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핵심내용

DNA 기반의 나노입자 이동시키는 브라운 모터 설계

□ 나노 규모의 초미세 공간에서 작동하는 동력기관의 개발 가능성이 열렸다. 김준수 교수(이화여자대학교) 연구팀이 DNA 기반의 ‘브라운 모터*’를 개발해 나노입자의 움직임을 제어해냈다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
   * 브라운 모터(브라운 래칫) : 비평형 상태의 미세입자를 일정한 방향으로 이동시키는 동력장치

□ 나노디바이스 및 나노머신을 개발하려는 연구가 활발히 진행되지만, 나노스케일의 초미세 공간에서 분자들을 원하는 곳에 선택적으로 이동시키는 것이 불가능해 난항을 겪고 있다. 나노 크기의 분자들은 용액 속에서 다른 용매들과 충돌하면서 방향성 없이 움직이는 ‘브라운 운동’을 하기 때문이다.

□ 연구팀은 브라운 운동을 제어하여 나노입자를 특정 방향으로 이동시키는 브라운 모터를 개발했다. 나노입자가 DNA를 따라 한쪽 방향으로 이동하도록 DNA를 설계하고, 이론 및 계산화학 연구로 증명했다.

 ㅇ 음전하의 DNA와 양전하의 나노입자는 정전기적 인력으로 결합한다. 이 때 DNA 구조가 유연할수록 나노입자와의 결합에너지가 낮고 결합하기 쉽다. 따라서 나노입자는 DNA의 유연한 부분을 향해 이동한다는 것이 확인됐다.

 ㅇ 연구팀은 이 원리를 이용해 DNA의 유연성이 점진적으로 증가하는 구조가 반복되도록 합성했다. 그리고 주변 이온의 농도를 급격히 증가, 감소시키기를 반복했다. DNA와 나노입자의 결합에너지가 끊임없이 변화하면서 나노입자가 한쪽으로 이동하는 것이 증명되었다.

□ 김준수 교수는 “이 연구는 초미세 공간에서 DNA에 결합한 나노입자를 원하는 방향으로 이동시키는 나노스케일 브라운 모터의 설계 및 개발 가능성을 증명한 것이다”라며, ”선택적으로 분자의 위치를 제어할 수 있는 나노디바이스 및 나노응용기술의 개발에 적용될 것으로 기대된다“라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 교육부·한국연구재단 기초연구사업(기본연구)의 지원으로 수행되었다. 세계적 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 4월 6일(한국시간) 게재되었다.

상세내용

 □ 논문명, 저자정보

논문명
In silico construction of a flexibility-based DNA Brownian ratchet for directional nanoparticle delivery

저  자
김준수 교수(교신저자, 이화여대), 박수현(제1저자, 이화여대),
송정은(제2저자, 이화여대)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성

  ○ 생물체의 세포 내에는 키네신과 같은 모터 단백질들이 미세소관 위를 움직이면서 적절한 물질들을 필요한 장소에 전달해 줌으로써 복잡한 생화학 반응 네트워크를 구현하는데 기여한다. 만일 새로운 물질을 합성하거나 에너지를 생성하는 인공적인 미세 공간에서도 입자들의 위치나 방향을 임의로 조절할 수 있다면 여러 가지 유용한 반응의 속도 및 효율을 증대시키는데 큰 기여를 할 수 있을 것이다. 하지만 나노스케일의 분자들은 용액 상에 존재하는 용매들과의 충돌로 인해 방향성 없는 브라운 운동을 하기 때문에 분자들을 원하는 곳에 선택적으로 이동시키는 것이 불가능하다. 그렇다면 미세 크기의 입자들을 어떻게 특정 방향이나 위치로 이동시킬 수 있을까? 

  ○ 최근 비평형상태의 미세 입자들을 일정한 방향으로 이동시킬 수 있는 브라운 모터(브라운 래칫)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 브라운 모터 연구에서는 반복적인 비대칭 에너지를 가지는 환경에 입자가 존재할 때 주기적으로 비대칭 에너지를 끄고 켬을 반복함으로써 비평형 상태의 입자를 특정 방향으로 이동시키는 것이 가능하다는 것을 제안하고 있다. 실제 이러한 아이디어를 기반으로 수백 나노미터 이상 크기의 콜로이드 입자들을 선택적으로 특정 방향으로 이동시키는 것이 가능하다는 것이 실험적으로 증명되었다. 하지만 이들 콜로이드 입자들보다 훨씬 작은 나노미터 크기를 가지는 분자들의 경우 분자들에 영향을 미치는 비대칭 에너지 환경을 만드는 것이 매우 어렵기 때문에 나노스케일 분자를 이동시키는 브라운 모터의 개발은 매우 어려운 상황이다.

