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DNA 나노기술 및 소재의 기초와 생물리학적, 생의학적 응용
DNA 나노기술 및 소재의 기초와 생물리학적, 생의학적 응용 저자 곽민석 (부경대학교)
등록일 2015.01.20
자료번호 BRIC VIEW 2015-R02
조회 4562  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
지난 수 십년간 나노기술 (nanotechnology; NT)이 집약적 성장을 이루었다. 그 중에서도 DNA 나노기술은 융합기술의 시대인 21세기에 들어 nanobiotechnology 분야에 선도적 역할을 해 왔다. 본 동향리포트에서는 핵산으로 이루어진 나노구조체와 그 제작 방법에 대하여 간단히 소개하고, 해당 기술들이 생물리학적 그리고 생의학적 분야에서 다른 기술들과 융합하여 어떻게 응용될 수 있는지 몇 가지 예를 들어 설명한다. 본 동향리포트는 아직은 생소할 수 있는 DNA 나노소재와 기술에 대한 소개 및 기초지식의 전달에 주안점을 두고 작성되었다.
키워드: 나노의학, 나노바이오, 나노구조, 나노소재, DNA 오리가미, 자가조립
분야: Nanobio, Biophysics

목차

Ⅰ. 서론
Ⅱ. 본론, Part 1 – 생물리학적 연구
Ⅲ. 본론, Part 2 – 생의학적 연구
Ⅳ. 연구동향 통계
V. 결론
VI. 참고문헌과 주석


Ⅰ. 서론

DNA 나노기술은 1980년대 뉴욕대학교의 Seeman 교수가 제안한 반복적인 DNA 구조체가 단백질 결정의 구조를 규명하는 데 이용할 수 있다는 아이디어로부터 시작하여 (그림 1)[1] 수 십년 동안 집약적인 발전을 이루어 왔다. 그리하여 핵산 (RNA와 DNA)이 유전정보를 저장하는 매체일 뿐만 아니라 정밀한 구조물을 디자인하고 생산할 수 있는 재료이기도 하다는 인식과 함께 그 구체적인 방법론이 개발되며 핵산으로 이루어진 많은 수의 1, 2, 3차원 나노구조체들이 여러 분야에 응용되었다. 본 동향리포트에서는 이러한 DNA (혹은 RNA) 나노구조들이 어떻게 분류되며 어떠한 생물리, 생의학적 연구에 적용되었는지 소개하려 한다.

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그림 1. DNA 나노기술의 창시자 Nadrian C. Seeman (좌) 과 나노구조체의 제작에 영감을 준 Escher 의 예술작품 (우). 1980년대부터 New York University (NYU) 의 Seeman 교수는 유전자로서뿐만 아니라 재료과학의 기초 소재로 DNA 가 이용될 수 있다는 “DNA: Not merely the secret of life” 를 신조로 DNA 나노기술 개발과 후진양성에 힘 써 왔다.
 
알려진 바와 같이 deoxyribonucleic acid (DNA)는 생고분자로서 Adenine, Cytosine, Guanine, Thymine 의 네 개의 염기가 조합된 서열을 가지며 가장 단순한 구조로 이중나선을 형성한다. 오른쪽 방향으로 꼬여있는 이중나선 구조는 약 10개의 염기쌍 (base-pair; bp)이 나선의 한 바퀴를 돌아 3.4 nm 높이의 원기둥 모양으로 공간을 차지한다 (그림2A). 이러한 이중나선은 150 bp (약 50 nm) 까지는 곧은 (stiff) 구조적 성질을 가지므로 이론적으로는 인접한 염기쌍 간의 거리인 3.4 Å 의 정밀도를 가진다고 볼 수 있다. 나노구조를 형성하는 이중가닥 (double-stranded, ds) DNA를 조금 더 자세히 들여다 보면, 다수 단일 가닥이 서로 인접한 이중나선에 교차연결 (crossover) 함으로써 이중나선이 여러 개 연결될 수 있도록 디자인 할 수 있는데, 자연계에 존재하는 Holliday-junction 이 그 한 예이다 (그림2B-C).

