성균관대학교 이재원(화학공학 13), 조용덕(화학 11), 임종원(화학공학 12), 김광진(전기전자공학 12)으로 구성된 TEAM SKKU(지도교수 이승우, 성균나노과학기술원)가 2016 BIOMOD Competition에 출전하여 은상을 수상했다. BIOMOD competition은 Harvard 대학교의 Wyss institute for Biologically Inspired Engineering 연구기관에서 주관하고 University of California, San Francisco (UCSF)에서 진행되는 생체분자디자인경진대회로 올 해 전세계 40개 팀이 참가했다.

본 대회는 학부생들이 팀을 이루어 생체물질(DNA, RNA, protein등)을 이용해 새로운 나노로봇, 나노기계, 나노물질등을 디자인/연구하여 얻어낸 결과를 홈페이지, 동영상제작 및 영어발표의 형태로 진행된다.

TEAM SKKU가 진행한 연구의 목표는 DNA 자기조립을 이용하여 비자연적광학특성(ex. Negative refraction)을 유도해내는 것이다. 일반적으로 자연계에 존재하는 물질은 모두 양의 굴절률을 가지고 있다. 금 나노 입자 또한 이러한 양의 굴절률을 가지고 있지만, 입자를 특정 형태로 조립하게 되면 비자연적광학특성인 Negative refraction을 유도해낼 수 있다. 그러나, 정확한 기하학적 형태로 나노 입자를 조립하는 것은 상당 수준 이상의 기술을 요구하고 있으며 이러한 이유 때문에 아직까지 실험으로 구현된 바가 없었다. 이에 TEAM SKKU는 도전의식을 가지고 DNA origami 기술을 이용해 DNA로 구성된 나노단위의 구조체를 만들고 이를 통해 금 나노 입자를 정확한 기하학적 모양으로 조립하여 비자연적광학특성을 이끌어내는 연구를 수행했다. 본 연구는 나노 입자 조립을 통한 Negative refraction 구현에 있어 매우 중요한 의미를 가지며, DNA 자기조립 분야의 관점에서 이전 대회에서 주로 다루어진 약물 전달 시스템(Drug Delivery System) 또는 Molecular computing 이외에 DNA 자기 조립의 새로운 활용 가능성을 제시 했다는 점에서 큰 의의를 가진다.

"DNA 자기조립 방법들 중 저희가 사용한 DNA origami 기술의 경우 올해 10주년을 맞고 있는 신생 연구 분야입니다. 이 기술이 2006년에 발표된 이후, 이 분야에서 활발하게 연구가 진행되면서 Drug Delivery System, Biophyscis study, Nanomachine등 다양한 부분에서의 연구가 수행되었습니다. 하지만, DNA origami 기술이 여러 광학적 활용을 위한 연구에 적합함에도 이 부분에 대한 연구는 상당히 부족한 상태입니다. 이에 저희 연구팀은 흥미를 가지고 여러 가지 광학적 특성 중 비 자연적 광학 특성인 Negative refraction를 유도해 내는 것을 주제로 설정하고 연구를 수행하게 되었습니다. 특히 Negative refraction의 경우, 1967년에 이론적으로 존재할 수 있음이 알려졌고, 21세기에 들어오면서 실험적으로 실현이 되었으나, 나노 입자를 조립해 액체상에서 구현된 예는 아직 없다는 점이 저희 팀의 도전의식을 자극해 이를 주제로 연구를 수행하였습니다."

TEAM SKKU는 공과대학 창의적 융복합 소재 및 공정 특성화 사업단과 성균나노과학기술원(SAINT)에서 참가비 및 경비를 전액 지원 받았으며 연구비는 이승우 교수(TEAM SKKU 지도교수) 연구실에서 지원을 받아 연구를 수행했다.

