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POSTECH
Nat. Nanotechnol., 6, 162-165 (2011) | doi:10.1038/nnano.2010.283
Fast DNA sequencing with a graphene-based nanochannel device
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
DNA 염기 서열을 빠르고 싼 가격으로 분석하는 방법은 미래의 바이오 산업에 있어서 매우 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 현재 사용되고 있는 DNA 염기 서열 분석 방법은 하나의 인간 게놈을 분석하기 위해 수천만 달러가 필요로 하고 그 시간도 수 주가 걸리는 등 가격 및 시간에 있어서 상당한 비용이 요구됩니다. 미국의 NIH는 2004년 1000 달러의 비용으로 24시간 이내의 새로운 염기 서열 분석방법의 필요성을 강조한 바 있으며, 그 결과 보다 효율적인 DNA 염기 서열 분석방법에 대한 활발한 연구가 진행되고 있습니다. 그 중, 나노기술의 비약적인 발달로 기존의 Sanger 분석 방법/cyclic-array 방법과는 전혀 다른 새로운 방법이 관심을 받고 있습니다.
나노 기술을 이용한 방법으로 나노구멍(nanopore)를 이용한 방법들이 계속해서 제시되어 왔습니다. 이 방법은 DNA 염기들이 나노 구멍을 지나갈 때 transverse current를 측정하여 그 차이를 분석하여 염기를 구별할 수 있다는 논리를 가지고 있습니다. 하지만, 나노구멍 안에서 염기의 구조적인 심한 움직임 때문에 측정된 전류의 값이 큰 범위 내에서 움직이게 되어 염기의 구분이 매우 힘들어집니다. 이 논문에서는 그래핀(graphene) 나노리본(nanoribbon)을 이용해 염기의 구조를 잡아줌으로써 나노구멍을 이용한 방법의 단점 중 하나인 각 염기의 신호 겹침(overlap) 현상을 최소화하고, 측정된 신호들을 새로운 데이터 처리방법을 통해서 각 시간대 별로 염기 신호를 추출해낼 수 있다는 것을 이론적으로 보여주었습니다. 이 방법 또한 DNA translocation rate/gate-voltage sweeping rate 조절 등 실험적으로 구현하기 위해서는 많은 노력이 필요하지만, 실험으로 구현이 된다면 수 시간 내에 30억개에 달하는 염기들의 서열을 분석할 수 있을 것으로 전망되어 집니다.
에피소드라고 말할 건 딱히 없는데, 이 연구를 하는 동안 오토바이를 타다가 교통사고로 다리가 골절되는 바람에 병원에 한달 가량 입원하게 되어 병실에서도 논문을 쓰면서 공동 저자인 조연주 학생에게 전화를 하여 당시 계산 결과들을 물어봤던 가슴 아픈 기억이 나네요. 또 공동 제1저자인 지금 한국과학기술원 화학과 교수로 부임 중이신 김우연 교수님은 그 당시 독일에 Post-doc. 과정으로 연구하고 있어서 토론을 하는데 시간상으로 상당히 애를 먹었던 기억도 나네요. 지도교수이신 김광수 교수님이 보여 준 이 논문에 대한 지극한 애정, 관심 또한 기억이 납니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
제가 연구하는 곳인 '기능성 분자계 연구소 (Center for Superfunctional Materials)'는 포항공대 화학과에 소속되어 있으며 대한민국 "국가과학자"인 김광수 교수님이 소장으로 계시는 곳입니다. 현재 Global Research Lab. (GRL), World Class University (WCU), National Honor Scientist (NHS) 프로젝트를 수행 중에 있으며, 다양한 기능성을 가지는 신 물질을 이론/실험을 통하여 구현/합성하는 일을 하고 있습니다. 대표 연구 성과로 그래핀 나노리본을 이용한 스핀 메모리 소자의 개발 (Nature Nanotech. 2008년 개제), 유기물질을 이용한 나노렌즈의 합성 (Nature 2009년 개제), 산화 그래핀을 이용한 비소물질 제거 (ACS Nano 2010년 개제) 등이 있습니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
이론 연구라고 하는 게, 실험과는 다르게 매우 다양한 영역을 다룰 수 있습니다. 이번 연구와 같이 아직 실험으로 구현되지 않았지만, 실험의 새로운 방향을 제시해 줄 수도 있고, 실제 실험에서 나온 결과들을 이론 연구를 통해서 해석을 할 수 있습니다. 김광수 교수님 지도하에 몇 년간 이론/계산 화학이라는 분야를 연구하면서, 자기가 관심을 가지는 분야 말고도 다양한 분야에 걸쳐서 관심을 가지는 것도 중요하다고 봅니다. 어떤 이론이라는 것이 어느 한 분야에만 국한되는 것이 아니기 때문이죠. 이론 연구는 여유를 가지고 생각하고 또 생각하는 것이 매우 즐거운 것 같네요.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
저희 실험실로 오세요. 좋아요. ^^
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
일단은 졸업을 해야죠. 앞으로 이 논문의 방법을 더 보완할 수 있는 방법에 대해 연구 중에 있습니다.
