종이처럼 DNA도 접는다...‘DNA 나노기술’ 개발

김도년 서울대 기계공학부 교수팀, 네이처 논문 게재

종이접기처럼 원하는 부분을 접어 다양한 모양으로 형상을 바꿀 수 있는 DNA 와이어프레임 종이 나노구조체 개념도. 네이처 및 연구팀 제공.

종이접기 원리에 착안해 머리카락 두께의 수천 분의 1 수준인 DNA 나노구조체를 접거나 펼 수 있는 'DNA 나노기술'이 개발됐다. 분자진단을 위한 나노센서, 약물전달을 위한 나노로봇 등 나노바이오 분야 연구를 활성화하는 계기가 될 것으로 전망된다. 

과학기술정보통신부 과학난제도전 융합연구개발사업 지원으로 수행된 김도년 서울대 기계공학부 교수팀의 이번 연구는 6일 국제학술지 ‘네이처’ 표지논문으로 게재됐다. 

DNA 나노기술은 자기조립 성질을 이용해 원하는 형상과 물성을 가진 구조체를 정밀하게 제작할 수 있는 기술이다. 기능성 나노구조체(형상을 바꿔 특정 기능 발현 제어) 개발을 위한 차세대 기술로 관심받고 있다. 

기존 연구에서는 DNA 나노구조체에 경첩이나 관절과 유사한 기계적인 요소를 도입해 구조체 변형을 유도했다. 이는 하나의 구조체가 다양한 모양으로 변할 수 있는 다중 변형이 불가능해 단순 변형 및 제한적 기능 구현에 그쳤다. 

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 한 장의 종이로 다양한 모양을 만들 수 있는 종이접기 원리를 이용했다. DNA를 배열해 종이처럼 접을 수 있는 2차원 격자 구조를 만들고, 이를 DNA 와이어프레임 종이(wireframe paper)로 명명했다. 원하는 부분의 ‘접힘’과 ‘펼침’을 선택적으로 조절해 다양한 형상으로 변화하도록 구현한 것이다. 

접히는 부분의 기계적 강성(단단한 성질)을 최적화해 구조적으로 안정적이면서도 접힘과 펼침의 성공률이 높은 와이어프레임 종이를 설계했다. 이는 쉽게 접히지만 구조적으로 약한 얇은 종이와 단단하지만 접기 어려운 두꺼운 종이의 문제를 개선한 것으로 해석할 수 있다. 

DNA 와이어프레임 종이는 자극의 종류에 따라 다양한 모양을 접을 수 있다. DNA나 RNA와 같은 분자 결함, 산·염기 또는 빛과 같은 환경 변화가 자극이 돼 변형을 유도할 수 있다. 대표적인 예로 연구팀은 질병과 연관이 있는 마이크로RNA 종류에 따라 DNA 와이어프레임 종이가 서로 다른 모양으로 접히도록 설계했다. 

김 교수는 “종이접기 기술을 나노 크기에서도 적용할 수 있다는 점을 보여줬다”며 “추후 3차원 구조체의 설계로 기술이 확장되면, 단일 자극에 대한 제한적 기능을 가진 나노구조체 한계를 뛰어넘어 다양한 자극에 반응해 여러 기능을 수행할 수 있는 다기능성 나노구체를 개발할 수 있을 것”이라고 말했다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]