"기존 상식 깼다" KAIST, 온도 기반 'DNA 합성' 원천기술 확보

온도만으로 원하는 DNA를 합성하는 원천기술이 개발됐다. 화학 공정이 필수로 여겨지던 DNA 합성법의 기존 상식을 깬 연구 성과다.

DNA 합성법은 질병 진단과 합성생물학, 바이오 센싱 및 나노 테크놀로지 등 분야에서 광범위하게 활용되는 핵심 기술이다. 하지만 원하는 DNA 서열을 합성하기 위해 그간에는 염기를 연장할 때마다 새로운 화학 시약을 주입·세척하는 '시약 교체' 공정을 필수적으로 반복해야 했다.

문제는 이러한 물리적 용액 교체 방식이 막대한 시약 소모와 공정의 복잡함을 초래한다는 점이다. 합성기술을 다른 응용시스템 또는 소형 바이오 장치에 통합·실용화하는 데도 걸림돌로 작용했다. 이와 달리 온도 기반의 DNA 합성법은 '온도'를 제어 축으로, DNA 합성을 자유롭게 조절할 수 있게 해 바이오 기초연구의 진입 장벽을 낮출 것으로 기대된다.

(왼쪽부터) 박성준 KAIST 연구원, 김우진 GIST 석박통합과정생, 김진호 GIST 박사과정생, 최장호 KAIST 연구원, 최영재 KAIST 교수, 류태훈 에이티지라이프텍 대표, 이채림 에이티지라이프텍 주임 연구원, (오른쪽 상단) 최한솔 이화여자대 교수. KAIST

KAIST는 공학생물학대학원 최영재 교수 연구팀이 ㈜에이티지라이프텍, 이화여자대 생명과학과 최한솔 교수 연구팀과 공동으로 '온도 조절만으로 원하는 DNA 서열을 합성'할 수 있는 원천 플랫폼 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이 기술은 '시약 교체'라는 기존 DNA 합성 기술의 근본적 한계를 해소해 '온도'라는 직관적 변수만으로 DNA 합성을 자유롭게 조절하는 '온도 매개형 단일 시험관 DNA 합성(TEmperature-Mediated Primer Exchange Reaction·TEMPER)' 플랫폼 구현을 가능케 한다.

DNA는 사람을 포함한 모든 생명체의 유전정보를 담은 일종의 '설계도'다. 원하는 DNA를 만드는 기술은 질병 진단과 신약 개발, 새로운 기능의 미생물을 만드는 등 바이오 기술에서 폭넓게 활용된다.

다만 기존에는 DNA를 구성하는 4가지 염기(A·T·G·C)를 각각 연결할 때마다 화학 시약을 넣은 후 씻어내는 과정을 반복해야 했다. 이 과정에선 수억 원대에 이르는 자동 DNA 합성 장비와 전문 연구시설이 필수적으로 요구됐다.

공동연구팀은 이러한 부담을 해소하기 위해 특정 온도에서만 반응하는 '헤어핀 DNA'를 개발, 서로 다른 온도에서 작동하는 여러 종류의 헤어핀 DNA를 하나의 시험관에 넣은 후 온도만 달리해 순서대로 바꾸는 방식으로 '원하는 DNA'를 순차적으로 합성하는 데 성공했다. 헤어핀 DNA는 머리핀처럼 접혀 있다가 일정한 온도에서만 펼쳐지는 특수한 DNA 구조를 말한다.

시약 교체과정을 반복하던 기존 방식을 개선해 필요한 재료를 하나의 시험관에 넣어 온도 조절만으로 DNA를 순서대로 만들어내는 새로운 방식을 구현한 것이다. 이는 복잡한 시약 교체 과정을 거치지 않아도 돼 대형 장비 없이 일반적인 온도 조절 장치만으로 DNA를 합성할 수 있게 한다.

AI 생성 이미지. KAIST

DNA를 만드는 '방법' 자체를 바꾸는 패러다임의 전환은 이번 연구의 핵심 성과다. 기존에 화학 시약이 DNA 합성 과정을 하나하나 제어했던 것과 달리 공동연구팀은 보편·직관적 '온도'를 축으로 같은 역할을 구현해냈다는 점을 강조한다.

이 기술은 DNA를 만드는 데 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 줄여 합성생물학과 유전자 연구, 신약 개발과 정밀 의료 등 바이오산업의 진입 장벽을 허무는 효과를 가져올 것으로 기대된다.

공동연구팀은 무전원 'DNA 온도 블랙박스'를 구현해 개발한 기술이 실제로 활용될 수 있음을 입증했다.

이 장치는 평소 동결건조 상태로 보관되다가 사용 직전 물 한 방울을 떨어뜨렸을 때 작동을 시작한다. 배송 과정에서는 언제·얼마나·어떤 순서로 온도가 변했는지를 DNA 서열에 자동으로 기록하고, 일정 온도 이상에 노출되면 색이 변해 이상 여부를 육안으로 즉시 확인할 수 있게 해 백신과 바이오의약품, 세포치료제, 신선식품 등 저온 유통이 필수인 제품의 품질을 관리하는 데 활용할 수 있다.

최 교수는 "이번 연구는 온도만으로 DNA를 합성하는 새로운 원리를 제시한 세계 최초의 원천기술"이라며 "보다 쉽고 경제적으로 DNA를 합성할 수 있는 점은 바이오 기초연구의 진입 장벽을 낮추고, 무전원 DNA 온도 블랙박스 등 새로운 산업 응용 기술로 활용될 가능성을 높인다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 최장호 연구원과 GIST 김진호 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난 2일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr