첨단바이오 기술 'DNA 종이접기' 구조 예측 시뮬레이션 개발

DNA 나노구조체의 기계화학적 변화를 예측하는 예측 기술 개념도. 서울대 제공

유전물질인 DNA를 종이접기하듯 접어 나노구조체를 제작하고 활용하는 연구가 첨단 바이오 분야에서 활발하다. 국내 연구팀이 DNA와 결합하는 물질의 농도에 따라 DNA가 접힌 구조체의 모양을 빠르게 예측하는 기술을 개발해 관련 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

서울대는 김도년 기계공학부 교수팀이 DNA 결합분자의 농도에 따른 DNA의 기계화학적 변형을 예측하는 시뮬레이션을 개발하고 연구결과를 지난달 31일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개했다고 7일 밝혔다.

DNA 종이접기 기술은 DNA로 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준의 구조체를 공학적으로 설계하고 제작할 수 있어 첨단바이오 융합 분야에서 활발히 연구되고 있다. 생체 내 환경 변화를 이용해 구조체 형상을 변화시켜 특정 기능을 수행하도록 하는 '가변 기술'이 특히 주목받는다.

가변 기술은 아직 모델링·시뮬레이션 기술이 부족해 가변 메커니즘 구현을 시행착오에 의존할 수밖에 없다는 점이 한계였다. 연구팀은 DNA의 형태와 역학적 특성이 환경에 따라 달라지는 메커니즘을 해석할 수 있는 방법을 찾기 위한 연구를 진행했다.

DNA 결합물질인 브로민화 에티듐(EtBr) 농도에 따라 DNA 고리 구조체가 꼬이는 '슈퍼코일링' 현상의 예측 및 실제 실험과 비교. 서울대 제공

먼저 DNA에 결합하는 대표적인 분자로 알려진 브로민화 에티듐(EtBr)과 결합했을 때 DNA에서 일어나는 기하학적·기계적 특성 변화를 분자동역학 시뮬레이션을 통해 정량화했다. 계산된 정보를 활용해 실제 실험에서 EtBr 분자 농도와 DNA 특성 변화의 관계식을 도출했다. 이를 DNA 구조체 해석에 적용하자 EtBr 농도에 따른 DNA 구조체의 기계화학적 변형을 빠르게 예측할 수 있었다.

연구팀은 "EtBr 외에 다른 DNA 결합분자로도 쉽게 확장이 가능하다"며 "결합분자의 농도나 종류에 따른 가변 DNA 종이접기 구조체를 설계하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 설명했다. 이어 "DNA 나노기술 및 다양한 응용 연구의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-024-50871-3

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]