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80년 과학기술계 숙원 풀렸다
- KAIST 이정용 교수 연구팀, 세계 최초로 액체를 원자단위로 분석하는 원천기술 개발에 성공 -
- 사이언스(Science)지 4월호에 실려 -
지난 80년 간 과학계의 오랜 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술이 세계 최초로 국내 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST(총장 서남표)는 신소재공학과 이정용 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 액체 내에서 성장하는 결정을 원자단위로 분석하는 원천기술을 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 4월호(6일자)에 실렸다.
이번에 개발된 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메카니즘을 확인할 수 있어 ▲나노 크기의 재료 제조 ▲전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응 ▲액체 내에서의 각종 촉매 반응 ▲혈액 속 바이러스 분석 ▲몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 냉동인간의 해동과정에서 얼음이 재결정화면서 세포가 파괴되는데 이때 진행되는 현상을 분석해 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용하면 앞으로 냉동인간의 부활에도 도움이 될 것으로 예상된다.
투과전자현미경은 0.004nm(나노미터) 정도로 아주 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있다.
따라서 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능해 최근 다양한 종류의 차세대 신소재 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있다.
그러나 투과전자현미경은 10-2~10-4기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체는 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해돼 관찰할 수 없었다. 게다가 투과전자현미경의 원리상 전자빔이 수백 나노미터(nm) 이하의 시편을 투과해야 되는데 액체를 그만큼 얇게 만드는 것은 매우 어려웠다.
그러나 이 교수 연구팀은 꿈의 신소재인 그래핀을 이용, 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공해 이러한 문제들을 해결했다.
탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 이루어진 그래핀은 두께가 0.34nm로 지금까지 합성할 수 있는 물질 들 중 가장 얇은 물질로 알려져 있다.
그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보인다. 또한 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있다.
즉, 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있는 것이다.
연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했다.
이정용 교수는 “이번 연구 결과는 그동안 베일에 싸여있던 액체 속에서 일어나는 많은 과학현상들을 원자단위로 규명할 수 있는 원천기술로 평가받고 있다”며 “사람의 혈액 속에서 일어나는 유기물이나 무기물의 반응들까지도 규명할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 이정용 교수의 지도아래 육종민 박사(제1저자)가 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 제틀 교수와 공동으로 수행했다.
그림 1. 그래핀 두 층으로 이루어진 그래핀 액체 용기를 보여주는 모식도이다. 회색으로 보여지는 그래핀이 위아래로 두층이 있고 그 사이에 백금 원자들을 포함한 유기 용액의 액체가 담겨있다.
그림 2. 가장 왼쪽의 녹색 모식도는 두 개의 백금 결정들이 서로 결합하는 것을 보여준다. 이것을 실제 투과전자현미경 안에서 두 개의 백금 결정들을 원자 단위에서 관찰한 것이 두 번째 사진이다. 화살표로 표시된 것이 두 개의 백금 결정들이다. 현재 백금 결정들은 액체 안에 담겨 있는 상태이다. 오른쪽으로 갈수록 시간이 지남에 따라 두 개의 백금 결정들이 하나로 합쳐지면서 그 모양이 육각형으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 이 투과전자현미경 사진에서 백금들 안에 하얀 점들은 원자가 아니고 원자의 규칙을 보여주는 격자 사진이다. 이 격자 사진의 하얀 점들은 원자와 1대 1로 매칭할 수 있다. 즉, 이것은 원자 단위에서 관찰된 것이다.
그림 3. 그래핀 액체 용기 안에서 백금 원자들을 포함한 액체에 투과전자현미경을 이용해 전자 빔을 조사하였을 때 백금 결정들이 자라나는 것을 역동적인 모식도로 표현한 것이다.
2012.04.06 조회수 17334 -
윤태영 교수팀, 생체막 단백질 기능 첫 규명
우리대학 윤태영 물리학과 교수 주도하에 생체막 단백질인 시냅토태그민1(Synaptotagmin1)이 신경세포 통신을 능동적으로 제어한다는 사실을 세계 최초로 규명하였다.
시냅토태그민1은 신경전달물질 분출을 조절하는 양대 핵심 단백질로서, 지금까지 학계는 단순히 칼슘 이온이 유입되면 시냅토태크민1이 신경전달물질을 분출하는 것으로 추정해 왔지만, 명확히 그 기능을 밝혀내지 못했다.
△카이스트 윤태영 물리학과 교수, △이한기 박사 △신연균 교수(포항공대, 아이오와주립대) △권대혁 교수(성균관대) △현창봉 교수 (고등과학원) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘기초연구실육성사업(BRL)"과 ‘세계 수준의 연구중심대학(WCU)육성사업’의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ‘사이언스(Science)’誌 5월 7일자에 게재된다. 이번 연구결과는 젊은 국내 토종박사들이 주축이 되어 불굴의 도전정신으로 일궈낸 값진 연구성과이다.
