MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING · WEEK 07 · LECTURE 7-2

Xeno Nucleic Acids

XNA — 당을 바꾸면 무엇이 달라지는가

자연이 쓰지 않은 당 · 골격으로 만든 핵산 ｜ 합성 · 구조 분석 · 진단 · 치료 ｜ 그리고 DNA 데이터 저장

송영준 Youngjun Song, Ph.D. · 인천대학교

오늘의 교재 = 이 강의를 맡은 연구실의 리뷰 논문
Lee W, Kang T, Yu M, Haider Z, Lim D, Song Y. “Xeno nucleic acids (XNAs): advances in synthesis, diagnostics, and therapeutics”, Bioorganic Chemistry 179 (2026) 110000

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학습 목표

Learning Objectives · 이 여섯 가지를 할 수 있으면 오늘은 끝

XNA를 두 그룹 — 당(sugar) 치환 과 비당 골격 — 으로 분류
논문 Table 1에서 ΔTm/mod · sugar pucker · helix type 읽기
phosphoramidite 합성에서 XNA가 달라지는 지점 지목 (DNA Data Storage 6-1 사이클과 비교)
Tm/UV · CD · NMR · X-ray가 각각 어떤 정보를 주는가 구분
PNA clamping의 원리를 4단계로 그리기
XNA 데이터 저장의 이득과 병목을 수치로 답하기

Lee W, Kang T, Yu M, Haider Z, Lim D, Song Y. Bioorganic Chemistry 179 (2026) 110000 — 이 강의 전체의 교재

강의 구성

75분 · 6개 파트 · 구조 → 합성 → 측정 → 응용 → 저장

PART 1

정의와 분류

13분

PART 2

입체 고정 (3D)

5분

PART 3

합성

15분

PART 4

구조 분석

10분

PART 5

진단과 치료

11분

PART 6

데이터 저장

9분

한 줄 흐름 — 당을 바꾼다(1·2) → 그래서 합성이 어려워진다(3) → 바뀐 것을 어떻게 확인하는가(4) → 무엇에 쓰는가(5) → 데이터 저장에서는 무엇이 좋아지고 무엇이 막히는가(6)

오늘 새로 만나는 약어

XNA · LNA · TNA · FANA · HNA · PNA · GNA · MO · CeNA · 2′-OMe · ASO · PMO · SELEX · XNAzyme

퀴즈

PART 2 뒤(분류 · 구조) · PART 6 뒤(밀도 · 내구성 · 읽기) 두 번

DNA 데이터 저장에서 XNA의 활용 가능성

매체를 고르는 수업이 아니라, 매체의 화학을 설계하는 수업으로

① 안정성

뉴클레아제 · 열 · 산화가 DNA 저장의 적. XNA는 이 세 가지에 대한 저항을 화학으로 얻는다

② 생물학적 격리

XNA 복제 · 전사 · 번역 효소계가 아직 없다는 한계(§6) — 저장 관점에서는 정보가 생태계로 새지 않는다는 뜻이 될 수 있다 (오늘의 토론거리)

③ 읽기 호환성

표준 중합효소 · 시퀀서가 XNA를 읽지 못한다. 쓸 수 있어도 읽을 수 없으면 저장 매체가 아니다

DNA Data Storage 1–5와 오늘의 연결

DNA Data Storage 1 저장 매체 비교 → 매체의 화학 자체를 바꾸면 밀도 · 수명이 달라진다 ／ DNA Data Storage 2 DNA 구조 → 오늘 바꾸는 부분이 바로 당-인산 골격의 당 ／ DNA Data Storage 3 2 bit/nt 매핑 → 알파벳을 늘리면 3 bit/nt · 3.58 bit/nt ／ DNA Data Storage 4 RS · XOR → 오류정정은 중복을 쓴다, 밀도 여유가 곧 정정 여력 ／ DNA Data Storage 5 올리고 구조(프라이머+인덱스+데이터+ECC) → 프라이머는 중합효소가 읽어야 하는 부분, XNA의 최대 난점

오늘의 질문 — 4염기 A·T·G·C를 그대로 두고 당만 바꾸면 저장 매체로서 무엇이 좋아지고 무엇이 막히는가

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §5.4 (DNA data storage) · §6 (limitations)

PART 1

정의와 분류

What Counts as an XNA

XNA = 당이 변형된 핵산 — 두 그룹으로 나뉜다
구조식 9종을 나란히 놓고 “무엇이 달라졌는가”만 본다
논문 Table 1 — PDB ID · helix · pucker · BP/turn · ΔTm/mod
ΔTm 순위와 그 예외(TNA)

XNA의 구조 변형 위치와 분류

a · 기준 구조

DNA와 RNA의 당–인산 골격을 먼저 비교한다. RNA에 표시된 2′-OH가 뒤의 변형 위치를 이해하는 기준이다.

b.1 / b.2 · 당 변형

2′-OMe·FANA의 작은 치환과 TNA·LNA·HNA의 당 골격 변화를 구별한다. 청록색 표시가 변형 부위다.

c · 비당 골격

PNA·GNA·MO·CeNA를 비교한다. 염기쌍 인식은 유지할 수 있어도 전하·유연성·효소 호환성은 달라진다.

XNA의 정의와 분류

Definition and classification — 논문 Fig. 1 체계

정의

XNA = 리보스 · 데옥시리보스를 다른 당 또는 당 유도체로 치환하거나, 당 자체를 비당 단위로 대체한 핵산. 염기(A·T·G·C)와 Watson–Crick 염기쌍은 그대로 유지 — DNA Data Storage 2 구조에서 당만 바꾼다

주의 — phosphorothioate(PS)는 당이 아니라 골격 연결(인산) 의 변형 → 논문의 XNA 분류표에 없다. 다만 nusinersen · miravirsen처럼 XNA와 함께 쓰인다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Abstract · §2.1 · Fig. 1 (PS 관련: §3.1 · §3.2 · §4.1 본문)

구조식 ① 기준 DNA와 Group 1(i) 소변형

Minor modifications — 천연 펜토스 골격을 유지한 채 2′ 위치만 손댄다

DNA 2′-deoxyribose ΔTm 기준

2′ 위치가 H — 오늘 바꿀 자리를 먼저 확인해 둔다

B-form · C2′-endo

2′-OMe 2′-O-methyl RNA +0.5 ~ 1 °C

2′-OH를 메틸화 한 최소 변형 → 뉴클레아제 저항성 부여

1NAO · A-like · C3′-endo(N) · ~11 bp/turn

FANA 2′-fluoro-arabino +1.75 °C

arabino 위치의 2′-F → pseudo-H bond (F2′…H8) · FANA/RNA는 RNase H 활성

2KP4 · A/B-form · C1′-exo(E)

2′ 하나를 바꾸는 것만으로 열 안정성과 효소 저항성이 함께 움직인다 — ASO 치료제가 가장 먼저 채택한 변형

구조식 = RDKit 생성 인라인 SVG · 수치 출처 Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 · §2.1 (ΔTm/mod = 치환 1개당 Tm 변화, FANA는 절대 Tm에서 계산)

