국제 과학자 팀이 최근 DNA로 만든 새로운 나노엔진을 개발했습니다. 이는 맥동 운동을 허용하는 독창적인 메커니즘으로 구동됩니다. 연구진은 이제 여기에 커플러를 장착해 복잡한 나노머신의 드라이버로 사용할 계획이다. 이들의 연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 저널 10월 19일자에 게재됐다.
애리조나 주립대학교 분자과학부 조교수이자 분자 디자인 및 생체 모방학을 위한 바이오디자인 센터의 조교수인 Petr Šulc는 독일 본 대학교의 Famulok 교수(프로젝트 리더) 및 미시간 대학교의 Walter 교수와 함께 이 프로젝트에 협력했습니다.
Šulc는 그의 연구 그룹의 컴퓨터 모델링 도구를 사용하여 이 판 스프링 나노엔진의 설계와 작동에 대한 통찰력을 얻었습니다. 구조는 DNA의 기본 구성 요소를 형성하는 거의 14,000개의 뉴클레오티드로 구성됩니다.
Šulc는 다음과 같이 설명합니다. "우리 그룹이 DNA 나노구조를 설계하는 데 사용하는 컴퓨터 모델인 oxDNA가 없었다면 이러한 큰 나노구조의 움직임을 시뮬레이션하는 것은 불가능했을 것입니다. 화학적으로 구동되는 DNA 나노기술 모터가 성공적으로 설계된 것은 이번이 처음입니다. 우리는 우리의 연구 방법이 연구에 기여한 것을 기쁘게 생각하며 앞으로 더 복잡한 나노장치를 만들 수 있기를 기대합니다."
이 새로운 엔진은 핸드 그립 트레이너와 유사하며 정기적으로 사용하면 그립력을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이 엔진은 약 백만 배 더 작습니다. 두 개의 핸들은 스프링으로 V자형 구조로 연결됩니다.
핸드 그립 트레이너에서는 스프링의 저항으로 핸들이 함께 압착됩니다. 손을 놓으면 스프링이 핸들을 다시 제자리로 밀어 넣습니다. 본 대학 생명의학연구소(LIMES)의 Michael Famulok 교수는 "우리 모터는 매우 유사한 원리를 사용합니다."라고 말했습니다. "하지만 손잡이는 함께 누르는 것이 아니라 함께 당겨집니다."
연구자들은 지구상에 식물이나 동물이 존재하지 않는 메커니즘의 용도를 변경했습니다. 각 셀에는 도서관이 갖추어져 있습니다. 여기에는 각 세포가 기능을 수행하는 데 필요한 다양한 유형의 단백질에 대한 청사진이 포함되어 있습니다. 세포가 특정 유형의 단백질을 생산하려는 경우 해당 청사진의 복사본을 만듭니다. 이 전사체는 RNA 폴리머라제라는 효소에 의해 생성됩니다.
원래 청사진은 긴 DNA 가닥으로 구성되어 있습니다. RNA 중합효소는 이 가닥을 따라 이동하면서 저장된 정보를 한 글자씩 복사합니다. 본 대학의 "생명과 건강" 및 "물질" 학제간 연구 분야의 일원이기도 한 Famulok은 "우리는 RNA 중합효소를 나노머신의 손잡이에 부착했습니다."라고 설명합니다. "두 손잡이 사이에는 DNA 가닥도 단단히 연결되어 있습니다. 중합효소는 이 가닥을 잡고 복사합니다. 사슬을 따라 스스로 당기고 복사되지 않은 부분은 점점 작아집니다. 이렇게 하면 두 번째 손잡이가 첫 번째 손잡이 쪽으로 조금씩 당겨지면서 동시에 스프링이 압축됩니다."
손잡이 사이의 DNA 가닥에는 끝 부분 바로 앞에 특수 문자 시퀀스가 포함되어 있습니다. 소위 종결 서열이라고 불리는 이 서열은 중합효소에게 DNA를 놓아두라는 신호를 보냅니다. 이제 스프링이 다시 이완되어 핸들을 분리할 수 있습니다. 이러한 방식으로 사슬의 시작 서열은 중합효소에 가깝고 분자 복제자는 새로운 전사 과정을 시작할 수 있습니다. Famulok 교수가 이끄는 연구 그룹의 Mathias Centola는 "이런 방식으로 우리의 나노모터는 맥동 동작을 수행할 수 있습니다."라고 설명합니다.
