국내 대학 연구진이 유전정보 저장체로 알려진 DNA를 촉매 성능을 높이는 나노소재로 활용하는 기술을 개발했다. DNA 염기서열만 바꿔 촉매 주변의 화학 환경을 정밀하게 조절할 수 있어 차세대 수소 생산과 탄소중립 기술에 활용될 전망이다.

KAIST는 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 금 나노입자 촉매 표면에 단일가닥 DNA를 입혀 촉매 주변의 국소 반응 환경을 제어하는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

전기화학 반응에서는 촉매 자체뿐 아니라 촉매 주변의 산도(pH)와 이온 분포가 성능을 좌우한다. 하지만 기존 고분자 코팅재는 나노미터 수준에서 구조를 정밀하게 설계하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 길이와 염기서열을 자유롭게 설계할 수 있는 단일가닥 DNA에 주목했다. 금 나노입자 표면에 다양한 DNA를 결합해 분석한 결과, 촉매 성능은 코팅층 두께보다 DNA 염기서열에 따라 형성되는 내부 네트워크 구조의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.

또 실시간 표면증강라만분광법을 활용해 DNA층이 수산화 이온 이동을 조절하며 촉매 주변의 국소 pH를 바꾸는 기능성 계면층 역할을 한다는 사실을 확인했다. 연구진은 DNA가 단순한 보호막이 아니라 이온 이동을 조절해 반응 환경을 설계하는 역할을 한다고 설명했다.

연구팀은 이 기술을 수소 발생 반응과 글리세롤 산화 반응에 적용했다. 그 결과 DNA 염기서열에 따라 수소 생산 활성과 글리세르산 생성 선택성이 향상되는 것을 확인했다. 복잡한 촉매 구조를 새로 설계하지 않고도 DNA 서열만 조정해 원하는 반응 특성을 구현할 수 있음을 입증한 것이다.

박지민 교수는 “DNA를 유전정보 저장체가 아닌 전기화학 반응을 제어하는 정밀 나노소재로 활용할 수 있음을 보여준 연구”라며 “수소 생산과 바이오매스 전환 등 탄소중립 기술 전반에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 KAIST 오상연·이태경 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 게재됐다.