DNA 염기 서열을 빠르고 싼 가격으로 분석하는 방법은 미래의 바이오 산업에 있어서 매우 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 현재 사용되고 있는 DNA 염기 서열 분석 방법은 하나의 인간 게놈을 분석하기 위해 수천만 달러가 필요로 하고 그 시간도 수 주가 걸리는 등 가격 및 시간에 있어서 상당한 비용이 요구됩니다. 미국의 NIH는 2004년 1000 달러의 비용으로 24시간 이내의 새로운 염기 서열 분석방법의 필요성을 강조한 바 있으며, 그 결과 보다 효율적인 DNA 염기 서열 분석방법에 대한 활발한 연구가 진행되고 있습니다. 그 중, 나노기술의 비약적인 발달로 기존의 Sanger 분석 방법/cyclic-array 방법과는 전혀 다른 새로운 방법이 관심을 받고 있습니다.
나노 기술을 이용한 방법으로 나노구멍(nanopore)를 이용한 방법들이 계속해서 제시되어 왔습니다. 이 방법은 DNA 염기들이 나노 구멍을 지나갈 때 transverse current를 측정하여 그 차이를 분석하여 염기를 구별할 수 있다는 논리를 가지고 있습니다. 하지만, 나노구멍 안에서 염기의 구조적인 심한 움직임 때문에 측정된 전류의 값이 큰 범위 내에서 움직이게 되어 염기의 구분이 매우 힘들어집니다. 이 논문에서는 그래핀(graphene) 나노리본(nanoribbon)을 이용해 염기의 구조를 잡아줌으로써 나노구멍을 이용한 방법의 단점 중 하나인 각 염기의 신호 겹침(overlap) 현상을 최소화하고, 측정된 신호들을 새로운 데이터 처리방법을 통해서 각 시간대 별로 염기 신호를 추출해낼 수 있다는 것을 이론적으로 보여주었습니다. 이 방법 또한 DNA translocation rate/gate-voltage sweeping rate 조절 등 실험적으로 구현하기 위해서는 많은 노력이 필요하지만, 실험으로 구현이 된다면 수 시간 내에 30억개에 달하는 염기들의 서열을 분석할 수 있을 것으로 전망되어 집니다.
에피소드라고 말할 건 딱히 없는데, 이 연구를 하는 동안 오토바이를 타다가 교통사고로 다리가 골절되는 바람에 병원에 한달 가량 입원하게 되어 병실에서도 논문을 쓰면서 공동 저자인 조연주 학생에게 전화를 하여 당시 계산 결과들을 물어봤던 가슴 아픈 기억이 나네요. 또 공동 제1저자인 지금 한국과학기술원 화학과 교수로 부임 중이신 김우연 교수님은 그 당시 독일에 Post-doc. 과정으로 연구하고 있어서 토론을 하는데 시간상으로 상당히 애를 먹었던 기억도 나네요. 지도교수이신 김광수 교수님이 보여 준 이 논문에 대한 지극한 애정, 관심 또한 기억이 납니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
제가 연구하는 곳인 '기능성 분자계 연구소 (Center for Superfunctional Materials)'는 포항공대 화학과에 소속되어 있으며 대한민국 "국가과학자"인 김광수 교수님이 소장으로 계시는 곳입니다. 현재 Global Research Lab. (GRL), World Class University (WCU), National Honor Scientist (NHS) 프로젝트를 수행 중에 있으며, 다양한 기능성을 가지는 신 물질을 이론/실험을 통하여 구현/합성하는 일을 하고 있습니다. 대표 연구 성과로 그래핀 나노리본을 이용한 스핀 메모리 소자의 개발 (Nature Nanotech. 2008년 개제), 유기물질을 이용한 나노렌즈의 합성 (Nature 2009년 개제), 산화 그래핀을 이용한 비소물질 제거 (ACS Nano 2010년 개제) 등이 있습니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
이론 연구라고 하는 게, 실험과는 다르게 매우 다양한 영역을 다룰 수 있습니다. 이번 연구와 같이 아직 실험으로 구현되지 않았지만, 실험의 새로운 방향을 제시해 줄 수도 있고, 실제 실험에서 나온 결과들을 이론 연구를 통해서 해석을 할 수 있습니다. 김광수 교수님 지도하에 몇 년간 이론/계산 화학이라는 분야를 연구하면서, 자기가 관심을 가지는 분야 말고도 다양한 분야에 걸쳐서 관심을 가지는 것도 중요하다고 봅니다. 어떤 이론이라는 것이 어느 한 분야에만 국한되는 것이 아니기 때문이죠. 이론 연구는 여유를 가지고 생각하고 또 생각하는 것이 매우 즐거운 것 같네요.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
저희 실험실로 오세요. 좋아요. ^^
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
일단은 졸업을 해야죠. 앞으로 이 논문의 방법을 더 보완할 수 있는 방법에 대해 연구 중에 있습니다.
등록일 2011.02.14
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