레고블록처럼...인공DNA로 만든 3D 나노구조물

미국 연구팀, 지난 5월 2차원 DNA구조물 이어 이번엔 3차원구조물 시연

작은 DNA블록 이용 나노구조 제작 단순화…“앞으로 응용연구 활발할 듯”   

아래 상자 기사: 전문가 해설, 박성하 성균관대 교수


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는 짝을 찾아 스스로 결합하는 디엔에이(DNA)의 ‘자기조립’ 성질을 이용해, 디엔에이 조각들로 3차원 나노 구조물을 조립, 제작하는 새로운 기술이 선보였다. 올해 5월에 비슷한 기법을 써서 평면의 2차원 나노 구조물을 만들었던 미국 하버드대학의 같은 연구팀이 이번엔 3차원의 나노 구조물을 만든 것이다.


하버드대학 위스연구소(Wyss Institute)의 펭인(Peng Yin) 교수 연구팀은 최근 32개 염기 크기의 디엔에이 외가닥 조각을 마치 레고블록처럼 사용해 정육면체, 기둥, 터널, 볼트 같은 여러 모양의 102가지 입체 형상을 만드는 데 성공해 최근 발표했다. 이 연구결과는 과학저널 <사이언스>에 표지 논문("디엔에이 조각으로 자기조립된 3차원 구조물")으로 실렸다.

▶ DNA 자기조립의 원리

00DNA5.jpg생명과학자의 눈으로 보면 디옥시리보핵산(DNA)은 유전 정보를 담은 생명의 기본 물질이지만, 나노과학자의 눈으로 보면 자연의 훌륭한 자기조립 물질이기도 하다. 디엔에이의 자기조립 성질을 이용해 나노 구조물을 만들려는 시도는 ‘디엔에이 나노기술’ 분야에서 지난 20년 가량 이어져 왔다. 기본 원리는 이렇다. 디엔에이를 이루는 염기인 아데닌(A)은 티민(T)과, 구아닌(G)은 시토신(C)과 서로 붙는 이른바 ‘디엔에이 상보성’이라는 성질을 지니는데, 이를 이용해 염기 배열을 미리 특정한 방식으로 설계한 합성 디엔에이 외가닥들을 만들어 섞으면, 특정한 짝과 특정한 부위에서 달라붙어 특정한 나노 형상이 만들어진다는 것이다. 나노 조립에는 디엔이 합성 기술로 만든 인공 디엔에이가 사용되며 이런 디엔에이는 아주 짧아 생명 기능을 하는 유전자 정보를 담지는 못한다.

펭인 교수 연구팀은 5월 말에도 42개 염기 크기의 디엔에이 가닥들의 자기조립 성질을 이용해 알파벳, 기호, 숫자 같은 107가지 평면 구조물을 만들어 과학저널 <네이처>에 발표한 바 있다(사이언스온 5월31일치, “합성DNA 조립해 글자와 이모티콘을 그리다”, 위 상자 안 그림). 당시에는 디엔에이 가닥을 '타일'처럼 사용해 2차원 평면에 형상을 구현했다면 이번엔 '레고블록'처럼 사용해 3차원 입체 구조물을 만들었다는 점이 다르다. “이런 기술 진보는 디엔에이 조각으로 편평한 벽면을 만들던 데에서 나아가 이제는 집을 세울 수 있게 된 것"과 같다는 것이다(위스연구소 보도자료). 또한 당시에는 42개 염기 크기의 가닥을 썼으나 이번에는 그 크기를 32개 염기로 줄여, 디엔에이 조각의 단위를 훨씬 단순화했다. 

 

아래 동영상들은 미리 염기서열이 설계된 디엔에이 외가닥 조각들이 다른 조각들과 선택적으로 결합하는 자기조립의 과정을 거쳐 어떻게 나노 구조물을 형성하는지 보여준다. 위 동영상은 그 과정을 레고블록에 직접 비유해 보여주며, 아래 동영상은 춤을 추는 듯이 요동을 치는 디엔에이 조각들이 점차 결합하며 구조물을 만드는 과정을 좀 더 현실감 있게 표현했다 (출처/ 하버드대학 위스연구소, Wyss Institute).