구조식 ② Group 1(ii) 합성 당 골격

Synthetic sugar replacements — 당 고리 자체를 바꾼다

LNA locked nucleic acid +2 ~ 6 °C

2′-O와 4′-C를 메틸렌 브리지로 묶어 리보스를 C3′-endo로 고정 — 오늘 3D로 확인

1H0Q · A-like · C3′-endo(N) · ~11–12 bp/turn

TNA threose nucleic acid −4.5 ~ −5.5 °C

4탄당(threose) — 골격이 천연보다 한 결합 짧아 duplex를 오히려 불안정화

1PWF · B-like · C4′-exo · ~11 bp/turn

HNA 1,5-anhydrohexitol +1.3 °C

5탄 펜토스를 6탄 hexitol 6원 고리로 → 골격 길이와 강성 증가

2BJ6 · A-like · N-type · ~14–15 bp/turn (당을 가진 XNA 중 최대)

XyNA(xylose)도 같은 1(ii) 그룹 — 논문 Fig. 1b.2에 분류되어 있으나 Table 1에는 구조 파라미터가 없다

구조식 = RDKit 생성 인라인 SVG · 수치 출처 Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 · §2.1 · Fig. 1b.2

구조식 ③ Group 2 비당 골격

Non-sugar backbone units — 당을 아예 버린다

PNA peptide nucleic acid ~ +1.1 °C

N-(2-aminoethyl)glycine 폴리아마이드 — 인산 없음 · achiral · 전하 중성 → 뉴클레아제 와 프로테아제 모두 저항

1PDT / 176D · A/B or A-like · ~13–18 bp/turn

GNA glycol nucleic acid ~ +1.25 °C

탄소 3개 비환형 프로필렌 글리콜 · 입체중심 1개 — Table 1에서 가장 단순한 골격

PDB · helix type 데이터 없음

MO morpholino oligomer ~ +0.2 °C

6원 모르폴린 고리 + phosphorodiamidate 연결 · 전하 중성 — 번역 · 스플라이싱을 입체 차단

Tm 기여는 Table 1 중 최소 · Fig. 3b · 구조식은 연결기 생략

CeNA(cyclohexenyl, 3KNC · A-like · −0.5 °C)도 Group 2 — 사이클로헥센 고리 기반이며 왼손방향 나선도 가능. 구조식은 Table 1로 확인

구조식 = RDKit 생성 인라인 SVG · 수치 출처 Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 · §2.1–2.2 · Fig. 1c · Fig. 3b

XNA 구조와 Tm 비교

구조 열

PDB ID, helix type, sugar pucker, BP/turn을 서로 다른 구조 정보로 읽는다. ‘–’는 자료 미기재다.

Tm 각주

FANA·PNA·GNA·MO의 각주 a는 절대 Tm에서 계산한 값이다. 서로 다른 측정 조건을 단순 순위로 일반화하지 않는다.

본문과 대조

LNA의 Tm 변화는 표에서 +2–6 °C로 제시된다. 본문에는 +2–8 °C 범위도 나오므로, 이 강의에서는 표의 값을 기준으로 설명한다.

XNA 9종의 구조 파라미터

논문 Table 1 그대로 — 이 표 하나가 오늘 전체의 참조표

XNA	그룹	PDB ID	helix type	sugar pucker	BP/turn	핵심 구조 특징	ΔTm/mod
2′-OMe	1(i)	1NAO	A-like	C3′-endo (N)	~11	뉴클레아제 저항	+0.5 ~ 1 °C
FANA	1(i)	2KP4	A/B-form	C1′-exo (E)	–	pseudo-H bond (F2′…H8) · RNase H 활성	+1.75 °C
TNA	1(ii)	1PWF	B-like	C4′-exo	~11	골격이 한 결합 짧음 (shorter backbone)	−4.5 ~ 5.5 °C
LNA	1(ii)	1H0Q	A-like	C3′-endo (N)	~11–12	메틸렌 브리지 (2′-O,4′-C)	+2 ~ 6 °C
HNA	1(ii)	2BJ6	A-like	N-type	~14–15	6원 hexitol 고리	+1.3 °C
PNA	2	1PDT / 176D	A/B or A-like	N/A	~13–18	achiral 골격 · 인산 없음	~ +1.1 °C
GNA	2	–	–	N/A	–	가장 단순한 골격 (탄소 3개)	~ +1.25 °C
MO	2	–	–	N/A	–	6원 모르폴린 고리 · 전하 중성	~ +0.2 °C
CeNA	2	3KNC	A-like	N-type	–	사이클로헥센 고리 · 왼손방향 가능	−0.5 °C

표 읽는 법 — – = 데이터 없음 · ΔTm/mod = 치환 1개당 Tm 변화 · FANA · PNA · GNA · MO는 절대 Tm에서 계산한 값(각주 a) · sugar pucker → helix type → BP/turn 이 한 줄로 이어진다

표에서 바로 보이는 예외

9종 중 TNA와 CeNA만 음수. XNA = 항상 Tm 상승이 아니다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 (논문의 유일한 표) · 각 행 참고문헌 [28,37,42–54]

XNA의 열안정성과 구조 특성 비교

Table 1의 ΔTm/mod를 크기 순으로 세운 것

축 ① Tm 변화 = 결합 세기

LNA +2–6 최대 · TNA −4.5~−5.5 최소. C3′-endo 고정일수록 크다 (Table 1)

축 ② 뉴클레아제 저항성

2′-OMe 저항 · PNA는 프로테아제까지 · MO는 전하 중성 · TNA는 처리 후에도 복구 (§2.1–2.2 · §5.4)

축 ③ 결합 친화도 · 판별력

LNA · PNA probe가 단일 염기 차이를 종래 DNA probe보다 정밀 판별 (§5.1)

PART 6으로 남기는 질문 — Tm이 −5 °C인 TNA로 데이터를 저장한다, 왜? 축 ①과 축 ②는 서로 다른 축이기 때문

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 · §2.1–2.2 · §4.1 · §5.1 · §5.4 ｜ 수치 주의: FANA · PNA · GNA · MO 막대는 절대 Tm에서 계산한 값(Table 1 각주 a)이라 나머지와 측정 기준이 다름 ｜ 같은 논문 §2.2는 LNA를 2–8 °C로 적어 Table 1 · §4.1의 2–6 °C와 다르므로 이 강의는 Table 1 기준으로 통일 (문헌 수치는 조건 의존적)

입체구조와 당 배좌

돌려 보기 · 확대 — LNA의 2′-O,4′-C 메틸렌 브리지가 당 고리를 묶는다

DNA 단량체 기준 · C2′-endo 가능

끌어서 돌리기 · 휠 확대

LNA 단량체 브리지로 C3′-endo 고정

끌어서 돌리기 · 휠 확대

무엇을 볼 것인가

LNA 쪽 당 고리의 2′-O와 4′-C를 잇는 −CH₂− 를 찾아 회전시켜 볼 것. 이 한 결합 때문에 고리가 접힐 자유(pucker)를 잃는다 — bicyclic 구조

왜 Tm이 오르는가

당이 미리 C3′-endo(N) 로 고정 → duplex를 만들 때 잃을 형태 자유도가 이미 줄어 있음 → 치환 1개당 +2–6 °C · A-like 나선 · ~11–12 bp/turn

3D 좌표 = RDKit 생성 · 뷰어 3Dmol.js · 구조 파라미터 Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 (1H0Q) · §2.1–2.2

