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[뉴스엑스포_산업전망] 나노머신 바이오, 의료 분야 중심으로 뜬다-미래 나노슈트 개발 가능하지만 현재는 바이오 의료 중심으로 나노머신 개발
  • 임종인, 강희경 기자
  • 승인 2018.08.08 14:35
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나노머신 분야가 의료산업에서 뜨고 있는 모습이다. 나노머신은 레고의 작은 블록이라고 생각할 수 있는데, 그 작은 블록이 그 어떤 복잡한 형태라도 만들어 낼 수 있어 향후 발전 가능성은 무궁무진한 것으로 알려져 있다. <그래픽_뉴스엑스포 그래픽 팀/ 팀장_이진영>

[뉴스엑스포_산업전망] 최근 마블의 영화 ‘어벤저스 인피니티 워’에 등장한 아이언 맨의 나노슈트는 기존 시리즈와는 완전히 달라진 모습을 보였다.

기존의 슈트는 토니 스타크가 요청할 경우 슈트가 격납고에서 그에게 날아와 착용하는 방식을 취했는데, 이번 인피니티 워에서는 스타크가 가슴에 있는 아크 원자로를 살짝 누르기만 하면 슈트가 격납고에서 날아오는 것이 아니라 그의 몸 위에서 자동적으로 생성되었다.

나노머신이라는 기술적 배경을 이해하지 못했다면 스타크가 나노 슈트를 입는 이 장면이 마치 마술사가 마술을 부리는 것처럼 보일 수도 있다. 하지만 이는 마술이 아니며 나노머신 기술이 상용화된다면 실생활에서도 충분히 구현할 수 있는 장면이다.

이는 영화가 나노머신의 자가 구조 형성, 자기 복제 능력에 기반하여 영상을 제작하였기 때문으로 풀이된다.

 나노머신, 광범위한 분야에서 파급력 크게 성정 전망

나노머신은 레고의 작은 블록이라고 생각하면 쉽다. 그 어떤 복잡한 형상이라도 작은 블록을 맞추어서 구현해낼 수 있듯이 나노 머신도 크기가 나노미터에 불과한 블록이기 때문에 그 어떤 구조, 형상이라도 구현하는 것이 가능하다.

한편 자기 복제 능력은 세포가 분열하여 그 수를 증가시키는 것을 연상시키면 이해가 쉬운데 나노머신도 주위의 자원을 이용하여 자기 복제 기능을 갖출 수 있도록 설계할 수 있다. 이 기능이 장착된 나노머신은 원료만 충분히 공급된다면 자신과 동일한 나노머신을 원료가 고갈될 때까지 복제하는 것이 가능하다. 즉 레고 블록을 계속해서 찍어낼 수 있는 것이다.

나노 머신의 이 두 가지 기능을 이해했다면 영화에 나온 아이언 맨 나노슈트 착용 장면을 이해하는 것은 어렵지 않다. 저장되어 있던 나노 머신이 나와 아이언 맨 슈트의 형상을 구성하고 부족한 부분은 자기 복제 기능을 이용하여 나노 머신을 증식시키면 되기 때문에 스타크는 격납고에서 슈트를 호출할 필요가 없게 되는 것이다.

게다가 영화 중간 중간에 나오는 것처럼 슈트가 파괴되어도 곧 복구가 되는 장면 또한 나노머신이 가지고 있는 이 두 가지 성질에 기반하고 있다. 기존 슈트라면 부분적으로 손상이 와도 그 손상을 고칠 수가 없는데, 나노머신은 레고 블록처럼 해체했다가 다시 쌓는 것이 가능하기 때문에 손상 부분을 금방 복구할 수 있는 것이다.

이 같은 나노머신의 자가 복구 기능은 향후 자동차, 항공기, 우주선과 같은 구조물에서 중요하게 이용될 가능성이 높다.

특히 우주선의 경우 우주 공간에서 떠도는 고속의 입자와 충돌하여 손상을 입을 가능성이 있는데 이런 경우에도 나노머신의 구조 형성, 자기 복제 기능에 기반한 자가 수리가 가능할 것으로 전망되고 있다.

한편 나노미터 단위로 정밀한 구조를 형성할 수 있는 나노머신은 인간의 신경조직 회복 등에도 활용될 수 있기 때문에, 하반신 마비, 신체가 절단된 환자들의 회복에도 사용될 수 있어 그 파급력은 기계 산업 분야에 한정되지 않을 전망이다.

◆ 구조 형성, 자가 복제 기능은 구현 안되는 지금의 나노머신 기술 수준

현재 나노머신 기술 수준에서는 안타깝게도 자가 구조 형성, 자가 복제 기능은 구현되지 않고 있는 것이 사실이며, 동력의 소형화 문제 등 해결해야 할 문제가 많아 기계 산업 분야보다는 바이오, 의료 산업 분야에서 나노머신 관련한 성과가 비교적 활발하게 발표되고 있다.

