(필수)핵산 나노 기술 *(essential) nucleic acid nanotechnology

 

www.cheric.org/PDF/NICE/NI30/NI30-5-0539.pdf

 

서론

유전정보를 저장하고 전달하는 유전체로서 인식되어 오던 핵산(nucleic acids)은 최근에는 핵산만의 고유한 자기조립(self assembly) 성질을 이용하여 매우 정교한 나노구조물을 만드는 등 다양한 분야에서 활발하게 연구 되어지고 있다. 핵산은 우리가 흔히 알고 있듯이 DNA나 RAN를 지칭하며 4개의 염기(아데닌=A, 사이토신=C, 구아닌=G, 티민=T (DNA일 경우) 또는 우라실=U (RNA일 경우))로 구성되어 있다. 이 염기들이 정렬되 면서 특정한 염기 서열을 지니게 되고, 이에 따라 특정 유전정보를 저장하게 된다. 구조적으로는, 특정 염기서열 을 지닌 외가닥 핵산은 상보적인 염기서열을 가지는 외 가닥 핵산과 결합을 통한 이중나선 구조를 가지게 된다. 이러한 염기서열의 조절을 통한 상보결합은 자기조립을 가능하게 하며, 나노 수준에서의 결합 조절이 가능하게 된다. 따라서 나노 구조물 형성을 위하여 핵산은 매우 용 이한 재료로 인식되고 있다.

[그림 1]과 같이, DNA를 이용한 구조물은 1982년 뉴 욕대학의 Nadrian C. Seeman 연구팀이 고안한 나뭇가 지 모양의 나노구조물을 시작으로 지속적인 연구와 발전 끝에[1], 캘리포니아 공대의 Paul W.K. Rothemund 연 구팀이 최근 개발한 나노사이즈의 사람얼굴과 같은 좀 더 복잡하고 세밀한 나노구조물 형성하는데 성공하였다 [2]. 또한, 애리조나주립대의 Hao Yan 연구팀은 기존 2 차원 구조물에서 벗어나 항아리 모양 도자기와 같은 3차 원 구조물을 형성하는데 성공하는 등 DNA를 이용한 나 노구조물 형성은 무한한 가능성을 가지고 있다[3]. 또한, 이와 같은, 핵산으로 형성된 나노 구조물은 단순한 모양 형성에서 더 나아가, 치료[4], 범죄의학[5], 환경[6] 등 다양한 분야에서 활용되어지고 있다.

본 컬럼에서는 핵산을 활용하여 나노구조물을 형성하 고, 이를 응용하여 발전시킨 연구 내용을 소개하고자 한 다. DNA나 RNA를 이용하여 생성된 나노구조물을 통 해 병원체와 같은 목표물질을 진단하는 방법과, 인공조 직 생성과 같은 많은 응용연구를 기대할 수 있는 DNA 하이드로젤을 소개하고자 한다.

또한, RNA를 이용하여 siRNA와 같은 약물을 효과적으로 전달할 수 있는 약물 전달 방법들에 대해서도 살펴보겠다.

 

DNA 나노구조물을 이용한 진단

병원체와 같은 목표물의 빠르고 효과적인 진단은 현대 의학 분야에서의 중요성 때문에 유용한 진단 방법을 찾기 위한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 효과적으로 병원균을 탐지하기 위해서, 중합효 소 연쇄반응(polymerase chain reaction)나 RCA (rolling circle amplification) 같은 방법을 통하여 탐 지하고자 하는 타겟의 양을 증폭하는 방법 또는 나 노입자를 사용하여 타겟물질을 탐지하는 방법 등 많 은 연구와 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 또한, 본 컬럼에서 소개하고자 하는 DNA 나노구조물을 이용한 병원균 탐지 방법도 활발하게 개발 및 연구 되어지고 있다. 먼저, DNA 나노구조물을 이용한 병원균 탐지의 한 가지 방법으로서, Dan Luo 그룹이 고안한 나노 바코드[7]를 이용한 탐지방법에 대해서 소개하고자 한다. 나노바코드 방법이란, 상점에서 쉽게 볼 수 있 는 바코드의 원리와 같이, 일련의 과정을 통해 쉽고 간편하게 물질의 존재 여부와 물질의 종류를 확인할 수 있는 방법이다. 나노바코드는 DNA로 이루어진 나노구조물로서, [그림 2]에서 확인할 수 있듯이, 작 은 단위의 나노구조물들의 결합을 통해서 형성될 수 있다. DNA의 가닥 끝에 다양한 형광물질을 달아주 어 Y 모양의 작은 DNA 나노구조물을 형성하고, 이를 다른 Y 모양의 DNA 나노구조물 또는 X 모양의 DNA 나노구조물들과 연결하여 병원균 탐지가 가능 한 나노바코드를 형성하게 된다. 나노바코드의 한 쪽 끝은 오직 타겟물질에만 반응하여 결합이 가능한 탐침(probe)으로 구성되어 있기 때문에, 효과적으로 타겟물질의 탐지가 가능한 방법이다. 뿐만 아니라, 나노바코드는 형광물질의 종류 및 개수를 정확하게 조절할 수 있기 때문에, 결과 값으로 나타나는 형광 의 색과 형광의 강도(intensity)를 통해, 여러 개의 타겟물질의 동시 탐지가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

