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열수 처리 없이 친환경적 방법으로 핵산 나노 꽃 구조 합성 성공
구리 이온과 질소의 협조 상호 작용으로 친환경적 핵산 나노 꽃 제작...바이오센서 분야 등 나노 꽃 구조의 응용 연구 진행해야
[433호] 2017년 05월 02일 (화) 김승후 기자 mind9063@kaist.ac.kr

  생명화학공학과 박현규 교수와 가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수 공동 연구팀이 DNA를 이용해 상온에서 꽃모양의 나노입자를 합성하는 기술을 개발했다. 이 기술은 DNA와 구리 이온의 상호작용을 기반으로 개발됐으며 이를 이용해 친환경적 조건에서 DNA를 고농도로 포집한 나노 구조체 합성에 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지 <저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 B(Journal of Materials Chemistry B)>에 지난 2월 8일 자 표지논문으로 선정됐다.

   
▲ (a)구리이온과 DNA의 질소원자부분이 협조 상호작용하여 나노 꽃 구조를 이루는 과정. (b)시간이 지나며 나노 꽃 구조를 이루는 과정. 박현규 교수 제공

나노 꽃구조, 활성과 안정성 높아
  나노 꽃(nanoflowers)이라 불리는 꽃모양 나노물질은 표면이 거칠고 넓은 표면적을 가진 물질로 촉매, 전자기술 및 분석화학등 여러분야에서 주목받고 있다. 최근에는 단백질을 이용한 유,무기복합 나노꽃 제작이 이뤄지고 있다. 이는 유기물인 단백질 또는 핵산과 무기물인 구리 환원물로 이뤄지며 기존 나노 꽃보다 표면적이 넓다. 그래서 유, 무기 복합 나노꽃은 높은 활성, 안정성 및 내구성을 지닌다.

DNA 포집효율 낮은 열수처리방식

  열수 처리(hydrothermal synthesis)란 물이 존재할 때 고온, 고압 조건에서 행해지는 물질의 합성 방법이다. 열수 처리는 제작이 편리하고 효율성이 높아 나노 꽃의 제작을 위해 일반적으로 사용하는 방법이다. 하지만 DNA는 열수 처리를 위한 고온,고압환경에서 제기능을 못하고 분해되어 버린다. 이러한 이유로 열수처리과정을 포함하는 기존의 일반적인 나노꽃 합성 과정은 DNA의 효과적인 포집이 불가능하다.

열수처리 없이 친환경적 제작 가능해

  연구팀은 핵산 나노 꽃 구조를 열수처리 없이 형성하는 방법에 대한 실마리를 단백질 나노 꽃구조를 만드는 과정에서 찾아냈다. 단백질 나노 꽃 구조를 형성하는 단백질은 아마이드 결합 및 아민그룹에 질소 원자를 포함하고 있다. 이 부분이 구리 이온과 협조 상호 작용*(coord- ination interaction)을 통해 복합체를 형성하고, 이 과정이 나노입자의 제작을 유도해 나노 꽃 구조를 형성한다. 연구팀은 열수 처리를 통한 DNA 포집이 어렵다는 문제를 해결하기 위해 핵산 역시 많은 아마이드 결합 및 아민그룹을 포함하고 있다는 사실에 주목했다. 그래서 연구팀은 핵산으로도 단백질과 유사한 방법을 통해 나노 꽃 구조를 제작할 수 있을 것이라 예상했다. 이에 연구팀은 단백질 나노 꽃 제작공정을 핵산 나노 꽃 공정에 적용해 열수처리 없이 상온의 친환경적 조건에서 유,무기복합 나노 꽃 구조물의 제작이 가능함을 처음으로 발견했다.

기존한계 극복한 핵산 나노 꽃 구조

  연구팀이 개발한 DNA 기반 나노 꽃 구조물 제작기술은 열수처리과정이 필요없기 때문에 유해한 화학 물질 없이 친환경 제작이 가능하다. 또한, 세포독성이 적어 약물전달을 위한 수송체로서의 역할도 가능하다. 게다가 DNA를 주형**(template)으로 해서 나노 꽃을 제작하므로 제작된 나노 꽃은 DNA포집 효율이 높다. 그리고 구리 환원물이 DNA를 보호해주기 때문에, 핵산 분해 효소에 대해서도 높은 저항성을 가진다.

제작시간 단축과 응용 연구 필요해

  현재 나노 꽃 제작은 친환경적조건에서 기존에 비해 더 긴 3일이 소요된다. 연구팀은 앞으로 소요 시간을 1일 내로 줄일 수 있는 연구가 수행되어야 한다고 전했다. 그리고 이번 연구에서는 나노 꽃 제작방법의 개발이 중심으로 진행되었지만, 앞으로는 유전자 전달(gene delivery), 바이오센서 분야 등 나노 꽃의 응용연구가 충분히 이루어져야 한다.

  이번 논문에 제1저자로 참여한 건국대 박기수 조교수는 “핵산을 이용하여 친환경 조건에서 유해한 화학 물질 없이 나노 꽃을 제작했다”라며 “이를 통해 향후 유전자치료용 전달체 등에 응용 가능할 것으로 보인다”라고 이번 연구의 의의를 전했다.

협조 상호 작용*

리간드와 배위 결합 혹은 표면상의 약한 결합을 말함.
주형**
DNA 혹은 RNA가 합성될 때 새로이 합성되는 핵산이 일정한 염기배열을 하는데 필요한 근본이 되는 핵산.

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