생물체의 세포 내에는 키네신과 같은 모터 단백질들이 미세소관 위를 움직이면서 적절한 물질들을 필요한 장소에 전달합니다. 복잡한 생화학 반응 네트워크를 구현하는 데 기여합니다. 만일 새로운 물질을 합성하거나 에너지를 생성하는 인공적인 미세 공간에서도 입자들의 위치나 방향을 임의로 조절할 수 있다면 여러 가지 유용한 반응 속도 및 효율 증대에 기여를 할 수 있을 겁니다.
하지만 나노스케일의 브라운 분자들은 용액 상의 분자들과 충돌을 하여 방향성 없는 브라운 운동을 하기 때문에 분자들이 원하는 곳에 선택적으로 이동을 하는 것은 불가능합니다. 그래서 최근 비평형 상태의 미세입자들을 일정한 방향으로 이동시킬 수 있는 브라운 모터 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
대표적인 브라운 모터 연구에서는 반복적인 비대칭 에너지를 가지는 환경에 입자가 존재할 때 주기적으로 비대칭 에너지를 끄고 키는 것을 반복하여 가능하다고 합니다. 하지만 작은 나노미터 크기를 가진 분자들은 분자들에 영향을 미치는 비대칭 에너지 환경을 만드는 것이 매우 어렵기 때문에 나노스케일의 분자를 이동시키는 브라운 모터의 개발은 매우 어려운 상황이죠.
이화여자대학교 화학나노과학과 김준수 교수는 DNA 기반의 브라운 모터를 개발해 나노입자의 움직임을 재현해냈다고 합니다. <Science Advances>에 게재된 논문에 따르면 김준수 교수의 연구팀이 개발한 브라운 모터는 나노입자가 DNA를 따라 한쪽 방향으로 이동하도록 DNA를 설계했으며, 이론 및 계산화학 연구로 이를 증명했다고 합니다.
어떻게 개발했는가
연구팀은 이중가닥 DNA의 염기서열에 따른 유연성의 차이를 이용해 DNA와 결합하는 나노미터 규모의 입자를 DNA 위에서 일정 방향으로 제어할 수 있는 브라운 모터의 개발을 제안했습니다.
음전하를 가진 DNA와 양전하를 가진 나노입자는 정전기적 인력으로 결합합니다. 이 때 DNA의 구조가 유연할수록 나노입자와의 결합에너지가 낮고 결합하기도 쉬운데요. 그래서 나노입자는 DNA의 유연한 부분을 향해 이동한다는 것이 확인되었습니다. 연구진은 이 원리를 이용해 유연성이 점진적으로 증가하는 짧은 길이의 이중가닥 DNA들을 반복적으로 합성하여 긴 DNA를 합성했습니다.
연구진은 DNA의 유연성이 점진적으로 증가하는 구조를 합성하고 주변 이온의 농도를 급격히 증가, 감소시키는 작업을 반복했습니다. 이온 농도가 낮으면 나노입자가 DNA에 휘감긴 상태에서 나노입자와 DNA의 결합에너지가 가장 낮은 DNA의 유연한 부분으로 이동하게 됩니다.
이온 농도를 급격히 증가시키면 나노입자와 DNA의 정전기적 상호인력이 감소하여 DNA의 구조가 펴지게 됩니다. 그래서 결합에너지의 비대칭성이 소멸되어 나노입자는 브라운 운동으로 DNA 위의 양쪽 방향으로 자유롭게 이동하게 되죠. 연구진은 이로 인해 DNA와 나노입자의 결합에너지가 끊임없이 변화하면서 나노입자가 한쪽으로 이동하는 것이 증명했습니다.
김준수 이화여대 교수는 "이 연구는 초미세 공간에서 DNA에 결합한 나노입자를 원하는 방향으로 이동시키는 나노스케일 브라운 모터의 설계 및 개발 가능성을 증명한 것"이라며, "선택적으로 분자의 위치를 제어할 수 있는 나노디바이스 및 나노응용기술의 개발에 적용될 것으로 기대된다"고 연구의 의의를 설명했습니다.
##참고자료##
- In silico construction of a flexibility-based DNA Brownian ratchet for directional nanoparticle delivery (2019)
