이 단어를 타이핑하는 동안 나는 손가락이 키보드 위에서 춤을 추게 만드는 동기화된 근육 수축에 또는 푹신한 쿠션에 앉아 몸을 똑바로 세우기 위해 무의식적으로 조이는 등 근육에 대해 생각하지 않는다.

근육을 당연하게 여기는 것은 쉽다. 그러나 내부적으로는 근육 세포가 완벽하게 정렬되어 혈관 및 신경과 얽혀 있는 섬유질을 생물학적 기계로 만들어 우리가 다시 생각할 필요 없이 일상 생활에서 움직일 수 있게 해준다.

불행하게도 이러한 정확한 세포 배열은 인공 근육을 실험실에서 재현하기 어려운 이유이기도 하다. 부드럽고 질척거리며 쉽게 손상됨에도 불구하고 우리의 근육은 무거운 하중에 적응하고, 외부 세계를 감지하고, 부상 후 재건하는 등 놀라운 능력을 발휘할 수 있다. 이러한 초강대국의 주된 이유는 정렬, 즉 근육 세포가 신축성 있는 섬유를 형성하기 위해 방향을 잡는 방식이다.

이제 새로운 연구에 따르면 실험실에서 배양한 근육을 더 좋게 키우기 위한 해결책은 자석일 수 있다. MIT(매사추세츠 공과대학)의 리투 라만(Ritu Raman) 박사가 이끄는 과학자들은 실험실 접시에서 근육 세포 방향을 제어하는 자성 하이드로겔 "샌드위치"를 개발했다. 자석의 위치를 변경함으로써 근육 세포는 마치 신체 내부에 있는 것처럼 동시에 수축되는 섬유로 정렬되었다.

전체 노력은 오히려 프랑켄슈타인처럼 들린다. 그러나 실험실에서 배양한 조직은 언젠가 유전병이나 외상으로 인해 근육이 심하게 손상된 사람들에게 이식되어 세상을 자유롭게 탐색할 수 있는 능력을 회복할 수 있다. 합성 근육은 또한 로봇을 코팅하여 인간과 같은 감각, 유연한 운동 제어, 불가피한 긁힘 및 긁힘 후 치유 능력을 제공할 수 있다.

라만의 작업은 그 방향으로 한 걸음 나아간다. 그녀의 팀은 근육 세포와 환경 사이의 기계적 힘, 즉 세포가 조직으로 구성되는 데 필수적인 관계를 복제하는 데 초점을 맞춘 생체 제조 플랫폼을 구축했다. 하지만 스트레칭, 당기기, 비틀기 등 물리적인 힘을 흉내내는 것만이 아니다. 오히려 플랫폼은 기계적 움직임이 셀 간의 통신을 변경하여 정렬하도록 지시하는 방식도 고려한다.

맞춤형 알고리즘과 함께 플랫폼은 본질적으로 세포를 밀고 당기는 것에 자가 조직하고 반응하는 살아있는 기능적 생체 재료로 전환했다. 결과적으로, 이 시스템은 또한 근육 세포의 적응, 정렬 및 재생 능력에 대한 빛을 밝힐 수 있다.

라만은 언론 브리핑에서 “실험실 환경에서 정렬된 근육을 만들 수 있다는 것은 건강한 상태와 질병 상태의 근육을 이해하고 근육 부상이나 질병에 맞서 싸우는 새로운 치료법을 개발 및 테스트하기 위한 모델 조직을 개발할 수 있음을 의미한다.”고 말했다.

근육질을 통해

라만은 오랫동안 살아있는 세포를 적응형 생체 제조 재료로 사용하려고 노력해 왔다.

5년 전 그녀는 빛에 반응하는 유전적으로 변형된 근육 세포를 갖춘 작은 3D프린팅 사이보그 로봇을 설계했다. 나방이 불꽃에 붙는 것처럼 바이오봇은 빛의 광선을 따라갔다. 놀랍게도 잘 훈련된 운동선수처럼 로봇의 설계된 근육은 운동을 할수록 더욱 유연해져서 다양한 도전 과제를 헤쳐나가고 회전할 수 있게 되었다.

그 결과 팀은 다음과 같은 의문을 갖게 되었다. 실험실에서 배양한 근육이 완전히 기능하려면 조직을 "운동"해야 할까?

대답은 '그렇다'인 것 같다. 지난 주 연구에서 팀은 생쥐 뒷다리의 큰 근육 손상을 회복하기 위해 빛으로 활성화되는 근육 이식을 통해 바이오봇 결과를 확장했다.

근육 이식은 새로운 것이 아니지만 숙주에 통합되어야 하는데 이는 종종 어려운 일이다. 여기서 라만 이식편을 이식한 쥐는 단 2주 만에 운동성을 완전히 회복했다.

