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조광현 교수, 암세포 유형별 최적 약물표적 발굴기술 개발
〈 최민수 박사, 조광현 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 암세포의 유형에 따라 최적의 약물 표적을 찾는 기술을 개발했다.
이는 시스템생물학을 이용해 암세포의 유전자변이가 반영된 분자네트워크의 다이나믹스(동역학)를 분석해 약물의 반응을 예측하는 기술로 향후 암 관련 신약 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
최민수, 시 주 (Shi Jue), 주 양팅 (Zhu Yanting), 양 루젠 (Yang Ruizhen)이 참여한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 12월 5일자 온라인 판에 게재됐다.
인간의 암세포는 유전자 돌연변이, 유전체 단위의 반복적 변이 등 여러 형태의 유전자 변이가 있다. 이러한 변이는 같은 암종에서도 암세포에 따라 많은 차이를 보이기 때문에 약물에 대한 반응도 다양하다.
암 연구자들은 암 환자에게서 빈번하게 발견되는 유전자변이를 파악하고 이 중 특정 약물의 지표로 사용될 수 있는 유전자변이를 찾기 위해 노력해 왔다. 이러한 연구는 단일 유전자변이의 발견 또는 유전자네트워크의 구조적 특징 분석에 초점이 맞춰져 있다.
하지만 이러한 접근 방법은 암세포 내 다양한 유전자 및 단백질의 상호작용에 의해 유발되는 암의 생물학적 특성과 이로 인한 약물반응의 차이를 설명하지 못하는 한계가 있다.
암세포의 유전자변이는 해당 유전자 기능 뿐 아니라 이 유전자와 상호작용하는 다른 유전자, 단백질에 영향을 미치기 때문에 결과적으로 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 특성에 변화를 일으킨다.
이로 인해 항암제에 대한 암세포의 반응이 변화하게 된다. 따라서 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 특성을 무시하고 소수의 암 관련 유전자를 표적으로 하는 현재의 치료법은 일부 환자에게만 유용하고 약물저항성을 갖는 대다수 환자에게는 효과적으로 적용되지 못한다.
조 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 슈퍼컴퓨팅을 이용한 대규모 컴퓨터시뮬레이션과 세포 실험을 융합해 암세포 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 변화를 분석했다.
이를 통해 약물반응을 예측해 유형별 암세포의 최적 약물 표적을 발굴하는 기술을 개발했다. 이 기술은 대다수 암 발생에 관여하는 것으로 알려진 암 억제 유전자 p53의 분자조절네트워크에 시범적으로 적용됐다.
연구팀은 국제 컨소시엄인 암 세포주 백과사전(CCLE : The Cancer Cell Line Encyclopedia)에 공개된 대규모 암세포 유전체 데이터를 분자네트워크에 반영해 구축했으며 유전변이의 특성에 따라 서로 다른 분자네트워크를 생성했다.
각 분자네트워크에 대해 약물반응을 모사한 섭동분석을 수행해 약물반응을 나타내는 암세포의 변화를 정량화하고 군집화했다. 그 후 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 효능, 조합에 따른 시너지효과 등 약물반응정도를 예측했다.
이러한 컴퓨터시뮬레이션 결과를 토대로 폐암, 유방암, 골종양, 피부암, 신장암, 난소암 등 다양한 암세포주를 대상으로 약물반응 실험을 수행해 비교 검증했다.
이 기술은 임의의 분자네트워크에 대해서 동일한 방식으로 적용할 수 있고 최적의 약물 표적을 발굴해 개인 맞춤치료에 활용가능하다.
연구팀은 암세포의 이질성에 따른 다양한 약물반응의 원인을 특정 유전자나 단백질뿐만 아니라 상호조절작용을 종합적으로 고려해 분석할 수 있게 됐다고 밝혔다.
또한 약물저항성의 원인을 사전에 예측하고 이를 억제할 수 있는 최적의 약물 표적을 발굴할 수 있게 됐고 기존 약물의 새로운 적용대상을 찾는 약물재창출에 활용될 수 있는 핵심 원천기술을 확보하게 됐다고 말했다.
조 교수는 “암세포별 유전변이는 약물반응 다양성의 원인이지만 지금까지 이에 대한 총체적 분석이 이뤄지지 못했다”며 “시스템생물학을 통해 암세포 유형별 분자네트워크의 약물반응을 시뮬레이션으로 분석해 약물 반응의 근본적 원리를 파악하고 새로운 개념의 최적 약물 타겟을 발굴할 수 있게 됐다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 컴퓨터시뮬레이션을 통한 암세포 유형별 약물반응 예측 및 세포실험 비교 검증
그림2. 암세포별 분자네트워크의 동역학 분석에 기반한 약물반응 예측 및 군집화
그림3. 세포 분자네트워크 분석에 따른 암세포 유형별 약물타겟 발굴 및 암환자별 맞춤치료 전략 수립
2017.12.07 조회수 18449 -
송현준 교수, 이산화탄소를 99% 순수연료로 바꾸는 광촉매 개발
〈 송현준 교수, 김진모 박사과정, 임찬규 박사과정 〉
우리 대학 화학과 송현준 교수 연구팀이 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99% 순수한 메탄 연료로 바꿔주는 금속산화물 혼성 광나노촉매를 개발했다.
