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얼음입자내 수소저장메커니즘 세계최초 규명
미래 수소에너지 개발에 획기적 전기마련
이흔 교수팀, 네이처(Nature)誌 7일자에 발표
섭씨 0℃ 부근의 온도에서 수소 분자가 얼음 입자 내에 만들어진 나노 크기의 수많은 빈 공간으로 저장될 수 있다는 사실이 世界最初로 규명됐다.
KAIST(한국과학기술원)는 생명화학공학과 이흔(李琿, 54) 교수팀이 이와 같은 자연 현상적 수소저장 메커니즘을 규명했으며, 관련 연구결과 논문이 세계적 과학전문저널인 네이처誌 7일자에서 가장 주목해야 할 논문으로 선정돼 해설 및 전망기사와 함께 발표되었다고 밝혔다.
미래의 거의 유일한 청정에너지인 수소에너지를 얼마나 잘 활용할 수 있느냐의 성공여부는 효과적인 저장 기술의 확보 여부에 달렸다. 그동안은 영하 252 ℃ 극저온의 수소 끓는점에서 수소 기체를 액화시켜 특별히 제작된 단열이 완벽한 용기에 저장하거나, 350 기압 정도의 매우 높은 압력에서 기체 수소를 저장하는 방법을 널리 사용해 왔다. 하지만 수소는 제일 작고 가벼운 원소여서 어떤 용기의 재질이건 속으로 침투하는 성질 때문에 이 방법들은 경제성이나 효율성이 떨어지게 되고 극저온이나 높은 압력의 사용으로 인한 여러 가지 기술적 난제들을 가질 수밖에 없었다.
이러한 문제점들을 극복하기 위해 그동안 전 세계적으로 수소저장합금, 탄소나노튜브 등을 이용한 차세대 수소저장 기술연구가 활발히 이뤄지고 있지만 이러한 특수 물질들의 저장 재료로서의 한계성 때문에 현실적으로 적용하기가 어려웠다.
그러나 이번에 발표된 李 교수의 연구결과는 수소를 저장하기 위한 기본 물질로 물을 이용하기 때문에 매우 경제적이며 또한 친환경적인 수소 저장 방법이라 할 수 있다. 순수 물로만 형성된 얼음 입자에는 수소를 저장할 수 있는 빈 공간이 존재하지 않는다. 그러나 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가하여 얼음 입자를 만들 경우 내부에 수많은 나노 공간을 만들게 되며, 바로 이 나노 공간에 수소가 안정적으로 저장되는 특이한 현상이 나타난다.
특히, 주목할 만한 사실은 우리가 쉽게 다룰 수 있는 영상의 온도에서 수소가 저장되고, 수소를 포함하고 있는 얼음 입자가 상온에서 물로 변할 때 저장된 수소가 자연적으로 방출된다는 것이다. 이러한 수소의 저장과 방출이 짧은 시간 내에 단순한 과정으로 진행되며, 더욱이 수소를 저장하는 물질에 물을 사용함으로써 지금까지 알려진 저장합금이나 탄소나노튜브 등의 수소저장 재료와는 달리 거의 무한대로 얼음 입자를 반복해 활용할 수 있을 뿐만 아니라 필요시 방대한 얼음 입자로 이뤄진 공간에 수소의 대규모 저장이 가능하게 된다.
궁극적으로 물로부터 수소를 생산하고, 생산된 수소를 얼음 입자에 저장한 후 이를 최종 에너지원으로 이용하여 수소를 연소시키거나 연료전지에 사용하면 다시 수증기가 만들어지게 된다. 李 교수는 이렇게 물, 얼음, 수증기로 이루어지는 수소의 순환 시나리오를 제시할 수 있으며, 앞으로 이를 완성하기 위한 체계적이고 과학적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.고 말했다.
지구상에서 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물로 이루어진 얼음 입자에 수소를 직접 저장할 수 있는 메커니즘이 밝혀짐에 따라 앞으로 미래 수소 에너지를 이용하는 수소자동차, 연료전지 개발에 획기적인 전기를 마련한 것으로 보인다.
2005.04.07 조회수 21742 -
인공위성 우리별주역 박강민씨, 11년만에 박사학위
박강민 씨, KAIST 전기전자과 1천호 박사의 영예도 함께 얻어
국내 최초의 인공위성인 우리별 1호를 개발한 30대 후반의 "늦깎이 위성박사" 박강민(朴剛民, 38)씨가 KAIST 전기전자과 1천호 박사의 주인공이 됐다.
KAIST 학사과정(구. 과학기술대학) 첫 입학생(86)이며, 지난 92년 발사된 우리별 1호의 개발 주역이었던 朴 박사는 91년도에 영국 서리(Surrey)대학에서 위성통신공학으로 석사학위를 마쳐 위성공학계에서는 이미 주목받는 인물이었다.
朴 박사는 영국 서리 대 유학시절부터 우리별1, 2호 개발에 몰두하여 인공위성 불모지였던 우리나라가 선진국의 전유물이었던 우주기술 분야에 최초로 진출하는 계기를 마련했다. 박사과정은 94년도에 입학했지만, 이후로도 계속되는 우리별 3호와 과학위성 연구개발에 참여하느라 졸업이 계속 늦춰져 11년만인 올해 2월에 졸업한다.
졸업논문은 위성용 합성개구 레이다에 사용된 안테나 면적의 최적설계 방법에 관한 연구.