연구팀은 이식된 근육을 숙주에 이식한 후 근육을 강화하기 위한 운동 방식으로 매일 근육 이식편에 청색광을 비추었다. 운동은 이식편을 살아 있게 유지할 뿐만 아니라 숙주 신체와 연결된 혈관과 신경 세포의 성장을 촉진했다. 10일 동안 하루 30분만 투자한 결과 근력이 3배 증가했다.

"이식된 근육 이식편을 운동하는 것은 단지 근육을 더 강하게 만드는 것 이상이며, 근육이 혈관이나 신경과 같은 다른 조직과 소통하는 방식에도 영향을 미치는 것으로 보인다."고 라만은 말했다.

그러나 여전히 질문이 남아 있다. 체외 페트리 접시에서 운동을 하면 근육 섬유를 더 강하게 만들 수 있을까?

자기 운동

그것은 미친 생각이 아니다. 라만의 이전 연구에서는 하루에 30분 동안 전기 파열로 근육 섬유를 재핑하면 단 10일 만에 섬유가 더 강해지는 것을 발견했다.

근육은 뇌의 전기 신호에 반응하도록 연결되어 있다. 그러나 그들은 또한 실험실에서 복제하기 어려운 기계적 힘에 민감하다.

라만은 브리핑에서 “일반적으로 사람들이 실험실 환경에서 조직을 기계적으로 자극하려면 조직의 양쪽 끝을 잡고 앞뒤로 움직이며 전체 조직을 늘리고 압축한다.”고 말했다. "그러나 이것은 우리 몸의 세포가 서로 대화하는 방식을 실제로 모방하지는 않는다."

MagMA를 살펴본다. 자기 매트릭스 작동(예, 한입 가득)의 약어인 이 시스템은 근육 세포를 둘러싼 젤 같은 구조를 모방한다. 기본적으로 샌드위치이다. 내부 층은 철 미세 입자가 내장된 자성 실리콘 "충전재"이다. 두 개의 "빵 조각"은 천연 단백질 성분으로 만든 하이드로겔로 구성된다.

페트리 접시 바닥에 추가된 MagMA는 근육 세포가 상호 작용하는 젤 같은 매트릭스처럼 기능하지만 자석을 강화한다.

팀은 전기나 빛처럼 자석을 사용하여 근육을 운동하고 섬유질 형성을 촉진할 수 있는지 알고 싶었다.

그들은 MagMA로 코팅된 페트리 접시에서 근육 세포 층을 성장시켰다. 페트리 접시에 자석을 밀어서 하이드로겔의 자성 입자를 이동시켰고, 결과적으로 세포가 기계적으로 구부러졌다. 시스템은 고도로 제어 가능하다. 자석의 경로를 변경하면 세포가 경험하는 기계적 힘의 크기와 방향이 변경되고, 결과적으로 방향도 변경된다.

전반적으로, 팀은 근육 세포가 깔끔하게 묶인 근육 섬유로 빠르게 정렬된다는 것을 발견했다. 섬유질은 더 강하지 않았지만 더 조직적이었다. 대조적으로, 표준 접시에서 자란 세포는 혼란스럽게 성장하여 이웃의 방향과 상충되는 근육 섬유를 형성했다.

구조의 차이로 인해 근육의 기능이 변경되었다. MagMA 하이드로겔로 프로그래밍된 근육 세포는 동시에 함께 꼬여 있으며, 이는 기능적 근육을 설계할 때 중요한 요구 사항이다. MagMA 없이 성장한 것들도 움직였지만 각 섬유가 고유한 곡조에 맞춰 경련을 일으키면서 일종의 경련을 일으켰다.

라만은 "우리는 연구 결과에 매우 놀랐다."고 말했다. "이것은 근육의 형태와 기능이 본질적으로 연결되어 있으며 형태를 제어하면 기능을 제어하는 데 도움이 될 수 있다는 우리의 이해를 확증해주었다."

자기 플랫폼은 아직 초기 단계이다. 팀은 이제 근육 성장과 기능을 가장 잘 자극하기 위해 자석 강도와 기타 매개변수를 최적화하려고 한다. 그들은 또한 조직 공학의 다른 세포 유형으로 플랫폼을 확장하고 특정 생물 제조 요구 사항에 맞게 다른 재료로 하이드로겔 구성 요소를 조정하고 있다.

팀은 근육을 키우는 것이 첫 번째 단계일 뿐이라고 확신한다. 우리는 “이 플랫폼이 기계생물학, 재생의학, 바이오하이브리드 로봇공학에 대한 광범위한 기초 및 중개 연구를 주도할 것”이라고 그들은 연구에서 썼다.

이미지 출처: Ella Marushchenko