맞춤 설계된 원형 템플릿을 이용한 롤링 서클 증폭(rolling circle amplification, RCA)으로, 각 템플릿은 특정 장(長) 스테이플 서열을 인코딩한다. 이러한 모듈형 설계는 원하는 스테이플을 각각 단독으로 또는 풀드(pooled) 형식으로, 유연하고 선택적으로 합성할 수 있게 해준다. RCA로부터 유도된 스테이플들은 구조 조립에 성공적으로 사용되어, 장 스테이플 설계에 대한 효소 기반 합성의 가능성을 확인하였다. 이 모듈형의 적응 가능한 전략은 다양한 설계 프레임워크에 걸쳐 기능성 DNA 나노구조물을 대규모로 제작하기 위한 실용적인 경로를 제공한다.

DNA 서열의 프로그래밍 가능성은 합성 DNA 나노구조 및 DNA 하이드로겔과 같은 거대분자 어셈블리의 형성을 가능하게 한다. DNA의 염기쌍 수준 상호작용은 나노스케일에서 DNA 구조를 구축하기 위한 기반이자 강력한 메커니즘이지만, 온도에 민감하고 상호작용력이 약하다는 점은 고차 구조로의 DNA 구조 조립을 간편하고 대규모로 수행하는 데 있어 장벽으로 남아 있다. 본 연구는 암피필성 단위 구조의 순차적 상전이를 기반으로 나노스케일 DNA 단위를 연결하여 마이크로미터 크기의 젤을 생성하기 위한, 염기쌍 비결합(비-base-pairing) 방식의 대안적 접근법을 제시하고자 수행되었다. DNA 나노구조와 폴리전해질 spermines 간의 강한 정전기적 상호작용은 단량체 단위로 이루어진 거대한 상분리 집합체의 형성을 유도하였다. 젤화는 NaCl의 첨가로 시작될 수 있었는데, 이는 전기적 DNA-spermine 상호작용을 약화시키는 한편, cholesterols 간의 인력적 상호작용이 DNA 단량체를 가교결합하여 안정적인 네트워크를 형성하게 하였다. 기존의 통상적인 DNA 젤화 기법과 달리, 본 시스템은 DNA 마이크로젤의 전구체로서 고체 집합체를 사용하였다. 따라서 원하는 기판에 집합체를 증착한 뒤 이후 상전이를 개시함으로써 현장(in situ)에서 젤화가 가능하였다. 본 접근법은 더 복잡한 핵산 어셈블리를 단위 구조로 사용하고, 이를 탑다운 미세가공(top-down microfabrication) 방법과 결합함으로써 DNA 하이드로겔의 활용성과 기능성을 확장할 수 있다.

세포의 동결보존은 바이오제품 및 세포 기반 의약품의 보존과 콜드체인(cold chain)에 필수적이다. 본 연구에서 우리는 자기조립 DNA 오리가미(nanostructures) 나노구조가 동결-해동(cycle) 과정을 겪는 세포를 실질적으로 보호하는 능력이 있음을 입증하였으며, 따라서 나노스케일 형태와 얼음 친화성(ice-philicity)이 맞춤 설계되어 이를 동결보호제(cryoprotectant)로 활용할 수 있음을 제시한다. 특히 항동결(antifreezing) 트레오닌 펩타이드로 기능화된 단일층 DNA 오리가미 나노패치(nanopatch)는 동결보존 1개월 후 HSC-3 세포의 생존율을 56%까지 도달하게 하였고, 이는 38%의 생존율을 보인 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide)보다 우수하였다. 또한 동결보존 기간 및 동결 조건에 대한 의존성이 최소한으로 나타났다. 이러한 결과는 펩타이드로 기능화된 DNA 나노패치가 세포 내(intra-) 및 세포 외(extracellular) 영역 모두에서 얼음 성장의 지연을 위한 다중 작용(multisite actions)을 수행하고, 동결보존 동안 세포막을 보호하기 때문이라고 해석한다. 본 발견은 동결 환경에서의 세포 생존에 대한 근본적인 이해를 심화시키고, 현재의 동결보존 기술에 영향을 미칠 것으로 기대된다.