정찰용 레이다인 합성개구 레이다를 탑재한 정찰위성 개발의 선구자가 되겠다.고 소감을 밝힌 朴 박사는 KAIST 학부 1기, 우리나라 최초의 인공위성, 유난히도 첫 번째와 인연이 많은데 합성개구레이다를 탑재한 정찰위성도 국내 최초로 개발하고 싶다는 포부를 밝혔다.
우리별 1호 개발의 공로로 92년도에는 대통령 표창을 수여하기도 했던 朴씨는 현재 인공위성 및 산업용 카메라 개발업체인 (주)한비전에서 연구원으로 근무하고 있다.
한편, 지난해까지 999명의 박사를 배출했던 전기전자공학과는 단일학과에서는 국내 최초로 박사학위자 1,000명을 넘어 1,036명을 기록하게 되었다.
또한 1천호 박사를 배출한 KAIST 전기전자과 박사과정 졸업생 중 328명은 대학 교수로, 나머지 671명은 산업체와 연구기관에서 중추적인 역할을 수행하고 있다.
2005.02.23 조회수 20701
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뇌신경 보호유전자 세계 첫 발견
KAIST 생명과학과 김재섭 교수(43세)팀은 지나친 자극으로부터 신경세포를 보호하는 유전자를 세계 최초로 발견하고, 이 유전자를 열병을 뜻하는 파이렉시아(Pyrexia)라고 명명했다.
이 유전자는 채널 단백질을 만들며, 이 채널은 섭씨 39도 이상의 고온에 의해 작동된다. 특히 이제까지 온도에 의해 작동되는 채널 단백질들은 여러 종류 발견되었으나, 자극으로부터 신경을 보호하는 채널은 파이렉시아가 처음이다. 이 유전자는 신경세포가 고온에 대해 과민하게 흥분하여 스트레스성 반응을 보이고 이로 인해 기능이 손상되는 것을 방지한다.
또한 이 유전자의 기능이 약화되면 섭씨 40도 고온에서 수분 내에 신경기능이 마비되지만, 이 유전자의 기능이 강화되면 이러한 고온에서도 신경세포의 기능이 손상되지 않고 정상적으로 작동한다.
KAIST 김재섭 교수는 "파이렉시아 채널을 인위적으로 작동시키는 약(화합물)을 개발할 경우, 상습적 마약 복용 등으로 신경이 과도하게 자극되어 뇌기능이 손상되는 것을 방지할 수 있는 획기적인 길이 열릴 것이다"라고 말하면서 "이번 연구 결과는 독감을 비롯한 각종 열병에 의해 의식을 잃거나 뇌기능이 영구하게 손상되는 것도 방지할 수 있는 길을 열었다"며 그 의미를 밝혔다.
한편, 이 연구 결과는 미국에 국제특허 출원되었으며, 세계 최고의 유전학 및 인간질병 유전자 권위지인 네이처 제네틱스 (Nature Genetics) 3월호에 논문으로 계제될 예정이다. 또한 네이처 제네틱스는 이 발견의 중요성을 감안하여 이 논문을 1월 31일자로 인터넷 (http://www.nature.com/ng/)에 먼저 공개했다.
이 유전자는 KAIST 생명과학과와 제넥셀(주)가 공동으로 2003년에 완성한 세계 최초의 형질전환초파리 게놈검색시스템을 활용하여 발굴되었으며, KAIST 생명과학과와 제넥셀(주)는 "형질전환초파리 게놈검색시스템"을 활용하여 파이렉시아 이외에도 여러 종류의 인간질병 및 신경관련 유전자를 발굴하여 연구에 박차를 가하고 있다.
2005.01.31 조회수 21266
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윤의식 교수팀 사람 피부 모방한 촉각 센서 개발
사람의 피부를 모방한 촉각센서가 KAIST 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST 전자전산학과 윤의식(尹義植, 46) 교수 연구팀은 사람의 피부 조직과 기계적 특성이 유사한 합성고무재질(PDMS)을 사용, 사람 손가락과 유사한 1 mm의 공간분해능을 가지는 촉각센서를 개발했다고 밝혔다. 따라서 사람 피부의 특성을 모방한 촉각 센서가 이같은 기능을 수행하려면, 유연하고 부드러운 물질적 특성, 약 1 mm 정도의 공간분해능, 그리고 사람 피부처럼 넓은 면적에 걸친 설치가 가능해야 한다. 지난해 말 일본 동경대에서 발표한 촉각센서는 유연성과 확장성을 일부 구현했으나, 플라스틱 재질에 2 mm 이상의 공간분해능을 가지고 있었다. 이는 사람 피부와 같은 부드러움이 부족해 인간형 로봇의 손가락 같은 기관에 적용하기에는 무리가 있었다. KAIST 연구팀은 이를 극복하기 위해 합성고무재질을 이용, 1 mm 의 공간분해능을 가지는 센서 개발에 성공했다. 또한 모듈 개념을 도입해 모듈화된 센서들을 원하는 만큼 연결함으로써 넓은 면적에 적용할 수 있도록 했다.