LNA — 구조 고정과 프로브의 활용

본문 개념과 영상의 실제 공정·반응 기전 비교 · 재생 버튼 선택

LGC Group video (0:53)YouTube에서 보기 ↗

영상 선택

관찰할 내용

볼 것 — LNA를 넣으면 프로브가 짧아져도 된다: PART 2 LNA 브리지(고친화)의 실용 결과 (LGC Biosearch)

개념 연결

당 고정과 결합 친화도의 연결
짧은 프로브 설계의 실용적 의미

영상: LGC Group video · YouTube 제목·제작자 확인: 2026-10-07 · 긴 강연은 필요한 구간을 선택하여 시청

Sugar pucker(당 배좌)와 나선 구조의 관계

Table 1의 sugar pucker 열과 helix type 열은 같은 이야기를 두 번 쓴 것

왜 이 한 장이 필요한가

당 고리가 어느 쪽으로 접히는지(pucker)가 골격의 나선 기하를 정하고, 그것이 BP/turn 과 CD 스펙트럼 모양 으로 나타난다. 즉 pucker는 측정 가능한 양이다

Table 1로 확인

C3′-endo(N) → A-like : 2′-OMe(~11) · LNA(~11–12)
C4′-exo → B-like : TNA(~11)
N-type → A-like : HNA(~14–15) · CeNA
N/A(당 없음) : PNA(~13–18) · GNA · MO

당 배좌와 나선 구조의 분석법

pucker는 NMR의 결합상수·상관 신호로 제한하고, 나선 변화는 CD 스펙트럼으로 추정한다 — PART 4

DNA Data Storage 2 이중나선 기하(A형 · B형)에서 배운 구분이 여기서 XNA 설계 변수로 바뀐다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 · §4.2 · §4.3 (pucker–helix 대응: C3′-endo = A-form, C2′-endo = B-form)

XNA 단량체 9종의 3차원 구조 비교

칩을 눌러 분자를 바꾸고, 끌어서 돌리고 휠로 확대 · 표시 방식은 막대 · 공-막대 · 공간채움

끌어서 돌리기 · 휠 확대

당을 바꾼 쪽 — 2′-OMe · FANA는 리보스의 2′ 치환만 다르다. 고리는 그대로 5원
고리를 바꾼 쪽 — HNA는 6원 헥시톨, TNA는 4탄당 threose(5원) · 5′-CH₂가 없어 골격이 한 결합 짧다
당을 버린 쪽 — GNA는 글리세롤 3탄소, PNA는 아미노에틸글리신 펩타이드, MO는 모르폴린 6원 고리
LNA — 2′-O와 4′-C를 잇는 −CH₂− 하나가 고리를 이환(bicyclo)으로 묶는다. 돌려서 브리지를 찾아볼 것

보는 순서 제안

DNA → LNA(브리지) → 2′-OMe · FANA(치환) → HNA · TNA(고리 크기) → GNA · PNA · MO(당 없음). 같은 염기(uracil)로 통일해 당·골격 차이만 보이게 그렸다

주의

단량체 하나만 떼어 낸 최소 단위이고 인산 연결기는 생략했다 · 좌표는 RDKit ETKDGv3 + MMFF 계산값이라 결정 구조가 아니다

구조 SMILES = PubChem 대조 후 확정 · 3D 좌표 RDKit ETKDGv3/MMFF94 · 뷰어 3Dmol.js · 분류 기준 Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Fig. 1 · Table 1

퀴즈 1 — 분류와 구조

Table 1을 덮고 답하기 · 각 문항을 눌러 답 확인

Table 1의 9종 가운데 ΔTm/mod가 크게 음수인 것은 무엇이고, 그 구조적 이유는?

TNA (−4.5 ~ −5.5 °C). 4탄당(threose) 골격이 천연보다 한 결합 짧아 duplex 기하에 무리가 생겨 불안정화된다. CeNA도 −0.5 °C로 음수이지만 크기가 작다.

LNA가 치환 1개당 Tm을 +2–6 °C 올리는 구조적 이유를 한 줄로 쓰라.

2′-O와 4′-C를 잇는 메틸렌 브리지가 당 고리를 C3′-endo(N) 로 고정 → duplex 형성 시 잃을 형태 자유도가 미리 줄어 있다(구조 선조직화). helix type A-like · ~11–12 bp/turn도 같은 원인.

PNA가 뉴클레아제와 프로테아제 모두에 저항하는 이유는?

골격이 인산도 없고 펩타이드 결합 기질도 아닌 achiral 중성 폴리아마이드(N-(2-aminoethyl)glycine)여서 두 효소군의 인식 부위가 모두 없다. 골격 자체가 거의 비면역원성이라는 점도 §2.2에 기술.

어떤 서열에 LNA를 5개 넣었다. Table 1 기준으로 예상되는 Tm 상승 범위는?

치환당 +2–6 °C × 5 = +10 ~ +30 °C. 실제 사례(miravirsen, PART 4)에서 15-mer에 LNA 5개를 넣어 비변형 duplex 대비 +25–30 °C를 얻었다 — 이 산술 범위 안에 들어온다.

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — Table 1 · §2.1–2.2 · §4.1

PART 3

합성

Chemical · Enzymatic · Hybrid

병목은 올리고가 아니라 모노머다
DNA Data Storage 6-1의 phosphoramidite 4단계 — XNA에서 어디가 달라지는가
커플링 효율 >99%인데 왜 100 base가 한계인가
효소 합성 · XNA aptamer SELEX · 하이브리드

모노머 합성 — 완성 가닥보다 앞선 병목

a · TNA

L-ascorbic acid에서 시작한다. 당 골격 구성, 염기 도입, 보호기 조절을 거쳐 합성용 building block으로 이어진다.

b · LNA

Uridine 출발 경로에서 당을 고정하는 가교 형성에 주목한다. 원하는 입체구조와 반응 위치를 통제해야 한다.

c · FANA

보호된 ribofuranose에서 불소 도입·염기 결합·인산화 시약 도입으로 연결된다. 논문은 복잡한 모노머 제조를 주요 병목으로 설명한다.

XNA 단량체 합성의 주요 제한 요인

The main challenge and bottleneck — 논문이 직접 못박은 문장

논문 §3 도입 인용

“the most critical bottleneck impeding widespread XNA application remains the complex, multi-step organic synthesis required to prepare the individual monomers, which necessitates rigorous stereoselective and protecting-group strategies”

상용 출발물질값싸고 구하기 쉬움

→

다단계 입체선택 합성stereocontrol 필수

→

orthogonal 보호기 조작선택적으로만 벗겨야 함

→

XNA phosphoramidite여기서야 합성기에 올린다

목표 모노머	상용 출발물질	논문 위치
TNA amidite	L-ascorbic acid (비타민 C)	Fig. 2a
LNA amidite	uridine	Fig. 2b
FANA amidite	ribofuranose	Fig. 2c
GNA amidite	glycidol — 3–5 단계, 전체 수율 30–40%	§3.1 [59]

가장 짧은 사례와의 대비

GNA는 골격이 단순해 3–5 단계로 끝난다. 즉 “XNA 합성이 어렵다”가 아니라 어떤 당을 고르느냐가 곧 비용 이다

모노머만 확보되면

고상 합성은 자동화 · 병렬화가 잘 되어 산업용 합성기가 그램 스케일 로 생산하고, 병렬 플랫폼이 여러 서열을 동시에 만든다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §1 · §3 도입 · §3.1 · Fig. 2a/2b/2c (원문 인용)

