세포막 뚫어 약물 침투 돕는 ‘분자드릴’ 주목

[과학&기술의 최전선/나노바이오]

단백질, DNA 같은 생체 고분자가 아닌 인공화합물을 이용해 만드는 ‘분자기계’도 차세대 나노로봇으로 새롭게 주목받고 있다.

분자기계는 빛이나 열, 산성도(pH) 변화 같은 외부 자극을 이용해 회전, 전진 등 기계적인 움직임을 조작할 수 있도록 설계한 인공 분자 또는 분자집합체다. 5∼10nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기로 머리카락 굵기의 수천분의 1에 불과해 ‘세상에서 가장 작은 기계’로도 불린다. 분자기계의 탄생을 이끈 과학자 3명은 지난해 노벨 화학상을 수상했다.

보통 분자는 구성 원자들이 화학적 결합으로 고정돼 있어 움직이지 않는다. 반면 분자기계는 조인트, 고리(매듭)처럼 기계적으로 원자나 분자들을 엮어 놓은 것으로 기계처럼 각 요소가 움직이는 게 가능하다.

이온 등을 끌어올릴 수 있는 ‘분자 엘리베이터’, 한 방향으로 회전하는 ‘분자 모터’와 이를 바퀴로 활용한 4륜 구동 ‘분자 자동차’ 등 형태와 기능이 실제 기계와 유사한 분자기계가 개발되기 시작하면서 최근에는 분자기계를 바이오 의료 분야에 활용하려는 연구도 활발해졌다. 전문가들은 20년 후면 분자기계도 상용화 단계에 이를 것으로 보고 있다.

대표적인 것이 세포막을 뚫는 ‘분자드릴’이다. 올해 8월 제임스 투어 미국 라이스대 교수팀은 미국 노스캐롤라이나주립대, 영국 더럼대 등과 공동으로 표적 세포 표면에만 결합해 세포막을 뚫을 수 있는 1nm 길이 분자드릴을 개발했다고 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 헬리콥터처럼 생긴 이 분자드릴은 자외선을 쪼이면 회전날개가 초당 200만 번 이상 회전하면서 1∼3분 안에 8∼10nm 두께의 세포막을 뚫고 지나간다. 연구진은 이를 이용해 인간의 살아 있는 전립샘암세포를 뚫는 데도 성공했다.

로버트 팔 영국 더럼대 교수는 “아무리 항암제에 내성을 가진 암세포라도 구멍이 뚫리면 약물이 깊숙이 침투할 수 있기 때문에 속수무책으로 제거될 수밖에 없다”고 설명했다. 투어 교수는 “자외선 대신 인체에 무해한 근적외선 등을 이용해 분자드릴을 작동할 수 있게 되면 간편하고 저렴한 치료법을 갖게 된다”며 “생체 내에서 분자기계를 제어하는 동물실험도 진행 중”이라고 말했다. 이런 분자드릴은 체내에서 혈관을 따라 다니다가 막힌 곳을 뚫어 주는 데도 활용할 수 있다.

국내에서는 김기문 기초과학연구원(IBS) 복잡계자기조립연구단장(포스텍 화학과 교수)팀이 인공화합물 ‘쿠커비투릴’로 세포막에서 단백질을 분리하는 데 성공했다. 세포막 단백질을 분석하면 질병 진단, 치료제 개발에 필요한 정보를 얻을 수 있다. 2015년에는 쿠커비투릴로 외부 환경에 따라 스스로 구조를 바꿀 수 있는 나노캡슐을 개발했다. 김 단장은 “분자기계는 의료, 환경, 산업 재료 등에도 폭넓게 활용될 것”이라고 말했다.

송경은 동아사이언스 기자 kyungeun@donga.com