BIOMOD Competition 참가, 그리고 도전

임종원 학우는 '미국에서 열리는 세계 학부생 생체분자 디자인 경진대회' BIOMOD Competition의 슬로건에 끌려 본 대회에 참가하게 되었다고 말했다. BIOMOD Competition은 자유로운 분위기 속에서 대회가 진행되며 경쟁의 장이 아닌 소통의 장으로써의 역할을 하고 있었다. 그가 좋아하는 BIO와 DNA를 이용한 생체분자 디자인 연구를 통해 세계의 학부생들과 소통할 수 있는 자리는 그에게 흥미로 다가왔으며 그가 대회에 참가할 동기부여의 대상이 되었다. 그들이 BIOMOD Competition에 참가하게 된 계기는 무엇일까.

"BIOMOD와 DNA origami에 대해 접하기 전에는 에너지 분야, 그 중에서도 재생에너지 분야에 관심이 많았습니다. 고등학교 때부터 미세조류를 이용한 바이오디젤, 산업상태학 등 에너지 관련 소규모 연구들을 수행하였을 만큼 에너지 분야에 대해 많은 관심이 있었으나, 2014년 전후를 기점으로 shale oil붐이 일면서 에너지 분야에 대한 생각이 많이 바뀌게 되었습니다. 그때 개인적으로 느꼈던 것은 에너지 분야에서 혁신을 가져오기 위해서는 에너지 분야에만 집중하여 연구를 수행해서는 돌파구를 마련할 수 없다는 것이었고, 그 과정에서 이승우 교수님 수업을 들으며 접했던 것이 광학과 DNA origami였습니다. DNA origami에 대해서 공부해 본 결과 나노 단위에서 구조체를 통제하고 여러 반응성을 통제하기에 최적이라는 판단이 들었고, 이를 광학적 지식과 접목하여 연구를 수행한다면 인공광합성과 같은 이야기들도 불가능하지 않을 것이라는 생각이 들었습니다. 이런 생각을 바탕으로 이승우 교수님 연구실의 학부연구생에 지원하여 작년 가을부터 광학과 DNA origami에 대한 공부를 수행하였습니다. DNA origami와 광학을 접목시킨 연구를 수행하려던 중 마침 기회가 되어 BIOMOD에 DNA origami를 기반으로 한 광학적 연구를 주제로 참가하게 되었습니다."(이재원)

"저를 포함한 이재원, 조용덕 학우는 각자 연구실에서 공부하고 있던 분야를 살려 본 대회에 참가하게 되었습니다. 이승우 교수님 연구실에서 학부연구생을 하며 대학원 진학을 준비하고 있었는데 마침 교수님께서 BIOMOD 팀을 꾸려 대회에 참가하는 것을 계획 중이셨습니다. 광학 simulation이나 관련 이론들을 교수님 지도 아래서 공부하고 있던 상황이라 자연스럽게 대회 팀에도 참여할 수 있었습니다. 어떠한 진로를 생각하고 있는 학생이든 BIOMOD Competition에 참가하고 이를 경험하는 것은 정말 큰 기회입니다. 입사를 준비하는 학생들에게는 나를 돋보일 수 있는 최고의 경험이 되어줄 것이며 대학원 진학을 목표로 하는 학생들에게는 연구실에서 벗어나 세계 학생들과 교류할 수 있는 기회의 장이 되어줄 것입니다."(김광진)

연구의 고충과 보람

"팀원들 중에서 가장 오랜 기간 DNA origami에 대한 공부와 연구를 진행해 왔고,실험 또한 주도적으로 진행해와서, 실험을 진행하는 부분에 있어서 가장 큰 고충이 있었던 것 같습니다. DNA origami에 대한 공부를 상당기간 진행 해 왔지만, 실제 실험하는 부분에는 당연하게 이론이나 다른 연구그룹의 선험적 경험과 맞지 않는 경우가 상당히 많습니다. 특히, 저희 연구는 이전에 보고된 것과 달리 상대적으로 큰 나노 입자를 DNA origami 구조체를 통해 조립해야 했고 이러한 시스템에 대한 이해는 아직 학계에서도 부족한 편입니다. 실험이 예상 대로 진행되든 그렇지 않든 모두 뚜렷한 원인을 파악하기 어려운 일이 많았고, 수없이 많은 가설들이 폐기되고 새로 구성되어야 했습니다. 이러한 과정에서 연구를 진행하는 팀장으로서 큰 압박감을 느꼈던 것 같습니다.