생체고분자 응축체(biomolecular condensates)는 유전자 조절부터 스트레스 생존에 이르기까지 다양한 세포 과정에 참여한다. 합성 응축체의 하향식(bottom-up) 공학은 응축체를 구성하는 조직화 원리(organizing principle)를 이해하는 데 기여해 왔다. 또한 새로운 기능을 지닌 인공 시스템의 합성도 가능하게 한다. 그러나 예측 가능한 조직과 기능을 갖춘 합성 응축체를 구축하는 일은 여전히 어렵다. 여기서는 DNA를 구성 요소로 사용하여 상분리(phase separation)를 통해 조립되는 합성 응축체를 만든다. DNA 분자 간 상호작용의 프로그래밍 가능성(programmability)은 조립, 조성, 기능을 포함한 다양한 응축체 특성에 대한 제어를 가능하게 한다. 세포 내 응축체가 조직되는 방식과 유사하게, DNA 클라이언트(clients)들은 상응하는(cognate) 응축체로 선택적으로 분배된다. 우리는 합성 응축체가 특정 반응 구성 요소를 농축함으로써 DNA 가닥 치환(DNA strand displacement) 반응과 논리 게이트(logic gate) 동작을 가속할 수 있음을 보여준다. 우리는 DNA 기반 응축체가 더 생명에 가까운 인공 시스템을 구축하는 데 필요한 고차 기능(high-order functions)의 구현에 기여할 수 있으리라고 전망한다.

맞춤 설계된 원형 템플릿을 이용한 롤링 서클 증폭(rolling circle amplification, RCA)으로, 각 템플릿은 특정 장(長) 스테이플 서열을 인코딩한다. 이러한 모듈형 설계는 원하는 스테이플을 각각 단독으로 또는 풀드(pooled) 형식으로, 유연하고 선택적으로 합성할 수 있게 해준다. RCA로부터 유도된 스테이플들은 구조 조립에 성공적으로 사용되어, 장 스테이플 설계에 대한 효소 기반 합성의 가능성을 확인하였다. 이 모듈형의 적응 가능한 전략은 다양한 설계 프레임워크에 걸쳐 기능성 DNA 나노구조물을 대규모로 제작하기 위한 실용적인 경로를 제공한다.

DNA 서열의 프로그래밍 가능성은 합성 DNA 나노구조 및 DNA 하이드로겔과 같은 거대분자 어셈블리의 형성을 가능하게 한다. DNA의 염기쌍 수준 상호작용은 나노스케일에서 DNA 구조를 구축하기 위한 기반이자 강력한 메커니즘이지만, 온도에 민감하고 상호작용력이 약하다는 점은 고차 구조로의 DNA 구조 조립을 간편하고 대규모로 수행하는 데 있어 장벽으로 남아 있다. 본 연구는 암피필성 단위 구조의 순차적 상전이를 기반으로 나노스케일 DNA 단위를 연결하여 마이크로미터 크기의 젤을 생성하기 위한, 염기쌍 비결합(비-base-pairing) 방식의 대안적 접근법을 제시하고자 수행되었다. DNA 나노구조와 폴리전해질 spermines 간의 강한 정전기적 상호작용은 단량체 단위로 이루어진 거대한 상분리 집합체의 형성을 유도하였다. 젤화는 NaCl의 첨가로 시작될 수 있었는데, 이는 전기적 DNA-spermine 상호작용을 약화시키는 한편, cholesterols 간의 인력적 상호작용이 DNA 단량체를 가교결합하여 안정적인 네트워크를 형성하게 하였다. 기존의 통상적인 DNA 젤화 기법과 달리, 본 시스템은 DNA 마이크로젤의 전구체로서 고체 집합체를 사용하였다. 따라서 원하는 기판에 집합체를 증착한 뒤 이후 상전이를 개시함으로써 현장(in situ)에서 젤화가 가능하였다. 본 접근법은 더 복잡한 핵산 어셈블리를 단위 구조로 사용하고, 이를 탑다운 미세가공(top-down microfabrication) 방법과 결합함으로써 DNA 하이드로겔의 활용성과 기능성을 확장할 수 있다.

