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BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 22-52

미래의 초소형 기계에 적용 가능한 DNA 나노모터

 ■ 미래의 초소형 기계에 적용 가능한 나노미터 규모의 모터를 개발하기 위한 경쟁이 진행 중

 ○ 반도체 핵심 부품인 트랜지스터가 계속해서 소형화되면서 관련 기술은 지속 발전해왔으나, 실리콘을 기반으로 하는 트랜지스터의 소형화에는 한계가 존재

   - 이러한 한계 극복을 위해 DNA 나노모터 활용에 대한 가능성이 주목받고 있는데, 최근 Nature에는 전기로 구동되고 DNA origami*로 자가 조립된 회전 모터에 관한 논문이 발표**이 발표

   * 전 세계적으로 통용되는 origami(오리가미)는 종이접기라는 일본말로, 2차원의 재료를 접어 3차원의 형상을 만드는 과정을 의미

   ** Nature, A DNA origami rotary ratchet motor, 2022.7.20.

 ○ DNA origami라는 표현은 2006년 Nature에 발표된 논문에서 시작. 미국 캘리포니아공대 컴퓨터과학과 Paul Rothemund 교수는 DNA 가닥으로 2차원의 다양한 형태를 제작한 결과를 발표

   - 이 논문에는 DNA로 만든 정사각형, 별, 웃는 얼굴 등 다양한 나노구조물의 원자힘 현미경 사진이 실려 있음

   ※ 관련 논문 : Nature, Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns, 2006.3.16.

   - 혁명적인 기술이라 할 수 있는 DNA origami 기술은 훨씬 더 크고 복잡한 2차원, 3차원 구조를 형성하는 데 큰 발전을 보임

■ 최근 Nature에 발표된 논문은 전기로 구동되며 3개의 DNA 구조로 조립된 나노 회전모터에 대한 연구성과를 제시

 ○ 최초의 DNA 나노모터는 아니지만 "실제로 측정 가능한 기계적 작업을 수행한 최초의 DNA 나노모터"라고 논문의 저자이자 독일 뮌헨 공과대학 생물물리학자인 Hendrik Dietz 교수는 설명

   - DNA 나노모터의 3가지 구성요소는 DNA origami 기술을 활용하여 스스로 조립되는데, 받침대(pedestal), 플랫폼(platform), 회전팔(rotor arm)로 구성되어 비교적 거대한 모터 구조를 형성

 ○ DNA로 삼각형 플랫폼을 만들고, 플랫폼 중앙에 맞물려있는 받침대는 유리 표면에 부착되도록 하여 받침대 주위에서 회전하는 방식으로 회전팔을 추가

   - 하지만 무작위적인 회전으로 회전팔이 앞뒤로 이동할 수 있어 두 개의 전극을 용액에 담그고 전류를 교대로 흐르게 하여 회전팔이 브라운 래칫(Brownian Ratchet)*으로 알려진 메커니즘을 통해 한 방향으로만 회전하도록 제작

   * 시계 장치의 톱니바퀴와 유사한 래칫(ratchet) 메커니즘은 한 방향으로만 회전할 수 있으며, 단백질 등 세포 내 물질은 브라운 운동의 결과로 계속해서 충격을 주고받는데, 입자가 함께 부딪힐 때 서로에게 에너지 킥(kick)을 줄 수 있음

< DNA 나노모터의 조립과 작동 개념도 >

출처 : Nature, A microscopic electric motor made of DNA, 2022.7.20

 ○ 전기로 구동 가능한 DNA 나노모터는 화학 합성, 약물 전달 등 다양한 영역에서 활용할 수 있으며,

   - 장기적으로 DNA 나노모터와 같은 초소형 모터는 나노 스케일 시스템에서 직접적인 모션과 에너지 통합 프로세스를 유도하는 데 유용하게 적용 가능할 것으로 전망

...................(계속)

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