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조광현 교수, 대장암 항암제 내성 극복할 병용 치료타겟 발굴
〈 조광현 교수 연구팀 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 대장암의 항암제 내성을 극복할 수 있는 새로운 병용치료 타겟을 발굴하는 데 성공했다.
연구팀은 암세포의 복잡한 생체데이터를 분자 네트워크 관점에서 분석하는 시스템생물학 접근법의 중요성을 제시했다. 이 방법을 통해 암세포가 가지는 약제 내성의 원리를 시스템 차원에서 파악하고, 새로운 약물 타겟을 체계적으로 발굴할 수 있을 것으로 기대된다.
박상민 박사과정, 황채영 박사 등이 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘유럽생화학회저널(FEBS Journal)’의 4월호 표지논문으로 게재됐다. (논문명 : Systems analysis identifies potential target genes to overcome cetuximab resistance in colorectal cancer cells)
암은 흔하게 발생하는 대표적인 난치병으로 특히 대장암은 전 세계적으로 환자 수가 100만 명을 넘어섰고, 국내의 경우 서구화된 식습관과 비만 등으로 인해 발병률 증가 속도가 10년간 가장 높게 나타났다. 최근 급격한 고령화에 따라 대장암 환자의 발생률 및 사망률이 가파르게 증가할 것으로 예상되고 있다.
최근 암세포의 특정 분자만을 표적으로 하는 표적항암제가 개발돼 부작용을 크게 줄이고 효과를 높일 수 있지만, 여전히 약물에 반응하는 환자가 매우 제한적이며 그나마 반응을 보이더라도 표적 항암치료 후 약물에 대한 내성이 생겨 암이 재발하는 문제를 안고 있다.
또한, 환자별로 항암제에 대한 반응이 매우 달라 환자의 암 조직 내 유전자 변이의 특징에 따라 적합한 치료를 선택하는 정밀의학의 필요성이 커지고 있다. 대장암 역시 약물의 효과를 예측할 수 있는 유전자 바이오마커의 여부에 따라 적합한 표적항암제를 처방하는 시도가 이뤄지고 있다.
FDA 승인을 받은 대표적인 대장암 치료제인 세툭시맙(cetuximab)의 경우 약물 반응성을 예측하는 바이오마커로 KRAS 유전자 돌연변이의 유무가 활용되고 있는데 이 유전자 돌연변이가 없는 환자에게 처방을 권고하고 있다.
그러나 KRAS 돌연변이가 없는 환자도 세툭시맙 반응률은 절반 정도에 불과하고 기존 항암 화학요법 단독시행과 비교해도 평균 5개월의 수명을 연장하는 데 그치고 있다. 오히려 KRAS 돌연변이가 있는 환자에게서 반응성이 있는 경우가 보고되고 있다.
따라서 KRAS 돌연변이 유무 이외의 새 바이오마커가 요구되고 있으며 KRAS 돌연변이가 존재해도 내성을 극복할 수 있는 병용치료 타겟의 발굴이 필요하다.
조 교수 연구팀은 유전체 데이터 분석, 수학 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 분석과 암 세포주 실험을 융합한 시스템생물학 연구를 통해 세툭시맙 반응성에 대한 바이오마커로 다섯 개의 새로운 유전자(DUSP4, ETV5, GNB5, NT5E, PHLDA1)를 찾아냈다.
그리고 대장암세포에서 각 유전자를 실험적으로 억제한 결과 KRAS 정상 세포에서 발생하는 세툭시맙 내성을 모두 극복할 수 있었다.
특히 GNB5를 억제하면 KRAS 돌연변이가 있는 세포주에서도 세툭시맙 처리에 따른 약물내성을 극복할 수 있음을 밝혔다. 따라서 GNB5의 억제를 통해 대장암 환자의 KRAS 돌연변이 유무와 관계없이 세툭시맙에 대한 내성을 극복할 수 있어 GNB5가 효과적인 병용치료 분자 타겟이 될 수 있음을 증명했다.
연구팀이 제시한 유전자를 바이오마커로 활용하면 세툭시맙에 잘 반응할 수 있는 민감 환자군을 미리 선별해 치료할 수 있는 정밀의학의 실현을 앞당길 수 있다.
또한, 발굴된 유전자들을 표적화하는 신약개발을 통해 내성을 가지는 환자군에 대해서도 새로운 치료전략을 제시할 수 있다. 특히 세툭시맙 치료 대상에서 제외됐던 KRAS 돌연변이가 있는 환자군에 대해서도 GNB5의 억제를 통해 치료 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
조 교수는 “지금껏 GNB5 유전자 조절을 대장암의 조합치료에 활용한 예는 없었다”라며 “시스템생물학으로 암세포가 가지는 약제 내성의 원리를 밝히고, 내성 환자군에 대한 바이오마커 동정 및 내성 극복을 위한 병행치료 타겟 발굴을 통해 정밀의학을 실현할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 유럽생화학회저널 4월 표지
2019.05.07 조회수 18653 -
조광현 교수, 뇌의 제어구조 규명
〈 조광현 교수 연구팀 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크에 내재된 뇌의 제어구조를 규명했다.
이번 연구를 통해 뇌의 동작 원리에 대한 이해를 높이고, 뇌의 제어구조 분석을 통해 뇌 질환 연구 및 치료에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 4차 산업혁명의 핵심기술로 주목받는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학을 통해 규명했다는 의의가 있다.
이병욱 박사, 강의룡, 장홍준 박사과정이 참여한 이번 연구는 셀(Cell) 출판사가 펴내는 융합과학 국제학술지 ‘아이사이언스(iScience)’ 3월 29일 자에 게재됐다.