 



 

엔에이 가닥 조각을 3차원 레고블록처럼 활용하기 위해서, 연구팀은 32개 염기 크기의 디엔에이 조각 2개가 90도 각도를 이루며 서로 엇갈려 결합할 수 있도록 설계했다. 이렇게 정해진 자리에서 결합하도록 미리 설계된 갖가지 종류의 무수한 디엔에이 외가닥 조각들을 용액에 넣어주면, 자기조립 성질을 지닌 디엔에이 조각들은 자기 짝과 만날 때 결합하는데, 이런 과정을 무수히 거치면서 점차 커다란 나노 구조물로 성장한다(아래 그림들 참조). 가로, 세로, 높이 10개씩, 즉 32개 염기 크기의 조각단위 1000개가 결합하면 커다란 정육면체 구조물이 만들어진다. 연구팀은 이것을 '기본 모형'으로 삼아 ‘분자 캔버스(molecular canvass)’라는 이름을 붙였다. 기본 모형의 크기는 매우 작은 바이러스의 크기에 견줄 정도인 25나노미터에 불과했다.  

 

연구팀은 이 '분자 캔버스'를 이루는 1000개의 디엔에이 조각들 중에서, 특정한 형상을 만드는 데 필요하지 않은 부분만을 설계와 조립 과정에서 선택적으로 빼는 방식으로 여러 가지 다양한 형상을 구현할 수 있었다.

00DNA4.jpg » (A) 32개 염기로 이뤄진 디엔에이 조각이 조립의 단위가 된다. 조각단위는 다른 조각과 달라붙을 수 있는 4개 영역으로 구성된다. (B) 2개의 디엔에이 조각단위가 90도 각도로 엇갈려 결합한다. (C) 이런 식의 결합이 반복되면 커다란 구조물이 형성된다. 출처/ Science, Wyss Institute 00DNA3.jpg » (D) 여러 디엔에이 조각단위들이 결합해 커다란 구조물을 형성한다. (F) 가로, 세로, 높이 10개씩, 즉 1000개의 디엔에이 조각단위로 이뤄진 3차원 분자 캔버스를 기본 모형으로 삼아서 필요하지 않은 부분을 설계와 조립 단계에서 없애면 갖가지 3차원 형상을 만들 수 있다. 출처/ Science, Wyss Institute 00DNA1.jpg » 왼쪽은 컴퓨터로 제작한 3차원 모형 그림, 오른쪽은 디엔에이 가닥들의 자기조립으로 만들어진 나노 구조물을 현미경으로 본 영상. 1000개의 디엔에이 조각들(각 32개 염기 크기)로 이뤄진 기본 모형에서, 만들려는 형상에 필요하지 않은 부분의 디엔에이 가닥들을 선택적으로 뺌으로써 연구자들은 102가지 입체 구조물을 만들어냈다. 이런 구조물은 의료, 나노기술, 전자공학 등에 응용될 수 있을 것으로 내다본다. 출처/ 하버드대학 위스연구소, Wyss Institute

인 교수 연구팀의 디엔에이 자기조립 기법은 매우 짧은 디엔에이 가닥을 기본단위(모듈)로 삼아서 큰 구조물을 만드는 방식이기 때문에, 긴 디엔에이 가닥을 기본 틀로 삼아서 여기에 다른 디엔에이 가닥들을 붙이는 기존 방식에 비해 자기조립 과정이 훨씬 단순하며 또한 모듈 설계를 바꾸어 간편하게 다른 모양을 만들 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다.

 

디엔에이 나노기술을 연구하는 박성하 성균관대 교수는 “펭인 연구팀은 디엔에이의 긴 가닥을 이용하던 이전의 기법을 크게 개선해 매우 짧은 가닥과 단순화한 방법으로 2차원, 3차원 구조를 만드는 데 성공한 것”이라며 “디엔에이 나노 구조물을 만드는 기법을 일반화함으로써 앞으로는 이를 활용하는 여러 응용연구가 활발해질 것으로 보인다”고 내다봤다. 이 분야의 연구자들은 디엔에이 나노 구조물들이 약물을 인체의 목표 지점에 정확하게 전달하는 약물 전달체로 개발되거나, 무기물을 정밀하게 배열하는 도핑의 주형으로 사용돼 차세대 컴퓨터 칩 회로를 만드는 데에도 쓰일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 여러 센서에도 응용될 수 있으리는 기대도 있다.


