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생명화학공학과 양승만교수 광자유체 신기술개발
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 58세, 교육과학기술부 지정 광자유체집적소자 창의연구단 단장) 교수 연구팀이 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 ‘자기조립원리’를 규명하는 연구를 수행하여, 방대한 량의 정보를 처리할 수 있는 프로토타입(prototype)의 광․바이오 기능성 광자결정(photonic crystal)구조체를 개발했다.
자연계에 존재하는 대표적인 광자결정은 오팔보석, 나비의 날개, 공작새의 깃털 등이 있다. 이들 광자결정 물질들이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질들을 이루는 구조 자체가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이다. 즉, 광자결정은 굴절률이 다른 물질들이 규칙적으로 쌓여 조립된 3차원 구조체로 특정한 영역의 파장에 해당하는 빛만 완전히 반사시킨다. 이 성질을 이용하면 반도체가 전자의 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 광자결정의 특수한 기능 때문에 나노레이저, 다중파장의 광 정보를 처리할 수 있는 슈퍼프리즘(superprism), 빛을 원하는 위치로 가이드 할 수 있는 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발 등에 필요한 소재로 주목 받아왔다. 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 지난 20여 년 동안 자연 상태에 존재하는 광자결정의 나노구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 梁 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 최근 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 일련의 연구 성과를 거뒀다.
첫 번째 연구 성과로 굴절률 조절이 가능한 미세입자 대량 생산기술을 개발했다. 지금까지 구현된 3차원 광자결정은 결정을 이루는 물질의 굴절률이 1.5-2.0 정도로 낮고, 굴절률을 다양하게 조절할 수 있는 입자를 제조할 수 없어서 광자결정의 실용성에 한계가 있었다. 최근 梁 교수 연구팀은 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제조할 수 있는 실용적 방법을 개발했다. 제조된 고 굴절률 입자는 나노레이저, 광 공명기, 마이크로렌즈, 디스플레이 등 각종 광학소자와 광촉매 등으로 활용될 수 있다. 이 연구결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스 인터넷판(6. 19)과 제 17호(2008. 9)의 표지논문으로 게재 예정이다. 특히, 이 논문은 저명 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)誌 8월호(8. 1)에 리서치 하이라이트(Research Highlights)로 선정되어 연구의 중요성과 응용성에 대하여 특별기사로 조명했다.
그림 1. 초고굴절률 타이타니아 입자의 전자 현미경 사진
두 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정구 연속생산 기술을 개발했다. 균일한 크기와 모양을 갖는 광자결정구를 빛을 매개로 반응시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 공정을 불과 수십 초 만에 연속적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 이들 광자결정구는 차세대 반사형디스플레이 색소나, 나노바코드, 생물감지소자 등으로 활용될 수 있다. 특히 주목할 것은 몇 개의 다른 색을 반사하는 야누스 광자결정구슬을 제조하였는데 이들은 전자종이와 같은 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 소자에 활용될 수 도 있다. 이러한 광자결정 표시소재는 세계굴지의 화학회사인 독일 머크(Merck)社 등에서도 개발 중이며 이번 연구 결과는 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다. 주요 연구결과는 국제적저명학술지인 미국화학회지(JACS)와 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)誌에 6편의 논문을 최근 4개월(5～8월) 동안 연속 게재하여 광자결정의 실용성을 구현하는데 크게 기여했다고 인정받았다. 특히, 이들 논문들은 해당 학술지 편집인(Editor)과 심사위원들에 의하여 가장 앞선 연구결과로서 주목해야 할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐으며, 9호(5. 5) 표지논문에 게재됐다.
그림 2. 3원광 광자결정구와 다색상 야누스 광자결정구의 현미경사진과 휘어지는 기판 위에 픽셀화된 3원광 광자결정.
세 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정 나노레이저를 개발했다. 현재까지 개발된 나노레이저는 발생하는 고열로 인하여 발진하는 레이저의 파장을 변화시키기 어려운 단점이 있었다. 梁 교수 연구팀은 KAIST 물리학과의 이용희 교수 연구팀과 공동으로 연속가변파장 나노레이저를 최초로 개발했다. 레이저를 발진하는 광자결정과 매우 미세한 유량을 도입할 수 있는 미세유체소자를 결합한 후 물과 같은 액체를 흘려줌으로써 온도를 낮추어 연속파 레이저 발진을 가능케 하였다. 또한 굴절률이 다른 액체를 흘려주어 광밴드갭을 조절함으로써 레이저의 파장을 조절 할 수 있었다. 가변파장 나노레이저는 신약개발 등 생명공학에서 요구되는 극미량의 시료로부터 방대한 량의 바이오정보를 광학적으로 신속하게 처리하는데 필요한 광원으로 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 광물리 분야의 저명학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 게재(4. 9) 됐으며 이 논문의 독창성과 실용성은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 8월호(8. 1)에 해설과 함께 “리서치 하이라이트”로 소개됐다.
그림 3. 나노레이저 발진모드
2008.08.19 조회수 22818 -
이상엽교수팀, 시스템생물학 기반 산업용 미생물 개발 전략 제시
-생명공학분야 권위 리뷰지 “생명공학의 동향 (Trends in Biotechnology, Cell Press)” 표지 논문 게재
우리학교 생명화학공학과 및 바이오융합연구소 이상엽(李相燁, 44세, LG화학 석좌교수) 특훈교수와 바이오융합연구소 박진환(朴軫煥, 38세) 박사 연구팀이 다가오는 산업바이오텍 시대에 경쟁력을 갖추기 위한 시스템 생물학 기반의 미생물 대사공학 전략을 개발했다. 이 연구 결과는 셀(Cell)誌가 발행하는 생명공학 분야 최고 권위 리뷰지인 생명공학의 동향(Trends in Biotechnology) 8월호 표지 논문에 게재됐다. 교육과학기술부 게놈 정보 활용 통합 생물공정 개발 사업의 일환으로 수행한 이번 연구는 산업용 미생물을 개발함에 있어 유전체 및 기능 유전체 정보와 가상세포 시뮬레이션을 통합 적용하고, 발효 및 분리정제 공정까지 고려한 대사공학 방법을 제시함으로서 다가오는 바이오 기반 산업 시대에 경쟁력을 갖는 균주 개발 전략을 체계적으로 제시한 것으로 평가됐다.
유가가 고공행진을 계속하고 지구온난화 등 환경문제가 심각하게 대두되는 지금 세계 각국은 바이오매스를 이용하여 화학, 물질, 에너지 등을 생산하는 바이오기반 산업 시스템 구축에 박차를 가하고 있다. 미생물을 이용한 산업바이오텍 공정이 경쟁력을 갖추기 위해서는 자연계에서 분리된 미생물의 낮은 성능을 대폭 향상시키기 위하여 대사공학으로 미생물을 개량하여야 한다. 기존의 산업바이오텍에 사용되는 미생물 균주 제조 방법과 공정개발은 무작위 돌연변이화 및 균주의 일부분만 직관적으로 조작하는 방법에 의해 수행되었다. 하지만 이들은 원하지 않은 부분에도 돌연변이를 일으켜, 균주 전체의 대사 상태를 한눈에 볼 수 없으며, 향후 환경이 바뀌었을 때 추가 개발이 용이하지 않다는 단점이 있었다. 李 교수 연구팀은 시스템 생물학의 원리에 입각하여 크게 3 단계로 나누어 체계적으로 미생물을 개발하는 새로운 전략을 제시하였다. 1단계에서는 미생물의 조절 기작 등 연구를 통해 알게 된 사실에 기반하여 게놈상의 필요한 부위만을 조작, 초기 생산균주를 제작한다. 2단계에서는 시스템 수준의 분석을 통하여 확보한 오믹스 데이터와 가상세포의 시뮬레이션 결과를 융합, 세포내의 대사흐름 최적화를 통해 목적 산물을 최고 수율로 생산할 수 있는 균주를 제작한다. 마지막 3단계에서는 실제 생산 공정 개발 단계에서 생길 수 있는 문제점들을 시스템 생물학 기법에 입각하여 해결함으로써 우수 산업용 균주의 제조를 완료한다. 이 전략은 시스템 생물학 원리를 이용하여 균주 전체의 생리 대사 현상을 한눈에 파악하면서 균주의 대사공학적 개량이 가능하다는 점에서 기존의 방법과는 차별된 한 차원 높은 수준의 균주개발 전략이라고 할 수 있다.
