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정우철 교수, 소량 금속으로 연료전지 수명 극대화기술 개발
〈 정우철 교수(오른쪽)와 연구진 〉
우리 대학 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 서울시립대학교 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 소량의 금속으로 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 전극소재 기술을 개발했다.
구본재 박사과정과 서울시립대 권형욱 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 에너지, 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)’ 2018년도 1호 표지논문에 선정됐다.
연료전지는 친환경이면서 신재생에너지원으로 주목받고 있는 에너지변환기술이다. 특히 세라믹 소재로 구성된 고체산화물 연료전지는 수소 이외에도 바이오매스, LNG, LPG 등 다양한 종류의 연료를 직접 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 갖는다. 이를 통해 발전소, 전기자동차, 가정용 예비전원 등 분야에 폭넓게 사용될 것으로 전망되고 있다.
고체산화물 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 요소는 산소의 환원 반응이 일어나는 공기극으로 현재 페로브스카이트(ABO3) 구조의 산화물들이 주로 사용된다.
그러나 페로브스카이트 산화물들은 작동 초기 성능이 뛰어나지만 시간이 지날수록 성능이 저하돼 장기간 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
특히 공기극의 작동 조건인 고온 산화 상태에서 산화물 표면에 스트론튬(Sr) 등의 2차상이 축적되는 표면 편석 현상이 발생함으로써 전극의 성능을 낮추는 것으로 알려졌다. 아직까지 이러한 현상의 구체적인 원리와 이를 억제할 수 있는 효과적인 해결책이 나오지 않았다.
정 교수 연구팀은 페로브스카이트 산화물이 변형될 때 면 내 압축 변형이 일어나 스트론튬의 편석을 발생시키는 것을 계산화학적 및 실험적 결과를 통해 확인했다.
연구팀은 페로브스카이트 산화물 내부의 부분적인 변형 분포가 스트론튬 표면 편석의 주요 원인임을 규명했다.
이를 바탕으로 정 교수 연구팀은 크기가 다른 금속을 산화물 내에 장착함으로써 공기극 소재 내부의 격자변형 정도를 제어하고 스트론튬 편석을 효과적으로 억제하는데 성공했다.
정 교수는 “이 기술은 추가적인 공정 없이 소재를 합성하는 과정에서 소량의 금속입자를 넣는 것만으로 구현된다”며 “향후 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극을 개발하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구의 Energy & Environmental Science 논문지의 커버 이미지
그림2. 전극의 격자변형 정도와 Sr 편석, 전극반응의 상관관계
그림3. 개발한 기술을 적용하여 안정화된 고체산화물 연료전지 공기극의 표면
2017.12.26 조회수 17182 -
김세윤 교수, 이노시톨 대사효소에 의한 패혈증 유발 염증전달신호 규명
우리 대학 생명과학과 김세윤 교수 연구팀이 이노시톨 생합성 대사의 핵심효소인 IPMK (Inositol polyphosphate multikinase)에 의해 패혈증 등의 선천성 면역반응을 매개하는 신호전달네트워크가 정교하게 조절되는 현상을 규명했다.
김은하 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 서울대학교 성노현 교수 연구팀과 공동으로 진행됐고 사이언스 어드밴시스(Science Advances)지 4월 21일자에 게재됐다.
김세윤 교수 연구팀은 이노시톨 대사체 및 생합성 대사를 수 년 간 연구했고 이노시톨 다인산 멀티키나아제 효소(IPMK)에 의한 세포 성장 및 에너지 대사조절 기능을 다각적으로 규명한 바 있다.
이번 연구에서는 대식세포(macrophage) 특이적으로 IPMK 효소가 결핍된 생쥐에서 패혈성 쇼크를 유발시켰을 때 염증수준이 현저히 저하되고 또한 높은 생존율을 보이는 것을 확인했다. 이는 선천성 면역의 핵심인 염증반응이 강력히 저해되는 것을 의미한다.
IPMK 효소가 면역신호조절물질인 TRAF6 단백질과 직접 결합해 TRAF6 단백질의 분해를 조절하는 유비퀴틴화를 억제함을 규명했고, IPMK효소와 TRAF6단백질간 결합력을 저해할 수 있는 펩타이드를 활용함으로써 내독소에 의한 염증반응을 낮출 수 있음을 다각적으로 검증했다.
이번 연구는 미생물 감염 등에 의한 패혈증 발병의 원리를 규명함과 동시에 최근 급증하는 선천 면역 질환 (ex. 신경계 염증질환 및 당뇨)에 대한 이해를 넓히고 새로운 치료기술개발에 필요한 학문적 토대를 제공했다는 의의를 갖는다.
