[뉴스] 사이보그 된 달팽이, 전기를 생산하다

미국연구팀 개발...환경 감시, 군사첩보용 등 활용 겨냥

전극장치 이식, 포도당과 산소에서 전기 에너지 뽑아내


00snail2보통 달팽이. 출처/ Wikimedia Commons



극 장치를 달고서 몸 안에서 생긴 전기를 외부에 공급해주는 이른바 '사이보그 달팽이'가 만들어졌다. 달팽이 몸에다 특별한 전극 장치를 꽂아두고서 달팽이의 포도당(글루코스)과 산소 대사 과정에서 생기는 전자들을 모아 전기에너지로 뽑아쓴다는 구상이다. 이 연구결과는 최근 <미국화학회지(JACS)>에 보고됐다.


미국 뉴욕 클락슨대학의 화학자 이브제니 카츠(Evgeny Katz) 교수 연구팀은 보통 달팽이에다 탄소나노튜브 박막으로 만든 생촉매 전극장치(biocatalytic electrodes)를 이식해 이른바 달팽이 사이보그(기계와 생물의 결합을 의미)를 만들었다. 필요할 때 이 전극 장치에다 외부 회로를 연결하면(아래 사진), 달팽이의 생체 대사 과정에서 포도당이 산화할 때 생기는 전자들이 흐르면서 전기에너지가 외부로 공급됐다. 수소와 메탄올을 연료로 삼고 백금 같은 촉매를 이용해 전기를 만드는 방식을 ‘(화학적) 연료전지’라 하는데, 달팽이처럼 포도당과 산소를 연료로 삼고 생체 대사를 촉매로 활용해 전기를 생산하는 경우는 ‘바이오 연료전지’라 부른다.


00snail » 달팽이에 이식한 전극을 외부 전기회로에 연결한 모습. 달팽이가 생산한 전력이 외부에 공급된다. 출처/ 미국화학회지(JCAS), Katz 교수 홈페이지

연구팀은 전기를 생산하는 사이보그 달팽이가 비디오 카메라나 가스 센서, 무선송신기 같은 초소형 전자장치를 갖추면 환경 모니터링이나 군사용 첩보 수단으로도 활용될 수 있을 것으로 내다보고 있다. 그동안 주로 곤충이나 작은 동물 몸에다 센서, 안테나 등과 함께 배터리를 이식해 정보 수집에 활용하는 방법이 개발되고 이용됐으나, 배터리 수명 때문에 오래 기능을 수행하기 어렵다는 한계가 나타났으며 그 대안으로 스스로 발전 능력을 지닌 바이오 연료전지의 가능성이 모색돼 왔다는 것이다. 과학저널 <네이처>는 바이오 연료전지의 연구개발이 주로 이 분야의 연구비를 지원하는 미국 국방성의 관심을 끌고 있다고 전했다. 비슷하게, 달팽이 외에도 바이오 연료전지를 살아 있는 바퀴벌레 같은 곤충에 구현하는 방법이 제시된 바 있다. 이와 별개로 미생물의 대사 활동에서 대량으로 만들어지는 전자를 모아 전기를 생산하는 '미생물 연료전지'도 주목받는 연구 대상이 되고 있다.


카츠 교수 연구팀은 사이보그 달팽이의 개발 의미에 관해 논문에서 다음과 같이 밝혔다.


“결론적으로, 우리는 달팽이에 전극을 이식함으로써 달팽이가 생활하는 상태에서 전기를 지속적으로 생산할 수 있는 과정을 처음으로 구현했으며, 대사 활동으로 재생산되는 글루코스(포도당)가 살아 있는 배터리를 '재충전'해 전기를 지속 생산할 수 있음을 입증했다. 지금까지 여러 연구들에서 ‘잠재적으로 이식 가능한’ 바이오 연료전지는 주장으로 제시되었으나, 이번 연구는 오랜 동안(몇 개월 동안) 바이오 전극을 지닌 채 살아가는 작은 생명체 안에 실제로 작동되는 바이오 연료전지를 이식했음을 보여주었다는 점은 주목할 만하다. 이는 여러 가지로 생명공학에 응용할 수 있는, 생활하는 상태에서 작동하는 바이오 연료전지의 새로운 전망을 열어놓았다.”


<네이처>의 뉴스 보도를 보면, 사이보그 달팽이는 최대 7.45 마이크로와트까지 전력을 생산할 수 있으나 이런 경우에는 45분 뒤 전력 생산이 80퍼센트 가량 줄어들었다. 연구팀은 뽑아쓰는 전력을 0.16 마이크로와트로 낮추면 달팽이의 전기를 지속적으로 사용할 수 있다고 전했다. 이번 연구에서 달팽이는 6개월 가량 전기를 생산할 수 있었다. 연구책임자인 카츠 교수는 "달팽이는 전극을 이식한 채로 몇 달 동안 먹고 마시고 운동하며 생활한다"며 "몇 분 정도 전극 장치를 이식한 뒤에 자연에 방출할 수 있다"고 말했다. 한편, 혈액 안의 포도당과 산소의 대사 작용을 이용해 전기에너지를 추출하는 방식은, 여러 연구개발 단계를 거쳐야 하겠지만, 앞으로 심장박동 조절장치 같은 저전력의 의료장비를 구동하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 이 분야 연구자들은 내다보고 있다.




논문 요약 (초록)



00snail3 » 달팽이를 이용한 바이오 연료전지의 회로도. 출처/ 미국화학회지(JCAS), Katz 교수 홈페이지

“그동안 이식용 바이오 연료전지는 살아 있는 생물체에서 작동하는 지속가능한 마이크로 전력의 원천으로서 제시돼 왔다. 그러나 바이오 연료전지 시스템은 여전히 익숙하지 않으며 설계하는 데에도 많은 도전과제를 지니고 있다. 살아 있는 동물 몸에서 작동하는 비생물 또는 효소 기반의 바이오 연료전지는 그동안 극히 일부 사례만이 보고돼 왔다. 생촉매 전극을 이식하고 살아 있는 작은 생물에서 전기를 뽑아내기는 훨씬 더 어려워 현재까지 구현되지 못했다. 이번 연구에서 우리는 달팽이 몸에서 작동하며 생물학적으로 생산된 글루코스를 연료로 이용해 오랜 동안 전기를 만들어내는 최초의 이식된 바이오 연료전지를 보고한다. 전기를 생산하는 능력을 지닌 달팽이는 생명공학 측면에서 보면 살아 있는 ‘장치’이다. 달팽이는 적절히 먹이를 먹고 휴식을 취하면 생촉매 전극에 소모되는 글루코스를 재생하며, 그리하여 다시 새롭게 일정량의 전기에너지를 생산할 수 있다. 달팽이는 바이오 연료전지를 이식한 채로 자연 환경에서 활동할 수 있을 것이며, 갖가지 바이오 전기 장치를 구동하는 데 필요한 지속가능한 마이크로 전력을 생산할 수 있을 것이다.”



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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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