이번 논문의 첫 번째 저자인 朴 박사는 "최근 연구팀에서 수행 중인 시스템 생물학 기법을 이용한 실제 균주 제작 과정의 경험과 결과를 토대로 전략을 확립 제시하였기 때문에 실제 생명공학 산업계에 종사하는 연구자들에게 실질적인 도움이 될 것으로 생각한다“고 말했다. 李 교수팀은 실제로 이 전략을 이용하여 최근 용도가 다양한 숙신산을 고효율로 생산하는 미생물과 고수율의 아미노산 (발린, 쓰레오닌) 생산균주, 바이오부탄올 생산균주 등을 개발한 바 있다.
<용어설명>
1) 가상세포: 세포내에서 일어나는 모든 효소 반응을 컴퓨터에서 재구성하여 실제 세포처럼 반응 시켜 결과를 예측하는 시스템을 말한다.
2) 대사공학: 세포의 대사 및 조절 회로를 체계적으로 조작하여 원하는 생산물을 고효율로 생산할 수 있도록 만드는 기술을 말한다.
3) 오믹스 (omics): 세포 또는 개체 내에서 발현되는 단백체(proteome), 전사체(transcriptome), 대사체(metabolome), 흐름체(fluxome) 등 생명현상과 관련된 중요한 물질에 대한 대량의 정보를 획득하여 이를 생물정보학 기법으로 분석하여 전체적인 생명현상을 밝히려는 학문이다4) 시스템 생물학 (systems biology): 각종 오믹스(transcriptome, proteome, fluxome, metabolome) 데이터를 융합하고 전산 생물학 기법으로 해석하여 세포의 생리 상태를 다차원에서 규명함으로써 세포와 생명체 전체를 이해하고자 하는 학문이며, 이 플랫폼을 기반으로 유용한 미생물의 개발이 가능하다.
2008.07.24 조회수 21258 -
KAIST-GS칼텍스 공동, 바이오부탄올 생산균주개발
- 대사공학적으로 개량된 균주 개발로 효율적 생산가능
- 바이오부탄올은 에너지량이 높고 수송편의 등 장점 많아 차세새 연로로 각광
우리학교와 GS칼텍스(대표 허동수회장)가 공동연구를 통해 차세대 바이오연료로 각광받고 있는 ‘바이오부탄올’을 생산하는 새로운 균주를 개발하는데 성공했다.
이상엽(李相燁, 44세) KAIST 생명화학공학과 및 바이오융합연구소 특훈교수(생명과학기술대학장)와 GS칼텍스 공동연구팀은 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수 등 비식용 바이오매스를 이용, 많은 양의 ‘바이오부탄올’을 선택적으로 생산 가능케 하는 대사공학적으로 개량된 균주개발에 성공했으며, 특허를 출원했다고 밝혔다.
이번 KAIST와 GS칼텍스가 공동으로 개발, 특허 출원한 기술은 바이오매스 발효과정에 사용되는 균주를 대사공학적으로 개량, 아세톤의 생산을 억제하고 부탄올과 에탄올만 6:1의 비율로 생산되도록 한 것으로, 아세톤을 부탄올로부터 분리할 필요가 없어 공정비용을 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다. 클로스트리디움 박테리아를 사용하여 부탄올을 생산하는 전통적인 발효방식에서는 발효시 대사특성으로 인해 부탄올과 아세톤, 그리고 에탄올을 6:3:1의 비율로 생산되는데, 이 때 생산되는 아세톤은 연료로는 사용이 곤란하다는 단점이 있다.
‘바이오부탄올’은 탄소가 4개로 구성된 알코올로서 1리터당 에너지량이 7,323kcal로 현재 널리 사용되고 있는 바이오에탄올의 에너지량 5,592kcal보다 단위 부피당 에너지량이 30% 이상 높으며, 가솔린의 7,656kcal와도 큰 차이가 없다.
또한, 바이오에탄올은 철도나 바지선, 트럭 등으로 운송하여야 하나, ‘바이오부탄올’은 흡수성이 적어 상(相)이 분리되는 문제나 부식성의 문제가 없어 기존의 연료수송 파이프라인을 통해 수송할 수 있다는 장점 때문에 차세대 바이오연료로 각광받고 있으며, 전 세계적으로 많은 연구기관과 기업들의 개발 노력이 치열하게 전개되고 있다.
‘바이오부탄올’은 1900년대 초부터 미생물 발효를 이용하여 생산되기 시작했으나, 1950년대 석유화학산업이 급속히 발달함에 따라 사양길로 접어들었으며, 당밀 등 원료가격이 싼 남아프리카공화국 등지에서만 1980년대까지 발효 생산되다가 중단된 바 있다.
하지만, 최근 고유가시대가 고착화되면서 석유를 일정부분 대체할 수 있는 연료로 다시 부각되고 있다.
이상엽 교수팀과 GS칼텍스는 현재 바이오부탄올 연속 생산공정 등의 조업 최적화 연구를 수행 중이며, 부탄올에 대한 내성 향상 및 생산성을 한층 높이는 균주 개발 연구를 계속하고 있다.
GS칼텍스 중앙기술연구소 정광섭 소장은 “전 세계적으로 바이오부탄올 생산을 위한 개발 경쟁이 치열한 가운데 산학 공동연구를 통해 개량된 고성능 균주를 확보함으로써 차세대 바이오연료 개발에 유리한 고지를 차지할 수 있게 되었다.”고 이번 연구개발의 의미를 밝혔다.
<용어 설명>
- 바이오매스(Biomass)
바이오매스(biomass)는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기, 그리고 여타의 폐기물에서 추출된 재생가능한 유기 물질 로 현재 에너지원으로 쓰이고 있는 목재, 식물, 농·임산 부산물, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 내의 유기 성분 등을 일컫는다.
- 선택성(Selectivity)
촉매나 미생물의 성능을 나타낼 수 있는 인자로써 전체 생성물(Total Product) 중에 우리가 원하는 생성물(Target Product)의 비율로 계산함.
- 대사공학(Metabolic Engineering)
유전자 재조합기술과 관련 분자생물학 및 화학공학적 기술을 이용하여 미생물에 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 제거 증폭 변경시켜 세포나 균주의 대사특성을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는 일 련의 기술을 뜻함.
- 균주
우리가 원하는 물질을 생산해 내는 미생물을 포괄적으로 뜻함.
- 에너지량
단위 질량의 연료를 연소하였을 때 발생하는 에너지
- 상(相): Phase
물리학·화학 용어로, 어떤 물질이 물리적·화학적으로 같은 성질을 나타 낼 때를 표현하는 것. 상은 기체상, 액체상, 고체상이 존재하고, 하나의 상으로 이루어지는 균일계와 2개 이상의 상으로 이루어지는 불균일계로 나뉜다.
2008.06.03 조회수 19273 -
생명화공 정희태교수, 세계최초 액정 초미세 나노패턴소자 개발
- 15일자 네이처 머티리얼스誌 온라인판 게재- 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 기대우리 학교 생명화학공학과 정희태(鄭喜台, 42) 교수 연구팀이 액정 디스플레이 (LCD)의 핵심소재로 잘 알려져 있는 액정물질을 이용, 나노기술의 핵심인 차세대 초미세 나노패턴소자를 세계최초로 개발했다. 관련 연구논문은 15일자 네이처 머티리얼스(Nature Materials)誌 온라인판에 게재된다. 나노패턴 제작은 차세대 초고밀도 반도체 메모리기술과 바이오칩 등 나노기술의 핵심분야다. 특히, 鄭 교수팀의 액정을 이용한 패턴구현은 기존의 패턴 방식에 비해 대면적을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 바이오 특성을 가지는 나노물질도 액정 패턴 내에 배열할 수 있다는 것이 큰 장점이다.
