DNA 프로그래밍 가능 조립을 통해 혁신적인 3D 나노물질 생성

컬럼비아 대학교, 뉴욕, 뉴욕

DNA 프로그래밍 가능 결합을 사용하여 조립된 3D 나노입자의 전자현미경 이미지. (이미지 :올렉 강)

엠파이어 스테이트 빌딩이 건설되었을 때, 그 102층은 미드타운 위로 한 번에 한 개씩 솟아올랐고, 각 개별 요소가 결합되어 40년 동안 세계에서 가장 높은 건물이 되었습니다. 컬럼비아의 업타운, Oleg Gang과 그의 화학 공학 연구소는 아르 데코 건축물을 짓지 않습니다. 그들의 랜드마크는 스스로 배열되는 나노 크기의 빌딩 블록으로 만들어진 믿을 수 없을 만큼 작은 장치입니다.

"이제 우리는 엠파이어 스테이트 빌딩의 일종의 나노 규모 버전인 자기 조립 나노 구성 요소로부터 복잡하게 규정된 3D 조직을 구축할 수 있습니다."라고 Columbia Engineering의 화학 공학 및 응용 물리 및 재료 과학 교수이자 Brookhaven 국립 연구소의 기능성 나노 물질 센터의 소프트 및 바이오 나노 물질 그룹의 리더인 Gang은 말했습니다.

Gang은 “설계에 따라 3D 나노크기 재료를 제조하는 능력은 빛 조작에서 뉴로모픽 컴퓨팅, 촉매 재료에서 생체분자 지지체 및 반응기에 이르기까지 많은 새로운 응용 분야에 매우 중요합니다.”라고 말했습니다.

두 편의 논문으로, 하나는 Nature Materials에 발표되었습니다. ACS Nano의 1초 Gang과 그의 동료들은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 자가 조립을 통해 목표로 삼은 3D 나노 규모 구조를 제작하는 새로운 방법론을 설명하고 다른 사람들이 따라할 수 있는 설계 알고리즘을 제공합니다. 그리고 이 모든 것은 가장 기본적인 생체분자 구성 요소인 DNA를 기반으로 합니다.

마이크로 전자공학의 소규모 제조와 관련하여 기존 접근 방식은 하향식 전략을 기반으로 합니다. 일반적인 접근 방식 중 하나는 강력한 빛과 복잡한 스텐실을 사용하여 회로를 에칭하는 포토리소그래피입니다. 그러나 주류 리소그래피 기술은 복잡한 3차원 구조로 인해 어려움을 겪고 있는 반면, 3D 프린팅으로 더 잘 알려진 적층 제조는 아직 나노 규모의 특징을 제작할 수 없습니다. 작업 흐름 측면에서 두 방법 모두 각 기능을 하나씩 순차적으로 제작합니다. 이는 3D 개체를 만드는 데 있어 본질적으로 느린 프로세스입니다.

Gang은 바이오 시스템에서 힌트를 얻어 DNA가 지시하는 자기 조립 과정을 통해 바닥부터 위로 3D 재료와 장치를 만듭니다. 그는 다른 과학자들과의 협력을 통해 자신의 방법을 개선해 왔으며, 예를 들어 작업에 필요한 초소형 전자 장치를 제작해 왔습니다.

두 달 전, 그와 그의 전 학생이자 현재 Brookhaven 국립 연구소의 기능성 나노물질 센터의 직원 과학자인 Aaron Michelson은 마이크로칩에 통합된 3D 광 센서를 만드는 데 관심이 있는 미네소타 대학의 공동 연구자에게 프로토타입을 전달했습니다. 그들은 칩에 DNA 비계를 성장시킨 다음 감광성 물질로 코팅하여 센서를 제작했습니다.

그 장치는 많은 장치 중 첫 번째 장치였습니다. Nature Materials에 게재된 최신 논문 Gang과 그의 팀은 일련의 나노크기 DNA 구성요소와 나노입자로부터 원하는 3D 구조를 만들기 위한 역설계 전략을 수립했습니다. 이 연구는 재료 디자인에 대한 'DNA 종이접기' 접근 방식의 네 가지 응용 프로그램을 더 제시합니다. 태양광 패널에서 흔히 발견되는 재료를 모방한 것; 나선형 소용돌이로 회전하는 또 다른 결정; 그리고 컬럼비아 공과대학 응용물리학 교수인 공동 연구자 Nanfang Yu는 광학 컴퓨터를 만들겠다는 목표를 위해 특정 방식으로 빛을 반사하는 구조를 만들었습니다.

Columbia 및 Brookhaven 국립 연구소에서 싱크로트론 기반 X선 산란 및 전자 현미경 방법과 같은 고급 특성화 기술을 사용하여 팀은 결과 구조가 설계와 일치하는지 확인하고 구조 충실도를 향상시키기 위한 설계 고려 사항을 공개했습니다. 이러한 각각의 독특한 구조는 Gang의 연구실에 있는 우물에서 스스로 조립되었습니다. 이러한 유형의 재료 형성은 조립 과정에서 구성 요소가 함께 결합되기 때문에 본질적으로 평행합니다. 이는 기존 방법에 비해 3D 제작에 상당한 시간과 비용이 절약된다는 것을 의미합니다. 물 속에서 조립되기 때문에 제조 공정도 환경 친화적입니다.