뇌의 다양한 인지기능은 뇌 영역들 사이의 복잡한 연결을 통한 영역 간 상호작용으로 이뤄진다. 최근 뇌의 연결성에 대한 정보가 뇌의 동작 원리를 파악하는 핵심이라는 의견이 대두되면서 세계적으로 뇌 연결성을 파악하기 위한 커넥톰(Connectome) 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
이를 통해 뇌 영역 사이의 구체적 연결성이 파악되고 있지만 복잡한 연결성에 내재된 뇌의 동작 원리에 대한 이해는 아직 매우 부족한 상황이다. 특히 뇌의 강건하면서 효율적 정보처리 능력의 기반이 되는 뇌의 숨겨진 제어구조는 파악된 내용이 없다.
조 교수 연구팀은 뇌의 제어구조 분석을 위해 ‘미국국립보건원(NIH) 휴먼 커넥톰 프로젝트(Human Connectome Project)’에서 제공하는 정상인의 뇌 영상 이미지 데이터를 활용해 뇌 영영 간 네트워크를 구축했다.
이후 연구팀은 그래프 이론의 최소지배집합(minimum dominating set) 개념을 활용해 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크의 제어구조를 분석했다.
최소지배집합이란 네트워크의 각 노드(뇌의 각 영역)가 링크(뇌의 서로 다른 영역간의 연결)로 연결된 이웃 노드에 직접적 영향을 줘 기능을 제어할 수 있다고 가정할 때, 네트워크를 구성하는 모든 노드를 제어하는 데 필요한 최소한의 노드 집합을 말한다.
기존 여러 연구를 통해 다양한 생체 네트워크 및 통신망, 전력망 등의 복잡계 네트워크를 제어하는 데 있어서 최소지배집합이 핵심적인 역할을 한다는 것이 보고된 바 있다.
연구팀은 최소지배집합을 기반으로 ‘제어영역의 분포(distribution of control)’와 ‘제어영역의 중첩(overlap in control area)’이라는 두 가지 지표를 정의한 뒤 이를 기준으로 총 네 종류의 제어구조를 정의했다.
이후 연구팀은 브레인 네트워크를 비롯해 도로망, 통신망, 소셜 네트워크 등 실존하는 다양한 복잡계 네트워크가 어떤 제어구조를 갖는지 분석했다. 분석 결과 뇌는 다른 대부분 네트워크와는 달리 제어영역이 분산된 동시에 서로 중첩된 특이한 구조로 이뤄짐을 밝혀냈다.
뇌의 이러한 제어구조는 외부 섭동에 의한 네트워크의 높은 강건성을 유지하면서 동시에 여러 인지기능을 효율적으로 수행하기 위한 영역들의 상호 활성화를 다양하게 하기 위한 것임을 밝혔다.
IT와 BT가 융합된 시스템생물학 접근을 통한 브레인 네트워크의 구조분석은 인공지능의 발전에도 기여할 것으로 보인다. 브레인 네트워크의 진화적 설계원리에 대한 이해를 높인다면 컴퓨터 과학자들이 이를 이용해 새로운 인공지능 기술을 개발할 수 있다.
조 교수는 “지금껏 뇌의 제어구조가 밝혀진 바가 없었다”라며 “복잡한 연결성에 숨겨진 브레인 네트워크의 진화적 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작 원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 뇌의 제어구조 규명
그림2. 뇌 영역 간 네트워크 구축
2019.04.10 조회수 17775 -
이흥규 교수, 수지상세포 자식작용의 역할 규명
〈 이흥규 교수 〉
세포 항상성을 유지해주는 ‘자식작용’의 또 다른 기능이 보고됐다. 우리 대학 의과학대학원 이흥규 교수 연구팀이 T세포의 항암 활성이 유도되는 과정에서 수지상세포 자식작용이 기여함을 규명했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘오토파지(Autophagy)’ 3월 22일 자에 게재됐다.
자식작용은 세포 내 노폐물 및 손상된 세포 소기관을 제거해 세포의 항상성을 유지하는 과정이다.
수지상세포는 병원균이나 암 항원을 인지해 T세포의 면역반응을 유도하는 세포이다. 방사선이나 항암제에 의해 암세포가 사멸하면 수지상세포가 이를 흡수‧제거하고, 자신의 표면에 항원을 제시해 T세포에 전달해주는 기능을 한다.
연구팀은 수지상세포의 자식작용이 T세포 활성화에서 핵심 역할을 한다는 것을 밝히고 항암 효과를 높일 수 있는 원리를 제시했다.
실험결과 자식작용을 일으키는 Atg5 유전자가 결손될 때 수지상세포의 T세포 활성화 기능이 떨어지고 항암 면역반응이 감소했다.
Atg5가 결손되면 수지상세포 표면의 CD36 수용체가 월등히 증가하는데, 이로 인해 식세포작용(암 항원의 흡수)만 과활성되고 항원 제시를 통한 T세포 활성화가 정상적으로 이뤄지지 않는다.
이때 항체를 도입해 CD36 수용체를 다시 억제하면 T세포 면역반응이 많이 증가하고 암의 성장이 억제됐다.
이흥규 교수는 “이번 연구를 통해 자식작용이 T세포의 항암 면역반응에 관여하는 기능을 새롭게 규명했다”라 “향후 CD36 수용체를 활용한 표적 항암치료제 개발의 단초가 되길 기대한다”라고 밝혔다.
