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POSTECH 김광수 교수팀, “인간 게놈 1시간 안에 해독 가능할까?”
생명과학 POSTECH (2011-02-07)

사람의 모든 유전자 30억쌍을 1시간 안에 해독 가능한 혁신적이고 새로운 DNA 염기서열 분석법이 국내 연구진을 통해 발표돼 세계의 주목을 받고 있다.
 특히 이 분야는 지난 2003년 인간게놈프로젝트가 성공적으로 완료되면서 미국을 중심으로 선진국들이 막대한 연구비를 투자하며 경쟁적으로 연구하고 있는 분야일 뿐 아니라 여러 난치병이나 희소병 치료에도 필수적인 분야로, 생명과학에 변혁을 예고하고 있다.

 국가과학자 김광수 POSTECH(포항공과대학교) 화학과 교수, 박사과정 민승규․ 조연주, 김우연 박사(현 KAIST 교수)는 그래핀 나노리본*1과 DNA 염기와의 상호작용에 의한 2차원적 전자전도도를 측정하는 초고속 DNA 해독법을 제시하였다.
 나노기술 분야의 세계 최고 권위지인 네이처 나노테크놀로지 온라인판을 통해 발표된 이 방법은 최소 몇 주가 걸리는 기존 방식과는 달리 컴퓨터 모의실험 결과 인간 게놈 전체를 수 시간 이내에, 심지어 기술발전에 따라서는 수 분 이내에 해독할 수 있어 DNA 정보 분석 연구에 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대된다.

 차세대 분석법으로는, DNA가 나노 구멍을 통과하는 동안 각 염기에 흐른 전류 또는 나노 구멍을 통해 흐르는 이온의 전류를 비교해 염기종류 A, C, G, T*2를 구분하는 방법이 제안되어 왔다. 그러나 이 방식은 각 염기의 신호영역이 넓고 서로 겹쳐 있어 염기들 간의 구분이 불가능해 새로운 방법이 절실히 요구되어 왔다.

 연구팀은 DNA가 나노채널을 통과할 때, 각 염기들이 그래핀 나노리본 표면에 수 마이크로초(10-6 초) 내에 순차적으로 붙었다 떨어지는 현상이 그래핀의 전도도에 변화를 주어 4종의 염기가 확실히 구분될 수 있음에 착안했다. 각 시간대별 전자전도도 변화를 새로운 개념의 2차원 데이터 정보처리방법을 사용함으로써, 기존 방법보다 훨씬 빠르고 정확하게 염기서열 분석이 가능하다는 것을 KISTI(한국과학기술정보연구원)의 슈퍼컴퓨터를 통해 예증하였다.

 이 방법은 특히 별도의 DNA 증폭(amplification)이나 광학적 표식(optical labeling) 과정이 필요하지 않아 분석에 소요되는 시간을 줄이는 것은 물론, 상당한 비용절감을 가져올 것으로 예상되며, 이런 혁신적인 방법에 미국, 독일을 비롯한 선진국들이 큰 관심을 보이고 있다.

 그래핀 나노리본을 이용한 분자 전자공학, 유전자 염기서열분석, 2차원 전자전도도 정보해석 기술 등 NT, BT, IT 세 분야의 융합으로 이루어진 이번 연구는 앞으로 융합연구의 모범적인 모델로 자리매김할 것으로 기대된다.

 POSTECH 김광수 교수는 “이번 연구가 실험으로 구현되면, 그 기술 발전에 따라 인간 게놈을 수 분 내에 해독할 가능성도 가지고 있는 획기적이고 혁신적인 기술”이라며, “초고속 저비용의 DNA 염기서열 분석법의 현실화는 최근 화제가 되고 있는 개인맞춤형 의료에 활용되는 것은 물론, 유전정보에 따른 인간의 성격, 본능, 재능, 적응성 등 다양한 생명 정보를 분석할 수 있어 인류의 미래에 새로운 변화를 가져다 줄 포스트게놈시대를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 국가과학자 및 글로벌연구실 사업 아래 수행됐다.

1. 그래핀 나노리본
 그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 벌집모양의 격자구조를 이루면서 만들어진 2차원 구조 탄소동소체를 일컫는 말이다 <그림 1 참조>. 연필심으로 흔희 사용되는 흑연 (graphite)은 수 없이 많은 그래핀이 겹쳐져서 만들어진 다층구조이다. 2010년도 노벨상을 수상한 Geim, Novoselov 교수 연구팀이 2004년 흑연으로부터 그래핀을 떼어내는데 성공을 거둔 이후, 세계적인 연구진들이 경쟁적으로 그래핀을 이용한 연구에 박차를 가하고 있다. 그래핀은 90년대 각광 받아온 탄소나노튜브와 마찬가지로 우수한 기계적, 전기적 특성을 가지면서도, 단 원자층 두께의 2차원에서만 나타나는 독특한 물리 현상들이 나타난다. 이에 학문적으로는 저차원 물리현상 연구에 새로운 장을 열었을 뿐 아니라 기술적으로는 실리콘을 바탕으로 한 반도체 시대를 대신한 차세대 전기소자의 혁신적인 재료로서 주목 받고 있다. 이를 폭이 가느다란 밴드 모양으로 이루어 진 것이 그래핀 나노리본이며, 현재 1 나노미터 이하의 가는 밴드도 발표되었다.

2. DNA 염기
 유전자는 DNA(디옥시리보 핵산)가 담당하고 있으며 DNA는 인산이나 탄소 뿐 아니라, A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신)의 염기로 이루어져 있는 물질이다. 이 4가지의 염기 배열에 의해 유전 정보가 암호화되고 있다.

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