하버드 과학자들이 실리콘 칩을 DNA 기록 장치로 탈바꿈시켰다.

전기와 물을 이용해 DNA를 기록할 수 있는 새로운 실리콘 칩이 개발되어 더욱 깨끗하고 확장 가능한 DNA 제조 및 미래 DNA 기반 데이터 저장 기술 발전에 중요한 진전을 이루었습니다. (사진 제공: AI/ScienceDaily.com)

실리콘 칩은 수십 년 동안 현대 컴퓨팅의 기반이 되어 왔습니다. 이제 연구자들은 생명공학 분야에서 이 칩에 완전히 새로운 역할을 부여하고 있습니다. 정보를 처리하는 것 외에도, 이 칩들은 신경 세포의 활동을 기록하고, DNA를 읽고, 심지어는 DNA를 생성하는 등 생체 시스템을 연구하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

하버드대 연구팀은 학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 에 발표한 새로운 연구에서 64가지 DNA 서열을 동시에 합성할 수 있는 실리콘 칩을 공개했습니다. 이 장치는 합성 DNA 제조에 일반적으로 사용되는 용매 집약적인 화학 공정 대신 물을 기반으로 하는 효소 방식을 사용합니다. 정밀하게 제어된 전류가 칩의 특정 위치에서 DNA 합성 반응을 유발합니다.

이번 연구는 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학대학(SEAS)의 존 A. 및 엘리자베스 S. 암스트롱 공학 및 응용과학 석좌교수인 돈희 함 교수가 주도했습니다.

DNA를 제조하는 더 깨끗한 방법

합성 DNA는 진단, 유전체 공학, 암 연구를 비롯한 현대 과학 및 의학의 여러 분야에 필수적입니다. 오늘날 대부분의 맞춤형 DNA는 포스포라미다이트 화학법을 이용하여 생산되는데, 이는 수백만 개의 DNA 서열을 동시에 제조할 수 있는 잘 확립된 방법입니다. 그러나 이 공정은 유해한 유기 용매를 사용하며 일반적으로 특수 중앙 집중식 시설이 필요합니다.

과학자들은 효소를 이용한 DNA 합성을 보다 온화한 대안으로 연구해 왔습니다. 이 방법은 물을 사용하며 살아있는 세포가 자연적으로 DNA를 합성하는 방식과 더 유사하기 때문입니다. 이러한 접근법은 궁극적으로 더 작고 안전하며 널리 보급될 수 있는 DNA 합성 시스템을 가능하게 할 수 있습니다.

하지만 지금까지 효소를 이용한 방법은 동시에 생성할 수 있는 DNA 서열의 수에서 기존 제조 방식에 비해 크게 뒤처져 있었습니다. 이전 연구에서는 한 번에 약 12개의 서열만 합성할 수 있었습니다. 하버드 연구팀이 개발한 칩은 각각 최대 39개의 뉴클레오티드로 구성된 64개의 서로 다른 DNA 서열을 동시에 합성하는 데 성공하여 이 기술에 새로운 이정표를 세웠습니다.

실리콘 칩은 어떻게 DNA를 기록하는가?

DNA는 한 번에 하나의 뉴클레오티드씩 조립됩니다. 각 뉴클레오티드가 추가될 때마다 일시적인 차단기가 결합되어 추가적인 합성을 막습니다. 다음 뉴클레오티드가 결합하기 전에, 이 차단기는 탈보호라는 과정을 통해 제거되어야 하는데, 이 과정은 물 속의 산성 조건, 즉 낮은 pH에서 진행됩니다.

다양한 DNA 서열을 동시에 생성하려면 각 합성 주기 동안 특정 위치의 pH만 낮춰야 합니다. 하버드 칩은 미세한 전류를 이용하여 이를 구현합니다.

표면에는 64개의 합성 부위가 있습니다. 각 부위는 중심에 고정된 DNA 분자를 둘러싸는 두 개의 동심원형 전극으로 구성되어 있습니다. 특정 위치가 활성화되면 내부 전극에서 양성자가 생성되어 해당 부위의 pH를 낮추고 DNA 가닥이 성장할 수 있도록 합니다. 동시에 외부 전극은 양성자를 제거하여 산성 영역이 바깥쪽으로 퍼져나가도록 하고, 산성 환경이 해당 부위에만 국한되도록 유지합니다.

이 과정을 여러 번 반복함으로써 칩은 표면에 걸쳐 64개의 고유한 DNA 서열을 독립적으로 구축합니다.

뇌 연구에서 DNA 합성까지

흥미롭게도, 이 칩은 원래 DNA를 제조하기 위해 설계된 것이 아니었습니다.