태양광을 이용해 메탄으로 직접 변환하는 기술은 태양전지를 이용해 전기를 생산 후 이를 전지에 저장하는 방식보다 저장 가능한 에너지의 양 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구는 값싼 촉매 물질을 이용해 반응 효율과 선택성을 크게 높인 화학에너지 저장방법을 구현했다는 의의를 갖는다.
목포대 남기민 교수와 공동으로 연구하고 배경렬 박사, 김진모 박사과정이 공동 1저자로, 임찬규 박사과정이 3저자로 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.
태양광은 차세대 에너지원으로 주목받고 있지만 해가 떠있는 동안에만 이용하고 발전량이 날씨에 따라 일정하지 않다는 단점이 있다. 태양광 에너지를 연료 등의 화학에너지로 직접 변환할 수 있다면 에너지 저장 및 이용에서의 문제점을 해결할 수 있다.
특히 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소를 태양광을 이용해 변환하는 기술이 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소는 매우 안정적인 물질이기 때문에 다른 분자로의 변환이 어려워, 이를 극복하기 위해 효율과 선택성이 좋은 촉매를 개발해야 한다.
송 교수 연구팀은 선크림에 주로 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성한 뒤 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시켜 콜로이드 형태의 아연-구리산화물 혼성 나노구조체를 제작했다.
구리산화물은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성하며 이는 탄산수에 녹아있는 이산화탄소를 메탄으로 바꿔주는 역할을 한다. 또한 아연산화물도 빛을 받아 전자를 생성한 뒤 구리산화물로 전달해 주기 때문에 마치 나뭇잎에서 일어나는 광합성 현상과 유사한 원리를 통해 오랜시간 반응 시간을 유지했다.
그 결과 수용액에서 반응 실험을 실시했음에도 불구하고 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄을 얻을 수 있었다.
기존의 불균일 광촉매는 고체의 분말 형태이기 때문에 구조가 균일하지 않고 물에 분산되기 어려웠다. 송 교수 연구팀은 나노화학 합성 방법을 이용해 촉매 입자의 구조를 일정하게 조절하고 높은 표면적을 유지시켰다. 이를 통해 기존 촉매보다 수용액에서의 이산화탄소 변환 활성을 수백 배 증가시켰다.
송현준 교수는 “태양광을 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응의 상용화에는 많은 시간이 필요하다. 그러나 이번 연구처럼 나노 수준에서의 촉매 구조의 정밀한 조절은 광촉매 반응의 효율 향상 및 원리 연구에 큰 도움을 줄 것이다”며 “이를 다양한 광촉매에 접목시키면 촉매 특성의 최대화가 가능할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 광나노촉매를 이용한 수용액에서의 이산화탄소 변환 반응 개념도
그림2. 아연-구리산화물 나노촉매의 구조와 이를 이용한 광촉매 CO2 변환 반응 및 안정성 테스트 결과
2017.11.09 조회수 17970 -
조광현 교수, 대장암 유발하는 돌연변이 유전자의 네트워크 원리 규명
〈 왼쪽위부터 시계방향으로 이종훈 박사과정, 공정렬 박사과정, 조광현 교수, 신동관 연구교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 대장암이 발병하는 과정에서 생기는 유전자 네트워크의 원리를 규명하는 데 성공했다.
이를 통해 대장암의 근본적인 발병 원리를 밝혀낼 뿐 아니라 향후 새로운 개념의 효과적인 항암제의 분자표적을 찾는데 활용될 것으로 기대된다. 또한 4차 산업혁명의 핵심 기술로 주목받는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구로 규명해냈다는 의의를 갖는다.
신동관 박사, 이종훈, 공정렬 학생연구원 등이 함께 참여한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2일자 온라인 판에 게재됐다.
인간의 암은 유전자 돌연변이에 의해 발생한다. 이 돌연변이의 빈도는 암종에 따라 차이가 나는데 백혈병, 소아암은 10여 개 정도이지만 성인 고형암은 평균 50여 개, 폐암 등의 외부인자로 인한 경우는 수백 개에 이른다.
전 세계 암연구자들은 암 치료를 위해 환자들에게서 빈번하게 발견되는 유전자 돌연변이들을 파악하고 이 중 주요 암 유발 유전자를 찾아내 표적 항암제를 개발하고자 노력했다.
그러나 유전자 돌연변이는 해당 유전자의 기능에만 영향을 주는 게 아니라 그 유전자와 상호작용하는 다른 유전자에게도 영향을 끼친다. 따라서 이러한 유전자 네트워크의 원리를 모른 채 소수의 암 유발 유전자를 대상으로 하는 현재의 치료법은 일부에게만 효과가 있고 쉽게 약물의 내성을 일으키는 한계가 있다.
조 교수 연구팀은 대장암 환자의 대규모 유전체 데이터를 이용해 유전자 상호작용 네트워크에서 나타나는 다중 돌연변이의 협력적 효과에 대한 수학모형을 구축했다.
이는 국제 암유전체컨소시엄에서 발표한 전암 유전체데이터베이스(TCGA: The Cancer Genome Atlas)를 토대로 구축한 것으로, 유전자 네트워크에서 나타나는 돌연변이의 영향력을 정량화하고 이를 이용해 대장암 환자 군을 임상 특징에 따라 군집화 하는데 성공했다.
또한 대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 암 발생 과정에서 나타나는 임계전이(critical transition) 현상을 밝혀내 숨겨진 유전자 네트워크의 원리를 최초로 규명했다.
