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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
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이흔 교수팀, 물로 이뤄진 얼음 입자내 수소원자 저장 현상 규명
- 사이언스誌 최근호 에디터스초이스에 선정, 리서치 하이라이트로 소개
물을 얼려 만들어진 얼음 입자 내에 나노 크기의 수많은 빈 공간을 형성시켜 그 안에 수소원자가 저장될 수 있다는 사실이 국내 연구진에 의해 새롭게 규명됐다.
우리학교 생명화학공학과 이흔(李琿, 56) 교수팀과 서강대 강영수(46) 교수팀이 공동으로 물로 이뤄진 얼음 입자 내에 크기가 가장 작은 수소 원자가 안정적으로 저장될 수 있음을 최초로 규명, 이 연구결과를 미국화학회지에 발표하였으며, 사이언스(Science) 誌 최신호(7월11일자)의 ‘에디터스 초이스(Editor’s Choice)’에도 선정되어 리서치 하이라이트로 소개됐다.
李 교수는 지난 2005년 4월 7일자 네이처(Nature) 誌에 ‘얼음 형태의 입자 내로 수소저장’이란 제목의 논문으로 이 현상을 처음 발표한 바 있다. 당시에는 수소저장은 분자상태로 이뤄진 것으로 발표하였으나, 이후 3년여의 연구 끝에 수소가 분자 상태가 아니라, 가장 작은 크기의 원자로 얼음 내에 저장될 수 있음을 이번 연구에서 밝혀냈다.
고유가 시대에 석유, 천연가스를 대체할 새로운 에너지원 개발이 매우 시급한 이슈로 떠오르고 있다. 하나의 해결책으로 그동안 모든 국가들이 수소 에너지를 연구해 왔으나, 획기적 저장 원리의 부재로 기술개발에 많은 어려움을 겪고 있다.
따라서 미래의 거의 유일한 청정에너지인 수소에너지를 잘 활용할 수 있느냐의 성공여부는 이를 얼마나 효과적으로 저장시킬 수 있는 기초 원리의 확보에 있다. 그동안 널리 사용된 수소저장 방법으로는 영하 252℃ 극저온의 수소 끓는점에서 수소 기체를 액화시켜 특별히 제작된 단열이 완벽한 용기에 저장하거나 또는 350기압 정도의 매우 높은 압력에서 기체 수소를 저장하는 방법이 있지만 수소가 제일 작고 가벼운 원소여서 어떤 재질의 용기이건 속으로 침투하는 성질이 있다. 따라서 이 방법들은 경제성이나 효율성이 매우 떨어지게 되고 극저온이나 상당히 높은 압력으로 인한 여러 가지 기술적 난제들을 필연적으로 갖게 된다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해 그동안 전 세계적으로 수소저장합금, 탄소나노튜브 등을 이용한 차세대 수소 저장 기술 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 이러한 특수 물질들의 저장 재료로서의 한계성 때문에 현실적으로 적용하기가 어렵다. 더욱이 이 모든 방법들은 수소를 분자 상태로 저장하고 있다.
그러나 이번에 발표된 李 교수의 연구논문에서는 수소를 저장하기위한 기본물질로 분자대신 원자가 가능하다는 것을 밝혔다. 일단 수소 원자를 잡아두는 저장 창고로 물을 이용하기 때문에 매우 경제적이며, 또한 친환경적인 수소 저장 방법이라 할 수 있다. 순수 물로만 이뤄진 얼음 입자에는 수소를 저장할 수 있는 빈 공간이 존재하지 않는다. 그러나 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가하여 얼음 입자를 만들 경우 내부에 수많은 나노공간을 만들게 되며, 바로 이 나노 공간에 수소 원자가 안정적으로 저장되는 특이한 현상이 나타난다. 李 교수는 “수소 분자 대신 원자를 이용하는 경우 반응과 결합성이 뛰어나 새로운 수소저장 원리를 구현할 수 있고 연료 전지를 비롯한 많은 수소 관련 분야에 이 새로운 현상이 적극적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다. 이번 연구로 지구상 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물로 이뤄진 얼음입자에 수소원자를 직접 저장할 수 있는 메커니즘이 밝혀짐에 따라 앞으로 미래 수소에너지를 이용하는 수소자동차, 연료전지 개발에 자연현상적 신개념 원리를 마련하게 됐다.
