국립부경대, 초음파 분자 스위치 개발…‘선택적 절단 성공’

15분 내 절단율 99.9% 구현
의료용 저강도 초음파 활용 가능

DNA 기반 초음파 메카노포어 플랫폼의 구조 및 작동 원리./국립부경대 제공

국립부경대 연구팀이 DNA 구조를 이용해 초음파로 목표 분자를 정밀하게 절단하는 새로운 분자 스위치 플랫폼을 개발했다.

국립부경대학교 화학과 곽민석 교수 연구팀은 독일 RWTH 아헨공과대학교 안드레아스 헤르만 교수 연구팀과 공동연구를 수행해, 초음파라는 힘 신호를 받으면 특정 분자 결합만 선택적으로 끊어지게 설계된 DNA 기반 분자 스위치 플랫폼(DNA-MP-DNA)을 개발했다.

이번 성과는 기존 고분자 기반 기계화학 기술의 한계로 지적되던 낮은 반응 효율과 비특이적 절단 문제를 효과적으로 해결해 큰 주목을 받는다.

기존 연구에서는 유연한 고분자 사슬을 통해 초음파를 전달했기에 에너지가 분산돼 목표 결합에 힘이 정확히 전달되지 않는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 보완하고자 구조적 안정성과 유연성을 동시에 갖춘 DNA 이중나선 구조에 주목했다. DNA는 고분자보다 높은 구조적 안정성을 지녀 초음파 에너지를 특정 부위에 집중시키기에 최적화된 조건을 갖추고 있다.

실험 결과, 연구팀이 설계한 플랫폼은 충분한 길이를 가진 DNA 구조에서 15분 이내에 메카노포어 영역의 절단율이 99.9%에 도달하는 압도적인 성능을 보였다.

또한 질량분석을 통해 절단 위치와 패턴을 정밀하게 규명했을 뿐만 아니라, DNA 자체는 손상되지 않았음을 확인했다.

곽민석 교수는 "기존 고분자 메카노포어가 망치였다면, DNA 메카노포어는 세밀한 수술용 메스에 가깝다"고 기술의 정밀함을 강조했다.

이 플랫폼은 다양한 메카노포어를 손쉽게 교체해 성능을 비교할 수 있다는 장점도 있다. 연구팀은 32종의 후보군을 스크리닝해 구조에 따른 반응성 차이를 체계적으로 분석했다.

나아가 세척기(40 kHz)나 미용기기(1 MHz) 등 다양한 초음파 조건에서도 실험을 진행했으며, 특히 실제 피부 환경과 유사한 1 MHz 저강도 초음파 조건에서 DNA 손상 없이 80% 이상의 절단율을 기록해 의료 현장 활용 가능성을 높였다.

이번 연구는 DNA 기술과 고분자 기계화학을 결합해 초음파로 분자 반응을 정밀하게 조절하는 새로운 분야를 개척했다는 평가를 받는다.

연구 성과를 담은 논문은 화학 분야 최상위권 국제학술지인 'Chem'에 게재됐다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원으로 수행됐다.

부산=김성욱 기자 attainuk0518@