세포의 동결보존은 바이오제품 및 세포 기반 의약품의 보존과 콜드체인(cold chain)에 필수적이다. 본 연구에서 우리는 자기조립 DNA 오리가미(nanostructures) 나노구조가 동결-해동(cycle) 과정을 겪는 세포를 실질적으로 보호하는 능력이 있음을 입증하였으며, 따라서 나노스케일 형태와 얼음 친화성(ice-philicity)이 맞춤 설계되어 이를 동결보호제(cryoprotectant)로 활용할 수 있음을 제시한다. 특히 항동결(antifreezing) 트레오닌 펩타이드로 기능화된 단일층 DNA 오리가미 나노패치(nanopatch)는 동결보존 1개월 후 HSC-3 세포의 생존율을 56%까지 도달하게 하였고, 이는 38%의 생존율을 보인 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide)보다 우수하였다. 또한 동결보존 기간 및 동결 조건에 대한 의존성이 최소한으로 나타났다. 이러한 결과는 펩타이드로 기능화된 DNA 나노패치가 세포 내(intra-) 및 세포 외(extracellular) 영역 모두에서 얼음 성장의 지연을 위한 다중 작용(multisite actions)을 수행하고, 동결보존 동안 세포막을 보호하기 때문이라고 해석한다. 본 발견은 동결 환경에서의 세포 생존에 대한 근본적인 이해를 심화시키고, 현재의 동결보존 기술에 영향을 미칠 것으로 기대된다.

생체고분자 응축체(biomolecular condensates)는 유전자 조절부터 스트레스 생존에 이르기까지 다양한 세포 과정에 참여한다. 합성 응축체의 하향식(bottom-up) 공학은 응축체를 구성하는 조직화 원리(organizing principle)를 이해하는 데 기여해 왔다. 또한 새로운 기능을 지닌 인공 시스템의 합성도 가능하게 한다. 그러나 예측 가능한 조직과 기능을 갖춘 합성 응축체를 구축하는 일은 여전히 어렵다. 여기서는 DNA를 구성 요소로 사용하여 상분리(phase separation)를 통해 조립되는 합성 응축체를 만든다. DNA 분자 간 상호작용의 프로그래밍 가능성(programmability)은 조립, 조성, 기능을 포함한 다양한 응축체 특성에 대한 제어를 가능하게 한다. 세포 내 응축체가 조직되는 방식과 유사하게, DNA 클라이언트(clients)들은 상응하는(cognate) 응축체로 선택적으로 분배된다. 우리는 합성 응축체가 특정 반응 구성 요소를 농축함으로써 DNA 가닥 치환(DNA strand displacement) 반응과 논리 게이트(logic gate) 동작을 가속할 수 있음을 보여준다. 우리는 DNA 기반 응축체가 더 생명에 가까운 인공 시스템을 구축하는 데 필요한 고차 기능(high-order functions)의 구현에 기여할 수 있으리라고 전망한다.

