생활 속 바이오(22) 동물의 내비게이션기술, 암세포를 추적,치료한다

*동물들의 위치추적기술, 인간에게 길을 보여주다

 

 

20년전, 한 과학자가 현미경을 보다가 신기한 현상을 발견했다. 눈에는 보이지도 않는, 먼지보다 작은 박테리아들이 줄을 서서 한 곳으로 이동하는 것을 관찰 한 것이다. 그것도, 보통의 박테리아가 이동하는 방식인 먹이의 냄새를 따라 이동하는 것이 아닌 것이다. 주위에 이 박테리아들에게 방향을 주는 것은 무엇인가 하고 조사하던 중 자석을 발견했다.  자석의 남, 북을 바꾸자 이들은 다시 방향을 바꾸는 것이었다. 즉 동물에게도 자석을 느끼는 무엇이 있다는 것을 발견했다. 왜 비들기들이, 철새들이, 새끼거북이가 태평양의 한 배반에 해당하는 13,000km를 길을 잃지 않고 갈 수 있는 가를 설명하는 단서를 발견한 것이다.

 

 

**자성박테리아, 방향을 잡다.

 

 

이들 과학자가 5um(1um; 백만분의 1 미터), 즉 1밀리미터에 200마리나 줄을 서는, 아주 작은 박테리아의 몸속에서 발견한 것은 놀랍게도 자석의 역할을 하는 나노 자석 입자였다 (그림 참조). 이 입자 덕분에 박테리아들은 자기장의 방향을 느낄 수 있고 그 방향으로 줄을 지어 이동하는 것이다. 움직이는 데에는 몸통 뒤에 붙어 있는 편모를 이용한다. 이 편모는 마치 보트에 달린 모터처럼 에너지를 소모하면서 돌아간다. 이들의 이동속도는 상당히 빠르다. 자기 몸 크기의 30배 거리를 1초에 움직인다. 사람으로 치면 100미터를 2초에 달리는 엄청난 속도를 낸다. 모터치고는 대단한 효율을 가진 생체모터이다.

 

 

이들은 왜 이렇게 부지런히 자장의 방향으로 움직이는가? 동물들이 뭔가를 할때는, 그것도 열심히 할 때는 단 하나의 이유이다. 즉 살아남기 위한 생존본능이다. 이들 박테리아가 발견된 곳은 물속의 산소가 경계점을 이루는 지역이다. 즉 너무 많아도, 너무 모자라도 안되는 지역에서 살고 있는 이 박테리아들은 그 층을 유지해야 한다. 이 층에서 조금 벗어나면 다시 원래 위치로 돌아와야 한다. 산소 농도가 높은 지역에 있으면, 즉 위 층에 있으면 농도가 낮은 방향, 즉 아래층으로 이동해야 하는데 북쪽에서는 북극에 해당하는 방향이다. 이때 현재의 위치를 판단하는 데에 자력선을, 즉 지구의 자기장을 사용한다. 물론 몸 안에 있는 자성입자로 방향을 탐지한다. 따라서 북쪽에서 발견된 박테리아와 남쪽에서 발견된 박테리아는 자기장에 서로 반대방향으로 움직인다.

(사진; 먼지보다 작은 박테리아 내부에서 발견된 자성입자)

(그림; 지구의 자장; 북그과 남극을 중심으로 각도, 위치, 세기가 변하여 위치 정보를 줄 수있다)

 

 

다시 말하면 북쪽에서 땅으로 가려면 북극방향으로, 남쪽에서는 남극방향으로 가야 땅속으로 들어가는 것과 같다. 현미경 아래에서 줄을 지어 이동하는 이 박테리아들은 인위적으로 자석의 방향을 돌려놓으면 정확히 180도 유턴한다. 이들 박테리아들의 머리에는 이미 태어날때부터 자장의 방향이 입력되어 있는 것이다. 비들기들이 먼곳에서도 집을 찾아오는 오는데에도 이 방법을 사용할까?

 

 

동물들이 장거리 이동을 하는 능력을 연구하는 데에 비들기들이 그 시초였다. 기원후 220년도에도 비들기들을 100-1000km 떨어진 곳에서 풀어놓아 집으로 누가 빨리 돌아오는가 시합을 했다. 그때 사용했던 비들기들은 훈련되어서 집을 찾아온다고 하지만 철새들은 어떻게 그 먼거리를, 지구의 남쪽에서 북쪽까지 수만 km를 이동할까? 따뜻한 곳, 식량이 풍부한 곳을 찾아간다는 철새이다. 10,000 종의 새들중에서 1,800 종이 이런 일을 매년 반복하고 있다니, 얼마 전에 살던 집도 찾아가지 못하는 사람들에 비하면 한 수 높은 내비게이션 능력을 가지고 있음이 분명하다.

