BioMEMS : 생물학 자와 엔지니어 사이에 새로운 협력 단조

제 이름은 Newly John이며, 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스의 생의학 공학과에 재직 중입니다. 제 연구 분야는 신경과학 및 줄기세포 연구를 위한 새로운 생의학 기기와 미세유체 소자를 개발하는 것입니다. 바이오 및 미세유체학은 지난 5~10년 사이에 발전한 비교적 젊은 학문 분야로, 집적 회로 산업을 위해 개발된 많은 기술과 전문 지식을 활용합니다.

우리가 수행하고 있는 작업은 집적 회로를 위해 개발된 소형화 방법과 접근 방식을 활용하여 작은 채널과 저장조를 갖춘 소형 장치를 제작하고, 이를 세포 생물학 응용 분야에 사용하는 것입니다. 전통적으로 대부분의 생물학 실험은 페트리 접시 규모에서 수행되어 왔습니다. 따라서 지름이 약 10 µm인 세포를 관찰할 때, 기본적으로 작은 세포가 매우 많은 양의 액체에 잠겨 있는 상태가 됩니다.

미세유체 장치를 사용하여 세포 주변 환경을 제어할 수 있습니다. 이는 페트리 접시에서 대규모로 실험을 수행하는 것보다 세포 간 통신 및 세포 가용성 인자의 영향을 훨씬 더 정밀하게 조절할 수 있게 합니다. 따라서 이러한 미세유체 기술의 새로운 발전은 기존 방법보다 제어력과 재현성 측면에서 많은 가능성을 제시합니다.

세포 이동 연구를 위해 미세유체 장치를 사용하는 본 연구팀의 연구는 세포 상단으로 수용성 인자의 안정적인 구배를 유지할 수 있는 새로운 장치를 개발하여, 세포가 다양한 성장 인자나 케모카인에 어떻게 반응하는지 연구하는 것을 포함합니다. 이는 세포 집단 또는 개별 세포 상단의 유체 흐름을 정밀하게 제어하는 것을 수반하며, 이는 형태 형성, 암 전이, 면역 세포 반응과 같은 대부분의 생물학적 과정에서 매우 중요하고 근본적인 요소입니다. 이러한 구배 생성용 미세유체 장치와 마찬가지로, 뉴런, 특히 콤보 뉴런(com neurons)을 배양하기 위한 장치 또한 미세유체 기술의 새로운 발전 방향입니다.

이러한 장치들을 통해 우리는 축삭 분획을 분리 및 정제하고 매우 편극화된 구조를 얻을 수 있습니다. 누출 방지가 어렵거나 다른 실험적 어려움이 때때로 발생하는 void 및 chamber와 같은 기존 분석법과 비교했을 때, 미세 유체 장치는 전반적으로 더 재현성 있는 결과를 제공하며, 동시에 고해상도 현미경 관찰이 가능한 광학 호환 플랫폼을 제공합니다.

이 장치는 축삭 수송이 어떻게 일어나는지 관찰하기 위한 실험을 수행하는 데 사용됩니다. 이 새로운 미세유체 신경세포 배양 장치를 통해 전국의 많은 공동 연구자들이 알츠하이머병, 파킨슨병 및 ALS와 같은 다양한 신경퇴행성 모델을 연구하고 있습니다. 저는 이곳 UC Irvine의 신경과학 및 병리학과에 훌륭한 공동 연구자들이 있어 매우 운이 좋았습니다. 저는 Car Kaman Stewart, Ed Monki 그리고 Lisa Flanagan의 연구실과 긴밀히 협력하고 있습니다.

저희의 협업은 정기적인 모임을 통해 생물학자들이 직면하고 있는 문제점이 무엇인지 파악하는 것부터 시작됩니다. 이러한 정기적인 회의를 통해, 기존의 도구들이 이미 존재함에도 불구하고 생의학 공학자로서 저희가 생의학 연구의 개선과 이해에 중요한 역할을 할 수 있는 응용 분야가 여전히 많다는 점을 알게 되었습니다. 예를 들어, 지난 5년 동안 Dr.Monki 및 Dr.Flanagan 연구실과 진행한 협업은 매우 생산적이었습니다.

먼저, 저희 학생들은 서로 다른 과학 분야의 연구 그룹들과 긴밀하게 협력하는 방법을 배울 수 있습니다. 동시에 저희는 줄기세포 생물학 분야의 문제들을 해결하는 행운을 누려왔습니다. 예를 들어, 미세유체 장치 내에서 줄기세포를 배양하고 분화시키는 연구는 BMP와 같은 형태발생물질의 기울기 내에서 줄기세포가 어떻게 행동하는지에 대한 새로운 관점을 제시해 주었습니다.

또한 점점 더 많은 엔지니어들이 생의학 연구에 관심을 가지게 됨에 따라, 이러한 형태의 협력이 미래 과학의 중요한 부분이 될 것이라고 생각합니다. 동시에 신경과학 및 기타 생명과학 분야에서 새로운 기능을 갖춘 새로운 도구에 대한 필요성이 커지고 있으므로, 생의학 연구 분야를 실질적으로 발전시킬 수 있는 결실 있는 협력이 많이 이루어질 것으로 기대합니다. 더불어, 미세유체 및 바이오멤스(biomes) 분야가 매우 흥미로운 단계에 있다고 생각합니다.

기본적으로 매일 수많은 새로운 응용 분야가 개발되고 있습니다. 5년 후에는 더 많은 생물학자들이 일상적인 연구와 정기적인 실험, 세포 이동 또는 기타 특수 목적을 위해 이러한 유형의 장치를 사용할 것으로 예상합니다. 이러한 장치들은 기존의 페트리 접시 배양 기반 방식보다 많은 이점을 제공하기 때문에, 새로운 유형의 응용 분야를 개발하는 데 있어 한계는 오직 상상력뿐이라고 생각합니다.

그리고 저는 생물학자들과의 긴밀한 협력이 새로운 유형의 장치 개발로 이어질 것이며, 이것이 향후 생의학 연구의 발전에 중요한 역할을 할 것이라고 믿습니다.