연구자의 과학 해설

- 박성하 성균관대 교수(물리학)

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다음은 국내에서 디엔에이 나노기술 분야에서 연구하는 박성하 성균관대 교수(물리학, 아래 사진)가 전하는 이 분야의 연구 동향과 이번 연구결과의 의미이다. 박 교수와 이메일과 전화통화로 일문일답 인터뷰를 했다.



사이언스온

왜 디엔에이로 나노 구조물을 만들려는 건가요? 디엔에이 분자의 어떤 특성이 나노 조립에서 이점이 되는 것인지요?


박성하 교수

디엔에이 나노기술은 디엔에이가 지닌 자기조립 기능(와슨-크릭의 상보성으로 잘 알려져 있는데 염기쌍(A-T, C-G)끼리 수소결합이 일어나는 성질)을 이용합니다. 염기의 서열을 어떻게 배열하는가에 따라 마이크론 크기의 구조를 제작하는 기술이며, 나노미터의 정확성으로 만들고자 하는 구조물의 크기를 제어할 수 있는 첨단 과학기술입니다.

  이를 통해 디엔에이 나노 구조물의 제작이 가능한데 초기 염기서열의 설계 방법에 따라 형태적으로는 선형, 평면 및 입체 구조물로의 조립이 가능합니다. 레고블록과 유사한데, 디엔에이 분자로 레고블록을 만들고, 서로 끼워지는 부분을 상보성 결합이 일어나는 염기쌍으로 배열해, 각기 끼워지는 부분을 달리함으로써 최종적으로 우리가 원하는 나노구조물의 형태를 만드는 것입니다.


 

사이언스온

염기의 배열을 미리 설계해 만들어둔 디엔에이 조각들을 어떤 용액 속에 넣어두면 설계된 구조물이 저절로 만들어진다는 말씀이신지요? 어떤 용액에 넣는지요?

 

박성하

00PSH.JPG맞습니다. 설계를 하기 위해서는 디엔에이 나선 구조의 기하학적인 형태를 잘 알아야 합니다. 나선이 한 바퀴 회전하는 데에는 10개 정도의 염기쌍이 필요하고, 나선형 원통의 지름은 2 나노미터, 염기쌍 간의 간격은 0.34 나노미터 정도인 것을 알아야 합니다. 이를 바탕으로 빌딩블록(building block)을 만들기 위한 염기 배열을 설계하고, 마지막으로 여러 가지 빌딩블록을 어떻게 연결할지도 염기서열의 설계에 반영되어야 합니다. 예를 들어 4개 가닥을 잘 조합하면 직사각형 모양의 디엔에이 빌딩블록을 만들수 있는데 이러한 4개 종류의 가닥을 넣어두면 이들끼리 직사각형 모양의 빌딩블록을 만들고 이들은 다시, 예를 들어 최종 디자인한 구조인 2차원의 격자 구조물을 만듭니다.

  사용하는 용액은 물입니다. 물 안에는 pH를 중성으로 만들기 위한 소량의 화합물과, 수소결합이 일어나도록 양의 전하를 지닌 금속성 이온이 들어 있습니다. 디엔에이 분자는 음의 전하를 지녀 양 전하가 없으면 서로 척력이 작용하여 가닥끼리 수소결합이 일어나는 것을 방해합니다.         



사이언스온

생명유전 물질인 디엔에이를 어떤 구조물을 만든는 재료로 사용하다니 꼭 그래야 하는 건지 모르겠다는 시선도 있습니다. 인체나 환경에 해롭지는 않을까요?