 

 

이렇게 자장을 검출하는 능력을 가진 동물들은 새들을 비롯하여 상어, 고래, 박쥐, 바다거북등이다. 지구의 자기장은 0.2-0.7가우스이다. 이 정도의 자기장은 생체내에서 직접적으로 어떤 물질에 영향을 주어서 변화를 주기에는 아주 적은 세기이다. 즉 중간에서 이 자기장에 반응하는 방법이 있다는 것이다.

 

현재까지 밝혀진 동물들, 특히 철새들을 중심으로 알려진 내비게이션 기술은 두 가지이다. 하나는 자성박테리아에서 보듯 생체내에 미세한 자성입자를 가진 경우이다. 지구 자기장같은 미세한 자장에서도 자성을 띠려면 아주 작은 철 입자이어야 하는데 자성박테리아의 경우, 50 nm(nm; 백만분의일 미터) 이하의 크기로 쉽게 자성을 띠어서 생체내의 나침반 역할을 한다. 비들기의 부리 주위에서 발견되는 자성입자는 이런 현상을 뒷밭침한다. 신경세포주위에 형성된 자성입자들은 지구의 위치에 따라 계속 신호를 신경세포로, 뇌로 보내주고 있따. (그림 참조 )

 

 

또 하나의 기술은 지구의 자기장을 이용한 생체내의 화학반응이다. 남북의 거리차이, 즉 지구상의 위치에 따라 자기장의 세기는 변화하고 이 변화는 눈 내부의 특수한 물질(단백질)과 반응하여 라디칼이라는 민감한 신호물질을 낸다. 이 신호물질을 받아서 연쇄적으로 뇌에 신호를 보낸다. 즉 지구에서의 위치가 뇌로 전달되는 과정이 최근 밝혀진 것이다. 얼마전에는 이렇게 자기장에 반응하는 물질이 사람에게도 있음이 밝혀졌다. (그림 참조)

 

 

물론 비들기나 다른 동물들은 지구자장에 의한 생체내에서의 직접적인 변화이외에도 태양의 위치, 지형지물등의 시각적 정보를 뇌에 입력한다. 이런 것이 종합적으로 작용하여 하나의 비행지도를 만들고 수시로 들어오는 지구자기장의 정보를 이용하여 수만 키로의 비행을 실수 없이 해낸다.

(사진; 비들기 부리의 자성입자; 작은 입자는 약한 자기장에도 영향을 받아 신호를 보내준다)

(사진; 눈 내부의 자기장 반응물질; 지구 자기장에 반응하는 물질이 사람의 눈에서도 발견됨)

**자성 입자를 이용한 위치 추적기술

 

 

자성 입자를 이용하여 살 곳으로 돌아가는 박테리아의 기술을 사람들은 어떻게 이용할 수있을까? 자동차 내비게이션의 IT기술과 인체내에서의 위치를 알려주는 BT기술의 예를 들어보자.

 

자동차 앞에 달려 있는 내비게이션 장치는 어떻게 작동할까? 이것도 철새의 이동 원리를 적용한 것일까? 승용차에 달려있는 내비게이션은 지도와 현재 위치 정보만 있으면 된다. 동물의 경우 지도는 뇌에 입력되어 있을까? 즉 철새들이 겨울이 되면 따듯한 남쪽으로 이동해야 먹을 것이 있다는 것은 입력되어 있을 것같다. 수만년 동안 진화되어온 철새들의 유전자에 이런 본능이 숨어 있을 것이다. 바다거북은 태어나서 태평양을 한 바퀴도는 여행을 한다. 터어나자 마자 바다로 향하는 것을 보면, 분명 뇌에 이미 이런 본능이 입력되어 있다는 것이다. 이렇게 가야할 곳이 있다는 지도가 있으면 이제는 위치 정보가 필요하다. 위치정보는 새들처럼 두 가지를 사용할 수 있다. 인공위성이 기본 기술이고 다른 보조기술이 있다.

 

 

차량 내비게이션은 수시로 인공위성을 통하여 지금의 위치를 정보로 수신한다. 상공을 돌고 있는 수십대의 인공위성을 이용하면 내 위치가 파악된다. 눈을 가린 친구를 운동장 한 가운데에 세워놓고 세 구석에 서 있는 세 친구가 각각의 거리를 이야기 해주면 본인의 위치를 금방 알 수 있는 것과 같다. 조금 복잡한 수학이 필요할 뿐이다.(그림 참조)

 

 

최근에는 단순 위성만을 사용하는 것이 아닌 DMB 즉 방송사에서 지상파 방송에 사용하는 전파를 동시에 사용하여 지도상의 위치를 빨리 파악토록 해준다. 인공위성이 교각 아래서나 건물 지하에서는 전달이 힘든 점을 보완하는 방법이다.  조류의 경우와 비교한다면 인공위성은 눈 내의 물질과 지구자기장이 반응하는 경우이고 DMB는 생체내의 자성나노입자가 나침반 역할을 하는 것과 유사하다고 할 수 있다.

