[논문]DNA 시퀀싱과 다중물리-다중스케일 유동해석

박재현

DNA 시퀀싱과 다중물리-다중스케일 유동해석 원문보기

이 글에서는 단분자해석방법을 이용하는 3세대 DNA 시퀀싱에 나타나는 다중물리-다중스케일 유동에 대한 해석방법들을 소개하고, 관련된 예제로 탄소나노튜브을 통한 DNA를 포함한 전해질 유동의 최신결과들을 소개하고자 한다.

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문제 정의

이제부터는 DNA 시퀀싱에 관련된 다중물리-다중스케일 유동의 최신 실험 및 해석들에 대해서 살펴보고자 한다. 대표적으로 탄소나노튜브를 이용하여 DNA를 이송하려는 시도에 집중하고자 한다.

제안 방법

앞에서 언급한 연속체기법과 분자동역학기법의 단점을 보완한 방법으로 연속체해석에 필요한 유체 물성치 들을 분자동역학기법으로 계산하고 이를 연속체해석에 적용하는 것이다. 실제로 유체물성치들은 나노시스템이라고 하더라도 액체-고체벽면 등 경계지역(interfacial region)에서만 변화되는 경우가 많고, 이들 지역의 물성치들은 분자동역학 기법을 이용하여 어렵지 않게 계산 할 수 있다.

성능/효과

본 기법은 연속체기법으로는 이해할 수 없는 나노레벨의 현상들에 대한 정확한 이해를 제공할 수 있다는 명백한 장점을 가지고 있지만, 적용될 수 있는 시스템의 사이즈가 작고 계산시간이 엄청나게 많이 걸린다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 나노/마이크로 유동이 복합적으로 구성되어 있는 DNA 시퀀싱 유동시스템의 전체적인 거동 및 특성을 분자동역학기법 만으로 파악하는 것은 현실적으로 불가능하다. 또한 분자동 역학기법은 분자수준의 메커니즘은 확실히 보여주지만, 정량적인 예측까지 정확히 수행하지는 못한다.
벽면 미끄럼 현상은 분자동역학기법에서는 해석결과이지만, 연속체 해석에서는 입력조건에 해당하기 때문에, 연속체기법으로는 해석이 불가능하다. 본 연구는 DNA 등의 바이오물질들이 탄소나노튜브를 통하여 매우 빠르게 수송할 수 있다는 점을 보여준 것으로, 이를 DNA 시퀀싱에 응용하면 원하는 위치에 DNA를 매우 정확하고 (나노미터의 정밀도) 빠르게 이송할 수 있을 것으로 예측되고 있다.
64-67). 연구에 의하며 탄소나노튜브를 통한 전해질의 수송속도는 일반적인 나노포어를 통한 수송속도에 비해 약 1,000배 정도 빠른 것으로 관찰되었는데, 분자동역학기법은 이런 엄청난 속도증가의 원인이 탄소나노튜브 벽면의 원자수준의 미끄러움(atomistic smoothness) 때문임을 밝혀내었다. 원자수준으로 미끄러운 탄소나노튜브 벽면은 전기 장에 의한 전기삼투유동의 엄청난 증가를 가져오고, 이는 전체적인 전해질 전달속도의 증가를 야기한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

연속체기법의 한계는?

또한, DNA 시퀀싱 과정 중에 나타나는 나노/마이크로 유동은 그 속도가 매우 느리기 때문에 나비어-스톡스 방정식에서 대류항을 무시한 스톡스 방정식을 일반적으로 사용한다. 이 때, 각각의 지배방정식에서 요구하는 유동장의 물성치, 즉, 확산계수, 이온이동성 (ion mobility), 점성계수 등과 경계조건은유동장의 스케일에 따라, 즉, 나노스케일인가, 마이크로스케일인가에 따라 변화하는데, 연속체 해석에서는 이 값들이 selfconsistent 하게 계산되지 않고 스케일에 따른 적절한 물성치와 경계조건을 입력조건으로 제공해주어야만 하는 한계가 있다. 하지만, 연속체해석 그 자체는 적당한 물성치 및 경계조건의 보정만 이루어진다면 시스템의 크기에 관계 없이 항상 적용될 수 있는 방법으로 물성치 및 경계조건 보정을 통해 대부분의 멀티스케일유동 해석에 사용되고 있다.

분자동역학기법의 장점은?

분자동역학기법에서는 시스템에 존재하는 원자들을 결정론적인 방법으로 모두 추적하고 통계역학적인 방법을 이용하여 유동의 속도, 밀도 등의 거시적인 물성 치를 계산한다. 본 기법은 연속체기법으로는 이해할 수 없는 나노레벨의 현상들에 대한 정확한 이해를 제공할 수 있다는 명백한 장점을 가지고 있지만, 적용될 수 있는 시스템의 사이즈가 작고 계산시간이 엄청나게 많이 걸린다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 나노/마이크로 유동이 복합적으로 구성되어 있는 DNA 시퀀싱 유동시스템의 전체적인 거동 및 특성을 분자동역학기법 만으로 파악하는 것은 현실적으로 불가능하다.

3세대 시퀀싱의 방법에는 무엇이 있는가?

현재 기술선진국에서는 제한효소와 시퀀스 라이브러리를 이용하는 생거법(Snager’s method)을 이용하는 1세대 시퀀싱이나, 1세대 방법과 개념적으로는 동일하지만 획기적인 속도 향상을 이룩한 2세대 시퀀싱을 뛰어넘어 각 염기의 분자수준 성질을 직접 측정하는 단분자 해석(single molecule analysis)에 기반한 3세대 시퀀싱 방법에 대한 연구가 활발하다. 3세대 시퀀싱에는 대표적으로 나노포어법(nanopore sequencing), 인식터널링법(recognition tunneling) 등이 있으며(그림 1), 이러한 방법들은 1세대와 2세대에서 사용하는 라이브러리와 바이오인포매틱 계산이 필요하지 않기 때문에 시퀀싱 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 예상되고 있다.(그림 2)

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