<윤성훈 과학기술정보통신부 기초연구진흥과장>
안녕하십니까? 기초연구진흥과장 윤성훈입니다.

김현옥 융합기술과장이 출장 중인 관계로 제가 대신해서 소개드리겠습니다.

오늘 브리핑할 내용은 내일 네이처지에 게재 예정인 연구성과이며, 연구책임자인 김도년 교수님이 발표해주시겠습니다.

김도년 교수님은 서울대학교 기계공학부 소속으로 계시며, 오늘 발표할 성과는 과기정통부의 과학난제도전 융합연구개발사업에서 지원하였습니다.

과기정통부는 기존 연구에서 풀지 못했거나 시도하지 못했던 과학난제를 새로운 초융합을 통해 도전적·혁신적 과학기술 성과를 창출할 수 있도록 지원하고 있습니다.

연구과제를 수행하신 서울대학교 김도년 교수님께서 상세 연구성과를 설명해주시겠습니다.

감사합니다.


<김도년 서울대학교 교수>
안녕하세요? 방금 소개받은 서울대학교 김도년입니다.

오늘 연구성과에 대해서 간략하게 말씀드리도록 하겠습니다.

저희가 개발한 연구성과는 종이접기 하듯이 하나의 구조체를 다양한 모양으로 접거나 펼 수 있는 그러한 DNA 나노기술을 개발한 연구입니다.

잘 아시는 것처럼 종이접기는 더 이상 취미가 아니라 이제는 완전히 새로운 기계요소기술로서 패러다임이 진화되고 있습니다.

환경 변화와 목적에 맞게끔 적합한 구조 변화를 통해서 필요한 기능을 구현할 수가 있고, 이렇게 하면 가벼우면서도 또 높은 강성을 가질 수 있고, 또 높은 밀도를 가지면서도 원하는 기능에 따라서, 환경에 따라서 전개를 하면서 다양한 기능을 수행할 수 있기 때문에 이러한 종이접기 공학이라는 것들이 새로운 기계요소기술로서 완전히 자리를 잡고 있습니다.

이러한 기술이 주목받는 이유 중의 하나는 메커니즘 자체가 스케일에 제한을 받지 않는 점도 있습니다. 그래서 저희가 수십 m에서 수백 m에 달하는 우주 구조체의 어떤 전개 구조를 만든다, 라든지 아니면 자동차의 상황에 따라서 휠의 크기가 바뀌는 가변 휠이라든지, 아니면 mm나 cm 크기의 아주 초소형 로봇들을 만드는 데 있어서도 이런 동일한 메커니즘을 그대로 사용할 수가 있게 됩니다.

하지만 저희가 나노스케일에 있어서는 이러한 기술을 구현하는 데 어떤 제한적인 것들 때문에 많이 활용이 되지 못하고 있었습니다.

나노스케일에서도 역시 진단이라든지 그다음에 치료라든지 나노센서라든지 이런 여러 가지 목적을 위해서 자극에 반응하여 특정 기능을 수행하는 나노로봇 관련 연구가 여러 형태로 확대가 되고 있습니다.

하지만 지금까지의 연구들은 단순한 구조 변화에만 국한이 되어 있어서 제한적인 기능만 수행할 수 있다, 라는 그런 한계점들이 있었습니다.

그래서 이러한 종이접기 메커니즘과 같은 매크로 스케일에서 사용돼왔던 이런 메커니즘들을 어떻게 나노스케일에서 구현이 가능할까 하는 것들이 어떻게 보면 공학적으로 풀어내야 하는 난제로서 계속 사람들이 연구를 해오고 있었습니다.

이런 것들을 하기 위해서는 나노스케일에서 아주 정확하게 어떤 구조들을 만들어내고 어떤 특정한 움직임을 발현시킬 수 있는 그런 기술이 필요합니다.

그 대표적인 기술 중의 하나가 여기 보시는 DNA 나노기술입니다. DNA 나노기술은 높은 염기특이적 상보결합성을 활용하여 원하는 모양의 구조체를 정밀하게 만드는 기술입니다.

잘 아시는 것처럼 DNA는 4개의 염기로 이루어져 있고, 각각의 염기들이 특별한 염기쌍을 이루게 됩니다. 그래서 저희가 어떤 DNA의 염기서열이 있다면 이 주어진 DNA 염기서열의 어떤 가닥에 결합할 수 있는 그러한 단 하나의 염기서열이 존재하게 됩니다.

쉽게 생각해보시면 20개의 염기로 이루어진 짧은 DNA라 하더라도 약 1조 개의 서로 다른 종류의 염기서열이 존재할 수 있고요. 이 중에 한 개만이 특이적으로 결합을 하기 때문에 아주 정밀하게 저희가 구조체를 만들 수 있는 그러한 장점이 있습니다.

이런 나노기술을 이용해서 구조체를 제작할 수 있는 가장 대표적인 방법 중의 하나가 DNA origami라는 기술입니다. 이 기술은 7,000~8,000개의 긴 염기로 구성되어 있는 DNA 가닥을 짧은 DNA 가닥으로 접어서 다양한 2차원 또는 3차원 구조를 만들어내는 기술입니다.

여기 보시는 것처럼 다양한 2차원 또는 3차원 형태의 모양들을 만들어낼 수 있다, 라는 것들이 기존 연구에서 많이 활용이 되어왔었는데요. 하지만 여기에 앞에서 보여주었던 그런 종이접기와 같은 메커니즘이 실제로 구현된 사례들은 없었습니다.

그래서 저희가 이제 계속 고민했었던 연구는 어떻게 하면 이 나노스케일에서 종이접기 메커니즘, 즉 움직임이나 변형을 구현할 수 있을까, 하는 것들을 저희가 계속 고민을 해왔었고 그 연구에 대한 성과들이 이번 DNA, 이번 네이처지의 표지 논문으로 선정이 되어서 내일 게재가 될 예정입니다.

그래서 저희 연구가 어떻게 보면 종이접기 공학을 나노스케일에서 새롭게 구현해낼 수 있는 새로운 어떤 출발점을 제안한 그런 연구성과라고 생각을 해주시면 될 것 같습니다.

실제 이 논문 말고도 저희가 비전문가들이 조금 더 이해할 수 있는 그런 쉬운 영어로 2페이지로 간단하게 요약한 그런 article도 함께 게재가 될 예정입니다. 그래서 관련된 내용들은 함께 참조를 해주시면 될 것 같습니다.

그러면 지금부터는 저희 연구에서 이러한 것들을 구현하기 위해서 사용했었던 핵심적인 아이디어와 간단한 내용들을 조금 더 설명드리도록 하겠습니다.

핵심 아이디어는 결국은 이런 종이접기를 어떻게 나노스케일에서 구현할 것인가, 그래서 처음에는 저희가 DNA를 가지고 실제 종이와 같은 구조를 만들려고 노력을 했었습니다. 그런데 그렇게 만들게 되면 접는 것들이 너무 힘들어집니다.

그래서 저희가 생각한 핵심적인 아이디어는 종이접기 패턴, 그러니까 저희가 종이를 접을 때 어떻게 접을지를 미리 표시를 해줄 수가 있겠죠. 그러한 패턴들을 우리가 종이접기 패턴이라고 한다면 그 종이접기 패턴의 형태대로 어떤 DNA들을 배열해서 2차원 구조체를 만드는 겁니다.

그래서 저희가 이러한 어떤 DNA 종이접기 패턴을 따라가는 DNA 구조체를 'DNA 와이어프레임 종이'라고 새롭게 이름을 붙였습니다.

이렇게 만들어진 DNA 종이에다가, 종이를 저희가 원하는 부분을 선택적으로 만약에 조절할 수가 있다면 이렇게 다양한 형태로 형상 변화를 구현할 수가 있게 되는 그런 원리입니다.

이를 하기 위해서는 DNA 와이어프레임의 어떤 종이가 변을 따라서 접거나 펼 수 있도록 유연한 힌지 구조들을 구현할 수 있어야 됩니다.

이걸 하기 위해서 저희는 특정 주기로 DNA들을 연결해서 힌지와 같은 유연한 구조들을 구현했습니다.

저희가 만약에 두꺼운 종이를 가지고 종이접기를 한다 그러면 너무 두껍게 돼서 잘 안 접히겠죠. 그래서 그 종이에다가 구멍 같은 것들을 잘 뚫어서 조금 더 유연하게 만드는 그러한 것과 비슷한 원리라고 생각을 해주시면 될 것 같습니다.

그리고 이거를 접기 위해서는 접을 수 있는 새로운 메커니즘이 필요한데요. 이걸 접기 위해서 저희가 접는 선의 수직한 방향으로 주름 손이라고 하는 DNA 가닥들을 배열하게 됩니다.

그러면 이 주름 손에 상보 결합할 수 있는 DNA 가닥, 여기에 보시는 접힘 가닥이라고 돼 있는 이런 DNA 가닥들은 이 각각의 손에 상보 결합할 수 있는 염기서열을 가지고 있고요. 그러면 이러한 접힘 가닥을 집어넣어 주게 되면 이 주름 손들을 서로 잡아당겨서 전체 구조가 접힐 수 있는 그러한 형태의 메커니즘을 구현해낼 수가 있습니다.