이 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 수지상세포 자식작용의 기전
그림2. 항원제시에서 수지상세포 자식작용의 기능
2019.04.02 조회수 13798 -
김필한 교수, 패혈증 환자의 폐 손상 원인 밝혀
〈 김필한 교수 〉
우리 대학 의과학대학원/나노과학기술대학원 김필한 교수 연구팀이 3차원 생체현미경 기술을 통해 패혈증 폐에서 모세혈관과 혈액 내 순환 세포를 고해상도 촬영하는 데 성공했다.
연구팀은 패혈증 폐의 모세혈관 내부에서 백혈구의 일종인 호중구(好中球, neutrophil)들이 서로 응집하며 혈액 미세순환의 저해를 유발하고, 나아가 피가 통하지 않는 사강(死腔, dead space)을 형성함을 규명했다.
연구팀은 이 현상이 패혈증 모델의 폐손상으로 이어지는 조직 저산소증 유발의 원인이 되며, 호중구 응집을 해소하면 미세순환이 개선되며 저산소증도 함께 호전됨을 증명했다.
박인원 박사(현 분당서울대학교병원 응급의학과)가 주도한 이번 연구결과는 의학 분야 국제 학술지 ‘유럽호흡기학회지(European Respiratory Journal)’에 3월 28일 자에 게재됐다.
폐는 호흡을 통해 생명 유지의 필수 작용인 산소와 이산화탄소 간 가스 교환을 하는 기관으로 이는 적혈구들이 순환하는 수많은 모세혈관으로 둘러싸인 폐포(肺胞)에서 이뤄진다.
폐포의 미세순환 관찰을 위해 연구자들이 지속적인 노력을 하고 있으나 호흡을 위해 항상 움직이는 폐 안의 모세혈관과 적혈구의 미세순환을 고해상도로 촬영하는 것은 매우 어려웠다.
연구팀은 자체 개발한 초고속 레이저 스캐닝 공초점 현미경과 폐의 호흡 상태를 보존하면서 움직임을 최소화할 수 있는 영상 챔버를 새롭게 제작했다. 이를 통해 패혈증 동물모델의 폐에서 모세혈관 내부의 적혈구 순환 촬영에 성공했다.
이 과정에서 패혈증 모델의 폐에서 적혈구들이 순환하지 않는 공간인 사강이 증가하며 이곳에서 저산소증이 유발되는 것을 발견했다. 이는 혈액 내부의 호중구들이 모세혈관과 세동맥 내부에서 서로 응집하며 갇히는 현상으로 인해 발생함을 밝혔다. 갇힌 호중구들은 미세순환 저해, 활성산소의 다량 생산 등 패혈증 모델의 폐 조직 손상을 유발하는 것도 확인했다.
연구팀은 추가 연구를 통해 폐혈관 내부의 응집한 호중구가 전신을 순환하는 호중구에 비해 세포 간 부착에 관여하는 Mac-1 수용체(CD11b/CD18)가 높게 발현함을 증명했다. 이어 Mac-1 저해제를 패혈증 모델에 사용하여 호중구 응집으로 저해된 미세순환을 개선하고 저산소증의 호전과 폐부종 감소를 증명했다.
연구팀이 독자 개발한 최첨단 고해상도 3차원 생체현미경 기술은 살아있는 폐 안 세포들의 실시간 영상촬영이 가능해 패혈증을 포함한 여러 폐 질환의 연구에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.
연구팀의 폐 미세순환 영상촬영 및 정밀 분석 기법은 향후 미세순환과 연관된 다양한 질환들의 연구뿐 아니라 새로운 진단기술 개발 및 치료제의 평가를 위한 원천기술로 활용될 것으로 보인다.
김 교수 연구팀의 3차원 생체현미경 기술은 KAIST 교원창업기업인 아이빔테크놀로지(IVIM Technology, Inc)를 통해 상용화돼 올인원 생체현미경 모델 ‘IVM-CM’과 ‘IVM-C’로 출시됐으며 여러 인간 질환의 복잡한 발생 과정을 밝히기 위한 기초 의․생명 연구의 차세대 첨단 영상장비로서 미래 글로벌 바이오헬스 시장에 핵심 장비로 활용될 예정이다.
김 교수는 “패혈증으로 인한 급성 폐손상 모델에서 폐 미세순환의 저해가 호중구로 인하여 발생하며, 이를 제어하면 미세순환 개선을 통해 저산소증 및 폐부종을 해소할 수 있어 패혈증 환자를 치료하는 새로운 전략이 될 수 있음을 새롭게 밝혀냈다.”고 말했다.
이번 연구는 의과학대학원 졸업생 박인원 박사가 1저자로 참여했고 유한재단 보건장학회, 교육부 글로벌박사펠로우쉽사업, 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업과 이공분야기초연구사업, 그리고 보건복지부의 질환극복기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 초고속 레이저주사 3차원 생체현미경 시스템
그림2. 생체 내 폐 이미징 기술 개념도 및 사진
2019.04.01 조회수 17588 -
최경철 교수, 자가발전으로 에너지 절약 및 세탁 가능한 입는 디스플레이 개발
〈 (오른쪽 위부터 시계방향으로) 정은교 연구원, 최경철 교수, 전남대 조석호 교수, 전용민 연구원 〉
우리 대학 전기및전자공학부 최경철 교수와 전남대학교 의류학과 조석호 교수 연구팀이 외부 전원 없이 자가발전 되고 세탁이 가능한 디스플레이 모듈 기술을 개발했다.