햄 연구실의 전 박사 과정 학생이었던 제프리 애벗은 대규모 뉴런 집단 내부의 전기 활동을 기록하기 위한 실리콘 전자 장치를 처음 개발했습니다. 표면 전극을 재설계한 후, 연구진은 동일한 기본 기술을 사용하여 DNA 합성에 필요한 화학적 조건을 정밀하게 제어할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

"이 칩의 핵심 특징은 정밀 전류 주입이었는데, 이를 이용해 신경 세포막의 투과성을 높여 세포 내부로 접근할 수 있도록 했습니다."라고 햄은 말했다. "어느 시점에서 우리는 동일한 전류 제어 방식을 세포에서 분자로 전환할 수 있을지 궁금해졌습니다. 신경 세포에 접촉하는 전극을 DNA 합성에 필요한 pH를 국소적으로 조절할 수 있는 링 전극 쌍으로 교체하는 것이 가능할까 생각했죠. 그리고 실제로 가능했습니다."

DNA 데이터 저장은 미래의 응용 분야가 될 수 있다

연구팀은 합성 생물학 및 의료 진단 분야에서의 잠재적 응용 가능성 외에도, 합성된 64개의 DNA 서열을 사용하여 169바이트의 텍스트를 인코딩하는 또 다른 가능성을 보여주었습니다.

DNA 기반 데이터 저장은 막대한 규모의 DNA 생산이 필요하기 때문에 장기적인 목표로 남아 있지만, 연구진은 생산량이 증가함에 따라 수용성 효소 합성법이 점점 더 매력적인 대안이 될 수 있다고 보고 있습니다. 용매 사용량을 줄이면 대규모 DNA 생산이 환경에 미치는 영향을 크게 낮출 수 있습니다.

"DNA 데이터 저장을 위해서는 현재의 필요량을 훨씬 뛰어넘는 규모의 DNA 합성이 필요합니다."라고 이번 연구의 공동 제1저자이자 현재 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 조교수인 정우빈 교수는 말했다. 그는 함 교수 연구실에서 박사후 연구원으로 재직하며 이 연구를 수행했다. "바로 이런 이유로 물 속에서 효소 합성을 하는 것이 중요합니다. 64개 이상의 염기서열을 동시에 합성할 수 있다면, 환경 친화적인 방식으로 대규모 DNA 합성을 가능하게 할 수 있을 것입니다."

화학이 다음 난관이다

연구진은 또한 칩의 확장성이 얼마나 더 향상될 수 있는지 알아보고자 했습니다. 그들은 동시에 생성되는 DNA 서열의 수를 늘리기 위해 합성 부위를 더 가깝게 배치한 칩을 제작했습니다.

실험은 성공하지 못했지만 중요한 통찰력을 제공했습니다. 칩 자체는 의도한 위치에 낮은 pH를 정확하게 가두었습니다. 실제 제한 요소는 탈보호 과정에서 사용된 화학 물질이었습니다.

차단기를 직접 제거하는 대신, 낮은 pH는 탈보호 단계를 수행하는 중간 분자를 생성합니다. 이러한 중간 분자는 인접한 합성 부위로 이동하여 pH가 엄격하게 제어되더라도 반응 간의 거리를 줄일 수 있습니다.

"칩은 우리가 요구한 대로 특정 부위에 낮은 pH를 국소화하는 역할을 제대로 수행했습니다."라고 이번 연구의 공동 제1저자이자 하버드대 대학원생 및 박사후 연구원인 한세정은 말했다. "제한 요소는 실리콘 자체가 아니라 탈보호 반응 과정에서 비롯되었습니다. 따라서 이 분야의 다음 과제는 칩의 반응 속도에 맞춰 진행할 수 있는 보다 직접적인 산 기반 탈보호 반응 기술을 개발하는 것입니다."

협력 및 연구 지원

이 프로젝트는 하버드 대학교, 브로드 연구소, DNA 스크립트, 그리고 이후 포세텍의 연구진 간의 협력으로 진행되었습니다. 하버드 기술개발처는 해당 플랫폼과 관련된 지적 재산권을 출원했습니다. 이 연구의 제목은 "반도체 칩을 이용한 병렬 효소 DNA 합성"입니다.

본 연구는 미국 국가정보국(ODNI) 산하 정보고급연구계획국(IARPA)의 2019-19081900002 과제, 호라이즌 유럽(Horizon Europe)의 하이페리온(Hyperion) 프로젝트 ID: 101115253, 그리고 삼성전자 미래기술연구센터(SRFC-IT2402-09)의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260708022202.htm