주말에도 따로 시간을 내 가며 수 많은 가설들을 세우고 실패를 반복하는 과정을 거치는 것은 매우 고통스러웠지만, 대학원에 진학하기 이전에 제 자신이 지적으로, 정신적으로 준비가 되었는지 확인할 수 있었던 좋은 경험이었던 것 같습니다. BIOMOD발표까지 모든 과정을 마치고 난 후, BIOMOD에 참가함으로써 얻었던 경험들이 앞으로 맞닥뜨릴 도전들을 응전하는데 어떠한 도움이 될지 생각해 볼때, 가장 큰 보람을 느꼈던 것 같습니다."(이재원)

"BIOMOD는 단순한 경진대회가 아니라 서로가 연구를 공유하고 소통하는 축제에 더 가까운 대회입니다. 그래서 소통의 창구가 되는 홈페이지, 동영상 제작도 상당히 중요하고 큰 비중을 담당합니다. 저는 주로 홈페이지 제작이나 동영상 제작, 음성 녹음, 발표 등 부수적인 일을 담당했습니다. 우리 팀 모두 살면서 한번도 홈페이지를 만든 적도, 애니메이션을 만든 적도 없지만 대회를 위해 처음으로 인터넷을 통해 배우며 하나씩 만들어 나갔습니다. 처음 홈페이지 제작 프로그램을 봤을 때, 그리고 처음 애니메이션 제작 프로그램을 봤을 때의 막막함은 아직도 생생히 기억납니다.

대회를 준비하면서 연구관련 지식이 많이 필요하고 배우게 될 줄 알았지만 오히려 연구 외적으로 생전 처음 접해보는 것들을 배우며, 특히 프로그래밍과 디자인 쪽에 가까운 홈페이지와 애니메이션 제작에 성공하며 큰 보람을 느꼈습니다. 나중에 대회에 참가하여 다른 팀 친구들과 이야기를 나눌 때도 빠지지 않았던 주제는 바로 “모두 처음 접해보는 애니메이션 제작을 각자 얼마나 힘들게 공들여가며 만들었느냐” 였고 우리는 모두 하나같이 이러한 보람찬 작품을 만들 수 있게 독려해 준 대회 주최측에 감사함을 표했습니다."(임종원)

앞으로의 연구계획, 목표나 비전

"현재는 BIOMOD 대회를 위해 진행했던 연구를 더 발전시켜서 심도 있게 연구를 진행하는 것에 초점을 맞추고 있습니다. 앞선 질문에서 기술했던 것과 같이, 현재 상대적으로 큰 나노입자들이 DNA origami 표면에 조립되는 메커니즘에 대해서 알려진 것이 매우 적습니다. 따라서, 현재는 이에 대해 조금 더 근본적인 연구를 수행하고 있습니다. 이외에도 DNA origami, 광학, 생체모사 등을 결합한 연구들을 계획하고 있으며, 이러한 연구들에 대해서는 아직 경험적으로, 지식적으로 부족한 점이 많아 공부를 진행함과 동시에 기초적인 실험들을 계획하고 있는 중입니다.

제가 고등학생 때부터 항상 모토로 삼아왔던 말이 있습니다. “Live and work for the benefit of all mankind.” 에너지 분야에 관심을 가졌던 것도, 현재 DNA 나노기술과 광학에 관심을 가지고 연구를 수행하는 것도 단순히 이 분야들이 흥미를 끌었기 때문도 있지만, 제가 모토로 삼아왔던 삶을 살기 위해 가장 적합하다고 생각했기 때문입니다. 저 모토를 실천에 옮기기 위해 제가 할 수 있는 것 중 가장 잘 할 수 있는 것이 바로 연구라고 생각해서 앞으로도 삶을 살면서 계속 연구를 진행해 나갈 생각입니다.이러한 사고를 유지하면서 연구를 지속적으로 진행하는데 가장 중요한 것이 산업적으로 거리가 먼 연구라도 많은 지원을 받을 수 있는 연구기반입니다. 따라서 이를 위해 한국에서 박사과정을 마친 후, 독일, 스위스와 같은 국가에서 연구를 수행하는 것을 목표로 잡고 있습니다."(이재원)

