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피코뉴턴(PicoNewton, pN)은 힘(force)의 단위로, SI 단위계에서 사용하는 뉴턴(N, Newton)의 \(10^{-12}\)배에 해당하는 단위입니다. 1 피코뉴턴은 다음과 같이 정의됩니다'
\[ 1 \, \text{pN} = 10^{-12} \, \text{N} = 0.000000000001 \, \text{N} \]
이 단위는 극미한 힘을 측정하거나 설명하는 데 사용되며, 분자 생물학, 나노기술, 그리고 원자 규모의 물리적 상호작용에서 자주 활용됩니다.
1. 단백질 분자의 상호작용
단백질-단백질 상호작용은 세포 내 다양한 생명 현상을 조절하며, 이러한 상호작용의 결합력은 일반적으로 수십 피코뉴턴 (\(20 \, \text{pN}\)) 범위에 속합니다. 이를 측정하기 위해 주로 분자 동역학 시뮬레이션과 실험적 측정을 사용합니다. 예를 들어, Lennard-Jones 포텐셜을 사용하여 단백질 상호작용 에너지를 계산할 수 있습니다.
\[ U(r) = 4 \epsilon \left[ \left( \frac{\sigma}{r} \right)^{12} - \left( \frac{\sigma}{r} \right)^6 \right] \] 여기서 \(F\)는 힘이고, \(r\)은 분자 간 거리, \(\epsilon\)은 에너지 깊이입니다. 힘은 다음과 같이 유도됩니다: \[ F(r) = 24 \epsilon \left[ 2 \left( \frac{\sigma}{r} \right)^{13} - \left( \frac{\sigma}{r} \right)^7 \right] \]
※ 심장 박동, 체액의 흐름, 피부 및 근육의 수축과 이완 등 체내에 자연적으로 발생하는 기계적 자극에 대응하는 세포 소기관의 자극 인지 메커니즘에 관한 연구 결과를 바탕으로 세포의 부착과 이동 현상을 제어할 수 있는 신기술을 개발했다. 연구팀은 정확한 서열을 알고 있는 DNA 두 가닥을 분리할 때, 힘을 가하는 위치에 따라 필요한 힘이 달라진다는 현상을 이용해, 피코뉴턴 (pN: 1조분의 1뉴턴) 크기에서 힘 조절이 가능한 분자 센서를 합성한 후 이를 코팅한 표면에서 세포의 거동을 조절하였다. 세포는 세포밖의 변화를 감지하여 세포 안으로 신호 전달을 하는 데 관여하는 인테그린 단백질의 구조적 변화를 통해 외부 환경에 반응하는데, 이러한 미세한 힘 조절을 통하여 인테그린 단백질에 의해 변화된 신호 전달이 세포의 이동 현상을 조절할 수 있음을 실험적으로 증명했다.
출처: 단분자간 힘 조절을 통한 세포의 이동 현상을 제어하는 기술 개발
2. DNA 스트레칭 실험
단일 DNA 분자를 늘리는 데 필요한 힘은 약 \(5 \, \text{pN}\)에서 \(10 \, \text{pN}\) 사이입니다. 이 힘은 DNA의 탄성 상수 \(k\)와 늘어난 길이 \(x\)를 이용해 다음과 같이 계산됩니다.
\[ F = k x \] 예를 들어, DNA가 \(100 \, \text{nm}\) 늘어났을 때, \(k = 0.1 \, \text{pN/nm}\)이라면
\[ F = 0.1 \, \text{pN/nm} \times 100 \, \text{nm} = 10 \, \text{pN} \]
관련 논문: Protein-nucleic acid interactions of LINE-1 ORF1p
※ LINE-1 ORF1p는 포유류 게놈에서 활동하는 주요 레트로트랜스포존의 단백질로, 핵산과 결합하여 복잡한 리보핵단백질(RNP) 복합체를 형성합니다. ORF1p는 트리머 구조로 고도로 응집된 RNA와 DNA 결합 특성을 가지며, 이는 레트로트랜스포지션 과정에서 핵산 재배열을 돕습니다. 연구에 따르면 ORF1p는 약 1 피코뉴턴(pN)의 힘으로 안정적인 핵산 결합을 형성하고, 이는 RNP 복합체 활성화와 밀접히 연관되어 있습니다. 이 과정에서 ORF1p의 나선 코일 도메인과 단백질 구조 변화가 중요한 역할을 하며, 단백질-핵산 상호작용의 효율성을 크게 좌우합니다. 이러한 발견은 게놈의 다양성과 유전적 변이를 설명하는 데 중요한 단서를 제공합니다.
3. 나노기술에서의 피코뉴턴 힘 적용
나노로봇의 팔이 물체를 집거나 이동할 때, 피코뉴턴 (\(1 \, \text{pN}\)에서 \(10 \, \text{pN}\)) 단위의 힘이 작용합니다. 나노로봇의 팔에 작용하는 힘 \(F\)는 토크 \(\tau\)와 팔의 길이 \(L\)로 계산됩니다:
\[ F = \frac{\tau}{L} \] 예를 들어, 토크가 \(10^{-12} \, \text{Nm}\), 팔 길이가 \(10^{-8} \, \text{m}\)라면
\[ F = \frac{10^{-12} \, \text{Nm}}{10^{-8} \, \text{m}} = 10^{-4} \, \text{N} = 0.1 \, \text{pN} \]
※ 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단은 세계 최초로 클러치 기능을 갖춘 스마트 생체 나노로봇을 개발했습니다. 이 나노로봇은 약 200nm 크기로, 엔진, 로터, 클러치 등 기계 장치를 탑재하고, 특정 질병 인자를 감지해 세포와 결합하여 생체 신호를 조절합니다. DNA로 코팅된 클러치는 환경 신호를 감지해 작동하며, 엔진에서 발생하는 약 1 피코뉴턴(pN)의 힘을 로터로 전달하여 회전을 유도합니다. 자성을 활용해 외부 자기장으로 무선 제어가 가능하며, 유전자 활성화를 통해 질병 진단 및 치료에 활용될 수 있습니다. 이번 연구는 자율주행형 나노로봇 개발의 새로운 가능성을 열었으며, 관련 성과는 Nature Nanotechnology에 발표되었습니다.