은 나노입자와 DNA 오리가미 기술 발전, DNA 조립과 나노 제조 효율 개선

새로운 연구가 DNA 구조의 조립과 제조를 진전시키고 있다. 일본 과학자들은 은 나노입자 기반의 DNA 절단 및 접합 방법을 개발했고, 텍사스 연구진은 DNA 오리가미가 더 안정적으로 접히게 하는 설계 원리를 밝혀냈다. 일본의 기술은 DNA 조립 효율을 2~5배 향상시키며 살아있는 세포에서도 작동하는 것으로 확인됐다. DNA 오리가미 연구 결과는 나노 규모 물질을 더 빠르고 쉽게 생산할 수 있게 할 수 있다.

은 나노입자 접합 방법은 나고야대학과 기후대학 연구진이 개발했으며 'Nucleic Acids Research'에 게재됐다. 전통적인 DNA 접합은 제한 효소와 점착성 말단에 의존하지만, 이러한 효소는 종종 정밀도가 부족하고 최적이 아닌 접합을 만들어낸다. 일본 연구팀은 대신 은 나노입자를 이용한 화학 반응을 사용했다. 이는 1990년대에 3′-티올 변형 DNA를 절단하기 위해 은 이온을 사용했던 연구에 기반을 두지만, 비특이적 결합으로 인해 회수율이 14%에 불과했다. 이온 대신 나노입자를 사용함으로써 연구진은 원심분리로 은을 제거할 수 있었고, 회수율을 크게 개선했다.

초기 시도에서는 또 다른 난관에 부딪혔다. 높은 절단 효율을 달성하려면 DNA를 손상시키는 온도와 시간이 필요했다. 70°C에서 DNA는 50%의 효율만 달성했고, 95°C에서 100%에 가까운 효율에 도달하려면 2시간이 걸렸다. 은 나노입자를 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 코팅하면 37°C에서 2시간 동안 효율이 36%에서 92%로 증가했다. 최적화 후 연구팀은 50°C에서 1~2시간 내에 91% 이상의 절단 효율을 달성했다. 새로운 기술은 DNA 조립 효율을 2~5배 향상시킨다. 연구진은 살아있는 세포에 DNA 단편을 성공적으로 도입하여 녹색 형광 단백질 유전자의 발현을 확인했다. 다음 목표는 다양한 서열에서 재현성을 검증하고, 더 긴 DNA로 확장하며, 키트 형태의 프로토콜을 개발하고, 게놈 규모의 DNA 조립, mRNA 라이브러리, 치료 단백질을 코딩하는 장쇄 DNA로 기술을 확장하는 것이다.

별도의 연구로, 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스 연구진은 'Small' 저널에 발표한 논문에서 설계 선택이 DNA 오리가미 접힘에 어떤 영향을 미치는지 체계적으로 분석했다. DNA 오리가미는 DNA 가닥이 프로그램 가능한 모양으로 자가 조립되는 기술이다. 실시간 형광 측정, 전자 현미경, 이론 모델링을 통해 연구진은 구조가 올바르게 조립되는지 결정하는 에너지 힘을 확인했다. 접힘은 유리한 DNA 결합 상호작용과 루프 형성과 관련된 불리한 에너지 비용 사이의 균형에 달려 있다. 또한 연구팀은 조립 중 구조의 서로 다른 부분이 서로에게 영향을 미치는 방식인 '협동성'이 중심적인 역할을 한다는 것을 발견했다. 설계에서 나선 간 연결 수를 줄이면 협동적 거동이 증가하고 접힘 수율이 개선되는 반면, 단순히 가닥 간 결합을 강화하는 것은 엔트로피 비용을 초래하기 때문에 덜 효과적이다.

이 작업의 일환으로 연구진은 지금까지 만들어진 것 중 가장 작은 Longhorn 로고를 제작했다고 밝혔다. 이는 완전히 DNA로 만들어진 구조로, 약 100나노미터 폭에 2나노미터 두께다. 머리카락 두께보다 수천 배 작으며, 모래알 하나의 부피에 약 1,000만 개의 작은 Longhorn이 들어갈 수 있다. 연구팀은 또한 실용적인 개선을 입증했다. 전통적인 며칠에 걸친 공정 대신 1~2시간 동안 지속되는 더 짧고 집중적인 가열·냉각 과정을 사용하여 조립 수율을 최대 17% 향상시키고 2시간 이내에 수백만 개의 사본을 제작했다. 이 연구 결과는 더 높은 효율과 신뢰성을 가진 DNA 나노구조를 설계하기 위한 더 명확한 프레임워크를 제공하며, 의학, 전자, 재료 과학 분야의 응용을 가속화할 수 있다.