LCD를 구동하는 물질인 네마틱 액정과 달리 鄭 교수가 사용한 스메틱 액정은 LCD 응답특성이 매우 우수함에도 불구하고 자연적으로 존재하는 결함구조 때문에 LCD 구동물질로 사용하지 못하고 있다. 이러한 스메틱 액정은 기판의 표면특성에 따라서 무질서한 형태의 회오리 형 결함구조를 가진다. 이번 연구에서는 마이크로미터 수준의 직선이 새겨진 표면 처리된 실리콘 기판을 사용함으로써 무질서한 회오리 형태의 액정 결함구조를 규칙적으로 제어하였다(첨부 자료그림 참조). 특히 이 공정은 기존의 나노패턴에 적용하는 방식과 비교하여 제작시간을 수십 배 이상 줄일 수 있으며, 결함구조 내에 다른 형태의 기능성 물질도 규칙적으로 배열 할 수 있음을 확인하였다. 이는 다양한 형태의 패턴이 필요한 실제 반도체와 단백질 칩 등의 바이오 소자에 적용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다 (자료그림 중 삽입사진 참조).
이번 연구결과로 LCD의 세계적 강국인 우리나라가 액정을 이용한 나노분야에서도 세계 최고의 원천기술을 갖게 되었다. 향후 액정을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연성재료(Soft Materials)를 이용하여 나노패턴을 제조하는 기술은 전 세계적으로 나노-바이오 분야에서 큰 이슈가 되는 연구로써, 연구의 핵심은 바이오 및 광전자소자 응용을 위하여 대면적에서 결함이 없는 소재의 개발에 있다. 이번 鄭 교수팀이 적용한 액정은 결함구조를 가지는 대표적인 물질로서 지금까지 학계에서는 대면적 나노패턴이 불가능하다고 인식돼 왔다.
鄭 교수는 “이번 연구결과는 연성소재를 이용한 나노패턴소자 제작방식의 기존 개념을 완전히 뒤엎는 것이다. 결함을 없애야만 한다는 기존의 생각에서 탈피하여 결함을 규칙적으로 구현하면 패턴에 이용할 수 있다는 발상의 전환으로 대면적 나노패턴을 개발했다는데 의미가 있으며, 향후 나노분야 전반에 걸쳐 영향이 클 것” 이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 鄭 교수(교신저자)의 주도 하에 KAIST 물리학과 김만원 교수팀과 미국 캔트 주립대학의 액정센터 올래그 라브랜토비치(Oleg Lavrentovich)교수가 함께 일궈낸 성과다. 鄭 교수는 나노물질분야에서 사이언스, PNAS, Advanced Materials에 최정상급 논문을 다수 발표하는 등 나노물질 분야에서 차세대 주자로서 두각을 나타내고 있는 젊은 과학자다.
<해설>
액정: 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다. 현재 LCD에 사용하는 액정은 네마틱 액정이며 콜레스테릭 액정은 반사거울과 초정밀 온도계에 사용된다. 鄭 교수팀이 사용한 액정은 스메틱 액정으로서 네마틱 액정보다 자연계와 합성물질에서 더욱 많이 존재하고, 산업체와 학계에서 오랜기간 동안 연구해 왔음에도 불구하고 결함구조 등의 문제점으로 인하여 산업에 적용하지 못하고 있는 물질이다.
<첨부. 수 밀리미터 크기의 대면적 액정물질 나노패턴 현미경 사진>우측상단 삽입사진은 액정나노패턴내에 형광나노입자를 규칙적으로 포집한 리소그라피 제작사진
2007.10.15 조회수 23425 -
시스템 생명공학 활용, 최고 수율의 아미노산 생산 균주 개발
- 세계 아미노산 시장, 화이트 바이오텍 제품 생산에 파급 효과 큰 원천 기술
- KAIST 이상엽 교수팀 개발, 미국 국립과학원회보 온라인판 게재KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 43세, 특훈교수/LG화학 석좌교수) 교수팀은 시스템 생명공학 기법을 이용, 세계 최고 수율(收率)의 발린(L-valine) 생산 균주 개발에 성공했다. 이 연구 결과는 4월 넷째주(23일-27일사이) 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA)에 게재된다.
李 교수팀은 필수 아미노산의 하나인 발린(L-valine)을 타켓 물질로 선정, 미생물 가상세포 시스템과 시뮬레이션 기법을 활용하여 최고 수율의 아미노산 생산 균주를 개발했다.
대장균 게놈에서 필요한 부위만을 선택적으로 조작하여 초기 생산 균주를 제작하고, DNA 칩을 이용한 전사체(transcriptome) 분석을 통해 새롭게 조작할 1차 타겟 유전자들을 발굴했다. 대장균 가상 세포인 MBEL979를 이용, 유전자 결실(缺失) 실험을 컴퓨터상에서 대량으로 수행한 뒤 2차 엔지니어링 타겟들을 발굴했다. 이 실험 결과를 실제 균주 개발에 적용, 세포내 대사흐름 최적화를 달성하여 최종적으로 100 그램의 포도당으로부터 37.8 그램의 발린을 추출할 수 있는 세계 최고 수율의 발린 생산균주 제작에 성공했다.
이상엽 교수는 “시스템 생명공학 기법이 체계적인 시스템 수준에서 균주개발에 성공적으로 이용됨에 따라, 기타 아미노산을 비롯하여 모든 생물공학산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 초기에는 IT와 BT를 융합함에 있어 어려움이 많았으나 이를 슬기롭게 극복한 연구팀원들이 자랑스럽다.”고 말했다. 연구 관련 생산균주와 그 제조 방법은 국제특허(PCT)를 출원했다.
2007.04.24 조회수 21352 -
우성일 교수, 새로운 고속 연구 기법 개발
박막 재료 분야의 연구 기간, 연구비 수십 배 절감
美 국립과학원회보 인터넷판에 지난 9일 게재
생명화학공학과 우성일(禹誠一, 55 / 초미세화학공정연구센터소장) 교수팀이 연구 성과를 극대화할 수 있는 고속 연구 기법을 개발, 지난 9일(화) 저명학술지인 美 국립과학원회보(PNAS) 인터넷 판에 게재됐다.
禹 교수팀은 박막 재료 분야 연구 공정을 단축하기 위해 서로 조성(혼합비율)이 다른 박막을 한번에 수십 내지 수천 개를 만들고, 구조 분석과 성능 평가를 10배 이상 빠르고 정확하게 할 수 있는 고속 연구 기법을 개발했다. 이 연구 기법은 연구 기간과 연구비를 종래보다 수십 배 이상 줄일 수 있는 획기적인 방법이다.
전자재료, 디스플레이, 반도체 관련 제품에서 박막 재료의 특성이 최종 제품 품질을 결정한다. 한 가지 기능성 박막을 제조, 분석, 성능 평가 하는데 평균 2주 이상 걸린다. 원하는 박막재료를 성공적으로 만들기 위해서는 수천 번 이상의 실험이 필요하다.
기존 박막 제조 장치는 기상화학증착법, 스퍼터링(SPUTTERING), 물리증착법, 레이저휘발법 등 고진공을 요구하는 고가 장비다. 이 장비로 다양한 조성의 박막을 제조하기 위해서는 한 개에 수백만원씩 하는 타겟(고체 원료물질)과 1g에 수십만원씩 하는 전구체(휘발성을 가지는 유기금속화합물)가 필요하다. 수만 개의 다양한 조성을 가지는 박막 제조에는 막대한 실험비가 들어간다.
禹 교수팀은 새로운 고속 연구 기법을 이용, 고진공이 필요 없고 컴퓨터와 로봇에 의해 자동화된 ‘조합 액적 화학 증착’ 장비를 개발했다. 이 장비는 기존 장비에 비해 가격이 1/5 정도 저렴하고 유지 보수도 간편하다.
이 장비는 고가의 원료 물질 대신 저렴한 시약을 사용한다. 원하는 조성을 만들 수 있는 시약을 물이나 적당한 용매에 녹인 후 고주파를 가하여 수 미크론 크기의 액적(미세한 액체방울)을 만든다. 이 액적들을 질소로 움직여서 박막을 만들고자 하는 기판 위에 떨어뜨린 후 후속 열처리를 통해 원하는 조성의 박막을 만든다. 이때 박막 시료의 크기를 그림자 마스크를 사용하여 밀리미터 크기로 만들며 이동속도가 조절되는 마스크로 증착 시간을 조절하면 다양한 조성의 박막을 한번에 수십 내지 수백 개를 만들 수 있다. 이 장비로 박막 제조에 필요한 재료비는 100g에 수만 원 정도로, 종래방법의 1/100 내지 1/10로 줄일 수 있으며, 연구기간은 수십 분의 일로 줄일 수 있게 된다.
