[논문] DNA를 활용한 예술 – 화학을 통해 1,600만 가지 색상을 디지털로 구현하는 DNA 예술

DNA 이중 나선은 서로 상보적인 서열을 가진 두 개의 DNA 분자로 구성됩니다. 이중 나선의 안정성은 실험실에서 불완전한 상보적 서열의 양과 위치를 제어하여 미세 조정할 수 있습니다.

일치하는 DNA 가닥 중 하나에 결합된 형광 마커가 이중을 가시화하며, 이중 안정성이 증가함에 따라 형광 강도가 증가합니다. 이제 비엔나 대학의 연구원들은 이전의 256가지 색상 한계를 뛰어넘어 1,600만 가지 색상을 생성할 수 있는 형광 듀플렉스를 만드는 데 성공했습니다.

이 초대형 팔레트는 DNA로 ‘페인팅’하고 24비트 색 심도로 미니어처 2D 표면에 모든 디지털 이미지를 정확하게 재현하는 데 사용할 수 있습니다.

이 연구는 미국 화학회지에 게재되었습니다.

상보적인 DNA 서열이 이중으로 인식하고 조립하는 고유한 능력은 유전자를 읽고 복사하는 생화학적 메커니즘입니다. 듀플렉스 형성(혼성화라고도 함)의 규칙은 간단하고 변하지 않으므로 예측 가능하고 프로그래밍도 가능합니다.

DNA 혼성화를 프로그래밍하면 합성 유전자를 조립하고 대규모 나노 구조를 구축할 수 있습니다. 이 과정은 항상 완벽한 서열 상보성에 의존합니다. 프로그래밍 불안정성은 분자 구조를 조작하는 능력을 크게 확장하고 DNA 및 RNA 치료제 분야에 응용할 수 있습니다.

비엔나 대학교 무기화학연구소의 연구진은 이 새로운 연구에서 제어된 혼성화를 통해 1,600만 가지 색상을 생성할 수 있으며 모든 디지털 이미지를 DNA 형식으로 정확하게 재현할 수 있음을 보여주었습니다.

(왼쪽) 원본 디지털 이미지(표준 24비트 색 심도). (오른쪽) 저자가 DNA 형식으로 “복사한” 사진. 출처: cblee, Trey Ratcliff, Stewartbaird 및 NOAA 해양 탐사 및 연구 권한, Tadija Kekic 및 Jory Lietard

손톱만한 캔버스

색상을 만들기 위해 빨간색, 녹색 또는 파란색을 방출할 수 있는 형광 분자(마커)에 연결된 여러 개의 작은 DNA 가닥이 표면의 긴 상보성 DNA 가닥에 혼성화됩니다. 각 색상의 강도를 변화시키기 위해 염기 서열을 따라 미리 정의된 위치에서 DNA 가닥의 염기를 조심스럽게 제거하여 듀플렉스의 안정성을 낮춥니다.

안정성이 낮을수록 색상이 더 어두워지며, 이 안정성을 미세 조정하면 모든 색상 채널에 대해 256개의 음영을 생성할 수 있습니다. 모든 음영은 단일 DNA 듀플렉스 내에서 혼합 및 매칭할 수 있으므로 1,600만 개의 조합을 생성하고 최신 디지털 이미지의 색상 복잡성에 맞출 수 있습니다. 이러한 수준의 정밀한 DNA-컬러 변환을 달성하려면 45,000개 이상의 고유한 DNA 서열을 합성해야 했습니다.

이를 위해 연구팀은 마스크리스 어레이 합성(MAS)이라는 병렬 DNA 합성 방법을 사용했습니다. MAS를 사용하면 손톱만한 크기의 작은 직사각형 표면에서 수십만 개의 고유한 DNA 서열을 동시에 합성할 수 있습니다.

이 접근법을 사용하면 실험자가 해당 표면에서 DNA 서열의 위치를 제어할 수 있으므로 해당 색상을 원하는 위치에 선택적으로 할당할 수도 있습니다. 저자는 전용 컴퓨터 스크립트를 사용하여 프로세스를 자동화함으로써 모든 디지털 이미지를 정확한 색상 표현이 가능한 DNA 사본으로 변환할 수 있었습니다. “본질적으로 우리의 합성 표면은 마이크로미터 단위의 DNA 분자로 그림을 그리는 캔버스가 됩니다.”라고 무기화학연구소의 PI인 조리 리에타드는 말합니다.

현재 해상도는 XGA로 제한되어 있지만 이 재현 프로세스는 1080p는 물론 잠재적으로 4K 이미지 해상도에도 적용할 수 있습니다. 조리 리에타드 그룹의 박사과정생인 타디야 케키치(Tadija Kekić)는 “DNA 컬러 코드는 이미징 외에도 DNA 데이터 저장에 매우 유용하게 활용될 수 있습니다.”라고 말합니다. 양자점 개발로 인한 2023년 노벨상 수상에서 알 수 있듯이 색의 화학은 밝은 미래를 가지고 있습니다.