이번 연구는 기존 플라스틱 기판 웨어러블 전자소자가 아닌 옷감을 직접 기판으로 사용하는 전자소자의 상용화를 앞당길 수 있다는 점, 일상생활에 입는 전자소자가 외부 전원 없이 자가 발전해 에너지를 절약할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
정은교 박사과정과 전용민 연구원이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지&인바이런멘탈 사이언스(Energy and Environmental Science, IF : 30.067)’ 1월 18일 자 온라인판에 게재됐고, 우수성을 인정받아 뒤표지 논문으로 선정됐다.
기존의 섬유형 웨어러블 디스플레이는 주로 디스플레이의 소자 구현에 초점을 맞춰 연구가 이뤄졌다. 이로 인해 소자를 구동하기 위한 별도의 외부 전원이 필요할 뿐 아니라 내구성 또한 부족한 특성을 가져 웨어러블 디스플레이로 응용하기에는 한계가 있다.
고분자 태양전지와 유기 발광 디스플레이 소자는 수분, 산소 등 외부 요인에 매우 취약해 소자를 보호하기 위한 봉지막이 필요하다. 그러나 기존에 개발된 봉지막 기술은 상온에서는 역할을 충분히 수행하지만, 습기가 많은 환경에서는 그 특성을 잃게 된다. 따라서 비 오는 날이나 세탁 이후에도 동작할 수 있어야 하는 착용형 디스플레이에서는 사용이 제한된다.
연구팀은 문제해결을 위해 외부 전원 없이도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 고분자 태양전지(PSC)와 수 밀리와트(milliwatt)로도 동작할 수 있는 유기발광다이오드(OLED)를 옷감 위에 직접 형성하고 그 위에 세탁이 가능한 봉지기술을 적용했다. 이를 통해 전기를 절약하면서도 실제 입을 수 있는 디스플레이 모듈 기술을 개발했다.
연구팀은 원자층 증착법(ALD)과 스핀코팅(spin coating)을 통해 세탁 후에도 특성 변화 없이 소자를 보호할 수 있는 봉지막 기술을 자가발전이 가능한 입는 디스플레이 모듈에 적용했다. 이 봉지막 기술을 통해 세탁 이후나 3mm의 낮은 곡률반경에서도 웨어러블 전자소자들의 성능이 유지되는 것을 증명했다.
연구팀은 일주일마다 세탁 및 기계적인 스트레스를 주입한 뒤 결과를 관찰한 결과 30일 이후 PSC는 초기 대비 98%, OLED는 94%의 특성을 유지함을 확인했다.
최경철 교수는 “기존의 플라스틱 기판 기반의 웨어러블 전자소자 및 디스플레이 연구와 달리 일상생활에 입는 옷감을 기판으로 활용해 세탁이 가능하고 외부 전원 없이 고분자 태양전지로 디스플레이를 구동하는 전자소자 모듈을 구현했다”라며 “태양에너지를 이용해 자가 구동 및 세탁이 가능한, 전기 충전이 필요 없는 진정한 의미의 입을 수 있는 디스플레이 기술 시대를 열었다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업과 교육부 BK21 지원사업으로 수행됐으며, 이번 연구 성과로 1 저자인 정은교 연구원은 BK21 우수인력으로 사회부총리 겸 교육부장관 표창을 받는다.
□ 그림 설명
그림1. 표지논문 이미지
그림2. 세탁 가능한 입는 디스플레이 모듈 모식도 및 구동 사진
2019.03.21 조회수 18415 -
이현주 교수, 국건 박사과정, 실크 피브로인 박막의 대면적 소자공정 개발
우리 대학 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀과 KIST 최낙원 박사팀이 생분해성 실크피브로인 박막의 대면적 소자 공정을 개발하고 이를 통해 실크피브로인이 미세 공정된 마이크로소자의 제작기술을 개발했다.
이번에 개발된 실크피브로인 박막의 대면적 소자 공정은 포토리소그래피로 제작하는 폴리머나 금속 등의 구조와 동시에 미세공정이 가능해 실크피브로인을 기판으로 하는 생분해성 전자소자나 실크피브로인 패턴을 통한 국소부위 약물전달을 구현하는 데에 중요한 기술이 될 것으로 기대된다.
국건 박사과정과 KIST 정소현 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제학술지 ‘에이씨에스 에이엠아이(ACS AMI : ACS Applied Materials & Interfaces)’ 1월 16일자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Wafer-Scale Multilayer Fabrication for Silk Fibroin-Based Microelectronics)
실크피브로인 박막은 투명하고 유연하며 생체에서 분해되기 때문에 생분해성 소자와 약물전달의 기판으로 쓰여왔다. 연구팀은 지난 2년간의 연구로 현재까지 실크피브로인에 적용되지 못했던 미세공정을 적용할 수 있도록 새로운 공정기술을 개발했다.
기존의 미세공정은 실크피브로인과 같은 생고분자의 구조를 변형시키는 강한 식각액과 용매가 동반됐다. 연구팀은 실크피브로인에 영향을 주지 않는 물질을 추려내고 이를 이용해 실크피브로인이 공정 중에 훼손되지 않도록 개선된 미세공정기술을 확보했다.
개발한 공정은 알루미늄 금속 박막을 사용해 실크피브로인을 보호하기 때문에 기존 미세공정의 핵심 기술인 포토리소그래피(Photolithography)로 실크피브로인 박막을 다른 소자 위에 패터닝하거나 실크피브로인 박막 위에 다른 물질을 패터닝하는 것이 모두 가능하다.
연구진은 뇌세포(Primary Neuron)를 공정을 거친 실크피브로인의 미세패턴 위에 성공적으로 배양해 실크피브로인이 공정 전후로 높은 생체적합성을 지녀 생체 임플란트 소자에 적용될 수 있음을 확인했다.