임계전이란 상전이와 같이 물질의 상태가 갑작스럽게 변화하는 현상을 말한다. 암 발생 과정에서는 유전자 돌연변이의 발생 순서를 추적하기 어렵기 때문에 전이 현상이 존재하는지 확인할 수 없었다.
연구팀은 시스템생물학 기반의 연구방법을 이용해 확인한 결과 기존의 대장암에서 잘 알려진 암 유발 유전자 돌연변이의 발생 순서를 따르는 경우에 임계전이 현상을 보임을 발견했다.
이번에 개발한 수학모형을 활용하면 암환자에게 발생하는 다수 유전자 돌연변이의 영향을 가장 효과적으로 저해할 수 있는 새로운 항암 표적 약물이 개발될 것으로 기대된다.
특히 주요 암 유발 유전자 뿐 아니라 돌연변이의 영향을 받는 다른 모든 유전자들을 대상으로 종합적으로 평가해 효과적인 약물 표적을 찾아낼 수 있다.
조 교수는 “지금껏 다수 유전자들의 돌연변이가 암 발생에 어떻게 기여하는지 밝혀진 바가 없었다”며 “이번 연구에서는 시스템생물학으로 암세포의 발달과정에서 유전자 네트워크의 원리를 최초로 밝힘으로써 새로운 차원의 항암제 표적을 발굴할 수 있는 가능성을 제시했다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 유전자 돌연변이의 영향력 전파에 의한 거대 클러스터의 형성
그림2. 암발생 과정에서 돌연변이 협력효과의 임계전이 현상
2017.11.07 조회수 18767 -
유승협 교수, 일회용 전자기기에 쓰일 유연 플래시메모리 개발
〈 문 한 얼 박사, 유 승 협 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수, 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 유기물 기반의 유연하면서도 우수한 성능을 갖는 플래시 메모리를 개발했다.
이 기술을 통해 본격적인 웨어러블 전자기기 및 스마트 전자종이 등의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
문한얼 박사, 이승원 박사가 주도한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 28일자 온라인 판에 게재됐다.
플래시 메모리는 태블릿, 스마트폰, USB 드라이브 등 대부분의 IT 기기에서 사용되는 정보 저장을 위한 필수 소자이다. 웨어러블 및 유연 스마트 기기를 제작하기 위해서는 기기에 들어갈 메모리도 매우 우수한 유연성을 갖게 하는 것이 중요하다.
하지만 소재의 제약으로 인해 유연성과 성능을 동시에 갖춘 유연 플래시 메모리의 구현은 사실상 이뤄지지 못했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD)’을 이용해 유연하면서도 우수한 절연 특성을 갖는 고성능의 고분자 절연막 군(群)을 제작했다. 그리고 이를 이용해 최적의 플래시 메모리 동작이 가능하도록 설계했다.
기존의 고분자 절연막을 사용한 메모리는 일정 정도의 성능을 내기 위해서 100V(volt) 이상의 높은 전압이 필요했다. 만약 낮은 전압으로 구동하도록 제작하면 한 달 미만의 짧은 유지기간을 갖는 문제점이 있었다.
연구팀이 제작한 플래시 메모리는 10V 이하의 프로그래밍 전압과 10년 이상의 데이터 유지시간을 갖는 동시에 2.8%의 기계적 변형률에도 메모리 성능을 유지했다. 이는 기존의 무기물 절연층 기반 플래시 메모리가 1% 수준의 변형률만을 허용하던 것을 대폭 향상시킨 것이다.
연구팀은 개발한 플래시 메모리를 6 마이크로미터 두께의 플라스틱 필름에 제작해 실제 접을 수 있는 메모리를 시연했다. 또한 인쇄용 종이 위에도 제작에 성공해 종이 재질의 전자신문, 전자명함 등 일회용 스마트 전자제품에도 활용할 수 있는 길을 열었다.
유 교수는 “유연 트랜지스터 연구는 많은 진보가 있었지만 유연 플래시 메모리는 상대적으로 발전이 느렸다. 메모리 소자의 구성요소가 갖는 만족요건이 까다롭기 때문이다”며 “이번 연구로 고유연성, 고성능의 플래시 메모리의 가능성이 확인돼 본격적인 웨어러블 전자기기, 스마트 전자종이 등에 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구 결과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 사진 설명
사진1. 유연 플레쉬 메모리의 구조
사진2. 폴더블 플래시 메모리
사진3. 종이에 제작된 플래시 메모리
2017.10.26 조회수 16454 -
박지호 교수, 인공수용체 종양에 전달해 표적치료하는 기술 개발
〈 박 지 호 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 종양 전체에 인공수용체를 전달해 효과적으로 종양을 표적 치료하는 기술을 개발했다.
김희곤 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
종양 표적치료란 일반적으로 종양의 성장과 발생에 관여하는 특정 분자, 즉 수용체를 표적으로 삼아 종양의 성장을 저해하는 치료를 말한다.
하지만 표적치료는 종양 내 특정 수용체가 존재하는 환자에게만 효과가 있고 표적 분자가 소량이거나 불균일하게 존재할 경우 치료 효과에 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리포좀이라는 인공나노입자와 세포에서 자연적으로 분비되는 엑소좀이라는 생체나노입자를 동시에 이용했다. 먼저 세포막과 효율적으로 결합하는 인공나노입자인 세포막결합성 리포좀을 개발했다.
