한미 공동연구진이 가뭄이 들면 논바닥이 갈라지는 현상에 착안, 물을 품은 DNA 박막 위 DNA 균열을 원하는 대로 만들어 낼 수 있는 기술을 개발했다. 균열 안에 온열소재, 적외선 발광체 등을 넣어 기능성 바이오 소재를 제작, 스마트 헬스케어 분야에 활용할 수 있을 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 윤동기 화학과 교수, 유승화 기계공학과 교수, 박순모 미국 코넬대 화학공학과 박사팀이 이같은 성과를 냈다고 29일 밝혔다.
DNA는 두 가닥이 서로 꼬인 이중나선 사슬 구조로, 사슬과 사슬 사이는 2~4나노미터(㎚) 주기의 규칙적인 모양을 구조다. 구조를 변경하려면 매우 복잡한 설계과정이 필요하고, 특히 염기서열이 조절된 값비싼 DNA를 이용해야 하는 단점이 있었다.
연구팀은 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 1000배 이상 저렴한 비용으로 마치 DNA를 수채화 물감과 같이 사용해 그림을 그리듯 정렬시켰다. 또 3D 프린터로 지름이 2㎚인 DNA 분자들을 원하는 방향으로 정렬시키고 말려 얇은 막을 만들었다.
여기에 유기 용매 방울을 떨어뜨리면 끓는점이 낮은 유기 용매가 DNA 내 수분을 빼앗아 균열이 형성되는 현상을 관찰했다.
이때 DNA 사슬 끝부분보다 물을 많이 품은 옆면에 더 많은 수축이 일어나 사슬 방향으로 균열이 형성됐다. 이 균열도 원하는 방향으로 조절할 수 있었다.
균열에 다양한 기능성 소재를 채워 넣는 공정이 가능하다. 온열 소재의 경우 겨울에 따뜻하게 하고 적외선 발광체를 넣으면 탈모나 피부케어 등에 응용된다. 기능성을 부여해 향후 다양한 기능성 바이오 소재 및 헬스케어 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
윤동기 교수는 “자연의 현상을 그대로 따라 구현했다”며 “반도체 패턴만큼이나 작은 DNA 빌딩블록 기반 미세구조 패턴을 제조한 것으로 환경친화적인 면을 고려할 때 그 의의가 더 크다고 할 수 있다”고 언급했다.
유승화 교수는 “DNA 필름 수축 과정에서 발생하는 균열과 DNA 배열 패턴 사이 관계를 고체역학 이론에 기반한 시뮬레이션으로 명확하게 분석하고 예측할 수 있었다”며 “DNA 필름에 국한되지 않은 다양한 이방성 소재에서의 균열 제어와 패터닝 기술 발전에 기여할 수 있는 토대를 마련했다”고 밝혔다.
이소은 KAIST 화학과 석사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈' 3월 15일 자 온라인 판에 게재됐다
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 중견연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