이번 연구를 주도한 박사후 연구원 이형규(李亨圭, 30세) 박사는 "여태까지 유연한 재질을 가진 촉각센서나, 1 mm이하의 분해능을 가지는 촉각센서들은 많이 개발됐지만, 사람 피부를 본격 모방해서 1 mm의 공간분해능과 유연성, 인간의 피부조직과 비슷한 부드러움, 게다가 확장성까지를 모두 갖춘 촉각센서는 이번이 처음"이라고 밝히고, "이 촉각센서는 아직은 표면에 수직 방향으로 작용하는 힘밖에 감지하지 못하지만 앞으로는 수평방향으로 작용하는 힘과 온도도 감지할 수 있는 방향으로 진화할 것"이라고 말했다.
* 보충설명
연구개발 의미 및 전망
앞으로 인간형 로봇이 더욱 발전하여 사람 또는 주변 환경과 좀 더 자연스럽게 상호작용하려면 촉각의 감각을 가지는 것이 필수적이다. 인간형 로봇은 2000년 일본 혼다 사의 아시모를 필두로 연구가 급속도로 진행되고 있으며, KAIST도 작년 말 기계공학과 오준호 교수가 ‘휴보’를 발표한 바 있다. 지금까지 발표된 인간형 로봇들은 간단한 시각과 청각이 구현되어 있지만, 이번 연구는 인간형 로봇의 손가락에 인간과 비슷한 수준의 기능을 하는 인공피부를 제공하는 기초를 마련했다는데 의의가 있다.
PDMS(합성고무재질의 일종)
Polydimethylsiloxane이라는 화합물 중합체의 약자로 평소에는 액상이다가 경화제를 섞으면 굳어서 고무와 같은 특성을 보이는 무색 투명한 재질을 말한다.
공간분해능
얼마나 가까운 거리의 두 자극을 구분할 수 있는지에 대한 개념이다. 예를 들어 1 mm 의 공간분해능은 촉각센서에서는 두 개의 압력이 1 mm 이상 떨어져서 주어졌을 때에만 두 개의 압력으로 인식할 수 있다는 의미이다. 1 mm 미만의 거리를 가진 두 개의 자극은 하나로 인식하게 된다.
모듈 개념
모듈 개념은 작은 센서를 만들어 붙여서 커다란 센서를 구현하는 개념으로, 尹 교수팀에서 처음으로 적용했다. 尹 교수팀은 현재 256(16x16)개의 단위소자가 배열된 22 mm x 22 mm 크기의 촉각센서모듈을 개발했으며, 나아가 네 개의 모듈을 연결하여 1024 (32x32) 개의 단위소자배열을 가지는 촉각센서의 구현에 성공, 넓은 면적으로의 확장성을 입증했다. 연구팀은 현재 감지된 촉각 신호를 읽고 처리할 수 있는 감지회로를 센서에 집적화하는 연구를 수행 중이다.
기타 설명
이 연구는 21C 프론티어 사업인 인간기능 생활지원 지능로봇 기술개발 사업단 (단장 KIST 김문상 박사)의 지원으로 수행되었으며, 부분적으로 KAIST BK21 정보기술사업단의 지원을 받았다. 또한 이번 연구결과는 다음 달 초 미국 마이애미에서 열리는 IEEE 국제 미소기계전자시스템(MEMS) 학술회의에서 발표된다.
2005.01.31 조회수 22700
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김종환교수, 유전자·염색체 갖는 로봇, 세계 최초 개발
KAIST 김종환(전자전산학과)교수가 유전자와 염색체를 갖는 인공생명체로서의 로봇을 세계 최초로 개발했다. KAIST ITRC-지능로봇연구센터 소장인 김종환 교수는 지난해 5월 개발해 공개했던 유비쿼터스 로봇(유비봇)인 `리티"(Rity)에 14개의 인공 염색체를 각각 부여한 결과, 제 각각의 ` 성격"(personality)을 갖는 것을 확인했다고 최근 밝혔다.
로봇 염색체란 생각하고 느끼고 추론하고 욕구와 의지를 표현할 수 있는 로봇을 만들기 위해 컴퓨터로 처리된 일련의 지시체계(소프트웨어 프로그램)다. 각각의 염색체를 부여 받은 리티들은 같은 환경에서 어떤 자극을 주었을 때 어떤 것은 지루해했지만 다른 것들은 주인을 알아보고 펄떡거리면서 `기쁨"을 표현하는 다른 반응을 보였다.
왜냐하면 그들은 각기 다른 개성을 가지고 있고 그 개성은 전적으로 자신의 유전자에 좌우되기 때문이다. 리티는 김교수가 CCD 디지털카메라를 통해 실제 물리적 공간에 있는 인간과 상호 작용이 가능하도록 만든 강아지 모양의 3D 가상(컴퓨터 가상세계 안에서 살고 있는)소봇(Sobot). 소봇이란 네트워크를 통해 이동하며 언제 어디서든지 접속할 수 있고 자율적인 상황 인식과 사용자와 끊임없는 상호 작용이 가능한 소프트웨어로만 구성된 로봇을 말한다.
리티의 가상 환경은 3가지 물체와 주인 1명의 얼굴, 빛과 소리, 온도 센서, 접촉 센서, 시각 센서, 자이로 센서, 내부 타이머를 가지고 있고 이를 바탕으로 47가지의 자극 정보를 인식할 수 있다. 특히 행동 기반 및 학습 능력을 갖춘 인공 생명체로서 77가지 행동을 나타낼 수 있다.
