분자를 레고블록처럼 조립하기

작은 빌딩블록들을 적절히 모아서 원하는 어떤 형태로든 프로그램된 나노미터 크기의 구조들을 설계하고 제작할 수 있다.
글 | Christian E. Schafmeister





















생명체의 가장 기초적인 나노머신인 단백질은 나노기계를 만들어내려는 필자와 같은 과학자들에게 많은 교훈거리를 제공했다. 단백질은 수백에서 수천 개의 원자들로 구성된 거대분자물질로서 보통 그 크기는 불과 수나노미터(1억 분의 1미터)에서 수십 나노미터 정도이다. 우리 신체는 적어도 2만 개 이상의 서로 다른 단백질들을 가지고 있으며, 특히 체내 근육을 수축시키고 음식을 소화시키거나 뼈를 구성하고 외부환경을 감지하고 쉴 새 없이 세포 안에서 수백 개의 작은 분자물질들을 재생시키는 등의 일을 하고 있다.

1986년 화학과 학부생이었을 당시 필자는 단백질 이상으로 놀라운 기능을 가진 거대분자물질(100개 이상의 원자를 포함한 물질)들을 설계하고 합성하는 꿈을 꾸고 있었다. 1970년대 말에 최초의 TRS-80s가 출현한 이후로 필자는 컴퓨터를 설계해왔으며 소프트웨어를 만들어내는 것만큼이나 손쉽게 복잡한 분자 기계들을 만들어낼 수 있다면 얼마나 좋을까 생각하곤 했다. ‘물질 프로그래밍 언어’, 즉 사람들이 나노기계의 형태를 그려보고 화학자나 로봇이 나노설비를 만들기 위해 일으켜야 하는 일련의 화학반응들을 결정할 수 있는 소프트웨어와 화학의 결합을 창조하고자 했던 것이다.

안타깝게도 새로운 단백질 설계를 통해 나노기계를 발명하려는 아이디어는 심각한 벽에 부딪혔다. 단백질은 일반적으로 20개 정도의 아미노산들이 여러 조합을 거쳐 만들어진 특정 아미노산 서열로부터 구성되는 단순한 선형사슬에서 시작된다. 이 정도는 조절하는데 문제될 것이 없다. 그런데 문제는 단백질의 성질과 기능은 그 형태에 따라 달라진다는 사실이다 ......