인간의 눈처럼 작동하는 인공 생체소재 개발(센서시스템연구센터 김재헌 센터장)

인간의 눈처럼 작동하는 인공 생체소재 개발

  - 인간의 시각과 유사한 빛 감지 능력을 갖는 ’인공 광수용체’ 최초 구현
  - 향후 광수용체 손상 망막 질환치료의 첫 걸음을 내딛는 연구에 기여

 

인간의 눈은 신체 오감 중 가장 중요한 기관 중 하나로, 손상 시 치명적인 영향을 주는 감각 기관이다. 사고를 통한 장애나, 황반변성, 당뇨성 망막증 등의 질환에 의해 의학적으로 시력의 회복이나 복원이 불가능한 상태가 될 수 있다. 손상된 망막을 대체하기 위한 기술로 ‘인공망막’ 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 시각 질환자에게 이식하여 시력을 일부 회복시키기 위한 노력이 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 망막 내에 구성 단백질인 광수용체를 인공적으로 제작하여 일반인의 시각 기능과 유사하게 빛을 인지할 수 있는 소재를 개발했다고 밝혔다.

김재헌 센터장박태현 박사송현석 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 김재헌 박사(센터장)팀은 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 이광식) 송현석 박사 및 서울대 박태현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 빛 인지 뿐 아니라 색까지 구분 할 수 있는 인공 생체 소재 개발 및 특성 분석에 성공했다. 망막에서 빛을 인지하는 단백질인 광수용체 단백질을 생산하고 그래핀 소재와의 결합을 통해 인공 광수용체가 인지하는 광학적 신호를 전기화학 신호로 측정 및 분석 하였다. 
 

(좌) 인간 광수용체 (녹색)를 생산하는 세포 (중) 위 세포를 이용하여 나노 크기 소포 (vesicle) 형태로 생산한 인간 광수용체 (우) 그래핀 표면에 인간 광수용체를 적층하여 제작한 신소재

인간의 눈에 있는 망막은 원추세포와 간상세포로 구성되어 있다. 원추세포는 빛의 3원색인 빨강, 초록, 파란색의 빛을 각각 흡수하는 광수용체 단백질을 이용하여 가시광선을 흡수하고, 간상세포는 광수용체 단백질을 이용하여 주로 명암을 구분하는 기능을 하여 사물 인지와 색 인지 기능을 수행한다.

 

이번 연구는 인간 광수용체 단백질 4종을 인공적으로 생산한 후, 생체물질과의 결합 친화성이 높고 전기화학적으로 예민한 특성을 지닌 그래핀과 결합하여 이 소재가 빛을 흡수하여 일으키는 생화학적 변화를 전기화학적 신호로 포착하여 특성을 분석하는 내용이다. 

[그림 2] 빛의 3원색인 파란색 (1SW), 녹색 (1 MW), 붉은색 (!LW) 빛을 흡수하고 주로 명암을 구분 (Rho)하는 인간 광수용체 단백질 4종을 각각 활용하여 제작한 인공 생체 소재가 인간의 망막과 유사하게 빛을 인지하여 색을 구분하는 것을 보여주는 가시광선 영역 빛 감지 스펙트럼 결과

연구진은 인간 광수용체를 인공적으로 세포내에서 생산하였고, 그래핀 소재 표면에 적층을 성공하여 인간 광수용체 단백질 기반 인공 생체 소재를 세계 최초로 구현하였다. 본 연구진이 개발한 생체 소재는 가시광선 빛에 대해 인간의 빛 감지 스펙트럼과 매우 유사한 스펙트럼으로 반응하는 모습을 보였고, 따라서 이 소재는 빛의 3원색인 붉은색, 초록색, 파란색 빛과 명암을 인지하는 인간 눈 특성과 유사하게 가시광선의 빛을 색깔별로 구분할 수 있는 것이다.

 

본 연구는 순수 국내 연구진의 연구에 의한 원천 기술로 향후 망막 질환으로 고통 받는 환자들의 치료를 돕기 위해 활용 될 수 있으며 장기적인 연구를 기획하고 진행하고 있다.

KIST 김재헌 박사(센서시스템연구센터장)는 “이번에 개발한 인공 생체 소재는 순수 국내 연구진에 의해서 개발된 생명공학과 광학 분야의 융합 원천 기술로 향후 망막 질환 해소를 위한 소재로 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

KBSI 송현석 박사는 “이번에 개발된 생체 소재는 인간 시각을 가장 가깝게 모방할 수 있는 소재로, 향후 시각 질환 환자에 적용 가능한 인공 망막으로 개발될 경우 인간의 망막과 비슷하게 작동하여 기존 인공 망막 기기보다 훨씬 효율적일 것으로 전망한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부지원(장관 유영민)으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’ (IF: 19.791,  JCR 분야 상위 1.027%) 최신호에 게재되었다.
  

 * (논문명) Artificial Rod and Cone Photoreceptors with Human-like Spectral Sensitivities
          - (제1저자) 연세대학교 박병호 박사과정
          - (공동 제1저자) 서울대학교 양희홍 박사
          - (교신저자) KIST 김재헌 박사, KBSI 송현석 박사, 서울대학교 박태현 교수