〈 이번 연구를 주도한 김희곤 학생과 오찬희 학생〉
리포좀은 특정 분자를 표적하는 것이 가능한 인공수용체를 싣고 혈류를 통해 종양으로 침투한다. 그리고 혈관 주변의 종양 세포에 인공수용체를 전달하는데 여기서 종양 세포가 분비하는 엑소좀에 인공수용체를 탑재시키는 것이 리포좀의 역할이다.
중요한 점은 세포막결합성 리포좀은 정상 세포보다 암세포에 더 효과적으로 인공수용체를 전달함으로써 종양 표적치료를 용이하게 한다.
엑소좀은 일반적으로 세포 간 여러 생체 분자를 전달하는 역할을 한다. 혈관 주변의 세포를 통해 리포좀에 의해서 전달된 인공 수용체가 엑소좀에 탑재하게 되면 엑소좀이 이동하는 종양 내 모든 위치로 인공 수용체가 자연적이고 효율적으로 전달된다.
연구팀은 이렇게 종양 전체에 퍼진 인공 수용체를 표적할 수 있는 물질에 약물을 결합시켜 효과적인 종양 표적치료를 하는 것을 목표로 삼고 있다.
연구팀은 이 기술을 이용해 빛에 반응해 항암효과를 내는 광과민제를 종양이 이식된 실험용 쥐에 주입했다. 이후 종양 부위에 빛을 조사해 항암효과를 유도한 후 분석한 결과 효과적으로 표적치료가 이뤄짐을 확인했다.
연구팀은 이번 연구가 표적이 어렵거나 불가능한 종양 표적치료를 가능하게 하는 기술 개발의 발판을 마련했다는 의의를 갖는다고 밝혔다.
박 교수는 “리포좀은 종양 미세 환경에서 종양세포들이 분비하는 생체나노입자인 엑소좀에 효율적으로 인공수용체를 탑재한다. 그리고 엑소좀은 고유 이동경로를 통해 인공수용체가 종양 전역으로 전달되도록 한다.”며 “표적치료가 어려운 다양한 질병을 치료하는 데 유용하게 사용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 보건복지부의 암정복추진연구개발사업 및 KAIST연구소의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 종양 내 인공수용체 전달을 통한 협동 표적치료를 보여주는 모식도
그림2. 종양 내 인공수용체 전달을 통한 협동 표적을 보여주는 종양 조직 사진
2017.07.06 조회수 15153 -
허원도 교수, 빛으로 단백질군집형성 속도 10배 높이는 새 광유전학 기술 개발
〈 허 원 도 교수 〉
우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 청색광 수용 단백질인 크립토크롬2(Cryptochrome2)를 변형한 크립토크롬2 클러스트(CRY2clust)를 개발했다.
이를 통해 기존에 비해 약 10배 더 빠른 반응속도로 단백질 군집을 형성하는 데 성공했다.
이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 23일자에 게재됐다.
세포막 단백질이나 신호전달 단백질, 효소 등 많은 단백질은 자신들끼리 서로 군집을 이룰 때 제 기능이 활성화된다. 그 동안 화학물질을 이용해 단백질 군집 형성을 유도하려는 노력이 이뤄져왔으나 부작용과 시간적 제약 등 한계가 있었다.
광유전학 분야 연구자들은 화학물질을 사용하지 않는 대신 빛을 이용해 단백질 군집을 형성하고자 식물의 청색광 수용 단백질인 크립토크롬2를 활용했다.
허원도 교수 연구팀은 크립토크롬2의 일부 구조를 변형해 기존 크립토크롬2를 활용한 광유전학 기술보다 단백질 군집을 더 빠르게 만들 수 있는 방법을 찾았다.
크립토크롬2의 단백질 사슬 C말단(C-terminal)에 9개의 아미노산 잔기로 구성된 매우 짧은 펩티드(Peptide)를 부착하자 일반 크립토크롬2보다 빛에 10배 이상 더 빠르게 반응한다는 사실을 관찰한 것이다.
연구진은 이 기술을 CRY2clust라 이름 붙였다.
연구팀은 과거 자체 개발한 광유전학 기술에 CRY2clust를 접목해 CRY2을 이용한 기존 시스템과의 단백질 활성 효율의 차이를 확인했다. CRY2clust를 사용하면 빛으로 세포막의 칼슘이온채널을 훨씬 빠르게 끄고 켜거나(광유도 칼슘이온채널 활성 시스템 ; OptoSTIM1) 신경세포의 분화를 더욱 효율적으로 조절(광유도 신경성장인자 수용체 활성 시스템 ; OptoTrkB)할 수 있었다.
연구진은 더 나아가 실험실에서 단백질 군집 형성에 주로 활용하는 여러 형광단백질(Fluorescent protein)과 크립토크롬2를 짝지어 결합해봄으로써 빛을 이용해 단백질 군집을 더 효율적으로 만들 수 있는 조합의 조건을 찾았다.
형광단백질이 하나보다는 여러 개가 결합한 형태일수록 빛을 비추었을 때 광유도 클러스트를 더욱 높은 비율로 형성했다. 또한 형광단백질을 크립토크롬2의 단백질 사슬 말단 중 N말단이 아닌 C말단에 붙이는 경우 광유도 클러스트 형성 효율이 더 높은 것으로 확인됐다. 단백질 군집이 잘 형성되는 조건을 찾았다는 점에서 연구자의 실험 선택의 폭을 넓혀준 데 의의가 있다.
허원도 교수 연구팀은 CRY2clust를 개발해 빛을 이용한 단백질의 활성을 훨씬 효율적으로 유도하는데 성공했다.