2008.08.04
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항공우주공학과 권세진, 심현철교수, 연료전지 무인기개발
- 액상 수소화물에서 수소추출, 연료전지스택에 공급하는 시스템 개발- 액체연료로는 세계최초, 무인기의 임무한계 획기적 연장 가능성 열어
우리 학교 항공우주공학과 권세진(權世震, 48, 사진왼쪽) 교수, 심현철(沈鉉哲, 38, 사진오른쪽) 교수 연구팀이 연료전지로 구동하는 소형 무인기를 개발했으며, 장시간 시험비행에 성공했다.
이번 연구개발 결과는 기존의 소형 무인기 동력원으로 사용되던 2차 전지를 대체할 수 있는 새로운 동력장치인 연료전지를 이용, 무인기의 임무 한계를 획기적으로 확장할 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 감시정찰을 목적으로 하는 소형 무인기는 미국 등 기술 선진국에서 실용화 되었으나, 동력원인 배터리의 에너지 밀도가 낮아 제한적인 임무수행만이 가능했다. 權 교수 연구팀이 개발한 무인기의 연료전지 동력장치는 소음이 없고 효율이 높으며, 액상 수소화물로부터 수소를 추출하기 때문에 기존의 배터리에 비해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 이번에 개발된 연료전지는 무인기 뿐 아니라 로봇의 전원으로도 사용이 기대된다.
▣ 개발배경연료전지는 차세대 동력원으로 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다. 국내에서도 몇몇 전자 및 화학 업체에서 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하여 시연한 바가 있고, 자동차 회사에서는 엔진을 대체하기 위한 연료전지를 연구 중에 있다. 그러나 연료전지의 우수성이 잘 나타날 수 있으며 연료전지가 아니면 구현 자체가 어려운 장치는 무인기나 로봇 등과 같은 소형 모바일 시스템이다. 미국의 해군연구소와 조지아공대(Georgia Tech)의 연구팀이 연료전지 무인기를 연구해 왔으나, 이들은 고압의 수소가스를 저장하여 사용하므로, 에너지 밀도를 높이는 데에는 실패했다. 또한 연료 재보급을 위한 시설 등 운용상의 문제점도 가지고 있다. KAIST의 權 교수 연구팀은 액상 수소화물에서 수소를 추출하여 연료전지 스택에 공급하는 시스템을 개발했으며, 이를 시험용 무인기에 탑재하여 장시간 안정적으로 시험비행 하는데 성공했다.
▣ 핵심기술의 내용權 교수팀에서 사용한 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 불연성이고 안정한 친환경 물질로써, 취급이 용이하고 수소 함량이 높다. 이 물질로부터 추출된 수소는 순도가 높기 때문에 연료전지 시스템 적용이 수월하다. <그림 1>은 프로펠러를 포함하는 전체 시스템의 구성도이다. 수화물을 가수분해하는 촉매 반응기, 전기를 발생하는 연료전지 스택, 동력을 충전 및 공급하는 동력제어장치, 프로펠러를 구동하는 전기모터로 이루어져 있다. 촉매 반응기에서 가수분해 과정을 통해 발생한 수소는 연료전지 스택에서 전기를 발생한다. 전기에너지는 동력제어장치에 충전되었다가 출력 요구 시 전동모터를 구동한다. <그림 2>는 동력발생 장치를 무인기에 탑재한 모습이다. 이번에 개발된 연료전지 무인기는 무게 2kg(연료전지시스템 750g 포함)으로써 500g의 연료를 싣고 10시간 이상 비행할 수 있다. 이는 배터리 동력원을 갖는 기존 무인기 항속시간의 10배에 달한다.
<그림 1> 동력계통의 구성
<그림 2> 동력 장치가 탑재된 무인기
<그림3> 무인기가 비행하는 광경
2007.10.12
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최성민 교수팀의 탄소나노튜브에 대한 연구성과 미국 화학학회의 Research Highlight 로 선정
최성민 교수팀의 탄소나노튜브에 대한 연구성과
미국 화학학회의 Research Highlight 로 선정
KAIST 원자력 및 양자공학과 최성민 교수팀은 탄소나노튜브의 산업적 응용에 필수적인 수용액 및 유기용매에의 안정적인 분산기술을 개발하였으며, 중성자 산란기법을 이용하여 그 분산특성을 규명하였다. 이 연구결과는 재료과학 분야 최고권위지인 Advanced Materials (19, 929, 2007)에 게제되었으며, 미국 화학학회의 Research Highlight로 선정되어 ‘Heart Cut" 5월 7일자에 소개되었다.
탄소나노튜브의 산업기술적 응용을 위한 다양한 프로세싱을 위해서는 탄소나노튜브를 수용액 또는 유기용매에 분산할 필요가 있다. 이를 위하여 그간 계면활성분자, DNA 등을 이용한 탄소나노튜브 분산기술이 사용되어 왔으나, 건조 등 프로세싱 과정에서 분산이 쉽게 파괴되는 단점이 있었다. 최성민 교수팀은 이를 극복하기 위하여 계면활성분자를 이용한 탄소나노튜브 수용액 분산을 얻은 후 탄소나노튜브 표면에 흡착된 계면활성분자를 in-situ 상태에서 중합반응시킴으로써 친수성의 안정된 표면 분자막을 갖는 탄소나노튜브를 개발하였다. 이렇게 얻어진 기능성 탄소나노튜브는 냉동건조 등 프로세싱 이후에도 수용액 및 유기용매에 아주 쉽게 분산되는 특성을 갖고 있어 탄소나노튜브 응용기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다. 과학기술부 원자력연구개발사업의 지원으로 수행된 이 연구에는 박사과정 김태환씨와 도창우씨가 중추적으로 참여하였으며, 관련기술을 특허출원 하였다.
탄소나노튜브의 수용액 분산 및 흡착된 계면활성분자의 in-situ 중합과정과 냉동건조 후의 수용액 재분산 특성 비교 (사진: 중합하지 않은 탄소나노튜브(좌), 계면활성분자를 중합한 탄소나노튜브(우))
2007.05.09
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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
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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
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권세진 교수, 소형인공위성 추진기 국내 독자 개발
- 소형위성 추진기에 세계 최초로 고성능 액체추진제 사용 방식 적용
- 소형인공위성 최고 기술인 서리대학 냉가스 추진기의 약 4배 추진 성능- 소형인공위성 수명주기 연장과 임무 한계 확장에 획기적 기여 기대
KAIST(총장 서남표) 항공우주공학과 권세진(權世震, 47) 교수팀과 (주)스페이스솔루션(대표 이재헌)이 공동으로 소형인공위성 운동제어용 마이크로 추진기를 국내 독자 기술로 개발했다.
權 교수팀은 소형인공위성 추진기 시스템의 핵심 기술인 촉매 반응기와 추진체 공급 시스템을 통합, 위성 탑재가 가능한 일체형 추진기를 개발하는데 성공했다.
權 교수팀의 소형인공위성 추진기는 세계 최초로 고성능 액체 추진제를 사용했다. 액체상태의 과산화수소를 추진기 촉매층에서 수증기와 산소로 분해시키면 다량의 열을 방출하게 되며, 이 열이 가스의 운동에너지로 변환되어 추진력을 발생하게 된다.
이 추진 장치는 1뉴톤 미만의 추진력으로 수십 kg급 인공위성의 운동제어가 가능하며, 소형위성의 최고기술을 보유하고 있는 영국 서리(Surrey) 대학의 냉가스(Cold gas) 추진기보다 약 4배의 추진 성능을 가지고 있다.
權 교수는 “영국 서리 대학에서도 유사 시스템 개발을 추진해 왔으나, 촉매 반응기 베드 문제를 아직 해결하지 못하고 있다”며 “과학 위성급 소형인공위성의 수명주기 연장과 임무한계의 확장에 획기적인 기여를 할 것으로 기대된다. 또한 항공우주연구원에서 개발 중인 우주발사체의 상단부 자세 제어에도 활용이 가능하다”고 말했다.
