‘4진수’ DNA 정보 이용해 정교하게 동작하는 미세로봇 구동기술 개발

‘4진수’ DNA 정보 이용해 정교하게 동작하는 미세로봇 구동기술 개발

등록일 2016-11-08

 

 

 
 ‘4진수’ DNA 정보 이용해 정교하게 동작하는
 미세로봇 구동기술 개발
 
 

□ 단순히 접거나 펴기만 가능했던 기존 기술의 한계를 뛰어 넘어 자유자재로 형태를 변형시킬 수 있고, 원하는 형태로 구동할 수 있는 부드러운 재질의 미세로봇 구동기술이 개발되었다. 

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 박소정 교수(이화여대)·이대연 교수․존 크로커 교수(이상 미국 펜실베이니아대) 한·미 공동연구팀이 인공 DNA의 염기서열 정보 등을 이용해 연성재질 미세로봇*을 구동할 수 있는 핵심기술을 최초로 개발했다고 밝혔다.
     *연성재질 미세로봇 : 기존의 로봇과 달리 고분자나 나노입자와 같은 유연한 재료로 이루어져 특정 물리적 혹은 화학적 신호에 의해 작동되는 초소형 로봇

□ 연성재질 미세로봇은 전기적 신호뿐만 아니라 다양한 물리적, 화학적 자극에 의해 구동할 수 있는 새로운 개념의 구조제어기술이다. 연구팀은 기존에 미세로봇을 제어하던 온도, 빛 등의 자극과 달리 DNA가 갖는 염기서열 정보를 이용해 원하는 형태로, 원하는 정보를 입력하고, 복잡하고 다양한 형상을 만들 수 있으며, 정교하게 명령을 내릴 수 있는 미세로봇 구동 기술을 개발해 세계 최초로 보고하였다.

□ 연구팀이 주목한 것은 DNA가 단일가닥일 때와 결합 후 이중나선구조를 가질 때 나타나는 DNA 분자 길이. 왜냐하면 분자길이가 달라지면 결국 물질이 늘어나거나 줄어드는 등 구조변화가 일어날 수 있기 때문이다.

□ 연구팀은 염기서열 정보조작을 통해 제작한 DNA를 금나노입자에 붙이고 DNA 결합을 통해 DNA-금나노입자 구조체를 제작하였다. 해당 구조는 미리 조작된 염기서열 정보를 갖는 단일가닥 DNA를 가지고 있어서 해당 정보에 꼭 맞는 염기서열을 갖는 DNA와 결합하여 이중나선구조를 형성하도록 하였다.
     *염기서열 정보조작 : DNA는 A,T,G,C 등 4가지 정보로 구성되는데, DNA 공학기술을 이용해 ATTGCG, TGCCGAT 등 우리가 원하는 염기서열을 갖도록 합성된 인공 DNA를 만드는 기술
     *DNA-금나노입자 구조체 : 금속입자와 결합하도록 끝자락을 처리한 DNA를 붙인 금나노입자를 준비하고, 이 입자들을 DNA의 결합반응을 통해 2차적으로 결합시켜 만든 구조체

□ 또한 두 개의 서로 다른 염기서열 정보를 갖는 DNA를 도입하여 두 개의 DNA에 의해 원하는 방향으로 제어할 수 있는 미세구조체를 제작하였다. 그 결과, 말거나 뒤집는 등의 기계적 작동이 가능했다.

□ 박소정 교수는“이 연구 성과는 DNA의 염기서열 조작과 반응을 통해 다양한 방식으로 움직이는 나노구조체를 최초로 구현하였다. 정해진 자극에 따라 복잡한 움직임을 수행할 수 있는 로봇과 같은 나노구조체 제작의 가능성을 열었다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

□ 심태섭 교수는“이 연구성과는 0과 1의 2진수로 제어하는 컴퓨터와 달리 A와 T, G, C 등 4진수의 정보를 갖는 DNA를 통해 구동을 제어함으로써 보다 다양하고 복잡한 명령을 내릴 수 있다. 향후 DNA를 통한 제어기술이 더욱 발전된다면 약물 전달, 혈관 확장 등 복잡하고 까다로운 상황에서도 정교한 구동이 가능한 미세로봇의 제작이 가능하여  더욱 다양한 역할 수행이 가능할 것으로 기대된다.”라고 설명했다.

