EU의 지원을 받은 ENERGSYNTISSUE 프로젝트는 생물체와 전자 사이의 간극을 좁히는 것을 목표로 연구를 진행했다.
소형화된 전자 장치의 급속한 발전과 증가일로에 있는 뇌 과학에 대한 우리의 이해를 고려할 때 이 두 가지를 융합하는 것은 시간의 문제일 뿐이다.
마리퀴리 프로그램 수혜자이자 옥스퍼드 대학의 연구원인 후안 리우(Juan Liu)는 “전자 장치와 살아있는 시스템 또는 바이오 전자의 완벽한 통합은 기본 생물학에 대한 우리의 이해를 향상시킬 뿐만 아니라 의료 진단 및 치료법을 재정의할 것이다”라고 말했다.
문제는 현재 대부분의 생체 전자 장치들이 단단하고 건조한 전자 부품으로 만들어져 생물학적 특성이 없다는 것이다. 리우(Liu)는 “생체 조직과 인공 전자 장치의 차이는 생체 전자 장치를 효율적으로 사용하는 데 엄청난 장애물이 된다”고 설명한다.
비말(droplet) 네트워크의 사용
연구팀에 따르면 생체조직과 인공 전자 장치 사이에는 여러 가지 중요한 차이점이 존재한다. 예를 들어, 천연 조직은 세포 외 기질(ECM) 내의 세포로 구성된다.
세포의 특성과 세포 외 기질(ECM)의 특징은 인체의 기관마다 다르기 때문에 광범위한 경도, 구성 방식 및 복잡성을 생성한다. 또한 인공 전자 장치는 정보를 전달하기 위해 전자에 의존하는 반면 인체의 바이오 전자 활동은 이온을 사용한다.
리우(Liu)는 “이러한 차이를 고려해 볼 때, 바이오 전자는 생물학의 원리를 채택해야만 장치들이 살아있는 조직 및 기관과 시너지 효과를 발휘할 수 있다”고 말한다.
이를 수행하는 한 가지 방법은 지질 이중층(lipid bilayer)에 의해 분리된 수성 구획(aqueous compartments)으로 비말(droplet)을 구성하여 이 비말 네트워크들로 만든 합성 조직을 사용하는 것이다. 연구자는 "모든 합성 물질 중에서 비말(droplet) 네트워크들은 특히 역학적 특성에 있어 자연 조직에 가장 가까운 근사치를 제공한다“고 말했다.
이러한 세포 조직들 내 각 비말(droplet)은 단순화된 세포에 해당하며, 구획 간 정보교환과 외부 환경과의 정보교환이 이 조직들 내에서 이루어진다. 연구자는 "예를 들어 효소를 구획으로 캡슐화함으로써 합성 세포는 생물학적 신호를 받고 처리할 수 있다"고 설명한다.
에너지 생성 합성 조직을 향하여
연구자는 비말(droplet) 네트워크를 기반으로 한 합성 세포 관련 연구결과를 기초로 세포 조직 형태를 가진 에너지 생성 전자 장치를 만들었다. 그는 “우리는 전기 회로와 전자 기능이 생물학적 구성 요소 내에 구축되는 비말(droplet) 네트워크를 기반으로 한 최초의 지속 가능한 바이오 배터리를 성공적으로 설계하고 구축했다”고 밝혔다.
이 뿐만 아니라 프로젝트팀은 서로 다른 비말들에서 수행된 두 가지 효소 반응이 나노 암페어(nA) 규모의 전류와 720mV의 전압를 생성할 수 있다는 것을 증명했다. 이는 가장 480x680μm2에 불과한 두 개의 비말들로 만들어진 배터리를 의미한다. 또한, 두 개의 서로 다른 비말들 사이에 형성된 전압은 분자의 방향 이동을 촉진할 수 있으며, 이는 합성 조직 내부에서 직각을 이루어 복잡한 신호 전달을 생성하고 시스템의 복잡성과 기능을 향상하는 데 도움을 줄 수 있다.
연구자는 “우리의 비말 배터리는 이온 전류 및 전류를 모두 생성할 수 있으며 온도 및 NADH 레벨과 같은 환경에 따라 다른 전기 신호를 생성할 기회를 제공한다”고 설명했다.
프로젝트의 연구결과에 따르면 이 혁신은 생물학적 활동과 기존 전자 장치 사이의 격차를 해소할 잠재력이 있다. 리우(Liu)는 “이를 통해 우리는 심혈관 질환, 신경 퇴행성 질환, 실명, 암, 당뇨병 및 천식과 같은 질환에 대한 새로운 진단 및 치료법 개발의 문을 열 수 있다”고 결론짓는다.