허원도 교수는 “이번 연구에서 개발한 CRY2clust는 향후 광유전학 분야의 실험에 유용한 도구가 될 것이다”며“다양한 형광단백질-CRY2 조합을 통해 찾은 단백질 군집 형성 성공 요인은 광유전학 시스템 개발에 길잡이 역할을 할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 기존 크립토크롬2 대비 CRY2clust의 단백질 군집 형성 속도
그림2. CRY2clust 시스템을 적용한 광유도 단백질 기능 조절
그림3. 형광단백질을 이용한 다양한 단백질 군집 형성
2017.06.26 조회수 12346 -
이상엽 특훈교수, 병원균이 항생제에 내성을 갖는 원리 규명
〈 이 상 엽 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 교수와 덴마크 공대(DTU) 노보 노르디스크 바이오지속가능센터(Novo Nordist Foundation Center for Biosustainability) 공동 연구팀이 박테리아 병원균이 항생제에 대한 내성을 획득하는 작동 원리를 밝혔다.
이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.
항생제 남용 등으로 인해 항생제 내성균이 점점 더 늘어나고 있다. 이는 인류의 생존을 위협하는 문제로 그 심각성이 전 세계적으로 점점 커지고 있다.
인체 감염균이 항생제 내성을 갖는 방식에는 항생제를 분해하는 효소를 갖거나 다시 뱉어내는 등 다양한 방식이 있다. 그 중 대표적인 것은 항생제 내성 유전자를 획득해 항생제를 무용지물로 만드는 것이다.
내성 유전자는 보통 항생제를 생산하는 곰팡이나 악티노박테리아에서 발견된다. 이는 해당 항생제를 만드는 곰팡이와 박테리아가 자기 스스로를 항생제로부터 보호하기 위해 갖고 있는 것이다.
이 내성 유전자를 인체 감염균이 획득하면 항생제 내성을 갖게 된다. 이러한 사실은 게놈 정보 등을 통해 이미 알려져 있는 사실이다.
그러나 어떤 방식으로 항생제 내성 유전자들이 인체 감염균에 전달되는지는 밝혀지지 않았다.
이상엽 교수와 덴마크 공대 공동 연구팀은 항생제 내성 유전자가 직접적으로 인체 감염균에 전달되는 것이 아니라 연구팀이 캐리백(carry-back)이라고 이름 지은 복잡한 과정을 통해 이뤄지는 것을 규명했다.
우선 인체 감염균과 방선균이 박테리아간의 성교에 해당하는 접합(conjugation)에 의해 인체 감염균의 DNA 일부가 방선균으로 들어간다.
그 와중에 항생제 내성 유전자 양쪽 주위에도 감염균의 DNA가 들어가는경우가 생긴다. 이 상태에서 방선균이 죽어 세포가 깨지면 항생제 내성 유전자와 감염균의 DNA 조각이 포함된 DNA들도 함께 나오게 된다.
이렇게 배출된 항생제 내성 유전자에는 인체 감염균의 일부 DNA가 양쪽에 공존하고 있다. 이 때문에 인체 감염균은 자신의 게놈에 재삽입이 가능해지고 이를 통해 항생제 내성을 획득한다.
연구팀은 생물정보학적 분석과 실제 실험을 통해 이를 증명했다.
이 교수는 “이번 연구결과는 인체 감염 유해균들이 항생제 내성을 획득하는 방식 중 한 가지를 제시한 것이다”며 “병원 내, 외부의 감염과 예방 관리시스템, 항생제의 올바른 사용에 대해 다시 한 번 생각할 수 있는 기회를 제공할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 노보 노르디스크 재단과 미래창조과학부 원천기술과(바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 연구사업)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 항생제 내성 유전자가 전달되는 캐리백 현상의 모식도
2017.06.19 조회수 18064 -
윤동기 교수, 액정 결함의 변이 과정 관찰에 성공
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함이 온도에 따라 변화하는 과정을 규명했다.
액정 결함에 관한 연구는 20세기 초반부터 약 100여 년 간 위상기하학을 연구하는 물리, 수학자들에 의해 연구됐지만 결함의 형태 전이를 세밀하게 직접적으로 관찰한 것은 이번 연구가 처음이다.
이 액정에서의 결함은 위상학적(topology)으로 우주에서 발생하는 블랙홀과 같은 위상학적 현상과 비슷한 구조를 갖기 때문에 우주의 원리를 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
김민준 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 5월 30일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Morphogenesis of liquid crystal topological defects during the nematic-smectic A phase transition)
일반적으로 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성을 갖고 있어 액정표시장치(LCD)나 광학 센서 등에 사용된다. 이 때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 측면에서 유리한 것으로 알려져 있으나 물질 특성 상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다.
윤 교수 연구팀은 이 결함을 단순히 없애는 데만 집중하지 않고 결함의 구조를 이해하고 형성 원리를 명확하게 규명하는 기초연구에 집중했다.
이러한 노력을 바탕으로 액정재료의 위상학적 결함이 안정적으로 발생하는 플랫폼을 구성해 온도 변화에 따른 상전이(phase transition)를 직접적으로 관찰했다.
위상학적 결함의 상전이는 2016년도 노벨물리학상의 주제이기도 할 만큼 기초과학 분야에서 중요하다. 우주 은하의 위상학적 구조적 원리도 이에 바탕하고 있어 많은 연구자들이 집중하고 있는 분야이다.