□ 이 연구성과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 미국국립과학재단(NSF) 재료연구과학기술센터의 지원으로 연구를 수행했으며, 나노기술분야 세계 최고 권위의 학술지인 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology) 10월 24일자에 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용        2. 연구결과 개요 
             3. 연구이야기             4. 용어설명
             5. 그림설명              

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Shape Changing Thin Films Powered by DNA Hybridization
   - 저자 정보 : 박소정 교수(공동 교신저자, 이화여대), 존 크로커 교수(공동 교신저자, 미국 펜실베이니아대), 이대연 교수(공동교신저자, 미국 펜실베이니아대), 심태섭 교수(제1저자, 아주대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 연성재질 미세로봇 제작연구는 오늘날 체내 혈관과 같이 매우 좁고 복잡한 환경에서 원하는 동작을 수행할 수 있는 동적구조체 개발을 위해 수년간 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 구동 방식은 빛, 온도, pH와 같은 범용의 자극을 이용하기 때문에 미세로봇에 복잡한 형태의 명령을 내리는 것이 어려워 개발에 기술적 어려움을 겪고 있다.
   ○ 수 십년 간 눈부시게 발전한 DNA 공학기술은 인공 DNA의 염기서열의 조작 및 이를 통한 정교한 분자구조체의 제작을 가능케 하였다. 이러한 DNA 공학 기술이 미세로봇 제작연구에 적용될 수 있다면 염기서열 정보를 통해 정교하게 제어 및 구동이 가능한 구조체의 개발이 가능할 것이다. 그러나 DNA 나노기술과 미세로봇 제작기술의 융합에는 기술적 어려움이 있어 적용에 어려움이 있어 왔다. 이러한 문제를 해결할 수 있다면 더욱 진보한 마이크로 및 나노구조체의 개발이 가능할 것이다.

 2. 연구 내용
   ○ DNA는 두 개의 단일가닥 DNA가 이중나선 형태로 결합하며 형성된다. 이 때 두 단일가닥 DNA는 염기서열정보가 꼭 맞는 경우에만 결합이 일어난다. 또한 결합과정에서 단일가닥 DNA와 이중나선 DNA의 분자길이는 구조변화에 따라 차이를 나타내게 된다. 따라서 DNA를 활용하면 원하는 염기서열정보에 길이 변화를 일으키는 구조체를 제작할 수 있다.
   ○ 해당연구에서는 인공합성된 DNA 간의 가역적인 ‘가닥교환반응(strand exchange reaction)’*을 통해 동적구동이 가능한 미세로봇 제조기술을 개발하였다. 이를 구현하기 위해 먼저 디자인한 염기서열을 갖는 DNA나노입자로 미세 구조체를 형성하였다. 이 때 해당 구조체에 DNA 이중나선 구조의 결합 및 해체가 가능한 단일가닥 DNA를 두어 가닥교환반응을 통해 DNA 구조변화를 가능하게 하였다.
        * 가닥교환반응 : DNA 의 이중나선구조를 제 3의 DNA를 통해 결합 및 해체시키는 반응
   ○ 미리 조작한 염기서열 정보를 갖는 DNA나노입자를 통해 미세구조체를 형성한 결과, 해당 정보를 갖는 제 3의 DNA를 통해 가닥교환반응을 유도하였을 때 구조체의 변형이 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.
   ○ 복수의 DNA정보를 갖는 미세구조체를 제작하고 시험한 결과, 각각 상응하는 DNA를 통해 변형을 유도하였을 때 해당 미세구조가 독립적으로 구동이 되는 것을 확인 하였으며 이를 통해 기존의 구동기술에서 달성할 수 없었던 더 복잡한 수준의 제어가 가능함을 관찰하였다.

