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대부분의 모든 생물학적 프로세스는 특정 화학물질의 존재를 감지하는 과정을 포함한다. 수 백 만 년의 진화를 통해 정교하게 조절되면서, 인체의 다른 수용체(receptor)들은 특정한 목적 화학물질을 수용할 수 있도록 변형되었다. 일단 수용체에 결합되면, 수용체는 숙주세포에 신경 충동(nerve impulse)을 발생시키고 신진대사를 조절하며 침입자로부터 인체를 방어하거나, 세포, 수용체 및 화학물질의 타입에 따라 무수한 다른 작용을 수행하게 한다.

펜실베이니아 주립대학 연구팀은 진통제 및 마취제의 거동에 핵심적인 역할을 하는 인체의 가장 중요한 수용체에 기반을 둔 인공 화학 센서를 개발하는데 성공하였다. 이 센서에서, 수용체의 활성화는 생화학적인 반응보다 전기적 반응을 생성함으로써 컴퓨터에 의한 신호감지를 가능하게 하였다.

그래핀(graphene) 스티립에 mu-opioid 수용체의 변형체를 결합시킴으로써, 연구팀은 약품 개발 및 다양한 진단 테스트에 활용할 수 있는 기기의 대량생산화가 가능함을 보여주었다. 본 연구는 대학 내 몇몇 연구실의 최근 연구업적을 활용/통합한 것으로, A.T. Charlie Johnson (인문과학대 물리학 교수이자 나노/바이오 계면연구소장), Renyu Liu(페렐먼 의과대학 마취과 조교수), 및 Jeffery Saven(인문과학대 화학과 교수)이 참여하였다.

Saven 및 Liu의 연구팀은 mu-opioid 수용체를 재설계하기 위해 컴퓨터를 사용하여 연구에 활용하였다. 자연상태에서, 이 수용체는 비수용성이기 때문에 일반적인 많은 실험들을 적용하는 게 사실상 불가능하였다. 더욱이 이 수용체와 같은 단백질은 유전자 조작 박테리아를 사용하여 배양할 수 있지만, 자연에 존재하는 mu-opioid 수용체는 배양에 사용되는 대장균에 독성을 나타내는 문제점이 있다.

Saven 및 Liu 연구팀이 재설계된 수용체로 이 문제를 해결한 후에, 탄소 나노튜브에 유사한 수용체 단백질을 부착하는 연구를 했던 Johnson이 활용할 수 있는 기회로 나타났다. 이 경우, 단백질은 유전적으로 배양될 수 없으며, 안정성을 유지하기 위해 수용체의 자연적인 막(membrane)에 부가적인 생물학적 구조를 도입할 필요성이 있었다. 그러나 연구팀이 재설계한 단백질은 그래핀에 직접 부착될 수 있을 뿐만 아니라 배양도 가능해서, 이런 수용체를 활용하는 바이오센서 등을 대량생산할 수 있는 기회를 열어주었다.

Saven 및 Liu의 연구팀은 안정적으로 그래핀 시트에 부착될 수 있는 수용체를 제공하였고, Johnson의 연구팀은 제조 프로세스를 수정하였다. 약 6인치 폭에 12인치 길이의 그래핀 시트를 사용하여, 연구팀은 1인치 길이의 50마이크론 폭의 리본 형태로 분리한 후에, 이미 제작된 회로 상부에 리본을 위치시켰다. 일단 리본에 부착하면, opioid 수용체는 주변 그래핀의 전기적 성질에 변화를 유발하였다. 이런 변화는 인근 전극을 통해 컴퓨터로 전달되는 전기적 신호를 생산하였다. 연구팀은 각 기기의 개별 및 평균 값을 측정하였으며, 이로써 노이즈(noise)를 크게 감소시킬 수 있었다.

실험에서, 연구팀은 알코올 및 opioid 중독 치료에 사용되는 약물인 날트렉손(naltrexone)의 농도를 측정할 수 있는 능력을 실험하였다. 왜냐하면 날트렉손이 환자가 필요로 하는 마취효과를 나타내는 자연의 opioid 수용체에 결합하기 때문이다. 연구팀은 각 변의 길이가 1인치인 사각형 칩에 거의 200개의 개별 기기를 장착할 수 있었다. 193개 기기 중 오직 하나만이 실험에서 실패한 것으로 나타났다.

기기에 부착된 수용체가 생물학적으로 선택성이 있는지는 확실하지 않다. 왜냐하면 작용제(agonist)인 몰핀(morphine)과 길항제(antagonist)인 날트렉손이 수용체에 결합하면 아무 작용도 나타나지 않으므로 세포가 차이를 구별하지 못하기 때문이다. 하지만 수용체로 기능화된 그래핀 기기는 더 나은 진단도구로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 잠재적으로 실제 인체 내에서 발생되는 이분자 시스템(bimolecular system)이 어떻게 작동하는지도 알 수 있게 해 줄 것이다.

지난 백 년 동안 다양한 opioid가 개발되었지만, 이것들 중 어느 것도 파괴적인 중독 및 호흡저하(respiratory depression)와 같은 심각한 부작용 없이 강력하게 마취효과를 나타내지는 못했다. 이 독특한 기법은 잠재적으로 이런 부작용을 최소화할 수 있는 새로운 opioid의 개발을 가능하게 해 줄 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

그래핀은 그 자체의 균일성으로 인해 1인치 칩에 192개의 기기를 동시에 설치하는 것을 가능하게 하고 있다. 아직 해결해야 할 문제점도 있지만, 대량생산을 위한 초석으로서의 역할을 하게 될 것이라고 Johnson은 소감을 밝혔다.

 

그림 1> 연구팀의 기기를 나타내는 모식도. 그래핀 리본(은색)이 회로(금색) 상에 올려져 있으며, 수용체 단백질(자주색)이 목표 분자에 결합할 때 발생하는 반응을 판독하게 된다.
그림 2> 한 변이 1인치인 사각형의 칩에 거의 200개의 개별 기기를 장착할 수 있었으며, 193개 중 오직 1개 만이 실험에 실패하였다.