이상준 교수, 생체 유동현상 규명 및 모사기술 개발

(지디넷코리아=안희정 기자)“수 십 미터 높이의 나무가 어떻게 물을 뿌리에서 잎까지 끌어올릴까?”

“암모기는 어떻게 자기 몸무게의 3~4배가 되는 피를 순식간에 흡입할까?”

생체 내부에서 일어나는 자연의 신비에 대한 의문을 가진 국내 연구진이 생체유동 현상을 밝히고 이를 공학적으로 응용하고자 생체모사기술을 개발했다.

이상준 포항공과대학교 교수는 식물이 물을 끌어올리는 과정과 암모기의 흡혈과정 등 다양한 생체유동 현상을 알아내고 생명공학기술과 환경공학기술, 나노기술 등 공학적 문제해결에 접목할 수 있는 생체모사기술을 개발했다.

이상준 교수와 연구진


그동안 수많은 과학자들이 생명체가 가진 생존의 비밀을 풀기 위해 다양한 종의 생물들을 관찰하고 연구해 왔고, 대부분의 연구는 화학 및 생명과학적 관점에서 자연의 비밀을 다뤘다.

그러나 유체역학을 전공한 이 교수가 바라본 식물과 곤충의 세계는 생물이나 화학을 전공한 연구자들의 관점과는 크게 달랐다. 모든 생명체는 생명을 유지하기 위해 혈액과 같은 생체물질을 순환시키고 영양분을 받아들이는 순환시스템을 가지고 있으며, 생존 전략 차원에서 원활한 생체유동이 필수적이다.

이 교수는 “’나비의 침은 왜 말려있고 꽃 속의 꿀을 어떻게 빨아 먹을까?’등과 같은 생체 내부에서 일어나는 자연의 신비에 대한 의문을 가지고 생체유동 현상을 밝히는 연구를 시작하게 됐다”고 설명했다.

식물이나 동물의 내부 구조를 관찰하기 위해 널리 사용돼온 화학처리와 박제를 이용한 방식으로는 생체물질의 이동과정을 가시화할 수 없다. 또한 샘플을 절단해 관찰하는 방식으로도 생체 내부의 3차원 구조를 제대로 이해하기 어렵다.

특히 식물은 두꺼운 세포벽과 빛을 반사하는 구조적 특징 때문에 기존의 가시화 기법으로는 그 내부 구조를 관찰하기가 어렵다.

이 교수는 생체 내부의 유체흐름을 추적하기 위해 금나노입자를 고안하고 엑스선, 초음파 영상기법 등을 이용한 비침습 방식의 측정기법들을 개발해 식물, 곤충, 동물과 같은 생명체 내부에서 일어나는 다양한 생체유동 현상을 밝혔다. 생체를 절단하거나 내부 조직에 침투하지 않는 등 관찰하고자 하는 대상을 변화시키거나 고통을 주지 않는 관찰 방식을 사용한 것이다.

(좌) 엑스선 단층촬영기법으로 관찰한 암모기 머리 속 펌프 구조 (우) 암모기와 숫모기의 펌핑 성능 비교


이 교수의 연구진은 벼, 수수 등 식물 물관의 3차원 구조와 수액 이동현상을 관찰해 물관 구조와 수액 흐름 사이의 상관관계를 밝혀냈고, 이를 통해 액체나 기체와 같은 유체의 흐름을 가진 특성인 유체역학적 특성을 연구하는 새로운 학문분야인 식물수력학을 개척해 냈다.

아울러 나비의 액체 흡입과정과 암모기의 흡혈과정을 가시화하여 역학적 원리를 규명했고, 이렇게 규명된 생체유동 현상의 원리를 바탕으로 생명 나노 에너지환경 등의 분야에서 발생하는 문제점들을 해결할 수 있는 핵심 기반기술을 다수 개발하는 등 지속적으로 첨단 과학기술 발전에 이바지하고 있다.

애기장대 줄기의 3차원 물관 구조와 뿌리를 따라 올라오는 수액의 속도 변화


또한 이 교수 연구진은 생명체가 움직이는 동적거동(dynamic behavior)의 원리를 밝히고, 이온을 이용한 능동적인 수송과정에 대한 연구도 진행하고 있다. 더불어 식물 물관 내부에 기포가 생성되는 공동(cavitation) 현상을 해결하는 연구, 그리고 말라리아 병원균의 동적거동 등에 대한 연구를 진행하고 있다.

(좌) 액체를 흡입하는 나비의 침 주변 유속분포 (우) 미세한 털 구조에 의해 액체가 나비 침 내부로 빨려 들어가는 모습


이 교수는 “수억 년의 역사를 통해 진화해 온 생명체 내부의 최적화된 생체유동 현상을 해석하게 된다면 향후 생명공학과 의공학 분야 발전에 핵심이 될 기반기술을 개발할 수 있을 것"이라며 "이는 과학기술적 측면뿐만 아니라 경제·산업적 측면에서의 파급효과도 클 것으로 기대된다"고 말했다.

현미경으로 관찰하는 모습


이어 이 교수는 “예를 들어, 식물의 수액거동에 관한 연구를 통해 식물의 효율적인 물관리 메커니즘을 밝혀내고 생체모방형 물관 구조를 만들 수 있고, 이 구조를 바이오칩이나 미세유체장치에 적용한다면 성능을 크게 개선시킬 수 있을 것"이라며 "또한 연료전지 내부에 생성된 기포 제거에 활용하면 연료전지의 효율을 증대시킬 수 있을 것이고, 벼와 옥수수 같은 곡물 재배에 적용하면 식량 증산에 이바지 할 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편 이 교수는 미래창조과학부와 한국연구재단이 수여하는 8월의 과학기술자상 수상자로 선정됐다.

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