화학 합성 — 반복 사이클과 단편 연결

a · 고체상 합성

Deprotection → coupling → capping/oxidation을 반복한다. 한 단계의 높은 수율도 길이가 늘면 누적 손실을 만든다.

b · Morpholino

6원 morpholine 고리와 phosphorodiamidate 연결을 확인한다. 천연 당–인산 골격과 다르다.

c · 화학적 연결

위쪽은 azide–alkyne cycloaddition, 아래쪽은 빛을 쓰는 연결 예시다. 이 패널 전체를 하나의 CuAAC 반응으로 읽지 않는다.

phosphoramidite 4단계 — XNA에서 달라지는 지점

DNA Data Storage 6-1에서 배운 그 사이클 · 클릭하면 한 단계씩 · 좌 DNA / 우 XNA

Solid-phase phosphoramidite cycle

보조 · 논문 외부 — 입체장애 큰 amidite는 활성화제 선택과 연장된 커플링 시간이 필요: DCI(4,5-dicyanoimidazole)는 1H-tetrazole보다 커플링 완료가 약 2배 빠름 · ETT(5-ethylthiotetrazole)는 커플링 시간과 n−1 불순물 감소 · pyridinium hydrochloride는 LNA급 입체장애 amidite 활성화에 효과적

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §3.1 · Fig. 3a　｜　보조: Nucleic Acids Res. 26 (1998) 1046 (DCI) 및 활성화제 기술자료 — 논문 외부 자료임

단계별 수율과 XNA 사슬 길이의 관계

DNA Data Storage 6-1의 결론 — 사이클 효율 하나가 길이 · 비용 · 오류를 모두 결정한다

논문 §3.1

커플링 효율이 염기당 99%를 넘어도 누적 수율 손실 때문에 순수 화학 합성은 약 100 base 를 넘으면 실용성이 떨어진다

돌파 ① 화학으로

2′-ALE(acetal levulinic ester) phosphoramidite 화학 → RNA 200 nt 초과 합성. XNA 길이 한계 확장에도 적용 기대
CuAAC click ligation → 고순도 단편을 접합해 길이 한계 우회 (Fig. 3c)

돌파 ② 효소로 이어붙이기 (§3.3)

T4 ligase가 PEG · betaine crowding 에서 HNA · LNA · FANA 결찰 ／ T3 ligase로 20–100+ nt ／ XNA 전용 ligase → gene-sized

곡선은 DNA Data Storage 6-1과 같은 식 — 전장 수율 = (커플링 효율)ⁿ. 0.99 → 0.999로 올리면 100 base 수율이 37% → 90%

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §3.1 · §3.3 · Fig. 3c · Fig. 5b ｜ 2′-ALE 원출처 Lyu et al., Nucleic Acids Res. 54 (2026) gkaf1525 (논문 ref [57])

효소 합성 — 주형 없이 쓰기와 주형 따라 쓰기

a · 주형 비의존

차단기를 가진 기질을 한 번 연장한 후 deblock하고 다음 사이클로 간다. 합성 순서를 반응 사이클로 제어한다.

b · 주형 의존

DNA library를 공학 polymerase가 읽어 XNA/DNA duplex를 만든다. 변성 후 XNA 가닥이 접혀 기능성 후보가 된다.

핵심 조건

일반 효소가 모든 XNA를 처리하는 것은 아니다. 원하는 골격의 기질 수용성과 합성 정확도를 함께 검증한다.

효소 합성 — 숫자로 보는 현재 수준

Enzymatic synthesis · DNA Data Storage 6 TdT 파트를 XNA까지 확장한다

TdT 지향진화

>99%사이클당 효율

32 라운드 공학 · 반응시간 600배 이상 단축 → 상업 규모 효소 합성의 개념증명

Forget et al., NAR 53 (2025) gkaf115 · ref [82]

TNA 폴리머레이스

~1 nt/s촉매 속도

fidelity >99% — 지향진화 + 상동재조합으로 실용 수준에 근접

§3.2 · refs [71,72]

공학 KOD 변이체

>1 kbLNA 합성 길이

DNA ↔ LNA 양방향 정보전달 지원

Hoshino et al., JACS 142 (2020) 21530 · ref [74]

PORDVA (공학 Taq)

>85%내부 변형 도입 효율

최대 1800 nt 기질의 지정 위치에 2′-OMe · PS · 형광표지 도입

Chen et al., Nat. Chem. 17 (2025) 382 · ref [88]

template-independent (Fig. 4a) — 주형 없이 한 염기씩

공학 poly(U) polymerase(PUP) 변이체가 2′-fluoro · 2′-O-methyl 리보스 유사체를 단계적으로 높은 효율로 부가. 핵심 장치는 가역적 3′-blocking group — 3′-O-phosphate 가 연장을 확실히 정지시키고 phosphatase 로 제거된다 (DNA · LNA 삼인산 모두 호환). benzoyl · pivaloyl 에스터 3′-보호기도 사용, 3′-allylic 블록은 RNA로 확장

template-directed (Fig. 4b) — 어떤 효소가 XNA 폴리머레이스가 되는가

고온성 archaeal B-family 가 주력 · A-family(Taq) · phi29-family 도 사용. 지향진화 · 부위지정 돌연변이로 기질 수용폭을 넓힌다. 당 변형(LNA) + 골격 변형(PS) 이중변형 뉴클레오타이드의 효소 호환성도 최근 입증. SFM4-3 · TGK는 한 가닥에 변형 최대 4종

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §3.2 · §3.3 · Fig. 4a/4b · Fig. 5 (refs [71,72,74,78–83,88,89])

Synthetic genetics(합성 유전학) — XNA 복제와 진화

본문 개념과 영상의 실제 공정·반응 기전 비교 · 재생 버튼 선택

Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES) (42:37)YouTube에서 보기 ↗

영상 선택

관찰할 내용

과제 시청 — XNA를 복제 · 진화시키는 폴리머레이스 공학 (IHES 2015) — PART 3 효소 합성 확장

개념 연결

변형 기질을 인식하는 효소 공학
긴 강연의 복제·진화 부분 선택 시청

영상: Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES) · YouTube 제목·제작자 확인: 2026-10-07 · 긴 강연은 필요한 구간을 선택하여 시청

하이브리드 합성 — 화학과 효소의 역할 분담

a · 화학 합성 후 연장

화학적으로 만든 2′-OMe primer를 효소 반응과 연결해 MeORNA–HNA 같은 혼합 골격을 만든다.

b · 효소적 결찰

주형 위에 놓인 XNA 단편을 ligase로 잇는 흐름이다. 그림의 T4 ligase와 ATP 표기를 따라 반응을 읽는다.

왜 결합하는가

짧고 정밀한 단편 제조와 긴 가닥 조립을 분담한다. ligase 종류·변형 위치·반응 조건에 따른 호환성은 별도 확인 대상이다.

XNA aptamer의 SELEX 선발 사이클

합성과 판독이 한 고리로 묶이는 지점 · 클릭하면 한 단계씩

XNA aptamer selection cycle

이 사이클의 ③이 오늘 PART 6에서 다시 나온다 — XNA로 쓴 정보를 읽는 표준 경로가 바로 이 변환 단계다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §3.2 · §4.5 · Fig. 4b · Fig. 10a (refs [108,109])

PART 4

구조 분석

How Do We Know It Changed?

무엇을 알고 싶은가 → 어떤 장비를 쓰는가
Tm/UV — 열역학적 안정성, 260 nm hyperchromic
CD — 용액 속 나선 형태, 모양이 곧 답
NMR · MS · X-ray · cryo-EM — 원자 수준과 복합체

분석 목적에 따른 구조 분석법 선택

이 한 장이 PART 4의 목차 · 장비는 질문의 함수다

알고 싶은 것	방법	무엇을 읽는가	논문 위치
열역학적 안정성	UV-Vis 열용융 (Tm)	260 nm hyperchromic effect · 2-state 평형에서 Tm = 전이 중점 · 모델 적합성 확인 후 열역학 분석	§4.1 · Fig. 6
용액 내 2차구조	CD (원편광 이색성)	UV 영역 밴드 모양 → 나선·스태킹 변화 추정 · 조건과 대조군 필요	§4.2 · Fig. 7
원자 수준 형태	NMR	NOESY(공간 근접) · COSY(커플링 네트워크) · ³J(H1′-H2′) → sugar pucker · 염기쌍	§4.3 · Fig. 8a/8b
조성 · 변형 확인	MS (MALDI-TOF · ESI)	m/z와 이론 질량 대조 · 전하·부가이온 해석 · 짧은 산물·부산물 검토	§4.3 · Fig. 8c/8d
3차원 원자 좌표	X-ray 결정학	나선 기하 · 염기 스태킹 · 골격 형태 — 잘 회절하는 결정이 필요	§4.4 · Fig. 9a/9b
큰 복합체 구조	cryo-EM	결정화 없이 유리질 얼음에 급속동결 → near-native 조건의 단백질-핵산 복합체	§4.4 · Fig. 9c/9d

상보적인 증거를 모은다

NMR: 여러 공명·상관 신호와 결합상수를 조합하여 용액 속 당 배좌와 분자 간 접촉을 해석한다.
X-ray: 2′-OMe-L 핵산의 결정 구조(ref [105])처럼 좌표 자료를 이용해 당 배좌·골격·염기 스태킹을 비교한다. L형과 D형의 거울상 관계도 구분한다.

방법 선택

큰 단백질–핵산 복합체는 cryo-EM, 결정화 가능한 시료는 X-ray, 용액 속 국소 구조는 NMR을 검토한다. 방법의 적합성은 시료 특성에 따라 달라진다

순서

예시 흐름: MS로 질량 확인 → Tm으로 결합 안정성 → CD로 구조 변화 비교 → 질문에 따라 NMR · X-ray · cryo-EM

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §4.1–4.4 · Fig. 6–9 (refs [97,103–107])

UV–Vis — 장비에서 열용융 곡선까지

a · 무엇을 측정하는가

260 nm 빛이 가열되는 시료를 통과한 뒤 검출기에 도달한다. 온도 변화에 따른 흡광도를 기록한다.

b · 곡선 읽기

이중가닥이 풀리고 염기 스태킹이 감소하면서 흡광이 증가한다. 적합한 평형·baseline 조건에서 전이 중점 Tm을 해석한다.

비교할 조건

서열·농도·염·가열 조건을 맞추어 XNA와 대조군을 비교한다. 그림의 개념 곡선을 특정 시료의 실측 Tm으로 단정하지 않는다.

열용융 곡선과 Tm의 산출

260 nm 흡광이 왜 올라가는가 · 클릭하면 한 단계씩

UV-Vis thermal melting

리뷰가 소개하는 결합 안정성 사례 — miravirsen

miR-122를 표적하는 15-mer phosphorothioate 올리고에 LNA 5개 → RNA 표적과 혼성화 시 Tm ≈ 80 °C, 동일 서열 비변형 duplex 대비 +25–30 °C. 높은 Tm은 결합 안정성의 근거지만, 세포 전달·표적 선택성·독성을 포함한 효능 검증은 별도로 필요하다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §4.1 · Fig. 6 (refs [95–97])

CD — 원편광과 나선 구조의 신호

a · 장비 원리

좌·우 원편광 흡수의 차이를 파장별로 측정한다. 용액 속 나선과 염기 스태킹 변화에 민감하다.

b · A형과 B형

빨강·파랑 곡선의 양·음 밴드와 피크 이동을 비교한다. 이 개념 그림의 위치와 본문 대표 파장 범위는 완전히 같지 않으므로 정밀 수치를 추출하지 않는다.

c · LNA–DNA G4

LNA 도입 전후의 G-quadruplex 스펙트럼 형태를 비교한다. 비슷한 모양은 접힘 유지의 근거지만, XNA 종류를 CD 하나로 확정할 수는 없다.

CD — 스펙트럼 모양으로 구조를 추정한다

Circular dichroism · UV 영역의 밴드와 대조군을 함께 비교한다

암기할 판독 기준 두 줄

B-form DNA — +275–280 nm 양의 밴드 · −245 nm 음의 밴드
A-form 나선 — +260–270 nm 더 강한 양의 피크 · 음의 밴드가 210–220 nm 로 이동

그래서 XNA는

당을 C3′-endo로 고정하는 LNA · 2′-OMe는 RNA형 A-form 을 선호 → 260 nm 강한 양의 밴드. PNA 같은 achiral 골격은 혼성화 전에는 신호가 약할 수 있다

사례 (Fig. 7c)

트롬빈 압타머 G4 지문(+295 · −265)이 구아닌을 LNA로 치환한 뒤에도 유지 → 저항성은 얻고 결합 기하는 보존. 압타머 설계에서 CD가 첫 검증인 이유

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §4.2 · Fig. 7a/7b/7c ｜ G4 사례 원출처 Bonifacio L, Church FC, Jarstfer MB. Int. J. Mol. Sci. 9 (2008) 422–433 (논문 ref [102]) · 곡선은 판독 기준에 따른 모식도

NMR과 MS — 구조 신호와 질량 신호

a–b · NMR

자석·RF 송신·검출부와 2D 상관 스펙트럼을 연결한다. NOESY·COSY·결합상수 분석으로 공간 근접성, 결합 관계, 당 배좌를 해석한다.

c–d · MALDI-TOF MS

레이저 이온화·가속·비행·검출을 따라간다. d의 M+H⁺, M+Na⁺, M+K⁺는 같은 분자의 서로 다른 부가이온으로 읽는다.

서로 보완하는 증거

NMR은 구조 제약, MS는 질량·조성 확인을 담당한다. intact mass만으로 같은 조성의 다른 염기 순서나 모든 변형 위치를 구별할 수는 없다.

X-ray와 cryo-EM — 3차원 구조를 얻는 두 경로

a–b · X-ray

결정에 X선을 조사해 회절을 얻고 전자밀도와 원자 모델을 해석한다. 캡션은 b를 dsGNA 전자밀도 지도로 설명한다.

c–d · cryo-EM

그리드 시료의 입자 영상을 모아 구조를 재구성한다. 캡션은 d를 공학 polymerase 활성부위의 TNA 구조 예로 설명한다.

그림과 근거의 범위

장비 그림과 분자 구조 예를 구분한다. 이 패널에 구조 accession·해상도가 적혀 있지 않으므로 해당 값이나 장비 모델을 임의로 붙이지 않는다.