또 구조체를 펼칠 때는 펼침 가닥이라고 하는 접힘 가닥에 조금 더 강하게 결합을 하려고 하는 새로운 DNA 가닥을 넣어주게 되면 원래 결합이 됐던 접힘 가닥을 뜯어내면서 다시 구조체가 펼쳐지는 이러한 원리로 저희가 DNA 와이어프레임 종이라는 것을 접었다 펼쳤다 하는 그러한 종이접기 메커니즘을 구현할 수가 있게 됩니다.

저희가 이러한 방식을 사용하면 여기 보시는 것처럼 하나의 구조체, DNA 종이접기와 같은 하나의 구조체를 만들어서 다양한 방향으로 접음으로써 우리가 수직으로 접을 수도 있고 대각선으로 접을 수도 있고요. 콘으로 접는 등 여러 가지 형태의 조합을 통해서 다양한 모양으로 접힐 수 있도록 저희가 설계가 가능하다는 것을 보여주었습니다.

또한, 이러한 접고 펼치는 과정이 매우 안정적으로 반복이 가능하고요. 이를 위해서는 이 종이의 두께가 상당히 유연하거나 너무 유연하지 않고 또 너무 강하지 않도록 최적화를 시켜서 이러한 과정들이 안정적으로 반복할 수 있도록 저희가 기술개발을 통해 이런 안정적인 반복이 가능한 구조체의 개발도 할 수가 있었습니다.

이러한 어떤 DNA 와이어프레임 구조체를 이용하게 되면 자극의 종류에 따라서 하나의 구조가 서로 다른 모양으로 접힐 수 있도록 설계도 가능합니다.

그래서 저희가 하나의 종류의 접힘 가닥을 집어넣었을 경우에는 이렇게 수직한 형태로 반으로 접히게 할 수도 있고요. 또 다른 종류의 접힘 가닥을 넣게 되면 대각선 형태로 접힌다든지 서로 다른 형태로 접힐 수 있도록 저희가 동시에 구현이 가능합니다.

이게 DNA나 이런 분자 같은 것들만 넣어서 할 수 있는 것들이 아니라 빛이라든지 pH와 같은 환경 변화를 통해서도 접힘 또는 펼침이라는 과정들을 충분히 제어가 가능합니다.

그래서 아까 말씀드렸던 주름 손이란 부분에 산염기에 의해서 결합이 조절되는 그러한 분자들을 사용하거나 아니면 아조벤젠과 같은 DNA 결합을 자외선이나 가시광선과 같은 광원에 따라서 그런 DNA 결합을 방해하는 그런 분자를 같이 넣게 된다면 저희가 외부에서 빛과 같은 자극을 통해서 이러한 접힘과 펼침의 변형들을 손쉽게 제어를 할 수가 있게 되는 것도 함께 보여주었습니다.

또한, 현재 종이 자체가 상당히 작죠. 그래서 더 많은 더 다양한 구조를 만들어내기 위해서 저희가 이 기준이 된 종이들을 모아서 더 큰, 더 넓은 종이를 만들 수가 있습니다.

그래서 이렇게 계층적으로 조립한 더 큰 와이어프레임 종이를 만들고 나면 여기 보시는 것처럼 훨씬 더 다양한 형태의 종이접기들을 저희가 실제 구현할 수 있는 거죠.

그래서 저희가 실제로 취미로 했었던 여러 가지 종이접기의 형태들, 그런 모양들을 이런 2차원상에서 상당히 폭넓게 구현할 수 있다, 라는 것도 저희가 실험적으로 확인을 할 수가 있었습니다.

이러한 기술들은 사실은 다양한 형태의 나노센서라든지 나노로봇이라든지 여러 가지 형태로 활용될 가능성이 있습니다.

저희가 논문에서는 나노센서에 활용할 수 있는 몇 가지 가능성에 대해서 여러 가지 탐구한 결과도 보여드렸는데요.

한 예시로 암이라든지 알츠하이머라든지 이러한 질병과 관련된 대표적인 인자로 나와 있는 마이크로 RNA의 검출을 이런 DNA 나노구조체를 가지고도 할 수가 있습니다.

그래서 알츠하이머에 특화된 표지인자인 마이크로 RNA와 또 유방암에 특화된 마이크로 RNA들이 왔을 때 서로 다른 방향으로 접히게 함으로써 그것들을 저희가 진단하고 검출해낼 수 있는 그러한 방식으로도 활용할 수가 있고요.

