DNA ‘벨크로’로 스스로 조립되는 재사용 나노로봇, 암세포 84% 사멸 성공

혈류 속을 유영하며 명령에 따라 스스로 조립되고, 현장에서 약물을 생산한 뒤 회수·재충전해 재사용까지 가능한 로봇을 상상해보라. 더 이상 공상과학이 아니다. 스위스 바젤대학교(University of Basel) 연구팀이 DNA 기반 '분자 벨크로(molecular Velcro)'로 스스로 결합하는 모듈식 재사용 나노로봇을 개발했으며, 실험실에서 암세포를 사멸하는 데 성공했다 .

코르넬리아 팔리반(Cornelia Palivan) 교수 연구팀이 설계한 이 나노로봇은 미니어처 달 착륙선을 닮았다. 두 개의 독립 모듈, 즉 자기 추진 유닛과 페이로드 캡슐로 구성되며, 각 모듈에 부착된 상보적 DNA 가닥이 서로 결합하면서 자율적으로 조립된다 . DNA '벨크로'는 프로그래밍 가능해 모듈을 원하는 대로 결합·분리·재결합할 수 있다 .

나노로봇 작동 원리

시스템 구조는 의도적으로 단순하게 설계되었으며, 다양한 분야에 쉽게 적용할 수 있다:

• 모듈식 설계: 두 개의 서로 다른 재구성 가능 모듈 — 자기 추진 유닛과 페이로드 캡슐 .
• DNA 기반 '분자 벨크로': 각 모듈은 상보적 DNA 가닥을 보유한다. 두 가닥이 만나면 결합해 하나의 기능적 나노로봇으로 조립된다. 이 결합은 해제 가능해 모듈 회수가 가능하다 .
• 자기 추진: 추진 모듈은 자성을 띠어 외부에서 조종할 수 있다. 자기장을 이용해 종양 같은 목표물까지 로봇을 유도한 뒤, 회수해 재사용할 수 있다 .
• 페이로드 캡슐: 캡슐 내부에는 효소가 탑재된 4개의 나노스케일 고분자 소포(polymer vesicle)가 들어 있다. 기질이 미세한 구멍을 통해 들어오면 효소가 이를 활성 생성물로 전환하고, 그 생성물을 국소적으로 방출한다. 소포는 선택적으로 열어 생리활성 화합물을 방출할 수도 있다 .
• 도킹 기능: 페이로드 캡슐 표면의 추가 생체 분자를 통해 나노로봇이 특정 세포 표면이나 물질에 달라붙을 수 있다 .

HeLa 세포 실험 결과

연구팀은 암 연구에 널리 쓰이는 인간 세포주인 HeLa 암세포를 대상으로 나노로봇을 테스트했다:

• 나노로봇이 HeLa 세포 표면에 축적된 것을 형광 표지로 확인했다 .
• 항암 약물을 생산하는 효소를 탑재한 나노로봇은 72시간 내에 HeLa 세포 생존율을 **16%**까지 낮춰, 84%의 암세포를 사멸시켰다 .
• 이 효능은 전신 투여가 아닌, 세포 표면에서 직접 집중적으로 약물을 생산했기 때문에 가능했다 .

다양한 응용 분야와 향후 과제

모듈식 설계 덕분에 이 플랫폼은 암 치료에 국한되지 않는다. 페이로드 캡슐만 바꾸면 완전히 다른 역할을 수행할 수 있다:

• 표적 치료: 종양이나 병든 조직에 직접 치료제를 전달하며, 자기 모듈을 통해 회수·재사용이 가능하다 .
• 산업 촉매: 다양한 효소를 캡슐에 채워 제조 공정에서 필요할 때 촉매 반응을 일으키는 데 사용할 수 있다 .
• 환경 정화: 수질 정화, 오염 물질 분해 등에 활용할 가능성이 있다 .
• 재사용성: 모듈을 분리하고 페이로드 캡슐을 재충전한 뒤 다시 결합할 수 있으며, 자기 추진 유닛은 회수해 계속 사용할 수 있다 .
• 인체 적용: 인체 내 사용은 장기적 목표로 남아 있지만, 이 플랫폼은 페이로드 캡슐만 교체하면 다양한 목적으로 쉽게 개조할 수 있도록 설계되었다 .

이 연구 결과는 학술지 Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202600079)에 게재됐다. 연구는 스위스 국립 분자 시스템 공학 연구센터(NCCR-MSE)와 스위스 나노과학 연구소의 지원을 받아 수행되었으며, 하이델베르크대학교가 공동 참여했다 .