인더뉴스 제해영 기자ㅣ국립부경대학교는 화학과 곽민석 교수 연구팀이 독일 RWTH 아헨공과대학교 안드레아스 헤르만 교수 연구팀과 함께 DNA 기반 초음파 분자 스위치 플랫폼을 개발했다고 4일 밝혔습니다.
이 기술은 초음파라는 힘 신호를 받으면 특정 분자 결합만 선택적으로 끊어지도록 설계된 DNA 기반 메카노포어 플랫폼입니다. 연구팀은 DNA 이중나선 구조를 활용해 초음파 에너지를 특정 분자 결합 부위에 집중적으로 전달하는 방식을 구현했습니다.
기존 고분자 기반 초음파 기계화학에서는 초음파 에너지가 고분자 사슬 전체로 분산되면서 목표 결합에 힘이 정확히 전달되지 않는 문제가 있었습니다. 또한 의도하지 않은 부위가 먼저 끊어지거나 반응 시간이 길어지는 한계도 나타났습니다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 구조적 안정성과 부분적 유연성을 동시에 갖춘 DNA 이중나선을 활용했습니다. DNA는 고분자보다 높은 구조적 안정성을 지니고 있어 초음파 에너지를 메카노포어 부위에 집중시키는 데 적합한 것으로 확인됐습니다.
연구팀은 메카노포어 양쪽에 각각 100bp에서 1000bp 길이의 DNA 가닥을 연결한 구조의 플랫폼을 설계했습니다. 실험 결과 충분한 길이인 250bp 이상의 DNA 구조에서 15분 이내에 메카노포어 영역 절단율이 99.9% 수준에 도달하는 성과를 확인했습니다.
DNA 염기서열 분석 결과 DNA 자체는 손상되지 않았으며 질량분석을 통해 절단 위치와 패턴도 정밀하게 규명됐습니다.
곽민석 교수는 “기존 고분자 메카노포어가 망치였다면 DNA 메카노포어는 수술용 메스에 가깝다”며 “이 기술이 기계화학 연구의 패러다임을 바꿀 가능성이 높다”고 말했습니다.
연구팀은 전산 계산 방법을 활용해 32종의 메카노포어 후보를 스크리닝하고 여러 구조를 실제 실험으로 검증해 반응성 차이를 분석했습니다.
또한 20kHz 실험용 초음파와 40kHz 세척기, 1MHz 미용기기 등 다양한 조건에서 플랫폼 작동을 확인했습니다. 특히 피부와 유사한 환경에서 진행한 1MHz 저강도 초음파 실험에서도 DNA 손상 없이 약 80% 이상의 선택적 절단이 안정적으로 이뤄졌습니다.
연구팀은 이 기술을 DNA 나노구조체와 나노입자 어셈블리 등 생체재료와 결합해 초음파 유도 약물 방출 시스템과 초음파 기반 바이오센서, 기계 자극 반응형 치료 소재로 확장할 계획입니다.
이번 연구 성과를 담은 논문 ‘DNA-mediated force transmission for precise and efficient mechanochemical activation’은 화학 분야 상위 5% 국제학술지 ‘Chem’에 게재됐습니다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노소재기술개발사업과 미래기술연구실, InnoCORE, 교육부 지역혁신 선도연구센터 사업 지원으로 수행됐습니다.
