국내 연구진이 나노미터 규모의 초미세 입자를 DNA 위에서 일정한 방향으로 제어할 수 있는 동력기관을 개발했다. '브라운모터'로 불리는 이 동력기관은 DNA와 관련된 초미세 장치와 기기 개발에 사용할 수 있는 새로운 도구다. 이 도구는 기존 DNA 나노구조체보다 더 작은 입자까지도 결합하도록 해 입자 수송 능력을 확대할 수 있다.
한국연구재단은 최근 김준수 이화여대 화학나노과학과 교수 연구팀이 DNA 기반 브라운모터를 개발해 나노입자의 움직임을 제어하는데 성공했다고 7일 밝혔다.
나노 크기의 분자들은 용액 속에서 다른 용매들과 충돌해 방향성 없이 움직이는 '브라운 운동'을 한다. 이 운동을 일정한 방향으로 제어하면 반응성을 극대화할 수 있지만 이를 조절하기는 어렵다.
연구팀은 이중가닥 DNA의 염기서열에 따른 유연성 차이를 이용해 이러한 난제를 해결했다. 유연성이 점진적으로 증가하는 짧은 길이의 이중가닥 DNA를 반복적으로 합성해 유연성을 가진 긴 DNA를 만들고 이를 나노 크기의 입자와 결합한 것이다.
특히 이 DNA 염기는 양전하를 띠는 나노입자와 음전하를 띠는 이중가닥 DNA 사이의 정전기로 인해 나노입자를 1.5바퀴 이상 휘어감는 성질을 갖게 된다. 이 복합 구조체는 유연성이 증가할수록 결합 에너지가 낮아지는 데 브라운모터를 이를 이용해 일정한 움직임을 만든다.
연구팀은 이같은 DNA 염기를 포함한 용액에 이온 농도를 주기적으로 높이고 낮춤으로써 나노입자들의 비평형 상태를 구현하고 나노입자를 일정 방향으로 이동시킬 수 있다는 사실을 이론과 계산화학 커뮤터 시뮬레이션 연구로 확인했다.
이온 농도가 낮을 때는 나노입자가 DNA에 휘감긴 상태에서 나노입자와 DNA의 결합에너지가 가장 낮은 DNA의 가장 유연한 부분으로 이동하고, 이온 농도를 급격히 증가시키면 나노입자와 DNA의 정전기적 상호인력이 현격히 감소한다.
이에 따라 DNA 구조는 펴지고 나노입자는 브라운 운동을 통해 DNA 위 양쪽 방향으로 자유롭게 이동한다. 용액의 농도를 반복적으로 변화시키면 DNA와 결합한 나노입자가 한 방향으로 이동하게 되는 것이다.
김준수 교수는 "이 연구는 초미세 공간에서 DNA에 결합한 나노입자를 원하는 방향으로 이동시키는 모터 설계와 개발 가능성을 증명한 것"이라며 "선택적으로 분자 위치를 제어하는 나노디바이스와 응용기술 개발에 적용될 것으로 기대한다"고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 실렸다.