나노기술 및 정책 정보

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영국의 맨체스터 대학교(University of Manchester) 연구팀이 개별 분자를 사용하여 일련의 미세한 매듭을 성공적으로 묶어 차세대 첨단재료를 만들 수 있는 나노규모의 직조 형태를 구현함. 연구팀은 마치 끈 조각을 사용하는 것처럼 인공적인 15 나노미터 분자가닥을 세 개의 다른 매듭 중 하나로 묶는 방법을 개발했음. 끈 조각은 다른 매듭으로 묶일 수 있으며, 일부는 신발 끈에서 올가미, 히치, 굽힘 및 스토퍼 매듭에 이르기까지 다양한 기능에 활용할 수 있는 독특한 속성을 가지고 있음. 화성에서 사용되는 NASA Curiosity Rover를 포함하여 지금까지 개발된 가장 진보된 장비 중 일부는 매듭을 사용하여 주요 작업을 수행함. 일부 DNA 및 단백질 분자는 매듭된 형태로 존재하지만 이전에는 분자를 하나 이상의 복잡한 매듭으로 묶는 것이 불가능했었음.

새로운 연구는 다양한 잠재적 응용 분야에 대해 실험실에서 만든 대안을 달성하기 위해 자연 분자생물학적 과정을 모방 할 수 있었던 방법을 보여줌. 자연에서 발생하는 샤페론이라는 '분자 보조자'를 사용하여 단백질을 매듭 구조로 접는 것을 모방하여 연구팀은 접힘 과정을 유도하기 위해 금속원자를 사용하여 합성분자 가닥에 동일한 개념을 적용했음. 연구팀은 금속원자를 사용하여 가닥을 접고 묶음으로써 분자가닥에 서로 다른 매듭을 묶을 수 있었음. 두 개의 녹색 위치는 구리원자에 결합함. 세 개의 보라색 부위가 루테튬 원자에 결합함. 말단 그룹을 결합하면 금속원자가 제거될 때 매듭이 풀리는 것을 방지함. 다양한 유형의 분자매듭을 만들 수 있다는 것은 매듭이 물질의 강도와 탄성에 어떤 영향을 미치는지 조사 할 수 있게 되었다는 것을 의미하며, 이를 통해 고분자가닥을 짜서 새로운 유형의 물질을 생성 할 수 있는 것임.

핵심은 분자가닥을 따라 다른 금속이온에 대한 결합부위를 배치하는 것임. 금속원자가 가닥의 특정부위에 결합하면 가닥이 접혀서 실에서 과도하게 '엉킴'을 만들게 됨. 엉킴 이론('생명의 게임' 개발로도 알려진 수학자 John H. Conway에 의해 개발 됨)에 따라 서로 다른 엉킴이 결합하여 더 큰 매듭을 형성함. 금속이온의 다른 조합(구리 및 / 또는 루테튬, 또는 없음)은 세 가지 다른매듭(매듭 없음, 트레 포일 매듭, 세 꼬임 매듭) 중 하나를 동일한 분자가닥으로 묶을 수 있도록 했음. 분자가닥을 다른 매듭으로 묶으면 그 특성이 변경됨. 가닥이 가장 촘촘하고 복잡한 매듭(3 개의 꼬임 매듭)에 연결되면 두 개의 금속원자, 구리원자 하나와 루테튬원자 하나를 동시에 결합 할 수 있음. 그러나 더 느슨한 매듭(예 : trefoil 매듭 및 unknot)은 한 번에 하나의 금속원자(하나의 구리원자 또는 하나의 루테튬원자)만 결합 할 수 있음. 분자가닥을 서로 다른 매듭으로 묶고 그에 따라 영역과 얽힘 정도를 변경하는 능력은 고분자 및 플라스틱과 같은 다른 분자사슬의 기능과 특성을 수정하기 위한 새로운 기회와 연구 방향을 열어줄 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature’ (“Tying different knots in a molecular strand”) 지에 게재됨.