SAME@ERICA
생명나노공학과
이찬석
SAME@ERICA 연구실은 한양대학교 ERICA캠퍼스 생명나노공학과에 소속된 자기조립 기반 마이크로/나노공학 연구실로, DNA 등 생체분자를 활용한 첨단 나노소재 및 구조체 개발에 주력하고 있습니다. 본 연구실은 DNA 오리가미 기술을 중심으로, 나노스케일에서의 정밀한 구조 설계와 자기조립 메커니즘을 심도 있게 탐구하며, 다양한 형상과 기능을 갖춘 나노구조체를 제작하는 방법론을 개발하고 있습니다. 이를 통해, 기존의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 바이오소재와 나노장치의 창출을 목표로 하고 있습니다.
특히, DNA 오리가미 구조의 기계적 강성 및 형상 제어 기술은 본 연구실의 대표적인 연구 분야입니다. 모듈 기반 설계법을 통해 구조의 일부만을 선택적으로 조절함으로써, 전체 구조의 안정성을 유지하면서도 원하는 부위의 물성을 자유롭게 변화시킬 수 있습니다. 이러한 기술은 단일 분자 센서, 분자 운반체, 나노기계 소자 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있으며, 컴퓨터 시뮬레이션과 실험적 검증을 병행하여 설계 효율성과 신뢰성을 높이고 있습니다.
또한, DNA 하이드로젤 및 응집체 개발을 통해, 외부 자극에 따라 물리적 특성이 가역적으로 변화하는 스마트 바이오소재를 연구하고 있습니다. 폴리아민 및 나트륨 이온을 이용한 하이드로젤의 응집·팽창·분해 제어 기술은 약물전달, 세포 동결보호, 조직공학 등 바이오메디컬 분야에서의 응용 가능성을 크게 확장시키고 있습니다. 실제로, DNA 하이드로젤을 이용한 세포 동결보호제, 분자 센서, 스마트 소재 등 다양한 융합 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
마이크로/나노 가공 기술을 기반으로 한 미세구조 제작 및 바이오센서 응용 연구도 본 연구실의 중요한 축입니다. MEMS, 포토리소그래피, 고분자 복제, 표면처리 등 다양한 공정을 활용하여, 자연에서 영감을 받은 기능성 소재 및 센서 개발에 앞장서고 있습니다. 거미 감각기관 모사 센서, 마이크로지퍼 패스너, 방향성 오일 슬라이딩 표면 등은 그 대표적인 예입니다.
이처럼 SAME@ERICA 연구실은 DNA 기반 자기조립 나노공학과 전통적 미세가공 기술의 융합을 통해, 차세대 바이오소재, 스마트 디바이스, 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 기술을 제공하고 있습니다. 앞으로도 생명공학, 재료공학, 나노공학의 경계를 넘나드는 융합연구를 지속적으로 추진하여, 미래 바이오·나노기술의 발전을 선도할 것입니다.
Amphiphilic DNA Microgels
Synthetic Condensates
DNA Origami Nanostructures
DNA 오리가미 기반 나노구조 설계 및 강성 제어
DNA 오리가미 기술은 단일 가닥의 긴 DNA(스캐폴드)와 수백 개의 짧은 올리고뉴클레오타이드(스테이플)를 이용하여 원하는 2차원 및 3차원 나노구조를 정밀하게 제작하는 첨단 나노공학 기술입니다. 본 연구실에서는 DNA 오리가미의 구조적 설계 원리와 자기조립 메커니즘을 심도 있게 연구하며, 다양한 형상과 복잡한 구조를 나노미터 수준의 정밀도로 구현하는 방법론을 개발하고 있습니다. 이를 통해 기존의 나노소재 제작 한계를 극복하고, 생체적합성과 기능성을 동시에 갖춘 혁신적인 나노소재를 창출하고자 합니다.
특히, DNA 오리가미 구조의 기계적 강성(stiffness) 제어에 관한 연구는 본 연구실의 핵심 분야 중 하나입니다. 기존의 벌크 나노소재와 달리, DNA 오리가미는 구조 내 특정 부위의 강성을 국소적으로 조절할 수 있는 장점이 있습니다. 본 연구실에서는 스테이플 서열의 부분적 수정만으로도 구조의 전체적인 형상은 유지하면서, 원하는 부위의 강성만을 효과적으로 변화시키는 모듈 기반 설계법을 개발하였습니다. 이러한 접근법은 실험적 검증과 더불어 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 예측을 병행하여, 설계 효율성과 비용 절감 효과를 극대화하고 있습니다.
