[표지로 읽는 과학] 빛 받으면 작동하는 나노기계

사이언스 제공

국제학술지 '사이언스'는 이번 주 표지로 마치 실타래를 감듯이 한 개의 분자 가닥이 회전하며 점차 꼬여 들어가고 결국 두 개의 고리로 연결되는 과정을 표현한 이미지를 실었다. 분홍색 궤적은 분자 모터가 어떻게 분자 구조를 정교하게 회전시키는지를 보여준다. 최종적으로 ‘기계적으로 연결된 고리 분자’가 형성되는 장면을 표현한다.

과학자들이 실제로 분자 단위에서 작동하는 나노 모터를 이용해 전례 없이 정밀한 분자 연결 구조를 만들어냈다.

미하엘 카탄 독일 훔볼트대 교수가 이끄는 연구팀은 이번 연구에서 빛에너지로 작동하는 인공 분자 모터를 이용해 두 개의 분자 가닥을 얽고 최종적으로 서로 연결된 고리 구조인 '카테네인(catenane)'을 합성하는 데 성공했다. 자연계의 생명현상처럼 복잡한 구조를 지닌 분자를 기계적으로 조립했다. 설계 없이도 구조를 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 분자 조립 전략을 제시한 것이다.

연구팀이 고안한 분자 모터는 외부에서 빛을 받으면 일정한 방향으로 회전하면서 분자 가닥을 비틀어 얽히게 만든다. 이때 형성된 얽힘 구조는 자연적으로는 잘 생기지 않는 불안정한 상태다.

연구팀은 불안정한 상태를 화학적으로 고정시켜 안정된 연결 구조로 전환시켰다. 일련의 과정은 빛과 열을 순차적으로 활용해 꼬임 상태(braided state)를 유도하고 결합을 끊어 카테네인 형태로 이끄는 방식으로 이뤄졌다.

기존의 분자 기계들은 회전이나 이동 같은 단순한 구조 구현이 가능했다. 하지만 분자들이 엮이거나 꼬여 있는 복잡한 위상 구조까지 만들어내는 것은 학계의 난제였다. 이번 연구는 분자 수준에서 발생하는 무작위 열 운동을 극복하고 원하는 위치와 순서로 가닥을 감아 기계적으로 얽히게 하는 데 성공했다는 점에서 혁신적이란 평가를 받는다.

연구결과는 향후 나노기계나 기능성 분자 소재 개발에 활용될 것으로 기대된다. 생체 내 단백질이나 DNA처럼 복잡한 얽힘 구조를 갖는 분자를 인공적으로 모사하거나 조립하는 데도 기여할 것으로 보인다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1126/science.adx5363

[박정연 기자 hesse@donga.com]