유전자 조작 박테리아로 만든 '살아있는 타투': 새로운 바이오 프린팅 혁신

• 연구진이 피부 세포와 접촉하면 빛나는 세포 민감형 얇은 타투를 개발했습니다.
• 타투 잉크는 하이드로겔과 세포를 살아있게 하는 영양소 혼합물로 구성됩니다.
• 잉크는 약 30마이크로미터의 고해상도로 프린트 가능합니다.
• 3D 프린팅된 살아있는 타투는 압축, 늘이기, 비틀기를 견디는 3가지 센서를 탑재했습니다.

MIT 연구진이 유전자 프로그래밍된 살아있는 세포로 만든 특수 잉크를 사용하는 새로운 방법을 발견했습니다. 이들은 임시 타투를 고안했으며, 프로토타입은 나무 모양 패턴의 얇고 투명한 패치 형태입니다.

이 타투는 여러 구역으로 나뉘어 있으며, 각 구역은 다른 화학 화합물에 민감한 세포로 구성됩니다. 이 타투가 피부에 닿으면 인체 피부에 존재하는 특정 화합물에 노출되어, 나무의 해당 영역이 반응하며 빛납니다.

이는 세포가 다양한 자극에 반응해 빛나도록 설계되었기 때문입니다. 영양소 슬러리와 수소와 결합하면 세포를 층층이 프린트해 3D 인터랙티브 구조물을 형성할 수 있습니다.

동일 분야의 선행 연구

자극 반응성 소재는 새로운 것이 아닙니다. 10년 이상 연구개발이 진행되어 왔습니다. 예를 들어 화학 물질에 잘 반응하는 소재로 화학 센서를 만들거나, 고온에 반응하는 소재로 자기 조립 로봇을 개발할 수 있습니다.

3D 프린팅이 이제 널리 보급되고 훨씬 저렴해지면서, 자극 반응성 소재를 포함한 실험적 객체 개발에 일반적인 방법이 되었습니다.

그러나 이번에 연구자들은 프로그래밍 가능하고 3D 프린팅된 반응성 소재로 얻을 수 있는 살아있는 세포를 사용하는 방법을 실현했습니다. 지금까지의 연구에 따르면 포유류 세포는 이 작업에 적합하지 않습니다. 3D 프린팅의 가혹한 조건(가교 중 자외선 노출, 압출 시 전단력 등)을 견디지 못합니다. 포유류 세포는 지질 이중층 풍선과 같아 프린팅 과정에서 죽습니다.

반면 보호 세포벽을 가진 박테리아 세포는 훨씬 강합니다. 대부분의 하이드로겔(폴리머와 물로 만든 소재, 다양한 의료 응용에 사용)과 호환됩니다.

새로운 살아있는 반응성 잉크

MIT 연구진은 인터랙티브 디스플레이와 웨어러블 센서를 위한 '활성' 소재를 제작하는 새로운 기술을 사용했습니다. 실제로 이러한 소재는 살아있는 세포와 결합해 환경 화학 물질과 오염 물질, 미세한 온도 및 pH 변화도 감지할 수 있습니다.

유전자 프로그래밍된 박테리아 세포를 사용해, 세포를 살아있게 하는 하이드로겔과 영양소 혼합물로 된 잉크를 만들었습니다.

구체적으로, 하이드로겔 전체에 자유롭게 확산되는 4가지 신호 화학 물질에 반응해 녹색 형광 단백질(GFP)을 생성하거나 화학 물질을 분비하도록 다양한 박테리아 세포를 엔지니어링했습니다. 순수한 플루로닉 F127 다이아크릴레이트 미셀을 포함한 바이오 잉크는 프린팅 후 패킹 상태로 회복되며, 자외선 가교로 안정화됩니다.

참고: Advanced Materials | 10.1002/adma.201704821 | MIT News 경유

연구진은 다양한 조건에서 3D 프린팅 구조물 내 세포 간 상호작용을 예측하는 모델도 구축했습니다. 이 모델은 다른 과학자들이 반응성 살아있는 소재를 만드는 지침으로 활용할 수 있습니다.

개발된 잉크는 약 0.03mm(30마이크로미터)의 고해상도로 프린트 가능합니다. 분석물과 센서의 피라미드형 연결도 쉽게 구현됩니다. 다중 잉크 3D 프린팅으로 GFP 형광을 출력으로 하는 여러 논리 게이트 구축이 가능합니다. 이미 화학 물질이 묻은 피부에 테스트 패턴을 프린트해 부착했습니다.

하이드로겔의 명확한 공간 분포, 신호 분자 확산의 시간 의존성, GFP 생성 덕분에 시공간적으로 제어된 패터닝이 달성됩니다.

N-아실 호모세린 락톤에 반응하는 박테리아로 구성된 겔은 복잡한 패턴으로 프린트할 수 있습니다. N-아실 호모세린 락톤 함유 겔과 연결되면 박테리아의 GFP 생성이 유도되어 밤새 센서 전체로 퍼집니다.

이 방법론으로 개발된 3D 프린팅 살아있는 타투는 압축, 늘이기, 비틀기를 견디는 3가지 센서를 탑재했습니다. 분석물 적용 시 해당 센서 영역에서만 정밀한 국소 반응이 일어납니다.

몇 시간 동안 타투의 나무 패턴 각 구역이 박테리아가 화학적 자극과 직접 접촉하면서 빛났습니다. 박테리아 세포는 서로 통신도 가능하며, 다른 세포로부터 특정 신호를 받으면 형광을 냅니다.

연구진은 두 개의 하이드로겔 필라멘트 프린트 시트를 겹쳐 3D 구조에서 테스트했습니다. 서로 접촉하고 특정 통신 신호를 받자 빛났습니다.

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향후 전망

가까운 미래에 연구진은 살아있는 착용형 연산 플랫폼, 그리고 마이크로칩의 트랜지스터처럼 신호를 주고받는 여러 종류의 세포로 된 구조물을 프린트할 수 있을 것으로 기대합니다.

시간을 두고 체내에 약물을 전달하도록 프로그래밍된 약물 전달 시스템과 화학 센서 개발에도 힘쓰고 있습니다.