다른 유형의 모터와 마찬가지로 이 유형의 모터에도 에너지가 필요합니다. 에너지는 중합효소에 의해 생성된 전사체의 "알파벳 수프"에 의해 제공됩니다. 각 문자(기술 용어: 뉴클레오티드)에는 3개의 인산염 그룹, 즉 삼인산염으로 구성된 작은 꼬리가 있습니다. 기존 문장에 새로운 문자를 붙이기 위해 중합효소는 문장에서 두 개의 인산염 그룹을 제거해야 합니다. 이것은 글자를 서로 연결하는 데 사용되는 에너지를 방출합니다. "그래서 우리 엔진은 뉴클레오티드 삼인산염을 연료로 사용합니다. 충분한 양의 뉴클레오티드 삼인산염이 있을 때만 계속 작동할 수 있습니다."
연구진은 모터가 다른 구조와 쉽게 결합될 수 있음을 보여줄 수 있었습니다. 예를 들어, 이를 통해 표면을 돌아다니는 것이 가능해집니다. 마치 자벌레가 고유한 방식으로 나뭇가지를 따라 스스로 당기는 것과 비슷합니다. "우리는 또한 특정 시간에만 모터의 동력을 사용하고 다른 시간에는 공회전 상태로 둘 수 있도록 클러치를 생산할 계획입니다."라고 Famlock은 설명합니다. 장기적으로 모터는 복잡한 나노머신의 핵심이 될 수 있습니다. 하지만 이 단계에 도달하기까지는 아직 해야 할 일이 많습니다. "
Šulc의 연구실은 통계 물리학과 전산 모델링 방법을 화학, 생물학, 나노기술 분야의 광범위한 문제에 적용하는 고도의 학제간 연구실입니다. 연구 그룹은 특히 DNA와 RNA 나노 구조 및 장치를 설계하고 모델링하는 데 있어서 생체 분자 간의 상호 작용을 연구하기 위해 새로운 다중 규모 모델을 개발했습니다.
"우리가 매일 사용하는 복잡한 기계(비행기, 자동차, 전자제품의 칩)가 의도한 대로 작동하는지 확인하기 위해 정교한 컴퓨터 지원 설계 도구가 필요한 것처럼, 분자과학 분야에서는 그러한 방법에 대한 접근이 절실히 필요합니다." 분자 과학부 학장인 Tijana Rajh 교수는 다음과 같이 말했습니다: "Petr Šulc와 그의 연구 그룹은 생물학 및 나노기술의 맥락에서 DNA 및 RNA 분자를 연구하기 위해 전산 화학 및 물리학의 방법을 사용하여 매우 혁신적인 분자 과학 연구를 수행하고 있습니다. 분자 과학부의 젊은 교수진은 놀라운 결과를 얻었으며 Šulc 교수는 이에 대한 좋은 예입니다."
DNA와 RNA는 생명의 기본 분자이다. 그들은 살아있는 세포에서 정보 저장 및 정보 전달을 포함한 다양한 기능을 수행합니다. 그들은 또한 설계된 DNA와 RNA 가닥을 사용하여 나노 규모의 구조와 장치를 조립할 수 있는 나노 기술 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 각 레고 블록의 크기가 몇 나노미터(100만분의 1밀리미터)에 불과하다는 점을 제외하면 이는 레고를 가지고 노는 것과 약간 비슷합니다. 각각의 벽돌을 원래 위치에 놓는 대신, 상자에 넣고 원하는 구조가 나올 때까지 이리저리 흔들어 보세요.
"이 분야에는 진단, 치료, 분자 로봇 공학 및 신소재 건설을 포함하여 유망한 응용 분야가 많이 있습니다"라고 Šulc는 말했습니다. "저의 연구실에서는 이러한 빌딩 블록을 설계하기 위한 소프트웨어를 개발했으며, 우리는 애리조나 대학과 미국 및 유럽의 다른 대학의 실험 그룹과 긴밀히 협력하고 있습니다. 이 분야가 계속해서 발전하고 새로운 고급 설계를 구현하고 나노 규모에서 성공적으로 실행함에 따라 점점 더 복잡해지는 나노 구조를 설계하고 특성화하는 데 우리의 방법이 사용되는 것을 보는 것은 매우 흥미롭습니다."