Bio-mimicked Leaf-Imprinted Topographies: Pattern Characterization and Cell Response

당신이 시험관 안에 아주 작은 살아있는 도시를 건설하려고 한다고 상상해 보세요. 이 도시에서 건물은 세포이며, 실제 도시의 사람들처럼 그들도 제 역할을 제대로 수행하기 위해 깔끔한 줄을 맞춰 늘어서야 합니다. 골격근이나 신경 세포를 한 팀의 노를 젓는 사람들로 생각해 보세요. 만약 그들이 모두 서로 다른 방향을 향하고 있다면, 배는 앞으로 나아가지 못할 것입니다. 오랫동안 과학자들은 값비싼 첨단 기계를 사용하여 플라스틱 표면에 아주 작은 길과 패턴을 조각함으로써 이러한 "도시"를 만들려고 노력해 왔습니다. 하지만 이 기계들은 마치 불도저로 걸작을 그리려는 것과 같아서, 비용이 많이 들 뿐만 아니라 자연에서 발견되는 복잡하고 정교한 세부 사항들을 놓치기 일쑤였습니다. 이 논문은 조직 공학(tissue engineering)이라는 과학의 한 분야를 깊이 파고듭니다. 여기서의 목표는 실험실에서 건강한 조직을 키워내는 것입니다. 여기서 핵심적인 질문은 이것입니다: 어떻게 하면 막대한 돈을 들이지 않으면서도, 자연의 복잡함을 잃지 않고, 세포가 우리 몸속에서 그러하듯 완벽하게 줄을 서도록 속일 수 있는 표면을 만들 수 있을까요?

연구진은 자연과 싸우는 대신 자연으로부터 빌려오기로 결정했습니다. 복잡한 기계로 패턴을 새기는 대신, 그들은 잎사귀 하나를 집어 들었습니다. 네, 진짜 잎사귀 말입니다! 그들은 잎사귀가 식물에 의해 만들어진 지문처럼 아주 작은 자연스러운 홈과 능선으로 덮여 있다는 사실을 깨달았습니다. 그들은 이 잎사들을 PDMS(고성능 투명 고무라고 생각하면 됩니다)라고 불리는 부드럽고 신축성 있는 재료에 패턴을 찍어내는 "도장"으로 사용했습니다. 고무가 굳은 후, 그들은 잎을 떼어냈고, 그 자리에는 잎 표면의 완벽하고 울퉁불퉁한 복제품이 남았습니다. 그 후, 연구진은 C2C12(근육 형성 세포의 실험실 버전)라고 불리는 특정 유형의 근육 세포를 배치하고, 이 세포들이 다양한 잎의 질감에 어떻게 반응하는지 관찰했습니다.

연구팀은 잎사귀들을 다양한 "댄스 플로어" 메뉴처럼 취급했습니다. 그들은 바나나 식물(Musaceae)과 드라세나(Dracaena Sanderiana)의 앞면과 뒷면을 테스트했습니다. 근육 세포들이 바나나 잎 뒷면의 고무 복제품 위에서 춤을 출 때, 세포들은 종횡비(Aspect Ratio) 8.3의 길고 가느다란 형태로 늘어났습니다. 같은 잎의 앞면에서도 세포들은 여-전히 잘 늘어났으며, 6.3의 종횡비를 기록했습니다. 이것은 연구팀이 관찰한 세포 중 가장 길고 길게 늘어난 형태였습니다. 하지만, 일렬로 가지런히 줄을 서는 것에 있어서는, 드라세나 잎의 뒷면 고무 복제품 위에 있는 세포들이 가장 순종적이었으며, 가장 높은 수준의 정렬도를 보여주었습니다.

과학자들은 단 두 종류의 식물에서 멈추지 않았습니다. 그들은 세상에는 너무나 많은 다양한 잎사귀가 있기 때문에, 어떤 잎이 세포를 위한 최고의 "댄스 플로어"가 될지 알기 어렵다는 것을 깨달았습니다. 이를 해결하기 위해, 그들은 15가지의 서로 다른 잎 표면 카탈로그를 만들었습니다. 그들은 단순히 눈으로 보는 데 그치지 않고, 2D FFT 분석이라는 특별한 컴퓨터 도구를 사용하여 홈의 "파장"을 측정했습니다. 즉, 잎의 돌출부가 가진 리듬과 간격을 파악한 것입니다. 또한, 물이 이 표면에서 어떻게 행동하는지 확인하기 위해 "접촉각(water contact angle)"을 측정하여, 이 표면이 물 친화적인지 혹은 물을 밀어내는지도 조사했습니다.

이 논문은 세포를 줄 세우는 비결이 단 한 가지 요소가 아니라, 표면의 물리적인 굴곡과 표면이 물과 상호작용하는 방식의 조합이라는 점을 시사합니다. 바나나 잎 패턴이 세포를 가장 많이 늘렸고, 드라세나 패턴이 세포를 가장 곧게 정렬시켰지만, 저자들은 자연적인 변이가 매우 많기 때문에 완벽한 설계를 찾는 것이 까다롭다는 점을 언급했습니다. 그들은 모든 상황에 적용되는 단 하나의 "승자"를 선언하지는 않았지만, 서로 다른 잎의 질감이 세포의 행동에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 훨씬 더 명확한 지도를 제공했습니다. 그들의 연구 결과는 만약 우리가 미래에 더 나은 인공 조직을 만들고자 한다면, 자연의 설계도를 가이드 삼아 표면의 모양과 그 표면이 얼마나 젖어 있거나 건조한지에 모두 세심한 주의를 기울여야 한다는 점을 보여줍니다.