 2. 연구내용

  ○ 이 연구에서는 이중가닥 DNA의 염기서열에 따른 유연성의 차이를 이용하여 DNA와 결합하는 나노미터 규모의 입자를 DNA 위에서 일정 방향으로 제어할 수 있는 새로운 브라운 모터의 개발을 제안했으며, 이론 및 계산화학 분자 모델의 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 이를 증명하였다.

  ○ 브라운 모터의 개발을 위해서는 입자들이 영향을 받는 반복적인 비대칭 에너지 환경을 만드는 것과 주기적으로 비대칭 에너지 환경을 끄고 켬을 반복하여 입자들의 비평형상태를 구현하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 나노입자들이 영향을 받는 반복적인 비대칭 에너지 환경을 만들기 위해 이중가닥 DNA의 염기서열에 따른 유연성 차이를 이용하였다. 염기들을 적절히 배열하여 유연성이 점진적으로 증가하는 짧은 길이의 이중가닥 DNA를 반복적으로 합성함으로써 반복적으로 유연성이 증가하는 길이가 긴 DNA를 합성할 수 있다. 일반적인 버퍼 용액에서는 양전하를 띠는 나노입자와 음전하를 띠는 이중가닥 DNA의 정전기적 상호인력이 매우 강하게 작용하여 DNA가 나노미터 크기의 입자를 1.5 바퀴 이상 휘어감는 복합체 구조를 형성하게 된다. 이 때 DNA 염기들이 매우 급하게 꺾이기 때문에 DNA 의 유연성이 증가할 수록 나노입자와 DNA 의 결합 에너지는 점진적으로 낮아지게 되고 따라서 DNA 위에서 반복적인 비대칭 결합에너지 환경을 형성하게 된다.

  ○ 길이가 긴 DNA 위에서 나노입자를 지속적으로 일정 방향으로 움직이기 위한 두번째 조건은 비대칭 에너지 환경을 끄고 켬을 반복함으로써 입자들의 비평형상태를 구현하는 것이다. 이 연구에서는 용액에 존재하는 이온 농도를 주기적으로 높이고 낮춤으로써 나노입자들의 비평형 상태를 구현하고 나노입자를 일정 방향으로 이동시킬 수 있음을 제안하였다. 이온 농도가 낮을 때는 나노입자가 DNA에 휘감긴 상태에서 나노입자와 DNA의 결합에너지가 가장 낮은 DNA의 가장 유연한 부분으로 이동하게 된다. 이온 농도를 급격히 증가시키면 나노입자와 DNA의 정전기적 상호인력이 현격히 감소하여 DNA 구조가 펴지게 되고 결합에너지의 비대칭성이 소멸되어 나노입자는 브라운 운동을 통해 DNA 위의 양쪽 방향으로 자유롭게 이동한다. 이처럼 용액의 농도를 높이고 낮추고 반복하게 되면 DNA에 결합한 나노입자는 비대칭 결합에너지가 낮아지는 방향으로 반복적으로 이동하게 된다.

  3. 연구성과/기대효과

  ○ 이 연구에서는 이중가닥 DNA의 염기서열에 따른 유연성 차이를 활용해 나노입자의 운동을 제어하는 새로운 브라운 모터의 개발을 제안하였으며 이론 및 계산화학 분자 모델의 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 이를 증명하였다. 앞으로 여러 도전적인 실험 연구자들의 노력을 통해 DNA에 기반한 브라운 모터가 실제적으로 구현될 것으로 기대한다.

  ○ DNA를 활용한 새로운 브라운 모터는 기존의 브라운 모터의 제어 가능한 입자의 크기 한계를 극복하고 나노미터 크기의 분자 제어를 가능하게 할 수 있다는 면에서 매우 획기적이라 할 수 있으며 앞으로의 나노과학기술의 발전에 크게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이중가닥 DNA의 구조를 조절함으로써 DNA 위에서 나노입자의 이동 경로를 설정할 수 있게 되어 나노디바이스 위의 특정 경로를 따라 나노입자를 정밀하게 이동시키는데 활용될 수 있을 것이다.

  ○ 최근 눈부시게 발전하고 있는 DNA 나노과학기술에서는  주로 DNA 염기의 서열에 따른 상보적 결합을 활용하여 다양한 나노구조체를 합성해 왔다. 하지만 이 연구에서는 새로운 브라운 모터의 비대칭 에너지 환경을 설계하기 위해서 DNA 염기의 상보적 결합이 아닌 DNA 분자의 염기서열에 따른 미세한 유연성 차이에 주목하였다. 현재까지 이중가닥 DNA의 염기에 따른 유연성 차이를 활용한 실험 사례는 거의 보고된 바가 없으며, 이는 DNA 나노과학기술의 발전에 기여하는 새로운 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

...................(계속)

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