최근 아리조나 주립대(Arizona State University) 하오 얀 및 얀 리우(Hao Yan and 

Yan Liu) 연구진은 측정할 수 없을 정도로 작은 구조체를 제조하였다. 이를 제조하

기 위한 매체는 이중 나선 DNA 분자(double-helical DNA molecule)로서 구조체를 

제조할 수 있는 무한의 가능성을 내포한 구축 물질로 기대되고 있다. 

 

1월 2일자 Science에 아리조나대 화학 및 생화학과 연구진은 최초로 3차원 DNA 나

노튜브, 고리, 나선형 구조를 보고하였다. 이러한 DNA 나노튜브 및 기타 합성 나노

구조체는 머지않아 차세대 나노전자소자 및 생의료 목적의 혁신을 도출할 것으로 기

대되고 있다. 

 

얀과 리우 연구진은 최근 빠르게 발전하고 있는 DNA 나노테크놀러지 분야를 연구하

고 있다. 자연의 섭리를 복제한 것으로서, 연구진은 DNA 분자의 놀라운 자기 조립

(self-assembly) 성질을 실제로 활용할 수 있었다. 리본 형태의 분자 줄기가 함께 

모이면 이들은 벨크로처럼 서로 결속되는데, 이는 네 개의 염기 쌍들을 짝짓게 하는 

간단한 규칙을 따르는 것이다. 이와 같이 간단한 조합을 통해 자연은 상상할 수 없

을 정도로 다양한 형태를 생성하게 된다. DNA는 구조 단백질의 세포 합성을 통해 이

를 완성하며, 이때 특정 염기 서열로 코팅된 정보를 이용하게 된다. 이러한 단백질

은 살아있는 유기체의 근본적인 구성체로서, 세포벽, 도관, 조직, 기관을 형성하게 

된다. 그러나 DNA 자체 또한 안정한 구조체이기 때문에 인공적으로 사용될 수도 있

다. 

 

연구진은 자연의 정교한 솜씨에 영감을 얻었다. 해양의 규조류처럼 단일세포 생물

은 자기 조립 단백질 구조를 형성하고 있다. 뛰어난 정교함과 유기체의 실용성은 유

기물과 무기물의 조화로운 자기 조립 결과이다. 이전의 구조 DNA 나노테크놀러지 

분야의 과학자들은 미리 제조된 DNA 요소를 이용하여 자기 조립을 유도함으로써 유

용한 나노구조 플랫폼 혹은 타일을 형성하였다. 이러한 타일은 염기 짝지음의 특정

성을 갖는 퍼즐처럼 보다 큰 어레이를 형성하게 된다. 

 

한편 이번에 보고된 연구 결과는 나노테크놀러지와 재료 과학 분야의 근본적 도전과

제 중 하나로서, 분자 구조를 3차원으로 형성하는 것이다. 이를 위해 연구진은 단일 

줄기 DNA에 도입된 금 나노입자를 이용하였다. 이들은 나노입자 부위에서 구부러

져 유연한 분자 타일 어레이를 끌어당기고, 고리를 형성하도록 휘어져, 30-180 nm 

직경의 나선형 혹은 고리 구조를 형성하게 된다. 

 

DNA 가닥을 구속하는 금 나노입자는 자체적으로 “입체 장애(steric hindrance)”를 

형성하게 되는데, 이들의 세기는 사용된 입자의 크기에 의존하게 된다. 이러한 입체 

장애를 이용하여 얀과 리우 연구진은 DNA 나노튜브가 닫힌 고리를 휘어지도록 만

들 수 있다는 것을 최초로 입증하였다. 

 

5 nm의 금 나노입자가 사용되었을 경우, 낮은 입체 장애는 DNA 타일을 휘어지게 만

들어 이웃한 상보적인 조각과 결합되도록 하며, 이는 다양한 직경의 나선형을 형성

하게 된다. 하지만, 10 nm의 금 나노입자의 경우 보다 큰 입체 장애가 발휘되어, 보

다 강력한 구속력이 작동하게 됨으로써, 닫힌 형태의 튜브를 생성하게 된다. 따라

서, 입자는 자기 조립 프로세스에 참여할 뿐 아니라 나노튜브의 형성을 유도하기 위

한 능동적인 참여자로도 작용하는 것을 시사한다. 

 

DNA 나노튜브는 머지않아 탄소 나노튜브와 결합하여, 유연하고 조작 가능한 구조체

를 분자 수준으로 제조하는데 활용될 것이다. 3차원으로 구조 조절을 확대된 이번 연

구 성과는 광학, 광전압 전지, 터치 스크린, 플렉시블 디스플레이, 바이오의료 등에 

활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 자기 조립을 통해 3차원으로 구조를 제조하

는 것은 놀라운 일이며, 이러한 일은 또한 병렬적으로 진행될 수 있기 때문에 수백

만 혹은 수십 조개의 구조가 동시에 제조하는 것이 가능하다. 

 

[그림] 

DNA 구조는 5 nm의 금 나노입자를 운송하는 다양한 튜브 형태의 구조체를 형성함. 

적층된 고리, 단일 나선형, 이중 나선형, 둥지형 나선형 튜브로 금 나노입자 패턴을 

나타내는 튜브의 형성이 관찰됨. TEM 이미지는 이러한 형태를 나타냄.

 

fig_1.jpg 

http://www.physorg.com/

 

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-03