연구진은 개발한 기술을 통해 실크피브로인 기판 위에 여러 층의 금속 박막과 실크피브로인 박막의 미세패턴을 구현해 저항 및 실크피브로인을 유전체로 하는 축전기로 이루어진 생분해성 미세전자회로를 실리콘웨이퍼에서 대면적으로 제작했다.
또한 연구진이 독립적으로 개발한 유연 폴리머 기반 뇌전극 위에 해당 기술을 이용해 실크피브로인 박막의 미세패턴을 전극의 가까이에 위치시켰고 색소분자를 실크피브로인 박막에 탑재해 미세패턴으로부터의 분자전달을 확인했다.
실크피브로인 박막이 미세패턴된 뇌전극을 이용하면 뇌세포의 행동을 촉진하거나 제한하는 분자 약물을 탑재해 뇌회로의 연구에 활용되는 등 다양한 활용이 가능할 것으로 기대된다.
이 교수는 “대면적 공정이 불가능하다고 여겨졌던 민감한 바이오물질도 실리콘처럼 대면적의 미세공정이 가능해졌다”며 “향후 바이오메디컬 소자 분야에 광범위하게 적용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. ACS AMI 표지
그림2. 연구진이 개발한 실크피브로인 박막의 대면적 미세소자공정
그림3. 공정 이후의 실크피브로인 패턴에 배양된 Primary Neuron의 모습
2019.02.21 조회수 15928 -
최성율 교수, 뉴로모픽 칩의 시냅스 구현
〈 최성율 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀이 멤리스터(Memristor) 소자의 구동 방식을 아날로그 형태로 변화해 뉴로모픽 칩의 시냅스로 활용할 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 기존의 디지털 비휘발성 메모리로만 이용되던 멤리스터를 아날로그 형태로 활용함으로써 인간의 뇌를 모사한 인공지능 컴퓨팅 칩인 뉴로모픽 칩의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
장병철 박사(현 삼성전자 연구원), 김성규 박사(현 노스웨스턴대학), 양상윤 연구교수가 공동 1 저자로 참여하고 美 노스웨스턴 대학, KAIST 임성갑 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘나노 레터스 (Nano Letters)’ 1월 4일 온라인판에 게재됐다.
사람 뇌를 닮은 반도체로 알려진 뉴로모픽 칩은 기존의 반도체 칩이 갖는 전력 확보 문제를 해결할 수 있고 데이터 처리 과정을 통합할 수 있어 차세대 기술로 주목받고 있다.
멤리스터는 메모리와 레지스터의 합성어로, 메모리와 프로세스가 통합된 기능을 수행할 수 있다. 특히 뉴로모픽 칩 내부에 물리적 인공신경망을 가장 효과적으로 구현할 수 있는 크로스바 어레이(crossbar array) 제작에 최적인 소자로 알려져 있다.
물리적 인공신경망은 뉴런 회로와 이들의 연결부인 시냅스 소자로 구성되는데 뉴로모픽 칩 기반의 인공지능 연산을 수행할 때 각 시냅스 소자에서는 뉴런 간의 연결 강도를 나타내는 전도도 가중치가 아날로그 데이터로 저장 및 갱신돼야 한다.
그러나 기존 멤리스터들은 대부분 비휘발성 메모리 구현에 적합한 디지털의 특성을 가져 아날로그 방식의 구동에 한계가 있었고, 이로 인해 시냅스 소자로 응용하기 어려웠다.
최 교수 연구팀은 플라스틱 기판 위에 고분자 소재 기반의 유연 멤리스터를 제작하면서 소자 내부에 형성되는 전도성 금속 필라멘트 크기를 금속 원자 수준으로 얇게 조절하면 멤리스터의 동작이 디지털에서 아날로그 방식으로 변화하는 것을 발견했다.
연구팀은 이러한 현상을 이용해 멤리스터의 전도도 가중치를 연속적, 선형적으로 갱신할 수 있고 구부림 등의 기계적 변형 상태에서도 정상 동작하는 유연 멤리스터 시냅스 소자를 구현했다.
유연 멤리스터 시냅스로 구성된 인공신경망은 학습을 통해 사람의 얼굴을 효과적으로 인식해 분류할 수 있고 손상된 얼굴 이미지도 인식할 수 있음을 확인했다. 이를 통해 얼굴, 숫자, 사물 등의 인식을 효율적으로 수행할 수 있는 유연 뉴로모픽 칩 개발의 가능성을 확보했다.
최 교수는 “멤리스터 소자의 구동 방식이 디지털에서 아날로그로 변화되는 주요 원리를 밝힘으로써 다양한 멤리스터 소자들을 디지털 메모리 또는 시냅스 소자로 응용할 수 있는 길을 열었다”라며 “고성능 뉴로모픽 칩 개발의 가속화에 기여할 수 있을 것이다” 라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌프론티어사업 중 (재)나노기판소프트일렉트로닉스 연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 플라스틱 기판 위에 제작된 유연 멤리스터 시냅스 소자 모식도
2019.02.11 조회수 10137 -
이상완 교수, 신경과학-인공지능 융합으로 공학적 난제 해결
〈 (왼쪽부터) 안수진 박사과정, 이지항 박사, 이상완 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 이상완 교수 연구팀이 영국 케임브리지 대학, 구글 딥마인드와의 공동 연구를 통해 차세대 뇌 기반 인공지능 시스템 설계의 방향을 제시했다.
이번 연구는 인간의 두뇌가 기존의 인공지능 알고리즘이 해결하지 못하는 부분을 해결할 수 있다는 사실에 기반한 신경과학-인공지능 융합 연구이다.