<소형인공위성 탑재용 추진기 모듈>
<추진기 모듈의 시험 광경>
2006.08.25
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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
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고규영 교수, 만성 신장질환 치료 새 가능성 열어
전북대 의대 박성광 교수팀, KAIST 생명과학과 고규영 교수팀 공동 연구,
혈관형성촉진제 콤프앤지원, 신장병에도 획기적 치료 가능성 입증
세계 최고 신장 관련 학술지 미국신장학회지 9월호 게재 예정
전북대 의대 박성광(朴聖光, 51) 교수팀과 KAIST 생명과학과 고규영(高圭永, 48) 교수팀의 신장질환 치료제 가능성 개발 연구 결과가 세계 최고의 신장 관련 학술지인 미국신장학회지 (Journal of American Society of Nephrology) 9월호에 게재된다.
"일측 요관폐쇄 동물모형에서 신반흔에 대한 콤프앤지원의 개선 효과(COMP-angiopoietin-1 ameliorates renal fibrosis in a unilateral ureteral obstruction model)"라는 제목의 이 연구결과는 그 중요성을 감안, 8월 3일 인터넷판에 먼저 공개했다.
신장병 환자가 조기에 치료되지 못하고 투석이나 신장 이식단계까지 가게 되는 이유는 마땅한 치료법이 없기 때문이다. 朴 교수팀과 高 교수팀은 신장의 모세혈관 손상이 신장질환 진행의 주요 원인이 될 수도 있다는 점에 주목했다. 두 연구팀은 高 교수와 바이오벤처기업 제넥셀이 개발 중인 혈관형성촉진제 콤프앤지원(COMP-Ang1)을 신장병 생쥐에 투여했다. 이 실험에서 콤프앤지원은 놀랍게도 병든 신장의 모세혈관들을 대부분 재생시켰을 뿐만 아니라, 신장의 염증 반응과 섬유화 반응을 억제, 신장병 진행을 막는데 성공했다. 콤프앤지원이 족부궤양 뿐만 아니라 신장병 치료에도 획기적인 약이 될 수 있는 가능성을 증명한 것이다.
신장은 우리 몸의 노폐물을 걸러내 소변을 만드는 기관이다. 신장병은 일단 어느 정도까지 진행되면 회복되지 못하고 계속 악화되어 만성신부전에 도달한다. 이렇게 되면 우리 몸에 노폐물이 축적되어 요독증이 발생하고 결국 투석이나 신장 이식을 받아야 한다. 투석이나 신장이식을 언론보도에서도 자주 접할 만큼 신장병은 흔하면서도 심각한 질환이다. 만성신부전은 국민건강보험공단에서 지급되는 요양급여 중 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 지속적으로 혈액투석을 받고 있거나 신장이식 시술을 받은 만성 신부전 환자는 국내에서만도 2002년말 기준 3만4천2백명 정도인 것으로 보고된 바 있으며, 매년 그 수가 10% 씩 증가하고 있다. 미국 신장학회(ASN)의 최근 자료 (www.asn-online.org)에 의하면, 미국의 경우 20세 이상의 만성 신장질환 환자는 2천만 명 이상에 달하며, 이들 중에서 투석이나 신장이식이 필요한 말기 환자만도 39만 명에 달한다. 미국 연방정부의 의료보험인 메디케어(Medicare)는 말기 만성신부전 환자 처치를 위해 2005년도에만 14조 원을 지출한 바 있다.
공동 연구자인 고규영 KAIST 교수는 “현재 제넥셀에서 임상시험용 샘플의 공정 개발이 진행되고 있다. 준비가 되는대로 전북대 박성광 교수팀과 협력, 신장병 환자를 대상으로 한 임상 시험의 가능성을 상의할 계획이다.”고 밝혔다.
2006.08.07
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KAIST 고규영교수팀, 당뇨병 족부궤양 치료단백질 개발
손발이 부패하는 당뇨병 합병증을 치료하는 획기적인 신물질
KAIST 의과학센터와 바이오벤처 제넥셀세인(주)의 고규영 교수와 조정현 박사 연구팀은 혈관생성을 촉진시키는 치료단백질인 콤프앤지원 을 개발하여 이 단백질이 당뇨병 합병증인 족부궤양을 획기적으로 치료한다는 것을 당뇨병 실험동물을 통해 밝혔다.
이번 연구 결과의 자세한 내용은 세계적인 학술지인 미국국립학술원회보지(Proceedings National Academy Sciences, 일명 PNAS)에 조기출간 (2006년 3월 셋째주)으로 게재된다. 미국국립학술원에서는 이 내용의 중요성이 당뇨병 족부궤양 환자에게 희망을 줄 것이라는 판단 하에 이례적으로 일반인을 대상으로 하는 월드사이언스뉴스 홍보물로 채택하였다.
