포스텍 연구팀, DNA복잡구조 재현 최초 성공…제일원리계산 활용

질병 진단, 신약 개발, 항노화 등에 활용 기대

포스텍 오승수 교수

이동화 포스텍 교수

포스텍(포항공대) 신소재공학과 오승수 교수·이동화 교수, 통합과정 박규리, 강병화, 박소연 연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 DNA의 복합구조를 재현하는데 성공했다.

DNA의 유전암호를 풀면 질병을 진단하고 치료하는 새로운 방법을 찾아낼 수 있다는 점에서 관련 업계의 기대가 크다. 연구성과는 유전체 연구 분야의 세계적 학술지 '뉴클레익 액시드 리서치(핵산연구)' 최신호에 게재됐다.

연구팀은 양자역학기반의 제일원리계산을 이용해 DNA 이중나선, 삼중나선, 사중나선에 작용하는 에너지를 체계적 성분화하고, 동일 계산 조건에 따른 각각의 상호작용 안정성을 정밀 비교 분석했다. 또 노화와 관련 염색체 중추 구조인 텔로미어를 구성하는 사중나선구조의 칼륨 이온에 대한 높은 안정성을 제일원리계산을 통해 최초로 정확히 재현했다.

DNA는 원자 또는 분자 수준의 상호작용을 통해 다양한 구조를 형성한다. 이런 상호작용을 밝히기 위해 그간 많은 시뮬레이션 연구가 진행됐지만 생물학적 유전정보를 담고 있는 DNA의 실제 거동을 제대로 예측하기 어려운 한계점이 있었다.

연구팀은 수용액 환경에서 존재하는 DNA의 특수 환경이나 분자관점에서 상호작용을 고려하기 어렵기 때문에 연구의 한계가 있다고 보고, 실제 환경과 유사하도록 모든 제일원리계산을 수용액 환경에 적용했다. 또 예측된 구조를 분석하기 위해 수소 결합 길이, 글리코시드 벡터 각도, 비틀림 각도의 구조적 분석 요인들을 새롭게 고안해 적용했다.

이렇게 결정된 DNA 구조를 실제 실험결과와 비교하며 DNA 인산 골격이 DNA 구조에 어떠한 영향을 미치는지를 확인했다.

그 결과 이중나선뿐만 아니라 더 복잡한 상호작용 구성 성분을 포함하는 삼중 또는 사중나선 구조에서도 상호작용 에너지 합산을 통해 실험 결과와 일치하는 시뮬레이션 결과를 얻었다.

연구팀은 "제일원리계산 시뮬레이션을 통해 기본적인 형태의 이중나선부터 삼중나선, 사중 나선에 작용하는 다양한 형태의 공여체-수용체 상호작용을 재현했다"며 "이 연구는 질병 진단, 질병 예측, 신약 개발, 항노화 등 다양한 실험적 연구에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 했다.