연세대학교(총장 윤동섭) 생명시스템대학 노영훈 교수(생명공학과), 양성욱 교수(시스템생물학과)팀이 덴마크 로스킬레대, 영국 옥스퍼드대, 미국 코넬대와의 공동연구를 통해 DNA 나노 접착제(DNA Nanoglue) 기술을 개발했다. 이 기술은 은 나노클러스터를 분자 접착제로 활용해 DNA 나노구조체를 연결하는 방식이다. 이번 연구로 생체 내에서 쉽게 분해되던 DNA 나노구조체의 안정성을 크게 높이면서도 DNA 고유의 설계 기능은 그대로 유지할 수 있는 새로운 전략이 제시됐다.

DNA는 염기서열을 이용해 원하는 모양과 기능을 설계할 수 있어 약물 전달, 바이오센싱, 생체 영상 등 다양한 바이오 분야에 활용되고 있다. 하지만 시험관과 달리 실제 생체 환경에서는 DNA 나노구조체가 쉽게 느슨해지고 분해돼 안정적으로 유지하기 어렵다. 이를 보완하기 위해 코팅이나 광물화 등으로 구조체 전체를 보호하는 방법이 사용돼 왔지만, 구조체의 질량이 늘고 표면 특성이 달라져 DNA가 가진 결합 및 반응 기능을 활용하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 DNA 나노구조체 전체를 덮는 대신 특정 지점만 선택적으로 연결하는 방법을 개발했다. DNA의 특정 부위에 은 이온을 결합시켜 약 2 nm 크기의 은 나노클러스터를 만들면, 이 나노클러스터가 두 DNA 구조체를 연결하는 역할을 한다. 이 방식은 기존의 DNA 결합 방식과 달라 주변 DNA의 설계 기능을 그대로 유지할 수 있으며, DNA 구조체가 연결되면 주황색 형광이 나타나 별도의 표지 물질 없이도 연결 여부를 확인할 수 있다.

연구팀은 연결 부위의 수와 위치를 달리한 다양한 DNA 구조체를 제작해 실험한 결과, 연결 부위가 많을수록 반드시 조립이 잘되는 것은 아니며 실제로 연결 부위가 얼마나 잘 노출돼 있는지가 중요한 것으로 확인했다. 또한 짧은 DNA 사슬이 긴 DNA 사슬보다 더 큰 복합체를 형성하는 결과를 통해, DNA의 길이와 구조에 따라 연결 효율이 달라질 수 있다는 점도 확인했다.

생체 안정성 시험에서 더욱 효과가 뚜렷하게 나타났다. 혈장 조건에서 은 나노클러스터로 접착하지 않은 DNA 구조체는 완전히 분해된 반면, 접착된 DNA 복합체는 뚜렷하게 향상됐다. 나아가 구조가 분해될수록 형광 신호가 함께 약해지기 때문에, 은 나노클러스터가 접착제인 동시에 분해 정도를 알려주는 '내장형 신호등' 역할을 한다는 점도 확인됐다.

연세대 노영훈 교수는 "이번 연구는 DNA 나노구조체 전체를 감싸 기능을 희생시키던 기존 방식에서 벗어나, 원하는 국소 지점만 골라 접합함으로써 생체 안정성과 구조 설계 자유도를 동시에 확보한 것"이라며 "은 나노클러스터가 결합과 광학 신호 기능을 함께 수행하기 때문에 향후 약물 전달, 바이오 이미징, 진단 센서 등 다양한 바이오 응용 분야로 확장할 수 있을 것으로 기대된다"고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 그 우수성과 독창성을 인정받아 나노과학 분야 국제 학술 권위지 'ACS Nano'에 게재됐다. 연세대 남건욱 박사(현 옥스퍼드대), Riddhi Nagda 박사, Hari Chandana Yadavalli 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연세대 노영훈 교수, 양성욱 교수와 로스킬레대 Pratik Shah 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 또한 연세대 김영민 박사, 양경직 박사, 오주현 연구원, 전북대 김태환 교수, 옥스퍼드대 Molly M. Stevens 교수, 코넬대 Dan Luo 교수가 공동 저자로 함께했다.

이번 연구는 한국연구재단의 개인기초연구사업 중견연구, BK21 FOUR 사업, 세종과학펠로우십, 한국보건산업진흥원의 보건의료기술 연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

(논문 정보)

1. 논문 제목: DNA Nanoglue: Silver Nanocluster-Based Cross-Linking of Supramolecular DNA Architectures

2. 논문 저자: Keonwook Nam, Riddhi Nagda, Hari Chandana Yadavalli, Young Min Kim; Kyungjik Yang, Joohyun Oh, Tae-Hwan Kim, Molly M. Stevens, Dan Luo, Pratik Shah, Seong Wook Yang, Young Hoon Roh

3. 논문 주소:
https://pubs.acs.org/ancac3/article/20/37/25467/5427187/DNA-Nanoglue-Silver-Nanocluster-Based-Cross?utm_source=chatgpt.com