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소금쟁이 착안해 나노박막 물성 측정법 개발
-“수 nm 두께 나노박막의 기계적 물성도 손쉽게 측정할 수 있어”-- 네이처 커뮤니케이션즈 3일자 게재 -
우리 학교 기계공학과 김택수 교수와 한국기계연구원(원장 최태인) 나노역학연구실 현승민 박사 공동연구팀은 물 표면의 특성을 이용해 나노박막의 기계적 물성을 평가하는 새로운 방법을 개발했다.
연구결과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)" 3일자 온라인판에 게재됐다.
이번에 개발된 기술을 활용하면 직접 측정하기 어려운 나노박막의 강도, 탄성 등 기계적 물성을 직접 측정해 정확한 결과 값을 얻을 수 있다. 또 방법이 간단해 나노박막 기계적 물성 평가의 새로운 패러다임을 제시한 것으로 학계와 산업계는 평가하고 있다.
나노박막의 기계적 물성 평가는 반도체, 디스플레이 등의 신뢰성을 예측하는데 중요한 것은 물론 나노 세계의 새로운 현상을 발견하는데도 필요하다. 그러나 기계적 강도는 구조물이 바닥으로부터 떨어져 측정을 하는데 나노박막의 경우 쉽게 부서지는 문제점이 있어 시험이 어려웠다.
연구팀은 소금쟁이와 같은 곤충이 물의 표면 위를 자유로이 떠다니는 것에 착안했다.
연구팀은 표면 장력이 크고 낮은 점성을 갖는 물의 특성을 이용해 물 표면에 약 55nm(나노미터) 금나노박막을 띄워 놓고 손상 없이 기계적 물성을 정확하게 특정하는데 성공했다.
이 기술을 이용하면 다양한 종류의 나노박막 뿐만 아니라 두께가 수 나노미터에 이르는 박막의 기계적 물성까지도 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
김택수 교수는 이번 연구에 대해 “물의 특성을 이용한 새로운 강도 시험 방법의 개발을 통해 기존에 접근하기 어려웠던 나노박막의 기계적 물성 평가를 효과적으로 수행할 수 있게 됐다”고 의의를 밝혔다.
또 “향후 기존의 강도 시험법으로는 측정이 불가능했던 그래핀과 같은 2차원 나노박막의 기계적 물성을 밝혀나갈 계획”이라고 말했다.
KAIST 기계공학전공 김재한 박사과정(제1저자) 학생이 KAIST 김택수 교수, 한국기계연구원 현승민 박사의 지도를 받아 수행한 이번 연구는 한국연구재단 신진연구지원사업, 한국기계연구원 주요연구 사업과 21세기 프론티어 사업의 지원으로 수행됐다.
<물 표면을 이용한 나노박막의 기계적 물성 평가 과정>
<왼쪽에서부터 현승민 박사, 김재한 박사과정생, 김택수 교수 (카이스트, 한국기계연구원 공동 연구팀)>
2013.10.14 조회수 16814 -
세계 최초로 미생물 이용 가솔린 생산
- 대장균의 지방산 대사회로를 대사공학적으로 개량하여 알코올, 디젤, 가솔린 생산 -
우리 학교 연구진이 세계 최초로 대사공학적으로 개발된 미생물을 이용하여 바이오매스로부터 가솔린(휘발유)을 생산하는 원천기술을 개발했다. 이 신기술은 나무 찌꺼기, 잡초 등 풍부한 비식용 바이오매스를 이용하여 가솔린, 디젤과 같은 바이오연료, 플라스틱과 같은 기존 석유화학제품을 생산할 수 있어 생명공학 등 관련 산업기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기) 글로벌프론티어사업의 차세대 바이오매스 연구단(양지원 단장)과 기후변화대응 기술개발사업의 지원으로 이상엽 특훈 교수팀이 진행하였으며, 연구결과는 네이처(Nature) 9월 30일(온라인판)에 게재되었다.
* 논문명 : Microbial production of short-chain alkanes
연구팀은 세포의 유전자를 조작하여 원하는 형태의 화합물을 대량으로 생산하도록 하는 기술인 대사공학을 이용하여 크래킹(cracking) 없이 세계 최초로 미생물에서 직접 사용가능한 가솔린을 생산하는데 성공했다.
* 크래킹 : 끓는점이 높은 중질유를 분해하여 원료유보다 끓는점이 낮은 경질유로 전환하는 방법
가솔린은 탄소수가 4~12개로 이루어진 사슬모양의 탄화수소 화합물로 그 동안 미생물을 이용하여 ‘짧은 사슬길이의 Bio-Alkane(가솔린)’을 생산하는 방법은 개발되지 않았다. 따라서 기존 기술은 추가적인 크래킹(cracking) 과정을 거치지 않고는 가솔린으로 전환할 수 없어 비용과 시간이 많이 소요되는 한계가 있었다.
