3D 프린팅은 잊어라. DNA와 물이 스스로 조립되는 작은 기계를 만들어낸다

과학자들은 DNA를 레고 블록처럼 사용하여 나노 크기의 3D 장치를 만드는 방법을 개발했습니다. 이 장치는 전자, 광학, 의학 분야에 응용될 수 있으며, 기존의 제조 도구 없이 물 속에서 제작됩니다. 출처: Shutterstock

엠파이어 스테이트 빌딩이 건설될 당시, 102층 높이의 빌딩은 미드타운 위로 하나씩 솟아올랐고, 각각의 요소들이 합쳐져 40년 동안 세계에서 가장 높은 빌딩의 자리를 지켰습니다. 컬럼비아 업타운에 있는 올렉 갱과 그의 화학 공학 연구실은 아르데코 건축을 짓는 것이 아닙니다. 그들의 랜드마크는 나노 크기의 구성 요소로 만들어진, 스스로 배열되는 매우 작은 장치입니다.

"우리는 이제 자체 조립된 나노 구성 요소로부터 복잡하게 규정된 3차원 조직을 구축할 수 있습니다. 이는 일종의 나노 스케일 버전의 엠파이어 스테이트 빌딩과 같습니다."라고 컬럼비아 엔지니어링의 화학 공학 및 응용 물리학, 재료 과학 교수이자 브룩헤이븐 국립 연구소의 기능성 나노물질 센터 소프트 및 바이오 나노물질 그룹 책임자인 갱은 말했습니다.

갱은 "설계를 통해 3D 나노스케일 소재를 제조하는 능력은 빛 조작에서 신경형 컴퓨팅, 촉매 소재에서 생체 분자 스캐폴드 및 반응기에 이르기까지 다양한 새로운 응용 분야에 매우 중요합니다."라고 말했습니다.

Gang과 그의 동료들은 Nature Materials 에 7월 9일에 게재된 논문 과 ACS Nano에 4월 11일에 게재된 논문 두 편에서, 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있는 자체 조립을 통한 타깃 3D 나노스케일 구조를 제작하는 새로운 방법론을 설명하고, 다른 사람들이 이를 따를 수 있는 설계 알고리즘을 제공했습니다.

그리고 이 모든 것은 가장 기본적인 생물 분자 구성 요소인 DNA에 기초하고 있습니다.

새로운 소재를 위한 원스톱 서비스

마이크로 전자공학의 소규모 제조에 있어 기존의 접근 방식은 하향식 전략에 기반합니다. 일반적인 접근 방식 중 하나는 강력한 빛과 정교한 스텐실을 사용하여 회로를 에칭하는 포토리소그래피입니다. 하지만 기존의 리소그래피 기술은 복잡한 3차원 구조를 구현하는 데 어려움을 겪고 있으며, 3D 프린팅으로 더 잘 알려진 적층 제조는 아직 나노 수준의 형상을 제작할 수 없습니다. 작업 흐름 측면에서 두 방법 모두 각 형상을 하나씩 순차적으로 제작합니다. 이는 3D 물체를 제작하는 데 있어 본질적으로 느린 과정입니다.

갱은 바이오 시스템에서 힌트를 얻어 DNA가 주도하는 자가 조립 과정을 통해 3D 소재와 장치를 처음부터 제작합니다. 그는 다른 과학자들과의 협업을 통해 자신의 방식을 개선해 왔으며, 예를 들어 연구에 필요한 초소형 전자 장치를 제작해 왔습니다.

두 달 전, 그는 그의 옛 제자이자 현재 브룩헤이븐 국립연구소 기능성 나노물질센터의 연구원인 에런 마이컬슨과 함께 마이크로칩에 통합된 3D 광 센서 개발에 관심 있는 미네소타 대학교 연구진에게 시제품을 제공했습니다. 그들은 칩 위에 DNA 스캐폴드를 성장시킨 후 감광성 소재로 코팅하여 센서를 제작했습니다.

그 장치는 수많은 장치 중 첫 번째에 불과했습니다. 갱과 그의 연구팀은 Nature Materials 에 게재된 최근 논문에서 나노 크기의 DNA 구성 요소와 나노입자를 이용하여 원하는 3차원 구조를 만드는 역설계 전략을 제시했습니다. 이 연구는 "DNA 오리가미" 접근법을 재료 설계에 적용한 네 가지 사례를 제시합니다. 1차원 줄과 2차원 층으로 구성된 결정형 구조, 태양광 패널에서 흔히 볼 수 있는 재료의 모방, 나선형 소용돌이 모양으로 회전하는 또 다른 결정, 그리고 컬럼비아 공과대학 응용물리학과 교수인 난팡 유(Nanfang Yu)의 경우, 언젠가 광학 컴퓨터를 개발하겠다는 목표를 위해 빛을 특정 방식으로 반사하는 구조입니다.

