고려대 DNA 종이접기로 빛 회로 만들어 수십 개 분자 신호 포착
 

단단한 DNA 틀로 금 나노입자와 분자를 정밀하게 배치

기존 유사 나노입자 집합체보다 선명한 빛 공명 구현

단일 금 입자보다 약 100배 적은 염료 분자로 비슷한 광학 신호 확인

 

□ 고려대학교 KU-KIST융합대학원·공과대학 융합에너지공학과 이승우 교수 연구팀이 미국 하버드대학교, 호주 시드니대학교와 공동으로 DNA를 접어 만든 나노 구조에 금 나노입자와 분자를 정밀하게 배치하는 ‘빛 회로’를 구현했다. 연구팀은 이 회로를 이용해 약 70개의 염료 분자가 만드는 미세한 광학 신호를 확인했다.
□ 연구팀이 활용한 기술은 ‘DNA 종이접기’다. 종이를 접어 원하는 모양을 만들듯, DNA 가닥이 서로 짝을 이루는 성질을 이용해 눈에 보이지 않을 만큼 작은 구조물을 만드는 방법이다. 구조물의 특정 위치에 금 나노입자를 붙일 수 있어, DNA를 정밀한 조립틀로 활용할 수 있다.
□ 금 나노입자는 빛을 받으면 표면의 전자들이 함께 진동하며 특정 파장의 빛에 강하게 반응한다. 이를 ‘플라즈몬 공명’이라고 한다. 입자들을 가까이 배치하면 그 사이의 좁은 틈에 빛의 전기장이 강하게 모이고, 틈에 놓인 분자와 빛이 주고받는 에너지도 커진다. 이때 생기는 빛의 변화를 읽으면 아주 적은 양의 분자도 감지할 수 있다.
□ 문제는 조립의 정밀도였다. 입자의 모양이나 입자 사이의 간격이 불과 몇 나노미터만 달라져도 빛에 반응하는 방식이 크게 바뀐다. 1나노미터는 10억 분의 1미터다. 원하는 성능을 구현하려면 입자의 모양을 균일하게 만들고, 정해진 위치와 간격을 안정적으로 유지해야 한다.
□ 연구팀은 DNA 벽을 세 겹으로 쌓아 속이 빈 작은 통 모양의 틀을 만들었다. 틀의 지름은 약 30나노미터, 높이는 약 20나노미터다. 여기에 표면이 매우 매끄럽고 구형에 가까운 금 나노입자를 정해진 자리에 붙였다. 단단한 DNA 틀과 균일한 금 입자를 함께 사용해 구조의 흔들림과 형태 차이를 줄였다.
□ 분자를 배치하는 방법도 중요했다. 연구팀은 빛을 흡수하는 염료 분자를 DNA에 결합시켜, 금 입자 사이에 놓인 분자들이 회로의 반응에 직접 참여하도록 했다. 전자회로에서 부품의 특성이 신호를 바꾸듯, 염료의 양과 위치를 조절해 빛에 대한 회로의 반응을 설계할 수 있음을 보였다. 실험 결과는 전자회로의 원리를 적용한 계산과 전자기 시뮬레이션으로도 확인했다.


□ 정밀한 조립은 더 선명한 빛 공명으로 이어졌다. 크기가 다른 금 입자 세 개로 만든 회로에서 공명의 선명도를 나타내는 ‘품질계수 Q’가 약 19.2로 측정됐다. 논문에서 비교한 기존 유사 금 나노입자 집합체의 보고값은 약 4~10이었다. 특정 파장의 빛에 더 날카롭고 뚜렷하게 반응하는 회로를 구현한 것이다.
□ 분자 검출 실험에서는 금 입자 두 개 사이의 DNA에 염료 분자를 배치했다. 분자가 금 입자의 공명 에너지를 흡수하자, 입자가 흩어 내보내는 빛에서 특정 파장 부분이 움푹 낮아지는 신호가 나타났다. 이 현상을 ‘플라즈몬 공명 에너지 전달’이라고 하며, 빛의 변화를 통해 분자의 존재를 읽어내는 원리다.
□ 연구팀은 실험용 염료인 YOYO-3 분자 약 70개가 결합한 두 입자 회로에서 뚜렷한 신호를 관찰했다. 반면 비교 대상으로 사용한 단일 금 나노입자 구조에서는 비슷한 크기의 신호를 얻는 데 약 6,400개의 염료 분자가 필요했다. 분자를 빛이 집중되는 자리에 배치함으로써, 같은 수준의 광학 신호를 만드는 데 필요한 분자 수를 약 100분의 1로 줄인 셈이다. 분자 수는 염료가 DNA에 결합하는 특성을 바탕으로 산정했다.
□ 이번 성과는 금 나노입자의 배열과 분자의 위치를 함께 설계하면, 빛의 공명과 분자 신호를 원하는 방향으로 조절할 수 있음을 보여준다. 앞으로 적은 양의 분자를 분석하는 광학 센서와 빛·분자 상호작용을 연구하는 기술에 활용될 것으로 기대된다.
□ 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 2026년 10월 7일 게재됐다.
□ 본 연구는 과학기술정보통신부·보건복지부가 지원하는 한미 공동연구사업(KUCRF), 호주연구위원회(ARC), 고려대학교의 지원으로 수행됐다.

논문 정보
논문명  3D DNA origami-enabled molecularly addressable optical nanocircuit
학술지  Science Advances 12, eaeb2001 (2026)
저자  Jaewon Lee, Hayun Ahn, Kyung Hun Rho, Shelley F. J. Wickham, William M. Shih, Seungwoo Lee
공동 제1저자  Jaewon Lee · Hayun Ahn
교신저자  Shelley F. J. Wickham · William M. Shih · Seungwoo Lee
DOI  https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb2001
지원 과제  KUCRF RS-2024-00468463 · ARC DE180101635 · 고려대학교 교내 연구비
 
 

그림 1 DNA 틀로 조립한 빛 회로와 분자 신호 검출 원리
왼쪽은 금 입자 하나, 가운데는 두 금 입자 사이에 염료를 담은 DNA 틀을 배치한 구조다. 오른쪽 시뮬레이션에서 밝은 색일수록 빛의 전기장이 강하다. 
두 입자 사이의 좁은 틈에 빛이 집중되면서, 그 자리에 놓인 분자와 빛의 상호작용이 커진다.

빨간 별이 이번 연구에서 구현한 금 입자 세 개의 회로다. 세로축의 품질계수 Q가 높을수록 공명이 선명하다. 
이번 회로는 약 19.2를 기록해, 그림에 표시된 기존 유사 플라즈몬 집합체의 보고값보다 높은 값을 보였다. 가로축은 공명이 나타나는 빛의 파장이다.

이미지 출처 Lee et al., Science Advances 12, eaeb2001 (2026), Fig. 6A–C 및 Fig. 4G. 원 논문의 해당 부분 발췌. CC BY 4.0.

그림 3 저자 정보

 (좌측부터)이재원 박사(공동제1저자), 이승우 교수(교신저자).