우주 은하의 위상학적 결함을 관찰하기에는 너무 범위가 크고 시간이 오래 걸린다. 하지만 윤 교수팀이 고안한 플랫폼의 위상학적 결함 구조는 광학 현미경으로 관찰이 가능한 수준의 크기이다. 또한 결함의 상전이가 일어나는 시간도 수초에서 수분 단위이기 때문에 관찰이 용이하다.
여기서 액정 재료들이 형성하는 결함 구조는 하나의 특이점(singularity)을 중심으로 방사형, 원형, 나선형 등의 형태를 갖는다. 특이점은 영화 ‘인터스텔라’에서도 나온 것처럼 우주의 블랙홀의 중심부 부분에 해당한다.
이 액정 재료는 일반적으로 딱딱한 두 유리판 사이에 모세관 현상을 통해 주입해 그 시료를 준비하게 된다. 그러나 이 과정에서 유리판처럼 단단한 기판은 표면효과 때문에 액정 물질의 움직임을 제한시키고 이는 결함의 상전이를 관찰하는 장애물이었다.
연구팀은 물 위에 기름이 떠다니는 현상을 이용해 물 위에 얇은 액정재료 막을 형성함으로써 액정 분자들의 움직임이 제한적이지 않은 환경을 조성했다.
이런 환경에서 온도를 변화시키면 그 구조체를 구성하는 분자와 분자 사이의 미세한 상호작용이 기판에 의한 표면효과보다 훨씬 크기 때문에 위상학적 결함의 상전이를 연속적, 직접적으로 관찰할 수 있다.
이 연구 방식은 온도 변화를 통해 위상학적 결함의 형성과정을 순서대로 혹은 역으로 조절할 수 있다. 따라서 전이과정을 면밀하게 관찰하면 중간 상태의 결함구조를 통해 최초의 그 결함 형태와 구성 분자들의 배열을 정확히 역추적 할 수 있다.
이는 위상학적 결함의 형성 원리를 근본적으로 이해할 수 있는 연구 수단이 될 것으로 기대된다.
윤 교수는 이번 연구에 대해 “연구에 대한 발상의 전환을 통해 남들이 보지 못한 것을 볼 수 있었다”며 “액정 결함에 대한 이번 연구 결과는 산업적 측면 뿐 아니라 기초 학문에 세계적 공헌을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
또한 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정에 대한 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구에 대한 관심을 촉발시키는 계기가 되길 바란다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업과 신진연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물 위에 형성된 액정 결함의 냉각에 의한 위상학적 결함의 상전이 현상의 편광현미경 사진
그림 2. 액정 분자들이 모이는 위상학적 결함의 편광현미경 이미지와 그에 대한 모식도와 액정 분자들이 퍼지는 위상학적 결함의 편광현미경 이미지와 그에 대한 모식도
2017.06.01 조회수 16681 -
박용근 교수, 세포 자유롭게 변형 가능한 홀로그래피 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 세포와 같이 복잡한 3차원 물체를 빛을 통해 자유자재로 제어할 수 있는 홀로그래피 기술을 개발했다.
이 기술은 복잡한 형상을 갖는 물체들을 포획하고 조립하면서 실시간 촬영이 가능해 세포들 간의 상호를 연구하거나 미세한 물체를 제작하고 조립하는 새로운 응용 분야를 개척할 수 있을 있을 것으로 보인다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
광학 집게라고 불리는 기존 광 제어 기술은 레이저로 광 초점을 만들어 그 초점에 구형 물체를 포획하는 방식이다. 렌즈를 이용해 작은 레이저 광 초점을 만들면 이 광초점에 자석에 철가루가 끌려오듯 주변 미세 물체를 달라붙게 하는 기술이다.
또한 이 기술은 초점의 위치를 옮기거나 힘을 가하는 방식으로 포획된 구형 물체의 3차원 위치를 조절할 수 있다. 1997년 노벨 물리학상의 공적인 이 기술은 물리학 및 광학 분야 등에 널리 이용된다.
그러나 이 광학 집게 기술은 물체의 모양이 복잡해지는 경우에는 물체를 안정적으로 포획하기 어렵다. 제어할 수 있는 물체의 방향이 제한적이기 때문에 생명 세포처럼 복잡한 3차원 형상을 가진 미세 물체를 광 제어하는 데는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 임의의 형상을 가진 복잡한 물체도 포획할 수 있는 새로운 레이저 포획 기술을 개발했다.
이 기술은 우선 3차원 홀로그래픽 현미경을 이용해 물체의 3차원 정보를 실시간 측정한 뒤 그 정보를 바탕으로 물체를 효과적으로 제어할 수 있는 광학 패턴을 정밀히 계산해 입사하는 방식이다.
기존 광학 집게 기술이 단순한 광 초점을 이용한 수동적 방식이라면 이 기술은 물체에 따라 능동적으로 적용할 수 있다.
빛과 물체의 모양이 같아질 때 물체가 갖는 에너지가 최소화돼 복잡한 형상의 물체더라도 안정적으로 포획할 수 있음을 확인했다. 이는 물리적으로는 에너지를 최소화하는 방향으로 현상이 발생하는 원리와 같다.
연구팀은 물체가 다양한 위치, 방향, 모양을 갖게 제어해 물체의 3차원 운동을 자유자재로 제어하고 원하는 모양으로 만들 수 있었다. 마치 거푸집을 자유롭게 제작해 원하는 석고상을 만들어내는 것과 같다.