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그림 2. DNA의 구조와 교차점 형성. (A) 이중나선(double helix) DNA의 구조. 한 바퀴를 돌아 제자리에 오는 데 약 10 염기쌍 (bp)이다. 즉 한 염기쌍이 인접한 염기쌍과 가지는 z방향 길이는 3.4 Å 이다. 정수하의 그림을 각색함. (B) 인접한 이중나선을 서로 연결하는 교차점(crossover)의 예. 높은 Mg2+ 농도 조건에서 고정된 Holliday-junction (top), DNA 나노구조를 형성할 때 가장 흔히 쓰이는 디자인 원리인 두 개의 교차점 (double crossover; DX) 구조. 참고문헌 [2] 의 그림을 각색함. (C) 4개의 DNA가 형성한 Holliday-junction 의 결정구조. PDB ID: 3CRX.

Holliday-junction 에서 보이는 바와 같이 교차하는 crossover를 통해 인접한 이중나선들이 교차하는 나노구조를 형성하는 방법이 집중적으로 연구되었는데, 일반적으로 150 누클레오티드 (nucleotides, NT) 미만의 짧은 합성 핵산 (올리고, oligonucleotides)을 사용하여 1 – 3 차원의 나노구조체들이 발표되었고, 주로 작은 구조체 혹은 단위세포 단위로 조립하여 커다란 구조체를 만드는 데 많은 노력을 기울여 왔다.[3-12] 2006년에는 Caltech 의 Rothemund 가 M13 박테리오파아지에서 추출한 M13mp18 (7249 NT) 이라는 환형 단일가닥 (single-stranded, ss) DNA 를 scaffold 로 이용, 단순히 수 백개의 짧은 올리고 스테이플 (staples)들과 섞어 가열했다가 천천히 식혀줌으로써 (thermal annealing) scaffold를 프로그래밍한 대로 접어 정밀한 구조를 만드는 DNA origami를 발표하여 기존의 디자인 이론과 구분되는 커다란 변화를 이끌어 냈다 (그림 3).[13] 그가 발표한 바에 따르면 이 방법은 올리고들을 섞어 만드는 이전의 DNA 나노기술과는 달리 상대적으로 큰 구조체를 만들 수 있을 뿐만 아니라 한쪽의 DNA가 길다란 scaffold 로 이루어져 있어 자유도 (degree of freedom)가 낮으므로 열역학적 및 엔트로피적 (entropy trapping)으로 자기조립의 성공률이 높기 때문에 2차원 구조체들을 어렵지 않게 만들 수 있다. 2009 년에는 Harvard 의 Shih 가 DNA origami 기술을 3차원에 적용시킴으로써 DNA 나노기술의 발전이 급물살을 타게 되었다.[14-16] 3차원 DNA origami 은 해당 연구자들이 약간의 배경지식만 있다면 원하는 DNA 나노구조를 직접 디자인할 수 있도록 cadnano 라는 나노구조체 디자인을 위한 소프트웨어를 공개함으로써 DNA 나노기술 저변이 확대되고 문턱이 낮아지도록 한 공헌에 힘입어 그 중요성이 특히 강조되고 있다. [17] 그 외에도 DNA 나노기술은 진화를 거듭하여 사용하고자 하는 연구분야에 따라 1-3차원과 조립 단량체 그리고 방법 등을 폭 넓게 선택할 수 있게 되었다.

 
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그림 3. DNA 나노구조의 자기조립의 대표적인 방법과 그 예. (A) 일반적으로 DNA origami 기술은 길다란 환형 ssDNA scaffold와 상보적인 다수의 올리고를 섞어 20 nm 이상의 구조체를 조립한다. 그림: http://cadnano.org (B) 그 밖에 DNA 나노기술은 올리고들을 사용하여 상대적으로 작은 20 nm 이하 구조체나, 반복적인 구조 (periodic structure) 를 만드는데 유리하다. 그림출처: [18-19]

