하버드 대학 와이스 생물학적 영감 공학 연구소 연구원들은 제작 금형으로 자연계의 구성요소인 DNA를 이용하여 묘사된 모양과 크기 내 작은 3D 금속 나노입자들을 형성하기 위한 새로운 방법을 개발했다.

정확하게 디자인된 3D 모양들로 금과 은 등의 재료들로 만들어진 유기 나노입자들을 금형하는 능력은 첨단 레이저 기술, 현미경, 태양 전지, 전자소자, 환경 테스팅, 질병 감지 등에 매우 높은 잠재성을 가지고 있이다.

우리는 디지털적으로 계획하고 디자인한 정확히 삼차원인 모양들로 금속 나노입자들을 제조하기 위해 견고한 DNA로 만든 작은 주조들을 만들었다고 하버드 의학 대학 시스템 생물학의 조교수인 이 논문의 선임 저자인 펭 윈 박사가 전했다.

"Casting Inorganic Structures with DNA Molds"라는 제목의 논문에서 묘사된 연구팀의 발견들은 사이언스 지에 최근 게재되었다. 이 연구는 이 논문의 선임 공동 저자인 마크 배쓰 박사가 이끄는 MIT 계산 생물학과 바이오물리 연구실과의 협력으로 수행됐다.

이 논문의 발견들은 DNA 나노기술과 유기 나노입자 합성에서 놀라운 진보를 묘사하고 있다. 최초로 사용자 특화된 3D 모양들을 가지고 무기 나노입자들을 제작하기 위해 일반화된 전략은 5나노미터 이하로 매우 정확하게 25나노미터 입자들을 만들 수 있었다. 종이 시트는 약 100,000나노미터 두께이다.

3D 무기 나노입자들은 컴퓨터 디자인 소프트웨어를 이용하여 최초로 계획되고 꼼꼼하게 계획되었다. 이 소프트웨어를 이용하여 연구원들은 예측할 수 있는 방법으로 또 다른 것을 끌어들이고 결합하는 선형 DNA 배열로 만들어진 요구된 크기와 모양의 삼차원 뼈대를 디자인한다.

수 년에 걸쳐, 과학자들은 다양한 전략들을 이용하여 DNA로 복잡한 3D 모양들을 만드는데 성공했다고 이 논문의 주저자이면 분자 시스템 연구실 박사후 연구원인 웨이 선이 말했다. 예를 들어, 2012년 연구팀은 어떻게 컴퓨터를 이용한 디자인이 완벽한 정확성을 가지고 수 백 개의 서로 다른 자기 조립된 일차원, 이차원, 삼차원 DNA 나노모양들을 만들기 위해 이용될 수 있다는 것을 보였다. 무기 물질에 대한 실재적인 주형이나 금형들로 이 DNA 구조들을 이용하려는 아이디어가 연구팀에게 영감은 준 것은 DNA 조작을 이용하여 임의의 나노구조들을 디자인하는 것이다.

문제는 금과 은과 같은 다른 다양하고 기능적으로 관련된 물질들 내에서 구조들을 주조하기 위해 이런 능력으로 이런 종류의 3D 지형적인 조절을 정확하게 옮기는 것이다.

모든 확장하는 물질에서 규정된 3D 형태로 만들기 위해 금형 내부에서 형성화될 수 있지만, 연구팀은 견고한 DNA 나노구조들의 구속된 텅빈 공간들 내부에 무기 입자들을 성장시키도록 설정했다.

이 개념은 유리 정육면체 내부에서 수박들을 성장시키는 일본식 방법과 연관지을 수 있다. 정육면체 모양 유리 상자 내부에서 익는 수박 씨들을 성장시켜 일본 농부들은 이 과일의 밀도있게 쌓여 운송과 저장을 효율적으로 할 수 있는 정육면체 모양으로 익은 수박들을 개발했다.

연구원들은 그들의 정성들여 디자인한 정육면체 모양 DNA 금형의 텅빈 공동 내부에 아주 작은 금 시드를 심었다. 활성화된 화학 용액을 이용하여 이 금 시드는 성장시키고 입자의 길이, 두께, 높이를 가진 금형이 독립적으로 조절될 수 있어 같은 크기로 입방형의 나노입자를 만들도록 DNA 뼈대 내부에 모든 존재하는 공간을 채우기 위해 확장되었다.

이후, 연구원들은 구조적으로 다양한 나노입자들이 복잡한 DNA 금형 디자인들을 이용하여 형상화될 수 있다는 것을 입증하기 위해 두 가지 구들 사이에서 겹쳐진 입방형으로 구조된 또 다른 구조와 3D Y-형 나노입자 등 수 많은 3D 다각형 모양, 구, 더 야심찬 구조들을 제조했다.

그들의 매우 작은 크기로 견고한 DNA 금형들이 비례적으로 꽤 단단하고 강하다는 놀라움은 무기 물질들을 확장하는 압력을 견딜 수 있다는 것이다. 연구팀이 그들의 나노입자들을 주조하기 위해 금 시드를 선택했지만, 이 DNA 나노주조 과정을 통해 강제적으로 형상화시킬 수 있는 무기 나노입자들은 다양하다.

매우 유용한 특성은 일반 주조되면 이 나노입자들은 인상적인 나노크기 정확성으로 부가적인 표면 개선을 할 수 있도록 외각 코팅으로 DNA 금형의 뼈대를 유지할 수 있다는 것이다. 또한 이 코팅은 과학자들이 이 금속의 신호 읽어내기와 DNA의 화학적인 특수성을 결합함으로써 초기 암과 유전 질병들을 감지하는 높은 민감성과 다양한 방법들을 개발하는데 도움을 줄 수 있다. 매우 작은 나노컴퓨터와 전자 회로들 내에서 전기 전도성이 더 높이는데 그들을 사용할 수 있는 입자들의 경우, DNA 뼈대 코팅은 빠르고 쉽게 파괴되고 순수 금속 와이어와 연결기를 만들도록 제거된다.

생명의 구성 요소를 자기 조립하고 암호화할 수 있는 DNA 특성은 무기 물질의 나노 제조를 위해 이용, 재목적화, 재가정화되어왔다. 이 능력은 컴퓨터 소형화에서 에너지와 병원균 감지에 이르기까지의 분야들에 전체적으로 새로운 전략들을 수립할 수 있게 해 줄 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』