연구팀은 이 기술을 통해 적혈구 세포를 안정적으로 집어 원하는 각도로의 회전, 기역자 모양으로 변형, 두 개의 적혈구를 조립해 새로운 구조물 제작 등을 구현하는 데 성공했다. 또한 복잡한 구조인 대장암 세포를 안정적으로 포획하고 원하는 각도로 회전시킬 수 있었다.
이 기술은 안정적인 상태에서 세포를 원하는 모양으로 변형시킬 수 있어 세포에 힘을 가하여 변형시킬 때의 세포 반응을 정량적으로 분석할 수 있다.
논문의 1저자인 김규현 박사는 “복잡한 형상을 가진 물체의 모양, 특성 등 사전 정보를 몰라도 물체의 운동을 자유자재로 제어할 수 있는 기술이다”며 “생물 물리학 연구, 부유 물질 및 나노 물체 조립 등의 다양한 분야에 응용 가능할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 능동 광 제어 기술의 모식도
그림2. 복잡한 형태의 생명 세포들의 3차원 운동 및 모양 제어 결과
2017.05.25 조회수 12228 -
박희성 교수, 맞춤형 단백질 변형기술 동물 모델 적용에 성공
우리 대학 화학과 박희성 교수 연구팀이 아주대 의과대학 박찬배 교수와의 공동 연구를 통해 동물 모델에서 단백질의 아세틸화 변형을 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
인간의 질병 연구에 대표적으로 쓰이는 쥐 모델에서 단백질 아세틸화를 조절할 수 있게 돼 다양한 질병의 원인을 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프런티어사업(의약바이오컨버젼스연구단, 단장 김성훈)과 지능형 바이오시스템 설계 및 합성연구단(단장 김선창), 식약처의 미래 맞춤형 모델동물개발 연구사업단(단장 이한웅)의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 21일자 온라인 판에 게재됐다.
우리 몸의 세포에서 만들어지는 2만 여종의 단백질은 생합성 이후 인산화, 아세틸화, 당화 등 200여 종의 다양한 변형(post-translational modification)이 발생하게 된다.
세포 내 단백질들은 다양한 변형을 통해 기능과 활성이 조절되며 이러한 변형은 생체 내에서 세포 신호 전달 및 성장 등 우리 몸의 정상적인 신진대사 활동을 조절하는 매우 중요한 역할을 한다.
하지만 유전적 또는 환경적 요인으로 인해 단백질 변형이 비정상적으로 일어나면 세포의 신호 전달, 대사 활동 등이 손상돼 암, 치매, 당뇨를 포함한 다양한 중증 질환을 유발한다.
기존에는 이러한 비정상적 단백질 변형을 동물 모델에서 인위적으로 유발시키고 제어하는 기술이 존재하지 않아 질병의 원인 규명 및 신약 개발 연구에 어려움이 있었다.
박 교수팀은 2016년 9월 다양한 비정상 변형 단백질을 합성할 수 있는 맞춤형 단백질 변형 기술을 개발해 사이언스(Science)지에 발표한 바 있다.
연구팀은 기존 연구를 더 발전시켜 각종 암과 치매 등의 이유가 되는 퇴행성 신경질환의 원인인 비정상적인 단백질 아세틸화를 동물 모델에서 직접 구현하는 기술을 개발했다.
연구팀은 이 기술을 바탕으로 실험용 쥐의 특정한 발달 단계나 시기에 표적 단백질의 특정 위치에서 아세틸화 변형을 조절할 수 있음을 증명했다.
또한 다른 조직에 영향을 주지 않고 간이나 콩팥 등 특정 조직이나 기관에서만 표적 단백질의 아세틸화 변형 제어가 가능함을 확인했다.
연구팀은 “이 기술은 암과 치매 등 단백질의 비정상적 변형으로 발생하는 각종 질병의 바이오마커 발굴 등 질병 원인 규명 연구의 획기적인 전기를 마련할 것으로 기대된다”고 말했다.
박희성 교수는 “실용화 될 경우 지금까지 실현이 어려웠던 다양한 질병에 대한 실질적 동물 모델을 제조할 수 있을 것으로 전망된다”며 “향후 맞춤형 표적 항암제 및 뇌신경 치료제 개발 등 글로벌 신약 연구에 새 패러다임을 열 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 아세틸화 변형 조절 마우스 개발 및 아세틸화 제어 결과
그림2. 비정상적인 단백질 변형 및 각종 질병의 모식도
2017.03.06 조회수 17199 -
최시영 교수, 물리적 힘을 이용해 안정화된 에멀전 개발
우리 대학 생명화학공학과 최시영 교수 연구팀이 디플리션 힘이라고 불리는 물리적인 힘을 이용해 새로운 방식의 안정적인 에멀젼을 제작하는 데 성공했다.
생명화학공학과 연구조교수인 김규한 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 1일자 온라인 판에 게재됐다.
특히 이 연구는 우리 대학 의 ‘학부생 연구 참여 프로그램(URP : Undergraduate research program)’을 통해 학부생인 김수빈 학생이 2저자로 참여해 의미를 더했다.
우리가 흔히 화장품 종류로 알고 있는 에멀전은 물속에 기름방울들이(또는 기름 속에 물방울이) 안정적으로 분산된 구조를 뜻한다. 그리고 피커링 에멀전은 계면활성제 대신 고체 입자를 사용해 안정화된 에멀전을 뜻한다.