"이 조립 방법론은 제가 현재 BNL에서 일하고 있는 액체 로봇 자동화와 결합되어 광범위한 응용 분야를 위한 3D 나노 제조를 확립할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다."라고 논문 공동 제1저자이자 박사 학위인 Brian Minevich가 말했습니다. Gang의 연구실 학생이자 현재 BNL의 박사후 연구원입니다.

Gang은 “이것은 생물학적, 광학적, 전기적, 자기적 등 다양한 특성을 가진 많은 재료에 적용할 수 있는 플랫폼입니다.”라고 말했습니다. 최종 결과는 단순히 디자인에 따라 달라집니다.

DNA를 구성하는 4개의 핵산은 특정 조합에서만 쌍을 이룰 수 있으므로 DNA는 예상대로 접힙니다. 그러나 원하는 구조에 수십억은 아니더라도 수백만 개의 조각이 포함되어 있는 경우 올바른 시작 순서를 어떻게 찾아낼 수 있습니까? Gang과 그의 동료들은 역구조 설계 접근 방식을 통해 이 문제를 해결했습니다. Gang은 "만들고 싶은 기능이 포함된 큰 구조를 알고 있다면 이를 더 작은 구성 요소로 분해하여 원하는 구조를 형성하는 데 필요한 구조적, 결합적, 기능적 속성을 갖춘 빌딩 블록을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다.

빌딩 블록은 기계적으로 견고한 팔면체 모양으로 접히는 DNA 가닥입니다. Gang은 이를 복셀이라고 하며 각 복셀을 서로 연결하는 커넥터가 각 모서리에 있습니다. 직소 퍼즐 조각이 복잡한 그림을 형성하는 방식과 유사하게 DNA 인코딩을 사용하여 많은 복셀을 특정 반복적인 3D 모티프로 연결하도록 설계할 수 있습니다. 반복적인 모티프는 차례로 병렬로 조립되어 목표로 삼은 계층적으로 조직된 구조를 만듭니다. 공동 작업자인 Michael Bykhovsky 및 Charo Gonzalez-Bykhovsky 컬럼비아 화학공학 교수인 Sanat Kumar는 Gang의 역설계 접근 방식에 대한 컴퓨터 검증을 제공했습니다.

역설계 전략을 활성화하려면 연구자들은 원하는 구조를 형성하는 데 필요한 최소한의 수로 이러한 DNA 기반 나노크기 '직소 퍼즐 조각'을 설계하는 방법을 알아내야 합니다. "파일을 압축하는 것과 같다고 생각할 수 있습니다. 우리는 DNA 자기 조립이 가장 효율적이도록 정보의 양을 최소화하고 싶습니다."라고 BNL의 전속 과학자이자 이전에 Gang 그룹의 박사후 연구원인 제1저자 Jason Kahn이 말했습니다. 구조적으로 인코딩된 어셈블리 매핑(MOSES)이라고 불리는 이 알고리즘은 나노 규모의 CAD 소프트웨어와 같다고 Gang은 덧붙였습니다. "특정하고 임의로 정의된 3D 계층적 정렬 격자를 만드는 데 어떤 DNA 복셀을 사용해야 하는지 알려줄 것입니다."

거기에서 DNA 복셀 내부에 다양한 유형의 나노 '화물'을 추가하여 최종 구조에 특정 특성을 부여할 수 있습니다. 예를 들어, Yu의 실험에서 입증된 것처럼 금 나노입자를 내장하여 독특한 광학 특성을 제공했습니다. 그러나 이전에 설명한 것처럼 무기 및 생체 유래 나노 구성 요소 모두 이러한 DNA 지지체에 통합될 수 있습니다.

장치가 조립된 후 팀은 장치를 '광물화'했습니다. 그들은 지지체를 실리카로 코팅한 다음 열에 노출시켜 DNA를 분해함으로써 원래의 유기 지지체를 매우 견고한 무기 형태로 효과적으로 전환시켰습니다.

Gang은 인간 두뇌의 복잡한 연결성을 모방하기 위한 3D 회로를 포함하여 훨씬 더 복잡한 설계를 실현하기를 희망하면서 Kumar 및 Yu와 계속 협력하여 복잡한 구조의 엔지니어링 및 조립을 가능하게 하는 설계 원리를 발견했습니다.

"우리는 상향식 3D 나노 제조 플랫폼을 구축하는 과정에 있습니다. 우리는 이것을 나노 규모의 차세대 3D 프린팅으로 보고 있지만 현재로서는 DNA 기반 자가 조립의 힘을 통해 대규모 병렬 제조를 구축할 수 있습니다."라고 Gang은 말했습니다.

자세한 내용은 Oleg Gang에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.