XNA 시퀀싱 — DNA 전환과 직접 전류 판독

a · 간접 NGS

XNA를 호환 효소로 DNA에 옮긴 후 증폭·시퀀싱한다. 그림의 DNA 전환 화살표가 핵심이며, 원래 XNA의 모든 화학 정보가 보존되는 것은 아니다.

b · Nanopore

분자가 pore를 통과할 때의 이온 전류를 이용한다. 그림은 판독 개념을 설명하며 모든 XNA에 대한 완성된 basecaller를 뜻하지 않는다.

본문의 세 번째 경로

본문은 공학 Bst F710Y를 쓰는 직접 Sanger도 소개한다. 방법 선택은 골격·길이·정확도·효소 호환성에 따라 달라진다.

PART 5

진단과 치료

Diagnostics and Therapeutics

단일 염기 판별 — liquid biopsy가 요구하는 성능
PNA clamping — 야생형을 막고 돌연변이만 읽는다
2016년에 이미 승인된 XNA 약물 두 개
차세대 화학 · 전달 플랫폼 · XNAzyme

분자진단 — 분해 저항에서 검출 신호까지

a · 프로브 유지

뉴클레아제 환경에서 천연 DNA와 XNA의 거동을 비교한다. 결합 기능을 유지하는 프로브가 진단에 유리하다는 설명이다.

b · 액체생검 흐름

혈액 속 표적 핵산 → 증폭·인식 → 표지와 flow assay 검출로 이어진다. C·T 선과 결합 성분을 순서대로 읽는다.

내용 연결

본문의 PNA 센서·clamping 사례는 서로 다른 실험이다. 이 개념 그림 하나에 특정 검출한계나 임상 정확도를 공통 수치로 붙이지 않는다.

XNA의 결합 특성과 분해 저항성에 의한 진단 성능

뉴클레아제 저항 + 고친화 결합 → 단일 염기 판별

원리 (§5.1 · Fig. 11a)

LNA · PNA 프로브는 뉴클레아제 저항성 과 고친화 결합 으로 단일 염기 차이를 종래 DNA 프로브보다 정밀하게 판별 → 바이오센서 · 유전검사의 capture probe 로 선호

liquid biopsy에서 XNA가 해결하는 두 문제 (Fig. 11b)

① 프로브가 분해되지 않는다 — 혈액 시료 안의 뉴클레아제에 저항
② 극저농도를 포획한다 — 높은 혼성화 친화도로 희귀 유전 단편(cfDNA · ctDNA · microRNA)을 붙잡는다

왜 특이도가 관건인가

환자 혈장에서 찾아야 하는 돌연변이 단편은 정상 DNA가 압도적인 배경 속의 소수 — 신호를 키우는 것보다 야생형을 잠재우는 쪽이 실제 해법이 된다 (다음 슬라이드)

PNA 실리콘 나노와이어 센서

fM펨토몰 검출

복잡한 세포 RNA 매트릭스 안의 암 연관 microRNA — 종래 DNA 프로브로는 놓치는 수준

Gao et al., Sens. Actuators B 401 (2024) 135011 · ref [120]

PNA 고정 전극

정상 DNA가 압도적으로 많은 시료에서도 폐암 · 흑색종 관련 돌연변이 DNA 단편을 높은 특이도로 식별

§5.1 · ref [124]

§5.1의 학술 주장은 이미 제품 스펙이다 — LNA miRNA 검출 프로브 · PNA clamping · SNP 검출 프로브가 상용 카탈로그로 판매된다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §5.1 · Fig. 11a/11b (refs [120,124]) ｜ 상용 제품 예시는 벤더 제품 페이지(QIAGEN miRCURY LNA miRNA probe · PNA Bio) — 논문 외부

PNA clamping에 의한 야생형 증폭 억제와 변이 검출

환자 혈장에서 KRAS · BRAF 돌연변이를 선택 검출 · 클릭하면 한 단계씩

XNA clamping PCR

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §5.1 (refs [121–123]) · Fig. 11

PNA — 폴리아마이드 골격과 증폭 제어

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Kyoto-U OCW (2:48)YouTube에서 보기 ↗

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관찰할 내용

볼 것 — 당 · 인산 대신 폴리아마이드 골격 — PNA clamping 위젯에서 왜 PNA가 연장되지 않는가 (교토대 OCW)

개념 연결

당–인산 골격과 PNA 골격의 비교
PNA 결합과 중합효소 연장의 구분

영상: Kyoto-U OCW · YouTube 제목·제작자 확인: 2026-10-07 · 긴 강연은 필요한 구간을 선택하여 시청

ASO 치료 — exon skipping과 exon inclusion

그림 a · 왼쪽

Dystrophin pre-mRNA와 PMO를 그렸으며 exon 51 skipping을 보여준다. 본문이 설명하는 eteplirsen 기전에 해당한다.

그림 b · 오른쪽

SMN2 pre-mRNA에서 exon 7 inclusion을 보여준다. 본문의 nusinersen 설명과 연결하되 약물의 변형은 2′-MOE + PS로 구분한다.

원문 표기 대조

원 캡션은 a/b 설명을 반대로 적고, 오른쪽 그림에는 2′-OMe 표기가 있다. 그림은 수정 없이 보존하고, 약물 설명은 본문의 2′-MOE와 구별한다.

ASO — 스플라이싱 조절의 실제 기전

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Fixing Genes with Antisense Oligonucleotides (ASOs)

Harvard Medical School (2:12)YouTube에서 보기 ↗

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관찰할 내용

볼 것 — 안티센스 올리고가 RNA에 붙어 유전병을 고치는 원리 — nusinersen · eteplirsen 도입 (Harvard Medical School)

개념 연결

RNA 결합 위치와 스플라이싱 변화
Exon skipping과 inclusion의 구분

영상: Harvard Medical School · CureDuchenneMD · YouTube 제목·제작자 확인: 2026-10-07 · 긴 강연은 필요한 구간을 선택하여 시청

XNA 기반 승인 약물의 작용 기전

Antisense oligonucleotide · 논문 §5.2 본문 기반 재구성 (논문에 약물 표는 없음)

nusinersen (Spinraza) · SMA

2016 승인 · 18-mer · phosphorothioate 골격 + 2′-O-(2-methoxyethyl)(2′-MOE) 리보스 변형. SMN2 유전자의 pre-mRNA 스플라이싱을 바꿔 운동뉴런에서 필수 단백질을 복원

보조 · 논문 외부: 정확한 표적은 SMN2 인트론 7의 ISS-N1이며 hnRNP A1/A2를 밀어내 U1 snRNA 결합을 유도해 exon 7 포함을 이끈다. 로컬 논문은 “SMN2 스플라이싱 변경”까지만 서술

eteplirsen · DMD

2016 승인 · 30-mer PMO(phosphorodiamidate morpholino oligomer) — 골격 전체가 XNA 인 대표 사례. dystrophin pre-mRNA에 결합해 exon 51 skipping 을 유도. 전량 화학 합성 으로 생산 → PART 3와 직결

왜 반복 투여가 되는가 — 모르폴리노는 전하를 갖지 않아 뉴클레아제에 저항하고 면역 센서를 활성화하지 않는다 (§5.2)

공통점 — 둘 다 단백질을 만들거나 끄는 것이 아니라 스플라이싱을 다시 쓰는 약이다. 그리고 둘 다 오늘 PART 3에서 본 고상 화학 합성의 산물이다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §3.1 · §5.2 · Fig. 12 (패널과 캡션의 a/b 배치 차이는 원그림 해설 참조) (refs [126,127]) · 표가 아닌 본문 서술을 카드로 재구성　｜　ISS-N1 상세는 논문 외부 자료

전달 플랫폼 — 안정한 분자를 세포 안까지

a · 네 전달 전략

LNP, aptamer–drug conjugate, AuNP, cell-penetrating peptide를 비교한다. 포장·표적화·표면 제시·세포 침투가 서로 다른 역할이다.

b · 세포 유입

수용체 인식·endocytosis·payload 방출의 흐름을 따라간다. 분자가 잘 결합하는 것과 세포 안 표적까지 도달하는 것은 별개의 문제다.

