연구진이 쓴 미세유체 시스템 [출처 기초과학연구원]

[헤럴드경제=이정아 기자] 운전자는 운전을 할 때 도로가 덜 막히는 경로를 선택한다. 이러한 선택이 누적되면 한산하던 길이 막히고 막히던 길은 정체가 점차 해소된다. 도로처럼 ‘교차점’과 ‘선’의 연결로 이뤄져 있는 집합을 네트워크라고 하고 교통체증처럼 반복되는 변동은 주기운동이라고 말한다. 도로 위 교통체증 뿐만 아니라 데이터를 이동시키는 통신케이블과 라우터 등 모든 네트워크에서는 주기운동이 관찰되는데, 이러한 주기운동이 어떤 이유로 일어나는지 정확하게 밝혀진 이론은 아직까지 없다.

이런 가운데 기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 연구진이 모세혈관 속 적혈구의 주기운동을 설명하는 가설을 제시했다. 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더(UNIST 자연과학부 특훈교수)와 올게르 시불스키 연구위원은 아주 얇고 긴 관에 흐르는 액체방울에서 네트워크 주기운동을 처음으로 발견했다. 이어 연구진은 실험과 시뮬레이션 모두에서 이 주기운동이 네트워크 환경과 상관 없이 자발적으로 생겼다고도 24일 밝혔다.

연구진은 이른바 ‘칩 위의 실험실(Lab on a Chip)’로 불리는 미세유체 시스템에 네트워크를 처음으로 적용했다. 두 갈래로 갈라지는 네트워크에 액체방울을 일정한 간격으로 흘려보냈고 일정 시간이 경과하자 주기운동이 관찰됐다.

실험에 사용된 네트워크는 출발점에서 갈라지는 두 경로가 완전히 대칭을 이루기 때문에 액체방울들이 각 경로를 택할 확률은 50 대 50으로 같았다. 그런데 처음에는 두 경로로 고르게 흩어졌던 액체방울의 경로에서 곧 편향성이 생기기 시작했다. 액체방울이 열차처럼 줄을 지어 한 경로를 선택하면 다음 액체방울들은 다른 경로로 출발한 것이다.

액체방울이 갈림길을 통과하고(그림a) 첫 액체방울이 마지막 교차점에서 수렴할 때까지 다른 액체방울들의 분포는 균일하다(그림b). 일정시간이 흐르면 액체방울은 다시 주기운동을 보인다. 그림c와 d처럼 액체방울 ‘열차’가 양쪽 경로를 번갈아 차지한다. [출처 기초과학연구원]

연구진은 균일한 흐름이 있던 네트워크에도 주기운동이 발생하는지 확인하고자 추가 실험을 진행했다. 먼저 네트워크 내에 균일한 흐름을 만들기 위해 액체방울을 쌍으로 생성해서 각 경로로 동시에 흩어지도록 했다. 양쪽 경로로 균일하게 보내지는 액체방울에는 주기운동이 나타나지 않았다. 그런데 액체방울 생성장치를 바꿔 하나씩 액체방울을 생성하자 수 분 뒤에 신기하게도 다시 주기운동이 나타났다. 이로써 연구진은 이전의 네트워크 환경과 상관 없이 자발적으로 주기운동이 생긴다는 결론을 얻었다.

이번 실험은 미세유체 시스템을 이용해 모세혈관 주기운동의 실마리를 찾았다는 데 의미가 있다. 덴마크 의사인 아우구스트 크로그가 모세혈관의 주기운동을 발견해 1920년 노벨생리의학상을 수상했으나 그 원리는 아직까지도 정확하게 밝혀지지 않았다.

올게르 시불스키 연구위원은 “지름 6~7μm(마이크로미터)인 모세혈관에는 지름이 6μm인 적혈구가 관에 꼭 맞게 이동한다”며 “마이크로미터 크기 지름의 미세한 관 위에서 각종 시료를 처리할 수 있는 미세유체 네트워크 전체에서 나타나는 주기운동이 모세혈관 주기운동을 만들어낸다고 추정하는 이유”라고 말했다.

그는 “미세유체 네트워크는 모세혈관, 잎맥 등 생명체에서 중요한 역할을 한다”며 “여기에서 발생하는 주기운동을 이해하는 것은 모세혈관을 물리적으로 이해하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 피직스’에 23일 게재됐다.

dsun@heraldcorp.com