총 9명으로 구성된 연구팀에서 8명이 국내 연구자들로, 이중 7명이 만 40세를 넘지 않은 신진 연구자이다.
특히 연구를 주도한 윤태영 교수는 만 34세로 2004년 서울대에서, 이한기 박사는 만 33세로 명지대에서, 권대혁 교수는 만 38세로 서울대에서 박사학위를 받은 토종박사들이다.
또한 이번 연구성과는 정부의 대표적인 연구지원사업(BRL)과 인력 양성사업(WCU)의 지원을 받아 시너지 효과를 발휘하여, 세계 최고의 과학저널에 발표했다는 점에서 의의가 있다.
[그림1. 신경전달물질 분출에 있어서 시냅토태그민1의 동적제어 스위치 모델]
윤태영 교수 연구팀은 시냅토태그민1이 신경세포 통신의 강약을 자유자재로 제어하는 스위치 역할을 한다는 새로운 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 신경세포 내에 적정농도(10μmol/L, 1리터당 10마이크로 몰)의 칼슘 이온이 유입되면 시냅토태그민1은 신경전달물질을 빠르게 분출하지만, 적정농도 이상의 칼슘이 유입되면 오히려 그 기능이 감소된다는 사실을 최초로 확인하였다. 이것은 시냅토태그민1이 신경세포에서 나오는 칼슘 농도에 따라 다양하게 반응한다는 사실을 의미하는 것으로, 시냅토태그민1이 신경세포 통신의 강약을 자유자재로 제어할 수 있다는 사실을 새롭게 규명한 것이다.
윤태영 교수팀의 이번 연구는 지난 10년간 학계의 풀리지 않은 수수께끼인 시냅토태그민1의 기능에 대한 명쾌한 해답을 제시하였다. 이번 연구는 낮은 농도의 칼슘에서 시냅토태그민1이 가장 활발히 활동한다는 사실을 최초로 발견하여, 기존 연구가 밝히지 못한 시냅토태그민1의 기능을 정확히 설명하였다.
특히 연구팀은 시냅토태그민1을 생체막으로부터 분리하면, 제어 스위치 기능이 상실된다는 사실도 확인하여, 시냅토태그민1의 생체막 부착 여부가 그 기능에 핵심인 것을 밝혀냈다.
또한 윤 교수팀은 차세대 신약개발의 주요 타깃인 생체막 단백질의 기능을 분자수준에서 관찰할 수 있는 신기술을 개발하는데 성공하였다.
생체막 단백질은 물질 수송 등 세포내 필수적인 역할을 하는데, 암, 당뇨, 비만 등 각종 질병과 밀접하게 관련되어 있어, 차세대 신약개발 표적 단백질의 최대 70%를 차지하는 것으로 알려져 있다.
연구팀은 ‘단소포체 형광 기법(single-vesicle fluorescence detection)’을 개발하는데 성공하여, 생체막 단백질의 기능을 단분자 혹은 수개 분자 수준에서 관찰할 수 있는 세계 최고 수준의 기술을 보유하게 되었다.
[그림2. 단소포체 형광기법]
윤 교수는 “이번 연구결과는 지난 10년간 학계가 밝혀내지 못한 시냅토태그민1의 기능을 명쾌히 밝혀내고, 복잡한 생체막 단백질의 기능을 분자수준에서 관찰할 수 있는 신기술을 개발한 것이다. 이번 연구로 생체막 단백질을 활용하여, 암, 당뇨, 비만 등 현대인의 질병에 대한 신약을 개발할 수 있는 가능성을 열었다“라고 연구 의의를 밝혔다.
2010.05.07 조회수 24993 -
이효철 교수팀, 물에 녹은단백질 모양 변화 실시간 관찰 성공
- 관련 논문, 9월 22일(일)자 네이처 메서드(Nature Methods)誌 게재- 단백질의 작동메커니즘 규명에 중요한 도구 역할 및 신약개발에도 큰 도움 줄 것으로 기대
KAIST(총장 서남표) 화학과 이효철(李效澈, 36) 교수팀이 ‘물에서 변하는 단백질 분자구조를 실시간으로 규명’ 하는데 성공했다. 관련 논문은 네이처 자매지인 네이처 메서드(Nature Methods)誌 9월 22일자 온라인 판에 게재됐고 10월호에 출판될 예정이다.
논문의 제목은 “시간분해 엑스선 산란을 이용한 용액상의 단백질의 구조동역학 추적(Tracking the structural dynamics of proteins in solution using time-resolved wide-angle X-ray scattering)”으로 온라인에 게재되는 논문들 중에서도 특히 주목받는 하이라이트 논문으로 소개될 예정이다. 李 교수는 이 논문의 교신저자다.