김 교수는 지난해 12월 뉴질랜드에서 열린 `제2회 자율 로봇 및 에이전트에 관한 국제학회"(ICARA)의 기조강연(Keynote Speech)에서 이 같이 로봇의 `성격" 을 결정하는 14개의 인공 염색체에 대해 발표했고 현지 언론이 이를 크게 보도했다고 센터측은 밝혔다.
또 캐나다 9개 유력 일간지들도 지난 19일자로 1면 등 주요 면에 이 소식을 일제히 실었다. 센터측은 이 신문들이 `인공생명체 유전자 코드 발명- 인간처럼 말하고 느낄 수 있는 로봇이 곧 나타날 것", `인공생명체의 기원, 한국의 발명가, 생각하고 느끼고 복제까지 할 수 있는 유전자를 가진 로봇창조 가능성 제기"와 같은 제목으로 크게 보도했다고 소개했다.
KAIST ITRC-지능로봇연구센터 관계자는 "김교수의 이런 연구는 그동안 많은 로봇 연구자들이 로봇의 지능을 높이고 어떻게 인간처럼 움직일 수 있게 하는데만 주력해온 것과 달리 찰스 다윈의 `종의 기원"과 같이 인공생명체로서의 로봇 종의 기원(시작)에 관한 것이어서 국내외 학계에 신선한 충격을 주고 있다"고 말했다.
그는 이어 "현재 리티는 단지 14개의 염색체를 약 2천 바이트의 데이터로 가지고 있지만 미래의 종들에게는 복잡한 유전적 특성과 더 많은 염색체가 부여될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
2005.01.31 조회수 21234
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한국형 휴머노이드 로봇 휴보(HUBO) 개발
기계공학과 오준호(吳俊鎬, 50) 교수팀은 지난 3년여의 연구기간에 걸쳐 국내 최초로 이족보행이 가능한 완전한 외양을 갖춘 2족 보행 로봇을 개발하고 그 사진을 공개했다.
연구책임자: 오준호 교수
연구진 : 김정엽(박사과정 4년), 박일우(박사과정 3년), 이정호(박사과정 3년), 김민수(박사과정 1년), 조백규(박사과정 1년)
새로이 선보인 휴머노이드로봇 휴보는 2003년도에 개발된 KHR-2의 성능을 업그레이드 한 모델로 몸 전체의 기계적 강성을 증가 시켜 보다 안정된 보행을 가능하게 하였고 상체 관절의 구동방식을 개선하여 더욱 부드러운 동작이 가능하게 하였다.
HUBO는 현재 0~32cm보폭으로 최대 시속 1.25km/h 전진보행한다. 좌/우 옆걸음, 뒤걸음, 좌/우 회전 걸음, 다양한 몸동작, 독립적인 5개의 손가락 운동, 독립적인 양 안구 운동, 손목의 힘/모멘트 센서를 통한 외력감지 등이 가능하며 이를 통하여 자유걸음새, 외력에 따라 움직이는 팔동작, 외부 안내에 따라 자유롭게 걷는 걸음, 비젼을 통한 실시간 목표 추적, 음성 인식 및 합성을 통한 대화 등을 수행한다. 아직 달리기(주행)과 층계오르기 등의 걸음새는 구현 되지 않았으나 추후 연구를 실시할 예정이다.
KHR 시리즈를 구현함에 있어 가능한 많은 구동자유도, 가능한 긴 작동시간, 콤팩트하고 미려한 외관(예: 백팩의 제거), 저렴한 개발비 및 최소의 유지비, 최단의 개발기간을 목표로 하였다.
이를 위하여 구동감속부, 힘/모멘트 센서, 관성센서, 서보 드라이버, 분산제어기, 실시간 제어 아키텍쳐 등 요소 기술을 자체 설계하여 구현함으로써 설계를 최적화 하도록 하였다. 또한 간결한 구조물설계를 통하여 기계적 강성을 얻었으며 기구학적 불확실성을 최소화 하였다.
연구개발과정을 표로 보면 아래와 같다.
기간
지원기관
예산
KHR-1
2002.1 - 2002.12
BK21, HWRS ERC
0.8억
KHR-2
2003.1 - 2003. 12
BK21, 기관고유사업
1.7억
KHR-3(HUBO)
2004.1 - 2004. 12
BK21, 산업자원부
5.5억
특징
KHR-1
21축, 중앙집중제어 방식,
머리와 손 부분이 없는 보행 기능위주의 구조 키 130cm, 무게:45Kg
KHR-2
41축, 분산제어방식(CAN 통신)
실시간 window xp - RTX
power 300w, 키:125cm, 무게 55kg, 비젼 기능
부분적 커버를 갖는 외양
보행속도: 25cm, 65회/분 = 0.95km/h 연속작동시간: 45분/1회충전
KHR-3(HUBO)
KHR-2의 업그레이드된 기구 및 기능
- 음성합성 및 인식기능
- 몸체의 기계적 강성 증가
- 상체 관절의 구동 메카니즘 개선
- 완벽한 enclosure 형 와관 구현
- 32cm 보행+ 65회/분 = 1.25Km/h - 연속작동: 90분 /1회충전
향후계획:
- 층계오르기 구현, - 보행속도 향상, - 달리기 구현
- 자유걸음새 구현, - 인간과 상호작용능력 개선 - 다양한 대중 performance 시연
한편, 휴보 개발의 기대 효과를 살펴보면,
- 환상을 현실에서 구현할 수 있다는 비젼을 제시,
- 국내의 기술력으로 휴머노이드 로봇을 개발함으로써 기술력을 대 내외에 과시하여 국민적 자긍심을 고취,
- 관련 첨단기술(구동기, 감속기, 2차전지, 각종센서, 제어기, 시스템기술)의 국산화를 통한 기술 spin off 효과 - 관련기술 최 선진국인 일본과 가시적인 경쟁을 통한 국가 기술위상확립 등을 들 수 있다.
