과학자들이 스스로 복제할 수 있는 '살아 있는' 로봇을 만들었다
살아남으려면 생명은 계속 이어지고 번식해야 합니다. 수십억 년 동안 생물은 출아하는 식물부터 유성생식을 하는 동물과 바이러스에 이르기까지 수많은 번식 방법을 발전시켜 왔습니다.
이제 버몬트대학교, 터프츠대학교, 하버드대학교 비스 생물공학연구소의 과학자들이 완전히 새로운 형태의 생물학적 번식을 발견하고, 이를 활용해 세계 최초의 스스로 복제하는 살아 있는 로봇을 만들었습니다.
2020년에 알려진, 개구리 세포로 만든 최초의 살아 있는 로봇 '제노봇'을 만든 같은 팀은, 컴퓨터로 설계되고 손으로 조립된 이 생명체들이 작은 '접시' 안을 헤엄치며 개별 세포를 찾아 수백 개를 모으고, 팩맨 모양의 '입' 안에서 '작은' 제노봇을 만들어 낼 수 있다는 사실을 발견했습니다.
며칠 후 이들은 '부모'와 똑같이 생기고 똑같이 움직이는 새로운 제노봇이 됩니다. 그러면 이 새로운 제노봇들도 세포를 찾아 자기 복사본을 만들 수 있습니다. 계속해서, 반복적으로.
이번 연구의 책임자 중 한 명이자 버몬트대학교의 컴퓨터 과학자이며 로봇공학 전문가인 조슈아 봉가드 박사는 "올바르게 설계하면 이들은 자발적으로 스스로를 복제할 것입니다"라고 말했습니다.
아프리카발톱개구리(Xenopus laevis)의 이 배아 세포는 피부로 발달합니다. "이들은 올챙이 바깥에 붙어서 병원성 미생물의 침입을 막고 점액을 재분배하는 역할을 했을 겁니다"라고 터프츠대학교 생물학 교수이자 앨런 발견 센터 소장이며 이번 연구의 공동 책임자인 마이클 레빈 박사가 말했습니다.
"하지만 우리는 이들을 새로운 환경에 놓고 있습니다. 우리는 이들에게 다세포성을 새롭게 생각할 기회를 주고 있습니다"라고 교수는 강조했습니다. "사람들은 생명을 번식시키는 모든 방법을 이미 개발했다고 꽤 오랫동안 생각해 왔습니다. 하지만 이것은 이전에 한 번도 관찰된 적이 없는 현상입니다"라고 제노봇의 '부모'를 만들고 이번 연구의 생물학적 부분을 개발한 터프츠대학교 및 비스 연구소의 선임 연구원 더글러스 블랙istonn 박사가 말했습니다.
“이것은 심오합니다. 이 세포들은 개구리의 유전체를 가지고 있지만, 올챙이가 되지 않고도 집단 지능과 가소성을 사용해 놀라운 일을 해냅니다. 개구리의 완전한 유전체는 변하지 않았지만, 이 세포들이 흩어진 세포를 모아 작동하는 자기 복제체로 압축하는 새로운 과제를 함께 수행할 수 있다는 징후는 없습니다”
이전 실험에서 과학자들은 제노봇이 단순한 과제를 수행하도록 설계될 수 있다는 점에 놀랐습니다. 이제 그들은 컴퓨터로 만든 세포 집합체인 이 생물학적 물체가 자발적으로 복제된다는 사실에 경악하고 있습니다.
이번 연구의 박사이자 주저자인 샘 크리그먼은 "이것은 개구리의 세포인데, 개구리가 복제하는 방식과는 매우 다른 방식으로 복제합니다. 과학계에 알려진 어떤 동물이나 식물도 이런 방식으로 번식하지 않습니다"라고 말했습니다.