 

 

차량을 운전하여 처음 가는 길을 갈 때 내비게이션이 얼마나 중요한지를 사람들은 잘 알고 있다. 하지만 제대로 작동이 안될 때의 답답함이란 암을 치료하는 의사들의 경우보다 더 할 수는 없다. 분명 암이 신체내에 있는 것으로 시약검사는 나와 있는 데 도데체 어디 있는지 모를때는 이 보다 더 답답할 수는 없다. 현재의 영상기술로는 대부분의 암의 위치는 파악된다. 하지만 아주 작은 경우, 보내주는 신호가 분명치 않으면 강하게 신호를 증폭시켜야 한다.

 

 

만약 암에 자성입자를 붙일수 있다면 자기장 하에서 많은 일들을 할 수있다. 우선 강한 신호를 보낼 수 있어서 확실하게 암의 위치, 크기등을 측정하여 치료에 큰 도움이 된다. 이 경우 자성입자의 표면에 암의 특정분자와 반응할수 있는 물질을 코팅하면 된다. 이렇게 병을 진단하는데에도 사용되지만 또한 치료에도 사용될 수있다. 이 연구는 일본, 미국의 연구진들을 중심으로 진행되고 있다. 흰 머리가 성성한 일본대학의 노 교수가 이 연구를 발표하는 자리에서 물었다. 이제 곧 정년을 두고 있는데 이런 연구를 하게 된 동기가 무어냐고 물었다. 답은 의외로 간결했다. 재미있지 않아요?.

 

 

자성입자는 자기장에서 열을 발생할 수 있다. 박테리아에서 얻은 나노자성입자에 암을 추적하는 기능을 갖도록 암을 인식하는 항체를 달았다. 암에 도달한 입자의 모습이 수술실의 측정장비로 관측이 되었다. 자기장을 환자주위에 걸기 시작하자 자기입자는 진동하면서 열을 발생하기시작했다. 물론 입자가 달라붙은 암세포를 사멸시킨 것은 물론이다. (그림 참조)

 

 

최근에는 자성입자를 이용하여 세포를 원하는 곳으로 보내는 연구가 한창이다. 줄기세포를 이용하여 손상된 부위를 회복시키는 연구는 의료기술의 중요 과제이다. 방법은 자성입자를 줄기세포 내부에 삽입시킨후 외부에서 자기장을 걸어서 그곳으로 유도하는 방법이다. 예를 들어 척추손상 부위에 재생용 줄기세포를 넣을 경우, 이 세포가 척추신경세포로 변해야 한다. 그러기 위해서는, 다른 곳으로 이동하지 말고 그 부위에 위치해야한다. 그래야 주위의 신경세포에도 영향을 주어서 성장시킬 수 있기 때문이다. 이른바 세포를 원하는 곳으로 이동시키는 방법이다. 이제 박테리아에서 나온 자성입자덕분에 인체내에서 위치를 찾고 이를 원하는 곳으로 옮기는 인체 내비게이션 방법이 가능하다고 봐야겠다.

 

 

**자성입자, 미래의 위치를 알려주다

 

 

전쟁중에서도 무서운 것은 화생방전, 그 중에서도 독성가스를 사용하는 화학전이다. 냄새도 나지 않는 신경가스의 경우 빠른 방법으로 혈액내의 독성물질을 제거하지 않으면 대단히 위험하다. 자성입자는 이런 경우, 즉 신속한 분리가 필요한 경우 효율적으로 사용될수 있다. 즉 자석만 있으면 된다. 중학교 실험실에서 바닥에 흩어진 철가루를 모으기 위해서는 간단한 자석만 있으면 되었다. 화학가스에 중독되어 쓰러진 환자의 혈액속에 자성입자를 주입한다. 이 자성입자의 외부에는 독성물질만 붙일 수 있는 물질을 코팅할 수 있다. 혈액을 돌면서 독성물질을 몸에 붙인 자성입자는 자석으로 쉽게 분리할 수 있다. 깨끗해진 혈액은 바로 그 자리에서 다시 몸으로 돌려보내진다.

 

나노자성입자의 이용가능성은 무한하다. 네비게이션과 암치료에서 보았지만 그 분야는 얼마든지 확장될수 있다. 생체내에서는 왜 이런 금속입자를 만들까? 과학자들은 오늘도 자연을 관찰하고 있다. 그리고 자연은 왜 그런 선택을 했는지를 끊임없이 묻고 있다.

(그림; GPS 원리; 세점에서의 거리를 알면 위치를 정확히 알 수 있다)

(사진; 암세포와 자성입자; 암세포에 달라붙은 나노자성입자)