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[요약]미국 과학자들이 전류가 흐르는 젤 안에서 DNA같은 거대 분자들이 확산되지 않고 고정돼 있는 현상을 발견했다. 유전자 치료나 약물 치료 등에서 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.(2018.06)
미국 애머스트 매사추세츠주립대 고분자물리학자들이 디엔에이(DNA) 분자들이 전류가 흐르는 물 기반의 젤(하이드로젤) 안에 놓여 있을 때 확산되지 않고 한 곳에 고정돼 있는 현상을 발견했다. 이는 유전자 치료 등 생화학 분야에서 유용하게 쓰일 수 있는 중대한 발견으로 여겨지고 있다.
매사추세츠주립대학의 유매스 애머스트 고분자물리학 교수인 무루가판 무투쿠마르에 의해 수행된 연구 논문은 과학저널 <네이처 커뮤니케이션스> 8일치에 실렸다.
연구자들은 광산란 기술을 이용해 음전하된 96% 수용액으로 만들어진 그물 형태의 젤에 마찬가지로 음전하된 커다란 DNA를 집어넣었다. 연구자들은 DNA가 천천히 움직여 결국 확산되리라고 생각했다. 하지만 독특하게 구성된 젤이 DNA를 고정시켜 결코 확산되지 않는다는 것을 발견했다.
무투쿠마르 교수는 “과학자들은 100년도 넘게 DNA처럼 거대분자를 포함한 모든 분자는 브라운 운동을 할 것으로 생각해왔다. 그들의 확산 속도는 분자 크기에 비례하는 것으로 알아왔다”고 말했다.
하지만 연구팀이 발견하고 계산을 통해 확인한 것은 이것에 반하는 것이었다. 실험 결과는 대략 동일한 크기의 칸으로 된 정사각형의 그물에 분자가 붙잡혀 있는 것을 상상하면 된다. 분자가 확산되기 위해서는 칸 하나하나를 움직이면 되는데, 하나를 움직이면 전체가 함께 움직였다. 연구자들은 이를 “분자들이 ‘위상학적으로 충족되지 못한’(topologically frustrated) 불능 상태를 보인 것”이라고 표현했다.
무투쿠마르 교수는 “이것은 과학자들이 수용액내 고분자들의 확산에 대해 알고 있는 것과 정반대이다. DNA는 화학적 결합에 의해 고정되지 않는다. 우리는 젤도 화학적 결합이 없도록 조작해 젤과 DNA 사이에 상호작용하지 않도록 했다”고 말했다.
그는 “현탁액에 고분자나 분자들을 고정시키는 기술은 돌연변이 유전자를 교체하거나 질병과 싸우도록 하는 유전자 치료에 새로운 돌파구를 열어줄 수 있다. 젤이 특정 부위에 DNA를 고정시킬 수 있기 때문이다. 과학자들은 유전자를 특정 부위에 곧바로 집어넣고 그곳에 머물게 할 수 있다”고 말했다. 큰 약물을 특정 부위에 고정시키는 것도 치료 효율을 높이는 데 기여할 수 있다.
이번 연구를 지원한 미국 국립과학재단(NSF)의 앤드루 러빙어는 이번 연구에 대해 “연구팀이 발견한 새로운 역학적 현상은 놀라운 것이다. 과학자들이 오랫동안 믿어온 고분자 확산에 대한 지식을 뒤집었다. 생물과 합성 분야에서 고분자학에 대한 기초연구에 활력을 불어넣을 것”이라고 평가했다.