온도 변화를 기반으로 하는 기존 기술보다 획기적인 시간 단축… DNA 나노구조가 만들어지는 과정 순서대로 확인, 조절할 수 있어
물리학과 윤태영 교수팀이 10분 만에 DNA 나노구조를 만드는 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 지난해 12월 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 게재됐다.
활용 가능성이 큰 DNA 나노구조
DNA 나노구조란 생명체 내 유전물질인 DNA를 접어 만든 수백 ㎚ 크기 구조물을 말한다. 아데닌과 타이민, 구아닌과 사이토신 염기쌍 결합 관계를 이용하면 DNA 나노구조에서 1㎚ 이하의 작은 범위도 조절할 수 있고, 특정 외부 물질을 인식하게 만들 수도 있다. 약물 운반이나 항암치료, 나노로봇 분야 등의 분야에서 DNA 나노구조를 주목하고 있다.
두 DNA가 결합해 나노구조 만들어
DNA 나노구조 제작에는 두 종류의 DNA 단일 가닥이 필요하다. DNA 나노구조는 수천~수만 염기쌍의 긴 뼈대 DNA에 디귿 자 모양의 짧은 스테이플러 DNA를 붙여 만든다. 뼈대 DNA 가닥에는 스테이플러 DNA의 마주 보는 두 가닥과 상보적인 염기서열이 각각 존재한다. 스테이플러 DNA는 상보적인 염기서열과 결합하며 뼈대 DNA를 구부러뜨린다. DNA 나노구조는 뼈대 DNA와 스테이플러 DNA 내 염기서열을 어떻게 정하느냐에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 지금까지 DNA 나노구조에 대한 연구는 제작 기술보다는 주로 나노구조의 모양을 결정하는 디자인 측면에 치중됐다.
온도 변화 이용한 기존의 제작 방식
단일 가닥인 뼈대 DNA는 자체적으로 접히고 꼬여 있는 상태로 존재한다. 따라서 스테이플러 DNA가 결합할 수 있도록 뼈대 DNA의 내부 구조를 풀어 스테이플러 DNA와의 결합부위가 드러나게 해야 한다. 지금까지 DNA 나노구조는 열 반응(Thermal analyzing)을 이용한 오리가미 기술로 만들었다. 높은 온도에서 DNA가 불안정해져 내부 구조가 풀리는 것이 주 원리다. 이 기술은 한 번에 많은 DNA 나노구조를 만들 수 있지만 오랜 시간을 소요한다. 온도를 높게 올렸다가 며칠에 걸쳐 서서히 낮춰야 하기 때문이다.
자기력으로 DNA 내부 구조 제거해
윤 교수팀은 열 대신 물리적 힘을 가해 DNA 나노구조를 만들고자 했다. 이 기술은 DNA에 자기력을 가해 DNA 내부 구조를 제거한다. 우선 뼈대 DNA의 한쪽 끝을 유리판에 부착하고 반대쪽 끝에는 쇠 구슬을 붙인다. 그 위에 자기장을 만들어주면 쇠 구슬이 위로 움직인다. 이에 DNA에 자기력이 가해져 일자로 펴진 채 고정된다.
일자로 고정된 뼈대 DNA와 결합하는 스테이플러 DNA
자기력으로 고정된 뼈대 DNA에 스테이플러 DNA를 첨가하면 1분 이내로 빠르게 스테이플러 DNA와 뼈대 DNA 가닥이 결합한다. 하지만 뼈대 DNA는 자기력을 받아 펴진 채 접히지 않으므로 스테이플러 DNA의 마주 보는 두 가닥 중 한 가닥만 뼈대 DNA와 결합할 수 있다. 따라서 스테이플러 DNA 하나와 결합해야 하는 뼈대 DNA의 두 결합 부위에 스테이플러 DNA 두 개가 하나씩 결합한다.
스테이플러 DNA는 경쟁 통해 제거돼
이후 자기장을 제거해주면 같은 결합부위를 갖는 두 스테이플러 DNA 사이에 경쟁이 일어난다. 한쪽만 뼈대 DNA와 결합한 스테이플러 DNA는 자기장이 풀리면 또 다른 결합부위에도 결합하려 하지만 그 자리에는 이미 다른 스테이플러 DNA가 붙어있기 때문이다. 그 결과 두 개의 스테이플러 DNA 중 하나만 남아 원하는 DNA 나노구조가 만들어진다. 이 기술은 상온에서 뼈대 DNA의 반응 부위가 드러나므로 고온에서 진행되는 오리가미 방식보다 반응이 빠르게 일어난다. 윤 교수팀은 이 방법을 통해 약 8분 만에 지름 20㎚, 길이 100㎚의 DNA 나노구조를 만드는 데 성공했다.
오리가미 기술에서는 DNA 나노구조 형성 과정에서 일어나는 여러 상호작용이 동시에 일어나므로 DNA 나노구조가 만들어지는 과정을 정확히 파악하고 제어하기 어렵다. 윤 교수팀이 이번에 개발한 기술로는 DNA 나노구조가 차례로 형성돼 각각의 과정이 일어나는 것을 확인할 수 있으며, 10분 이내로 빠르게 DNA 나노구조를 제작할 수 있다는 점에서 의미가 크다. 윤 교수는 이번 연구에 대해 “나노로봇과 같은 복잡한 구조의 제작에서 유용하게 활용할 수 있을 것이다”라고 언급했다.