이 연구내용을 근거로 하여 콤프앤지원 치료단백질의 물질 및 임상응용 특허권을 가지고 있는 제넥셀세인(주)는 현재 전임상 실험을 진행하고 있으며 조만간에 상처 합병증이 있는 당뇨병환자를 대상으로 임상실험을 실시하여 실용화할 예정이다.
우리나라를 비롯한 서구 선진국 국가에서 당뇨병의 환자수는 현재 2억명 으로 추산되며 급속도로 증가하여 2020년도에는 3억명에 이르면서 "당뇨대란“이 일어 날것이라고 의학자들은 예고하고 있다. 말기 당뇨병 환자의 약 10%는 손발의 상처가 낫지 않고 썩어 들어가서 결국 손발을 잘라내야 하는 족부궤양에 시달리게 된다.
당뇨병성 족부궤양은 장기 당뇨병에 의한 족부의 미세혈관이 망가져 피부상처가 회복되지 않고 궤양으로 진행되는 치료가 어려운 질환이다. 따라서 이 족부 상처 부위의 망가진 미세혈관에 콤프앤지원을 투여하여 건강한 혈관생성을 촉진 시켜 준다면 상처와 궤양의 회복을 촉진할 것이라는 확신을 하게 되었다.
당뇨병성 생쥐의 꼬리에 궤양과 동일한 상처를 낸 후 콤프엔지원을 전신투여 하거나 상처부위에 국부투여하여 탁월한 상처치유 효과가 있다는 것을 확인하였다. 조직학적 검사를 해보니 콤프앤지원이 상처부위의 건강한 미세혈관과 임파관 생성을 촉진할 뿐만 아니라 혈류량도 증가시켜 상처치유 효과를 일으킨다는 사실을 알게 되었다. 아직까지 이러한 족부궤양을 치료할 수 있는 치료제가 없었으나 이번에 고규영 교수팀의 연구 결과로 인해 손발을 잘라내지 않고 콤프앤지원을 국부투여하여 족부궤양을 치료할 수 있는 길이 열린 것이다.
콤프앤지원 (COMP-Ang1)은 고규영 교수 연구팀이 2년전에 최초로 개발한 건강한 혈관생성촉진 단백질이다. 콤프앤지원은 건강한 혈관생성을 촉진하므로 혈관질환이 동반하는 심장병 (심근경색과 심장허혈증)과 뇌졸중 치료에 적용할 목적으로 제넥셀세인(주)은 현재 전임상 실험을 진행하고 있다. 콤프앤지원은 연간 2조원 이상이 될 것으로 추정되는 세계 혈관형성 촉진제 시장을 석권할 최초의 단백질 치료제가 될 것으로 기대된다.
그림설명: 당뇨병성 생쥐의 꼬리에 궤양과 동일한 상처를 낸 후 콤프엔지원을 투여 하고 상처치유정도를 날짜 별로 사진을 찍음. 대조약물을 투여받은 생쥐의 꼬리 상처는 8가 지나도록 치유가 되지 않는 반면, 콤프앤지원을 투여 받은 생쥐의 꼬리 상처는 4-8주 사이에 거의 완치됨.
2006.03.15
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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
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생명화학공학과 이상엽 교수, 획기적인 단백체 분석 기술 개발
과학기술부 시스템생물학 연구개발사업 결실
열충격 단백질이 세포외에서 단백질 분해를 효과적으로 억제하는 현상 최초 규명
기존 단백질 분해 저해제보다 최고 50% 이상 단백질 검출 가능 기술 개발
전세계 특허 출원/등록 중, 단백체 연구분야 권위지 미국화학회 발간 저널 오브 프로테옴 리서치에 게재 예정, 온라인판에 공개
생명화학공학과 이상엽 교수(李相燁, 41, LG화학 석좌교수)가 작은 열충격 단백질의 세포외 단백질 분해 저해 기능을 적용하여 획기적으로 향상된 새로운 단백체 분석 기술을 개발했다.