禹 교수는 “이 새로운 연구 기법을 박막 재료 분야 연구뿐만 아니라 기존 연구 방법으로 발견하지 못한 핵심 에너지, 재료, 건강 분야 소재 개발에 광범위하게 활용하면 큰 효과를 가져올 것이다.”라고 말했다.
‘조합 액적 화학 증착’ 장비는 현재 국내 특허를 출원하고 일본과 독일에 국제 특허를 출원중이다. 이 장비는 주문 생산에 의해 일반 연구자들에게도 제공할 예정이다.
2007.01.31 조회수 19227 -
이상엽 교수, 네이처 바이오테크놀로지 초청논문 게재
“바이오플라스틱 상용화 시대 도래”
네이처 바이오테크놀로지 10월호 초청논문에서 전문가로서의 의견 밝혀..
독일의 훔볼트 베를린대 프리드리히 교수와 뮌스터대학의 스타인뷔헬 교수팀은 바이오플라스틱 생산의 대표 미생물인 랄스토니아 유트로파 (Ralstonia eutropha)균의 전체 게놈서열을 밝히고, 네이처 바이오테크놀로지 10월호에 논문을 발표했다. 플라스틱 생산 대표 미생물의 전체 게놈 서열이 밝혀짐에 따라 보다 체계적인 시스템 수준에서의 균주개량을 통해 바이오플라스틱의 효율적인 생산이 가능해 질 것으로 예측된다.
네이처 바이오테크놀로지社는 이 논문에 대해 해당분야의 세계적 전문가인 KAIST 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 42세) LG화학 석좌교수에게 게놈 서열 해독에 따른 앞으로의 바이오플라스틱 생산에 관한 전문가 분석논문을 의뢰했으며, 李 교수는 지난 10일 발간된 네이처 바이오테크놀로지 10월호 ‘뉴스와 전망(News and Views)’에서 “랄스토니아균의 게놈 해독은 다양한 오믹스와 가상세포를 통한 시뮬레이션, 그리고 게놈 수준에서의 엔지니어링을 결합하여 시스템 수준에서 균주를 개량할 수 있는 토대가 마련되었음을 의미한다”라며, “앞으로 플라스틱을 구성하는 물질을 자유자재로 바꿔 우리가 원하는 물성을 가진 플라스틱의 생산이 가능할 것이며, 대사 흐름의 최적화를 통해 이제까지 보고된 것보다도 훨씬 효율적이고 경제적인 바이오플라스틱의 생산이 가능해 질 것이다”라고 밝혔다.
李 교수는 그간 바이오플라스틱 관련 SCI논문만도 70여편을 발표한 이 분야의 세계적 전문가다. 1996년 트렌즈 인 바이오테크놀로지 (Trends in Biotechnology)에 “플라스틱 박테리아 (Plastic Bacteria)”라는 신조어를 발표했으며, 1997년에도 네이처 바이오테크놀로지에 대장균 플라스틱에 관한 전문가 논문을 게재한 바 있다. 현재, 과학기술부의 시스템생물학연구개발 사업에서 시스템 기법을 동원한 연구의 응용 예로서 바이오플라스틱 생산 균주 개량 연구를 수행 중이다.
네이처 바이오테크놀로지 10월호 ‘뉴스와 전망(News and Views)’난에 게재된 미생물 플라스틱 관련 이상엽 교수 논문 내용
- 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA)는 자연계에 존재하는 수많은 미생물들이 탄소원은 풍부하지만 다른 성장인자가 부족할 경우 자신의 세포내부에 에너지 저장물질로 축적하는 고분자이다. 이 PHA고분자는 그 고분자를 구성하고 있는 단량체(단위 화학물질)가 에스터 결합을 하고 있는 폴리에스터로서 20여년 전부터 전 세계적으로 많은 연구가 되어왔다. 하지만, PHA는 물성이 석유화학 유래의 플라스틱보다 좋지 않고, 생산 단가가 매우 높아 상용화는 되지 못했던 실정이다. 1980년대 PHA의 생산 가격은 kg당 15불 정도로서 그 당시 폴리프로필렌 가격의 20배나 되었기 때문이다. KAIST 생명화학공학과 BK21사업단 이상엽 LG화학석좌교수는 과학기술부의 지원으로 대사공학과 발효공정의 결합을 통한 미생물 플라스틱의 효율적인 생산에 관한 연구를 수행하여 왔으며, PHA생산 단가를 kg당 2-3불 정도로 낮추는 공정을 개발한 바 있다. 플라스틱을 꽉 채울 정도로 효율적인 PHA 생산 박테리아를 개발하여 “플라스틱 박테리아”라고 명명한 바 있다.
- 지난 2년여 동안 유가가 유래 없이 고공행진을 함에 따라 전 세계적으로 바이오기반 에너지 및 화학물질의 생산에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. PHA도 그간 경제성과 물성의 취약점 때문에 연구가 시들해 졌다가, 최근 다시 각광을 받고 있다. 이번 10월호 네이처 바이오테크놀로지에 독일의 연구팀이 발표한 플라스틱 생산 미생물의 대표주자 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha)의 게놈 해독 결과는 시사하는 바가 크다. 즉, 그 박테리아의 대사 활동에 관한 청사진을 얻게 됨으로서 보다 체계적인 균주개량이 가능해 지는 것을 의미한다.
- 네이처 바이오테크놀로지는 바로 이 점을 주목하여 이상엽 교수에게 전문가의 분석 논문을 의뢰하였고, 이 교수는 현재 KAIST에서 활발하게 수행하고 있는 시스템생명공학 기법의 적용을 통해 미생물 플라스틱 생산의 획기적인 발전이 있을 것이라고 분석했다. 본 논문에서 李 교수는 “게놈 서열이 밝혀짐에 따라, 게놈수준에서의 대사회로 네트워크 구축이 가능해 졌고, 시뮬레이션을 행할 수 있어, 수많은 시행착오와 실험을 가상의 실험으로 빠르게 대체할 수 있게 되었으며, 이러한 결과를 실제 다양한 전사체, 단백체, 대사체 등 오믹스 결과와 융합 해석함으로서 보다 효율적인 균주의 개발이 가능하다”고 밝혔다. 또한, 플라스틱의 효율적인 생산 뿐 아니라 우리가 사용하고자 하는 용도에 맞는 물성을 가지는 “주문제작(tailor-made) PHA”의 생산도 대사공학을 통해 가능해 질 것으로 예측하였다. 그 외에도 李 교수가 전 세계 특허를 보유하고 있는 광학적으로 순수한 하이드록시카르복실산 생산연구도 탄력을 받게 되었으며, 그 외 이 균주의 특징을 살려 생물학적 수소생산, 방향족 화합물의 생산, 분해 및 응용 등에서도 기술적 발전이 빠르게 일어날 것으로 전망하였다.
- 세계적으로는 최근 미국의 메타볼릭스사와 ADM사가 손을 잡고 PHA의 상용화 수준 생산에 돌입하였고, 풍부한 천연자원의 브라질에서도 바이오에탄올에 이어 PHA를 상용화하고 있다. 그 외 전통적으로 이 분야 연구를 많이 해온 일본과 독일, 그리고 풍부한 바이오매스를 가진 호주에서도 지속적인 상용화 연구를 수행 중이다. 李 교수는 “대표적인 바이오플라스틱 생산 미생물의 게놈 서열이 밝혀짐으로서 효율적인 생산 시스템의 개발을 통한 각국의 상용화 경쟁이 더욱 치열해 질 것”으로 전망했다.
- 李 교수는 이렇게 효율적으로 PHA를 생산할 수 있는 것이 가능해 짐에 따라, 다양한 재생가능한 원료(셀룰로우즈, 전분, 설탕 등)로부터 미생물 발효에 의한 플라스틱의 생산이 보다 본격적으로 진행될 것으로 전망하고, 기존 화학물질의 바이오 기반 생산 기술(white biotechnology)가 보다 더 탄력을 받을 것으로 전망하며, 이에 따라 “우리나라도 일부 시스템 대사공학 기술의 우위를 바탕으로 자원 강대국들과의 전략적 제휴 등을 통해 바이오기반 화학물질 생산 기술과 산업의 확보에 박차를 가해야 할 것”이라고 말했다.