"평소 대학원 진학 시 나노기술에 관한 공부를 더욱더 하고 싶다는 마음을 가지고 있었습니다. 이러한 관심으로 여러 연구실을 둘러보다가 SAINT 이승우 교수님과 면담 할 기회를 얻게 되었습니다. 교수님께서 대학원 관련된 이야기뿐만 아니라 저의 미래에 대해서도 조언을 많이 해 주시고 교수님이 하시는 나노 기술(DNA origami)연구분야도 흥미롭게 여겨 이승우 교수님 연구실로 대학원 진학을 결정하게 되었습니다. DNA origami를 이용한 나노 기술은 기존에 많은 과학자들이 느꼈던 나노 기술의 한계를 뛰어 넘을 수 있는 도구라 생각합니다. ‘눈에 보이지 않는 세계를 통제’하는 기술인 DNA origami가 저에게 매우 흥미로웠고 관심이 많이 갔던 분야입니다. 특히 이번 BIOMOD대회에 참가하면서 세계 각국에서 어떤 연구들을 진행했는지 보고 느껴, 이 분야에 더욱더 큰 관심을 가지게 되었습니다. DNA origami에 관해 연구를 계속 진행 할 생각이며 특히 DNA origami를 툴로 이용하여 빛을 제어하는 연구로 확장해 나갈 것 입니다."(조용덕)

"저는 정말 자유롭게 언제 어디서든 생산적인 일을 하며 많은 사람들과 교류하고 도울 수 있는 삶을 사는 것이 꿈입니다. 장기적으로 제 삶을 한정 짓거나 계획하고 싶지 않고 그저 새로운 일과 마주했을 때 처리할 수 있는 능력을 키우는 게 지금 그러한 꿈을 이루기 위해 필요한 일이라 생각됩니다. 목표가 너무 불명확할지도 모르지만 그만큼 제 가능성을 열어 두고 싶고 많은 것을 경험하기 위해 발판이 되는 언어와 의사소통 능력 그리고 어디서든 작업에 도움을 주는 컴퓨터 활용능력 그리고 제가 흥미를 갖고 공부하는 바이오 관련 전공지식을 쌓기 위해 노력 중입니다."(임종원)

TEAM SKKU에게 BIOMOD대회는 경험적 측면에서뿐만 아니라 개개인의 성장에도 많은 도움을 준 기회가 되었으며 멤버들이 입을 모아 성균관대 학우들이 본 대회에 도전해보기를 적극 추천했다. BIOMOD는 전 세계 학생들이 모두 참가하며 Harvard 대학교 및 여러 명문대학 교수들이 모이는 자리이니 만큼 많은 학우들이 지원하여 경험해 보았으면 좋겠다고 전했다.

"DNA 나노기술과 BIOMOD 대회 참가라는 말을 들었을 때, 대부분 학우들이 생명과학과 관련된 깊은 지식이 필요한 것이 아닐까 하는 고민을 많이 합니다. 하지만, DNA 나노기술의 연구에 있어서는 생명과학과 관련된 지식뿐만 아니라, 다양한 학문적 지식이 필요하고, 어느 한 부분에 정통했다고 해서 DNA origami를 비롯한 나노 기술의 연구를 잘 할 수 있는 것도 아닙니다. 전공과 기반지식에 얽매이지 않고, 열정과 수 많은 실패도 감내 할 끈기가 있다면 과감하게 내년도 BIOMOD 참가에 지원해 보셨으면 좋겠습니다. 세계의 학생들과 하나의 주제로 교류할 수 있는, 그리고 DNA 오리가미 분야의 세계 최 정상급 전문가가 함께하는 이 축제는 정말 대학생활에 있어 가장 유익한 경험 중 하나가 되지 않을까 싶습니다."