3. 연구 성과
   ○ 이 연구는 DNA의 결합반응이 자신보다 만 배 이상 큰 미세구조의 제어를 가능하게 한다는 것을 보인 결과로써 향후 연성재질 미세로봇 구동기술뿐만 아니라  DNA 공학과 나노소재화학, 화학공학, 재료공학 등의 융합을 통한 연구가 더욱 활발히 이루어 질 수 있음을 시사하는 결과라고 할 수 있다. 
   ○ 또한 이 연구는 DNA 결합과 같은 미세한 분자결합힘을 이용해 거대한 미세구조체를 기계적으로 제어한 결과이다. 앞으로 분자결합힘의 기계적 측정, DNA 결합을 통한 2차 자기조립체 연구와 같은 기초연구분야뿐만 아니라 DNA 정보를 통해 작동하는 바이오센서, 약물전달 물질과 같은 응용기술에 이르기까지 다양한 방향으로 연구가 확산될 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 고분자 재료나 금속 재료를 이용하여 만드는 미세로봇 제작연구는 오늘날 체내 혈관과 같이 매우 좁고 복잡한 환경에서 원하는 동작을 수행할 수 있는 동적구조체 개발을 위해 수년간 연구가 진행되고 있다. 이러한 동적구조체를 효과적으로 활용하기 위해선 다양한 자극 혹은 명령에 반응하여 각기 다른 동작을 수행할 수 있는 구동기술이 요구된다. 그러나 컴퓨터로 구동되는 일반적인 로봇과 달리 물리적, 화학적 자극을 통해 구동을 해야 하는 미세로봇의 경우 이러한 문제를 해결하는 데 어려움이 있다.
  ㅇ 그동안 제작되어 온 동적구조체는 주로 서로 다른 두 물질이 이중층을 형성하도록 구성하고, 이 중 한 가지 물질이 온도나 pH, 빛 등에 반응하여 부피변화를 일으킴으로써 원하는 모양으로 형태를 변화시킬 수 있도록 제작 되었다. 그러나 이러한 구동 방식은 구조체에 명령을 내릴 수 있는 자극의 개수가 제한되고 국부적인 부위만 독립적으로 구동할 수 있도록 명령을 내리는 것이 어려웠다. 따라서 복수의 명령을 내리는 것이 가능한 자극 시스템 및 이에 반응하여 구동할 수 있는 미세로봇 제조기술의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.

 2. 연구내용
  ㅇ 이 연구에서는 인공합성된 DNA 간의 가역적인 ‘가닥교환반응’ (strand exchange reaction)을 통해 동적구동이 가능한 미세로봇 제조기술을 개발하였다. 이를 구현하기 위해 먼저 10 나노미터 수준의 금나노입자에 미리 디자인한 염기서열을 갖는 DNA를 붙여 DNA나노입자를 제조하였다.  위와 같은 방법으로 제조된 다양한 종류의 DNA 나노입자들은 각각의 DNA 염기서열에 따라 맞춤 제작된 가교 DNA(Linker DNA)를 통해 수백 마이크로 수준의 박막 구조체로 자기조립 (self-assembly) 될 수 있다. 이렇게 제작된 박막 구조체의 DNA 염기서열에 고무줄처럼 수축-팽창이 가능한 DNA 가닥을 도입하게 되면 해당 DNA 가닥을 팽창시킬 수 있는 맞춤형 충전 DNA (filler DNA)에 의해 선택적으로 박막구조체의 팽창을 유도할 수 있게 된다. 추가로 가닥교환반응을 통해 충전 DNA를 자유롭게 결합하거나 제거함으로써 결과적으로 구조체의 부피변화를 제어할 수 있게 된다.
  ㅇ 나아가 이 연구에서는 서로 다른 두 가지의 충전 DNA에 반응할 수 있는 이중층 형태의 복합구조체를 제작하였다. 그 결과, 두 가지의 충전 DNA를 다양한 환경에서 삽입하거나 제거함에 따라 박막구조체의 구동 방향 및 모양을 더 높은 자유도로 제어할 수 있다는 것을 발견할 수 있었다.

