DNA 종이접기로 ‘빛 회로’ 구현…미세한 광학 신호도 선명하게 포착

△ 왼쪽은 금 입자 하나, 가운데는 두 금 입자 사이에 염료를 담은 DNA 틀을 배치한 구조다. 오른쪽 시뮬레이션에서 밝은색일수록 빛의 전기장이 강하다. 두 입자 사이의 좁은 틈에 빛이 집중되면서, 그 자리에 놓인 분자와 빛의 상호작용이 커진다

약 70개의 염료 분자가 만드는 미세한 광학 신호를 뚜렷하게 감지하는 데 성공했다. 고려대학교(총장서리 정순영) KU-KIST융합대학원/융합에너지공학과 이승우 교수 연구팀이 미국 하버드대학교 윌리엄 시(William M. Shih) 교수 연구팀, 호주 시드니대학교 셸리 위컴(Shelley F. J. Wickham) 교수 연구팀과 공동으로 DNA 종이접기 기술을 활용한 ‘빛 회로’를 구현했다.

금 나노입자들을 가까이 배치하면 입자 사이의 좁은 틈에 빛의 전기장이 강하게 모인다. 이 틈에 염료 분자를 놓으면 빛과 분자의 상호작용이 강해져 소량의 분자가 만들어 내는 미세한 광학 신호도 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 그러나 금 나노입자의 모양이나 간격이 조금만 달라져도 빛의 반응이 크게 달라지기 때문에 이를 정밀하게 제어하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 ‘DNA 종이접기’ 기술을 활용했다. 종이를 접어 원하는 모양을 만들 듯, DNA 가닥이 서로 짝을 이루는 성질을 이용해 원하는 모양의 나노 구조물을 만드는 기술이다. DNA를 세 겹으로 쌓아 지름 약 30나노미터, 높이 약 20나노미터의 속이 빈 원통형 구조물을 제작하고, 여기에 표면이 매끄러운 금 나노입자를 정해진 자리에 붙였다. 또한 빛을 흡수하는 염료 분자를 DNA에 결합해 금 나노입자 사이에 배치했다.

정밀한 조립은 더 선명한 빛 공명으로 이어졌다. 크기가 다른 금 나노입자 3개로 구성한 회로의 공명 품질계수(Q)는 약 19.2로, 기존 유사 금 나노입자 구조(약 4~10) 보다 높은 수치를 기록했다.

*공명 품질계수(Q): ‘특정 파장의 빛에 강하게 반응’하는 공명 현상이 얼마나 선명하게 나타나는지를 나타내는 지표로, 값이 높을수록 공명이 뚜렷하다

미세한 분자 신호를 감지하는 성능도 확인했다. 연구팀은 금 나노입자 2개 사이에 약 70개의 염료 분자(YOYO-3)를 배치해 뚜렷한 광학 신호를 관찰했다. 반면 비교 대상인 단일 금 나노입자 구조에서는 비슷한 수준의 신호를 얻기 위해 약 6,400개의 염료 분자가 필요했다. 즉, 약 100배 적은 수로도 비슷한 수준의 광학 신호를 확인한 것이다.

이번 연구는 DNA 종이접기 기술로 만든 나노 구조물에 금 나노입자와 분자를 정밀하게 배치해 빛의 공명과 분자 신호를 조절할 수 있음을 보여준다. 향후 적은 양의 분자를 분석하는 광학 센서와 빛과 분자의 상호작용을 연구하는 기술에 활용될 것으로 기대된다.

본 연구는 과학기술정보통신부·보건복지부가 지원하는 한미 공동연구사업(KUCRF), 호주연구위원회(ARC), 고려대학교의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 ‘Science Advances’ 온라인에 10월 7일 게재됐다.

*논문명: 3D DNA origami-enabled molecularly addressable optical nanocircuit

*DOI: 10.1126/sciadv.aeb2001

*URL:https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb2001

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 융합생명공학과 이재원 박사(제1저자), 이승우 교수(교신저자)