박성하

인체에는 전혀 해롭지 않습니다. 옛날에는 박테리아에서 긴 디엔에이 가닥을 추출하여 각각의 염기를 끊어서 원하는 염기서열로 조합해 사용하였는데 현재는 인위적으로 화학물질로 만들어 사용합니다. 물론 성분은 생명체에 있는 디엔에이 성분과 같습니다만 [화학물질로 합성해 만드는 것이니] 인조 디엔에이 정도로 생각하시면 됩니다. 디엔에이 분자가 생물학적인 관점에서는 생물의 유전정보를 제공하는 물질이지만, 재료적인 관점에서는 나노 구조물을 만들기 위한 물질로 여겨지는 것입니다.  



사이언스온

디엔에이는 열에도 약하다고 들었는데, 이런 디엔에이 구조물은 쉽게 흐트러질 수 있는 것은 아닌지요?


박성하

가장 많이 듣는 질문입니다. 맞습니다. 디엔에이 구조물은 수소결합으로 형성되는데 수소결합은 다른 결합력에 비해 상대적으로 약합니다. 디엔에이의 농도, 단일 빌딩블록의 크기 등에 따라서 온도가 약간씩 차이가 나지만 보통 섭씨 40~60도 온도에서 구조물이 풀어지고 그 이상의 온도에서는 단일 가닥 형태로 대부분 존재합니다. 하지만 구조물을 표면에 부착하면 고유한 기능성(전기전도도, 자기성, 광학적 특성 등)은 그대로 유지하면서 상대적으로 높은 온도(섭씨 60도 이상)에서도 구조의 형태를 유지하기 때문에 실온에서 구동하는 응용 연구에는 충분히 사용 가능합니다. 

 


사이언스온

디엔에이 나노 구조물을 만들어서 대체 어디에 쓸 수 있는 건지요? 실제로 유익하게 응용할 수 있는 분야가 있는지요?


박성하

디엔에이 구조물의 응용 예는 상당히 많습니다. 디엔에이 구조물을 집게처럼 오무렸다 펴지는 기계소자로 활용하는 데 쓰거나, 디엔에이 나노 구조물에 각종 기능성 나노 입자나 이온을 접착시켜 나노 전자기 소자 또는 나노 바이오센서를 제작할 수도 있습니다. 또한 디엔에이는 원래 모든 생명체의 정보 저장소이기 때문에, 이를 이용하여 디엔에이 가닥에 인위적인 정보를 입력함으로써 논리알고리듬을 이용한 다양한 패턴 제작도 가능합니다. 다시 말하면 디엔에이 빌딩블록이 하나의 논리연산자(AND, OR, NOT 등과 같은)로서 역할을 수행할 수 있고 다른 디엔에이 빌딩블록과 어떻게 연결되느냐에 따라서 논리연산에 따른 최종값의 디엔에이 구조물 패턴을 얻을 수 있는 것입니다.   

  또한 유기태양전지의 유기층 중간에 2차원 디엔에이 격자 구조물을 넣으면 디엔에이 구조물이 전자 흐름을 한 방향으로만 흐르게 하는 역할을 하기 때문에 유기태양전지의 효율성을 높일수 있습니다. 그리고 일본 대지진으로 인한 방사능 오염이 심각한데, 이를 실시간 감지할 수 있는 센서도 제작이 가능합니다. 유리 기판 위에 디엔에이 구조물을 성장시킨 뒤 방사능 물질에 노출시키면 아주 작은 양에도 디엔에이 구조물의 변화를 관측할 수 있습니다. 이는 초고감도 방사능 물질 감지 센서의 예입니다.  


사이언스온

하버드대학 펭인 교수 연구팀의 이번 연구결과는 어떤 의미를 지닌다고 보시는지요?


박성하

디엔에이 나노기술의 가능성은 1982년 미국 화학자 네드 시만 교수(Ned Seeman, 뉴욕대학)에 의해 처음 제안되었습니다. 이 분야는 새로운 구조물을 만드는 연구, 구조물을 만들기 위한 방법론의 연구, 그리고 이런 구조물을 이용한 응용 연구로 나눌수 있습니다.

