서울대 연구팀, '종이접기 원리' 착안…DNA 나노기술 개발

나노센서·나노로봇 등 나노바이오 분야서 파급효과 기대

종이접기 패턴 형태의 DNA 와이어프레임 종이 나노구조체 및 형상 변형 개념도. (김도년 서울대 기계공학부 교수 연구팀 제공) / 뉴스1

(서울=뉴스1) 양새롬 기자 = 하나의 구조체를 다양한 모양으로 접거나 펼 수 있는 디엔에이(DNA) 나노기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부는 김도년 서울대학교 기계공학부 교수 연구팀이 종이접기 작동 원리에 착안해 이같은 기술 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. DNA는 생명체의 유전 정보를 담을 수 있는 나노물질이다.

기능성 나노구조체는 외부자극에 의한 형상 변화를 통해 특정 기능의 발현을 제어할 수 있어 약물전달, 분자진단 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 특히 DNA 나노기술은 기능성 나노구조체 개발을 위한 차세대 기술로 큰 관심을 받고 있다.

기존 연구에서는 나노 크기에서 하나의 구조체가 다양한 모양으로 변할 수 있는 다중 변형 작동 원리의 부재로 단순한 변형과 제한적 기능 구현만 가능하다는 한계가 있었다.

김 교수 연구팀은 하나의 종이를 다양한 모양으로 접을 수 있는 종이접기 원리에 착안해 이러한 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 방법을 제안했다.

우선 종이접기 형태에 따라 DNA를 배열해 종이처럼 접을 수 있는 2차원 격자 형태의 구조를 만들고, 이를 DNA 와이어프레임 종이(wireframe paper)로 명명했다.

이러한 구조에 대해 원하는 부분의 접힘과 펼침을 선택적으로 조절해 다양한 형상의 변화를 구현하는 것이 핵심 아이디어다.

이 때 접히는 부분의 기계적 강성을 최적화해 구조적으로 안정하면서도 높은 성공률로 접고 펼 수 있게 DNA 와이어프레임 종이를 설계하는 것이 연구팀이 개발한 기술이다.

얇은 종이를 접는 것은 쉽지만 구조적으로 약해지고, 반대로 두꺼운 종이를 사용하면 접는 것이 어려운 것과 같은 이유에서다. 최적화된 구조는 다양한 형태로의 반복적인 접힘과 펼침을 안정적으로 지속할 수 있음을 실험적으로 증명했다.

DNA 와이어프레임 종이는 자극의 종류에 따라 서로 다른 모양으로 접을 수 있는데, DNA나 리보핵산(RNA)과 같은 분자의 결합을 이용하거나 산염기(pH)나 빛과 같은 환경 변화를 통해 제어할 수 있다.

연구팀은 질병과 관련된 마이크로 RNA의 종류에 따라 DNA 와이어프레임 종이가 다른 모양으로 접히도록 설계함으로써, 다양한 마이크로 RNA의 검출이 동시에 가능한 센서로의 활용 가능성을 보여줬다.

해당 연구에서 개발된 설계 및 제작 기술은 분자진단을 위한 나노센서, 약물전달을 위한 나노로봇과 같은 나노바이오 분야에서 큰 파급 효과가 있을 것으로 과기정통부는 기대했다.

왼쪽부터 차례로 김도년 서울대학교 기계공학부 교수(교신저자), 김명석 유씨버클리 전기공학 및 컴퓨터과학과 박사과정(제1저자), 이찬석 서울대 정밀기계설계공동연구소 선임연구원(공동저자). (과학기술정보통신부 제공) / 뉴스1

김도년 교수는 "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 것"이라고 말했다.

과기정통부 과학난제도전 융합연구개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처'의 표지논문으로 게재됐다. 제1저자로는 김명석 유씨버클리(UC Berkeley) 전기공학 및 컴퓨터과학과 박사과정이 이름을 올렸다.

flyhighrom@news1.kr