과학자들이 두 개의 DNA 가닥이 서로 결합하는 모습을 처음으로 포착했습니다.

DNA 가닥들이 서로 맞물리는 모습. 사진 제공: 요크 대학교 아그네스 노이 교수

DNA는 음전하를 띠고 있습니다. 같은 전하를 띤 물체는 일반적으로 서로 밀어내기 때문에 DNA 분자들 또한 서로 반발할 것으로 예상할 수 있습니다. 그러나 살아있는 세포 내에서 DNA는 때때로 서로 가까이 접촉하여 일치하는 염기서열을 인식해야 합니다. 이러한 상호작용은 유전자 재조합 및 유전자 침묵과 같은 과정에 필수적이며, 암 발생에도 관여할 수 있습니다.

과학자들은 이제 이러한 현상이 어떻게 일어나는지 놀라울 정도로 자세히 관찰하는 데 성공했습니다. 강력한 원자력 현미경을 사용하여 연구진은 짧은 DNA 조각들이 놀라운 정밀도로 정렬되어 홈 하나하나에 정확히 맞닿는 모습을 관찰했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 긴밀한 접촉이 가능한 이유가 밝혀졌습니다. 바로 양전하를 띤 금속 이온이 DNA 홈에 자리 잡고 두 분자 사이를 잇는 미세한 분자 다리 역할을 한다는 것입니다.

미세한 이온들이 DNA가 반발력을 극복하도록 돕습니다.

요크대학교 물리학·공학·기술대학의 아그네스 노이 교수가 이번 연구를 공동으로 이끌었습니다. 그녀는 "이번 발견은 연구자들이 DNA 염기쌍 형성에 특별히 관여하는 유전체 영역을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 영역은 돌연변이가 정상적인 세포 과정을 방해하고 암 발생에 기여할 때 특히 중요해질 수 있다"고 말했습니다.

이번 결과는 약 20년 전에 제안된 "DNA 지퍼" 모델에 대한 실험적 근거를 제공합니다. 임페리얼 칼리지 런던의 알렉세이 코르니셰프 교수와 그의 연구팀은 DNA를 둘러싼 염 이온이 교대로 전기 전하 패턴을 생성할 수 있다고 제안했습니다. 이 모델에 따르면, 이러한 패턴은 마치 두 개의 나선형 계단이 맞물리듯 인접한 DNA 분자들이 서로 정렬되도록 도와줍니다.

지금까지는 이러한 메커니즘을 직접 관찰하는 것이 어려웠습니다.

과학자들이 "DNA 지퍼"를 시험해봤습니다.

이 과정을 조사하기 위해 연구진은 극히 미세한 규모의 표면을 매핑할 수 있는 기술인 원자력 현미경으로 DNA 샘플을 스캔했습니다. 이러한 스캔을 통해 연구팀은 DNA 분자의 위치를 ​​보여주는 상세한 지형도를 만들 수 있었습니다.

동시에 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 DNA를 따라 움직이는 개별 원자와 이온의 움직임을 추적했습니다. 이 두 가지 접근 방식을 결합함으로써 연구자들은 DNA 염기쌍 형성을 직접 관찰하고 이를 유발하는 분자적 힘을 이해할 수 있었습니다.

시뮬레이션 결과, 양전하를 띤 금속 이온은 마치 두 개의 전하를 띤 팔처럼 효과적으로 작용할 수 있는 것으로 나타났습니다. 각 이온은 두 개의 DNA 분자와 동시에 상호작용하여 두 가닥을 분리하는 공간에 다리를 형성하고 두 가닥이 정렬된 상태를 유지하도록 도와줍니다.

셰필드 대학교 화학재료생물공학과 소속이자 이번 연구의 공동 주저자인 토마스 캐틀리 박사는 "오랫동안 가설로만 제시되었던 메커니즘을 처음으로 직접 시각화할 수 있게 되어 매우 기쁩니다. 우리가 보유한 첨단 영상 기술 덕분에 여러 핵심 세포 과정에 영향을 미치는 이러한 중요한 DNA 상호작용을 밝혀낼 수 있었습니다."라고 말했습니다.

시뮬레이션을 수행한 셰필드 대학교의 빅터 벨라스코-베렐레자 박사는 "현미경은 무슨 일이 일어나는지 보여주지만, 시뮬레이션을 통해 그 이면에 있는 분자 메커니즘을 밝혀낼 수 있다"고 덧붙였습니다.

일부 DNA 서열은 더 강하게 결합합니다.

연구진은 또한 DNA가 모든 염기서열에서 동일하게 잘 결합하지 않는다는 사실을 발견했습니다. DNA의 일부 구간은 다른 구간보다 훨씬 더 강한 접촉을 형성하여 두 나선이 특히 잘 결합하는 특정 핫스팟을 만들어냈습니다.

이러한 발견은 연구자들이 DNA 인식 및 결합에 특히 관여하는 유전체 부분을 정확히 찾아내는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 영역은 돌연변이가 정상적인 세포 활동을 방해하고 암 발생에 기여할 때 특히 중요해질 수 있습니다.

이번 발견은 의학 분야를 넘어 다른 분야에도 활용될 수 있습니다. 일부 DNA 서열은 다른 서열보다 더 강하게 상호작용하도록 프로그래밍될 수 있기 때문에, 과학자들은 궁극적으로 이러한 특성을 활용하여 생명공학 분야에 맞춤형 DNA 구조를 구축할 수 있을 것입니다.

"이온에 의해 매개되는 DNA-DNA 인식의 영상화 및 메커니즘"이라는 제목의 이 연구는 학술지 Nucleic Acids Research에 게재되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260909231717.htm