컬럼비아 국립연구소와 브룩헤이븐 국립연구소의 싱크로트론 기반 X선 산란 및 전자 현미경 기법과 같은 첨단 특성 분석 기법을 활용하여 연구팀은 최종 구조가 설계와 일치함을 확인하고, 구조 충실도 향상을 위한 설계 고려 사항을 도출했습니다. 이러한 각각의 독특한 구조는 갱 교수 연구실의 우물에서 스스로 조립되었습니다. 이러한 유형의 재료 형성은 조립 과정에서 구성 요소가 결합되기 때문에 본질적으로 병렬적입니다. 이는 기존 방식에 비해 3D 제작에 드는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있음을 의미합니다. 또한, 조립이 물에서 이루어지기 때문에 환경 친화적입니다.

"이 플랫폼은 생물학적, 광학적, 전기적, 자기적 등 다양한 특성을 가진 다양한 소재에 적용 가능합니다."라고 갱은 말했습니다. 최종 결과는 설계에 달려 있습니다.

DNA 디자인, 더욱 쉬워졌다

DNA는 예측 가능하게 접힙니다. DNA를 구성하는 네 가지 핵산은 특정 조합으로만 결합할 수 있기 때문입니다. 하지만 원하는 구조가 수백만, 아니 수십억 개의 조각으로 이루어져 있다면, 어떻게 정확한 시작 순서를 찾을 수 있을까요?

갱과 그의 동료들은 역구조 설계 접근법을 통해 이 문제를 해결합니다. 갱은 "만들고자 하는 기능을 갖춘 큰 구조를 알고 있다면, 그것을 더 작은 구성 요소들로 분해하여 원하는 구조를 형성하는 데 필요한 구조적, 결합적, 기능적 속성을 갖춘 빌딩 블록을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다.

구성 요소는 기계적으로 견고한 8면체 팔면체 모양으로 접히는 DNA 가닥입니다. 갱은 이를 복셀(voxel)이라고 부르는데, 각 모서리에는 각 복셀을 연결하는 커넥터가 있습니다. 여러 복셀은 DNA 인코딩을 사용하여 특정 반복적인 3D 모티프를 형성하도록 설계할 수 있습니다. 이는 마치 직소 퍼즐 조각들이 복잡한 그림을 형성하는 것처럼 보입니다. 반복적인 모티프들은 병렬로 조립되어 원하는 계층적 구조를 형성합니다. 컬럼비아 대학교 화학공학과 마이클 비코프스키 및 차로 곤잘레스-비코프스키 교수이자 공동 연구자인 사나트 쿠마르는 갱의 역설계 접근법을 전산적으로 검증했습니다.

역설계 전략을 실현하기 위해 연구진은 원하는 구조를 형성하는 데 필요한 최소한의 개수로 DNA 기반 나노스케일 "퍼즐 조각"을 설계하는 방법을 찾아야 합니다. "파일을 압축하는 것과 같습니다. DNA 자가 조립의 효율을 극대화하기 위해 필요한 정보량을 최소화하고자 합니다."라고 BNL의 스태프 과학자이자 이전에 갱 연구팀에서 박사후연구원으로 재직했던 제1저자 제이슨 칸은 말했습니다. 갱은 "구조적으로 부호화된 조립의 매핑(Mapping Of Structurally Encoded aSsembly, MOSES)"이라는 이름의 이 알고리즘은 나노스케일 CAD 소프트웨어와 유사하다고 덧붙였습니다. "이 알고리즘은 임의로 정의된 특정 3차원 계층적 격자를 만드는 데 어떤 DNA 복셀을 사용해야 하는지 알려줍니다."

여기서 DNA 복셀 내부에 다양한 유형의 나노 "화물"을 추가하여 최종 구조에 특정 특성을 부여할 수 있습니다. 예를 들어, 유 교수의 실험에서 입증된 바와 같이 금 나노입자를 삽입하여 독특한 광학적 특성을 부여했습니다. 하지만 이전에도 언급했듯이, 무기 및 생물 유래 나노 구성 요소 모두 이러한 DNA 스캐폴드에 통합될 수 있습니다. 장치가 조립된 후, 연구팀은 "광물화"도 진행했습니다. 실리카로 스캐폴드를 코팅한 후 열에 노출시켜 DNA를 분해함으로써 원래 유기 스캐폴드를 매우 견고한 무기 형태로 효과적으로 변환했습니다.

갱은 복잡한 구조의 엔지니어링 및 조립을 가능하게 하는 설계 원리를 밝히기 위해 쿠마르와 유와 계속 협업하고 있으며, 인간 뇌의 복잡한 연결성을 모방하도록 고안된 3D 회로를 포함하여 훨씬 더 복잡한 설계를 실현하고자 합니다.

"우리는 상향식 3D 나노 제조 플랫폼을 구축하는 데 박차를 가하고 있습니다. 우리는 이를 나노 스케일의 '차세대 3D 프린팅'으로 보고 있으며, 이제 DNA 기반 자가 조립 기술을 통해 대량 병렬 제조가 가능해졌습니다."라고 Gang은 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250709091703.htm