3. 기대효과
 ㅇ 이 연구는 그동안 복잡한 구동이 불가능했던 연성재질 미세로봇기술에 DNA라는 새로운 구동시스템을 도입함으로써 더욱 다양한 종류의 명령을 통해 복잡한 구동이 가능한 동적구조체 개발을 가능케 했다는 점에서 의의가 있다.
 ㅇ 이 기술이 더 발전하게 된다면 DNA 정보를 활용한 지능형 로봇의 개발이 가능해져 특정 화학신호에 따라 다양한 형태로 적응하며 모양 변형이 가능한 생체모사형 연성재질 미세로봇의 구현이 가능해질 것이다. 더 나아가 이 연구를 통해 DNA 간에 일어나는 분자수준의 결합 힘을 이용해 수백마이크로 수준의 구조체를 제어할 수 있다는 것을 보임으로써 앞으로 분자결합힘의 기계적 측정, DNA 결합을 통한 2차 자기조립체 연구와 같은 기초연구분야뿐만 아니라 DNA 정보를 통해 작동하는 바이오센서, 약물전달물질과 같은 응용기술에 이르기까지, 다양한 방향으로 DNA 공학과 나노소재화학, 화학공학, 재료공학 등의 융합을 통한 연구가 더욱 활발해질 것으로 기대한다. 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

DNA 공학기술은 염기서열 조작을 통해 원하는 형태 및 기능을 갖는 DNA재료를 만들 수 있는 기술로 각광을 받아왔다. 한편 연성재질 미세로봇기술은 최근 연구가 시작된 분야로써 해당 물질을 구동하는 방법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있는 중이었다. 이 연구에 참여한 연구팀들은 정교한 제어가 가능한 DNA 공학기술을 연성재질 미세로봇분야에 적용을 할 수 있다면 해당 분야에 기술적 돌파구를 마련할 수 있을 거란 기대감으로 이 연구를 진행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저 DNA를 이용해 원하는 형태로 구동가능한 기술을 확보하기 위해 완전하게 독립적으로 제어가 가능한 복수개의 DNA를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 찾은 뒤 해당 염기서열을 갖는 인공 DNA를 제작하였다. 이 후, 구동이 가능한 구조체를 만들기 위해 DNA를 금나노입자에 붙힌 후 원하는 형태 및 염기서열정보를 갖는 박막필름을 제조하였다. 이렇게 만들어진 박막필름은 각각의 염기서열정보와 일치하는 제 3의 DNA에 반응하였고, 그 결과 미세구조체가 변형되는 것을 관찰하였다. 이를 통해 우리가 구현한 DNA-금나노입자 박막구조체가 미리 입력된 염기서열정보의 제어를 통해 변형 및 구동이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

DNA 공학기술은 대부분이 습식환경에서 이루어지는 반면, 구조체 제작을 위한 미세패터닝 기술은 건식환경에서 진행이 되기 때문에 DNA의 구조체의 기능을 유지하면서 원하는 형태를 갖는 박막필름 구조를 만드는 데 어려움이 있었다. 또한 미세패터닝 공정에서는 다양한 종류의 유기용매들이 사용되는데, 이 또한 우리가 제작한 DNA의 기능을 무력화 시키는 등의 어려움이 있었다. 우리는 DNA 공학기술 및 고분자 박막필름 제작의 전문가인 미국 펜실베니아대 John Crocker 교수, 이대연 교수와의 협업을 통해 구조 제작 전 과정이 습식 환경일 뿐만 아니라 DNA 구조 및 기능이 유지되는 데 최적의 조건인 버퍼용액 상에서 이루어 질 수 있는 미세패터닝 기술을 도입하였다. 그 결과 우리가 목적한 기능을 수행하는 구조체의 제작이 가능하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 번 연구결과는 연성재질 미세구조체를 구동하는 기존의 구동기술과 확연하게 다른 측면을 갖고 있다. 기존 연구의 경우 온도, 빛, pH와 같은 범용의 자극을 통해 미세구조체의 구동을 유도하였다. 이 연구에서는 특정 부분을 구동하는데 미리 입력된 DNA 염기서열 정보를 이용함으로써 향후 다양하고 복잡하게 설계된 연성재질 미세로봇을 제어함에 있어 매우 정교하게 원하는 명령을 내릴 수 있는 구동시스템을 구축했다는데 그 의의가 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이 연구성과는 기초연구 수준에서의 발견으로 향후 DNA 구동기술이 다양한 연성재질 미세로봇기술에 응용되기 위해선 더욱 안정적으로 작동 가능한 인공 DNA 시스템의 구축이 필요하다. 예로 현재 4 종류의 안정적인 DNA 구동시스템을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구축하기 위해 수만개의 DNA로부터 최적의 염기서열을 찾아내는 과정을 거쳤는데, 보다 다양한 DNA 구동시스템을 찾아내기 위해 안정적인 DNA 구동시스템을 찾는 방법론에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 더욱 진보된 미세패터닝 기술과의 결합을 통해 DNA 구동시스템을 용이하게 응용할 수 있는 플랫폼의 구축을 계획하고 있다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