- 네이처 바이오테크놀로지의 ‘뉴스와 전망(News and Views)’은 그 해당 호에 게재되는 논문들 중 영향력이 큰 몇 편의 논문에 대하여 그 분야 세계 최고의 전문가에게 분석을 의뢰하여 초청 논문을 게재하는 섹션으로, KAIST 이상엽 교수는 바이오플라스틱과 관련하여 1997년 1월호에 “대장균이 플라스틱 시대로 접어들다”에 이어 이번 2006년 10월호에 “바이오플라스틱 생산을 해독하다”라는 전문가 분석 논문을 게재하였다.
2006.10.18 조회수 25261 -
이흔교수, 온난화가스와 에너지가스 맞교환 원리 규명
“지구온난화 주범 이산화탄소를 천연 가스와 맞바꾼다”
- 천연가스 하이드레이트층에서 이산화탄소 저장과 천연가스 생산 동시에 일어나는 자연 현상적 메카니즘 이용
- 에너지 생산와 환경문제 해결 일거양득 효과 구현
- KAIST 이흔 교수팀, 미국 과학원 회보 최신호에 발표
해저에서 온난화 가스와 에너지 가스를 맞교환하여 에너지 생산과 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 원리가 국내 연구진에 의해 실험적으로 입증됐다.
KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 이흔(李琿, 55) 교수팀과 한국지질자원연구원이 공동으로, 해저 천연가스 하이드레이트층에 이산화탄소나 배기가스를 직접 저장하고 동시에 천연가스를 생산할 수 있는 자연 현상적 맞교환 메커니즘을 규명, 그 연구결과가 저명 과학저널 미국 과학원 회보(PNAS) 8월 15일자 온라인판에 발표됐다.
지난 2003년 李교수는‘연료와 이산화탄소의 맞교환’이란 제목의 논문으로 이 기술을 처음 발표하였으며 또한 사이언스지 11월호에 리서치 하이라이트로 소개되어 세계적 주목을 받았다. 이후 3년여 연구 끝에 막연한 개념으로만 존재하던 지구 온난화가스의 대규모 해양 직접 저장 가능성을 실험적으로 입증했다. 즉, 모든 구조의 천연가스 하이드레이트층에 이 원리를 적용, 얼음 형태의 퇴적층으로부터 천연가스가 거의 대부분 회수될 수 있음을 이번 연구결과 밝혀낸 것이다.
이산화탄소 배출로 인한 지구온난화 문제는 최근 심각한 환경 문제를 야기하며 사회적 이슈로 대두되고 있다. 이러한 지구 온난화 문제를 해결하기 위해서는 발전소, 자동차 등 여러 배출원으로부터 나오는 이산화탄소를 줄이거나 없애는 방법 밖에 없다.
그동안 전 세계적으로 꾸준히 추진해온 산업구조 에너지 효율 향상이나 이산화탄소를 분리 처리하는 기술로는 지구온난화 문제를 적극적으로 대처하는데 극히 제한적일 수밖에 없었다. 따라서 대기권에 절대량으로 엄청나게 존재하는 이산화탄소를 지하나 바다 밑에 대규모로 저장하는 방법이 가장 현실성 있고 효과적인 대안으로 떠오르고 있다.
현재 바다 밑에는 천연가스 하이드레이트라고 하는 대규모 농축 메탄가스 퇴적층이 존재하는 것으로 확인되었다. 천연가스 하이드레이트의 매장량은 현 지구상 모든 화석 연료를 합친 것보다도 더 많은 것으로 알려져 있다. 이미 미국, 일본 캐나다, 러시아 등 세계 여러나라에서 이 미래 에너지원을 활용하기 위한 기술 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다.
천연가스 하이드레이트는 불안정하기 때문에 깊은 바다 밑에 매장된 천연가스 하이드레이트를 채취할 때는 압력과 온도를 그대로 유지해야 한다. 李 교수팀은 이 천연가스 하이드레이트 상태를 유지하기 위해 이산화탄소가 포함된 혼합 배기가스를 주입, 천연가스와 배기가스를 맞교환시키는 방법을 개발했다. 이 맞교환 원리에 따라 해저 천연가스는 지상으로 끌어 올려져 에너지로 사용되고, 지상의 배기가스는 해저에 거의 반영구적으로 저장된다.
이번에 개발된 맞교환 원리 기술을 적용하면 ▲여러 종류의 성분들이 혼합된 배기가스를 바로 해저로 직접 투입 가능하기 때문에 지상에서 순수한 이산화탄소를 만들 필요가 없고 ▲광범위한 천연가스 하이드레이트층 개발은 심각한 해저 생태계 파괴를 가져올 수 있으나, 해저에서 맞교환을 일으키면 천연가스가 이산화탄소와 질소로 대체되기 때문에 본래 층의 골격은 파괴되지 않고 유지되어 환경 피해가 거의 없으며 ▲온난화 가스를 이용하여 해저의 천연가스를 90% 이상 대부분 회수할 수 있기 때문에 개발의 경제성을 높일 수 있다.
이는 2003년 당시의 순수 이산화탄소만 사용, 천연가스 회수율 64% 등의 제약 조건을 획기적으로 개선, 실용화로 직접 접근할 수 있는 연구결과로 평가받고 있다.
李 교수는 “이번 주요 연구 결과들을 우리나라, 미국, 일본 등에 이미 특허 출원했다”며 “확보된 원천 핵심 자료를 바탕으로 실제 공정이 구현될 경우, 지구온난화 문제와 새로운 에너지원 활용에 있어서 획기적인 성과를 거둘 것이다”라고 말했다.
<사진 1 : 맞교환 원리>
지상의 온난화 배기가스를 모아서 깊은 바다 밑에 있는 천연가스 하이드레이트층에 저장하고 동시에 맞교환을 일으켜 천연가스 하이드레이트층으로부터 천연가스를 회수한다.
<사진 2 : 천연가스 하이드레이트>
미국 오레곤 앞바다에서 끌어올린 천연가스 하이드레이트
<사진 3 : 해저 맞교환 현상>
깊은 바다 밑 천연가스 하이드레이트층에 존재하는 축구공과 같이 속이 빈 수많은 얼음 나노 공간 내에서 일어나는 천연가스와 배기가스가 맞교환되는 현상
2006.08.17 조회수 17938 -
이상엽 교수팀, 美 미생물 분자생물학 리뷰지 논문 게재
대장균 단백체 연구, 국내 연구진이 총정리
과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업 결실
생명화학공학과 이상엽 LG화학 석좌교수(李相燁, 42세)와 그의 제자인 한미정(韓美正, 31세)박사(현재 미국 위스타 연구소 및 펜실베니아대학 소속 연구원)의 대장균 단백체 논문이 『대장균 단백체 : 과거, 현재, 미래전망(The Escherichia coli Proteome: Past, Present, and Future Prospects)』이라는 제목으로 한국에서는 처음으로 미국 미생물 분자생물학리뷰(MMBR, Microbiology and Molecular Biology Reviews)誌 6월호에 게재됐다고 밝혔다.
MMBR은 미국미생물학회(American Society for Microbiology)에서 발행하는 70년 전통의 리뷰학술지로서 미생물학 및 미생물 유전학, 분자생물학 등에 관한 바이블과 같은 잡지다. 연간 4회 발행되며 한해 평균 30편 정도의 논문만이 게재된다. 미생물분야 학술지 중에서 영향지수(impact factor)가 17이상으로 가장 높다. 분야 최고의 전문가들의 리뷰논문들이 실리며, 게재되는 논문들의 영향력도 매우 큰 것으로 알려졌다.