성능, 효율, 속도의 균형적 설계와 같은 다양한 공학적 난제를 해결할 수 있는 신경과학 기반 강화학습 이론을 제안한 것으로 새로운 인공지능 알고리즘 설계에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.
이상완 교수와 함께 이지항 박사, 안수진 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’ 1월 16일 자 온라인판에 포커스 형식으로 게재됐다.
최적제어 이론에서 출발한 강화학습은 기계 학습의 한 영역으로 지난 20여 년 동안 꾸준히 연구된 분야이다. 특히 지난 5년 동안은 딥러닝 기술을 발전과 맞물려 급격한 성장을 이뤘다.
딥러닝 기반 강화학습 알고리즘은 최근 알파고와 같은 전략 탐색 문제, 로봇 제어, 응급실 비상 대응 시스템과 같은 의료 진단 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 그러나 주어진 문제에 맞게 시스템을 설계해야 하는 점, 불확실성이 높은 환경에서는 성능이 보장되지 않는 점 등이 근본적인 해결책으로 남아있다.
강화학습은 의사 결정 및 계산신경과학 분야에서도 지난 20년간 꾸준히 연구되고 있다. 이상완 교수는 2014년 인간의 전두엽-기저핵 뇌 회로에서 이종 강화학습을 제어한다는 신경과학적 증거를 학계에 발표한 바 있다. 2015년에는 같은 뇌 회로에서 고속 추론 과정을 제어한다는 연구를 발표했다.
연구팀은 이번 연구에서 강화학습 등의 개별 인공지능 알고리즘이 해결하지 못하는 공학적 문제를 인간의 두뇌가 이미 해결하고 있다는 사실에 기반한 ‘전두엽 메타 제어’ 이론을 제안했다.
중뇌 도파민-복외측전전두피질 네트워크에서 외부 환경에 대한 학습의 신뢰도를 스스로 평가할 수 있는 보상 예측 신호나 상태 예측 신호와 같은 정보를 처리하며, 인간의 두뇌는 이 정보들을 경쟁적-협력적으로 통합하는 프로세스를 통해 외부 환경에 가장 적합한 학습 및 추론 전략을 찾는다는 것이 이론의 핵심이다.
이러한 원리를 단일 인공지능 알고리즘이나 로봇설계에 적용하면 외부 상황변화에 강인하게 성능, 효율, 속도 세 조건(performance-efficiency-speed tradeoff) 사이의 균형점을 유지하는 최적의 제어 시스템을 설계할 수 있다. 더 나아가 다수의 인공지능 개체가 협력하는 상황에서는 서로의 전략을 이용함으로 협력-경쟁 사이의 균형점을 유지할 수 있다.
1 저자인 이지항 박사는 “현대 인공지능의 우수한 성능은 사람의 행동 수준 관찰뿐 아니라 두뇌의 저수준 신경 시스템을 알고리즘으로 구현해 적극적으로 발전시킨 결과라고 보고 있다”라며 “이번 연구는 계산신경과학에 기반한 결과로 현대 딥러닝과 강화학습에서 겪는 성능, 효율, 속도 사이의 난제를 해결하는 실마리가 될 수 있고, 새로운 인공지능 알고리즘 설계에 많은 영감을 줄 것이다”라고 말했다.
이상완 교수는 “연구를 하다 보면 우리의 두뇌는 공학적 난제를 의외로 쉽게 해결하고 있음을 알 수 있다. 이 원리를 인공지능 알고리즘 설계에 적용하는 뇌 기반 인공지능 연구는 구글 딥마인드, MIT, 캘리포니아 공과대학, UCL 등 해외 유수 기관에서도 관심을 두는 신경과학-인공지능 융합 연구 분야이다”라며 “장기적으로는 차세대 인공지능 핵심 연구 분야 중의 하나로 자리를 잡을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기술진흥센터 연구개발 사업, 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 외부 환경에 따라 성능-효율-속도 문제 균형점을 찾는 뇌기반 강화학습 이론 (좌), 이를 최적 제어하는 ‘전두엽 메타 제어’(중) 및 로보틱스 분야 문제 해결 적용 사례 (우)
2019.01.24 조회수 10247 -
홍승범, 스티브박 교수, 에너지 수확과 인정 변형률 감지 가능한 섬유 개발
〈 스티브박 교수, 류정재 박사과정, 홍승범 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수, 스티브 박 교수 연구팀이 공동으로 에너지 수확은 물론 인장 변형률도 감지할 수 있는 섬유를 개발했다.
류정재 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)에 게재됐다.
웨어러블 기기에 대한 관심이 커짐에 따라 인간의 움직임과 신체 신호를 포착할 수 있는 센서 및 인간의 기계적 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있는 기기에 대한 수요가 많아지고 있다.
웨어러블 기기는 기계적 피로에 대한 우수성, 높은 유연성 그리고 피부 호흡을 방해하지 않아야 하며 섬유는 이러한 특성을 구현하기에 유리한 구조를 지니고 있다.
이번에 개발된 섬유는 탄소나노튜브와 전도성 고분자층의 크랙 형성을 통해 기존의 섬유 형태의 인장 센서보다 높은 민감도를 구현함은 물론 뛰어난 안정성으로 반복된 인장에도 강한 특성을 나타냈다.
유기압전소재 입자를 폴리디메틸실록산에 분산시킨 방법을 활용해 개발된 이 섬유는 인간 신체에서 발생하는 다양한 기계적 에너지도 압전효과를 이용해 수확할 수 있으며, 섬유 내부에서의 압력 변화에 대해서도 에너지를 수확할 수 있다.
