첫번째 접근 방법은 생체분자 자체를 그대로 이용하는 방법으로, 기계적 움직임을 가지고 있는 생체분자를 생명체로부터 추출·정제해 ‘생체분자기계’를 제작하는 것이다. 크기의 관점에서 볼 때 생체물질인 핵산이나 단백질은 나노크기의 구조물이며 기능적인 관점에서도 완벽성을 갖고 있기 때문이다. 두번째 접근 방법은 생명체에서 일어나는 기계적 움직임과 일상 생활에서 볼 수 있는 기계적 움직임을 자세히 살핀 후에, 그 움직임의 핵심을 분자단위에서 구현해 분자기계를 ‘합성’하는 것이다.

먼저 생체분자기계를 만드는 연구에 대해 살펴보자. 지난 2000년 미국 코넬대의 나노바이오센터 연구진은 회전 모터인 F1-ATPase를 이용해 나노기계를 제작한 결과를 ‘사이언스’에 발표해 화제를 불러일으켰다. F1-ATPase는 생체 에너지원인 ATP를 분해하는 효소로서, 이 과정에서 화학에너지가 역학적 에너지로 바뀌면서 회전운동이 일어난다. 즉 F1-ATPase는 ATP를 연료로 하는 회전 모터라고 할 수 있다.

키네신과 미오신을 이용한 분자셔틀을 제작하는 연구도 활발하게 진행되고 있다. 키네신과 미오신은 직선형 모터로서 ATP을 연료로 해서 트랙을 따라서 움직인다. 예를 들어 키네신은 트랙을 따라 한번에 8㎚씩 이동한다. 따라서 직선형 모터를 짐차로 쓰면 특정 분자, 즉 짐을 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.

이 분야에서 연구하고 있는 나노과학자들이 상상하고 있는 응용은 엄청나다. 우리 몸의 한부분에 결함이 생겼을 때 이를 분자셔틀이 인지하고 필요한 분자와 에너지를 옮겨와서 치료를 하는 ‘나노자기치료’가 가능할 것이다. 한편 다른 분자기계가 필요로 하는 원자나 분자를 옮겨주는 컨베이어벨트의 역할도 할 수 있을 것이라고 기대하고 있다.

이와 같은 상상을 현실로 만들기 위해 노력을 하고 있는 나노과학자들은 현재 어디까지 와 있을까? 지금은 분자셔틀의 각 부속품이 작동 가능하다는 것을 보여주는 수준이라고 할 수 있다. 앞으로는 각 부속품을 통합하는 연구가 진행돼야 할 것이다. 즉 직선형 모터의 방향과 속도를 어떻게 조절할 수 있을까? 원하는 짐을 어떻게 인식해서 모터에 실을 것이며, 어떠한 정보를 이용해야만 원하는 자리에서 짐을 내려놓게 만들 수 있을까? 이처럼 많은 숙제를 해결하기 위해서 나노과학자들은 고민하고 있다.

맨처음 상상속에서 그려보았던 나노로봇과 현재 분자나노과학의 수준을 비교해 보면 실망을 금치 못할지도 모른다. “에이, 언제 그런 로봇이 만들어지겠어?”라고 한심하다는듯이 비웃고 지나갈 수도 있을 것이다.

나노로봇 연구 시작 단계

영화에서 나오는 나노로봇은 아마도 현실에서 가능하지 않을지도 모른다. 하지만 어쩌면 허황된 것일지도 모르는 목표를 추구하는 동안 제작된 각 부품들인 나노바이오센서, 나노약물전달시스템, 나노모터 등은 각각의 고유한 영역에서 역할을 하게 될 것이다.

마지막으로 실제 축구공과 똑같이 생긴 나노탄소축구공인 C60, 즉 풀러렌을 발견한 공로로 1996년 노벨화학상을 수상한 리차드 스몰리 교수의 말을 인용하고자 한다. “만약 한 과학자가 어떤 일에 대해서 가능한 일이라고 말한다면 그는 아마도 그 일을 가능하게 하는데 걸리는 시간을 과소평가하고 있는 것이다. 그러나 그것이 불가능하다고 말한다면 그것은 아마도 틀린 말일 것이다.”

최인성 교수는 1991년 서울대 화학과를 졸업하고 2000년 미국 하버드대에서 분자를 나노수준에서 제어하는 연구로 박사학위를 받았다. MIT연구원을 거쳐 2002년 KAIST 화학과에 부임했다. 현재 나노바이오 테크놀로지 분야에서 활발한 연구를 수행하고 있다.