위에 소개된 DNA 나노기술이 발달하게 된 다른 원인으로는 DNA의 합성 기술이 그와 함께 발달했다는 사실을 들 수 있는데 구체적으로는, (1) M. Caruthers 가 1980년에 cyanoethyl phosphoramidite (-3’)와 dimethoxytrityl (5’-)를 이용한 화학적 올리고 합성의 기반을 이룩하여 몇 일 이내에 원하는 서열의 올리고 혹은 프라이머를 실험실에서 사용할 수 있게 된 점, (2) 화학적 합성기술의 발달에 따라 셀 수 없을 만큼의 화학적 작용기 도입이 가능하게 된 점, 예: 형광표지자, biotin, amine (-NH2), thiol (-SH) 등, (3) 마지막으로 최장 2,000 bp 까지의 유전자마저도 여러 바이오기술 업체에서 쉽게 구입할 수 있게 된 점을 들 수 있다. 그에 따라 공유결합을 통해 DNA에 펩티드, 고분자, 금속콜로이드 등의 소재를 생결합(bioconjugation) 하는 분야에도 큰 발전이 이루어져 DNA 나노기술에도 지대한 영향을 미치게 되었다.[21-24]

Ⅱ. 본론, Part 1 – 생물리학적 연구

생체분자의 거동과 현상을 이해하는 연구를 하는데 있어 필수적인 사항들 중 한 가지는, 연구하고자 하는 대상을 나노미터 혹은 그 이하의 단위로 배열할 때의 정교함이라고 볼 수 있다. 앞서 소개한 DNA 나노구조체들을 이용한다면 그 구조체를 이루는 염기서열을 모두 알고 있으므로, 이론적으로 나노미터 이하의 정밀도로 형광체 혹은 단백질을 원하는 곳에 위치하도록 할 수 있다. 그 장점을 십분 활용하여 최근 십여년간 많은 생물리학적 연구가 수행되었다. 필요한 분석 방법으로 형광 현미경이나 전자현미경 등이 최근 각광받고 있는데, 예로 DNA 나노기술 분야도 2014에 노벨 화학상을 수상한 Betzig, Hell, Moerner 의 super-resolution microscopy [25]의 큰 수혜를 받았다.

효소가 다른 분자들과 상호작용을 하는 데 있어 메커니즘과 효율 등을 연구하기 위하여 생물리학적인 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그 중 DNA 나노구조를 이용한 enzyme cascade 에 대한 흥미로운 연구 두 가지를 소개하고자 한다. Yan 연구그룹은 2차원의 DNA origami 를 조립하며 그 사각형 표면에 염기쌍이 형성되지 않는 staple 들의 염기서열 (이하 handle)을 사용하였고, 이를 통해 handle 에 상보적인 서열을 가진 올리고가 생결합된 두 개의 효소들 (glucose oxidase (GOx) 와 horseradish peroxidase (HRP)) 간의 거리를 각각 10, 20, 45, 65 nm 로 조절하였다 (그림 4A).[26] 각기 다른 거리에 두 효소를 위치한 패턴에 따른 활성도를 측정하였는데, 20 nm 이내에 두 효소가 위치할 때 H2O2 의 확산이 규정된 기하학적 거리 내에서 제한되어 효소 활성도 증대를 보였다. 이러한 생화학적 활성도 이외에도, Sugiyama 와 Kim 연구 그룹은 AFM (atomic force microscopy)를 이용하여 액자 안쪽에 양 끝을 연결하는 dsDNA 의 길이를 다르게 하여 DNA binding protein (Sox2−Pax6) 들이 dsDNA에 binding 하도록 실시간으로 실험함으로써, Sox2 가 dsDNA 와 binding 하여 complex 를 형성하는 데 필요한 것은 편안한 이중나선 보다는 물리적으로 bending 된 dsDNA 임을 보이고, Sox2−Pax6 binding 이 함께 일어나는 것이 효과적임을 단일분자 수준에서 관찰한 결과를 발표하였다 (그림 4B).[27]

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그림 4. DNA 나노구조를 이용한 효소의 생물리학적 연구 (enzyme cascade). (A) GOx 와 HRP가 20 nm 이내 거리에 위치시킴으로 H2O2 의 환원이 증대됨. (B) Sox2 와 Pax6 의 binding 은 bending 된 dsDNA에서 두 효소가 함께 있을 때 효과적임. 원기둥으로 하나의 이중나선을 도식화 하였다.
 