* 2010년 미국에서 사이언스지에 발표한 미생물 이용 Bio-Alkane(배양액 1리터당 약 300mg)의 경우 탄소 사슬 길이가 13～17개인 바이오 디젤에 해당
연구팀은 대사공학기술을 미생물에 적용하여 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하고, 지방산의 길이를 원하는 목적에 맞게 조절할 수 있는 효소를 새롭게 발견하였으며, 개량된 효소를 도입하여 미생물에서 생산하기 어려운 길이가 짧은 길이의 지방산 생산에 성공하였다.
또한 세포내에 생산된 짧은 길이의 지방산 유도체로부터 가솔린을 생산할 수 있는 추가 대사반응과 생물체 내에 존재하지 않는 식물 유래의 신규 효소를 포함하는 합성대사경로를 도입하여 최종 대장균 생산균주를 개발하였다. 이렇게 개발된 대장균을 배양하여 배양액 1리터당 약 580mg의 가솔린을 생산하는데 성공했다.
개발된 기술은 바이오 연료, 생분해성 플라스틱 등과 같은 다양한 바이오 화합물을 생산할 수 있는 플랫폼 기술이 될 수 있을 것으로 전망된다.
또한 이 기술을 활용하면 재생 가능한 바이오매스를 전환하여 바이오 연료, 계면활성제, 윤활유 등으로 이용할 수 있는 알코올(Fatty alcolols) 및 바이오 디젤(Fatty ester)도 생산이 가능하다는 점에서 기존의 석유기반 화학산업을 바이오기반 화학산업으로 대체하는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.이상엽 교수는 “비록 생산 효율은 아직 매우 낮지만 미생물을 대사공학적으로 개량하여 가솔린을 처음으로 생산하게 되어 매우 의미있는 결과라고 생각하며, 향후 가솔린의 생산성과 수율을 높이는 연구를 계속할 예정”이라고 밝혔다.
그림 1. 대장균을 이용한 바이오 매스로부터 short-chain alkane(가솔린)을 생산하는 대사회로
a) 지방산 분해 회로 차단, b) 바이오 매스로부터 짧은 길이의 지방산을 대량 생산, c) 지방산을 가솔린 생산의 중간체인 fatty acyl-CoA로의 전환 유도, d) fatty acyl-CoA의 가솔린의 직접적인 전구체인 fatty aldehyde로의 전환 유도, e) 최종 가솔린 생산
(보충설명) 미생물의 세포 내부를 들여다보면, 매우 복잡한 지방산 대사회로 네트워크가 존재 한다. 지방산은 세포 내부에서 합성되어, 미생물이 살아가는데 필요한 세포막을 형성하거나, 분해되어 에너지원으로 사용되기도 한다. 대부분의 미생물에서 지방산은 전체 세포의 1%도 되지 않을 만큼 소량 만들어지고, 지방산의 길이 또한 매우 길기 때문에, 이러한 지방산을 이용해서 우리가 원하는 화합물을 대량으로 만들거나, 새로운 화합물을 생산하는 것은 매우 어려웠다. 이를 극복하기 위하여, 이상엽 특훈교수 연구팀은 시스템 대사공학적 기법을 대장균에 도입하여 효소의 개량 및 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하여 짧은 길이의 지방산 과생산에 성공하였고, 생물체내에 존재 하지 않는 신규 회로를 도입하여 지방산을 가솔린으로 전환하는데 성공하였다.
그림 2. short chain alkane을 생산하는 발효 공정 시스템 (보충 설명) 위와 같은 cooling 장치가 연결된 발효기를 통하여 가솔린을 생산함
2013.10.01 조회수 22945 -
양자점 이용한 고효율 투명 태양전지 개발
- 양자점 전해질에 분산해 9%대 고효율 염료감응 태양전지 원천기술 개발 -- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 19일자 게재 -
우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용해 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.
현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수를 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 빛 흡수를 높이기 위해 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.
아직은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.
이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율이 증가했으며 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교에서도 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.
강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.
그림1. 모바일 양자점이 포함된 염료감응태양전지의 흡수 스펙트럼, 외부양자효율, 전압-전류.(상단) 플라즈몬 구조, 빛반사층과 모바일 양자점이 구현된 태양전지의 외부양자효율, 산란파워, 그리고 사진의 비교. (하단)
그림2. 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(좌측)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (우측): Foster Resonance Energy Transfer (FRET) (상단), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(중단), 2광자 흡수 (하단)
그림3. 염료감응 태양전지 샘플
그림4. 연구원 사진
2013.09.25 조회수 16574 -
세계 최초 맞춤형 미생물 균주 대량 생산기술 개발
- 고부가가치 산업원료 생산 균주를 간편하고 빠르게 개발할 수 있는 원천기술 확보 -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 유승민 연구교수 연구팀은 나일론 등 산업에 필요한 원료를 만드는 미생물 균주를 친환경 방법으로 쉽고 빠르게 대량 생산할 수 있는 ‘합성 조절 RNA’ 설계 원천기술을 세계 최초로 개발했다.
이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 프로토콜스(Nature Protocols) 9월호 표지논문으로 선정되어 8월 9일 게재(온라인판)됐다.
’합성 조절 RNA 설계 기술’은 기존에 산업 균주를 개량하거나, 아직까지 알려지지 않은 미개척 산업 균주 개발‧개량에 광범위하게 적용이 가능하여 비천연 고분자를 포함한 다양한 화학물질, 원료, 의약품 등을 보다 효율적으로 개발, 생산할 수 있는 핵심원천기술이다.
기존의 균주개발은 유전자 결실(knockout) 이라는 유전공학 기법을 이용하여 미생물 염색체 내의 유전자를 하나씩 제거하는 방법을 통해 미생물내의 생산 물질의 양이 증가하는지를 관찰하는 것이었다.
그러나 아무리 작은 미생물일지라도 수천 개 이상의 유전자로 이루어져 있기에 이런 접근 방법을 통해 생물체 대사회로내의 모든 유전자를 조절한다면 수개월에서 수년의 시간이 소요되고 대용량 실험이 매우 어려우며, 미생물의 생장을 저해하고 원치 않은 물질들이 생산되는 한계가 있었다.
이상엽 교수와 유승민 연구교수는 이러한 기존 방법의 한계 극복을 위해 해당 유전자와 결합되는 부위의 합성 조절 RNA 유전정보를 바꾸는 ‘합성 조절 RNA’ 설계법을 개발하였다.
이를 통해 대장균의 조절 RNA를 기본골격으로 하여 세포내 존재하는 유전자의 발현을 단백질 수준에서 제어할 수 있는 맞춤형 합성 조절 RNA를 3~4일내에 제작할 수 있는 원천기술을 개발하였다.
이렇게 설계된 합성 조절 RNA들은 미생물 게놈을 건드리지 않은 채 유전자 전달체에 삽입하여 제작되므로 여러 종류의 균주들과 여러 유전자들에 대하여 동시다발적인 대용량 실험이 가능하다.
또한, 다양한 균주에 적용시 고효율의 균주를 선별하거나, 유전자 발현조절 효율이 가장 좋은 목적 유전자를 선별할 수 있어 향후 조절 RNA 라이브러리(Library)까지 구축할 수 있다.
네이처 프로토콜스 편집자인 이탄 즈로토린스키(Eytan Zlotorynski) 박사는 “본 논문은 합성 sRNA를 디자인하고 응용하는데 필요한 상세한 프로토콜을 기술하고 있어 생명과학과 생명공학 분야 연구에 매우 널리 활용될 것이며, 특히 대사공학과 합성생물학 연구에서 유용할 것이다”라고 말했다.
KAIST 산학협력단 배중면 단장은 “본 원천기술에 대해 이미 해외 기업들이 관심을 표명하며 기술이전계약을 제안하고 있으므로 2년 이내에 기술이전이 이루어질 것으로 본다“고 밝혔다.
2013.08.09 조회수 13604 -
뇌신경전달 단백질의 구조와 작동원리 규명
- 생체막 융합 단백질의 구조변화 실시간 측정 -- 퇴행성 뇌질환 연구에 실마리 제공 -
우리 학교 물리학과 윤태영 교수 연구팀이 자기력 나노집게를 이용해 뇌신경세포사이의 신경물질전달에 가장 중추적인 역할을 하는 스네어(SNARE) 단백질의 숨겨진 구조와 작동원리를 단분자 수준에서 밝히는데 성공했다.
스네어 단백질의 세포막 융합기능은 알츠하이머병 같은 퇴행성 뇌질환이나 신경질환과 밀접하게 연관되어 있어 이 같은 질병의 예방과 치료법 개발에 새로운 실마리가 될 것으로 기대된다.
뇌의 신경전달은 신경세포 말단 시냅스에서 신경전달물질을 저장하는 포낭 주머니가 세포막에 융합되면서 일어난다. 이 과정에서 스네어 단백질은 신경전달물질 분출에 가장 핵심적인 역할을 하는 세포막 융합 단백질이다.
지금까지 학계에서는 스네어 단백질이 신경물질을 주고받는 과정을 조절할 것이라고 추정해 왔지만 그 구조와 기능을 명확하게 밝혀내지 못했다.
연구팀은 자기력 나노집게를 이용해 피코 뉴턴(pN, 1조분의 1뉴턴) 수준의 힘으로 단백질 하나를 정교하게 당겼다 놓으면서 나노 미터수준의 물리적 변화를 실시간으로 측정하는 실험기법을 개발했다.
이를 통해 스네어 단백질에 숨겨진 중간구조가 존재하며, 이 구조에 대한 정밀한 측정결과 중간상태가 어떤 구조를 갖는지 정확하게 예측했다.
이와 함께 생체막 사이에 있는 스네어 단백질의 중간구조가 생체막이 서로 밀어내는 힘을 견디고 유지하면서 신경물질을 주고받는 과정을 조절하는 역할을 할 수 있음을 밝혔다.
