왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 트렁콕치엔 박사(공동제1저자), 서울대학교 기계공학부 전경화 박사과정생(공동제1저자), 한양대학교 바이오신약융합학부 이찬석 교수(교신저자), 서울대학교 기계공학부 김도년 교수(교신저자)

서울대학교 공과대학은 기계공학부 김도년 교수와 한양대학교 바이오신약융합학부 이찬석 교수의 연구팀이 생성형 AI 기술을 활용해 사용자가 그려준 모양 그대로 DNA 종이접기 구조체를 만들 수 있는 자동설계 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 생성형 설계 모델 ‘Generative SNUPI’는 사용자가 만들고 싶은 형상의 윤곽선을 따라 DNA 염기들을 배열하고, 구조체 제작에 필요한 DNA 간 결합 경로를 자동으로 설계할 수 있다. AI가 ‘나노 디자이너’의 역할을 수행하는 혁신적인 기술이 개발된 것이다.

연구진은 이 기술을 활용하면 누구나 원하는 모양의 DNA 종이접기 구조체를 쉽게 제작할 수 있음을 입증했다. 아울러 구조체의 형상 변화는 물론 구조체 간의 모듈형 조립도 가능하다는 사실을 확인했다. 이는 해당 기술이 분자로봇, 바이오센서, 약물 전달 등 차세대 나노바이오 융합기술 분야에서 광범위하게 응용될 가능성을 시사한다.

이번 연구 결과는 그 성과를 인정받아 세계적 권위의 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

연구 배경

DNA 종이접기 기술*은 염기 수천 개로 구성된 하나의 긴 DNA 가닥을 수백 개의 짧은 DNA 가닥으로 접어 다양한 형상의 나노스케일 구조체를 만드는 첨단 나노기술이다. 이 기술은 주로 규칙적인 격자 구조나 정형화된 다면체 구조를 제작해 생체분자를 나노미터 수준의 정밀도로 배열한 항원 모사체 및 약물 전달체, 정교한 모양의 단백질 모사 구조체 등을 구현하는 데 활용돼 왔다.

* DNA 종이접기(origami) 나노기술: DNA의 자가조립 성질을 이용해 원하는 모양의 구조체를 나노스케일 정밀도로 설계·제작할 수 있는 나노기술. 수천 개의 염기로 구성된 긴 단일 DNA 가닥의 특정 부분에 상보적으로 결합하는 수백 개의 짧은 DNA 가닥들의 염기서열을 공학적으로 설계해 원하는 형상과 특성을 구현할 수 있다.

그러나 실제 생체분자나 세포 표면 등에서는 복잡한 곡면과 비정형 형상이 나타나며, 생체 내 작용 또한 환경에 따라 형태가 바뀌는 동적인 구조를 요구하는 경우가 많다. 따라서 생체분자의 입체적 배열을 더 정교하게 모사하고, 약물을 원하는 조건에서 방출하거나 특정 동작을 수행하는 분자로봇의 구현을 위해 곡선형·자유형·가변형 구조를 지닌 DNA 나노구조체를 제작해야 할 필요성이 높아지고 있다.

하지만 이러한 복잡한 비정형 구조는 기존의 DNA 종이접기 구조체 설계 방식만으로는 구현하기 어려웠다. 또한 실제로 구조가 안정적으로 만들어지는지 확인하기 위해 전문가의 수작업과 실험, 설계 수정을 반복하는 시행착오 과정도 반드시 필요했다. 이에 따라 최근 생성형 AI 기술을 이용한 데이터 기반 설계 방법이 다양한 분야에서 개발되고 있으나 매우 적은 수의 설계 및 구조 데이터만 존재하는 DNA 종이접기 구조체 설계에 그대로 적용하는 데에는 큰 한계가 있었다.

연구 성과

이 문제의 해결에 나선 김도년 교수팀은 자체 개발한 DNA 종이접기 구조체의 해석 플랫폼 ‘SNUPI’와 확산 기반 생성형 AI 모델을 결합해 사용자가 제공한 형상 그대로 DNA 종이접기 구조체를 자동 설계하는 ‘Generative SNUPI’를 개발하는 데 성공했다. 원하는 형상의 DNA 종이접기 구조체를 자동으로 설계할 수 있는 생성형 AI 기술을 제시한 것이다.