그 외 DNA 나노구조체와 함께 시도된 여러 흥미로운 연구들은 주로 비슷한 성질을 가진 단백질들이 하나의 구조체에서 경쟁적으로 작동하거나, 물질을 지질이중층의 안팎으로 전달하는 나노기계 등 인공적인 시스템을 디자인하는데 이용되었다. 2012년에 Reck-Peterson 연구실에서 발표한 연구에서는 미세소관 (microtubule) 에서 작동하는 두 가지 motor protein 인 dynein 과 kynesin-1 을 하나의 길다란 DNA origami 에 각기 다른 숫자로 연결하였다 (그림5A). 구체적으로는 서로 다른 운반 성질을 가진 두 단백질을 길다란 구조체 상의 7개소에 위치하게 조작하여 앙상블을 이루어 하나의 cargo 를 운반할 때 그 갯수와 위치가 motor protein 의 방향 (direction) 과 이동도 (motility) 거동에 어떠한 영향을 미치는 지 체계적으로 연구하였다.[28] 이러한 연구를 위해 형광현미경을 사용하여 형광체가 부착된 DNA 구조체의 이동을 관찰하였다. 같은 해 Dietz 와 Simmel 은 공동연구를 통해 지질 이중층을 꿰뚫어 DNA 를 이동시킬 수 있는 인공채널을 가진 DNA 나노구조를 만들어 실험적으로 보였다 (그림5B).[29] dsDNA 들이 한데 모여 bundle 을 이루는 구조의 나노구조체는 z방향의 중심에 하나의 이중나선 DNA 에 해당하는 구멍이 존재하는데 (대롱), 나노구조체가 지질이중층과 친화력을 갖도록 접합면에 콜레스테롤을 다수 도입하였다. 이러한 나노구조체 중심의 대롱과 같은 구조가 지질이중층을 통과하여 내부로 ssDNA 를 운반할 때 전위차가 발생함을 실험을 통해 보여주었다. 이러한 생물리학적 연구들은, 이미 존재하는 생분자 체계를 정교하게 조작하거나 어떠한 체계 (Enterobacteria phage T4) 의 일부를 모방하는 것이 DNA 나노기술로 가능함을 보여준 재미있는 사례이다.
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그림 5. 생물리학적 인공시스템. (A) 12개의 이중나선으로 만들어진 길다란 DNA origami 에 kinesin (K) 과 dynein (D) motor protein 을 위치와 개수에 따라 조합 (n + m 의 최대는 7)하여 미세소관상에서 거동하는 움직임을 형광현미경으로 관찰하였다. (B) 지질이중층에 ssDNA 를 통과시키는 통로를 만듦. 올리고의 통로를 통한 이동은 electrophysiology 실험으로 관찰하였다.

Ⅲ. 본론, Part 2 – 생의학적 연구

DNA 는 인간의 세포내에 약 30억 염기쌍이 염색체의 상태로 존재하는 생체고분자로서 한 개의 세포안에 있는 DNA 의 총 길이는 산술적으로 약 2 m (단일 가닥으로) 라고 한다.[30] 인간의 몸에 있는 세포 수를 고려하여 모든 DNA 들을 한가닥으로 연결하면 133.69 천문단위 (astronomical unit; 2.0 × 1013) 이니 태양까지 약 66번 왕복할 수 있는 길이에 이른다. 비슷한 방법으로 계산하면 한 사람의 몸 안에 포함하는 DNA 의 질량은 약 65 g 이라고 한다. 이렇게 생체 내에 존재하는 DNA 를 소재로 어떠한 구조체를 만든다면 독성을 나타내지 않는 생체적합성 구조체가 될 것이라 짐작할 수 있다. 이 장에서는 DNA 나노구조체들이 어떻게 생의학적 연구에 응용되었는가 소개하도록 한다.
 
