우리 주위에는 다양한 작업을 수행하는 수조 개의 작은 분자 나노 기계들이 있다.

캐나다 사이몬플레저대(SFU) 물리학 교수 데이비드 시박(David Sivak) 연구팀은 효율성을 극대화하고 에너지를 절약하기 위해 이 기계를 조작하는 전략을 처음으로 제시했다.

이 기술은 에너지 생성을 위해보다 효율적인 컴퓨터칩과 태양 전지를 만드는 것을 포함한 여러 분야에 걸쳐 파급 효과를 가져올 수 있다.

나노 기계는 실제로 수십억 분의 1미터 크기만큼 작다. 그들은 또한 세포 주변의 물질 이동, 분자 구축 및 분해, 유전 정보의 처리 및 발현 등 여러가지 복잡한 일을 빠르게 수행 할 수 있다.

시박 교수는 나노 기계 효율성을 예측하는 이론이 에너지를 거의 소모하지 않고 이러한 작업을 수행 할 수 있어 미세한 기계 작동과 고장 났을 때 잘못 될 지 이해할 수 있도록 도와준다고 말한다.

연구팀은 더 복잡한 분자 기계의 기계적 동작을 모방하고 전개하는 DNA 머리핀(hairpin)구조를 조작했다. 시박 이론에 의해 예측 된 바와 같이, 접어 꺾을 때 머리핀 구조를 빠르게 잡아 당기면 최대 효율과 최소 에너지 손실이 발생한다는 것을 발견했다.

DNA 헤어핀구조 이미지.Credit:rost9/fotolia.com

세포와 유기체의 진화는 DNA와 같은 정보성 분자가 선택적으로 복제될 수있는 단계를 거친다. 관련 연구에 따르면 헤어핀 구조가 효과적인 DNA복제기를 만든다.

핵산(DNA와 RNA)은 단백질 합성을 위한 정보를 담고 있다. 단백질은 조절되고 특이적인 촉매 작용과 효소에 의한 화학 반응과 같이 세포가 요구하는 구조적 실행 기능을 제공한다.

RNA는 이런 경계를 무시할 수 있으며 많은 중요한 과정에서 촉매 역할을하는 것으로 알려졌다. 특정 RNA 분자는 다른 핵산의 복제를 촉매할 수 있으며, 이 다목적성은 생명체가 지구에서 어떻게 유래했는지 설명하는 데 도움이 될 수 있다.

논문에서 SFU 물리학 대학원생이자 공동 저자 스티븐 라지 (Steven Large)는 “DNA 머리핀(나노 머신)이 너무 작아서 짜임새가 없어 주변 분자와의 격한 충돌로 끊임없이 휩쓸리게 된다”며 “이 나노기계들은 에너지를 절약하고 시간을 절약 할 수 있다”고 말한다.

다음 단계에서는 에너지 사이클을 통해 분자 기계 동작 방식에 이론을 적용하고 이를 수행하는 데 필요한 에너지를 줄이는 것을 목표로 한다. 나노 기계를 보다 효율적으로 만드는 이점은 응용 프로그램이 다양한 영역에서 중요한 역할을 할 수 있다.

이번 연구에 대해 시박교수는 “더 효율적인 컴퓨터 칩과 컴퓨터 메모리 설계 (전력 요구 사항과 열 방출 감소), 인공 광합성 (태양 에너지 수확 증가) 등 프로세스를 위한 보다 우수한 신재생에너지 소재 제작 및 생체 분자 기계의 자율성 개선, 약물 전달과 같은 생명공학 응용 분야에 활용할 수 있다”고 강조했다.

이 연구는 국립과학원 회보 (Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표됐다.