DNA 설계로 수소 생산·화학물질 생성 효율 향상

수소 생산 효율과 화학물질의 생성량을 높이는 새로운 촉매 플랫폼이 제시됐다. DNA 유전정보를 구성하는 A·T·G·C 배열(DNA 염기서열)을 설계해 촉매 주변 화학환경을 나노미터(㎚·10억 분의 1m) 수준에서 조절하는 게 플랫폼의 핵심이다.

AI 생성 이미지. KAIST

KAIST는 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 1~100㎚ 크기의 초미세 금 입자(금 나노입자) 촉매 표면에 '단일가닥 DNA'를 입혀 촉매 주변의 미세한 화학환경을 정밀 제어하는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

전기화학 반응은 전기로 화학반응을 일으키는 기술로, 수소 생산과 친환경 화학제품 제조에 널리 활용된다.

이 과정에서 촉매와 촉매 주변의 산도(pH), 이온 분포 등 국소 반응 환경은 생산 효율을 좌우한다. 하지만 '특수 고분자(분자가 길게 연결된 플라스틱 형태의 물질)' 코팅재를 이용하는 기존 전기화학 반응으로는 나노미터 수준에서 내부 구조를 정밀하게 설계하는 데 한계가 따랐다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하는 데 단일가닥 DNA를 활용했다. 단일가닥 DNA는 한 줄로 이뤄진 유연한 DNA 분자다. 원하는 길이와 구조로 설계가 가능해 반응 환경을 조절하는 나노 코팅재 역할을 한다.

특히 DNA는 음전하로 주변 이온(전하를 띠는 원자 또는 분자)의 이동에 영향을 줄 수 있고, 길이와 염기서열을 자유롭게 설계하는 게 가능한 장점이 있다. 염기서열을 바꾸면 DNA 내부의 네트워크 구조를 정밀하게 조절할 수 있게 돼 촉매 표면에 맞춤형 나노 코팅층을 구현하는 것도 가능해진다.

박지민 교수(가운데), 이태경·오상연 박사과정(왼쪽부터). KAIST

이 같은 원리에 착안한 연구팀은 금 나노입자 표면에 다양한 염기서열의 DNA를 결합한 후 전기화학 반응을 분석했다. 이 결과 DNA 염기서열에 따라 형성된 내부 네트워크 구조가 촉매 성능을 결정하는 핵심 요소가 된다는 것을 확인했다.

이는 단지 코팅층 두께가 촉매 성능을 좌우하지 않는다는 의미로, 같은 두께의 코팅층이라도 DNA 내부 구조에 따라 반응에 필요한 이온의 이동 경로가 달라질 수 있다는 결론이다. 같은 폭의 도로라도, 도로망 설계 방식에 따라 교통의 흐름 자체가 달라지는 것과 같은 원리다.

레이저로 분자의 화학적 상태를 실시간으로 분석(실시간 표면증강라만분광법)했을 땐 DNA 층이 수산화 이온(OH?)의 이동을 조절해 촉매 주변의 국소 pH를 변화시키는 기능성 계면층으로 작동한다는 사실도 확인됐다.

DNA 층이 촉매 주변에서 이온의 이동을 안내하는 일종의 '교통관제센터' 역할을 맡아 이온의 흐름을 관리함으로써 반응이 일어나는 환경을 원하는 방향으로 바꿀 수 있다는 의미다.

박 교수는 "이번 연구는 DNA가 전기화학 반응을 제어하는 정밀 나노소재로 활용될 수 있음을 보여준 사례"라며 "DNA 서열 설계를 통한 촉매 표면의 산도, 이온 이동 조절이 향후 수소 생산과 바이오매스 전환 등 탄소중립 기술 전반에 활용될 수 있길 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 오상연·이태경 박사과정생이 공동 제1 저자, 박 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr