한국원자력연구원(원장 박원석)은 환경안전평가연구부 정일래 박사가 주도한 공동 연구팀이 연구원의 원자력기술을 활용해 유망 바이오소재인 ‘DNA 은나노클러스터’ 센서의 작용 원리를 규명했다고 1일 밝혔다. ‘은나노클러스터’는 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기의 은 입자 덩어리를 말한다.

이번 성과는 전북대학교, 연세대학교, (주)서린바이오 사이언스 및 미국 오크리지국립연구소와의 산·학·연 공동 연구결과로 나노과학 및 재료과학 분야 상위 1% 수준의 세계적 권위지인 ‘ACS NANO(IF=14.59)’의 온라인판 6월에 게재됐으며, 향후 출판될 인쇄본에도 실릴 예정이다.

‘DNA 은나노클러스터’는 강력한 형광을 발산할 수 있는 신소재로 DNA, 단백질 등 다양한 생체물질과 수은 등의 중금속 검출을 위한 탐지 센서로 응용되고 있지만 그 형광의 발색이 어떤 원리로 결정되는지에 관한 심층 연구는 미미했다. 공동 연구팀은 이번 연구를 통해 DNA 은나노클러스터의 형광 발색 원리를 규명해냈다.

DNA 은나노클러스터 센서는 환자 체내의 DNA, RNA 등의 생체물질을 검출해 암, 치매 등 난치성 질환을 진단하는 바이오소재로 활용되고 있다. 이번 연구성과는 향후 다양한 물질을 검출하기 위한 바이오소재 센서의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

일반적으로 DNA는 형광을 띠고 있지 않지만 은나노클러스터가 결합하면 독특한 적색, 청색, 오렌지색 등 다양한 형광을 띤다. DNA 은나노클러스터 센서의 형광특질을 활용해 다양한 생체물질을 검출하거나 질병 진단에 활용하는 것이 가능했지만 그동안 특정 형광이 발현되는 나노화학적 이유는 밝혀지지 않았다.

공동연구진은 5년에 걸친 연구 끝에 마주 보는 두 개의 머리핀 구조(hairpin)의 DNA가 마주 보는 결합 구조(head-to-head dimer structure)를 형성할 때 결합한 은나노센서가 강력한 오렌지색 형광을 띠게 된다는 사실을 발견했다.

연구진에 따르면 이번 성과는 ‘양자빔 소각산란’ 기술을 활용해 나노 영역의 DNA를 관찰 할 수 있었기 때문에 가능했다. 중성자 혹은 엑스선과 같은 양자빔이 물질을 투과할 때 물질 내부의 원자핵 또는 전자와 상호작용하면서 궤적이 변한다. 소각산란기법은 그 궤적의 각도가 매우 작은 영역을 측정함으로써 현미경으로도 볼 수 없는 작은 나노 크기의 입자를 관찰할 수 있도록 해주는 기법이다.

연구진은 한국원자력연구원 내의 소각산란 시설을 사용해 DNA와 은나노클러스터의 결합 구조를 관찰했고, 이 구조와 형광 발현 패턴의 상관관계를 규명해낼 수 있었다.

논문에 공동 제1저자로 참여한 정일래 박사는 “원자력연구원의 원자력기술을 활용해 바이오소재의 구조와 작용 원리를 규명했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로 바이오 분야에서 원자력기술의 활용 폭을 확장 시킨다면 생물 구조분석 연구에 큰 진전이 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.