“스위치 ‘딸깍’하면 목표 분자 결합 골라서 절단”

- 국립부경대·獨 RWTH 아헨공과대, DNA 기반 초음파 분자 스위치 개발

- 저강도 초음파에서도 선택적 절단 성공 … 약물 전달·바이오센서 응용 기대

DNA 기반 초음파 메카노포어의 새로운 가능성 제시

국립부경대학교 화학과 곽민석 교수 연구팀과 독일 RWTH 아헨공과대학교 안드레아스 헤르만(Andreas Herrmann) 교수 연구팀이 초음파라는 ‘힘 신호’를 받으면 특정 분자 결합만 골라 끊어지도록 설계한 DNA 기반 분자 스위치(메카노포어) 플랫폼(DNA-MP-DNA)을 개발했다.

이 기술은 기존 고분자 기반 초음파 기계화학에서 나타나던 낮은 반응 효율과 비특이적 절단 문제를 동시에 해결해 주목받는다.

기존에는 메카노포어를 유연한 고분자 사슬에 연결해 초음파를 전달했다. 하지만 고분자의 유연한 구조로 초음파 에너지가 분산돼 목표 결합에 힘이 정확히 전달되지 않는 한계가 있었고, 의도하지 않은 부위가 먼저 끊어지거나 반응 시간이 길어지는 문제가 발생했다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 구조적 안정성과 부분적 유연성을 동시에 갖춘 DNA 이중나선에 주목했다. DNA는 고분자에 비해 높은 구조적 안정성으로 초음파 에너지를 메카노포어 부위에 집중시키기에 적합하다.

15분 내 선택적 절단을 구현한 정밀 플랫폼 개발

연구팀은 메카노포어의 양쪽에 각각 100~1,000 bp(염기쌍) DNA 가닥을 연결한 구조의 플랫폼을 설계했다. 실험 결과 이 플랫폼은 충분한 길이(250 bp 이상)의 DNA 구조에서 15분 이내에 메카노포어 영역의 절단율이 99.9% 수준에 이르렀다. DNA 염기서열 분석으로 확인한 결과 DNA 자체는 손상되지 않았고, 질량분석으로 절단 위치와 패턴도 정밀하게 규명했다.

곽민석 교수는 “기존 고분자 메카노포어가 ‘망치’였다면, DNA 메카노포어는 세밀한 ‘수술용 메스’에 가깝다. 이 기술이 기계화학 연구의 패러다임을 바꿀 가능성이 높을 것으로 전망한다”라고 밝혔다.

다양한 메카노포어의 통합 플랫폼 가능

이 플랫폼은 서로 다른 구조의 메카노포어를 손쉽게 교체해 성능을 비교·평가할 수 있다는 큰 강점도 있다. 연구팀은 전산 계산(CoGEF 방법)으로 32종의 메카노포어 후보를 스크리닝하고, 이 중 여러 종을 실제 실험으로 검증해 구조에 따른 반응성 차이를 체계적으로 분석했다.

저강도 초음파에서도 안정 작동 … 바이오 응용 확대 기대

이와 함께 연구팀은 실험용(20 kHz), 세척기(40 kHz), 미용기기(1 MHz) 등 다양한 초음파 조건에서 플랫폼을 검증했다. 특히 피부와 유사한 환경에서 진행한 1 MHz 저강도 초음파 실험에서 DNA 손상 없이 약 80% 이상의 선택적 절단이 안정적으로 이루어져, 실제 의료용 초음파 조건에서도 활용 가능하다는 것을 확인했다.

연구팀은 이 플랫폼을 DNA 나노구조체, 나노입자 어셈블리 등 다양한 생체재료와 결합해 초음파 유도 약물 방출 시스템, 초음파 기반 바이오센서, 기계적 자극에 반응하는 스마트 치료 소재 등으로 확장할 계획이다. 이번 연구는 DNA 기술과 고분자 기계화학을 결합해 초음파로 분자 반응을 정밀하게 조절하는 새로운 연구 분야를 여는 기반을 마련한 점에서 의의가 크다는 평가가 나온다.

이번 연구 성과를 담은 논문 ‘DNA-mediated force transmission for precise and efficient mechanochemical activation’은 화학 분야 최상위권(상위 5%) 국제학술지 <Chem>에 게재됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업, 과학기술정보통신부 미래기술연구실과 InnoCORE, 교육부의 지역혁신 선도연구센터 사업의 지원으로 수행됐다.

붙임 1. (그림1) DNA 기반 초음파 메카노포어 플랫폼의 구조 및 작동 원리. 메카노포어(주황색)를 DNA 이중나선의 중앙에 삽입한 구조(DNA-MP-DNA)로, 초음파로 발생한 힘이 DNA를 매개로 전달돼 메카노포어 부위가 선택적으로 절단된다.

(그림2) 초음파 반응형 DNA-메카노포어-DNA 구조 개념도

2. (사진) 왼쪽 곽민석 교수(교신저자), 김규린 GIST 박사후연구원(제1저자)