  1998년 앞에서 말씀드린 레고블록처럼 빌딩블록을 기반으로 한 디엔에이 나노 구조물의 제작 연구가 에릭 윈프리 교수(칼텍)와 네드 시만 교수에 의해 실험적으로 처음 구현되었으며, 이어 2006년 폴 루터문드 교수(칼텍)가 '오리가미(origami)' 방법('종이접기' 방식으로 8000개 정도의 염기를 지닌 디엔에이 가닥을 이리저리 접고 그것을 고정할 250여 개의 짧은 디엔에이 가닥을 넣어줌으로써 원하는 구조물을 만듦)을 개발했습니다.

  최근 논문은 펭인 교수가 오리가미 방법을 확장해 폴 루터문드 교수가 사용했던 긴 가닥의 방식 대신에 짧은 가닥만으로 2차원과 3차원 구조를 만드는데 성공했음을 보여주는 것입니다. 이는 긴 가닥을 사용함으로써 생기는 디자인 측면의 복잡함을 최소화하면서 동시에 어떠한 구조물도 일반화해 만들수 있음을 보여준 것입니다.

  쉽게 설명하면 모눈종이 위의 자그마한 정사각형 공간 하나가 하나의 짧은 디엔에이 가닥이라고 생각하시면 됩니다. 이는 작은 정사각형 픽셀 안을 사인펜으로 색칠하며 채워 나가면서 원하는 큰 그림이나 형태를 만들 수 있는 것처럼 그런 과정을 디엔에이로 구현한 것입니다. 다시 말하면 모눈종이의 정사각형 픽셀의 숫자가 많으면 많을수록 다양한 형태의 그림을 그릴 수 있습니다. 이를 확장하여 많은 수의 정육면체를 공간에 채우고 원하는 것만 남겨두는 식으로 설계하고 자기조립 과정을 거치면 3차원 구조물도 만들 수 있음을 디엔에이를 이용하여 실험적으로 구현하고 상당부분 일반화(이를 바탕으로 원하는 모든 1, 2, 3차원의 구조물을 만들 수 있음)를 한 것에 상당한 의의가 있습니다.   



사이언스온

이처럼 디엔에이 분자를 이용해 구조물을 만들려는 연구는 현재 어느 방향으로 나아가고 있는지요?


박성하

앞에서도 말씀드린 바와 같이 디엔에이 나노기술은 새로운 구조물 제작 및 방법론 연구, 그리고 이러한 구조물을 이용한 응용연구로 나눌수 있습니다. 이제부터는 상당부분 디엔에이를 이용한 응용 연구를 진행하리라 봅니다. 예를 들어 디엔에이 구조물에 구리 이온을 도핑하면 자성체의 성질을 띠는 스핀 소자를 만들 수 있습니다. 이러한 디엔에이 박막 구조에 여러 금속성 이온의 농도를 도핑하면 에너지 밴드의 조절이 가능하고, 그래서 디엔에이 트랜지스트 또는 발광소자를 만들 수 있는 여지가 있습니다. 물리소자뿐 아니라 화학, 생물학, 의학 분야의 센서 제작도 가능하리 예상됩니다.



사이언스온

교수님을 비롯해 국내 연구자들의 관련 연구는 어떤 방향으로 나아가고 있는지요?


박성하

국내에서는 생물학과 생화학에서 연계되는 기초과학 분야, 생명공학, 유전공학 관련 공학 분야 및 의학 분야 연구에서 디엔에이 분자 구조, 디엔에이 물성 연구 등의 다양한 연구가 활발히 수행되고 있습니다. 그러나 디엔에이를 이용한 나노 구조물 제작과 응용 연구는 아직 연구 수행이 활발하게 이루어지지 않고 있습니다. 따라서 앞으로 디엔에이 나노 구조물의 응용 연구가 활발해지려면 먼저 디엔에이 구조물 제작의 메커니즘 연구 분야가 활성화해야 하지 않을까 생각합니다. 이를 바탕으로 디엔에이 나노기술은 다른 학문과의 접목을 통한 새로운 연구 영역 개발에 교량적인 역할을 할 것으로 보이며, 이런 연구 결과들은 바이오·나노 기술융합 분야에서 새로운 학문 연구의 패러다임을 제공할 것으로 기대됩니다.

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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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