초음파 힘 전달 매개로 'DNA' 활용…초음파 기계화학 낮은 효율 극복

DNA 기반 고효율 힘 전달 플랫폼 개념도. (곽민석 교수)

초음파 자극 시 힘을 전달하는 매개체로 DNA를 활용, 원하는 분자 결합만 빠르고 정밀하게 활성화하는 새로운 기계화학 플랫폼이 개발됐다.

한국연구재단은 곽민석 부경대 교수 연구팀이 안드레아스 헤르만 독일 아헨공과대 교수 연구팀과 DNA 기반 분자 스위치 플랫폼을 개발했다고 4일 밝혔다.

초음파를 이용한 기계화학 반응은 외부 물리적 자극을 화학반응으로 변환해 특정 분자 결합을 선택적으로 제어할 수 있다.

그러나 유연한 고분자 사슬에 메카노포어(기계적 힘에 의해 화학반응이 유도되도록 설계된 분자 단위)를 도입하는 기존 방식은 초음파로 발생한 힘이 구조 전체로 분산되면서 반응 효율이 낮고, 비특이적 결합 절단이 발생하는 한계가 있었다.

연구팀은 길이 제어가 가능하고 구조적 강성을 갖는 DNA를 초음파 힘 전달 매개체로 활용하고, 메카노포어를 DNA 이중나선 중앙에 삽입한 구조적 설계를 통해 분자 스위치가 작동하도록 한 플랫폼을 제시했다.

이 DNA 기반 분자 스위치 플랫폼(DNA-MP-DNA)은 초음파로 발생한 힘을 DNA를 따라 전달해 메카노포어 영역에 집중시킴으로써, 특정 분자 결합의 선택적 절단을 가능하게 한다.

연구팀은 PCR 합성으로 100~1000bp 범위 DNA 길이를 제어하고, 길이에 따른 힘 전달 효율과 결합 절단 거동 상관관계를 분석했다.

그 결과 250bp 이상 DNA 구조에서 초음파 자극 시 15분 이내 메카노포어 영역의 선택적 절단이 최대 99.9% 달성됐다.

염기서열 및 질량분석, 전산 시뮬레이션 결과 절단이 의도한 결합에서 선택적으로 발생함을 검증했으며, 실험용 초음파 장비뿐 아니라 치료·의료용 저강도(1㎒) 초음파 조건에서도 동일한 반응을 확인했다.

곽민석 교수는 “이번 연구는 DNA를 힘 전달 매개체로 활용한 새로운 기계화학 플랫폼을 제시해 기존 고분자 기반 초음파 기계화학의 낮은 효율과 비특이적 반응 문제를 개선한 데 의의가 있다”라며 “저강도 초음파에서도 안정적으로 작동해 초음파 유도 약물 방출, 바이오센서, 자극 반응형 치료 소재 등 바이오·의료 응용으로의 확장이 기대된다”고 말했다.

이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지 '켐(Chem)'에 지난 3일 온라인 게재됐다.

이인희 기자 leeih@etnews.com