Pallav Kosuri(왼쪽)가 마크 로버(오른쪽)에게 DNA 종이접기가 세계에서 가장 작은 너프(Nerf) 복제품을 만드는 방법을 보여준다. (제공: Mark Rober / Salk Institute)

 

유튜브 유명인사이자 전 NASA 엔지니어인 마크 로버(Mark Rober)는 여러 가지 이상한 엔지니어링 과제를 수행했다. 그의 가장 최근 작품은 세계에서 가장 작은 너프(Nerf) 블래스터를 만드는 것이었지만 너무 작게 만들고 싶었기 때문에 물리학이라는 큰 장애물에 부딪혔다.

로버가 구상한 규모에서는 마찰과 같은 힘이 기하급수적으로 증가한다. 그가 너프의 표준 스프링 및 피스톤 메커니즘을 축소하려고 시도하면 블래스터는 스트레스만으로도 부서질 것이다. 그래서 로버는 브리검 영 대학교의 엔지니어들과 팀을 이루어 호환 메커니즘을 사용하는 독특한 발사 시스템을 설계했다.

 

이 엔지니어링 기술을 통해 팀은 블래스터를 하나의 부품으로 제작하여 마찰을 줄이면서도 유연한 부품을 통해 에너지를 저장할 수 있었다. 그들은 실리콘 웨이퍼에 새로운 디자인을 조각하고 탄소 나노튜브로 채웠다. 그 결과 표준형보다 100배 작은 네르프 블래스터가 탄생했다.

당시 세계에서 가장 작은 너프 블래스터로 규모에 비해 가격이 매우 저렴했다. (제공: 마크 로버)

블래스터는 너무 작아서 발사하려면 마이크로 조작기라는 특수 장치가 필요하다. 로버는 그것을 개미를 위한 너프(Nerf)라고 이름 붙인 다음 개미에게 마이크로 다트를 발사하여 요점을 증명했다. (보복으로 개미는 블래스터를 스스로 가져갔다.)

임무 완수. 로버를 제외하고는 아직 완료되지 않았다. 호기심에서 그리고 도전자들이 따라올 것을 대비하면서 그는 더 작은 블래스터를 만드는 것이 가능한지 궁금해했다. 하나는 300만 배 더 작을까? 이에 대해 그는 솔크연구소 통합생물학연구소 조교수인 팔라브 코스리(Pallav Kosuri)에게 그것이 가능한지 물었다.

코스리의 대답: 물론이죠! DNA로 만들기만 하면 된다.

Escher에서 DNA 종이접기까지

코스리가 염두에 둔 기술은 'DNA 종이접기'로 알려져 있으며, 종이를 기반으로 한 이름처럼 단순하면서도 흥미롭다. 접힌 DNA로 미세한 구조를 만드는 아이디어는 결정학자인 나드리안 시먼(Nadrian Seeman)에 의해 고안되었다고 코스리는 설명했다.

시먼은 고품질 결정을 만드는 더 나은 방법을 고안하고 싶었다. 아시다시피, 크리스탈 생성 과정은 엄청나게 어렵다. 연구원은 조건을 설정하고, 절차를 실행하고, 기도할 수 있다. 고품질 결정이 형성되면 좋다. 그렇지 않은 경우 무엇이 잘못되었는지 확인할 수 있는 실제 방법이 없다. 시먼이 농담으로 설명했듯이, 그 시점에서 연구자의 선택은 조건을 바꾸거나 신을 바꾸는 것이었다.

나드리안 시먼(Nadrian Seeman)의 결정화 프로토콜에 대한 농담 흐름도. (제공: Nadrian Seeman)

시먼이 M.C.의 재현을 염탐하면서 영감을 얻었다. 지역 술집에 있는 Escher의 목판화 깊이. Escher의 끝없는 별 모양 물고기 떼를 바라보면서 그는 그에게 필요한 것은 원자를 나노 규모에서 규칙적으로 반복하는 패턴으로 만드는 신뢰할 수 있는 방법이라는 것을 깨달았다. 그가 그렇게 할 수 있다면 원자는 결정 격자로 깔끔하게 배열될 것이다.

운 좋게도 자연은 이미 안정적이고 질서정연하게 반복되는 나노 크기의 구조, 즉 DNA를 제공했다. 시먼은 DNA를 프레임워크로 사용하는 것이 가능할 것이라고 상상했고, 1982년 이론 생물학 저널에 자신의 가설을 썼다.

“그리고 아무도 그것을 읽지 않는다.” 코스리가 웃으며 말했다. “이론 생물학이란 무엇일까? 특히 80년대의 이론생물학은 어떤 것이었을까? 정말 거칠었다.”

그러나 시간이 지나면 다른 사람들도 시먼의 비전을 따라잡게 되고 기술도 따라잡게 될 것이다. 오늘날 과학자들은 DNA 종이접기를 야생 개념에서 실제 나노구조로 가져오는 컴퓨터 도구를 보유하고 있다.

 

그 사이 40년 동안 과학자들은 두 가닥 이상의 DNA로 구조를 만들어 왔다. 그들은 꽃병이나 기하학적 예술 작품과 같은 3D 물체를 만들었다. 2006년 폴 로스몬드(Paul Rothemond)는 맞춤형 짧은 가닥을 긴 가닥과 연결하여 웃는 얼굴을 만들었다. 연구자들은 DNA 종이접기를 사용하여 바이러스를 잡아내고, 길이가 1,000나노미터인 구조를 만들고, 로스몬드의 이모티콘을 완전한 모나리자로 업그레이드했다.