약 3000개의 세포로 이루어진 '제노봇' 부모 개체 자체는 구체를 형성합니다. 크리그먼은 "이들로부터 자식이 태어날 수 있지만, 그 후 시스템은 보통 소멸합니다. 실제로 시스템이 계속 번식하도록 만드는 것은 매우 어렵습니다"라고 말했습니다.
하지만 버몬트대학교 고급 컴퓨팅 코어에 있는 딥 그린 슈퍼컴퓨터 클러스터에서 실행되는 인공지능 프로그램 덕분에, 진화 알고리즘은 시뮬레이션에서 수십억 개의 몸체 형태를 시험할 수 있었습니다. 삼각형, 사각형, 피라미드, 불가사리 등의 형태 중에서, 세포가 움직임에 기반한 '운동학적' 복제를 더 효율적으로 수행할 수 있게 하는 형태를 찾아냈습니다.
“우리는 UVM의 슈퍼컴퓨터에 최초 부모의 형태를 어떻게 조정해야 하는지 알아내도록 요청했고, 몇 달간의 작업 끝에 AI는 팩맨을 닮은 것을 포함해 몇 가지 기이한 구조를 제안했습니다. 매우 단순해 보이지만, 사람 엔지니어라면 이런 것을 생각해 내지 못했을 것입니다. 왜 입이 하나만 있을까? 왜 다섯 개가 아닐까? 우리는 결과를 더글러스에게 보냈고, 그는 팩맨 모양의 부모 제노봇을 만들었습니다. 그러자 이 부모들이 자식을 만들었고, 그 자식들이 손주를, 손주들이 증손주를, 증손주들이 고손주를 만들었습니다”
운동학적 복제는 분자 수준에서는 잘 알려져 있지만, 전체 세포나 유기체 규모에서 관찰된 적은 이전에 없었습니다. 봉가드는 "우리는 생물이나 살아 있는 시스템 내부에 이전에 알려지지 않은 공간이 존재하며, 그것이 매우 거대하다는 것을 발견했습니다. 그렇다면 이 공간을 어떻게 탐구해야 할까요? 우리는 걷는 제노봇을 찾았습니다. 헤엄치는 제노봇도 찾았습니다. 그리고 이번 연구에서는 운동학적으로 복제되는 제노봇을 발견했습니다. 또 무엇이 있을까요?"라고 말했습니다.
“우리는 이 특성, 즉 복제를 이해하기 위해 노력하고 있습니다. 세상과 기술은 빠르게 변하고 있습니다. 사회 전체를 위해서는 이것이 어떻게 작동하는지 연구하고 이해하는 것이 중요합니다. 실험실에 완전히 갇혀 있고 쉽게 끌 수 있으며 연방, 주 및 기관 윤리 전문가의 검증을 받은 이 밀리미터 크기의 살아 있는 기계들은 저를 밤잠 못 이루게 하지 않습니다. 위험은 다음 팬데믹, 오염으로 인한 생태계 피해의 가속, 기후 변화로 인한 위협의 증대에 있습니다. 이것은 자기 복제 시스템을 연구하기에 이상적인 시스템입니다. 우리에게는 이것을 통제하고, 이끌고, 억제하고, 증폭시킬 수 있는 조건을 이해해야 할 도덕적 의무가 있습니다”
연구진에 따르면, 세상이 직면한 문제와 같은 속도로 성장할 수 있는 기술 해법을 만들어야 합니다. 팀은 이 연구에서 재생의학 분야의 유망한 진전을 보고 있습니다.
“만약 우리가 세포 집합체에게 우리가 원하는 일을 하도록 말하는 방법을 안다면, 궁극적으로는 재생의학이 될 것입니다. 이는 외상성 손상, 선천적 결함, 암, 노화 문제에 대한 해결책입니다. 이 모든 다양한 문제들은 어떤 세포 집단이 형성될지 예측하고 통제하는 방법을 모르기 때문에 존재합니다. 제노봇은 학습을 위한 새로운 플랫폼입니다”