최근 DNA 나노기술의 발전으로 다양한 DNA 조립체의 제작과 활용이 가능해졌으나, 고효율성과 반복가능성을 바탕으로 이들의 전역적(글로벌) 형태 및 기계적 유연성을 제어하는 방법을 개발하는 일은 온디맨드(on-demand) 기능을 갖춘 분자 기계의 구현을 위해 남아 있는 과제 중 하나이다. 삽입(intercalation) 및 그루브 결합(groove binding) 모드의 DNA 결합 분자는 가닥 수준에서 DNA의 기하학적 및 기계적 특성에 교란을 유발할 수 있으며, 이는 구조화된 DNA 조립체에서도 효과적일 수 있다. 본 연구에서는 결합 리간드를 갖는 DNA 가닥의 화학-기계적 반응이 DNA 오리가미 나노구조의 전역적 형태와 강성(stiffness)을 변화시킬 수 있음을 보여주었고, 적절한 리간드와 그 농도를 선택함으로써 이를 체계적으로 조절할 수 있음을 제시한다. 여러 DNA 결합 약물과 형광소를 직선형 및 곡선형 DNA 오리가미 번들에 적용한 결과, DNA 나노구조의 굽힘 지속길이(bending persistence length)와 곡률 반지름(radius of curvature)이 빠르고 회복 가능하며 제어 가능한 방식으로 변화하는 것이 확인되었다. 이러한 DNA 나노구조의 화학-기계적 조절은 DNA 기계장치의 재구성 가능하고 동적인 구동을 위한 강력한 도구를 제공할 것이다.

생성 SNUPI는 DNA 오리가미 구조를 설계하기 위한 확산 기반 프레임워크이다. SNUPI 다중스케일 분석 플랫폼으로 시뮬레이션된 평형 준위의 conformations(형상)에서 학습함으로써, 사용자 정의 목표 기하로부터 DNA 오리가미 설계를 생성할 때 물리적으로 타당한 구조적 사전지식을 학습한다. 이 프레임워크는 유도된 확산 샘플링과 가닥 라우팅을 결합하여 물리적으로 그럴듯한 후보들을 생성한다. 생성SNUPI는 복잡한 DNA 오리가미 아키텍처의 설계를 지원한다.

생성형 SNUPI(Generative SNUPI)는 DNA 오리가미 구조를 설계하기 위한 확산 기반 프레임워크이다. SNUPI 다중 규모 분석 플랫폼을 사용해 시뮬레이션한 평형(conformation)들로 학습되며, 사용자가 정의한 목표 기하로부터 물리적으로 타당한 구조적 선행지식을 학습하여 DNA 오리가미 설계를 생성한다. 이 프레임워크는 유도된 확산 샘플링과 가닥 라우팅을 결합하여 물리적으로 그럴듯한 후보들을 생성한다. 생성형SNUPI(GenerativeSNUPI)는 복잡한 DNA 오리가미 아키텍처의 설계를 지원한다.

DNA 오리가미 기반 템플릿은 나노입자(NP)의 배치를 원하는 구성으로 정밀하게 제어할 수 있어 키랄 플라즈모닉 메타물질을 제작하는 데 널리 사용되어 왔다. 그러나 다양한 키랄광학적 반응을 구현하기 위해서는 DNA 오리가미 기반 템플릿의 구조 또는 그에 결합하는 부위의 변형이 불가피하며, 이로 인해 서로 현저히 다른 DNA 가닥 세트가 사용된다. 본 연구에서는 DNA 인터칼레이터가 유도하는 화학-기계적 변형을 활용하여 단 하나의 DNA 오리가미 설계로 다양한 키랄광학적 반응을 제어하는 접근법을 제안한다. 키랄광학적 반응은 인터칼레이터의 농도만을 변화시킴으로써 정밀하게 조절할 수 있다. 키랄광학적 신호를 증폭하기 위해 은(Ag) 증강을 사용하여 NP의 크기를 확대하였고, 동시에 템플릿 DNA 구조를 경직화하여 그 신호를 유지하였다. 더 나아가 키랄광학적 신호 변화의 인터칼레이터 농도에 대한 민감도는 인터칼레이터의 종류, 두 종류 인터칼레이터의 혼합, 그리고 DNA 오리가미 구조의 강성에 의해 조절될 수 있었다. 이 접근법은 키랄광학적 반응의 프로그램된 공간적 변형을 요구하는 다양한 광학 응용 분야에 유용할 것이다.