한국과 미국 공동연구진이 가뭄이 들면 논바닥이 쩍쩍 갈라지는 현상을 착안, 물을 품고 있는 DNA 박막 위에 탈수 반응을 일으킬 수 있는 유기 용매를 뿌려 DNA 균열을 원하는 대로 만들어 낼 수 있는 기술을 개발했다.

이를 통해 만들어진 균열구조 안에 친환경 온열소재, 적외선 발광체 등을 넣어 기능성 바이오 소재 등 스마트 헬스케어 분야에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

KAIST는 윤동기 화학과 교수, 유승화 기계공학과 교수, 박순모 미국 코넬대 화학공학과 박사 공동연구팀이 DNA 박막의 탈수 현상에 기반한 미세구조 균열을 제작했다고 29일 밝혔다.

유전 정보를 저장하는 기능을 하는 DNA는 두 가닥이 서로 꼬여있는 이중나선 사슬 구조, 사슬과 사슬 사이는 2~4㎚(나노미터·10억분의 1m) 주기의 규칙적인 모양을 갖는 등 일반적인 합성 방법으로는 구현하기 힘든 정밀한 구조재료로 구성돼 있다.

이 구조를 변경하기 위해서 DNA를 빌딩블록으로 사용해 정밀하게 합성하거나 오리가미(종이접기) 기술을 이용해 구현해 왔다. 하지만 매우 복잡한 설계과정이 필요하고, 특히 염기서열이 조절된 값비싼 DNA를 이용해야 하는 단점이 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 연어에서 추출한 DNA 물질을 수채화 물감과 같이 사용해 그림을 그리듯이 정렬시켰다. 그리고 3D 프린터를 이용해 DNA 사슬들을 원하는 방향으로 정렬시키면서 말려 얇은 막을 만들었다.

여기에 유기 용매 방울을 떨어뜨리면 끓는점이 낮은 유기 용매가 DNA 내의 수분을 빼앗아 가면서 크랙이 형성되는 현상을 연구팀은 관찰했다. 이때 DNA의 사슬 옆면이 사슬 끝부분에 비해, 물을 상대적으로 많이 포함하고 있어 더 많은 수축이 일어나 결국 DNA 사슬 방향으로 크랙이 형성됐고, DNA 사슬 방향을 원하는 방향으로 조절할 수 있다.

연구팀이 개발한 DNA 기반 미세 균열(크랙) 구조 형성·제어 기술은 생체 친화적 소재인 DNA로 이루어진 수십-수백 나노미터의 박막에 DNA 사슬방향으로 생긴 크랙(균열)에 다양한 기능성 소재를 채워 넣는 공정이 가능하다. 온열 소재의 경우 겨울에 따뜻하게 하고 적외선 발광체를 넣으면 탈모나 피부케어 등에 응용되는 등, 생체친화적인 패턴을 바탕으로 기능성을 부여함으로써, 향후 다양한 기능성 바이오 소재 및 헬스케어 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

윤동기 교수는 “DNA 미세 크랙 패터닝은 코끼리 피부가 갈라지는 현상이 체온을 유지하기 위한 한 방법이고, 극심한 가뭄에, 땅이 갈라지는 일은 비가 많이 올 때 더 많은 물을 흡수하기 위함이라는 자연의 현상을 그대로 따라 구현했다”고 말했다.

이어 “이번 연구는 반도체 패턴만큼이나 작은 DNA 빌딩블록 기반의 미세구조 패턴을 제조한 것으로 환경친화적인 면을 고려할 때 그 의의가 더 크다고 할 수 있다”고 강조했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’ 온라인판에 15일 게재됐다.

구본혁 기자