종이접기 하듯이 다양한 모양으로 접거나 펼 수 있는 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.

[연구결과]

Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami


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

Nature

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]

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

디엔에이(DNA)는 나노스케일에서 구조체를 만들 수 있는 여러 재료 중 형상과 물리적 특성을 정밀하게 조절하기 용이하다는 장점이 있어, 이를 이용해 동적으로 변형 가능한 구조를 만들고자 하는 연구가 많이 존재합니다. 그러나 기존의 연구는 변형 가능한 구조체의 형태와 작동 방법에 제약이 많아 이에 대한 기술적인 돌파구가 필요했던 상황이었습니다. 이러한 측면에서 본 연구는 우리 실생활에서 쉽게 접할 수 있는 종이접기에 착안하여, 하나의 구조에서 매우 다양한 종류의 변형을 직관적이면서도 쉽게 구현할 수 있는 방법을 개발하게 되었습니다.

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

나노스케일에서 만들어지는 디엔에이(DNA) 구조체는 크기가 매우 작아 일반적인 광학 현미경으로는 모습을 관찰할 수 없습니다. 따라서 작은 탐침을 이용하여 표면을 스캔하는 원자힘현미경을 사용하여 구조의 형상을 측정해야 하는데, 측정에 오랜 시간이 걸리는 장비의 특성으로 인해 구조의 설계 및 제작, 측정 후 검토 및 설계 수정 등의 연구 과정에 매우 긴 시간이 소요되었습니다. 또한 자외선을 이용한 변형 실험의 경우 관련 장비와 실험 노하우가 부족하여 어려움을 겪었었는데, 교내 다른 연구자와의 협업을 통해 해결하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

디엔에이(DNA)를 이용하여 변형 가능한 나노구조체를 만드는 연구는 이미 존재하지만, 본 연구와 같이 하나의 구조에서 출발하여 어느 부분을 접고 펼지에 따라 다양한 형태를 만들어내기 위한 설계기술은 아직 구현된 바 없었습니다. 또한 변형을 유도하기 위해 디엔에이(DNA) 가닥뿐만 아니라, 마이크로 리보핵산(RNA) 가닥, pH농도의 변화, 자외선 및 가시광선 조사 등 다양한 작동 방법을 제시함으로써, 훨씬 다양한 자극에 반응하여 서로 다른 모양으로 변형함으로써, 하나의 구조체가 여러 가지 기능을 나타낼 수 있도록 활용할 수 있다는 점에서 기존 연구와의 차별성이 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구를 통해 구현할 수 있는 변형 가능한 디엔에이(DNA) 나노구조체는 다양한 형태의 자극에 반응할 수 있다는 점에서 분자 규모에서 작동하는 초정밀도 센서 및 나노로봇의 개발 등으로 활용될 수 있습니다. 또한 주변 환경에 따라 구조의 접힘과 펼침 과정을 조절함으로써 세포의 표면에서 펼쳐지거나 내부로 물질을 수송하는 등 생명공학 분야에서 진단/치료 목적으로도 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 다만, 현재의 기술은 아직 2차원 평면구조로 제한되어 있으며, 3차원 구조의 종이접기 기술로 확대, 개발하여, 종이접기를 활용한 구조체의 설계 영역을 크게 확장시켜 나가야 합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구에서 구현한 나노스케일에서의 종이접기 기술은 상대적으로 간단한 원리를 가지고 있어, 후속 연구를 통해 보다 복잡하고 유용한 종이접기 기반 공학 기술을 도입하여 보다 실용적인 방향으로 본 기술을 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구에 사용된 표면적이 넓고 얇은 와이어프레임 구조체는 처음에 다른 실험을 진행하기 위해 설계해 본 것인데, 만들어진 구조체가 원하지 않게 일부분이 임의로 접히는 현상을 관측하게 되었습니다. 처음에는 해당 문제를 일종의 결함으로 판단하였으나, 곧 이러한 현상을 잘 이용하면 원하는 위치를 의도적으로 접거나 펼 수 있다는 것을 알게 되었고, 종이접기 기술을 접목한 본 연구의 핵심 아이디어가 되었습니다. 의도하지 않았던 결과를 얻었을 때 이것을 부정적으로만 보지 말고, 새로운 발견의 단초가 될 수 있지 않을까 생각해보는 자세가 중요하다는 교훈을 얻게 되었습니다.

[용어설명]

[그림설명]

(그림 1) 종이접기 패턴 형태의 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이 나노구조체 및 원하는 부분의 접힘을 통한 다양한 모양으로의 형상 변형 개념도

긴 단일가닥 디엔에이(DNA)에 특정 위치에서 상보적인 결합을 할 수 있도록 설계된 여러 개의 짧은 단일가닥 디엔에이(DNA)를 이용하여 종이접기 패턴 형태의 2차원 격자 구조체인 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이를 만든다. 이 종이의 특정한 부분을 접거나 펼 수 있는 디엔에이(DNA) 가닥을 넣어주면 마치 종이접기를 하듯이 원하는 모양으로 다양하게 접거나 펼 수 있다.

(그림 2) 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이의 접힘과 펼침 방법

원하는 접기를 구현하기 위해, 접는 선(주름) 주변부에 바깥쪽으로 돌출된 디엔에이(DNA) 가닥(주름 손)을 설계하였다. 구조를 접기 위해서는 두 개의 주름 손을 연결하는 접힘 가닥을, 접혀진 구조를 다시 펼치기 위해서는 펼침 가닥을 넣어주면, 주름 손 의 결합과 풀림을 통해 접혀지거나 펼쳐진다. 원자힘현미경 측정을 통해 구조체의 모양과 상태를 확인할 수 있으며, 펼쳐진 구조와 접혀진 구조와의 높이 차이를 확인할 수 있다(스케일바 = 100 nm).

(그림 3) 계층 조립된 더 큰 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이를 이용한 다양한 접힘 예시

기준이 되는 디엔에이(DNA) 와이어프레임 종이 네 장을 계층적으로 조립하여, 4배 더 넓은 종이를 만들 수 있고, 각각의 종이를 독립적으로 접고 펴는 방식을 통해 보다 다양한 종이접기 형상을 설계하여 구현할 수 있다(스케일바 = 200 nm).

* 출처 : 과학기술정보통신부