이번 논문에서는 지난 1975년도부터 시작된 단백체 기술 발전사, 대장균 단백체에 이용되고 있는 방대한 기술, 현재 대장균 단백체의 연구현황 및 향후 연구방향 등을 총정리했다. 총 335개의 핵심 참고문헌 내용을 포함한 78페이지 분량의 논문으로서 앞으로 대장균 단백체연구의 핵심 참고자료로 활용될 것으로 기대되고 있다. 단백체 기술은 시대 순으로 세부분으로 나눠 자세히 언급했다: (1)이차원 전기영동 젤을 이용한 방법(gel based approaches), (2)비전기영동 젤을 이용한 방법(non-gel based approaches) 및 (3)컴퓨터를 이용한 방법(predictive proteomics). 이러한 방법들을 통해 현재까지 밝혀진 1,627 단백질(～38% of 대장균 게놈의 4,237 유전자)에 대한 단백질 정보가 제공되었으며, 대장균 단백체 실험을 위한 최적의 전략 및 방법을 아주 상세히 언급했다. 또한 대장균 단백체의 연구 현황에서는 학문적, 산업적 측면으로 나눠서 그 중요성을 부각시켰다. 학문적으로는 대장균 단백체의 외부 환경요소의 자극(온도, pH, 산소, 영양부족 등)에 따른 세포내의 반응 및 그 유전자의 조절 메카니즘에 대한 정보가 제공되었으며, 산업적으로는 대장균 단백체 정보를 바탕으로 하여 대사공학 및 맞춤형 유전자 조작을 통한 유용 단백질의 생산성 증대 및 개선에 응용한 성공사례를 자세히 언급했다. 마지막으로 단백체 기술의 한계점을 제시함과 동시에 향후 연구방향도 제시했다.
특히, 심사과정에서 이 논문을 접한 외국 전문가들은 이 논문을 표준(standard)으로 하여 인터넷상에서 대장균 단백체 정보를 총 정리한 웹사이트 운영을 요청해 왔으며, 현재 李 교수팀은 관련 웹사이트를 준비 중에 있다.
韓 박사는 “본 논문은 대장균 단백체의 바이블로서 방대한 자료를 체계적으로 깊이있게 잘 정리했기 때문에 단백체 연구를 처음 시작하는 분들께 많은 도움이 될 것으로 본다”며, “우리나라의 단백체 연구는 세계적 수준이라는 점을 강조하고 싶다.”고 밝혔다.
李 교수는 “우리나라는 미생물 단백체 분야에서 경쟁력이 있을 뿐 아니라, 동식물 대상 단백체 연구도 한국프로테옴기구 등의 왕성한 활동등에서 볼 수 있듯이 국제적으로도 아주 우수한 수준이다. 앞으로 단백체연구를 기반으로 우리나라 생명공학 분야의 학술적 산업적 성과들이 쏟아져 나올 것으로 믿는다.” 라고 말했다.
■ 용어 설명
1) 단백체(proteome): 생명체의 전체 유전자, 즉 유전체(genome)에 의해 발현되는 모든 단백질들의 총합을 말한다. 어떤 단백질이, 얼마의 양으로, 어떤 환경에서 발현되는 가를 파악하는 것을 목적으로 한다. 생명체의 genome이 모든 세포에서 동일한 형태로 존재하며, 생명체가 수행하는 기능의 이론적인 면만을 제시할 수 있음에 반해, 단백체는 세포가 처해 있는 환경에 따라, 그리고 고등 생명체의 경우에는 각 조직 별로 유동적으로 존재하며, 세포의 실제적인 기능을 표현해 준다. 이러한 이유로 급속도로 밝혀지고 있는 미지의 유전자들의 기능을 밝혀 내고자 하는 functional genomics의 한 부분으로 새롭게 부각되고 있고, 세포 내에서 일어나는 실제적인 현상들을 전체 단백질 단계에서 통합적으로 파악하는 수단을 제공한다.
2) 전기영동(electrophoresis): 전기장의 영향을 받아 하전된 물질이 유동성 매체내에서 이동하는 것을 말한다. 특히 단백질 분리용으로 사용되고 있는 이차원 전기영동법(two-dimensional gel electrophoresis)은 먼저 전하량에 따라 단백질을 분리한 후 아크릴 아마이드 젤상에서 단백질 크기에 따라 분리하는 법이다.
3) 게놈: 생물체를 구성하고 기능을 발휘하게 하는 모든 유전정보를 보유한 유전자의 집합체로서, 부모로부터 자손에 전해지는 유전물질의 단위체를 뜻하기도 한다. 이때 게놈에서 유전정보는 DNA라는 분자구조로 존재하며 4가지 화학적 암호인 A·G·T·C 등의 염기서열로 표기되어 있다.
4) 대사공학: 유전자 재조합 기술과 관련 분자생물학 및 화학공학적 기술을 이용하여 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 증폭/제거/변형시켜 세포나 균주의 대사특성을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는(directed modification) 일련의 기술을 말한다.
■ 이상엽 교수 프로필
이상엽 교수는 1986년 서울대학교 화학공학과를 졸업하고, 1991년 미국 노스웨스턴대학교 화학공학과에서 석박사를 마쳤다. KAIST에서 약 12년 동안 대사공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 208편, proceedings논문 144편, 국내외 학술대회에서 748편의 논문을 발표하였고, 기조연설이나 초청 강연을 200여회 한 바 있으며, Metabolic Engineering(Marcel Dekker 사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 202건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템 생명공학분야 연구와 게놈정보 이용 생물공정기술 개발에 매진하고 있다. 李 교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든(Elmer Gaden)상(2000), 싸이테이션 클래식 어워드(미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상(2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인(2003), KAIST 연구대상(2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상(2005) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이다.
2006.06.12 조회수 22701 -
웹 기반 가상세포 분석시스템 WebCell 개발 공개
-생물정보학 관련 전문 학술지인 바이오인포메틱스지 5월호에 게재 -
과학기술부 특정연구개발사업『시스템생물학연구사업』에 참여하고 있는 KAIST 이상엽, 박선원 교수팀은 생명체의 대사 및 신호전달 기능과 특성의 동적 분석을 위한 웹 기반 소프트웨어 ‘WebCell 시스템’을 개발하여 공개했다.
이 시스템은 현재까지 전 세계적으로 개발된 생체 및 세포 동적 모사 시스템 중 가장 다양한 기능을 제공하는 것으로 시스템 생물학 연구의 국제 공동체인 SBML에 등록되어 공개되며, 연구결과는 영국 옥스퍼드대학 출판사 발간 생물정보학 관련 전문 학술지인 바이오인포메틱스 (Bioinformatics)지 5월호에 게재되었다.
KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 42, LG화학 석좌교수, 생물정보연구센터 소장), 박선원(朴善遠, 58)교수팀은 과학기술부 특정연구개발사업의『시스템생물학연구개발사업』지원을 받아 다양한 생명현상의 정성 정량적 동적모사가 가능한 웹기반 가상세포 “WebCell”을 개발하여 전 세계에 공개했다.
WebCell은 세포 내에서 일어나는 반응들에 대한 결과 예측 뿐 만아니라, 시간에 따른 변화들을 보여주는 동적 분석을 상세한 설명을 따라 인터넷 상에서 쉽게 수행할 수 있다. 또한, 기존 가상세포 소프트웨어의 프로그램마다 다른 형식으로 이루어져 사용에 어려움이 많던 파일들도 자유롭게 원하는 양식으로 변환이 가능하도록 하여, 연구 과정과 결과를 공유하여 더 빠르고 효율적인 연구가 가능해졌다.
또한, 인터넷 상에서 생물학적 네트워크를 모델링하고 만들어진 모델을 저장 및 교환할 수 있으며, 열역학 정보를 이용한 모델 검증, 변수 추정, 구조적 경로 분석 및 대사 조절 분석, 동적 시각화 등을 통한 네트워크의 체계적인 분석 기능을 통합적으로 제공한다.
그리고 기존에 발표된 모델들의 라이브러리도 제공하며 이용자가 자신의 ID로 접속할 수 있는 개인 라이브러리도 가질 수 있으므로, 가상세포 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
WebCell이 발표되자마자 시스템 생물학 연구 국제공동체인 SBML(http://sbml.org)에 등록되어 공개되었으며, 연구결과는생물정보학 분야 전문 국제 학술지인 영국 옥스퍼드대학 출판사 발간 바이오인포메틱스(Bioinformatics)지 5월호에 게재되었다.