2004.12.27 조회수 23968
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이상엽 교수, 단백질 자유자재 생산 가능한 슈퍼대장균 개발
- KAIST 이상엽 교수팀, 과학기술부 시스템생물학 연구사업 결실- 미국 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링지 표지 논문 게재
의약품, 진단, 효소, 구조물 등의 다양한 용도로 사용되는 단백질을 세포질이나 주변세포질의 원하는 위치에 효율적으로 생산할 수 있는『슈퍼 대장균』개발
시스템 생명공학기법으로 프로테옴 분석에 의해 단백질 생산에 영향을 주는 신규 단백질 발굴
작은 열충격단백질인 IbpA와 IbpB가 대장균 세포내에 존재하는 단백질 분해효소의 공격으로부터 재조합 단백질 보호 기능 규명
이 작은 열충격단백질을 증폭함으로써 대장균 내에 봉입체 형태로 재조합단백질을 효율적으로 증산 가능
또한, 반대로 작은 열충격단백질을 만들지 못하게 함으로써 주변 세포질로 단백질 분비생산 효율 획기적 개선 가능 규명
게놈프로젝트 등으로부터 쏟아져 나오는 다양한 대상 단백질생산을 세포질이나 주변세포질로 자유자재로 원하는 대로 생산할 수 있는 획기적 기술로 평가
연구결과는 전 세계 특허출원 되었으며, 45년 전통의 공학부문 최고 생물공학 잡지인 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링 (Biotechnology and Bioengineering)誌 온라인 판에 공개되었고, 표지 논문으로 11월호(11.20일자 발행)에 게재
1. 연구개발 과정 및 결과
전 세계적으로 생명공학에 대한 관심이 증가하고 있는 가운데 유용한 단백질을 세포내 원하는 위치에서 자유자재로 생산이 가능하게 하는 『슈퍼대장균』이 개발되었다.
KAIST(총장 로버트 러플린) 생명화학공학과 대사공학 국가지정연구실 이상엽(李相燁, 40세, LG화학 석좌교수)교수팀이 개발에 성공한 이 연구결과는 45년 전통의 세계 최고의 생물공학 잡지인 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)誌 11월호의 표지 논문으로 게재된다.
이 논문의 핵심 기술은 현재 전 세계적으로 집중적인 조명을 받고 있는 시스템 생명공학기법을 도입한 프로테옴 분석에 의해 개발한 재조합단백질의 생산을 획기적으로 향상시키는 것으로써 향후 단백질 생산의 산업화 및 관련 연구에 있어 필수적인 기술로 평가되고 있다. 이번에 李 교수팀이 개발한 『슈퍼대장균』을 이용하면 의약품, 진단, 효소, 구조물 등의 다양한 용도로 사용되는 인체 유용한 단백질을 세포질이나 주변세포질의 원하는 위치에 효율적으로 생산해 낼 수 있게 된다. 李 교수팀은 과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업비 지원으로, 전 세계적으로 가장 연구가 많이 이루어진 생물체 중의 하나인 대장균을 이용하고, 포스트 게놈 시대의 핵심 분야인 프로테옴 분석을 통해, 슈퍼 대장균을 개발하는데 성공했다.
李 교수는 올 2월 KAIST를 졸업한 한미정(韓美正, 29, 美 펜실베니아대학 박사후 연구원)박사와 함께 재조합단백질을 봉입체 형태로 과량 생산하는 대장균의 프로테옴 분석을 통해, 작은 열충격 단백질인 IbpA와 IbpB가 대장균 세포내에 존재하는 단백질 분해효소의 공격으로부터 재조합단백질을 보호한다는 것을 밝혀냈으며, 대장균 내의 작은 열충격단백질들을 증폭함으로서 재조합단백질을 봉입체 형태로 효율적으로 증산할 수 있음을 세계최초로 규명했다. 또한 대장균이 작은 열충격 단백질을 만들지 못하게 함으로써 주변세포질로써 단백질 분비생산 효율을 획기적으로 개선할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이는 단순히 작은 열 충격 단백질의 발현 정도만을 조정함으로써 대장균에서 의약품등 다양한 용도로 이용 가능한 재조합단백질의 생산을 원하는 형태로 자유자재로 조절 할 수 있음을 의미한다. 이것은 또한 이제까지의 프로테옴 연구 방식을 뛰어 넘어 시스템 생명공학의 관점에서 생물체의 프로테옴을 분석함으로써, 직접적인 생명공학제품의 생산성 증대를 가능하게 하는 새로운 연구방법을 제시하고 검증받았다는 점에서 그 의미가 크다.
2. 연구개발성과 및 향후계획지난 해 휴먼 게놈 프로젝트가 완료된 것을 비롯하여, 최근 여러 생물 종에 대한 게놈 정보가 쏟아져 나오고 있다. 이번에 개발된 李 교수팀의 슈퍼 대장균을 이용하면, 이 방대한 게놈 정보들을 바탕으로 다양한 대상 단백질 생산을 세포질이나 주변세포질로 자유자재로 원하는 대로 생산이 가능하다. 이는 재조합 단백질 생산에 있어 하나의 획기적인 시스템이라는 평가가 지배적이다. 또한, 의약용과 산업용의 단백질 제품 시장은 전체 생물산업 시장의 60% 이상을 차지하고 있는 만큼, 그 파급효과는 엄청날 것으로 기대된다.