나노미터 크기의 작은 구조체를 암 등의 질병에 대한 치료법으로 활용하는 분야를 nanotherapeutics 라고 한다. 고분자, 자기조립 단분자, 지질, 단백질, 금속 콜로이드 등의 소재 중 생체적합성 물질을 이용하여 리포좀이나 나노입자의 형태로 약물을 전달하거나 생화학적 기작을 야기시키는 의학적 방법이 최근에 각광받는 연구분야 중 하나이다. 여기에 생명체의 기본 구성요소인 핵산을 이용한다면 생체적합성이 뛰어날 것으로 기대되어 DNA 나노소재를 이용한 치료법 개발도 함께 이루어져 왔다.[31] 먼저 10 nm 안팎의 크기를 가지는 핵산 나노구조체의 약물전달시스템 (drug delivery system) 을 간략하게 소개한다. 이 분야에서는 DNA에 소수성의 화학적 작용기를 도입하여 미세상분리 (microphase separation)에 의해 자기조립된 정방형 (isotropic) 의 작은 3차원 구조체인 미셀 (micelle) 구조를 형성하고 미셀의 소수성 내부에 항암제와 같은 약물을 담지하거나, siRNA (small interfering RNA) 등을 도입하여 RNAi (RNA interference) 의 효과를 기대하는 연구들이 수행되어 왔다 (그림6A).[32-38] 그 다음으로 많이 이용된 작은 크기의 3차원 구조체는 정사면체 (tetrahedron) 으로서, 유사한 방법으로 약물 또는 핵산을 담지하여 세포실험 혹은 동물실험에 효과가 있음을 입증한 다수의 연구가 보고되었다 (그림6B).[39-40] 또한 생의학적 담지체는 아니지만 미세상분리와 정사면체 구조를 접목한 중간 크기 (20 nm)의 구조체도 발표되었으며, 이 역시 담지체로 충분한 응용 가능성이 있다고 볼 수 있다.[41]

 
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그림 6. DNA 로 제작한 작은 크기 (10 nm 안팎)의 구형과 정사면체 약물전달 체계. (A) 미셀 시스템은 소수성의 화학 작용기가 중앙에 위치하여 소수성 약물을 비공유 결합을 통하여 담지할 수 있고 상보염기를 혼성화 함으로써 역시 공유결합 된 약물이나 siRNA 등을 전달 할 수 있으며 동시에 상보염기의 5’- 혹은 -3’의 말단에 원하는 약물이나 표지자를 도입함으로써 표면 혹은 내부에 위치할 수 있다. (B) 접합된 정사면체 시스템의 대표적인 모식도. 크기에 따라 적게는 4개 많게는 10개 이상의 올리고를 조립한 후, 필요에 따라 효소 (Ligase)를 이용하여 인접한 염기를 접합한다. 정방형의 미셀 시스템과는 달리 조립하는 염기서열을 디자인 하여 담지하는 표지자와 약물 (빨간색 혹은 초록색 물체)을 표면 혹은 내부에 위치할 수 있다.
 
한편 앞서 소개한 나노구조체들 보다 크거나 복잡한 시스템에 대한 연구 또한 시도되었는데, 3가지만 소개하자면 다음과 같다. Perrault 와 Shih 는 원형 wireframe 구조체인 nm 크기의 curved octahedron 의 DNA origami 를 제작하여 표면에 합성지질을 도입하고, 지질이 인지질과 가지는 친화력을 이용하여 바이러스의 envelope 과 유사한 복합구조체를 조립하였다. 바이러스와 유사한 이 DNA 구조체는 표면이 DNA 가 아니라 세포 표면과 같은 인지질로 구성되어 있으므로 생체적합성이 더욱 뛰어나 동물실험도 수행 되었으며 (그림7A),[42] 동시에 인지질 envelope 이 없는 curved octahedron DNA 나노구조 자체의 생화학적 안정성 역시 혈청 (serum) 환경 하에서 체계적으로 실험하였다.[43] DNA 나노구조체를 이용, TLR9 (toll-like reseptor 9)의 면역활성을 가지는 CpG (cytosine-phosphate-guanine) 염기를 포함한 올리고들을 면역세포에 대하여 시험한 연구도 보고되었다 (그림7B). 구체적으로는 먼저 30 개의 dsDNA로 구성된 튜브 (20 x 80 nm) 형태의 구조체를 제작하고 최다 62개의 CpG 서열을 가진 올리고들을 안과 밖에 담지하여 적출한 비장의 면역세포에 대하여 in vitro 실험을 하였는데, TLR9 을 통한 면역활성이 많은 CpG를 담지하였을 때 증대됨이 관찰되었다.[44]
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그림 7. 큰 크기의 복합 생의학적 응용의 예. (A) 바이러스와 유사한 나노복합구조. 구형의 curved octahedron 에 도입된 합성지질의 친화력을 통하여 인지질 이중층이 DNA 나노구조를 둘러싼 envelope 이 형성되었다. (B) 최다 62개의 면역활성 염기서열인 CpG 를 DNA 로 구성된 나노튜브에 담지하여 면역활성 실험을 수행하였다.
 