이상엽 교수는 “향후 대사 흐름 분석 프로그램인 MetaFluxNet, 대사흐름분석 언어인 MFAML, 대사네트워크 전문 데이터베이스인 BioSilico와 연동하여 업그레이드 된 버전의 WebCell을 개발할 예정이며, 궁극적으로 이 모두가 통합된 가상세포를 개발할 예정이다”라고 밝혔다.
WebCell 시스템은 웹브라우저를 통해 http://webcell.kaist.ac.kr 이나 http://www.webcell.org로 접속하여 사용자 계정을 획득한 뒤 이용할 수 있다.
<용어설명>
* SBML(Systems Biology Markup Language): XML을 기반으로 한 언어의 일종으로, 각기 다른 시스템 생물학 소프트웨어간의 가상 세포 모델의 교환을 용이하게 하기 위해 제안된 표준이다. 현재는 국제 공동 프로젝트로 발전하여, 전 세계 60여개 프로젝트가 이 사업에 공동으로 참여하고 있다.
<< WebCell 사용 샘플그림>>
2006.04.28 조회수 19521 -
KAIST-연세의대, 유니버설(범용) 암 진단시스템 개발
KAIST 이상엽, 연세 의대 유내춘, 금기창, 유원민 교수팀, 신규 범용 암 진단 마커인“네오노보” 개발
연세의대 임상 진행 중, 암 진단 시스템 상용화 박차
■ 위암, 간암, 유방암, 췌장암, 신장암, 전립선암, 대장암 등 대부분의 암을 진단할 수 있는 인체 내 싸이토카인 변이체 네오노보(NeoNovo) 발견
■ 네오노보 RNA와 DNA를 이용하여 암을 신속하게 동정할 수 있는 진단 기술과 유니버설(범용) 암 진단 DNA 칩 개발
■ 네오노보 단백질을 대장균을 이용, 고효율로 생산하는 시스템 개발
■ 개발된 네오노보 진단 시스템은 특정 암에만 한정되어 있지 않고, 다양한 종류의 암을 진단할 수 있는 세계에서 유일한 마커(marker)로서 향후 암 진단 및 예후에 있어 획기적인 기술로 평가
■ 연세대 의대 세브란스병원은 임상연구심의위원회(IRB)를 개최, 2005년 12월 16일 네오노보 암 진단 임상연구 허가를 내렸으며, 현재 300건의 임상시험 실시 중
■ 현재 유니버설 암 진단 DNA 칩, 단백질 칩, 진단 키트, 암 치료제 및 암 예방제 등 다양한 형태의 제품으로 연구개발 중이며, 국내외 암 연구 전문가 그룹과의 공동연구도 추진 예정
■ 바이오벤처기업 메디제네스(주)의 지원으로 이루어진 이번 연구결과는 국내에 특허가 등록되었으며, 전 세계 특허 출원 중
1. 연구개발 과정 및 결과
? 전 세계적으로 생명공학에 대한 관심이 급증하고 있으며 이러한 관심으로부터 암을 생명공학적인 관점에서 보다 효율적으로 진단 및 치료하는 시스템을 개발하고자 하는 노력이 경주되고 있다. KAIST 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 42, LG화학 석좌교수) 교수가 연세대학교 의과대학 유내춘 교수(柳來春, 42), 금기창 교수(琴基昌, 42), 유원민 교수(柳元敏, 42)연구팀과 함께 위암, 간암, 유방암, 췌장암, 신장암, 전립선암, 대장암 등 10여종의 암을 효율적으로 진단 할 수 있는 새로운 마커(marker)인 싸이토카인(cytokine) 변이체 네오노보(NeoNovo)의 임상 시험 허가를 받아 진행 중이라고 밝혔다. 이 결과는 현재 세포학적 조직검사 등의 기존 검사법의 시간, 비용적인 단점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 이제까지 알려진 암 진단 마커들과는 달리 유일하게 10여종의 암을 모두 진단할 수 있는 우수성을 가지고 있는 것으로 향후 암 진단 시장을 획기적으로 바꾸어 놓을 수 있는 기술로 평가되고 있다.
? 현재 임상시험이 진행 중인 네오노보의 핵심기술은 이제까지 개발된 암 진단 마커들과는 달리 유니버설하게(범용으로) 암을 진단할 수 있는 인체 싸이토카인 변이체의 발견과 그 특허권 확보에 있다. KAIST와 연세의대 공동연구팀은 인체 싸이토카인의 변이체인 네오노보 RNA가 암 세포에서만 특이적으로 발현되는 것을 발견했다. 특히, 뇌암을 제외한 이제까지 시험한 모든 암 세포나 암 조직에서 네오노보가 발견됨으로써 이를 이용하여 진단 시스템을 개발하게 되었다. 연구팀은 네오노보가 인체내에 자연적으로 존재하는 싸이토카인이 선택적 스플라이싱(alternative splicing)과정을 통해 암세포에서만 특이적으로 나타남을 알아냈다. 바이오벤처기업 메디제네스의 지원으로 이루어진 본 연구는 현재 인체에 생기는 10여종의 암을 신속하게 동정할 수 있는 진단 특허권 확보에 주력한 결과 국내에는 변이체 단백질 네오노보의 원천특허가 등록되었으며, 해외 특허가 출원 중이다. 또한, 진단 제품 뿐 아니라 암 치료제 및 암 예방 및 억제제 등의 다양한 용도로 사용될 수 있을 것으로 보고 단백질의 응용에 관한 추가 특허가 출원 중이라고 KAIST 측은 밝혔다. 현재 암 진단시스템은 연세의대 금기창 교수의 주도로 임상시험이 진행 중이다.
? 연구진의 현재까지의 연구결과에 의하면, 네오노보는 암세포에서만 발견되고 정상세포에서는 발견되지 않았는데, 이는 기존의 암 마커가 정상세포나 정상인에도 있으나 암세포나 암환자에서 차이가 나는 것을 기반으로 하는 것과는 근본적으로 큰 차별성이 있다.
? 암이란 “통제할 수 없는 세포 성장”으로 특징지어지는 100개 이상의 관련 질환의 그룹을 기술하는데 사용되는 일반적인 용어이다. 이러한 비정상적인 세포 성장은 보통 종양(tumor)으로 알려진 세포 덩어리로 발전하고 주위의 조직으로 침투하고, 이어서 신체 다른 부위로 전이되어 생명을 위협하고 있는 질병중 하나로 4명중 1명 이상의 사람들은 그들의 생애 중에 어떤 형태로든 암을 가지게 된다고 알려져 있으며, 선진국에서 전체사망원인의 21%(사망원인 제 2 위)를 차지하고 있다. 일반적으로 말기상태의 암은 치료가 거의 불가능한 반면 초기 상태의 암은 치료율이 훨씬 높아서 초기에 정확하고 신속한 진단방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 상황이다. 이제까지 여러 종류의 암 진단 마커가 발견되고 일부 사용되고 있지만, 1-3 종류의 암만을 진단할 수 있으며 그 정확도도 높지가 않은 편이다. 반면, 이번에 KAIST-연세의대 공동 연구팀이 개발한 네오노보 암 진단 시스템은 독자적으로 개발한 암 특이 단백질과 RNA 및 cDNA, 그리고 이들의 응용까지에 대한 포괄적인 원천 특허권을 확보한 상태에서 세계적으로 유일하게 간암, 위암, 유방암, 폐암 뿐만 아니라 기타 10종 이상의 암에서도 70%-100%의 높은 효율로 진단할 수 있는 마커라는 점에서 향후 세계 보건의료 및 생명공학 시장에 큰 파장을 불러올 것으로 예상된다.
? 또한, KAIST 이상엽 교수팀은 네오노보 재조합단백질을 봉입체 형태로 과량 생산하는 대장균 시스템을 이용하여 암 특이 단백질을 대량 생산하는데 성공하였다. 대량 생산된 네오노보 단백질을 이용하여 조직염색, 면역학적 기술에 접목시켜 보다 편리한 진단 시스템에 응용하는 연구를 진행 중이다. 한걸음 더 나아가, 생산된 암 특이 단백질의 세포 내의 기능에 대한 연구를 진행하고 있다.