윤태영 교수는 “생체단백질이 갖는 숨겨진 구조와 작동원리를 힘을 정교하게 조절하는 실험만으로 직접 관찰하는 것과 동일한 획기적 연구 결과를 일궈냈다”며 “이 기술은 생물학의 연구대상을 물리학적인 방법 연구하는데 매우 중요한 기술로 향후 학제적 융합연구에 매우 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 물리학과 윤태영 교수와 김기범 연구교수의 주도 아래 KIST 의공학연구소 신연균 교수와 공동연구로 진행됐고, KAIST 물리학과 조용훈 교수, 민두영 박사과정, KIAS 계산과학부 현창봉 교수가 참여했으며, 이번 세계적 과학학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 4월 16일자에 게재됐다.
(a) 뇌의 신경전달은 신경세포 말단 시냅스에서 신경전달물질을 저장하는 포낭 주머니가 세포막에 융합되면서 일어난다. 이 과정에서 스네어 단백질은 신경전달물질 분출에 핵심적인 역할을 한다.
(b) 자기력 나노집게를 이용하여 단분자 수준에서 단백질 구조 변화를 실시간으로 측정방법의 개략도. 피코 뉴톤(pN) 수준의 힘으로 단백질 하나를 정교하게 당겼다 놓으면서 나노 미터수준의 물리적 변화를 실시간으로 측정하여 생체막 융합 단백질의 숨겨진 중간구조와 작동원리를 단분자 수준에서 관찰한다.
2013.05.09 조회수 15879 -
세포 내 단백질분해 복합체 조립과정 규명
- 바이오 투과전자현미경을 사용한 고해상도 3차원 구조분석 성공 -
- “신규 항암제 개발에 커다란 도움 될 것” -- 네이처(Nature) 5월 5일자 게재 -
단백질분자도 전자현미경을 이용해 관찰하고, 고해상도 3차원 구조를 분석하는 것이 가능해졌다.
우리 학교 의과학대학원 김호민 교수가 바이오 투과전자현미경을 이용해 세포 내 단백질의 분해를 담당하는 프로테아좀(proteasome) 복합체의 고해상도 구조를 규명했다.
이번 연구는 세계 최고 권위 학술지 ‘네이처(Nature, IF= 36.28)’ 5월 5일자 온라인판에 게재됐다.
우리 몸은 단백질의 생성과 소멸을 통해 세포 내 여러 가지 작용을 조절하고, 항상성을 유지한다. 프로테아좀 복합체는 폐기물 처리시설처럼 세포 내부에 있는 필요 없는 단백질들을 적절한 시기에 없애주면서 생체 조절의 핵심기능을 맡고 있다.
그러나 프로테아좀 복합체에 돌연변이가 생기면 사람에게 발생하는 주요 질병인 암, 퇴행성 뇌질환, 면역질환 등으로 이어질 수 있다.
현재 혈액암의 일종인 다발성 골수종의 치료제로 사용되고 있는 벨케이드(Velcade)가 바로 이 프로테아좀의 기능을 억제해 암세포 분열을 억제하는 항암제인데, 보다 더 약효가 좋고 부작용이 적은 항암제 및 질병치료제 개발을 위해 프로테아좀 복합체 관련 연구가 20년 이상 꾸준히 진행되고 있다.
30여개의 단백질이 모여서 만들어진 프로테아좀 복합체의 경우 크기가 매우 크고 구조가 복잡하기 때문에 기능을 이해하기 위한 3차원 구조 분석에 많은 어려움을 겪어왔다.
연구팀은 기존에 널리 사용되던 단백질 구조분석기술인 단백질결정학 기술 대신, 바이오 투과전자현미경 안에 얼려진 단백질샘플을 넣고 수백 장의 사진을 찍은 후 여러 각도에서 찍힌 단백질 사진을 고성능 컴퓨터를 이용해 분석함으로써 프로테아좀 복합체의 3차원 구조를 규명하는데 성공했다.
이 기술은 단백질결정학을 이용한 방법 보다 적은 단백질 샘플로 분석이 가능하며, 크기가 아주 큰 복합체 분석에 용이하다는 장점이 있다.
김호민 교수는 이번 연구에 대해 “프로테아좀 복합체 조립과정 이해 및 3차원 구조 규명은 생체 내 단백질 소멸 조절 과정에 대한 이해를 높일 뿐 아니라 이를 활용한 신약 개발이 활발히 이루어 질 것”이라고 말했다.
또 “국내 처음으로 도입된 바이오 투과전자현미경을 이용한 고해상도 단백질 구조분석은 기존의 단백질 결정학 기술로 접근이 어려웠던 매우 큰 단백질 복합체의 구조 분석을 가능케 할 것”이라며 “단백질결정학 기술과 바이오 투과전자현미경기술을 상호보완적으로 사용한다면 향후 여러 단백질복합체 3차 구조 연구에 큰 시너지효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 김호민 교수가 미국 캘리포니아대학 샌프란시스코 캠퍼스에서 박사 후 연구원으로 있을 당시부터 수행해 온 연구로 이판 쳉(Yifan Cheng) 교수의 지도를 받았으며, 하버드대, 콜로라도대와 공동으로 수행됐다.