이러한 DNA 오리가미 기반 나노구조 설계 및 강성 제어 기술은 단순한 구조 제작을 넘어, 동적이고 기능적인 나노장치 개발, 단일 분자 센서, 분자 운반체, 플라즈모닉 구조체, 나노기계 소자 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있습니다. 미래에는 바이오센서, 약물전달, 세포 내 기계적 신호 전달 등 생명공학 및 의공학 분야에서 혁신적인 솔루션을 제공할 것으로 기대됩니다.
DNA 기반 하이드로젤 및 응집체의 개발과 응용
DNA 하이드로젤은 DNA의 염기서열 특이적 상호작용을 이용해 3차원 네트워크 구조를 형성하는 신개념 바이오소재입니다. 본 연구실에서는 DNA 하이드로젤의 응집, 팽창, 분해 등 물리적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 폴리아민(예: 스퍼민)과 같은 양이온을 이용해 하이드로젤의 응집도를 높이고, 나트륨 이온을 활용해 다시 팽창시키는 방식으로, 외부 자극에 따라 하이드로젤의 상태를 가역적으로 변화시킬 수 있습니다. 이러한 제어 기술은 하이드로젤 내에 캡슐화된 약물이나 유전자 등의 분자 운반체로서의 활용 가능성을 크게 높이고 있습니다.
DNA 하이드로젤의 가장 큰 장점 중 하나는 효소 저항성을 조절할 수 있다는 점입니다. 응집된 상태에서는 외부 뉴클레아제에 대한 저항성이 크게 증가하여, 생체 내 환경에서도 안정적으로 기능을 수행할 수 있습니다. 목표 지점에 도달한 후에는 팽창 및 분해를 유도하여, 내부에 저장된 분자를 효과적으로 방출할 수 있습니다. 이러한 특성은 정밀한 약물 전달 시스템, 세포 내 분자 운반체, 조직공학용 지지체 등 다양한 바이오메디컬 응용 분야에서 큰 잠재력을 지니고 있습니다.
본 연구실은 DNA 하이드로젤의 구조적·기능적 특성 분석뿐만 아니라, 실제 생체 환경에서의 적용 가능성 평가, 그리고 새로운 응용 분야 개척에도 힘쓰고 있습니다. 최근에는 DNA 하이드로젤을 이용한 세포 동결보호제, 분자 센서, 스마트 소재 등 다양한 융합 연구를 진행하고 있으며, 이를 통해 차세대 바이오소재 개발의 선도적 역할을 수행하고 있습니다.
마이크로/나노구조 제작 및 바이오센서 응용
본 연구실은 DNA 기반 나노구조뿐만 아니라, 전통적인 마이크로/나노 가공 기술(MEMS, 포토리소그래피 등)을 활용한 다양한 미세구조 제작 및 응용 연구도 활발히 수행하고 있습니다. 실리콘 웨이퍼에 다양한 형상의 홀이나 그루브를 정밀하게 패터닝하고, 이를 열경화성 또는 광경화성 고분자 소재로 복제하여 새로운 기능성 표면을 구현합니다. 추가적으로, 표면의 습윤 특성을 조절하기 위한 고분자 증착, UVO 에칭, 백금 스퍼터링 등 다양한 후처리 공정을 적용하여, 센서, 전기적 연결체, 기계적 센서 등으로의 응용 가능성을 탐구하고 있습니다.
특히, 거미의 감각기관에서 영감을 받은 크랙 기반 초고감도 기계센서, 반복적으로 결합 및 분리가 가능한 마이크로지퍼 패스너, 방향성 오일 슬라이딩 표면 등 자연에서 영감을 받은 바이오모방 소재 개발에도 주력하고 있습니다. 이러한 연구는 기존의 소재 공학과 바이오공학의 경계를 허물며, 차세대 웨어러블 디바이스, 인공피부, 음성인식 시스템, 생체신호 감지 등 다양한 분야로의 확장성을 보여주고 있습니다.
마이크로/나노구조 제작 기술과 DNA 기반 자기조립 기술의 융합을 통해, 본 연구실은 새로운 기능성 소재 및 시스템 개발에 앞장서고 있습니다. 이를 바탕으로, 미래 바이오센서, 스마트 소재, 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.
1
Module-based DNA origami design for efficient control of the shape and stiffness
C. Lee et al.
Nat. Commun., 2017
2
Geometry-independent stiffness control of DNA origami using modular ssDNA defects
C. Lee et al.
ACS Nano, 2019
3
Controlling the twist rate of DNA origami bundles via mechanical perturbation
Y.-J. Kim et al.
ACS Nano, 2019
1
Sejong Science Fellowship (SSF) Grant through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science and ICT
2
Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (Post-Doc International Training. Transferred to the domestic program due to the Covid-19 issue)
3
Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (Post-Doc Domestic Training)
