화학자들이 수소 결합 없는 복잡한 DNA 구조를 만들어내다

글: 레이첼 해리슨Rachel Harrison, 뉴욕대학교

오른쪽 방향과 왼쪽 방향 DNA 타일(각각 파란색과 분홍색)을 혼합하면 모양과 쌓임 방식에 따라 대칭적인 층이 생성된다. 사진 제공: 사이먼 베키오니

 
"끈적한 끝부분sticky ends"이 없다고? 문제없다.

뉴욕대학교 화학과 연구진 새로운 연구에 따르면 DNA 타일은 수소 결합의 접착력 없이도 3차원 구조로 조립될 수 있다.

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표된 이 연구 결과는 DNA 자가 조립 분야의 근본적인 패러다임을 뒤집는다.

뉴욕대학교 화학과 연구원이자 연구 저자인 사이먼 베키오니Simon Vecchioni는 "DNA 가닥 사이의 계면 모양을 바꾸면 조립 결과가 달라진다는 것을 발견했다. 이는 간단한 설계로 복잡한 물질을 얻을 수 있음을 보여주는 사례다"고 말했다.

고(故) 네드 시먼Ned Seeman 뉴욕대학교 화학과 교수는 합성 DNA 가닥을 구성 요소로 사용해 복잡한 구조를 조립하는 DNA 나노기술 분야를 창시했다.

시먼은 DNA가 스스로 삼각형 3차원 구조로 조립될 수 있으며, 각 DNA 이중 나선 끝에 "점착성 말단sticky ends"을 추가하면 이 삼각형 말단들이 수소 결합hydrogen bonds을 통해 서로 연결되어 결정 구조를 형성할 수 있다는 사실을 발견했다.

시먼은 이러한 DNA 분자와 점착성 말단의 조합이 "구조적 DNA 나노기술을 위한 강력한 분자 조립 키트"를 만든다고 설명했다.

뉴욕대(NYU) DNA 연구실 시먼 연구팀은 이번 연구에서 이 기초 지식을 바탕으로 새로운 연구를 진행했다. 수소 결합을 하는 점착성 말단을 사용하는 대신, DNA 모양만으로도 퍼즐처럼 조립될 수 있다는 것을 밝혀냈다.

베키오니는 "퍼즐 조각들을 맞출 때 접착제가 필요 없는 것처럼, 이 연구 핵심인 삼각형 모양은 점착성 말단 없이도 스스로 조립되는 능력이 탁월하다"고 말했다.

연구진은 DNA의 2차원 소단위체 기하학적 구조와 각 이중 나선 끝부분의 평평한 계면을 활용해 DNA로만 이루어진 복잡하고 다양한 3차원 구조물의 놀라운 라이브러리를 만들어냈다.

그 결과 생성된 구조물 중 상당수는 새로운 형태와 모양을 지니며, 새로운 비틀림, 반전, 회전 등의 특징을 보였다.

뉴욕대 화학과 선임 연구원이자 이번 연구 저자인 루오지에 샤Ruojie Sha는 "우리는 만들어내는 물질의 복잡성을 크게 높였다"고 말했다.

"특정한 기하학적 구조와 계면을 지닌 타일을 배치하고 자연이 최적의 결과를 찾아내도록 했습니다. 이러한 방식으로 우리는 자연의 컴퓨팅 방식을 통해 배우고 있습니다."
 

복잡한 DNA 구조는 마치 모르타르 없이 벽돌을 잘 쌓아 올리듯 삼각형 단위들을 쌓아 올려 만들어진다. (사진 제공: 사이먼 베키오니)

 
특히, 연구진은 전통적인 "오른손잡이" DNA와 소위 "왼손잡이" DNA(미러 DNA) 사이의 조립 결과를 제어할 수 있다는 사실을 발견했다. (DNA 나선은 오른쪽으로 꼬이지만, 합성된 왼손잡이 DNA는 왼쪽으로 꼬이도록 만들 수 있다.)

연구진은 평면 적층 계면에서 변화를 줌으로써 왼손잡이 DNA와 오른손잡이 DNA가 서로 만나지 않도록 하거나, 섞이도록 하거나, 층상 구조를 형성하도록 할 수 있었다.

본질적으로, 미러 DNA가 동일한 3차원 구조 내에서 서로 소통하고 공존하도록 유도한 것이다.

베키오니 연구원은 "결과적으로 우리는 거울처럼 대칭적인 물질을 만들 수 있게 되었다. 하지만 근본적으로, 우리는 거울 세계와 우리 세계 사이에서 정보를 교환하는 방법을 발견했다"고 말했다.

"이는 거울 생명체에 대한 논쟁을 잠시 미뤄둘 수 있다는 것을 의미합니다. 왜냐하면 우리는 실제로 일상적인 분자를 사용하여 거울 분자로부터 정보를 얻을 수 있기 때문입니다."

이번 연구 결과는 DNA를 이용해 점점 더 복잡한 물질을 만들 수 있음을 보여주며, 광학, 전자 및 생의학 기술에 혁명을 일으킬 수 있는 미래의 DNA 기반 물질에 대한 토대를 마련했다.

예를 들어, DNA 결정은 대부분 물로 구성되어 있기 때문에 고도로 연결된 구조를 통해 생체 분자가 드나들 수 있으며, 이는 바이오센서나 약물을 개발하는 데 특히 유용할 수 있다.


Publication details
Karol Woloszyn et al, Blunt-force assembly of programmable DNA architectures using π–π stacking, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-69973-1 

Journal information: Nature Communications 
Provided by New York University 
 
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이 아티클은 내 이해에 자신이 없으니 원문을 참고하셨으면 한다.