그림1. 바이오 투과전자현미경으로 찍은 얼려진 상태의 단백질 샘플(프로테아좀 복합체) 사진
그림2. 바이오 투과전자현미경 이미지 분석을 통한 단백질 3차 구조
2013.05.06 조회수 14024 -
단백질의 생체분자 인식 메커니즘 규명
- “단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 기작을 규명해 50년 동안의 수수께끼 풀었다” - - 생명현상의 이해와 효능이 높은 치료제 개발에 활용 가능성 기대 -
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 서울대학교 물리학과 홍성철 교수와 공동으로 단백질이 생체 내 분자를 인식하고 결합하는 메커니즘을 규명했다.
연구 결과는 생명과학분야의 권위지인 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 3월 18일자 온라인 판에 발표됐다.
단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 메카니즘을 밝혀낸 이번 연구로 인해 단백질의 조절기능을 보다 정확하게 파악할 수 있게 돼 앞으로 복잡한 생명현상을 이해하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
이와 함께 단백질의 생체분자 인식은 각종 질병의 발생과도 밀접하게 연관돼 있어 향후 효능이 높은 치료제 개발에도 기여할 것으로 전망된다.
핵산, 단백질 등으로 알려진 생체분자는 생물체를 구성하거나 생물의 구조, 기능, 정보전달 등에도 꼭 필요한 물질이다.
특히, 단백질은 생체분자를 특이적으로 인지하고 결합하면서 모든 생명현상을 조절해 생명현상을 유지하는데 가장 중요한 역할을 한다. 단백질의 생체분자 인식에 오류가 발생하면 비정상적 현상으로 각종 질병이 유발되기도 한다.
연구팀은 단백질이 다양한 구조를 갖는데 구조적으로 가장 안정한 ‘열린 구조’와 상대적으로 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’를 반복한다는 점에 주목했다.김 교수 연구팀은 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 생체분자가 결합하면서 단백질의 구조가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 실시간으로 분석했다.
연구결과 생체분자는 가장 안정된 구조의 단백질을 주로 선호하며 결합과 동시에 단백질을 가장 에너지 수준이 낮은 안정된 구조로 변화시킨다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
이와 함께 생체분자는 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’에도 결합해 단백질 구조를 변화시킨다는 사실도 밝혀냈다.
연구팀의 이번 결과는 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 현재까지 제안된 모델인 단백질이 생체분자와 결합하면서 구조가 변한다는 ‘유도형 맞춤 모델’과 단백질의 다양한 구조 중에서 최적의 하나만을 선택적으로 인지한다는 ‘구조 선택 모델’에 대해 처음으로 실험을 통해 완벽히 입증해 낸 것으로 학계는 평가하고 있다.
김학성 교수는 이번 연구에 대해 “생체분자가 존재하는 경우 단백질의 구조 전환 속도가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 분석해 단백질의 생체분자 인식 메카니즘을 처음으로 직접 증명한 것”이라며 “생물 교과서에 50년 동안 가설로만 인식되어지던 것을 세계 최초로 실험으로 증명해 풀리지 않을 것만 같았던 수수께끼를 풀어냈다”고 의의를 밝혔다.
그림1. 열린 구조와 부분적으로 열린 구조를 갖고 있는 단백질이 생체분자를 인지하고 결합하는 양상
그림2. 단백질의 다양한 구조 중에서 가장 안정한 상태인 열린 구조(open form)에 생체분자(ligand) 가우선적으로 결합해 더욱 안정한 완전히 닫힌 구조(closed form)로 변함. 또한 단백질의 불안정한 구조(partially closed form)에도 생체분자가 결합해 완전히 닫힌 구조로 변하게 함.
2013.03.21 조회수 14709 -
이산화탄소 포집 효율을 획기적으로 향상시킨 물질 개발
- 질소대비 CO2 선택성 300배 증가, 네이처 커뮤니케이션즈 게재 -
우리 학교 WS 대학원의 자페르 야부즈 교수, 알리 조스쿤 교수, 정유성 교수 공동연구팀이 질소대비 이산화탄소 선택성을 300배 높인 세계 최고 수준의 CO2흡수제를 개발했다.
최근 전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 현실적 대안으로 이산화탄소를 포집하여 저장․처리하는 CCS*기술의 중요성이 부각되고 있다.
* CCS : Carbon Capture and sequestration
현재 이산화탄소를 포집하는 기술로는 액상흡수제를 이용한 습식포집기술, 고체 흡수제를 이용한 건식포집기술, 필름과 같은 얇은 막을 이용하는 분리막 포집기술이 있다.
발전소, 제철소와 같이 이산화탄소 대량 배출원에 적용하게 되는 동 기술은 고온과 다량의 수분이 존재하는 극한조건하에서도 포집효율이 낮아지지 않는 것이 연구개발의 핵심과제이다.
기존에 연구되었던 건식흡수제인 MOF(Metal Organic Framework)나 제올라이트의 경우는 수분 조건에서 불안정하거나 합성이 비싸다는 단점이 존재하였다.
