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종이접기 하듯이 하나의 구조체를 다양한 모양으로 접거나 펼 수 있는 디엔에이(DNA) 나노기술 개발

나노크기에서 디엔에이(DNA)를 이용한 종이접기 구현(네이처지 표지논문 게재)

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 서울대학교 기계공학부 김도년 교수 연구팀이 종이접기 작동 원리에 착안하여 하나의 구조체를 다양한 모양으로 접거나 펼 수 있는 디엔에이(DNA) 나노기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 과학난제도전 융합연구개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구의 성과는 국제학술지 「네이처(Nature, IF 69.504)」의 표지논문으로 7월 6일(현지시간 7.5.(수) 16시, GMT+1)에 게재*되었다.

* 논문명: Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami

외부 자극에 의한 형상 변화를 통해 특정 기능의 발현을 제어할 수 있는 기능성 나노구조체는 약물전달, 분자진단 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 활발한 연구가 이루어져 왔다. 특히, 디엔에이(DNA) 나노기술은 자기조립 성질을 이용하여 원하는 형상과 물성을 가지는 구조체를 높은 정밀도로 제작할 수 있어 기능성 나노구조체 개발을 위한 차세대 기술로 큰 관심을 받고 있다.

기존의 연구에서는 디엔에이(DNA) 나노구조체에 경첩이나 관절과 유사한 기계적인 요소를 도입하여 움직이거나 변형이 가능한 구조체의 개발이 이루어져 왔으나, 나노 크기에서 하나의 구조체가 다양한 모양으로 변할 수 있는 다중 변형 작동 원리의 부재로 단순한 변형과 제한적 기능 구현만 가능하였다.

연구팀은 하나의 종이를 다양한 모양으로 접을 수 있는 종이접기 원리에 착안하여, 이러한 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 새로운 방법을 제안하였다. 우선, 종이접기 형태에 따라 디엔에이(DNA)를 배열하여 종이처럼 접을 수 있는 2차원 격자 형태의 구조를 만들고, 이를 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이(wireframe paper)로 명명하였다. 이러한 구조에 대해 원하는 부분의 접힘과 펼침을 선택적으로 조절하여 다양한 형상의 변화를 구현하는 것이 핵심 아이디어이다.

이 때, 접히는 부분의 기계적 강성을 최적화하여 구조적으로 안정하면서도 높은 성공률로 접고 펼 수 있게 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이를 설계하는 것이 연구팀이 개발한 독보적인 기술이다. 얇은 종이를 접는 것은 쉽지만 구조적으로 약해지고, 반대로 두꺼운 종이를 사용하면 접는 것이 어려운 것과 같은 이유 때문이다. 최적화된 구조는 다양한 형태로의 반복적인 접힘과 펼침을 안정적으로 지속할 수 있음을 실험적으로 증명하였다.

디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이는 자극의 종류에 따라 서로 다른 모양으로 접을 수 있는데, 디엔에이(DNA)나 리보핵산(RNA)과 같은 분자의 결합을 이용하거나 산염기(pH)나 빛과 같은 환경 변화를 통해 제어할 수 있다. 대표적인 예로, 연구팀은 질병과 관련된 마이크로 리보핵산(RNA)의 종류에 따라 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이가 다른 모양으로 접히도록 설계함으로써, 다양한 마이크로 리보핵산(RNA)의 검출이 동시에 가능한 센서로의 활용 가능성을 보여주었다.

본 연구에서 개발된 설계 및 제작 기술은 분자진단을 위한 나노센서, 약물전달을 위한 나노로봇과 같은 나노바이오 분야에서 큰 파급 효과가 있을 것으로 기대된다.

김도년 교수는 “본 연구는 종이접기 기술을 나노크기에서도 적용할 수 있는 가능성을 보여준 연구로, 추후 3차원 구조체의 설계로 기술이 확장, 개발된다면, 기존 단일 자극에 대한 제한적 기능을 가지는 나노구조체의 한계를 뛰어넘어 다양한 자극에 반응해 여러 기능을 수행할 수 있는 다기능성 나노구조체 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.

논문 정보

□ 논문명

○ Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami / Nature

□ 저자

○ 김명석(제1저자), 이찬석, 전경화, 이재영, 김영주, 이재경, 김현수, 조맹효, 김도년(교신저자)

□ 내용 요약

○ 종이접기 기술은 다양한 모양과 강성을 설계할 수 있다는 고유한 기능과 장점으로 인해 다양한 분야에서 변형 및 재구성이 가능한 구조체를 만드는 데 널리 사용되고 있다. 하지만, 나노스케일에서는 적절한 설계 원리 및 구현 방법의 부재로 인해 종이접기와 같은 다채로운 변형 시스템을 개발하기 어려운 한계가 있었다.

○ 본 연구에서는 디엔에이(DNA) 나노기술을 통해 종이접기 기법을 나노스케일에서 구현하여, 다양한 외부 자극에 의해 여러 모양으로 변형이 가능한 나노구조체의 설계 및 제작 기술을 개발하였다. 이를 위해 우선 디엔에이(DNA)를 종이접기의 패턴을 따라 배열하여 다양한 목표 모양으로 접힐 수 있는 2차원 디엔에이(DNA) 와이어프레임 구조체를 설계하였다. 구조체의 특정 부분을 접고 펴는 과정은, 인접한 다른 변에 디엔에이(DNA) 가닥을 돌출시키고, 해당 부위를 접힘 가닥으로 연결하거나 펼침 가닥에 의해 분리하는 방식으로 이루어진다.

○ 접히는 부분의 기계적 강성을 최적화하여 접고 펼치는 과정을 안정적으로 반복할 수 있었고, 접힘 가닥의 종류에 따라 특정한 형태로 만들어지는 직교(orthogonal) 접기 기술 등을 성공적으로 구현하였다. 특히 직교 접기를 활용해 알츠하이머 및 유방암 등의 질병과 연관된 마이크로 리보핵산(RNA) (miRNA)의 선택적 진단이 가능함을 보였다.

○ 디엔에이(DNA)와 리보핵산(RNA) 분자뿐만 아니라, 산염기(pH), 자외선(UV) 및 가시광선(VIS) 등 다양한 환경변화에 따라 접힘과 펼침 과정을 가역적으로 조절할 수 있음을 시연하였으며, 4개의 단위 구조체를 계층적으로 이어붙인 보다 큰 구조를 이용하여 더욱 복잡한 형태의 접힘과 펼침이 가능함을 증명하였다.

○ 본 연구는 나노스케일에서 다양한 종류의 형상 변화를 단일 구조 상에서 직관적이고 효율적으로 설계할 수 있다는 점에서 기존의 다른 설계 방식과는 근본적인 차이점을 갖고 있으며, 이를 활용할 경우 분자 수준에서 물질을 탐지하는 초민감도 센서, 나노스케일에서 동적인 움직임을 구현하는 나노 로보틱스, 물질의 배열 조절을 통한 메타소재 제작, 세포와의 상호작용을 통한 물질전달체 등 나노바이오 기술 다방면에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구 이야기

 <작성 : 서울대학교 이찬석 박사>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?