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암 전이 막는 항암요법·나노 입자 결합 기술...'인류 삶 바꿀 난제' 연구 시작한다

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암 전이 막는 항암요법·나노 입자 결합 기술...'인류 삶 바꿀 난제' 연구 시작한다

2020.08.03 06:00
과기정통부 4년 반 동안 90억 지원 '과학난제도전융합연구사업' 시작
개미가 서로 모여 다리를 이루고 있다. 자연에 있는 작은 존재가 스스로 모인 뒤 결합해 좀 더 큰 구조를 만드는 ′자기조립화′의 대표적인 예다. 이렇게 만들어진 다리는 작은 개미가 할 수 없는 새로운 기능을 발휘하는 창발성을 보인다. 이 과정을 소재와 기계에 응용하려는 난제 연구가 국내에서 시도된다. 프린스턴대 제공
개미가 서로 모여 다리를 이루고 있다. 자연에 있는 작은 존재가 스스로 모인 뒤 결합해 좀 더 큰 구조를 만드는 '자기조립화'의 대표적인 예다. 이렇게 만들어진 다리는 작은 개미가 할 수 없는 새로운 기능을 발휘하는 창발성을 보인다. 이 과정을 소재와 기계에 응용하려는 난제 연구가 국내에서 시도된다. 프린스턴대 제공

고전 과학영화(SF)로 꼽히는 ‘터미네이터2’에는 액체금속으로 된 로봇이 등장한다. 총을 맞거나 차에 치여 형상이 처참하게 부서져도 곧 원래 모양을 회복한다. 튼튼한 기계보다 부드러운 액체로 된 기계가 더 강할 수 있다는 발상의 전환에 관객은 새로운 공포감을 느꼈다.


영화를 본 물리학자와 기계공학자는 이 장면에서 다른 가능성을 발견했다. 부드럽게 흐르던 액체금속 속 분자들이 서로 모여 큰 로봇을 만드는 것처럼 물질을 이루는 작은 입자들이 스스로 모여 보다 큰 형상을 이루고 기능까지 발휘할 가능성에 주목했다. 따지고 보면 원자로 이뤄진 우리 몸도 입자들이 DNA와 단백질 같은 복잡한 분자를 이루고, 이들이 모여 세포를 구성해 조직과 기관, 나아가 커다란 몸을 이룬 것이다. 하지만 똑같은 원리로 작은 소재에서 큰 기계를 만드는 과정은 이제껏 시도된 적이 없었다.


●작은 입자 결합 조절해 새 기능 창발..."전체에서 부분으로 쪼개던 기존 공학 연구 뒤집어"


영화가 나오고 약 30년이 지난 한국에서 이 가능성이 진지하게 연구되기 시작했다. 과학기술정보통신부가 올해 처음 시도하는 ‘과학난제도전융합연구사업’에 선정된 선도형 융합연구단을 통해서다. 4년 반 동안 총 90억 원이 지원되는 연구사업으로, 연구자가 직접 발굴한 과학계의 난제를 과학과 공학을 융합해 새로운 방식으로 풀어 해결책을 제시한다. 올해 초 모집을 통해 7월 말 최종적으로 2개 과제가 선정됐다.

 

그 중 하나가 나노미터(10억 분의 1m) 크기의 작은 소재 입자를 제어해 이들이 스스로 결합, 성장해 이보다 큰 마이크로미터(100만 분의 1m)나 밀리미터, 미터(m) 단위의 기계로 성장하도록 만드는 기술을 개발하는 연구다. 연구 주제를 제안한 김호영 서울대 기계공학부 교수는 “기존 공학은 거시세계 규모의 대상을 부분으로 잘게 잘라 점점 작은 세계를 구현하는 식으로 연구해왔다”며 “이를 거꾸로 뒤집어 작은 부분에서부터 전체로 연구를 확장하는 새로운 패러다임의 공학”이라고 말했다.

 

김호영 서울대 기계공학부 교수가 4월 서울 강남구 엘타워에서 개최된 ′2020 한국 과학난제도전 온라인 콘퍼런스′에서 나노부터 거시세계까지 입자를 제어해 결합 성장시키는 새로운 패러다임의 공학을 소개하고 있다. 한국 과학난제도전 온라인 콘퍼런스 영상 캡쳐
김호영 서울대 기계공학부 교수가 4월 서울 강남구 엘타워에서 개최된 '2020 한국 과학난제도전 온라인 콘퍼런스'에서 나노부터 거시세계까지 입자를 제어해 결합 성장시키는 새로운 패러다임의 공학을 소개하고 있다. 한국 과학난제도전 온라인 콘퍼런스 영상 캡쳐

기존에도 DNA 등 분자가 특정 조건에서 스스로 접히거나 서로 결합해 오목한 그릇 모양을 만들거나 심지어 모터처럼 빙글빙글 도는 나노 크기의 기계를 만드는 연구는 있었다. 하지만 액체금속 분자가 모여 사람만한 로봇을 만드는 것처럼 최대 10억 배까지 자유로이 규모를 키우는 시도는 전무했다. 입자부터 거시세계까지 적용되는 물리학이 완전히 달라서 한꺼번에 제어하기 어려워서다.