연구팀이 이번에 개발한 흡수제는 건식흡수제로서 ‘아조-코프(Azo-COP)’라고 명명하였는데 값비싼 촉매 없이도 합성이 가능하여 제조비용이 매우 저렴하며, 고온 및 수분 조건에서도 안정한 특성을 나타내었다.
코프(COP)는 간단한 유기분자들을 다공성 고분자형태로 결합시킨 구조체로 동 연구팀이 처음으로 개발한 건식 이산화탄소포집물질이다.
연구팀은 이물질에 ‘아조(Azo)’라는 기능기를 추가로 도입함으로써 질소를 배제하고 혼합기체 중에서 이산화탄소만을 선택적으로 포집하도록 하였다.
‘아조(Azo)"기를 포함하는 아조-코프(Azo-COP)는 일반적 합성방법을 통해 쉽게 제조하였으며, 값비싼 촉매대신 물과 아세톤 등의 용매를 사용해 불순물도 쉽게 제거함으로써 제조비용을 대폭 낮출 수 있었다.
특히, 아조-코프(Azo-COP)는 이산화탄소와 화학적 결합이 아닌 약한 인력을 통해 결합함으로써 흡착제 재생 에너지 비용을 혁신적으로 낮출 수 있으며,
350℃ 정도의 극한 조건에서도 안정해 이산화탄소 포집제로서 활용은 물론 더욱 가혹한 환경의 다양한 분야에서 포집 물질로 활용될 것으로 기대된다.
해당성과는 교과부 산하 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(센터장 박상도) 및 KAIST EEWS 기획단의 지원으로 이루어졌다.
자페르 야부즈 교수와 알리 조스쿤 교수는“Azo-COP를 CO2, N2 분리 실험에 적용한 결과 포집 효율이 수백배 향상됐다”며 “이 물질은 촉매가 필요 없고, 수분 안정성, 구조 다양성 등 우수한 화학적 특성으로 인해 앞으로 이산화탄소 포집을 비롯한 많은 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 1월 15일자로 게재됐다.
2013.02.01 조회수 17437 -
합성 조절 RNA를 이용한 세포공장 기술 개발
- 네이쳐 바이오테크놀로지 온라인판 게재.“화학 산업을 대체할 생물 산업 발전의 새로운 전략으로 기대” -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀이 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 세포공장*을 효율적이고 대규모로 구현하게 하는 새로운 기술을 개발했다. * 세포공장(Biofactory) : 세포의 유전자를 조작하여 원하는 화합물을 대량으로 생산하도록 만드는 미생물 기반의 생산 시스템
화석연료 고갈과 석유화학제품 사용에 의한 환경오염 등 인류가 직면한 문제를 해결하기 위해 친환경적이고 지속가능한 바이오산업이 대두되고 있으며 특히 바이오에너지, 의약품, 친환경 소재 등을 생산할 수 있는 세포공장 개발기술이 전 세계적으로 주목받고 있다.
우수한 세포공장 개발을 위해서는 원하는 화합물을 생산하는 유전자 선별과 높은 생산 효율의 미생물을 찾는 과정이 병행되어야 하나 기존의 연구방식은 미생물의 유전자를 하나씩 조작하여 복잡하고 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.
우리 학교 나도균 박사와 유승민 박사가 참여한 이상엽 특훈교수 연구팀은 위와 같은 기술적 한계를 극복하기 위해 합성 조절 RNA를 제작하고 이를 활용하는 새로운 기술을 개발하였다.
특히 합성 조절 RNA를 이용한 이 기술은 기존 방식과 달리 균주 특이성이 없어 수개월이 소요되던 실험을 수일로 단축시킬 수 있어 획기적이다.
연구팀은 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 의약 화합물의 전구체로 사용되는 타이로신(tyrosine)*과 다양한 석유화학 제품에 활용되는 카다베린(cadaverine)** 생산에 도입하여 세계 최고의 수율로 생산(각 21.9g/L, 12.6g/L)하는 세포공장을 개발하는데 성공하였다.
* 타이로신(tyrosine) : 스트레스를 다스리고 집중력 향상 효과가 있는 아미노산 ** 카다베린(cadaverine) : 폴리우레탄 등 다양한 석유화학 제품에 활용되는 기반물질
이상엽 교수는 “합성 조절 RNA기술로 다양한 물질을 생산하는 세포공장 개발이 활발해 질 것이며 석유에너지로 대표되는 화학 산업이 바이오 산업으로 변해 가는데 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 밝혔다.“
이번 연구는 글로벌프론티어사업(지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구단(단장 김선창))의 지원으로 수행되었으며 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 바이오테크놀로지 온라인 판에 1월 20일 게재되었다.
2013.01.21 조회수 16363 -
연성물질의 메조포러스 준결정 개발・분석 성공
오사무 테라사키 교수
- 네이처(Nature)지 7월 19일자 실려 -
메조포러스(mesoporous) 준결정(quaicrystal) 구조에 대한 의문이 우리 대학 연구진에 의해 보다 명확하게 풀렸다.