일반적으로 물과 기름은 섞이지 않는다고 알려져 있지만 지금까지는 적정량의 계면활성제를 넣고 물과 기름을 섞어 적절히 분산시켰다. 이를 통해 에멀전을 제작했고 이는 마요네즈, 선크림, 로션 등 산업 전반에 유용하게 사용되고 있다.
그러나 지금까지 피커링 에멀전은 고체 입자 표면에 화학적인 처리를 통해 흡착력을 증대시켜 안정화하는 방식을 택했다. 이는 처리과정이 복잡하고 적용 범위가 매우 좁아 유용하게 사용되지 못했다.
연구팀은 피커링 에멀전의 표면을 화학적으로 처리하는 대신 수나노미터 크기의 작은 고분자 입자를 더 큰 고체 입자(수십 나노미터에서 수 마이크로미터 수준)와 함께 섞었다. 이를 통해 디플리션 힘(depletion force)을 유발했고 물리적인 힘을 통해 에멀전을 안정화시키는 데 성공했다.
디플리션 힘이란 많은 수의 작은 입자들이 자신들의 자유로운 공간을 많이 확보하기 위해 다른 큰 입자들을 뭉치게 만드는 힘을 뜻한다. 크기가 큰 입자끼리 서로 끌림을 유도하는 것이다.
그동안 디플리션 힘은 고체와 고체 입자끼리만 적용됐다. 그러나 연구팀은 작은 입자로 고분자, 큰 입자로 고체 입자와 기름방울을 사용해 고체와 액체 사이에서도 디플리션 힘이 적용됨을 증명했다.
작은 입자 크기 역할을 하는 고분자를 삽입함으로써 친수성을 갖는 고체 입자가 기름방울 표면에 흡착되는 것을 향상시켰고, 입자 표면으로부터 분리되는 것을 방지해 안정적인 상태를 유지할 수 있었다.
연구팀은 안정적인 고내부상 피커링 에멀전을 통해 다양한 종류의 다공성 고분자 물질을 쉽게 제작할 수 있음을 확인했다. 이 다공성 고분자는 넓은 표면적을 이용해 분리막이나 조직공학, 약물 전달체 및 센서 등에 적용 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 김규한 연구교수는 “그동안 고체 콜로이드 입자들 사이에서만 이용되던 디플리션 힘을 고체 입자와 액체 방울 사이에서 구현한 첫 번째 예로서 그 학술적인 의미가 있다”고 말했다.
최 교수는 “학술적 의미를 넘어 산업 및 국가 경쟁력에 기여할 수 있는 기술이다”며 “화학적인 힘이 아닌 물리적 힘을 이용해 안정적인 에멀젼을 형성하기 때문에 고체 입자와 고분자 종류에 관계없이 사용 가능하고, 특수 목적에 맞는 맞춤형 다공성 물질 제작이 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업 (대통령 post-doc. 펠로우십, 리서치 펠로우십, 중견연구자 지원사업)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 이번 기술을 통해 제작한 다공성 고분자 구조체의 내부 사진들
그림2. 고내부상 피커링 에멀젼의 유변학적 특성 측정 및 시스템의 가공성을 보여주는 사진
그림3. 안정한 피커링 에멀젼 시스템을 나타내는 사진들
2017.02.07 조회수 17280 -
이건재, 최성율 교수, 고체 상분리 현상에 의한 그래핀 생성원리 발견
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수와 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀이 초단시간의 레이저를 조사해 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견하고 이를 활용한 그래핀 생성원리를 밝혔다.
기존에 활용되고 있는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기반의 그래핀 합성법이 상당시간의 고온 공정을 필요로 하는 것과 달리 새로운 레이저 열처리법은 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있어 향후 그래핀 활용의 폭을 넓힐 수 있을 전망이다.
연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 나노초(10억분의 1초) 단위의 극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다. 그러자 탄화규소 표면이 두께 2.5나노미터의 탄소(C) 초박막층과 그 아래 두께 5나노미터의 규소(Si, 실리콘)층으로 분리되는 상분리 현상이 나타났다. 여기에 레이저를 다시 쪼이자 안쪽 실리콘층은 증발하고, 탄소층은 그래핀이 됨을 확인했다.
특히 탄화규소와 같은 이종원소 화합물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 아주 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 지금까지 그 규명이 쉽지 않았다. 그러나 연구진은 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소 및 실리콘의 초박막층을 고해상도 전자현미경으로 촬영하고, 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체와 액체 상태일 때 나타나는 광학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 성공적으로 규명해낼 수 있었다.
연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법으로, CVD 공정과 달리 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용이 가능하여, 향후 플렉시블 전자 분야로 응용의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
이 교수는 "이번 연구 결과를 통해 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것이다”고 말했다.
최 교수는 "앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 단결정 탄화규소의 용융을 통한 상분리 현상의 원리를 밝혀내는 분자동역학 시뮬레이션의 모식도
그림2. 레이저에 의해 순간적으로 유도된 단결정 탄화규소의 용융 및 응고 현상을 증명하는 실시간 시간 분해능 반사율 (In-situ time-resolved reflectance) 측정 스펙트럼
그림3. 레이저가 조사된 탄화규소 표면의 전체적인 전자현미경 사진(a) 및 이로 의한 탄소와 실리콘으로의 상분리 현상을 촬영한 고해상도 전자현미경 사진(b)
2016.12.05 조회수 18764