DNA와 발광반도체의 분자결합 메커니즘 규명 고려대학교 안동준 교수팀, Nature Communications 게재
고려대학교 공과대학 화공생명공학과(KU-KIST융합대학원 겸임) 안동준 교수 연구팀은 발광반도체 물질과 DNA 분자간의 결합 현상 메커니즘을 밝혔다. DNA 분자가 유기반도체 결정에 분자도핑되어 융합 신소재가 형성되는 메커니즘을 입증한 첫 사례로서, 복합자연과학분야의 세계적 권위 학술지인 Nature Communcations (IF=17.694)에 2022년 10월 19일자 온라인 게재되었다. - 저자정보: 안동준(교신저자, 고려대), 정우혁(공동1저자, 고려대), 박진혁(공동1저자, 고려대), 김석호(공동1저자, 고려대), Chunzhi Cui(연변대) - 논문명: Molecular doping of nucleic acids into light emitting crystals driven by multisite-intermolecular interaction
DNA는 다양한 분자인식이 가능한 생물학적 특성뿐 아니라 넓은 밴드갭과 열적 안정성을 보유하여 소재로서의 역할이 새롭게 주목받고 있다. OLED 소자에도 쓰이고 있는 유기반도체 물질이 DNA와 융합하면 타겟 인식기능이 활성화되어 신개념 화학/생물 센서들로 활용할 수 있다. 지금까지 DNA-유기반도체 융합소재의 연구는 나노미터(10-9m) 수준의 생체 물질과 결합하는 순간을 실시간으로 관측 및 분석하는 것이 기술적으로 어렵기 때문에 주로 응용 사례들에 초점을 맞추었으며, DNA 분자와 유기반도체 물질이 분자수준에서 왜 그리고 어떻게 결합하는지 규명된 바 없다.
연구팀은 DNA의 길이 및 구성 염기서열의 종류(티민(Thymine), 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 시토신(Cytosine))에 따라 유기반도체 물질과 결합 정도의 차이가 유발되는 실험적 현상과 분자동역학 시뮬레이션* 분석을 더하여 DNA가 유기반도체 결정에 분자도핑되는 메커니즘 규명에 성공하였다. 유기반도체와 DNA간 정전기적 상호작용에 더하여, 특히 티민 및 아데닌 염기물질은 파이(π)-파이(π) 상호작용*과 동시에 강한 수소결합을 하는 다중작용에 의해 더 효과적인 분자도핑이 발생하는 것을 규명하였다. *분자동역학 시뮬레이션 : 물리계의 원자들 사이의 힘이 주어졌을 때 이를 이용해서 뉴턴의 운동 방정식을 수치적으로 풀어냄으로써 원자들의 동역학을 계산하는 방식이다. *파이-파이 상호작용(π-π Stacking Interaction) " 주로 방향족 고리의 파이결합끼리의 새로운 결합을 말하며, 공유결합 형태가 아닌 분자 간의 힘인 분산력이 강하게 작용할 때 결합하는 힘이다. 생물에서는 DNA 이중나선구조, 단백질 등에서 발견할 수 있다.
그림) DNA가 유기반도체 결정에 결합되는 메커니즘. 파이-파이 상호작용과 동시에 강한 수소결합을 하는 다중작용(multisite interaction)에 의해 티민 및 아데닌 염기물질은 더 효과적인 분자도핑이 발생함. 이에 따라 센서 및 광도파 소자의 기능을 혁신할 수 있음. 이번 연구 결과는 DNA 분자가 유기반도체 결정에 분자도핑되어 하이브리드 소재가 형성되는 메커니즘을 입증한 첫 사례이며, 향후 다양한 종류의 유기반도체에 본 메커니즘을 적용하여 반도체-DNA 융합 신소재를 효과적으로 합성하고 화학 및 생물 센서와 광도파(optical waveguide)* 응용기술 연구를 확대해 나갈 계획이다. 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 지원하는 과학기술분야 기초연구사업 중 중견연구사업으로 수행되었다. *광도파 현상(Optical Waveguide): 유기물로 이루어진 결정이 균일하게 정렬된 형태로 성장하면 결정을 따라 빛이 퍼져 나가는 광도파 현상이 일어난다. 퍼져나가는 효율은 일반적으로 결정성에 비례하며 유기물보다는 무기물에서 다양하게 연구되었다.
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