우리 학교 EEWS(책임교수 강정구) 대학원 소속 오사무 테라사키(Osamu Terasaki) 교수 연구팀이 불규칙적인 입자구조를 가지고 있는 준결정 메조포러스 실리카(quasicrystalline mesoporous silica) 합성에 성공하고 준결정 성장 과정을 분석하는 새로운 방법을 개발했다.
연구팀이 제시한 이론은 연성물질인 교질(micelles) 입자 형성 시 불규칙하게 나타나는 준결정 현상을 과학적으로 규명하는 토대를 만들었다. 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature)’는 7월호(19일자)에 테라사키(Terasaki) 교수 연구팀의 논문을 게재했다.
과학자들은 그 동안 연성물질(solidified version of soft matter systems)에서 발견되는 메조포러스 준결정 구조를 체계적으로 설명하는데 많은 어려움을 겪어왔다. 하지만, 이번 연구를 통해 얻은 연성물질 내 준결정 성장에 대한 이론적인 근거는 앞으로 이 분야에 대한 연구를 촉진시켜 나노 구조를 가진 신소재 물질 개발에 박차를 가할 것으로 예측된다.
연성물질의 메조포러스 준결정은 높은 대칭균형(high symmetry)과 나노 스케일(nano scale)보다 더 큰 특성적 크기(large characteristic length scale)를 가지고 있어 광학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 물질을 구현할 수 있다.
이를 활용하면 태양광을 사용하는 친환경적 에너지 저장 및 변환 기술 개발에 응용되어 지속가능한 에너지의 저장, 사용 및 재생산 기술 발전에 큰 도움을 줄 것으로 예상된다.
테라사키 교수 연구팀은 메조포러스 준결정 실리카 합성에 성공하고 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy)을 통해 실리카 입자 중앙에 12각형 기둥 모양의 순결정이 형성되어 있으며, 전자회절 무늬에서(electron diffraction pattern) 12각형의 회전대칭 무늬(rotational symmetry)가 순결정 주위에 형성되는 것을 증명하였다.
준결정(quasicrystal)은 준주기적 결정(quasiperiodic crystal)의 줄임말로서 금속 같은 일정한 규칙으로 배열된 결정 물질과 유리와 같은 비결정 물질의 중간 성질을 가지는 제 3의 고체(solid)로 최근 발견되었으며 2011년에는 노벨화학상이 이 분야 연구에 수여되기도 했다.
많은 양의 기공(porous)을 지닌 다공성 물질을 준결정으로 제조 하게 되면 기공들의 결정 구조를 ‘타일을 붙이듯(tiling)’ 원하는 방식대로 디자인 하고 성질을 조절하게 되어 다양한 분야에 필요한 새로운 소재를 개발하고 생산할 수 있게 된다.
테라사키 교수는 “높은 대칭성(high symmetry)을 가지는 준결정의 발견은 물질의 광학적 성질을 쉽게 조절해 가시광 영역대의 포토닉 크리스탈을 구현할 수 있다”며 “물질의 광학적 에너지 흡수를 조절 할 수 있는 이 기술은 향후 에너지 저장(energy harvesting)의 핵심기술이 될 수도 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원의 오사무 테라사키 교수와 스웨덴 스톡홀름(Stockholm University) 대학과 공동으로 수행되었다.(끝)
그림 1. 물질에서의 원자 배열 방법에 따라 구분되는 결정, 준결정과 비결정을 나타낸 모식도. 일반적으로는 원자가 일정한 패턴을 가지고 배열되어 있는 것을 결정, 그렇지 않은 것을 비결정이라고 하였으나, 준결정은 결정에서의 원자배열을 가지지는 않지만 정돈 되어 있는 구조이다. 투과전자현미경에서의 회절무늬를 보고 준결정을 판단할 수 있다.
그림 2. 메조포러스 실리카 준결정의 실제 모양과 원자 배열을 나타내는 투과전자현미경 이미지. 투과전자현미경으로부터 메조포러스 실리카가 12각형 기둥 모양을 하고 있음을 알 수 있으며(왼쪽 위의 이미지), 이는 투과전자현미경의 회절무늬에서도 나타난다(왼쪽 아래 이미지). 고배율의 투과전자현미경은 메조포러스 실리카의 실제 구조를 나타내고 있다(오른쪽).
그림 3. 메조포러스 실리카 준결정의 결정구조를 3차원 모델로 나타낸 모식도. 각각 다른 세 가지 다각형이 서로 정돈되어 결합해 메조포러스 준결정을 구성한다.
2012.07.24 조회수 19832 -
세계 최고 수준의 초신축성 전극소재 개발
- 정렬된 3차원 다공성 나노구조를 이용한 새로운 개념을 도입해 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 6월호 실려 -
돌돌 말리는 전자책이나 유연한 디스플레이, 옷처럼 입을 수 있는 컴퓨터 등 차세대 전자 소자를 구현하는 핵심 부품인 유연한 신축성 전극을 국내 연구진이 개발했다.