李 교수팀은 불과 몇 주 전, 한우의 반추위에서 분리한 맨하이미아 균의 게놈서열을 바탕으로, 시스템 생명공학을 접목하여 가상세포 모델을 구성하고, 이 가상세포를 이용한 컴퓨터 실험을 통해 맨하이미아의 대사특성과 성장특성, 그리고 대사산물의 생산특성을 밝혀, 이를 네이처 바이오테크놀로지에 게재한 바 있다. 이번 성과 또한 시스템 생명공학기법에 기반한 것으로써, 李 교수팀이 명실공히 시스템 생명공학 분야에서 세계적인 선두 그룹으로서의 입지를 확고히 할 것으로 기대된다.
李 교수는 “관련 시스템 생명공학 기법을 지속 발전 시켜 우리나라 생명공학 산업에 큰 기여를 하고 싶다.” 며 “재조합 단백질 연구분야에서 또 하나의 중요한 인프라 기술을 확보하게 되었으므로, 정부부처, 기업체 등과 긴밀히 협의, 산업화 방안을 강구하겠다 ” 고 밝혔다.
李 교수팀의 이번 연구 결과는 전 세계 특허출원 되었으며, 45년 전통의 공학부문 최고 생물공학 학술지인 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링 (Biotechnology and Bioengineering)誌 온라인 판에 공개되었고, 표지 논문으로 오는 20일 발행되는 11월호에 게재된다.
**** 이상엽 교수는 1986년 서울대학교 화학공학과를 졸업하고, 1991년 미국 노스웨스턴대학교 화학공학과에서 석박사를 마쳤다. KAIST에서 약 10년 동안 대사공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 174편, proceedings논문 136편, 국내외 학술대회에서 542편의 논문을 발표하였고, 150여회의 기조연설이나 초청 강연을 한 바 있다.
Metabolic Engineering (Marcel Dekker 社 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 118건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 Elmer Gaden상과 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 연구에 매진하고 있다. 李 교수는 그간 제1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 가든상 (2000), 싸이테이션 클래식 어워드 (미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상 (2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인 (2003), KAIST 연구대상 (2004) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이다.
<용어설명>
1) 프로테옴(proteome) : 한 organism에 있는 전체 단백질을 의미 하는 용어로서, protein, 즉 단백질과 -ome, 전체를 의미하는 접두어의 합성어이다. 유전자(gene)와 유전자의 전체를 의미하는 genome에서 파생된 말로, 그 둘의 관계와 같은 개념이다.
2) 봉입체(inclusion body) : 세포 내에서 균질한 물질로 염색되는 단단한 구조물이며, 현미경으로 관찰 가능하다. 봉입체의 종류에는 바이러스가 모인 것과 바이러스 구성물질로 된 것이 모인 것, 그리고 바이러스의 성분과 관련이 없는 특유한 단백질로 이루어진 것 등 3종류로 나뉘는데, 재조합단백질 생산 시에는 단백질 과량 생산이 숙주세포의 대사에 장애를 가져와 형성되는 것이 대부분이다.
3) 작은 열 충격 단백질(small heat-shock protein) : 원핵생물, 진핵생물 모두가 가지고 있는 단백질로, 외부환경 변화에 따른 stress가 주어졌을 때 많이 발현 되며, 15~30kDa의 작은 분자량을 가지는 단백질이다. 이것은 분자량이 작은 단백질이지만, 여러 분자가 모여 200kDa~10MDa 정도의 큰 복합체를 형성하여, 세포내 protein들을 단백질 분해 효소에 의해 분해되는 것으로부터 막아주는 역할을 한다.
4) 시스템 생물학: 시스템 생물학 (Systems Biology)은 생물학, 시스템 과학, 전산학, 수학, 그리고 화학공학 등의 다양한 분야를 통합하여 세포와 같은 복잡한 시스템을 대상으로 세포 내 구성 요소들의 상호 연관관계 뿐 아니라 전체 대사 및 신호전달 체계를 정량적으로 모델링 및 시뮬레이션 함으로써 세포 전체의 상태 및 환경에 따른 상태 변화를 조사 예측하는 학문이다.
5) 시스템 생명공학: 시스템 생명공학 (Systems Biotechnology)는 이상엽교수와 전 세계적으로 몇 안 되는 연구진에서 개척하는 연구 분야로서, 시스템 생물학 기법과 기존의 대사공학 및 생물공정 기술을 총체적으로 결합한 연구 분야를 말한다.
