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나노입자 원하는 곳으로...DNA 이용 초미세 이동 기술 개발

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2019년 04월 07일 12:31 프린트하기

브라운모터를 개발한 김준수 이화여대 화학나노과학과 교수(왼쪽)와 제1저자 박수현 미국 조지아공대 연구원, 제2저자 송정은 이화여대 연구원. 사진제공 한국연구재단
브라운모터를 개발한 김준수 이화여대 화학나노과학과 교수(왼쪽)와 제1저자 박수현 미국 조지아공대 연구원(연구 당시 이화여대 연구원), 제2저자 송정은 이화여대 연구원. 사진제공 한국연구재단

국내 연구팀이 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 수준의 초미세 공간에서 나노 입자의 움직임을 일정한 방향으로 제어하는 데 성공했다. 그 동안 어려움을 겪던 초미세 동력기관 개발에 돌파구가 열릴지 기대된다.


김준수 이화여대 화학나노과학과 교수와 박수현 연구원(현 미국 조지아공대 연구원), 송정은 연구원팀은 나노미터 수준의 작은 공간에서 용액 속 분자를 원하는 방향으로 움직이도록 통제하는 ‘브라운모터’를 생체분자인 DNA를 이용해 개발하는 데 성공해 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 6일자에 발표했다.


브라운모터는 나노 세계의 입자를 주름잡는 운동인 ‘브라운운동’을 극복한 입자 이동 기술이다. 나노 크기의 분자는 액체 속에서 다른 액체 입자들과 끊임없이 충돌하며 방향성 없이 마구잡이로 움직인다. 이를 브라운 운동을 한다. 인파가 가득한 운동장에서 아이가 길을 잃으면 제대로 길을 찾지 못하고 사람들 사이를 불규칙하게 헤맬 수밖에 없는 것과 같다.


브라운운동은 워낙 강력해 수 나노 크기의 초미시 세계의 입자들은 이를 거부할 수 없다. 지금까지 수백 nm의 ‘큰’ 입자를 제외하고, 나노 입자를 브라운운동을 이기고 원하는 방향으로 통제하는 방법이 나오지 않은 이유다. 이는 나노 세계에서 작동하는 동력기구를 개발하는 연구자에게는 큰 걸림돌이었다.


김 교수팀은 생체에서 아이디어를 얻어 브라운모터를 개발했다. 세포 안에 존재하는 ‘모터 단백질’인 키네신은 미세소관이라는 역시 단백질로 된 긴 줄 위를 마치 컨베이어벨트처럼 오가며, 물질을 필요한 장소에 전달한다. 


김 교수팀은 또다른 생체물질인 DNA를 비슷한 방법으로 이용해 이 문제를 해결했다. 연구팀은 DNA가 전기적으로 음(-)의 성질(음전하)를 띤다는 사실에 주목했다. 양(+)전하를 띤 나노입자를 끌어당길 수 있기 때문이다. 연구팀은 DNA와 나노입자 사이의 정전기를 세밀하게 조절하면 입자를 원하는 방향으로 끌어당길 수 있다고 보고 계산을 통해 DNA가 나노입자를 잘 끌어당기는 조건을 알아냈다. 

 

연구팀은 DNA에 유연성이 증가하는 구간을 반복 합성했다. 유연성이 증가하면 나노입자와의 결합력이 높아졌다(결합에너지 감소). 이를 이용하면 유연성이 증가하는 방향으로 입자를 이동시킬 수 있다. 이 때 용액의 이온 농도도 반복 조정해 DNA 반복 구간 사이의 입자 이동도 돕도록 했다. 사진제공 한국연구재단
연구팀은 DNA에 유연성이 증가하는 구간을 반복 합성했다. 유연성이 증가하면 나노입자와의 결합력이 높아졌다(결합에너지 감소). 이를 이용하면 유연성이 증가하는 방향으로 입자를 이동시킬 수 있다. 이 때 용액의 이온 농도도 반복 조정해 DNA 반복 구간 사이의 입자 이동도 돕도록 했다. 사진제공 한국연구재단

그 결과 특이하게도 DNA가 유연할수록 양전하의 나노입자와 결합하기 쉬우며, 따라서 나노입자가 DNA의 유연한 부분을 향해 이동하는 특징이 있음을 밝혔다. 연구팀은 이 사실을 응용해 위치에 따라 유연성과 결합력이 점점 증가하도록 염기 384개를 연달아 이어 DNA를 새롭게 합성해 나노입자가 그 방향으로 이동하도록 하는 데 성공했다. 


연구팀은 이런 DNA 구간을 여러 번 반복해 만들어 이동 구간도 길게 확장했다. 이 때 문제는 이동구간 사이에는 결합력이 반대로 형성돼 마치 벽에 막힌 듯 나노입자가 이동하지 못한다는 점이었다. 연구팀은 용액 속 이온의 농도를 급격히 증가시키거나 감소시키는 과정을 반복하는 방법을 추가로 이용해 DNA와 나노입자의 결합력을 계속 변화시켜 반복 구간 사이에서도 입자가 이동하게 했다.


이번 연구는 DNA를 이용한 여러 연구에서 흔히 쓰이는 DNA 염기 사이의 상보적 결합이 아닌, 이중가닥 DNA 자체의 유연성과 외부 전기적 성질을 활용한 점이 독특하다. 연구팀은 “DNA 나노과학기술의 발전에 기여할 새로운 도구로 활용할 수 있을 것”이라고 기대했다. 


김 교수는 “초미세 공간에서 DNA에 결합한 나노입자를 원하는 방향으로 이동시키는 나노 크기의 브라운모터를 설계하고 개발할 가능성을 증명했다”며 ”분자의 위치를 원하는 대로 제어할 수 있는 나노디바이스 및 나노응용기술을 개발할 때 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
 

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