보다 최근에 발표된 DNA 나노구조물을 이용한 병원체 탐지 방법에는 target-driven polymerization[8] 방법이 있다. Target-driven polymerization 방법에 서는 앞서 설명한 나노바코드를 응용하여 보다 효율 적인 병원체 탐지를 가능하게 하였다. [그림 3]을 통 해 확인할 수 있듯이, 이 방법에서는 병원체 DNA가 존재할 때만, DNA 나노구조물인 ABC(anisotropic branched crosslinkable) 모노머의 중합이 발생되게 하여, 보다 큰 크기의 구조물을 형성하게 유도하였 다. 앞서 소개한 나노바코드를 통한 병원균 탐지 방 법의 경우, 형광물질에 의한 분석만이 가능했다면, 이 타겟 유도형 중합방법은 결과 물질의 충분한 크 기로 인해, 더욱 다양한 분석 장비를 통해 결과를 확 인할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 큰 크기의 나노 구조물은 개별적인 나노바코드보다 무수히 많은 양 자점(quantum dot) 또는 형광물질을 포함하고 있 기 때문에, 보다 정확하고 효율적인 탐지가 가능한 방법이다.

 

 

Introduction

Nucleic acids, which have been recognized as genomes for storing and delivering genetic information, have recently been actively studied in various fields, such as making very sophisticated nanostructures using the unique self-assembly properties of nucleic acids. Nucleic acids, as we often know, refer to DNA or RAN and consist of four bases (adenine=A, cytosine=C, guanine=G, thymine=T (if it is DNA) or uracil=U (if it is RNA). As these bases are aligned, they have a specific base sequence, and thus store specific genetic information. Structurally, the outer strand nucleic acid with a specific base sequence has a double helix structure through bond with the outer strand nucleic acid with a complementary base sequence. The complementary bond through the regulation of the base sequence enables self-assembly and enables the adjustment of the bond at the nano level. Therefore, nucleic acids are recognized as very useful materials for nanostructure formation. [Figure 1], the DNA-based structure began in 1982 with a tree-shaped nanostructure devised by the Nadrian C. Seeman research team at New Bath University, and after continuous research and development [1], Paul W.K. of California Tech. Rothemund Yan has succeeded in forming more complex and detailed nanostructures such as the recently developed nanosized human face. In addition, the Hao Yan research team of Arizona State University succeeded in forming a tertiary structure such as a jar-shaped ceramic, away from the existing two-dimensional structure, and the formation of a nanostructure using DNA has infinite possibilities [3]. In addition, nanostructures formed by nucleic acids are used in various fields such as treatment, crime medicine, environment, etc., furthermore, from simple shape formation. In this column, we would like to introduce the research contents which are developed by applying nucleic acid to form nanostructures, and to introduce a method of diagnosing target materials such as pathogens through nanostructures generated by using DNA or RNA, and a DNA hydrogel that can expect many application studies such as artificial tub fabrication. We also examine the methods of drug delivery that can effectively deliver drugs such as siRNA using RNA.

 

Diagnosis using DNA Nanostructures

The rapid and effective diagnosis of targets such as pathogens is very important in modern medicine, so research is being actively conducted to find useful diagnostic methods. To detect pathogens effectively, many studies and developments have been actively conducted, such as amplifying the amount of targets to be detected through polymerase chain reaction or rolling circle amplification (RCA) or detecting target substances using old particles. In addition, the method of detecting pathogens using DNA nanostructures to be introduced in this column has been actively developed and studied. First, as a method of pathogen detection using DNA nanostructures, we introduce a method of detection using nanobarcode 7 devised by Dan Luo group. The nanobarcode method is a method that can easily and easily confirm the existence of materials and the type of materials through a series of processes, such as the principle of barcodes that can be easily seen in stores. The nanobarcode is a nanostructure consisting of DNA, which can be formed through the combination of small silver nanostructures, as can be seen in [Figure 2].

The various fluorescent materials are attached at the end of the strand of DNA and the small DNA nanostructures of Y shape is formed. It connects to the DNA nanostructures of the other Y shape or the DNA nanostructures of X shape and the nano bar code in which the pathogen detection possibles is formed. One end of the nanobarcode consists of a probe capable of binding only to the target material, so it is effectively possible to detect the target material. In addition, since the nanobarcode can accurately control the type and number of fluorescent materials, it is possible to simultaneously detect several target materials through the color of fluorescence and intensity of fluorescence, which are shown as the result values.
A more recently announced method for detecting pathogens using DNA nanostructures is a target-driven polymerization[8]. In the target-driven polymerization method, the nanobarcode described above was applied to enable more efficient pathogen detection. As we can see through figure 3, this method induces the polymerization of the DNA nanostructure, the anisotropic branched crosslinkable monomer, to form a larger structure only when pathogen DNA exists. In the case of the pathogen detection method using nanobarcodes introduced above, if only the analysis by fluorescent materials was possible, this target-induced polymerization method has the advantage of being able to confirm the results through more various analysis equipment due to the large amount of the resulting material.In addition, nanostructures of large sizes contain a number of quantum dots or fluorescent materials than individual nanobarcodes, so that more accurate and efficient detection is possible.