우리 학교 신소재공학과 전석우 교수 연구팀이 정렬된 3차원 다공성 나노구조를 이용하여 세계 최고 수준의 초신축성 소재를 개발하는데 성공했다.
이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)"지 6월 26일자 온라인판에 리서치 하이라이트로 공개됐다.
특히 이번 연구결과는 국내 연구진이 주축이 되어 일궈낸 값진 세계적인 성과로써 큰 의미가 있다.
전석우 교수팀은 연구팀이 보유한 세계 최대 면적의 3차원 나노 패터닝 기술을 이용하여 1인치 이상의 면적에 머리카락 굵기의 1/10에 해당하는 10마이크로미터의 두께를 가지는 정렬된 3차원 나노기공 구조를 제작했다.
연구팀은 제작된 나노기공 구조를 주형으로 활용하여 기공에 탄성중합체를 침투시킨 후에 주형을 제거하는 방법으로 역상의 3차원 신축성 나노소재를 제작하였고, 이 소재 내부에 액상의 전도성 물질을 침투시켜 초신축성 유연 전극을 개발하였다.
이렇게 개발한 전극을 200% 이상 늘어난 상태에서도 전기전도도의 저하 없이 발광다이오드(LED) 램프를 켤 수 있다.
기존에는 소재에 주름을 잡아 아코디언처럼 늘였다 줄였다 할 수 있게 만들거나 평면에 그물처럼 구멍을 뚫어서 신축성을 향상하는 방법을 사용했다. 하지만 이러한 방식은 신축성 향상이 제한적인데다 100%만 늘어나도 전기 전도도가 크게 저하되는 단점이 있었다.
전석우 교수는 “차세대 전자소자인 유연소자 개발에서 세계 최고 수준의 신축성 전극을 국내 기술로 개발함으로써 시장우위를 선점할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 전석우 교수(교신저자)의 지도아래 박준용 박사과정(제 1저자)이 주도적으로 진행하였고, KAIST 신소재공학과 김도경 교수, 미국 노스웨스턴대 후앙 교수, 미국 일리노이대 로저스 교수가 공동으로 참여했다.
그림 1. A는 3차원 나노패터닝 기술을 통해 제작된 다공성 고분자 주형. B는 A의 주사전자현미경(SEM) 이미지. C는 탄성중합체 침투 및 고분자 주형 제거를 통해 제작된 초신축성 3차원 소재.
그림 2. A는 3차원 초신축성 소재를 전극으로 이용하여 발광다이오드(LED) 소자를 구현하는 개념도이다. B는 220%까지 늘어난 후에도 밝기의 변화 없이 성공적으로 구동된 신축성 전자 소자이다.
그림 3. 이번 연구로 개발된 신소재의 개념도로써, 소재에 잡아당기는 힘이 작용했을 때 정렬된 3차원 나노기공 구조를 통하여 소재가 효과적으로 신축되는 모습을 형상화한 이미지이다.
2012.07.11 조회수 17036 -
고화질 초고속 차세대 디스플레이 개발 가능성 열어
- 세계 최고 ‘네이처’ 자매지 발표,“투명전극 나노패턴을 이용한 무배향막 액정 배향”-
기존의 LCD(액정디스플레이)와는 달리 고분자 배향막*이 필요 없는 신개념 LCD기술이 국내 연구진에 의해 개발되어, 더욱 얇으면서 화질이 뛰어나고 속도도 빠른 차세대 디스플레이 개발에 새로운 가능성을 열었다. ※ 고분자 배향막 : 액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름
우리 학교 생명화학공학과 정희태 석좌교수 가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 연구팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처’의 자매지 ‘Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)’ 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었다.
평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로 LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있고, 특히 우리나라가 세계시장의 50%이상을 점유하고 있는 세계선도 산업 중 하나이다. LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자*의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술은 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술이다.
※ 표시 소자(indicating element) : 부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법을 적용하고 있다. 그러나 고분자 배향막은 고분자 설계․합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여 자유자재로 휘어지는(flexible) 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었다.
정희태 교수 연구팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막(배향막이 필요 없는) 기술을 개발하는데 성공하였다. 정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 높은 분해능(20nm)과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인되었다.
연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능하다. 따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 마이크로미터에서 센티미터까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있다. 또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었다. 아울러 이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, 나노미터 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 된다.
또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 터치패널 분야에도 활용될 수 있어 민감도가 크게 향상된 터치패널도 만들 수 있게 된다.
정희태 석좌교수는 “LCD에 꼭 필요한 고분자 배향막을 대체하기 위한 기술은 학계와 산업계의 숙원이었는데, 이번에 개발한 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 크다. 또한 이 기술을 스마트폰과 태블릿 PC에 적용하면, 기존 제품보다 터치패널의 민감도를 크게 향상시킬 수 있는 등 미래 전자제품 원천기술로서 다각적으로 활용될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진
(사진설명) 장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.
2012.02.27 조회수 20790