홍승범 교수는 “개발된 신축성이 있는 섬유는 다양한 기능을 갖춰 기기의 집적화 측면에서 유리하다”며 “인간의 신체 신호나 움직임을 감지하면서도 에너지를 수확할 수 있는 웨어러블 기기의 초석을 다진 원천기술이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 신축성 있는 섬유의 모식도 및 에너지 하베스터와 스트레인 센서로서의 성능
그림2. 다양한 기계적 변형에 대한 섬유의 모습
2019.01.24 조회수 10221 -
김학성 교수, 세포 내 단백질 전달 효율 높이는 DNA 기반 나노구조체 개발
우리 대학 생명과학과 김학성 교수, 류이슬 박사 연구팀이 강원대 이중재 교수, 한국원자력연구원 강정애 박사와의 공동 연구를 통해 DNA를 기반으로 나노 구조체를 개발해 세포 속으로의 단백질 전달 효율을 높이는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 2018년 12월 28일일자 표지논문으로 게재됐다.
단백질 치료제는 저분자 화합물에 비해 반응 부위를 구별해내는 특이성이 우수해 차세대 의약품으로 활발히 개발되고 있다. 단백질 치료제가 탁월한 효과를 내기 위해서는 치료용 단백질이 세포 내로 효율적으로 전달되는 기술이 선행돼야 한다.
지금까지는 화학적 합성법 등으로 단백질 전달체를 제작해 왔지만 생체 독성, 낮은 전달 효율, 복잡한 제조공정과 효과가 일관적이지 않은 재현성 등이 해결돼야 할 과제로 남아있다.
연구팀은 생체 분자인 DNA를 기반으로 나노 구조체를 제작해 생체 친화적이면서 특정 세포로의 높은 전달 효율을 보였다. 특히 다양한 단백질을 전달할 수 있는 범용적인 기술로서 폐암 동물 모델에서도 항암 물질을 전달해 높은 항암 효과를 입증했다.
제조공정도 복잡하지 않다. 먼저 금 나노입자 표면에 DNA를 부착한다. 다음으로 징크 핑거를 이용해 각 DNA 가닥에 암세포를 표적하는 생체 분자와 항암 단백질을 결합해 제작했다.
DNA와 징크 핑거 간의 상호작용을 이용하므로 DNA 서열과 길이를 조절해 나노 구조체에 탑재되는 단백질의 양을 손쉽게 조절할 수 있다.
김학성 교수는 “생체 적합한 소재인 DNA와 단백질의 상호작용을 이용해 세포 내로 단백질을 효율적으로 전달하는 새로운 나노 구조체를 개발한 것이다”라며, “세포 내 단백질 치료제의 전달뿐 아니라 동반 진단용으로 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실, 중견연구, 생애첫연구) 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. small 표지
그림2. 나노 구조체 제조 과정 모식도
그림3. 나노 구조체의 세포 내 단백질 전달 효과
그림4. 나노 구조체의 현미경 관찰 사진
2019.01.21 조회수 11837 -
조광현 교수, 뇌파 생성, 변조 담당하는 신경회로 원리 규명
〈 조광현 교수 연구팀 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로를 규명하는 데 성공했다.
이를 통해 뇌의 동작원리를 밝힐 뿐 아니라 향후 여러 뇌질환 환자에게서 발생하는 비정상적 뇌파활동을 신경세포 네트워크 수준에서 규명하는 데 활용 가능할 것으로 기대된다. 이번 연구는 4차 산업혁명의 핵심기술로 주목받는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구로 규명했다는 의미를 갖는다.
이병욱 박사과정, 신동관 박사, 스티븐 그로스 박사가 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘셀 리포트(Cell Reports)’ 11월 6일자 온라인 판에 게재됐다.
뇌의 다양한 기능은 신경세포(뉴런) 사이의 복잡한 상호작용을 통해 이뤄진다. 특히 뉴런들의 동시다발적인 발화에 의해 형성되는 뇌파는 뇌의 활동 상태를 측정하는 가장 중요한 지표이며, 특정 기능을 수행하기 위해 영역 간 선택적 통신의 매개체 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
또한 뇌파의 비정상적인 생성 및 변조 현상은 다양한 뇌질환과 밀접한 관계를 갖는 것으로 밝혀지고 있다. 이에 따라 전 세계 신경생물학 연구자들은 뇌파의 생성 및 변조 원리를 파악하기 위해 노력해 왔다.
그러나 뇌파의 생성 및 변조는 수많은 뉴런 사이의 복잡한 상호작용을 통해 발생하는 예측할 수 없는 창발적 특성(emergent property)을 갖기 때문에 기존의 신경 생물학 실험을 통해 그 원리를 규명하기에는 한계가 있었다.
조 교수 연구팀은 시스템생물학 기반의 연구방법을 통해 뇌파의 생성 및 변조 원리를 분석했다. 연구팀은 여러 뇌 영역 중 특히 감각 피질(sensory cortex)에 주목했다. 감각 피질은 외부 감각 정보를 처리하고 통합, 조절하는 핵심 영역으로 여러 주파수 대역의 뇌파와 변조를 관측할 수 있다.
연구팀은 최근 커넥토믹스 (connectomics) 연구를 통해 밝혀진 쥐의 감각피질 내 뉴런의 종류 및 뉴런 간 연결성 정보를 이용해 감각피질을 구성하는 뉴런들과 이들을 연결하는 시냅스를 수학 모델을 통해 표현하고 이로부터 신경회로를 구축해 뇌파의 생성 및 변조 과정을 분석했다.
