동하는 모습을 상상해 보십시오. 그들은 뒤로 밀 때는 땅을 꽉 움켜쥐지만, 앞으로 밀 때는 쉽게 미끄러지는 작은 비늘을 가지고 있습니다. 이 로봇도 이를 모방합니다. 심장 세포가 수축할 때, 팔을 따라 움직임의 파동이 전달됩니다. 로봇이 한 방향으로 다른 방향보다 땅을 더 잘 움켜쥐기 때문에, 매번 수축할 때마다 로봇은 조금씩 앞으로 나아가게 됩니다.

과학자들은 두 가지 다른 유형의 심장 세포가 이 로봇에서 어떻게 성능을 내는지 보기 위해 대규모 시뮬레이션을 진행했습니다. 그들은 심방 세포(심장의 상부 챔버)와 심실 세포(심장의 하부 챔버)를 비교했습니다. 실제 몸 안에서 심실 세포는 혈액을 온몸으로 펌프질하는 헤비 리프터(heavy lifters)이기에 더 강하게 만들어져 있습니다. 반면 심방 세포는 혈액을 폐로 짧은 거리만 보내기 때문에 조금 더 느긋한 편입니다.

결과는 심실 세포의 압도적인 승리였습니다. 직선 경주에서 심실 세포로 구동되는 로봇은 심방 세포로 구동되는 로봇보다 4.35배 더 빠르게 움직였습니다. 이는 마치 스프린터가 일반 조깅 선수를 엄청난 차이로 따돌리는 것과 같습니다. 더욱 인상적인 점은, 그들이 단순히 속도만 빠른 것이 아니라 효율성 또한 높았다는 것입니다. '운송 비용(cost of transport)', 즉 일정 거리를 이동하는 데 드는 에너지는 두 경우 모두 거의 동일했습니다. 심실 로봇은 추가 연료를 태우지 않고도 엄청난 속도 향상을 얻어냈습니다.

냄새로 조종하기: 산소 나침반

실험의 두 번째 부분은 훨씬 더 멋졌습니다. 연구진은 로봇이 스스로 조종할 수 있는지 알고 싶었습니다. 종양이나 다른 병든 조직은 종종 낮은 산소 수치(저산소증)를 보입니다. 과학자들은 로봇이 산소를 감지하도록 프로그래밍했습니다. 만약 로봇의 한쪽 면이 다른 쪽보다 낮은 산소를 감지하면, 그쪽의 속도를 늦추어 로봇이 저산소 구역의 '냄새'를 향해 회전하도록 유도했습니다.

조종 기능을 켰을 때, 심실 로봇은 단순히 더 빨리 달릴 뿐만 아니라 회전도 더 잘했습니다. 심실 로봇은 심방 로봇보다 2.91배 더 효과적으로 방향을 바꿨습니다. 왜 그럴까요? 심실 세포가 더 강력했기 때문에, 좌우 측의 힘 차이가 더 날카로운 회전을 만들어냈기 때문입니다. 이는 마치 한쪽에는 강력한 엔진이 있고 다른 쪽에는 약한 엔진이 있는 자동차와 같습니다. 강한 쪽이 차를 훨씬 더 단호하게 코너로 끌어당기는 것입니다.

미래를 위한 의미

이 논문은 이 로봇들이 당장 내일 환자에게 주입될 준비가 되었다고 주장하는 것이 아닙니다. 이 결과들은 규칙이 완벽하고 마찰이 적절한 가상의 세계, 즉 컴퓨터 모델에서 나온 것입니다. 연구진은 실제 인간의 몸이라는 복잡하고 무질서한 환경에서는 상황이 다를 수 있음을 인정합니다. 그러나 이 시뮬레이션은 매우 중요한 점을 증명합니다. 바로 세포의 종류가 엔지니어가 조정할 수 있는 '설계 변수'라는 사실입니다.

오랫동안 과학자들은 아마도 구하기 가장 쉬운 심장 세포를 그냥 선택했을지도 모릅니다. 하지만 이 연구는 만약 당신이 빠르고 민첩하며 스스로 길을 찾는 로봇을 원한다면, 반드시 강인하고 튼가한 심실 세포를 선택해야 한다는 점을 시사합니다. 이는 마치 레이싱 카를 원한다면 단순히 아무 엔진이나 사용하는 것이 아니라, 4기통이 아닌 V8 엔진이 필요하다는 것을 깨닫는 것과 같습니다.

저자들은 세포 유형을 하나의 설계 선택지로 취급함으로써 우리가 더 나은 바이오 로봇을 만들 수 있다고 결론짓습니다. 이 작은 기계들은 언젠가 종양의 복잡하고 저산소 상태인 터널을 항해하며, 건강한 조직은 그대로 둔 채 암세포에 직접 약물을 전달할 수 있을 것입니다. 이 이야기 속의 로봇은 현재 디지털 꿈에 불과하지만, 그것이 주는 교훈은 실재합니다: 살아있는 기계의 세계에서, 당신이 선택하는 생물학적 요소는 당신이 구축하는 공학만큼이나 중요합니다.