본문의 한계

전달 효율·조직 선택성·endosomal trapping·안전성이 남은 과제다. 그림의 화살표는 모든 제형에서 검증된 동일 효율을 의미하지 않는다.

차세대 화학 · 전달 플랫폼 · XNAzyme

승인 두 건 다음에 오는 것들 — 그리고 XNA가 촉매가 될 때

차세대 치료 화학 (§5.2)

TNA — 짧아진 3′-2′ 연결 덕에 siRNA 안티센스 가닥 특정 위치에 넣으면 저항성↑ off-target↓
tc-DNA ASO — DMD 임상 개발 진입
7′,5′-α-bc-DNA — DMD · SMA 동물모델에서 스플라이싱 조절

XNAzyme — XNA가 촉매가 된다 (§5.5)

완전 2′-FANA 로 만든 FANAzyme 이 표적 RNA를 정해진 위치에서 절단하며, 생리 조건에서 천연 DNAzyme에 근접 하는 촉매활성을 보였다
한계 — 대부분의 XNAzyme은 여전히 천연 대응물보다 효율이 낮다

전달 플랫폼 4종 (Fig. 13)

LNP 지질 나노입자 (~100 nm) ／ ApDC 압타머-약물 접합체 — 승인 0건, 임상 다수 (압타머는 항체보다 작아 침투 좋고 면역반응 적음) ／ SNA 금 나노입자 기반 구형 핵산 ／ CPP 세포투과 펩타이드 — 합성 CPP DG9 를 DMD용 모르폴리노 ASO에 접합하자 근육 흡수가 크게 개선되어 exon skipping · dystrophin 복원 (비접합은 흡수 불량)

치료 밖의 응용 (§5.5)

나노재료 — DNA origami 말단에 TNA를 효소적으로 붙인 ‘DNA-TNA chimera’ 가 혈청 · 생체 뉴클레아제 조건에서 구조 유지
합성생물학 — HNA 가닥을 대장균 표면에 붙여 세포 응집 · 군집 제어
조력자 — CRISPR 변형 gRNA는 안정성↑ off-target↓

XNA는 최종 약물일 수도(eteplirsen), 다른 기술을 가능하게 하는 부품일 수도(변형 gRNA · origami 보호) 있다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §5.2 (refs [128–131]) · §5.3 · Fig. 13 · §5.5 ｜ Qin et al., Angew. Chem. Int. Ed. 63 (2024) e202317334 (ref [146]) · Gasse et al., ChemBioChem 24 (2023) e202300191 (ref [147])

PART 6

DNA 데이터 저장에서의 XNA

Density and Durability — and the Read Problem

뉴클레오타이드 1개 = 원자 30–35개로 2 bit
이론 375 EB/g 과 실제 215 PB/g 사이의 격차
TNA에 23 kB — 뉴클레아제 처리 후에도 완전 복구
그리고 막히는 곳: 비용 · 중합효소 · 시퀀싱

저장 밀도와 유전 알파벳 확장

§5.DNA Data Storage 4 · 3 2 bit/nt 매핑이 여기서 설계 변수가 된다

§5.4의 숫자 세 개

뉴클레오타이드 1개 = 원자 약 30–35개 로 2 bit 를 인코딩
이론 한계 375 EB/g (약 3×10²¹ bit)
실제는 오류정정 · 주소 지정 오버헤드 때문에 ~1 bit/nt → 215 PB/g

알파벳을 늘리면 밀도가 늘어난다

알파벳	문자 수	bit/nt	근거
A · T · G · C	4	2.00	DNA Data Storage 3 매핑
hachimoji	8	3.00	log₂ 8
AEGIS	12	3.58	log₂ 12

밀도만이 아니다 — DNA Data Storage 4와의 연결

알파벳이 넓어지면 같은 길이에 더 많은 중복(redundancy) 을 심을 수 있다 → RS · XOR 같은 오류정정의 여력 도 함께 늘어난다. 실용 사례로 5-methylcytosine 을 추가한 확장 알파벳 저장이 보고됐다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §5.4 ｜ 215 PB/g · ~1 bit/nt 원출처 Erlich Y, Zielinski D. Science 355 (2017) 950–954 (ref [140]) ｜ 5mC 저장 Liu et al., Gigabyte 2025 gigabyte147 (ref [142]) ｜ bit/nt는 log₂ 계산

알파벳 확장 — 비천연 염기쌍

본문 개념과 영상의 실제 공정·반응 기전 비교 · 재생 버튼 선택

Ichiro HIRAO - Genetic alphabet expansion...

Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES) (33:53)YouTube에서 보기 ↗

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관찰할 내용

과제 시청 — 비천연 염기쌍으로 알파벳을 넓힌다: PART 6 '저장 밀도 — 알파벳 확장' 예습

개념 연결

염기 종류 증가와 정보 표현의 관계
확장된 염기쌍의 합성·복제·판독 조건

영상: Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES) · YouTube 제목·제작자 확인: 2026-10-07 · 긴 강연은 필요한 구간을 선택하여 시청

TNA 기반 23 kB 데이터 저장과 뉴클레아제 저항성

“XNA로 저장하면 무엇이 좋은가”에 단 하나의 실험으로 답한 사례 · 클릭하면 한 단계씩

Reading and writing digital information in TNA

축 ① 알파벳 확장

페이로드 밀도와 중복 인코딩 기반 오류정정 여력 증가 (§5.4)

축 ② 내구성

뉴클레아제 저항 · 열안정성 · 산화손상 저감 → 논문은 우주 기반 저장 · 가혹한 지상 환경 보존 용도를 명시 (§5.4)

보존 기간 비교

통제 조건 DNA = 수백~수천 년 ／ 종래 디지털 매체 = 수십 년 내 열화 (§5.4)

보조 · 논문 외부: TNA는 pH 3.3 · 90 °C, FANA · PS-DNA는 위액 pH 1.2 에서 견딘다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §5.4 (refs [13,142–145]) ｜ 23 kB 실증 원출처 Yang K, McCloskey CM, Chaput JC. “Reading and Writing Digital Information in TNA”, ACS Synth. Biol. 9 (2020) 2936–2942 (ref [144])　｜　극한 조건 수치: Wang Y, Pei Y, Tang L et al., Nat. Commun. 17 (2026) 2354 — 논문 외부