두 개의 서로 다른 염기서열정보를 갖는 이중 박막필름을 이용해 구동을 제어하는 중 특정 조건에서 박막필름이 스스로 뒤집히는 것을 관찰하였는데, 해당 현상은 전혀 예측하지 못했던 것이었다. 이를 통해 DNA 의 이중나선이 결합되고 해체될 때 발생하는 힘이 자신보다 10,000 배 이상 큰 박막필름을 제어할 수 있을 정도로 큰 힘이 될 수 있다는 것을 알게 되었다. 이 후 추가적인 연구를 통해 필름을 뒤틀거나 뒤집는 등의 구동이 가능하다는 것을 재확인하였으며, 해당 기술이 향후 연성재질 미세로봇의 구동기술로 이용가능 할 것이라는 기대를 갖게 되었다.

용 어 설 명

1. 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 誌
  ○ 나노기술분야 세계 최고 권위의 학술지 (‘15년 인용지수: 35.267)

2. DNA
  ○ 디옥시리보오스를 가지고 있는 핵산으로 생명체의 유전 정보를 지니고 있으며 유전자의 본체를 이루는 구성 물질

3. 염기서열
  ○ DNA를 구성하고 있는 4가지 구성성분인 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 사이토신(Cytosine), 티민(Thymine)이 DNA를 구성할 때 배열되어 있는 정보

4. 가닥교환반응
  ○ DNA의 이중나선구조를 제 3의 DNA를 통해 결합 및 해체시키는 반응

5. 연성재질 미세로봇
  ○ 기존의 로봇과 달리 고분자와 같은 유연한 재료로 이루어져 특정 물리적 혹은 화학적 신호에 의해 작동되는 초소형 로봇 

그 림 설 명

                
         (그림 1) DNA 가닥교환반응에 의해 기 결합된 DNA-금나노입자 구조가 변형되는 원리를 보여주는 모식도 
     DNA 결합으로 제작된 DNA-금나노입자 구조체는 가운데에 단일가닥 DNA(노란색)을 가지고 있다. 이 부분에 결합이 가능한 충전 DNA(오렌지색) 를 삽입하게 되면 기존 단일가닥의 DNA가 이중나선구조를 형성하면서 DNA 결합의 길이가 늘어나게 된다. 이러한 현상은 가닥교환반응을 통해 충전 DNA를 제거함으로써 가역적으로 진행될 수 있다. 이와 같은 방식을 이용하면 DNA-금나노입자의 구조체의 형태를 DNA 결합여부에 따라 제어할 수 있다.

     

    (그림 2) DNA 가닥교환반응에 의한 이중박막 DNA-금나노입자 구조체의 구동기술의 모식도(좌) 및 가닥교환반응에 의해 연속적으로 모양을 변형하는 이중박막 구조체의 모습(우)

     DNA의 가역적 결합에 의해 제어가 가능한 DNA-금나노입자 구조체를 이중박막 형태로 구성하면 구조체의 형태를 원하는 방향으로 제어할 수 있다. 예를 들어 상층 박막과 하층 박막을 선택적으로 변형시키게 되면 DNA의 이중나선 구조의 결합, 해체에 의해 발생하는 힘에 따라 구조체를 말거나 뒤집는 등의 기계적인 조작이 가능해진다. (우측 사진)