 

김 교수는 “나노에서는 수소결합 등 분자 사이에 작용하는 힘이 입자의 결합과 분리 등을 결정하지만 거시세계에서는 마찰력이나 중력 관성력 등이 물체의 결합과 분리에 영향을 미친다”며 “모든 규모에서 공통적으로 적용되는 물리학 원리를 개발해 입자의 결합과 분리를 자유롭게 제어하고 이를 통해 원하는 입체 구조를 충분한 강도로 형성하게 만드는 기술을 연구할 계획”이라고 말했다. 


이런 기술이 가능해지면 주사로 약간의 입자를 주입하기만 하면 몸 속에서 스스로 자라 수술을 한 뒤 분해되는 미세 수술로봇, 자유롭게 변형되거나 합체하는 기계와 건축물 등이 가능해질 것으로 전망된다. 연구팀은 이를 위해 기계공학자 외에 통계물리학자와 나노 전문가, 심지어 군집행동을 이해하기 위해 생태학자와 공동연구팀을 꾸렸다.

 

●암 전이 패러다임 바꾼다...20년 이론 대체할 새 이론 제시


두 번째 연구 주제는 암의 전이 과정을 설명할 새로운 이론이다. 박현우 연세대 생화학과 교수는 “암에 걸려 사망하는 사람의 90%는 암의 전이가 원인"이라며 “전이 과정을 설명하고 예측하던 기존 이론의 한계를 극복할 보다 근본적인 새로운 암 전이 이론과 이를 통한 진단·치료 방법을 연구하게 됐다”고 연구 동기를 설명했다. 


일부 혈액암을 제외하고 암세포는 대부분 상피세포에서 발생한다. 20년간 연구돼 온 기존 이론인 '상피-중배엽 전이(EMT)' 이론에서는 이 상피세포가 줄기세포의 일종인 중간엽줄기세포로 전환되는 과정이 암 전이의 중요한 원인으로 보고 연구를 해 왔다(아래 그림). 하지만 이 과정을 연구해도 실제 암의 전이를 예측하거나 막는 데 한계가 있다는 지적이 제기됐다.

 

20년간 암 전이 이론을 지배하던 상피-중배엽 전이(EMT) 이론을 설명한 그림이다. 고형암의 암세포가 중간엽줄기세포의 특성을 얻어 부착력을 잃고 부유해 다른 기관이나 조직에 가 부착력을 얻어 전이된다는 이론이다. 하지만 연세대 연구팀은 이 이론의 한계를 극복할 새로운 ′세포 부착-부유 전이(AST)′ 이론을 창안했다. 새로운 항암 패러다임을 만들 수 있을 것으로 연구팀은 주장했다. 유선생물학및종양저널 제공
20년간 암 전이 이론을 지배하던 상피-중배엽 전이(EMT) 이론을 설명한 그림이다. 고형암의 암세포가 중간엽줄기세포의 특성을 얻어 부착력을 잃고 부유해 다른 기관이나 조직에 가 부착력을 얻어 전이된다는 이론이다. 하지만 연세대 연구팀은 이 이론의 한계를 극복할 새로운 '세포 부착-부유 전이(AST)' 이론을 창안했다. 새로운 항암 패러다임을 만들 수 있을 것으로 연구팀은 주장했다. 유선생물학및종양저널 제공

연구팀은 조직이나 세포에 부착된 암세포인 고형암세포가 특정 조건에서 떨어져 부유하면서 순환암세포가 될 수 있다는 데 주목했다. 이 순환암세포가 다시 다른 조직이나 기관에 부착해 퍼지면서 전이가 이뤄질 수 있기 때문이다.

 

연구팀은 부착 암세포가 부유 암세포로 변환하는 데 영향을 미치는 생물학적 요인과 원리를 밝히고 진단과 예측에 이용할 수 있도록 바이오마커를 개발할 계획이다. 이 새로운 이론에는 ''세포 부착-부유 전이(AST)' 이론이라는 이름을 붙였다. 나아가 부유암세포를 없애거나 부유 암세포를 만드는 과정을 제어해 전이를 막는 조절기술과 치료제를 발굴할 계획이다.

 

박 교수는 “3세대 항암제로 불리는 면역항암치료와 현재 연구되고 있는 4세대 '대사항암치료'를 넘어 ‘항전이요법’이라는 새 항암 패러다임을 세계 최초로 정립하고 임상 적용성을 검증할 것”이라고 밝혔다.

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