XNA 데이터 저장의 합성·판독 제한 요인

합성 비용 · 중합효소 판독 불가 · 시퀀싱 호환성 — 저장 매체의 조건은 “읽을 수 있는가”

합성 비용 — 모노머의 다단계 입체선택 합성과 스케일업이 §6의 첫 한계. 당을 고르는 것이 곧 단가를 고르는 것
중합효소 판독 불가 — XNA 복제 · 전사 · 번역 효소계가 아직 초기 단계. DNA Data Storage 5 올리고 구조의 프라이머 · 인덱스는 표준 PCR로 읽히는 것을 전제로 설계됐다
시퀀싱 호환성 — 표준 NGS는 천연 뉴클레오타이드를 전제한다. 세 가지 우회 경로가 있고, 모두 제약이 있다

비용 감각 · 논문 외부 (단위가 달라 직접 비교가 아님)

천연 dA/T/G/C 올리고 $0.77 / 100 nmol 대 TNA phosphoramidite $1,875 / 0.25 g · L-DNA phosphoramidite $150 / 0.25 g. 단위가 일치하지 않으므로 자릿수 차이로만 받아들일 것

읽기 경로	방법	한계
① 간접 변환 표준 경로	공학 역전사효소 → cDNA → PCR → Sanger / NGS	변환 단계가 필요 · XNA aptamer SELEX에서 실제 사용
② 직접 Sanger	Bst F710Y 변이체가 XNA를 주형으로 읽고 ddNTP를 효율적으로 도입. BigDye 표지로 자동 유전분석기 구동	최대 50 base
③ nanopore	판독에 폴리머레이스가 필요 없다 · 이온전류 패턴으로 비천연 뉴클레오타이드 구분	신호 해석 · 검증이 초기 단계 (2′-FANA와 RNA 구분 가능성 제시)

한 줄

쓸 수 있어도 읽을 수 없으면 저장 매체가 아니다. XNA 데이터 저장에는 쓰기와 함께 호환 가능한 판독 기술이 필요하다

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §4.5 · Fig. 10a/10b (refs [108–112]) · §6 ｜ 직접 Sanger 원출처 Wang et al., “Sanger sequencing of Xeno-nucleic acid”, Angew. Chem. Int. Ed. 65 (2026) e16617 (ref [110])　｜　가격은 Nat. Commun. 17 (2026) 2354 — 논문 외부

퀴즈 2 — 밀도 · 내구성 · 읽기

각 문항을 눌러 답 확인

알파벳이 4문자 · 8문자 · 12문자일 때 각각 몇 bit/nt 인가? 계산 과정을 쓰라.

log₂ 4 = 2.00 · log₂ 8 = 3.00 · log₂ 12 ≈ 3.58 bit/nt. DNA Data Storage 3 2 bit/nt 매핑이 4문자 경우다. 실제 구현은 오류정정·주소 오버헤드로 ~1 bit/nt까지 떨어진다(§5.4).

ΔTm이 −4.5 ~ −5.5 °C 로 duplex를 불안정화하는 TNA가 데이터 저장 실증에 쓰인 이유는?

뉴클레아제 저항성 때문. 결합 세기(Tm)와 화학적 · 효소적 내구성은 서로 다른 축이다. 실제로 DNA 메시지를 파괴한 뉴클레아제 처리 후에도 TNA는 23 kB를 완전한 정확도로 복구했다. Yang, McCloskey, Chaput, ACS Synth. Biol. 9 (2020) 2936.

XNA로 쓴 정보를 읽는 세 경로와 각각의 한계를 쓰라.

① 간접 변환 — 공학 RT로 cDNA → PCR → Sanger/NGS · 변환 단계 필요 ② 직접 Sanger — Bst F710Y가 XNA를 주형으로 읽음 · 최대 50 base ③ nanopore — 폴리머레이스 불필요 · 신호 해석 검증이 초기. §4.5, Fig. 10.

어떤 CD 스펙트럼이 +262 nm 강한 양의 밴드와 −215 nm 음의 밴드를 보였다. 어떤 나선형을 시사하는가? 이것만으로 XNA 종류를 확정할 수 있는가?

A-form에 부합하는 패턴이다. LNA를 포함한 duplex나 2′-O-methyl RNA 등이 보일 수 있지만, CD만으로 XNA 종류를 확정할 수 없다. 시료 조성·측정 조건·대조군과 MS/NMR 등 추가 증거를 함께 확인한다(§4.2).

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §4.2 · §4.5 · §5.4 · Table 1

XNA의 구조·합성·응용과 향후 과제

논문 §6 · 그리고 오늘 배운 것을 한 줄로

논문이 꼽은 한계 5가지 (§6) — 풀면 무엇이 열리는가

① 모노머 다단계 합성 · 스케일업 비용 → 풀리면 XNA가 카탈로그 시약이 된다
② XNA 복제 · 전사 · 번역 효소계 초기 단계 → 완전 합성 유전시스템
③ 생체분자 복합체 상태의 구조 규명 난이도 → 합리적 약물 설계
④ 면역반응 없이 표적 조직에 도달하는 전달 시스템 부재 → 반복 투여 가능한 치료제
⑤ 표준 QC 지표 · 규제 프레임워크 미비 → 임상 · 산업 진입

전망 3가지 (§6)

① AI · 머신러닝을 XNA 설계에 결합해 최적 물성 분자 탐색 가속 ② XNA 기반 합성생물학 회로와 인공 유전시스템 ③ 재료과학 · 나노기술로의 확장

오늘의 핵심 세 줄

① XNA는 당을 바꾼 핵산이고, 두 그룹 · Table 1의 9종으로 정리된다
② 바꾼 대가는 모노머 합성 에서 치르고, 얻은 것은 Tm · 뉴클레아제 저항 · 판별력 이며 세 가지는 서로 다른 축이다
③ 데이터 저장에서 XNA의 값은 밀도(알파벳 확장) 와 내구성(TNA 23 kB) 두 축으로 나타나고, 병목은 읽기 에 있다

토론거리 — 생물학적 격리

§6의 한계 ②를 저장 관점에서 다시 읽으면, XNA로 쓴 데이터는 천연 효소계가 복제 · 전사하기 어렵다는 뜻. 한계인가, 기능인가? — 논문의 주장이 아니라 오늘 강의가 던지는 질문

스케일 감각

오늘 본 9–10종은 대표 사례 — ‘The XNA alphabet’(NAR 2025)은 변종 80종 이상을 카탈로그화

Lee et al., Bioorg. Chem. 179 (2026) 110000 — §1 · §6 ｜ Chaput JC, Egli M, Herdewijn P. “The XNA alphabet”, Nucleic Acids Res. 53(13) (2025) gkaf635

질의응답

“XNA는 유전정보 저장이 DNA · RNA의 전유물이 아니라 합리설계로 접근 가능한 더 넓은 화학 공간임을 보여 주었다 — 데이터 저장에서 그 값은 밀도와 내구성 두 축으로, 적용상의 제한은 합성 비용과 판독 호환성이다.”

송영준 Youngjun Song, Ph.D. · 인천대학교

교재 · Lee W, Kang T, Yu M, Haider Z, Lim D, Song Y. “Xeno nucleic acids (XNAs): advances in synthesis, diagnostics, and therapeutics”, Bioorganic Chemistry 179 (2026) 110000 — 본 강의를 맡은 연구실의 리뷰 논문