이번 연구결과는 李 교수팀의 집념의 산물이라 할 수 있다. 李 교수팀은 지난 2005년 5월, 소금처럼 딱딱하게 고체상으로 굳어 있는 상태에서의 단백질의 안정적인 구조만을 볼 수 있는 기존의 방법을 시간분해 엑스선 결정법으로 발전시켜, 정지되어 있는 단백질의 구조뿐 만 아니라 움직이는 단백질의 동영상을 촬영하는데 성공했다. 관련 논문은 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Science)에 발표되었으며, 학계의 큰 주목을 받았다.
그러나 이 방법으로도 해결할 수 없는 치명적인 문제는 우리 몸에서 작용하는 일반적인 단백질은 고체상으로 있지 않고 물에 녹아있는 용액상태라는 점이다. 마치 고체 소금이 물에 녹아 소금물이 되는 것과 같은 원리다. 물은 인간의 몸의 약 70% 이상을 차지하고 있고 생명 유지에 필수적인 단백질들은 물에 녹아 있는 상태로 존재한다고 볼 수 있다. 따라서 단백질이 어떻게 기능을 발휘하는 지를 실시간으로 관측하기 위해서는 물에 녹아 있는 단백질 분자의 모양 변화를 실시간으로 추적할 수 있는 기술이 필요하다.
이러한 목표를 향한 첫 열매로 물에 녹아 있는 간단한 유기분자의 구조변화를 실시간 측정하는 데 성공하였으며, 관련 연구논문이 2005년 7월 사이언스(Science)誌에 발표된 바 있다. 당시 이 연구결과는 용액상에서 분자의 움직임을 실시간 추적할 수 있다는 점 때문에 많은 관심을 불러 일으켰는데, 李 교수는 그 기술을 더욱 발전시키면 단백질에도 응용 가능할 것으로 전망했다. 그러나 일반적으로 단백질은 그 당시 성공한 유기분자보다 적어도 1,000배 정도 크고 구조가 훨씬 더 복잡할 뿐 아니라 훨씬 적은 양으로 존재하기 때문에 물에 녹아 있는 단백질에서도 성공할 수 있다는 것에는 많은 과학자들이 회의적으로 생각했다.
이번 네이처 메서드誌에 발표한 연구결과는 그러한 부정적인 생각을 깨고 기존에 성공한 유기분자보다 ‘1,000배 더 큰 단백질 분자가 물에 녹아 있을 때에 이들의 3차원 구조변화를 실시간으로 관측하는데 성공’한 획기적인 연구성과다. 논문에서는 3가지 종류의 단백질에 대한 연구결과를 발표했는데, 우리 몸에서 산소를 이동하는데 중요한 헤모글로빈 단백질과, 근육에서의 산소공급에 관여하는 미오글로빈 단백질 등이다. 이 외에도 단백질은 주로 접혀있어 특정한 구조를 형성하는데 환경이 바뀌면 이 구조가 풀리게 된다. 풀려 있는 단백질은 일반적으로 제 역할을 할 수 없어 이러한 단백질의 접힘-풀림 현상을 이해하는 것은 매우 중요한데 씨토크롬씨라는 단백질이 풀린 상태에서 접히는 과정도 실시간으로 추적하는데 성공하였다.
이 새로운 기술을 사용하면 물에서 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수도 있어 단백질의 작동메커니즘을 밝히는 데에 중요한 도구가 될 것이며, 앞으로 신약개발을 하는 데에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 또한 이 기술은 단백질은 물론이고 나노물질에도 응용이 가능하므로 BT뿐만 아니라 NT분야에도 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
이 연구는 교육과학기술부의 창의적연구진흥사업의 연구비 지원으로 진행되었다. 연구결과는 유럽연합방사광가속기센터에서 측정되었으며, 李 교수의 주도하에 이뤄진 국제적인 공동연구의 성과다.
李 교수는 “현재 포항에 있는 제3세대 가속기에 이어 한국에서도 차세대 광원으로 건설이 논의되고 있는 제4세대 방사광가속기(XFEL)가 성공적으로 가동되면, 현재 발표된 데이터보다 적어도 1,000배정도 더 좋은 데이터를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다.
<이효철 교수 프로필>
■ 학 력
1990 경남과학고 2년 수료, KAIST 화학과 학사과정 입학
1994 KAIST 화학과 학사과정 졸업
1994 Caltech(California Institute of Technology) 박사과정 입학
2001 Caltech 졸업(박사)
2001 시카고 대학 박사 후 연구원(Post Doc.)
2003.8.1-2007.2.28 KAIST 화학과 조교수 2007.3.1-현재 KAIST 화학과 부교수
■ 수상경력
2006 젊은 과학자상(과학기술부/한국과학기술한림원)
2006 과학기술우수논문상(한국과학기술단체총연합회)
2006 KAIST 학술상 2001-2003 美國 대먼 러년 암재단(Damon Runyon Cancer Research Foundation)펠로우쉽
(설명) 시간분해 엑스선 산란의 개념을 예술적으로 표현한 그림
2008.09.22 조회수 24516