2004.11.23 조회수 26710
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국내 가상세포 연구 국제화 본격 시동
국내 가상세포 연구 국제화 본격 시동KAIST 대사회로 분석 프로그램‘메타플럭스넷(MetaFluxNet)’ 새 버전 발표
- KAIST 이상엽교수 연구팀, 과학기술부 국가지정연구실 및 시스템생물학 사업
가상세포 대사 시뮬레이션 소프트웨어의 시스템생물학 기반 업그레이드 버전 MetaFluxNet v. 1.69 개발 공개
컴퓨터 상에서 대사회로 분석 시뮬레이션을 통해 실제 생물 실험의 상당부분을 효율적으로 대체하여 비용 절감 및 시스템 성능 개선 효과
시스템 생물학 연구의 국제 공동체인 SBML 프로그램에 공동참여
향후 데이터베이스와 연동하여 가상세포시스템 구축을 위한 통합환경 개발 및 상용화 예정
1. 개발배경
몇 년 전까지만 해도 한 미생물의 유전자 지도를 완성하기 위해 1년 이상 걸리던 것이, 이제는 불과 며칠 밖에 걸리지 않고, 유전자에서 단백질과 상호작용 네트워크에 이르기까지 다양한 수준의 생물학 정보들이 한꺼번에 쏟아져 나오고 있다.
이제 이러한 정보와 첨단 컴퓨터 가상실험 기술을 이용해 복잡한 생명현상을 이해하거나 이를 산업적으로 이용하려는 노력이 이뤄지고 있다. 축적된 수많은 생물정보들을 바탕으로 가상세포를 모델링하여 생명체 현상을 체계적으로 분석하고 활용하는 시스템 생명공학 연구가 바로 이와 같은 맥락으로, 전 세계에서 경쟁적으로 이루어지고 있는 반면 국내 연구는 다소 미흡한 실정이었다.
2. 개발현황
KAIST(총장 로버트 러플린) 생명화학공학과 대사공학국가지정연구실의 이상엽(李相燁, 40, LG화학 석좌교수, KAIST 생물정보연구센터 소장)교수는 생물정보연구센터의 이동엽 박사와 공동으로 기존에 초기 버전으로 공개했던 가상세포 분석 프로그램 MetaFluxNet의 새로운 버전 1.69를 개발하는데 성공하였다.
이번에 발표한 새 버전을 통해 약 1,000개 이상의 생화학 반응식들로 이루어진 실제 미생물에 근접한 가상세포시스템 구성이 가능해졌다. 이를 바탕으로 컴퓨터상에서 실험 환경을 다양하게 변화시키거나 유전자를 조작했을 때 세포 내부에서 어떤 현상이 일어나는지 가상적으로 정확하게 예측하게 된다.
전체 세포 수준의 미생물 모델링을 비롯하여, 세포내의 흐름분석, 네트워크 시각화 등의 가상 세포 시뮬레이션을 위한 핵심 기능을 제공하고 있고, XML과 같은 최신 데이터 교환기술을 이용해 다양한 프로그램과 효과적으로 연동할 수 있다.
李 교수팀은 숙신산 산업균주인 맨하이미아균의 유용성을 규명하는데 이 프로그램을 일부 활용하여 최근 네이처 바이오테크놀로지에 발표한 것으로 알려졌다.
3. 개발성과 및 향후계획
李 교수팀은 실험, 문헌 및 자체 개발한 각종 데이터베이스로부터 다양한 가상세포 모델을 구축하고 적용하여 막대한 시간과 비용이 드는 수많은 반복 실험의 상당부분을 대체하고 있다. 현재 MetaFluxNet(버전 1.69) 프로그램 패키지는 대사공학국가지정연구실의 홈페이지(http://mbel.kaist.ac.kr)에서 무료로 다운로드 받을 수 있고, 지금까지 약 30여개국 300여명의 전 세계 대사공학 및 생물학 관련 연구자들이 이용하고 있다.
이러한 성과를 인정받아 시스템 생물학 연구 국제공동체인 SBML의 요청으로 시스템 생물학 국제 공동 연구에 일원으로 참여하게 되었다. 이로써 전 세계 시스템 생물학 및 가상 세포 연구에 주도적 역할을 기대할 수 있게 되었다.
한편, 이 교수팀과 생물정보연구센터는 올해 개발 공개한 대사회로 통합 데이터베이스 시스템인 바이오실리코와 유기적으로 연동할 수 있는 최적 환경을 구축하고 있고, 웹상에서 가상 세포의 동적인 거동을 예측할 수 있는 시스템도 KAIST 박선원 교수팀과 공동으로 개발에 나서고 있다. 향후 완전 자동화된 최종 통합 프로그램은 기업체와 공동으로 상용화할 계획이다.
2004.11.08 조회수 23040
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황규영 교수, 최첨단 DBMS 저장시스템 개발
64비트 멀티쓰레드 최첨단 DBMS 저장 시스템 "코스모스/MT-64" 개발
KAIST 첨단정보기술연구센터 소장 황규영(黃奎永, 53, KAIST 전산학과) 교수는 과학재단으로부터 15년간 약 30억원의 연구비를 지원받아 데이터베이스 관리 시스템(DBMS)의 핵심 모듈인 저장 시스템 "코스모스/MT-64"를 개발했다고 밝혔다.
코스모스/MT-64는 64비트 플랫폼(platform, 응용프로그램이 실행될 수 있는 기초를 이루는 컴퓨터 시스템)과 멀티쓰레드(multi-thread, 한 프로그램이 다수의 작업을 동시에 수행하는 방식)를 지원하는 상용 수준의 최첨단 DBMS 저장 시스템이다.
