생성형 AI가 DNA 종이접기 구조체 설계를 자동화한다

서울대학교 공과대학은 기계공학부 김도년 교수와 한양대학교 바이오신약융합학부 이찬석 교수 연구팀이 생성형 AI 기반 DNA 종이접기 구조체 자동설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 사용자가 그린 형상을 바탕으로 DNA 종이접기 구조체를 만들 수 있도록 설계 과정을 자동화한다.

연구팀이 제시한 생성형 설계 모델은 Generative SNUPI다. 이 모델은 사용자가 원하는 형상의 2차원 및 3차원 윤곽선을 따라 DNA 염기들을 배치하고, 구조체를 안정적으로 구현하기 위한 DNA 간 결합 경로를 자동으로 설계한다. 사용자는 이를 통해 구조체 제작에 필요한 DNA 염기서열을 제공받을 수 있다.

DNA 종이접기 기술은 염기 수천 개로 이뤄진 긴 DNA 가닥을 수백 개의 짧은 DNA 가닥으로 접어 나노스케일 구조체를 만드는 기술이다. 기존에는 규칙적인 격자 구조나 정형화된 다면체 구조를 만드는 데 주로 활용돼 왔다. 항원 모사체, 약물 전달체, 단백질 모사 구조체처럼 생체분자를 나노미터 수준에서 배열하는 연구에 쓰였다.

연구팀은 실제 생체분자나 세포 표면에서 나타나는 복잡한 곡면과 비정형 형상, 환경에 따라 형태가 바뀌는 동적 구조를 다루려면 기존 설계 방식만으로는 한계가 있었다고 설명했다. 안정적 구조를 확인하기 위해 전문가의 수작업, 실험, 설계 수정이 반복되는 과정도 필요했다. DNA 종이접기 구조체 분야는 설계 및 구조 데이터가 매우 적어 생성형 AI를 그대로 적용하기도 어려웠다.

김도년 교수팀은 자체 개발한 DNA 종이접기 구조체 해석 플랫폼 SNUPI와 확산 기반 생성형 AI 모델을 결합했다. Generative SNUPI는 DNA 염기의 3차원 위치를 생성하는 확산 샘플링과 DNA 가닥을 교차 결합하는 경로 설계 알고리즘을 통합한다. 연구팀은 이를 통해 다양한 비정형·자유형 구조체 제작이 가능하다는 점을 실험으로 검증했다.

실험에서는 열린 상태에서 닫힌 상태로 변하는 가변 구조체와 조립 가능한 모듈형 구조체도 확인됐다. 트렁콕치엔 박사(공동제1저자)는 DNA 구조체의 연결성 정보를 반영해 설계 정확도를 높이는 후속 연구를 진행하고 있다. 전경화 연구원(공동제1저자)은 2026년 후기 박사학위 취득을 앞두고 있으며, 이후 예일대학교(Yale University) 의공학과에서 박사후연구원으로 DNA 나노기술의 응용성을 확장하는 연구를 이어나갈 계획이다.

연구 결과는 Nature Communications에 게재됐다. 논문명은 De novo design of DNA origami with a generative diffusion model이며 DOI는 https://doi.org/10.1038/s41467-026-73578-z다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견/신진연구자 지원사업, 율촌재단 AI 학술연구과제, 국가슈퍼컴퓨팅센터 RnD 혁신지원 프로그램 등의 지원을 받아 수행됐다.

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.