2. 연구개발성과 및 향후계획
?휴먼 게놈 프로젝트가 완료된 것을 비롯하여, 최근 여러 생물 종에 대한 게놈 정보가 쏟아져 나오고 있다. 암에 대한 연구 또한 기존의 유전자 돌연변이에 대한 연구를 벗어나 암 특이 발현 유전자 및 단백질에 대한 연구가 많이 시도 되고 있다. 이번에 개발된 진단 시스템 또한 암에서만 특이 발현되는 단백질과 그 유전자를 기반으로 개발된 획기적인 시스템이다. 이 진단 시스템을 이용하면, 단 2가지의 유전정보 및 단백질 발현 형태만으로도 암의 여부를 일시에 검색할 수 있고, 정확도도 70% 이상이다. 체외 진단 시장은 연간 25조원 이상이며, 지속적으로 팽창하고 있다. 이중 특히 암 진단 시장은 고속으로 증가할 것으로 예측되고 있으므로 본 기술의 파급효과는 엄청날 것으로 기대 된다.
? 임상시험을 주도하고 있는 연세의대 방사선 종양학과 금기창 교수는 “이미 암 세포주를 이용한 기초 실험 결과는 놀라울 정도로 진단 효율과 성공률이 높게 나온 상황이고, 지금까지의 임상 시험도 잘 진행 중이므로, 최종 임상결과에 큰 기대를 가지고 있다”라고 말하고, “향후 메디제네스와 함께 범용 암 진단 시스템 개발은 물론, 관련 암 치료 및 암 예방 의약의 개발로도 연구를 할 예정이다”라고 밝혔다.
? KAIST 이상엽 교수는 “원천 특허권 확보가 이루어진 지금 유니버설 암 진단 시스템의 상용화의 추진은 물론, 국내외 암 전문 연구기관과 공동으로 연구를 추진하여 인류 건강의 가장 큰 위협 요인인 암을 예방, 치료하는데 기여하고 싶다”는 포부를 밝혔다.
네오노보의 RNA 발현 여부를 검색함으로써 암세포와 정상세포를 명확하게 구별해내는 네오노보 유니버설 암진단 DNA칩 실험 결과. 초록색 형광 점은 각각 특정 서열을 가지는 DNA 조각으로서 정상세포에서 나타나는 RNA와 암세포에서 나타나는 네오노보 RNA를 특이적으로 진단할 수 있도록 디자인된 것이다.
분자량 마커 생산된 네오노보 단백질
재조합 대장균을 이용하여 생산하고 정제된 네오노보 단백질. 네오노보 RNA로부터 DNA를 합성하여 대장균에 도입하고, 재조합대장균을 키워서 네오노보를 다량 생산한 뒤, 크로마토그래피 (chromatography)를 통해 순수하게 정제된 재조합 네오노보 단백질.
생물정보학 기법으로 예측한 네오노보 단백질의 구조
2006.03.28 조회수 19359 -
생명화학공학과 이상엽교수팀, 게놈 정보 이용 숙신산 고효율 생산 균주 개발
과학기술부 게놈정보 활용 통합 생물공정 원천기술 개발 사업 결실
1. 연구 개발 과정 및 결과
전 세계적으로 최근까지 350여종 이상의 생물체에 대한 전체 게놈 서열이 발표되고 1900여종에 대한 게놈서열이 진행되고 있다. 따라서 이들 정보를 활용한 게놈 수준의 연구에 대한 관심이 집중되고 있는 시점에서, 국내에서 게놈에서 생물공정까지 이르는 체계적인 연구기법을 통해 유용한 화학물질을 효율적으로 생산하는 미생물을 개발하는 개가를 올렸다.
KAIST 생명화학공학과 이상엽 LG화학 석좌교수(李相燁, 42세)연구팀이, 자체적으로 완성한 맨하이미아 균주의 게놈 정보를 기반으로 대사공학 기법을 활용하여 숙신산 고효율 생산 균주를 개발하였다고 9일 밝혔다. 이번 연구에 사용된 균주는 이교수팀이 한우의 반추위에서 분리한 맨하이미아균으로서, 이 균주의 게놈 프로젝트 완성 결과는 우리나라 최초의 게놈 논문으로 2004년 10월 네이처 바이오테크놀로지 (Nature Biotechnology)에 게재한 바가 있다.
이 교수는 이상준 박사, 송효학 박사와 함께 과학기술부 게놈 정보 활용 통합생물공정 원천기술 개발사업의 지원으로, 게놈 수준에서의 대사공학 기법을 적용하여 고효율로 숙신산을 생산함과 동시에 문제가 되는 부산물의 생산을 최소화 할 수 있는 균주를 개발하는데 성공하였다. 즉, 이제까지의 균주개발 연구 방식을 뛰어 넘어 게놈에서 유용한 생명공학제품의 효율적인 생산을 가능하게 하는 새로운 연구 모델을 제시하고, 이를 검증받았다는 점에서 그 의미가 더욱 크다.
이 교수팀은 생물정보학 기법을 이용하여 맨하이미아 게놈 정보로부터 숙신산 생산에 직.간접적으로 관여하는 유전자들을 발굴하고, 이를 바탕으로 숙신산은 많이 만들면서 초산, 젖산, 개미산 등 부산물은 거의 만들지 않는 균주를 디자인 하였다. 이렇게 디자인된 균주를 실제 제작하기 위하여 신규 유전자 조작 시스템 개발을 시작으로, 균주 유전자 제거 기술, 형질전환 기술 등을 개발하였고, 회분식 유가식 배양기술을 개발 실제 발효 연구까지 수행함으로서 게놈에서 생물공정에 이르는 체계적인 시스템을 개발하게 되었다.
2. 연구 개발성과 및 향후계획
맨하이미아를 이용하여 생산하는 숙신산은 일명 호박산으로 화학 핵심 전구체로 사용되어지고 있으며, 생분해성 고분자, 청정용매 (green solvent) 등으로도 사용이 가능하여 향후 1조원 이상의 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있다. 이 교수팀이 개발한 숙신산 과생산 균주개발 기술은 향후 우리나라에서 바이오기반의 화학물질 생산기술 개발에 있어 우위를 점할 수 있는 상징적인 의미가 있으며, 실제 바이오 기반 숙신산 생산기술의 상용화 가능성을 높여주었다는 평가를 받고 있다.
선진국을 중심으로 지속가능한 산업개발의 핵심으로서 원유에 의존하지 않고 재생 가능한 원료로부터 화학물질을 생산하는 환경친화적인 기술개발에 집중적인 연구 개발이 이뤄지고 있다. 이러한 시점에서, 이번 이교수팀이 개발한 연구 결과는 국내 바이오산업이 미국, 유럽, 일본 및 다른 선진국보다 우위성을 가질 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 가능성을 보였다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히, 우리나라 생명공학자들이 다양한 산업생명공학 기술 개발에 박차를 가하고 있어 그 전망이 더욱 밝다고 하겠다.
특히, 맨하이미아 균은 숙신산을 생산하기 위하여 다량의 이산화탄소를 고정화함으로써 교토협약 및 UN 기후변화협약에의 대응에도 기여할 뿐 아니라, 배럴당 60불 이상의 고유가 시대에 원유에 의존하지 않고 재생가능한 원료로부터 숙신산 생산을 가능하게 함으로써 같은 기술을 다른 화학물질과 바이오에너지 생산에 적용함으로서 국내 원유 수입 의존도를 줄일 수 있다.
이번에 개발된 숙신산 고효율 균주와 관련하여 대사공학적으로 고효율 숙신산 생산 균주 특허 1건, 핵심 유전자 특허 3건, 배양 특허 1건이 출원되었으며, 미국 미생물학회에서 발간하는 응용미생물 관련 권위 학술지인 응용환경미생물학지(Applied and Environmental Microbiology) 3월호에 게재되었다.
이 교수는 “게놈 정보로부터 균을 체계적으로 엔지니어링하여 숙신산 고효율 균주를 탄생시킨 이상준 박사와 그에 따른 다양한 발효기술을 개발한 송효학 박사가 함께 만들어 낸 훌륭한 합작품이다”라고 평가하고, “향후 관련 기술을 지속적으로 발전시켜 게놈정보를 이용한 통합적인 생물공정 개발 원천기술을 확보하여 우리나라 생명공학 산업의 발전에 기여하고 싶다”고 말했다.
2006.03.14 조회수 18665