- DNA로 초음파 힘 전달해 원하는 분자결합만 선택적으로 끊는 기술

- 정밀한 기계화학 반응 구현, 약물전달·바이오센서 등 활용 기대

‘Chem’ 2026년 9월호 표지 이미지

국립부경대학교 화학과 곽민석 교수 연구팀이 DNA를 이용해 초음파의 기계적 힘을 특정 분자결합에 정밀하게 전달하고, 원하는 결합만 선택적으로 활성화할 수 있는 새로운 ‘DNA 초음파 분자 스위치’ 플랫폼을 개발했다.

이 연구는 DNA를 생체분자가 아닌 기계적 힘을 전달하는 정밀한 분자 도구로 활용한 것으로, 지난 3월 3일 온라인 선공개돼 국내외 주목을 받은 데 이어, 학술적 우수성을 인정받아 화학 분야의 세계적 학술지인 ‘Chem’ 2026년 9월호(제12권 9호) 표지논문(Cover Article)으로 선정됐다. ‘Chem’은 화학 전 분야를 아우르는 셀 프레스의 대표 저널로, 매 호 한 편의 연구만 선정해 표지로 소개한다.

논문 제목은 ‘DNA-mediated force transmission for precise and efficient mechanochemical activation’으로, 제1저자는 국립부경대 김규린 박사, 교신저자는 국립부경대 곽민석 교수와 독일 RWTH 아헨공과대 Andreas Herrmann 교수다. 국립부경대 의공학전공 강현욱·임해균 교수도 공동연구자로 참여했다.

연구팀은 DNA 이중나선의 구조적 특성을 활용해 초음파가 만들어내는 기계적 힘을 특정 지점에 집중시키는 방식으로 기존 기계화학 기술의 한계를 극복했다. 실험 결과, DNA 자체에는 손상을 주지 않으면서 힘에 반응하도록 설계한 특정 분자결합을 높은 선택성과 효율로 절단하는 데 성공했다.

특히 250 염기쌍(bp) 이상의 DNA 구조에서는 15분 이내 목표 지점의 절단율이 99.9%에 달하는 결과를 확인했다. 또한 피부와 유사한 환경에서 실시한 1 MHz 저강도 초음파 실험에서도 DNA 손상 없이 약 80% 이상의 선택적 절단을 안정적으로 구현해 실제 생체환경에서의 활용 가능성도 제시했다.

이번 연구의 핵심은 DNA의 길이를 조절함으로써 전달되는 기계적 힘의 크기를 제어할 수 있다는 것이다. 연구팀은 PCR을 이용해 DNA 길이를 100~1,000 염기쌍 범위에서 조절했으며, DNA가 길어질수록 목표 분자에 전달되는 힘이 증가하는 것을 확인했다. 이를 통해 초음파의 주파수와 DNA의 길이 등 실험 조건을 조절해 분자 수준의 기계적 반응을 설계할 수 있는 기반을 마련했다.

이번에 개발된 기술은 초음파를 외부에서 가해 원하는 위치에서 특정 분자결합을 작동시킬 수 있다는 점에서 향후 초음파 유도 약물 방출 시스템, 바이오센서, 기계적 자극 반응형 치료 소재 등 다양한 생체재료 분야로 확장될 가능성이 있다.

‘Chem’ 2026년 9월호 표지는 이 같은 이번 연구의 원리를 잠수정 조종 장면에 비유해 표현했다. 연구자가 초음파 주파수와 DNA 길이라는 다이얼을 돌려, 수용액 환경에서 의도된 분자결합 하나만 정확히 활성화하는 장면을 형상화했다. 물속에서 작동하는 초음파를 배경으로 DNA 이중나선을 힘 전달 장치로, DNA 중앙의 메카노포어를 초음파의 힘이 집중되는 목표 지점으로 나타냈다. 또한 초음파 주파수와 DNA 길이 등을 조절해 원하는 분자결합의 기계화학적 활성화를 제어한다는 연구의 특징을 시각적으로 담았다.

곽민석 교수는 “기존 고분자 기반 메카노포어가 힘을 넓게 전달하는 망치에 가깝다면, 이번 DNA 기반 메카노포어는 원하는 분자결합을 정밀하게 겨냥하는 수술용 메스에 가깝다”며 “초음파와 DNA를 결합한 이번 플랫폼이 향후 몸속 원하는 위치에서 필요한 시점에 약물을 방출하는 정밀 치료 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 앞으로 이번 플랫폼을 DNA 나노구조체 및 나노입자 어셈블리 등 다양한 생체재료와 결합해 초음파에 의해 작동하는 약물전달 시스템과 바이오센서, 기계 자극 반응형 치료 소재 등으로 연구를 확대할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 등의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102920