2017년 김민준 서던 메소디스트 대학 석좌 교수팀은 인체 내부에서 외부 자기장에 반응하여 원하는 곳으로 이동할 수 있는 나노머신을 개발했다고 발표했다.

이 나노머신이 학계와 업계의 주목을 받는 것은 ‘외부 제어를 통해 원하는 장소로 이동시킬 수 있다는 것’에 있다. 나노머신은 나노미터 수준의 작은 구조물이기 때문에 아직 내부에 탑재될 수 있을 만큼 동력원이 소형화되지 않은 상태다. 따라서 학계에서는 나노머신이 개발자의 의도대로 움직일 수 있도록 하는 방법의 개발을 상당히 중요한 문제로 인식되고 있다.

이런 배경을 고려한다면 박테리아의 편모에 초상자성(super paramagnetic) 나노 입자를 결합하여 외부 자기장에 의해 개발자가 원하는 곳으로 이동할 수 있는 김 교수의 나노머신이 학계, 업계의 주목을 받는 상황을 쉽게 이해할 수 있다.

관련 기술 수준이 향상되면 나노머신을 단순히 이동시키는 것 외에도 개발자가 원하는 동작을 할 수 있도록 조정할 수 있기 때문에, 현재 복부를 절개하여 진행하는 개복 수술, 내시경을 통한 수술을 하지 않고 나노 머신을 통해서 수술을 할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 나노머신을 통한 수술은 수술을 위해 신체를 절개할 필요가 없기 때문에 수술로 받을 수 있는 환자의 부담을 줄여줄 수 있다는 측면에서 주목을 받고 있다.

한편 지난 5월 21일 재료분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’의 온라인판 표지 논문으로 포스텍의 김원종, 이진우 교수의 나노머신 관련 논문이 채택된 것으로 알려졌다.

김원종, 이진우 교수가 개발한 나노머신은 150nm급의 나노 구조체가 15nm급 나노 구조체를 포함하고 있는데, ph6.5까지의 미세 산성 환경에서 150nm 구조체에서 15nm급 구조체가 분리되는 것이 특징이다.

공동 연구팀의 나노머신은 암 조직 깊숙한 곳까지 항암제를 투여하기 위해 개발되었다. 기존 주사나 섭취를 통해 인체에 흡수된 항암제는 혈관을 통해 이동했기 때문에 혈관에서 가까운 암 세포에만 작용되는 한계가 있었다.

그러나 공동 연구팀의 나노머신은 150nm급 나노 구조체가 혈관을 따라 이동하다가 ph 6.5의 미세 산성 환경을 띠는 암 조직을 만나면, 탑재하고 있던 15nm급 나노 구조체를 분리하여 암 조직에 침투시킨다.

150nm급 나노 구조체에서 분리된 15nm급 구조체는 그 크기가 작아 혈관 주위에 있는 암 조직 외부를 통과하여 중심부까지 이동하는 것이 가능하고, 중심부에 도달한 15nm급 구조체는 항암제를 투하하여 암 조직 중심부에 대한 직접 타격이 가능한 것이다.

이는 마치 항공모함(150nm급 구조체)에서 발진한 전투기(15nm급 구조체)가 멀리 떨어진 목표물에 정확하게 폭탄(항암제)을 투하는 것과 유사하다고 볼 수 있다.

학계에서는 공동 연구팀의 나노 머신이 암 조직 중심부까지 접근하여 항암제를 투여할 수 있어 치료 효과가 증진될 수 있을 것으로 기대하고 있고, 목표한 암 조직에만 항암제를 투여하는 것이 가능해 부작용이 줄어들 것으로 기대하고 있다.

김민준 교수의 나노머신이 외부 자기장을 이용했다면 김원종, 이진우 교수의 나노머신은 화학적 변화를 이용해서 나노머신을 조작하는 것으로 평가할 수 있다.

이처럼 나노머신의 내부에 탑재할 수 있을 만큼 동력원이 소형화되지 않아도 나노머신을 원하는 대로 조작할 수 있는 방법이 연구되고 있기 때문에, 자가 구조 형성, 자기 복제 기능을 가진 나노머신은 아니지만 실생활에 적용할 수 있는 나노머신은 현재도 활발하게 개발되고 있다.
 
특히 동력원의 소형화 전에는 사람의 생명과 직결된 바이오. 의료 분야에서 나노머신의 활용도가 주목되고 있기 때문에 이와 관련한 기술 발전을 촉진시킬 필요가 있다.

임종인, 강희경 기자  news@newsexpo.co.kr

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