분자 로봇(molecular robot)을 위한 첫걸음

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-19

너무 작아서 현미경으로도 직접 관찰될 수 없는 걸어 다니는 분자가 그 역사적인 나노미터 크기의 첫 걸음을 기록했다. 현실세계에서 이 작은 걸어 다니는 분자의 움직임을 기록한 것은 이번이 처음이다. 이러한 연구 결과는 옥스퍼드대(Oxford University)의 연구진에 의해 행해졌으며 나노 로봇(nanorobot)을 위한 첫 걸음으로 기록될 것이다. 이에 대해 옥스퍼드대(Oxford University) 화학과의 Gokce Su Pulcu 박사는 "미래에 우리는 보다 복잡한 분자머신을 만들기 위한 빌딩블럭으로 이용될 수 있는 각각의 분자를 실어나르는 작은 분자 머신을 상상할 수 있을 것이다. 세포 내에서 움직이는 작은 핀셋을 상상해보라. 이러한 연구들의 궁극적인 목표는 나노수송 네트워크(nanotransport network)를 만들기 위해 걸어다니는 분자를 이용하는 것"이라고 말했다. 하지만, 나노로봇이 달리기 전에 이들은 먼저 걸을 수 있어야 한다. Su가 예측한 바와 같이 이것은 쉬운 일이 아니다. 수년 동안 새로운 연구자들이 머신(machine)을 움직이고 분자들이 걸어다니는 것이 DNA에 의해 이루어질 수 있다고 믿었다. 하지마 상대적으로 말해, DNA는 작은 걸어다니는 분자들에 비해 크며 오직 물에서만 작동한다는 단점이 있다. 더 큰 문제는 미세현미경이 10~20나노미터 수준보다 더 작은 움직이는 물체만을 탐지할 수 있다는 점이다. 이것은 1나노미터의 길이를 지닌 걸어다니는 분자들이 10~15 걸음을 걸은 후에야 비로서 탐지가 가능하다는 것을 의미한다. 따라서 미세현미경을 이용해 이 걸어다니는 분자들이 점프(jump)를 하는지 아니면 새로운 위치를 향해 떠다니는지를 정의내리기 어렵다. 연구자들이 Nature Nanotechnology 지에 게재한 바와 같이 Su와 옥스퍼드대 베일리(Bayley) 그룹의 동료 연구자들은 실시간으로 분자들의 매 걸음을 관찰할 수 있는 새로운 방법을 개발하는데 성공했다. 비소(arsenic)를 포함하고 있는 분자들의 매 걸음을 유도하고 이를 탐지하기 위해 이러한 실험들을 나노포어(nanopore) 내에서 수행했다. 나노포어는 이미 베일리 그룹에 의해 DNA 시퀀싱을 위해 개발된 기술이며 Oxford Nanopore Technologies 사에 의해 스핀아웃된 바 있다. 여기서, 작은 단백질 포어들이 그들을 통과하는 분자들을 탐지한다. 각각의 염들이 나노포어를 통과하는 동안 서로 다른 양의 전류가 흐르게 되고 이를 측정해 A, C, G, T의 여부를 측정하게 된다. 이에 대해 Su는 "우리는 실제로 이들이 움직이는 것을 볼 수는 없지만 이들을 통과하는 이온성 전류의 양을 측정해 이들의 움직임을 관찰할 수 있다"고 말했다. 연구자들은 이 분자들이 걷는 것이 아니라 떠다니는 것이 아니라는 것을 입증하기 위해 분자들이 걷는 일종의 트랙에 화학결합을 만들고 이들이 걷는 동안 이 화학결합이 깨지게 만들었다. 이러한 실험조건을 통해 연구자들은 이 걸어다니는 분자가 떠다니는 것이 아니라 걷는다는 것을 확인할 수 있었고, 이를 탐지할 수 있었다. 다음 단계의 연구는 이들이 단지 걷는 것만이 아니라 무엇인가를 운송하도록 하는 것이다. 이에 대해 그녀는 "우리는 각각의 서로 다른 일종의 정거장을 지니 미세칩을 만들어 이들 정거장 사이에서 물체를 수송하는 분자들을 만들어낼 계획"이라고 말했다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 ["Continuous observation of the stochastic motion of an individual small-molecule walker." Nature Nanotechnology (2014) DOI: 10.1038/nnano.2014.264]를 참고하기 바란다. 그림: 걸어다니는 분자들의 모형 babystepstow.jpg http://phys.org/news/2014-12-baby-molecular-robots.html