그 밖에 원하는 모양과 크기의 나노구조체를 제작할 수 있는 DNA 나노기술의 장점으로는 나노구조체의 기하학적 변수들이 세포섭취에 어떻게 작용하는가 하는 체계적인 연구가 가능하다는 점 등이 있다.[45] 이를 이용하면 나노구조체가 배지 또는 세포환경하에 어떠한 안정성을 가지고 있는가 하는 질문 또한 관련된 기초연구의 주제가 될 수 있다. 궁극적으로는 생의학적 기초연구를 바탕으로 체계적인 in vivo 실험을 통해 치료를 위한 나노구조체의 응용 가능성을 극대화 하는 것이 필요하다고 하겠다.

Ⅳ. 연구동향 통계

DNA 나노기술에 대한 연구는 최근 10년간 크게 증가해 왔다. 연도별 출판된 논문의 수에 대한 통계를 보면, 10년 전인 2004년 (4,900 건)에 비교하여 약 8.6 배 증가하였으며 연 평균 24%의 추세로 그 양이 증가해 왔다 (그림#). 주목할 점은 작년 (2014) 에 전년도 대비 63%의 큰 증가가 있었다는 것인데, 이는 DNA 나노기술의 창시자인 Seeman 이 육성한 연구자들이 90년대 후반부터 2세대로서 새로운 인력들을 배출한 결과, 3세대에 이르러 전세계 약 100여개 이상의 연구실에서 꾸준히 DNA 나노기술에 직, 간접적으로 관련된 여러 분야의 연구를 수행하기 때문이라고 인식되고 있다.
 
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그림 8. 최근 10년간 DNA 나노기술이 관련된 국제 연구논문 통계.[46]

V. 결론

DNA 나노기술이 바이오기술 (biotechnology; BT) 과 나노기술 (nanotechnology; NT) 을 융합하는 선도적 역할을 해 온 이유는 다음과 같다. (1) 그 조성이 A, T, C, G 염기로 단순하여 프로그래밍이 가능하다는 점, (2) 분자들간의 상호작용을 예측 가능하다는 점, (3) 화학/유전공학적 합성의 용이성, (4) 효소 등을 이용한 조작의 용이성, (5) 작용기 도입의 용이성, (6) 염기쌍의 길이에 따른 물리적 성질에 대한 이해, (6) DNA 자체가 생체에 함유된 물질이므로 독성이 적다는 생체적합성, (7) 마지막으로 염기를 읽는 기술 (sequencing) 의 발전이다. 이 동향 리포트를 통해 DNA 나노기술에 대해 처음 접하는 독자들에게 기초적 개념과 방향을 제시하고 상상력을 자극하여 다방면에서 창의적인 연구를 하는 데 이바지할 수 있기를 바란다.
 덧붙여, 통계로 미루어 짐작하건대 DNA 나노기술은 하나의 분야에 국한된 발전을 하는 것이 아니라 다제간 융합연구를 통하여 다른 생명과학, 물리학, 의학, 소재, 에너지 분야에 파급력을 미치고 있다고 볼 수 있다. 따라서 DNA 나노기술 연구가 다른 분야와 융합하여 실용화를 이룩한다면 십 수년 내에 DNA 와 nano 의 단어가 함께 들어간 상품을 보게 될 것이라 희망해 본다.

VI. 참고문헌과 주석
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곽민석(2015). DNA 나노기술 및 소재의 기초와 생물리학적, 생의학적 응용. BRIC View 2015-R02. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2288 (Jan 20, 2015)
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