연구팀은 대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 흥분성 뉴런과 억제성 뉴런으로 구성된 양성피드백과 음성피드백의 중첩된 구조(interlinked positive and negative feedback)가 뇌파의 생성 및 주파수 변조 현상의 핵심회로임을 최초로 규명했다.
특히 연구팀은 기존의 전기생리학 실험을 통해 측정된 뉴런 간 시냅스의 특정 연결강도가 신경회로의 뇌파 생성 및 변조 기능을 극대화시킬 수 있는 최적의 조합임을 밝혀냈다.
이번에 개발한 수학모형을 활용하면 전통적 생물학 실험을 통해 파악이 어려웠던 뉴런들 간의 다양한 상호작용을 이해하고 신경회로의 복잡한 설계원리를 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 여러 뇌질환 환자의 뇌에서 관측되는 비정상적인 뇌파 활동을 신경네트워크 차원에서 분석하고 규명할 수 있을 것으로 예상된다.
시스템생물학 접근을 통한 신경회로의 구조 및 기능 분석은 인공지능의 발전에도 기여할 것으로 기대된다. 두뇌 신경회로의 작동원리에 대한 이해를 높인다면 컴퓨터 과학자들이 이를 이용해 새로운 인공지능 기술을 개발할 수 있다. 자폐증이나 집중력 조절장애 등과 관련된 신경회로 규명, 두뇌 치료 기술 개발 등의 원천 의료기술 개발에도 혁신으로 이어질 수 있다.
조 교수는 “지금껏 뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로가 밝혀진 바가 없었다”며 “이번 연구에서는 최근 커넥토믹스 (connectomcis) 연구를 통해 점차 밝혀지고 있는 뉴런간의 복잡한 연결성에 숨겨진 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업, 그리고 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 뉴런 간 연결 강도에 내제된 기능적 설계원리 파악
그림2. 뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로
2018.11.14 조회수 16484 -
유승협 교수, 초저전력 심박 및 산소포화도 센서 구현
〈 유승협 교수, 이현우 박사과정〉
우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 유기발광다이오드(OLED)와 유기포토다이오드(OPD)를 이용해 초저전력 심박 및 산소포화도 센서 구현에 성공했다.
전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀과의 협력을 통해 이뤄진 것으로 이 기술을 통해 심박 및 산소포화도 센서가 다양한 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.
이현우 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 ‘사이언스 어드밴스 (Science Advances)’11월 9일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Toward all-day wearable health monitoring: An ultralow-power, reflective organic pulse oximetry sensing patch)
심박 및 산소포화도 센서는 신체의 건강 상태를 나타내는 가장 중요한 생체 신호의 하나인 심장 박동과 혈액 내 산소와 결합한 헤모글로빈의 농도로서 신체 내 원활한 산소 공급 여부를 가늠할 수 있는 산소포화도를 측정하는 기기이다.
심박 및 산소포화도 센서에는 일반적으로 LED와 포토다이오드로 구성된 광학적 방법이 이용된다. 이 기술은 간단하고 소형화가 용이한 비 침습적 방법이면서 주요 생체신호의 모니터링이 가능하다는 이점이 있어 병원용 기기뿐 아니라 스마트 워치 등 웨어러블 기기에도 탑재되는 경우가 많다.
이러한 센서는 배터리 용량이 매우 제한적인 웨어러블 기기의 특성상 센서의 전력소모를 줄이는 것이 매우 중요하다.
그러나 현재 상용 심박 및 산소포화도 센서는 이산소자들의 배열로 구성돼 피부에서 산란으로 인해 전방위로 전달되는 빛을 효율적으로 감지하기 어렵다. 이러한 이유로 좀 더 강한 빛을 필요로 하기 때문에 장기간 실시간 모니터링에는 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 광원의 발광 파장에 따른 피부에서의 빛의 전달 형태를 실험과 피부 모델 시뮬레이션을 통해 검토했다. 유기소자의 경우 자유로운 패턴 구현이 용이한 점을 최대한 이용해 유기포토다이오드가 유기발광다이오드를 동심원 형태로 감싸 피부에서 전방위로 분포되는 빛을 효율적으로 감지하는 최적 구조를 갖는 유연 심박 및 산소포화도 센서를 구현했다.
이를 통해 평균소비전력 약 0.03밀리와트(mW)만으로도 심박 및 산소포화도를 측정할 수 있었다. 이는 LED와 PD가 일렬로 배치된 상용 센서가 갖는 통상 전력소모 양의 약 수십 분의 일에 해당하는 매우 작은 값으로 24시간 동작에도 1밀리와트시(mWh)가 채 되지 않는 양이다.
이 기술은 매우 낮은 전력 소모 외에도 유기소자가 갖는 유연 소자의 형태적 자유도도 그대로 갖는다. 따라서 스마트 워치부터 작게는 무선 이어폰, 스마트 반지, 인체 부착형 패치 등의 웨어러블 기기에서 배터리로 인한 제한을 최소화하면서 일상에 지장 없이 지속적인 생체 신호 모니터링을 가능하게 할 것으로 기대된다.
유승협 교수는 “생체 신호의 지속적인 모니터링은 건강의 이상 신호를 상시 검출 할 수 있게 할 뿐 아니라 향후 빅데이터 등과 연계하면 이들 생체신호의 특정 패턴과 질병 간의 상호 관계를 알아내는 등에도 활용될 수 있다.”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단-나노·소재원천기술개발사업 및 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 사진 설명
사진1. 연구팀이 개발한 센서
2018.11.12 조회수 11721