이번 연구는 미래창조과학부 뇌과학원천기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
□ 그림 설명
그림1. IPMK 효소의 선천성 면역조절 모식도
2017.04.25 조회수 18528 -
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 17201 -
윤동기 교수, 금속에 버금가는 정렬도 갖는 액정 개발
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 유동적으로 움직이는 액정 재료들을 금속과 같이 단단한 결정처럼 움직이지 않게 만드는 3차원 나노패터닝 기술을 개발했다.
이 기술은 수십 나노미터 수준의 제한된 공간에서 액정 분자들의 자기조립(self-assembly) 현상을 유도해 이뤄진다. 이는 승강기 안에 적은 수의 사람들이 있다가 많은 사람이 탑승하면서 빽빽하게 자리를 차지하는 현상과 비슷하다.
김한임 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 사이언스의 자매지인 ‘사이언스 어드밴스(Science advances)’ 2월 10일자 온라인 판에 게재됐다. 이번 연구는 향후 유기 분자 기반의 나노재료를 활용하는 기술에 다양하게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성 등으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 이용되는 대표적인 유기 소재이다.
그러나 액정 재료는 물풀과 같이 유동적으로 흐르기 때문에 구조의 제어가 어렵고 안정적이지 않아 활용 범위가 제한됐다.
연구팀은 문제 해결을 위해 액정 재료가 들어 있는 수십 나노미터크기의 2차원의 한정된 공간을 위아래 옆, 사방에서 눌러주는 시스템을 개발했다.
게스트(guest) 역할의 액정물질과 상호작용하는 호스트(host) 물질을 3차원적 나선형의 나노구조체로 제작함으로써 효과적으로 게스트 액정물질을 제어하는데 성공했다.
이렇게 공간 자체를 줄이게 되면 유동적으로 흐르는 액정 물질조차 마치 고체처럼 단단해지는 효과가 발생한다.
기존 연구가 단순히 2차원의 고정된 공간을 한정적으로 이용했다면 이번 연구는 고정된 공간을 인위적으로 조절함으로써 그동안 존재하지 않던 좁은 공간을 3차원적으로 구현한 것이다.
이 기술을 이용하면 냉각이나 건조 등의 추가 공정 없이도 유기액정재료를 금속 결정상에 버금가는 배열로 3차원 공간에 균일하게 제어할 수 있다.
이를 통해 새로운 개념의 액정 기반 3차원 나노패터닝 기법을 개발할 수 있고, 전기 및 자기장에 민감하게 반응하는 액정 소재의 고유 성질과 융합하면 고효율의 광전자 소자 개발에 기여할 수 있다.
또한 현재 디스플레이 및 반도체에 사용되는 단순한 선과 면 형태의 2차원 패터닝을 탈피해 고차원 구조 중 가장 구현이 어렵다는 나선 형태도 쉽게 제조가 가능하다. 이를 통해 향후 카이랄 센서, 차광소재, 분리막 등 광범위한 분야에 응용할 수 있다.
연구팀은 이번 연구에 대해 “유동적인 액정소재의 배향, 배열 정보를 3차원 공간에 완벽하게 제어하는 데 성공했다”며 “액정 물질 뿐 아니라 다양한 유기 분자로 구성된 나노 구조체를 한정된 공간과 재료의 상호작용을 이용해 손쉽게 제어할 수 있는 기술이다”고 말했다.
윤 교수는 “이번에 개발한 원천기술을 이용하면 현재 사용되는 2차원적 광식각 공정(Photolithography)에 비해 10배 이상 제작 과정을 간소화시킬 수 있다”며 “현재 기술로 구현이 어려웠던 복잡한 구조를 최초로 만듦으로써 반도체, LCD 등 관련 분야에서 신 성장 동력을 창출할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부, 교육부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 글로벌연구네트워크 지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게스트 액정 도입 전 후 사진 및 모식도
그림2. 결정화된 액정구조체 형성 원리 모식도
2017.02.14 조회수 14685 -
박용근 교수, 성능 수천배 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀(KI 헬스사이언스 연구소)이 성능이 2천 배 이상 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 기존 무 안경 홀로그래픽 기술의 큰 문제점이었던 제한적인 영상 크기와 시야각을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
유현승 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 1월 24일자 온라인 판에 게재됐다.
