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- 분자 래칫은 전기 에너지를 회전 운동으로 변환
- 전압이 가해지면 DNA 회전자가 움직이기 시작하고 한 방향으로 회전
- 기술적으로 타의 추종을 불허

DNA 물질로 만든 최초의 전기 모터
분자 래칫은 전기 에너지를 회전 운동으로 변환할 수 있다.

모터로서의 유전 물질:
과학자들이 처음으로 유전 분자 DNA를 나노 규모의 전기 모터로 변환했다. 이를 위해 그들은 로터 암이 있는 받침대를 형성하는 방식으로 여러 개의 DNA 가닥을 조립했다. 이제 전압이 가해지면 DNA 회전자가 움직이기 시작하고 한 방향으로 회전한다. 새로운 나노 전기 모터는 나노 공정과 화학 반응을 새로운 방식으로 구동할 수 있는 가능성을 열어준다. 

▲ 나노 모터는 세 가지 구성 요소로 구성된다. 중간 플랫폼의 구조가 기능에 결정적이다. © Anna-Katharina Pumm / 뮌헨 공과 대학

모터는 이제 수세기 동안 인류의 노동을 덜어주고 있다. 그들의 주요 임무는 가장 작은 규모에서도 다양한 형태의 에너지를 운동으로 변환하는 것이다. 최근 크기가 1nm(나노미터)에 불과한 나노모터와 유전 물질 분자 DNA로 만들어진 다른 모터가 있다. 그러나 지금까지 후자는 전기 에너지가 아닌 화학 에너지에서만 운동을 생성할 수 있었다.

▲ 그림 2 | DNA 종이접기 모터의 구조 분석. , 서로 다른 견해에 의해 결정된 모터 블록의 3D 전자 밀도 맵 단일 입자 cryo-EM 코드 EMD-14358의 현미경 데이터 뱅크(EMDB). b, 모터 블록 cryo-EM 서로 다른 밀도 임계값으로 묘사된 지도 세부 정보 장애물과 로터 독을 식별할 수 있다. 삽입, 6개를 보여주는 개략도 로터 암의 선호되는 거주 장소. c, 예시적인 음성 염색 긴 로터 암이 부착된 모터 변형의 TEM 이미지. 스케일 바, 50 nm. d, 예시적인 단일 입자 형광 이미지. 스케일 바, 500 nm. 그만큼 이미지는 계산된 픽셀당 평균 강도의 표준 편차를 보여준다. 기록된 TIRF 비디오의 모든 프레임에서 e, DNA-PAINT 이미지 표시 (출처:A DNA origami rotary ratchet motor / nature, Published: 20 July 2022) 삼각형 플랫폼을 기준으로 한 로터 암 팁 위치. 스케일 바, 500 nm.

유전 물질 분자와 종이 접기

뮌헨 공과 대학의 제1저자인 안나-카타리나 품(Anna-Katharina Pumm)이 이끄는 팀은 이제 DNA로 만들어진 작동하는 나노 크기의 전기 모터를 구축했다. 분자 모터를 조립하기 위해 과학자들은 DNA 종이접기로 알려진 것을 사용했다. 이 구성 방법을 사용하면 여러 개의 긴 단일 가닥의 유전 물질이 기본 구조 역할을 하고 추가로 상보적인 DNA 섹션이 부착된다. 분자의 서열은 부착 및 접힘으로 인해 원하는 구조가 생성되는 방식으로 선택된다.

"우리는 수년 동안 이 방법으로 작업해 왔으며 이제 바이러스를 포획할 수 있는 분자 스위치 및 속이 빈 몸체와 같은 매우 정확하고 복잡한 물체를 개발할 수 있다. 상응하는 서열이 있는 DNA 가닥을 용액에 넣으면 물체가 스스로 조립된다.

베이스, 플랫폼, 로터

연구원들은 새로운 DNA 모터를 위한 세 가지 구성 요소를 만들기 위해 종이접기 기술을 사용했다. 그들은 폴리에틸렌 글리콜의 도움으로 유리판에 고정된 약 40나노미터 높이의 베이스를 기반으로 한다. 그런 다음 13나노미터 두께의 DNA 플랫폼을 발에 장착하여 베이스를 DNA로 만들어진 500나노미터 길이의 로터 암에 연결한다. 중간 요소의 구조는 엔진의 기능을 담당한다.

기본적으로 DNA 모터는 일종의 래칫처럼 작동한다. 회전 가능하게 장착된 암의 회전을 제한하는 장애물이 중간 플랫폼에 있다. 특정 에너지 공급이 없으면 로터는 용매 분자와의 충돌에만 영향을 받기 때문에 무작위로 제어되지 않고 움직인다. 그러나 두 개의 전극을 통해 AC 전압이 인가되자마자 암은 원하는 방향으로 목표하고 연속적인 방식으로 회전한다. 마지막으로 과학자들은 자기장의 방향과 전압의 주파수와 진폭을 통해 회전 속도와 방향에 영향을 줄 수 있다.

▲ 그림 1: 모터 설계 및 실험 설정. a, b, 각각 받침대 및 삼각형 플랫폼의 개략도. 실린더는 DNA 이중 나선을 나타낸다. c, 모터 조립 단계의 개략도. d,e, 로터 암 부품. f, 왼쪽, 도립된 TIRF 현미경에서 모터 역학을 관찰하기 위한 실험 설정의 개략도. 받침대는 현미경 커버슬립에 대한 여러 비오틴-뉴트라비딘 연결을 통해 고정된다. 주황색 별, Cy5 염료. 파란색 별, DNA-PAINT 이미저 가닥의 라벨 위치. 오른쪽, 두 개의 백금 전극이 위에서부터 액체 챔버에 잠기고 구형파 교류를 생성하는 함수 발생기에 연결되어 모든 모터에 작용하는 고정 축 에너지 변조를 생성한다. (출처:A DNA origami rotary ratchet motor / nature)

"기술적으로 타의 추종을 불허“

"새로운 모터는 타의 추종을 불허하는 기계적 기능을 가지고 있다"라고 공동 저자인 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 역학 및 자기 조직 연구소의 라민 골레스타니안(Ramin Golestanian)은 말한다. “나노미터 단위로 10피코뉴턴 범위의 토크를 달성할 수 있다. 그리고 그것은 두 개의 ATP 분자를 쪼개서 방출되는 것보다 초당 더 많은 에너지를 생성할 수 있다.

과학자들은 그들이 개발한 모터가 미래에 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 것과 같은 특정 기술 과제를 수행하기를 희망한다. “우리는 ATP 생산 라인을 따라 화학 반응을 유도하는 데 잠재적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 표면은 그러한 모터로 조밀하게 코팅될 수 있다”라고 디츠(Dietz)는 설명했다. "그런 다음 원료를 추가하고 약간의 AC 전압을 적용하면 모터가 원하는 화합물을 생성한다.“
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04910-y)
출처: 뮌헨 공과 대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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