또 여기에 접힘 상태에 따라서 빛을 내는 형광분자를 넣게 되면 이러한 어떤 접힘과 펼침의 그 과정들을 실시간으로 저희가 형광색의 변화들을 통해서 확인할 수도 있게 됩니다.

그래서 이러한 것들을 통해 진단이라든지 빠른 검출이라든지 이런 것들을 가능하게끔 하는 데도 활용이 될 수 있을 것으로 생각을 하고 있습니다.

그래서 정리해서 말씀을 드리면 이번 연구성과는 저희가 DNA 나노기술을 이용해서 나노스케일에서 종이접기 메커니즘을 구현한 어떻게 보면 최초의 사례라고 보실 수 있습니다.

이러한 DNA... 종이접기 메커니즘은 DNA나 RNA와 같은 그런 분자뿐만 아니라 빛, pH 등 다양한 자극으로 여러 가지 변형의 유도가 가능합니다.

저희가 현재는 2차원 구조에 국한이 되어 있지만 이를 3차원 구조로 확장하는 그런 연구를 계속 진행하고 있고요. 이게 3차원 구조까지 기술 개발이 성공적으로 이루어진다면 저희가 새롭게 종이접기 나노공학이라는 그런 새로운 패러다임을 확립할 수 있는 그러한 기술로, 기술이 될 것으로 예상을 하고 있습니다.

이러한 종이접기 메커니즘은 저희가 우주탐사구조체처럼 어떤 주어진 목표까지 이동하고 도착해서 전개해서 어떤 임무를 수행하는 그러한 여러 가지 구조체를 만드는 데 있어서 종이접기 메커니즘은 활발하게 활용이 되고 있습니다.

저희가 개발한 기술은 어쩌면 나노스케일에서의 또 다른 미지의 세계인 세포를 탐사하는 데 있어서 이런 다양한 기능들을 수행할 수 있는 그러한 구조체를 만드는 데 새로운 역할을 할 수 있지 않을까, 그렇게 생각을 합니다.

이상으로 이번 연구성과에 대한 브리핑을 간단히 마치도록 하겠습니다.

감사합니다.


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> (사회자) 뉴시스 기자님 질문인데요. 나노 크기에서 하나의 구조체가 다양한 모양으로 변형하기 어려운 이유는 무엇인지 설명해주시기 바랍니다. 그리고 이런 기술이 나노센서와 나노로봇 등에 파급효과를 줄 수 있다고 자료에 나와 있는데 구체적으로 어떻게 접목되는지 설명 부탁드립니다.

<답변> (김도년 서울대 교수) 감사합니다. 나노스케일에서 어떤 움직임을 구현하는 것 자체가 어렵다기보다는 어떤 움직임을 구현하려고 하는 여러 가지 다양한 메커니즘이 있을 수 있습니다. 그런데 그러한 메커니즘을 어떻게 구현할 것인가, 정밀하게 어떻게 설계를 하고 어떻게 이러한 구조들을 배열을 해서 만들어낼 수 있을까, 구현할 수 있을까 하는 것들이 상당히 어려운 부분이었습니다.

그래서 많은 연구자들이 매우 간단한 메커니즘, 예를 들어서 어떤 박스 같은 모양을 만들고 어떤 자극이 들어오면 그런 박스가 열려서 안에 있는 물체가 나온다, 라든지 이러한 형태, 매우 단순한 구조적인 변화들을 나노스케일에서 구현해왔던 사례들은 많이 있었습니다.

하지만 이런 종이접기 메커니즘이라고 하는 것은 사실은 저희가 실생활에서 보고 있는 매크로 스케일에서도 기존에 각각의 기능을 하는 구조체를 하나로 만드는 것이 아니라 목적에 맞게끔 다양한 기능을 수행할 수 있는 그런 구조체를 만드는 데 있어서 활용되었던 대표적인 새로운 분야 중의 하나입니다.

그런데 이게 나노스케일에서 구현을 하려면 그만큼 정밀한 형태로 이런 분자들을 만들고 구조체를 만들어서 움직임을 구현할 수 있어야 되는 거죠. 그런데 그런 것들이 기존에는 불가능했지만 저희가 이번에 종이접기 패턴을 따라서 구조체를 배열하고 그것들이 움직일 수 있는 여러 가지 구조적인 강성이라든지 특징들을 정확하게 설계할 수 있는 그런 기술개발을 통해서 현재 이와 같은 다양한 구조를 만들어낼 수 있는 기술개발이 이루어졌다고 생각을 하고 있습니다.