공상과학 영화에 자주 등장하는 3차원 홀로그램은 대중에게 친숙한 기술이지만, 영화 속 홀로그램은 컴퓨터 그래픽 효과로 만들어낸 것이다. 실제 기술로 구현하기에는 한계가 많기 때문이다.
이 때문에 디스플레이 산업계는 2차원 영상 두 개로 착시 효과를 활용하는 가상현실(VR)과 증강현실(AR)에 집중하고 있다. 이 기술들은 3차원 이미지 대신 두 개의 서로 다른 2차원 이미지를 눈에 투사하는 방식을 채택한다.
3D안경 등 특수 장비 없이도 볼 수 있는 3차원 홀로그램을 만들기 위해선 공간광파면 조절기(빛이 퍼져나가는 방향을 정밀하게 조절할 수 있는 광학제어장치)를 이용해 빛의 방향을 변경해야 한다.
그러나 이와 같은 공간광파면 조절기를 3차원 디스플레이로 사용하지 못하는 가장 큰 걸림돌은 픽셀의 개수이다. 최근 각광받는 고해상도 모니터의 많은 픽셀 개수조차도 2차원 이미지에만 적합할 뿐 3차원 이미지를 만들기에는 정보량이 매우 부족하다.
이 때문에 기존의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기 1센티미터, 시청 가능 각도 3도 이내 수준으로서 실용성과는 거리가 멀다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공간광파면 조절기만 사용하는 대신 간유리를 추가적으로 활용해 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛은 여러 방향으로 퍼지기 때문에 넓은 각도에서 시청 가능하고 영상 크기도 확대된다.
하지만 무작위한 패턴을 갖기 때문에 특별한 제어 없이는 3차원 이미지를 볼 수 없다. 연구팀은 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적인 상관관계를 활용해 빛을 적절히 제어해 문제를 해결했다.
연구팀은 실험을 통해 가로, 세로, 높이 2센티미터 영역에 약 35도의 시청각을 갖는 3차원 이미지를 제작하는 데 성공했다. 이는 기존의 공간대역폭보다 약 2천 600배 이상 향상된 결과이다.
연구팀의 홀로그래픽 디스플레이는 기존의 공간광파면 조절기에 간유리를 추가하는 것만으로 제작이 가능해 일반적인 디스플레이 장치와 결합해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 유현승 학생은 “물체의 인식을 방해한다고 여겨진 빛의 산란을 적절히 이용해 기존 3차원 디스플레이보다 향상된 이미지를 만들 수 있음을 선보였다”며 “특수 안경 없이 볼 수 있는 실용적인 디스플레이의 기반이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 시간역행반사 창의연구단 사업과 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 모식도
그림2. 2 cm × 2 cm × 2 cm 영역에 만들어진 3차원 이미지
그림3. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 원리
2017.01.24 조회수 16799 -
박희성, 이희윤 교수, 암, 치매 유발하는 '변형 단백질' 생산기술 개발
우리 대학 화학과 박희성 교수, 이희윤 교수 공동 연구팀이 암과 치매 등 각종 질병을 유발 원인으로 알려진 단백질의 비정상적인변형을 구현할 수 있는 맞춤형 단백질 변형기술을 개발했다.
양애린 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘사이언스(Science)’ 9월 29일자 온라인 판에 게재됐고 '가장 중요한 논문(First Release)'에 선정됐다.(논문명 : A chemical biology route to site-specific authentic protein modifications)
신체의 기본 단위인 세포는 2만여 종의 유전자를 가지고 있다. 여기서 만들어지는 단백질의 종류는 100만 종 이상으로 추정된다. 이는 단백질이 만들어진 후 다양한 단백질 변형(post-translational modification) 현상이 일어나기 때문이다.
이러한 단백질 변형의 원인으로는 인산화, 당화, 아세틸화, 메틸화 등 200여 종이 알려져 있으며, 정상적으로 변형된 단백질들은 생체 내에서 세포 신호 전달, 성장 등 정상적인 신진대사 활동에 중요한 역할을 한다.
그러나 유전적, 환경적 요인으로 인해 비정상적 단백질 변형이 일어나면 세포의 대사활동과 신호전달이 손상돼 세포의 무한 분열을 초래하기도 한다. 각종 암은 물론 치매를 일으키는 퇴행성신경질환 및 당뇨를 포함한 각종 만성질환을 유발한다.
이전에는 이러한 비정상적인 단백질 변형을 구현한 맞춤형 변형 단백질 개발기술이 존재하지 않아 각종 질병의 원인 규명과 맞춤형 신약 개발 연구에 많은 어려움이 있었다.