1. 개발배경
포스트 게놈 시대의 가장 주목 받는 연구 분야로서, 또한 시스템 생물학의 중심이 되는 한 분야로서, 세포의 생리적 변화를 단백질 수준에서 관찰할 수 있는 단백체(프로테옴) 연구에 대한 관심이 집중되고 있다. 단백체 연구의 가장 핵심적인 기술은 세포, 조직, 또는 생물체 유래 샘플을 폴리아크릴아마이드젤(polyacrylamide gel) 상에서 2차원 전기영동방법으로 분리하는 것이다. 이때 전체 단백질들을 분석할 수 있도록 단백질 분해를 막는 것이 매우 중요하다.
이제까지 다양한 단백질 분해 저해제들이 개발되어 실험에 사용되어 왔다. 하지만, 단백체 분석시 2차원 전기영동된 젤(gel)에서는 단백질 분해 등의 현상으로 인해 게놈에서 예측되는 숫자보다 훨씬 적은 수의 단백질들이 발견되어 전체 단백질 대상 연구에 한계를 드러냈다.
2. 개발현황
과학기술부 시스템생물학 연구개발사업으로 진행된 이 연구에서 李 교수팀은 대장균의 전체 전사체와 단백체를 분석하고, 이들을 대사 및 조절회로에 연관시키는 과정에서 작은 열충격 단백질의 새로운 기능을 발견하게 되었다.
직접 대장균에서 작은 열충격 단백질을 생산ㆍ정제하고, 이를 이용한 세포 밖 시험관 (in vitro)에서 작은 열충격 단백질이 다양한 효소에 의한 단백질 분해를 효율적으로 억제함을 규명하였다.
또한, 다른 종에서 유래한 작은 열충격 단백질들도 마찬가지로 단백질 분해를 억제하는데 사용될 수 있음도 밝혀냈다.
李 교수팀은 단백체 연구의 핵심기술 중의 하나인 2차원 전기영동시 단백질이 분해되어 변형되거나 없어지는 문제를 해결하고자 이 발견된 기술을 적용하였다. 2차원 전기영동시 작은 열충격 단백질 첨가로 단백질 분해 현상을 저해시킬 수 있음을 밝혀내었다.
기존에 알려진 단백질 분해 저해제를 적용하였을 때는 검출 되지 않았던 단백질들도 이 새로운 방법을 이용하였을 때 검출 가능하였다. 최고 50% 이상 증가된 숫자의 단백질들이 보일 정도로 획기적인 기술로 평가된다.
또한, 이 방법을 미생물뿐 아니라 사람, 식물 유래의 다양한 단백질 시료에도 적용하여 모든 경우에서 그 효과를 확인함으로써, 이 기술이 매우 광범위한 단백질 시료에 적용 가능함을 보여 주었다.
3. 개발성과 및 향후계획
기존의 방법으로 검출 되지 않았던 단백질들이 새로 개발된 방법으로 검출 가능하므로 단백체를 이용한 세포내 생리 변화 관찰 또는 질병 진단 표지 개발 등에 상당한 고성능의 분해능을 제공해 줄 수 있다. 李 교수는 “모든 단백체 분석에 적용이 가능한 이 기술이 향후 단백체 연구 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.
이 기술은 현재 전 세계 특허 출원/등록 중이고, 미국화학회 (American Chemical Society)에서 발간하는 단백체 분야의 권위 있는 학술지인 저널 오브 프로테옴 리서치 (Journal of Proteome Research)에 실리게 되며, 온라인 판에 게재 되었다.
<사진설명>
작은 열충격 단백질 첨가에 의한 단백질 분해를 최소화시켜 분석가능한 단백질 수를 획기적으로 늘린 결과를 보여주는 젤(gel) 사진 (왼쪽 위부터 시계방향으로)
1. 대장균 단백질 시료에 기존에 시판되는 단백질 분해억제제인 칵테일 인히비터를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
2. 같은 시료에 IbpAEc (대장균 유래의 작은 열충격 단백질)를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
3. 같은 시료에 Hsp26Sc (효모 유래의 작은 열충격 단백질)를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
4. 같은 시료에 IbpBEc (대장균 유래의 또 다른 작은 열충격 단백질)를 첨가하여 2차원 전기영동한 젤
- 각 그림의 원 안은 확대된 이미지로서 작은 열충격 단백질 첨가시 까만점(단백질)의 수가 획기적으로 늘어났음을 볼 수 있음.
2005.11.11
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