POSTECH 연구팀, 다양한 DNA 공여체·수용체 상호작용 연구

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 DNA의 복합구조를 재현하는데 성공했다.

POSTECH 신소재공학과 오승수 교수·이동화 교수, 통합과정 박규리, 강병화, 박소연 연구팀이 제일원리계산을 이용하여 DNA 이중나선, 삼중나선, 사중나선에 작용하는 에너지를 체계적 성분화하고, 동일 계산 조건에 따른 각각의 상호작용 안정성을 정밀 비교 분석했다. 

노화와 관련 염색체 중추 구조인 텔로미어를 구성하는 사중나선(G-quadruplex) 구조의 칼륨 이온(K+)에 대한 높은 선택성과 안정성을 제일원리계산 최초로 정확히 재현했다.

DNA는 원자 또는 분자 수준의 상호작용을 통해 다양한 구조를 형성한다. 

이런 상호작용을 밝히는 것은 DNA 구조의 재현을 가능케하고, 추후 매우 넓은 범위의 연구에 활용되는 정교한 DNA 설계에 사용될 수 있어 시뮬레이션 등을 통한 연구가 반드시 필요하다. 

하지만 지금까지의 시뮬레이션 연구는 생물학적 유전 정보를 담고 있는 DNA의 실제 거동을 제대로 예측하지 못하는 경우가 많았다. 

이는 수용액 환경에서 존재하는 DNA의 특수 환경을 고려하지 못하였을 뿐만 아니라, 분자 관점에서의 금속 이온, 물 분자와의 복잡한 상호작용에 대해 체계적으로 고려하지 못했기 때문이다.

연구팀은 실제 환경과 유사하도록 모든 제일원리계산을 수용액 환경에 적용해 DNA 염기 사이에 작용하는 상호작용은 물론 물 분자와 금속 이온의 상호작용까지 새롭게 살펴봤다. 

예측된 구조를 분석하기 위해 수소 결합 길이(hydrogen bond length), 글리코시드 벡터 각도(glycosidic vector angle), 비틀림 각도(twist angle)의 구조적 분석 요인들을 새롭게 고안해 적용했다.

이렇게 결정된 DNA 구조를 실제 실험결과와 비교하여, DNA 인산 골격(phosphate backbone)이 DNA 구조에 어떠한 영향을 미치는지를 확인했다. 

비교적 단순한 구성의 공여체-수용체 상호작용 성분을 갖는 이중나선뿐만 아니라 더 복잡한 상호작용 구성 성분을 포함하는 삼중 또는 사중나선 구조에서도 상호작용 에너지 합산을 통해 실험 결과와 일치하는 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.

이를 통해 제일원리계산을 이용한 DNA 이중, 삼중, 사중나선 구조의 상호작용 에너지 및 구조적 분석이 더욱 정교하고 복잡한 DNA 구조 설계를 위한 기반이 될 수 있음을 새롭게 밝혔다.

이동화 교수는 “제일원리계산 시뮬레이션을 통해 기본적인 형태의 이중나선부터 복잡한 DNA 복합 구조인 삼중나선, 사중 나선에 작용하는 다양한 형태의 공여체-수용체 상호작용을 재현했다”며 “이것은 안정성 및 분자 구조의 시공간적 변화도 충분히 예측할 수 있단 것을 의미한다”고 말했다.

오승수 교수는 “이 연구는 차세대 DNA 복합 구조의 설계, 예측, 응용을 위한 핵심적 정보를 제공한다. 이는 질병 진단, 질병 예측, 신약 개발, 항노화 등 다양한 실험적 연구에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

한편, 유전체 연구 분야의 세계적 학술지 ‘뉴클레익 액시드 리서치(Nucleic Acids Research, 핵산연구)’ 최신호에 게재된 이 연구는 한국연구재단 개인연구지원사업(우수신진연구)의 지원으로 수행됐다.