연구팀은 2011년 암을 일으키는 직접적인 원인으로 알려진 비정상적인 단백질 번역 후 인산화를 구현하기 위한 맞춤형 인산화 변형 단백질 생산기술을 개발해 사이언스지에 논문을 발표했었다.
이번 연구는 지난 2011년의 선행연구 결과를 더욱 발전시켜 인산화 이외에 당화, 아세틸화 등과 같은 다른 200여종의 단백질 변형을 직접 구현해 원하는 변형 단백질을 합성할 수 있는 기술이다.
박 교수는 “이 기술을 활용하면 원하는 위치에서 원하는 종류의 맞춤형 변형 단백질 생산이 가능해져 암과 치매 등 단백질 변형으로 인해 발생하는 질병의 직접적인 원인을 밝힐 수 있다”며 “신약 및 치료제 개발 속도를 높이고 발생할 수 있는 부작용을 최소화할 수 있는 획기적인 기술이다”고 말했다.
이번 연구는 글로벌프론티어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 맞춤형 단백질 변형 기술 개발
그림2. 맞춤형 단백질 변형 기술의 활용
2016.10.03 조회수 10476 -
수학으로 생물학적 리듬을 유지하는 원리 밝혀
김 재 경 교수
우리 몸엔 다양한 주기의 리듬을 만드는 시계들이 존재한다. 심장은 매 초 박동하고 체세포들은 일정한 주기로 분열한다. 생체 리듬은 다양한 호르몬 분비 시점을 조절함으로써 생명체가 24시간 주기의 환경에 적응해 살 수 있도록 한다.
과학자들은 어떤 원리로 우리 신체가 일정한 주기로 생체 리듬을 조절할 수 있는지 연구했다. 그리고 그 생체 리듬을 인공적으로 만들기 위한 노력도 끊임없이 계속됐다.
우리 대학 수리과학과 김재경(32) 교수가 미분방정식과 확률적 매개변수 샘플링을 바탕으로 한 수학적 모델링을 통해 다양한 환경에서도 안정적인 생체 리듬을 유지할 수 있는 생물학적 회로 디자인을 설계했다.
그리고 김 교수의 설계를 바탕으로 미국 라이스 대학 메튜 베넷 교수 연구팀이 합성생물학 기술을 통해 안정적인 리듬을 갖는 시스템을 실제로 제작하는 데 성공했다.
이번 연구는 저명 학술지 사이언스(Science) 8월 28일자에 게재됐다.
최근 생체 리듬 생성의 매커니즘을 밝히기 위해 생물학적 시스템을 직접 구현하는 합성생물학 (Synthetic biology)이 발전하고 있다. 이 방식은 전지, 전구, 모터 등을 연결해 전자 회로도의 작동 원리를 이해하듯이 유전자와 단백질로 구성된 생물학적 회로를 직접 만들어 생체 회로의 작동 원리를 연구하는 것이다.
김 교수 연구팀은 라이스 대학 연구팀에게 수학적 모델링을 제공해 합성생물학 연구에서 사용되는 바텀-업(Bottom-Up) 방식의 단점인 방대한 범위와 생물학적 회로를 테스트를 거쳐야 하는 문제 등을 해결했다. 실험을 위한 설계도를 제공한 것과 같은 이치이다.
김 교수는 이번 연구에서 이러한 융합적 접근을 통해 기존에 알려진 안정적인 리듬을 만들어내는 생물학적 회로 디자인과는 근본적으로 다른 디자인을 밝히고 설계했다.
생체 회로에서 특정 물질이 분비될 때 음성 피드백(Negative Feedback)은 물질 분비를 억제하는 역할을 하고, 양성 피드백(Positive Feedback)은 분비를 촉진하는 역할을 한다. 양성 피드백의 역할은 기존 연구들을 통해 알려졌으나 잉여로 존재하는 음성 피드백의 역할은 명확하지 않았다.
김 교수는 수학적 모델링을 통해 두 개의 전사적 음성 피드백 회로(Transcriptional negative feedback loops)가 안정적인 생체 리듬을 만들어낼 수 있음을 증명했다. 하나의 음성 피드백이 증가하고 감소하면서 물질의 분비 리듬을 조절하는 것이 가능하지만 안정적이지 못해 실제로 생체 회로를 구현하는 것은 한계가 있었다.
하지만 김 교수는 하나의 음성 피드백을 추가했을 때 다양한 환경에서도 생체 리듬을 만들 수 있고, 추가적인 음성 피드백이 변화에 대한 대응 역할을 해 안정적인 생체 리듬이 구현됨을 증명했다.
