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'인공망막' 제조 앞당긴다...색-밝기 구분하는 '빛 감지 소재' 개발

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'인공망막' 제조 앞당긴다...색-밝기 구분하는 '빛 감지 소재' 개발

2018.05.28 19:23

황반변성 등 망막이 손상돼 발생하는 시각 장애를 극복할 ‘인공망막’의 핵심 원천기술을 국내 연구팀이 독자적으로 개발했다.


박병호 한국과학기술연구원(KIST) 센서시스템연구센터 연구원(연세대 기계공학과 연구원)과 양희홍 목암생명과학연구소 연구원팀은 실제 인간의 망막 구조를 흉내낸 고성능 빛 감지 소재를 개발해 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 18일자에 발표했다.

 

논문 공동 제1저자인 박병호 KIST 센서시스템연구센터 연구원(연세대 기계공학과 연구원)이  인간의 눈을 모사한 생체소자를 개발해 시각신호를 시험하고 있다. -사진 제공 KIST
논문 공동 제1저자인 박병호 KIST 센서시스템연구센터 연구원(연세대 기계공학과 연구원)이 인간의 눈을 모사한 생체소자를 개발해 시각신호를 시험하고 있다. -사진 제공 KIST


망막은 눈의 가장 안쪽에 자리잡은 얇은 막 구조의 세포층이다. 카메라에 비유하자면, 렌즈(수정체)를 통과한 물체의 이미지가 맺히는 빛 감지 소자(CCD) 또는 필름의 역할을 한다. 이를 위해 망막은 빛 감지에 중요한 역할을 하는 세포를 두 종류 지니고 있다. 하나는 ‘원추세포’로, 빛의 3원색인 빨강, 파랑, 초록을 각각 흡수하는 세 종류의 광(빛)수용 단백질을 지니고 있다. 또 하나는 ‘간상세포’로, 밝고 어두운 정도(명암)를 구분한다. 각 세포는 빛 신호를 받은 뒤 각 단백질에 결합해 있는 물질(레티날)의 구조를 변화시켜 화학 신호를 생성한다. 그 뒤 이 신호를 신경세포에 전달해 전기 신호로 변환시켜 뇌에 전달된다.


박 연구원팀은 정확하고 효율적인 인공망막을 만들기 위해 실제 망막 속 세포와 전자 분야 신소재인 ‘그래핀’을 결합시켰다. 먼저 3원색과 명암을 감지하는 망막 단백질 네 종을 인간의 신장 배아세포를 이용해 인공적으로 생산했다. 그 뒤 풍선처럼 생긴 지름 약 300nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m)의 기름 막 표면에 이 단백질을 끼웠다. 마지막으로 매우 얇으면서 자유롭게 휘어지고, 전기도 잘 전달하는 탄소 소재인 그래핀 위에 이 기름 막을 결합시켰다. 기름 막은 그래핀과 반응해 얇은 막 형태로 변해 그래핀 표면을 얇게 덮었다.

 

연구 개념도. 기름(지질) 막으로 된 풍선 사이에 세포에서 인공 생산한 광수용 단백질을 끼운 뒤 그래핀에 부착해 얇은 지질 막을 형성한다. 광수용 단백질이 빛을 받으면 그래핀에 구멍이 생기고, 여기에서 전기 신호가 발생한다. 3원색 및 밝기(명암)을 구분할 수 있어 인간의 망막과 매우 유사하다. - 사진 제공 어드밴스드 머티리얼스
연구 개념도. 기름(지질) 막으로 된 풍선 사이에 세포에서 인공 생산한 광수용 단백질을 끼운 뒤 그래핀에 부착해 얇은 지질 막을 형성한다. 광수용 단백질이 빛을 받으면 그래핀에 구멍이 생기고, 여기에서 전기 신호가 발생한다. 3원색 및 밝기(명암)을 구분할 수 있어 인간의 망막과 매우 유사하다. - 사진 제공 어드밴스드 머티리얼스

연구팀은 이 소재에 가시광선을 쪼였다. 그 결과 기름 막의 단백질 속 레티날의 구조가 변하면서 그래핀에 원래는 없던 구멍이 생긴다는 사실을 확인했다. 이렇게 만들어진 구멍으로 산소 이온이 드나들면서 전기신호가 생겼다. 마치 망막이 감지한 빛 신호를 통해 뇌세포에서 전기신호를 생성한 것과 비슷하다.


연구팀은 이 신호를 분석해 빛 감지 소재가 실제로 빛을 감지하며, 파랑과 초록, 빨강, 명암 등 네 가지 정보를 빛의 파장별로 명확히 구분할 수 있다는 사실을 밝혔다. 연구 총책임자 중 한 명인 송현석 한국기초과학지원연구원(KBSI) 바이오융합분석본부 선임연구원은 “인간 시각을 가장 가깝게 모방할 수 있는 소재”라며” “기존의 어떤 인공망막보다 효율성이 높다”고 말했다.
 

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