DNA는 유전정보를 담는 분자라는 고정관념이 깨지고 있다. KAIST 연구진이 DNA 염기서열(유전정보를 구성하는 A·T·G·C의 배열)을 설계해 촉매 주변의 화학 환경을 나노미터(nm·10억 분의 1m) 수준에서 조절하는 기술을 개발했다. 마치 컴퓨터 프로그램을 짜듯 DNA를 설계해 수소 생산 효율과 원하는 화학물질 생성량을 높일 수 있는 새로운 촉매 플랫폼을 제시한 것이다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 금 나노입자(1~100nm 크기의 초미세 금 입자) 촉매 표면에 ‘단일가닥 DNA(한 줄로 이뤄진 유연한 DNA 분자로, 원하는 길이와 구조로 설계할 수 있어 반응 환경을 조절하는 나노 코팅재 역할을 하는 물질)’를 입혀 촉매 주변의 미세한 화학 환경을 정밀하게 제어하는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

수소 생산이나 친환경 화학제품 제조에 활용되는 전기화학 반응(전기를 이용해 화학반응을 일으키는 기술)에서는 촉매 자체뿐 아니라 촉매 주변의 산도(pH)와 이온 분포 같은 국소 반응 환경(촉매 바로 주변에서 형성되는 미세한 화학 환경)이 성능을 좌우한다. 그러나 기존에는 특수 고분자(분자가 길게 연결된 플라스틱 형태의 물질) 코팅재를 이용해 이를 조절해 왔으며, 나노미터 수준에서 내부 구조를 정밀하게 설계하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘단일가닥 DNA(single-stranded DNA·한 줄로 이루어진 DNA)’에 주목했다. DNA는 음전하를 띠고 있어 주변 이온(전하를 띠는 원자나 분자)의 이동에 영향을 줄 수 있으며, 길이와 염기서열을 자유롭게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 특히 염기서열을 바꾸면 DNA 내부의 네트워크 구조를 정밀하게 조절할 수 있어 촉매 표면에 맞춤형 나노 코팅층을 구현할 수 있다.

연구팀은 금 나노입자 표면에 다양한 염기서열의 DNA를 결합한 뒤 전기화학 반응을 분석했다. 그 결과 촉매 성능을 결정하는 핵심 요소가 단순한 코팅층의 두께가 아니라 DNA 염기서열에 따라 형성되는 내부 네트워크 구조라는 사실을 밝혀냈다.

이는 같은 두께의 코팅층이라도 DNA 내부 구조가 어떻게 짜여 있느냐에 따라 반응에 필요한 이온들의 이동 경로가 달라질 수 있음을 의미한다. 마치 같은 폭의 도로라도 도로망이 어떻게 설계됐느냐에 따라 교통 흐름이 달라지는 것과 같은 원리다.

또한 실시간 표면증강라만분광법(레이저를 이용해 분자의 화학적 상태를 실시간으로 분석하는 기술)을 활용해 반응 과정을 관찰한 결과, DNA 층이 수산화 이온(OH⁻)의 이동을 조절해 촉매 주변의 국소 pH를 변화시키는 기능성 계면층(물질과 물질이 만나는 경계면에서 특별한 기능을 수행하는 층)으로 작동한다는 사실을 직접 확인했다.

쉽게 말해 DNA 층이 촉매 주변에서 이온의 이동을 안내하는 '교통관제센터' 역할을 하며, 어떤 이온은 더 빠르게 이동하도록 돕고 어떤 이온은 이동을 제한함으로써 반응이 일어나는 환경을 원하는 방향으로 바꾸는 것이다. 연구진은 이러한 과정을 실시간으로 관찰해 DNA가 단순한 보호막이 아니라 반응 환경을 능동적으로 조절하는 역할을 한다는 사실을 입증했다.

연구팀은 이 기술을 수소 발생 반응과 글리세롤 산화 반응(바이오디젤 생산 과정에서 나오는 글리세롤을 고부가가치 화학물질로 전환하는 반응)에 적용했다. 그 결과 DNA 염기서열에 따라 수소 생산 효율이 크게 달라졌으며, 화장품·의약품 원료로 활용되는 글리세르산(glycerate)의 생성 선택도(특정 생성물이 만들어지는 비율) 또한 향상됐다. 이는 복잡한 촉매 구조를 새로 만들지 않고도 DNA 서열만 조정해 원하는 반응 결과를 얻을 수 있음을 의미한다.

박지민 교수는 “이번 연구는 DNA를 유전정보 저장체가 아닌 전기화학 반응을 제어하는 정밀 나노소재로 활용할 수 있음을 보여준 사례”라며 “DNA 서열 설계를 통해 촉매 표면의 산도와 이온 이동을 조절함으로써 향후 수소 생산과 바이오매스(식물이나 농업 부산물 등 재생 가능한 생물자원) 전환 등 탄소중립 기술 전반에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 오상연, 이태경 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여했으며, 박지민 교수가 교신저자로 참여했다. 해당 연구 결과는 국제적 권위의 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 5월 5일 자 게재됐다. 

 ※ 논문명 : Programmable Single-Stranded DNA Layers as Modulators of Nanoscale pH at Electrocatalytic Interfaces, DOI : 10.1021/jacs.6c02995

 ※ 저자 정보 : 오상연, 이태경 (KAIST, 공동 제1 저자), 전재연, 우진세, 이창호, 김용하 (KAIST, 공동 저자) 및 박지민 (KAIST, 교신저자) 

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구지원사업, 글로벌매칭형사업, 신진연구자인프라 지원사업 과제의 지원을 받아 수행됐다.

연구개요

□ 연구 배경
ㅇ 전기화학 반응에서는 촉매 자체의 조성이나 구조뿐 아니라, 촉매 표면 근처에서 형성되는 국소 반응 환경이 반응의 활성과 선택성을 크게 좌우한다. 특히 국소 pH, 이온 분포, 반응물 농도, 용매화 구조와 같은 계면 환경은 수소 발생 반응, 산소 발생 반응, 이산화탄소 환원 반응, 글리세롤 산화 반응 등 다양한 전기화학 반응의 반응 경로와 중간체 안정성에 직접적인 영향을 미친다. 기존에는 이러한 국소 환경을 조절하기 위해 나피온(Nafion)과 같은 이온전도성 고분자, 즉 이오노머(ionomer) 코팅층이 활용되어 왔다. 이오노머는 고정 전하를 가진 고분자 골격을 통해 이온 이동을 조절하고, 촉매 계면의 pH를 변화시킬 수 있다는 장점이 있다.
ㅇ 그러나 기존 이오노머는 고분자 구조, 이온 도메인, 코팅층 두께가 서로 복합적으로 얽혀 있어, 나노미터 수준에서 계면 구조를 정밀하게 설계하고 구조-물성 관계를 체계적으로 분석하는 데 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 단일가닥 DNA(single-stranded DNA)에 주목했다. 단일가닥 DNA는 음전하를 띠는 인산 골격을 가지고 있어 이온 분포에 영향을 줄 수 있으며, 염기서열과 길이를 분자 수준에서 정밀하게 설계할 수 있다. 따라서 단일가닥 DNA는 기존 이오노머의 한계를 보완할 수 있는 ‘프로그래밍 가능한’ 계면 조절 소재로 활용될 가능성이 있다.

□ 연구 내용
ㅇ 본 연구에서는 다양한 길이와 염기서열을 가진 단일가닥 DNA를 금 나노입자 전기촉매 표면에 결합시켜, 단일가닥 DNA 층이 촉매 계면의 국소 pH와 전기화학 반응성을 어떻게 조절하는지 분석했다. 연구팀은 단일가닥 DNA의 길이를 통해 코팅층 두께를 조절하고, 염기서열에 따른 염기쌍 형성 정도를 통해 내부 인산 골격 네트워크를 조절할 수 있음을 확인했다. 특히 동일한 두께의 단일가닥 DNA 층이라도 염기서열에 따라 내부 네트워크 구조가 달라지고, 이 차이가 촉매 반응성에 중요한 영향을 미친다는 점을 밝혔다.
ㅇ 수소 발생 반응을 모델 반응으로 사용한 결과, 단일가닥 DNA 층은 금 나노입자의 촉매 활성을 염기서열 의존적으로 변화시켰다. 온도 변화 실험과 염기쌍 형성 정도를 조절한 DNA 서열 실험을 통해, 이러한 변화가 단순한 코팅층 두께나 활성 면적 차이가 아니라 단일가닥 DNA 내부의 염기쌍 기반 네트워크 구조에서 비롯됨을 확인했다. 또한 실시간 표면증강라만분광법(operando surface-enhanced raman scattering)을 활용해 실제 반응이 진행되는 동안 촉매 표면 근처의 pH 변화를 직접 측정했으며, 단일가닥 DNA 층이 수산화 이온(OH⁻)의 이동과 축적을 조절해 국소 pH를 변화시킨다는 사실을 입증했다.
ㅇ 나아가 연구팀은 이 원리를 글리세롤 산화 반응에도 적용했다. 글리세롤 산화 반응은 국소 pH에 따라 생성물 선택성이 크게 달라지는 반응으로, 본 연구에서는 단일가닥 DNA 층을 통해 촉매 주변의 수산화 이온 이동을 조절함으로써 생성물 선택성을 제어할 수 있음을 보였다. 특히 특정 단일가닥 DNA 층은 글리세롤 산화 반응에서 글리세레이트 생성 선택성을 높였으며, 이는 DNA 기반 계면 조절이 선택적 전기화학 반응 설계에 활용될 수 있음을 보여준다.
ㅇ 종합적으로 본 연구는 단일가닥 DNA를 단순한 생체분자가 아니라, 전기촉매 계면의 미세환경을 나노스케일에서 조절하는 기능성 코팅층으로 활용할 수 있음을 제시했다.