이번에 개발된 코스모스/MT-64는 64비트 플랫폼을 지원함으로써 32비트 플랫폼이 가지는 저장 용량의 한계를 극복하였다. 64비트 플랫폼은 100GB 하드디스크 3,000억 개의 저장 용량 지원이 가능한데, 이는 현재 전 세계의 모든 웹 문서를 저장하고도 남는 방대한 용량이다. 또한, 코스모스/MT-64는 멀티쓰레드 (multi-thread)를 지원함으로써 수천 개의 응용프로그램을 동시에 처리하는데 탁월한 성능을 발휘한다. 멀티쓰레드는 적은 컴퓨팅 자원으로 동시에 다수의 프로그램을 수행시킬 수 있는 기술이며, 이로 인해 소형워크스테이션에서도 마치 대형서버의 효과를 얻을 수 있다.
오디세우스 객체관계형 DBMS의 개발자이기도 한 黃교수는 상용 수준의 DBMS저장 시스템 기술이 Oracle, IBM, Microsoft와 같은 세계 최고의 DBMS 개발社 들만이 보유하고 있는 최첨단의 고난도 기술이며, 특히 64비트 멀티쓰레드 저장시스템 기술은 國內最初이고 외국 주요 개발사에서도 불과 1~2년 전에서야 개발이 완료된 최신기술이라고 전했다. 또한, 코스모스/MT-64는 10년간의 개발과 5년간의 테스팅을 거친 부단한 노력의 결정체로서 세계 시장에 내놓아도 전혀 손색이 없을 것이라고 확신했다. 2004년도 세계 DBMS 시장 규모는 약 88억 달러로 추정되며, 향후 지속적인 연구 개발을 통해 세계 시장에 진출함으로써 막대한 부가 가치를 창출하겠다는 원대한 포부를 밝혔다.
코스모스/MT-64는 데이터 관리 소프트웨어를 자동차로 비유했을 때 핵심 부품인 엔진에 해당하며, 엔진 중에서도 포뮬러(국제자동차연맹이 매년 발표하는 경주용 자동차의규격) 경주용차를 위해 개발된 최강의 고성능 엔진이라고 보면 된다. 즉, 코스모스/MT-64는 각종 데이터 관리 소프트웨어에 내장되어 그 소프트웨어의 성능을 최고로 끌어올려 줄 수 있다는 것이다. 이와 같은 막강한 기능과 용이한 탑재성으로 코스모스/MT-64는 향후 다양한 데이터 관리 소프트웨어의 개발에 핵심적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
2004.10.27 조회수 17947
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전기화학식 이산화탄소 센서 개발
신소재공학과 박종욱(朴鍾郁, 49) 교수팀은 일본이나 독일제품보다 월등히 우수한 특성을 지닌 전기화학식 이산화탄소 센서 개발에 성공했다.
2001년부터 농림부 기술개발과제의 일환으로 시작된 센서 연구는 자체 개발한 전극 보조물질을 채용한 새로운 구조로, 수 ppm에서 수십% 범위의 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있다. 초기 동작시간도 10분 이내로 빠르고 보정 없이 2년 이상 사용할 수 있어, 일본(Figaro사)과 독일(Zirox사) 제품의 초기 동작시간이 각각 7일과 30분인데 비하면 월등히 우수하다.
공기 중 이산화탄소 양을 측정하는 방법은 광학적 방법과 전기화학적 방법이 있다.
현재 가장 많이 사용 중인 광학적 방법은 이산화탄소가 특정 파장(4.26 um)의 적외선(NDIR) 만을 흡수하는 성질을 이용, 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소의 양을 계산한다.
정교한 광학계를 사용해야 하기 때문에 가격이 비싸고 열악한 환경에서는 광학계가 쉽게 더러워져 사용이 어렵다는 단점이 있다.
산화물 전해질을 사용하는 전기화학식 센서는 값이 싸고 더러운 환경에서도 안정적으로 작동하지만, 광학식에 비해 초기 동작시간이 길고 자주 보정해 주어야 하는 단점 때문에 사용이 제한적이었다.
이번에 개발된 朴 교수팀의 전기화학식 센서는 이러한 단점들을 극복하여 이산화탄소 센서 기술의 새로운 표준을 제시, 제품의 흐름을 바꿀 수 있는 혁신적 연구 성과로 평가할 수 있다.
한편, 이산화탄소는 물 햇빛과 함께 식물 발육을 좌우하는 3대 요소 중 하나. 선진국에서는 이산화탄소 양을 조절하여 농식물의 생산성을 높이고 보관기간을 늘리는 기술이 다양하게 개발되고 있다. 특히 심야의 악조건에서도 신뢰성 있게 작동되는 저렴한 이산화탄소 측정기의 필요성이 점점 증대되고 있다. 우리나라에서는 최근 "빌딩 증후군(sick building syndrome)" 방지를 위해 건물 내 이산화탄소 양을 1000ppm 이하로 낮추도록 관련 법령을 개정했다. 도심의 빌딩에서도 이산화탄소 양을 정확히 측정하여 과도한 환기를 줄이고 에너지 효율을 높이는 기술이 절실해지게 된 것이다.
박종욱 교수는 화학 센서 분야의 세계적인 권위자로, 2000년에는 산화물 반도체식 센서를 이용한 음주 측정기를 개발, 실험실 벤처회사 (주)CAOS를 설립했고, 음주측정기는 현재 세계 최대의 시장점유율을 갖는 명품이 됐다. 또한 작년에는 2편의 해외 저명 학술지(J. Materials Science)에 화학센서 특별기획을 편집하기도 했다.
2004.09.22 조회수 25303