DNA 가닥으로 이루어진 나노미터 규모의 모터로, 자가조립이 가능하며 외부의 전기, 자기 신호나 체내 에너지원(ATP 등)을 이용하여 구동 가능

나노기계 및 로봇에 적용되어 질병 진단, 약물 전달 등 다양한 영역에서 활용될 수 있으며, 반도체 핵심 부품인 트랜지스터의 소형화 한계 극복에 기여

향후 5년 : DNA 나노모터의 기본 구성요소(지지대, 로터, 회전축 등)의 해석·설계 기술과 작동 원리의 개발 및 구현

향후 10년 : DNA 나노모터의 속도와 힘을 정밀하게 제어할 수 있는 기술 개발을 통해 초소형 기계 및 자율구동 생체나노로봇 개발에 적용

1) DNA 나노모터 구조체 해석 및 설계 기술

- 나노모터를 구성하는 기본 구조체들이 원하는 형상과 기계적 강성을 가지도록 DNA 염기서열을 자동으로 설계하는 기술

- 각 구성요소의 기계적 특성을 예측하는 해석 기술

- 각 구성요소들의 결합 방식에 따른 나노모터의 구조적 특성을 예측하는 해석 기술

2) DNA 나노모터 구동 메커니즘의 해석 및 설계 기술

- DNA의 특성이 고려된 나노모터를 구동시키는 메커니즘에 대한 동역학적 분석

- 나노모터 구동 시 필요한 힘 또는 외부 자극의 크기를 예측하는 해석 기술

- 나노모터의 동작을 빠르게 시뮬레이션할 수 있는 해석 기술

- 원하는 속도와 힘으로 나노모터를 구동시키기 위해 필요한 구조체의 형상과 강성, 그리고 구동 메커니즘 등을 설계하는 기술

3) DNA 나노모터 제어 기술

- 나노모터를 원하는 속도와 힘으로 구동시킬 수 있는 제어 기술

- 전기, 자기, 빛 등 다양한 외부 자극 또는 pH, 염, ATP 등 생체 내 환경 변화를 통해 나노모터를 구동시키는 방법

- 회전 속도 등 나노모터의 작동 상황을 빠르게 살펴볼 수 있는 측정 기술

DNA의 자기조립성을 이용하여 다양한 형태의 나노구조를 정밀하게 만들 수 있는 DNA 나노기술이 점차 정적인 구조체 설계에서 동적으로 움직이는 초소형 나노기계 개발로 발전되고 있어, 관련 기술에 대한 적극적인 연구가 요구됨

미국 하버드대 Xiaowei Zhuang 교수 연구진은 DNA 오리가미 로터 시스템을 만들어 DNA의 회전을 밀리초 단위로 측정할 수 있는 기술을 개발 (Nature, 2019) 독일 뮌헨공대 Hendrik Dietz 교수 연구진은 지지대/플랫폼/회전팔 3개의 구조체로 구성된 DNA 오리가미 모터를 개발 (Nature, 2022)

- 550 nm 길이의 회전팔을 갖췄으며, Brownian Ratchet 메커니즘을 통해 한 방향으로의 회전 구현

- DNA 나노모터가 있는 용액에 전극을 통해 교류 전류를 가하여 생기는 이온 전류의 흐름에 의해 구동되는 모터 네덜란드 델프트공대의 Cees Dekker 교수, 독일 뮌헨공대의 Hendrik Dietz 교수, 미국 UIUC의 Aleksei Aksimentiev 연구진은 DNA 오리가미 기술을 이용, 실리콘 나노포어에 위치하여 멤브레인 사이의 전기화학적 포텐셜 차이를 통해 회전하는 DNA 오리가미 나노터빈 개발 (Nat. Nanotech., 2023)

- 300 nm 길이의 회전팔을 갖췄으며, 왼쪽-오른쪽 회전 방향의 조절이 가능

- 분자동역학 시뮬레이션을 통해 멤브레인 사이의 전기화학적 포텐셜 차이를 이용하여 유도되는 기계적 회전을 해석

국내에서는 아직까지 DNA 나노모터와 같이 외부 자극에 의해 회전하는 DNA 기반의 초소형 회전기계를 연구하여 발표한 사례는 전무한 상황 서울대 김도년 교수 연구진은 종이접기의 원리를 DNA로 구현하는 기술을 개발하여, DNA/RNA 분자나 pH 또는 광원의 변화에 반응하여 다양한 형태로 반복적으로 접히거나 펼쳐지는 동적 DNA 구조체에 대한 연구를 발표 (Nature, 2023)

대표적인 생체친화적 소재인 DNA로 다양한 형상과 움직임을 구현할 수 있는 DNA 나노기계에 대한 연구는 관련 기술을 기반으로 한 바이오 벤처 회사들이 설립되고 있다는 점에서 큰 경제적, 산업적 효과를 창출할 것으로 기대

신약, 합성생물학, 나노로보틱스 등의 첨단 분야에서 우수한 결과물들을 DNA 기반으로 창출하여 첨단바이오 산업 전반에 패러다임 변화를 유발

DNA 나노모터를 포함한 DNA 나노기계 또는 로봇 개발 기술을 선점할 수 있는 경쟁력을 확보하기 위한 장기적 투자 및 지원 필요DNA의 가격 경쟁력 확보를 위한 DNA 대량 합성 기술 연구 및 지원 필요현재 국내 기술적 경쟁력을 가지고 있는 DNA 나노구조체의 해석 및 설계 기술을 동적 시스템으로 확장, DNA 나노모터 개발 과정을 앞당길 수 있도록 기반 연구에 대한 선제적 투자 및 지원 필요

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