이 기술은 DNA 염기의 3차원 위치를 생성하는 확산 샘플링, DNA 가닥들을 교차 결합하는 경로 설계 알고리즘을 통합해 설계의 자동화를 구현했다는 점에서 많은 주목을 받고 있다.

Generative SNUPI는 사용자가 만들고 싶은 형상의 2차원 및 3차원 윤곽선을 따라 DNA 염기들을 배열하고, 안정적 구조 구현을 위해 DNA 간 결합 경로를 자동 설계할 수 있다. 이를 통해 사용자는 해당 구조체의 제작에 필요한 DNA 염기서열들을 제공받을 수 있다.

연구팀은 Generative SNUPI를 통해 다양한 비정형, 자유형 구조체 제작이 가능함을 실험을 통해 검증했다. 뿐만 아니라 열린 상태에서 닫힌 상태로 모양이 변하는 가변 구조체와 조립이 가능한 모듈형 구조체도 제작할 수 있다는 사실을 실험에서 입증했다.

기대 효과

복잡한 형상의 DNA 종이접기 구조체를 누구나 쉽게 직관적으로 설계할 수 있는 방법을 제시한 이번 기술은 다양한 응용 연구와 기술에 적용될 것으로 기대된다. DNA 종이접기 구조체 설계의 진입 장벽을 크게 낮춰 복잡한 나노구조체의 초기 설계와 검증에 필요한 시간을 줄이고 요구되는 전문성 수준 또한 낮출 수 있기 때문이다.

따라서 향후 학계와 산업계 연구자들이 다양한 응용 분야에서 활용 가능한 구조체 후보를 빠르게 탐색하고 최적화할 수 있게 되면 차세대 나노바이오 융합기술의 개발이 가속화할 전망이다.

예를 들어 Generative SNUPI는 환경 변화에 따라 형태를 바꿔가며 세포 내외 물질 전달을 조절하는 분자로봇, 다양한 질병의 진단 바이오마커를 특이적으로 검출하는 바이오센서, 약물을 목표 위치에서 방출하는 나노전달체 설계 등에 활용될 수 있다. 장기적으로는 정밀진단, 맞춤형 치료, 신약개발 등 의약 분야의 기술 발전에 기여하며 효과적인 진단·치료 기술의 선택지를 넓힐 것으로 기대된다.

또한 이 모델이 다크랩(Dark Lab) 실험 자동화 기술과 연동될 경우 구조체의 설계부터 제작·검증·데이터 분석에 이르기까지 DNA 종이접기 구조체 개발 전 과정의 지능화 및 자율화를 가속화할 것이라는 분석이다.

연구진 의견

김도년 교수는 “이번 연구는 생성형 AI를 활용해 복잡한 DNA 나노구조체의 설계 가능성을 넓히고, 전문가의 경험과 수작업에 의존했던 기존 설계 방식의 난이도를 완화했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 생성된 구조체의 안정성과 정밀성을 더욱 높이는 동시에 바이오센서, 약물 전달, 분자로봇 등 실제 나노바이오 기술에 응용 가능한 기능성 설계 플랫폼으로 발전시켜 나갈 예정”이라고 밝혔다.

연구진 진로

트렁콕치엔 박사(공동제1저자)는 AI 기반 DNA 종이접기 구조체의 생성형 설계 기술을 고도화하는 후속 연구로, DNA 구조체의 연결성 정보를 효과적으로 반영해 설계 정확도를 높이는 연구를 진행하고 있다. 현재 하노이과학기술대학교(University of Science and Technology of Hanoi) 메카트로닉스공학부 강사로 재직 중이며, 향후 DNA 나노기술과 AI를 융합한 연구를 지속적으로 확장해나갈 계획이다.

전경화 연구원(공동제1저자)은 DNA 하이드로젤을 기반으로 DNA 나노구조체를 생산하는 시스템을 연구하고 있으며, DNA 종이접기 구조체 활용의 진입 장벽을 낮추는 후속 연구를 수행 중이다. 2026년 후기 박사학위 취득을 앞두고 있으며, 이후 예일대학교(Yale University) 의공학과에서 박사후연구원으로 DNA 나노기술의 응용성을 확장하는 연구를 이어나갈 계획이다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견/신진연구자 지원사업, 율촌재단 AI 학술연구과제, 국가슈퍼컴퓨팅센터 RnD 혁신지원 프로그램 등의 지원을 받아 수행됐다.