코스리는 "이러한 연구의 목표는 다양한 형태의 디자인을 보여주는 것이지 최종 사용자 응용 프로그램 및 제품을 개발하는 것이었다."고 설명한다. “사람들이 다양한 분야에 눈을 뜨기 시작했기 때문에 이러한 기술을 사용할 수 있는 분야에 큰 변화가 있을 것이라고 생각한다. 제품을 설계하는 새로운 도구가 있으면 많은 과학 분야가 도움을 받을 수 있다.”

나노너프 아니면 아무것도 아니다.

너프(Nerf) 총 프로젝트를 위해 코스리와 그의 팀은 DNA의 큰 "비계" 가닥으로 시작했다. 이것들은 "스테이플 가닥"이라고 불리는 더 짧은 DNA 가닥을 가진 용액에 첨가되었다. 용액이 가열되면 스테이플 가닥이 특정 위치의 비계 가닥에 결합되어 접히고 구부러져 모양이 만들어진다.

 

 

DNA를 제작할 때 가장 큰 장점인 자가 조립은 분자가 자연적으로 형성되는 방식의 결과이다. DNA의 염기쌍은 항상 예측 가능하게 결합한다. 아데닌은 티민과 시토신은 구아닌과 결합한다. 이로 인해 팀은 원하는 디자인을 만들기 위해 접을 수 있는 비계 가닥이 필요한 위치를 정확히 파악할 수 있었다. 그런 다음 그들은 스테이플 가닥이 일치하는 염기쌍 서열을 가지고 있는지 확인하여 전략적 위치에 결합할 수 있도록 했다.

그 결과 각각의 "나노너프" 블래스터는 길이가 약 100나노미터였으며 이는 약 5천만 개가 단일 세포 핵 안에 들어갈 수 있음을 의미한다.

코스리는 인정하지만 기술적으로는 세계에서 가장 작은 너프 블래스터가 아니다. 이 나노스케일 버전에는 발사 메커니즘이 없기 때문에 실제로 세계에서 가장 작은 너프 복제품이다.

로버와 BYU 팀은 물리학이 미시적 수준에서 작동하는 방식을 해결하기 위해 규정 준수 메커니즘을 채택해야 했다는 점을 기억하라. 나노 수준에서는 더욱 이상해진다. 코스리가 지적했듯이 이 규모에서는 사물이 항상 온도의 함수로 움직인다(브라운 운동이라고 불리는 현상). 따라서 우리는 나노너프가 휴대용 너프 블래스터처럼 견고하다고 직관하지만 실제로는 항상 흔들리고 있다. 그 흔들림은 기계적 에너지를 저장하는 방법을 찾는 것이 어렵다는 것을 의미한다.

 

“항상 직관을 믿을 수는 없다. 마이크로 규모에서 작동한다고 해서 나노 규모에서도 작동한다는 의미는 아니다”고 코스리는 덧붙였다.

하지만 그에게는 몇 가지 아이디어가 있다. 예를 들어, 누군가가 DNA 종이접기 레버를 사용하여 비보완 DNA 두 가닥을 부착할 수 있을 수도 있다. 그런 다음 전기장을 사용하여 이를 감아 스프링 에너지를 저장할 수 있다. 해당 구조를 나노너프에 통합하는 방법을 찾으면 구식 고무줄 자동차와 같은 것을 발사하는 데 필요한 에너지를 저장할 수 있다.

DNA 종이접기를 이용해 만든 나노너프 블래스터. 이미지는 원자력 현미경을 사용하여 촬영되었다. (제공: 솔크 연구소)

 

과감히 접다(아무도 접지 않은 것을)

DNA 종이접기는 아직 초기 단계이지만, 현재 연구는 미래에 몇 가지 인상적인 응용 분야를 암시한다. 시먼의 독창적인 아이디어에서 본 것처럼 효소와 같은 것을 제조하기 위한 발판으로 사용될 수 있다. 덜 침해적인 센서로 모니터링할 수 있도록 복잡한 시스템에 바이오센싱 요소를 도입하는 데 사용할 수 있다. 고통스러운 주사를 맞지 않고도 맞춤형 약물과 백신을 전달하는 데에도 사용될 수 있다.

“우리가 주사기 같은 것을 휴대용으로 만드는 이유는 손이 있기 때문이다. 그것은 우리 크기이다.”라고 코스리가 말했다. “하지만 요즘 시대에는 더 이상 인간 크기로 만들어야 할 이유가 없다. 우리 주변의 많은 것들이 더 작을 수 있고, 더 효율적이고, 덜 방해적이며, 부작용이 적고, 오염도 더 적다.”

 

코스리는 DNA 종이접기를 트랜지스터 기술이 어떻게 진화했는지에 비유한다. 처음에는 소수의 물리학자와 전기 기술자만이 이 문제를 다루었다. 그러나 사람들은 트랜지스터를 함께 연결하기 시작했고 이것이 논리 문제를 해결할 수 있다는 것을 발견했다. 곧 다른 분야의 사람들이 트랜지스터로 무엇을 할 수 있는지 알아보기 시작했다. 오늘날에는 트랜지스터가 노트북, 스마트폰, 그리고 아마도 머지않아 언젠가 자율주행차를 구동하는 복잡한 회로를 만들었다.

“나는 우리가 DNA 종이접기에서도 꽤 유사한 것을 보게 될 것이라고 말하고 싶다. 언젠가는 킬러 애플리케이션이 등장하고 모든 사람이 [나노] 장치를 만들게 될 것이며 DNA는 이 혁명의 강력한 후보가 될 것이다.”고 코스리는 결론지었다. “저는 DNA 종이접기에 대해 이렇게 생각한다. 이는 실제로 차세대 엔지니어링의 기초이다.”