DNA로 초음파 전달해 원하는 분자만 결합·절단

왼쪽부터 곽민석 국립부경대 화학과 교수, 김규린 연구원. 한국연구재단 제공

한국과 독일 공동연구팀이 유전정보를 저장하는 생체 물질인 디옥시리보핵산(DNA)과 초음파를 활용해 원하는 분자만 결합·절단하는 기술을 개발했다. 연구성과는 신소재 개발과 바이오 응용 연구에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단은 곽민석 국립부경대 화학과 교수팀이 안드레아스 헤르만 독일 아헨공대 교수팀과 함께 DNA 기반 분자 스위치 플랫폼을 개발했다고 4일 밝혔다. 연구결과는 3일(현지시간) 국제학술지 '켐(Chem)'에 공개됐다.

초음파 기반 기계화학은 외부의 물리적 자극인 초음파로 화학반응을 조절해 특정 분자 결합을 선택적으로 제어할 수 있는 기술이다. 초음파로 발생한 힘이 분자 구조 전체로 분산되면서 효율이 떨어지고 다른 결합을 절단하는 등 정확도가 떨어진다는 한계가 있었다.

연구팀은 길이 제어가 쉽고 구조적 강성이 있는 DNA를 초음파 힘 전달 매개체로 활용했다. 염기가 쌍을 이뤄 배열된 이중나선 구조의 DNA 중앙에 '메카노포어(MP)'를 삽입한 형태다. 메카노포어는 기계적 힘을 받으면 특정 화학반응이 일어나거나 절단되도록 설계된 분자 단위를 말한다.

DNA 이중나선 중앙에 메카노포어를 삽입한 DNA-메카노포어-DNA 구조에서 초음파 자극 시 기계적 힘이 DNA를 따라 전달되어 메카노포어 결합이 선택적으로 절단되는 과정. 곽민석 교수 제공

DNA-메카노포어-DNA 구조에서 초음파로 발생한 힘은 DNA를 따라 전달돼 메카노포어 영역에 집중되며 특정 분자 결합만 선택적으로 제어한다. 

연구팀은 염기쌍 100~1000개 길이의 DNA를 구현하고 힘 전달 효율과 결합 절단 사이의 상관관계를 분석했다. 실험 결과 250쌍 이상의 DNA 구조에서 초음파 자극 시 15분 이내에 메카노포

어는 99.9% 수준으로 절단됐다. 염기서열 및 질량 분석, 시뮬레이션 결과 의도한 부분에서만 절단이 일어났다는 사실이 입증됐다.

실험용 고강도 초음파 장비뿐 아니라 의료·피부미용 분야에 쓰이는 1메가헤르츠(㎒, 진동수의 단위로 1초에 100만번 진동한다는 뜻) 저강도 초음파 조건에서도 동일한 반응이 확인됐다.

곽 교수는 "DNA를 힘 전달 매개체로 활용한 새로운 기계화학 플랫폼을 제시했다"며 "저강도 초음파에서도 안정적으로 작동하기 때문에 초음파 유도 약물 방출, 바이오센서, 자극 반응형 치료 소재 등 바이오·의료 응용으로의 확장이 기대된다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102920

초음파 반응형 DNA-메카노포어-DNA 구조 개념도. 곽민석 교수 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]