그리고 이러한 것들이 사실 다양한 나노센서나 나노로봇 같은 기술에 적용이 될 수 있다고 말씀드렸었는데요. 기존에는 말씀드린 것처럼 간단한 구조 변형만 가능하기 때문에 어떤 특정 하나의 기능만 수행하는, 거기에 특화된 구조들을 만들어야 되고 그것들을 여러 개를, 다양한 기능을 하는 구조를 만들려면 여러 개 구조를 만들어야 되는 어떤 제한 사항들이 있었습니다.

하지만 저희가 이번에 개발한 종이접기 메커니즘을 성공적으로 더 확장할 수 있다면 하나의 구조체가 상황에 따라서 여러 가지 형태로 변화를 하면서 어떤 기능을 수행할 수 있는 그러한 형태로 발전시킬 수 있기 때문에 어떻게 보면 새로운 형태의 나노로봇이나 센서로서의 활용이 가능하다고 저희는 기대를 하고 있습니다.

<질문> (사회자) 지디넷 기자님 질문인데요. 보도자료 2쪽의 세 번째 단락에 보면 예를 들어서 질병과 관련된 마이크로 리보핵산의 종류에 따라 DNA 와이어프레임 종이가 다른 모양으로 접히도록 설계함으로써 다양한 마이크로 리보핵산의 검출이 동시에 가능한 센서로의 활용 가능성을 보여주었다, 라는 내용이 있는데 이 내용이 RNA 종류에 따라 종이가 다르게 접히니까 여러 종류의 RNA를 검출할 수 있다는 의미인지, 아니면 여러 종류의 RNA를 동시에 검출할 수 있다는 내용인지 자세하게 설명을 다시 한번 부탁드린다고 합니다.

<답변> (김도년 서울대 교수) 이 마이크로 RNA 같은 경우에는 서로 다른 종류의 마이크로 RNA라는 얘기는 결국 서로 다른 염기서열을 가지고 있는 RNA라고 보시면 될 것 같고요. 그러면 저희가 DNA 종이접기 메커니즘이라는 거는 결국은 하나의 구조체를 가지고 어느 부분을 접을 것인지 저희가 선택적으로 설계할 수 있다는 내용입니다.

그래서 저희가 DNA 종이를 설계할 때 각각의 RNA가 결합할 때 접히는 부분이 서로 다르게끔 저희가 설계를 하게 되면 하나의 구조체를 가지고도 여러 개의 마이크로 RNA들을 동시에 검출할 수 있는 그러한 형태로 활용할 수 있다고 생각해주시면 될 것 같습니다.

<질문> (사회자) 연합뉴스 기자님 질문입니다. 기존에도 DNA origami 연구들이 계속 나오고 있었는데 이번 연구에서는 어떤 면에서 기존 연구와 다른 특이성을 인정받아서 네이처에 실리게 됐다고 보면 되는지 설명 부탁드립니다.

<답변> (김도년 서울대 교수) 말씀해주신 것처럼 DNA 나노기술, 또 특히 DNA origami를 이용한 여러 가지 구조체의 개발기술들은 지난 한 15~20년 정도 상당히 오랫동안 꾸준히 연구되어 왔던 기술들입니다. 그래서 매우 다양한 모양들을 만들어낼 수 있고, 그리고 또 제한적이나마 어떤 움직임을 동적인 구조의 변형을 구현하고자 하는 기술들은 계속 개발되어 왔고 성과들이 발표가 되어 오고 있었는데요.

저희가 이번에 제안한 이러한 기술 같은 경우에는 하나의 구조체가 사실은 여러 개의 다양한 모양으로 변할 수 있는 그러한 메커니즘들이 다양하게 있을 수는 있지만 우리가 이미 잘 알고 있는, 그리고 실제로 실생활에서도 또 여러 가지 로봇이나 우주발사체와 같은 그런 구조물을 설계하거나 제작하는 데 있어서 많이 활용되고 있는 그런 종이접기라고 하는 그런 종이접기 공학 자체를 이제 나노스케일에서도 구현할 수 있는 그런 새로운 방법들을 제안을 했다, 라는 점에서 어떤 성과를 인정받은 것 같습니다.

그래서 그러한 방법론들을 새롭게 제안했기 때문에 기존의 기술들과 결합을 시켜서 다양한 형태로 발전 가능성이 있을 것으로 생각이 되고요. 그런 점들이 어떻게 보면 인정을 받아서 네이처지에 게재되는 성과를 올릴 수 있었다고 생각을 합니다.

감사합니다.

<끝>

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