이 연구 결과는 다양한 생물학적 리듬 생성의 근본 원리를 밝히는데 새로운 방향을 제공할 것으로 기대된다.
김 교수의 모델링을 바탕으로 진행한 실험에서도 기존과 차별화된 성과를 얻었다. 합성생물학에서는 보통 단일 박테리아 안에 회로를 만드는 방식을 이용하는데 이번 연구에서는 기존과는 다른 방식을 채택했다. 서로 다른 두 종류의 박테리아 사이의 신호 물질을 바탕으로 생체 회로를 구현한 것이다.
이를 통해 인체의 내장 속에 존재하는 다양한 박테리아 간의 상호 작용을 이해하고 조절하는 기술을 개발하는데도 역할을 할 것으로 기대된다.
김 교수는 “이번 성과를 통해 우리나라에선 아직은 부족한 생물학과 수학의 교류가 활발해지길 기대한다”며 “수학이 생물학 연구에 기여할 수 있음을 알리고 싶다”고 말했다.
이번 연구는 김재경 교수 외에도 라이스 대학 생명과학과 매튜 베넷 (Matthew Bennett) 교수 연구팀, 휴스턴 대학 수학과 크레시미르 조식 교수 (Kresimir Josić)의 공동연구로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 두 개의 음성 피드백이 안정적인 주기로 활성화되는 모습
그림 2. 두 박테리아 사이의 생물학적 회로 디자인과 그 기능을 이해하는 데 사용된 미분방정식의 일부분
2015.08.31 조회수 15511 -
빅데이터를 통해 고전음악 창작의 원리 밝혀
박 주 용 교수
우리 대학 문화기술대학원(CT) 박주용 교수 연구팀이 빅데이터를 이용해 서양 고전음악의 창작, 협력, 확산의 원리를 밝히는 데 성공했다.
문화기술대학원 박도흠 학생(박사과정)이 1 저자로 참여하고 미국 텍사스대 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구는 해외 저널인 EPJ 데이터 사이언스 4월 29일자 하이라이트 논문에 선정됐다.
연구팀은 ArkivMusic과 올 뮤직 가이드(All Music Guide)라는 세계 최대 음반 정보 사이트를 첨단 데이터와 모델링 방법을 사용해 분석했다.
연구팀은 고전음악 작곡가들의 시대와 스타일이 어떤 패턴을 이루는지 탐구해, 수 백 년의 차이가 있는 음악가들 사이에서도 긴밀한 네트워크가 존재함을 발견했다. 특히 소비자들의 음악적 취향이 고전음악 성장에 어떤 영향을 끼쳤는지 규명했다.
연구진은 미래의 고전음악 시장은 유명 작곡가들에게 집중되는 동시에 끊임없이 유입되는 새로운 음악가들로 인해 다양성이 유지되는 양면성을 갖게 될 것이라고 예측했다. 또한 이런 방식의 연구가 음악 뿐 아니라 미술과 문학 연구까지 확장될 것으로 예상했다.
박 교수는 “새로운 방식으로 문화의 원리를 밝히는 최신 연구의 일환이다”며 “문화에 과학적 방법론을 입힌 융합연구능력의 좋은 예시가 될 것”이라고 말했다.
붙임 : 연구 개요, 그림 설명
□ 연구 개요
* 빅데이터 출처: 아카이브뮤직(ArkivMusic)과 올 뮤직 가이드(All Music Guide)라는 빅데이터 소스를 사용했다. 아카이브뮤직은 서양 클래식 음반(CD)에 관한 세계 최대 정보를 제공하고 올 뮤직 가이드는 음악가들의 인적 정보를 제공하는 사이트이다. 여기서 약 64,000장의 클래식 음반과 그 음반에 음악이 수록된 14,000명의 작곡가 데이터를 사용했고, 이는 현재 ‘문화’의 빅데이터 연구로서는 세계 최대급 규모이다.
* 연구방법론: 서양 클래식 음악과 같은 문화의 중요한 특징 중의 하나는 그 창작자(작곡가 등)가 개인으로 동떨어져 존재하는 것이 아니라 다른 창작자들과 영향을 주고받으며 새로운 스타일이 등장하고 발전 한다는 것이다. 그러므로 창작자들이 맺고 있는 소통 및 연관성의 관계를 이해하는 것은 문화 창조의 원리, 역사와 미래를 이해하는 데 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 이를 위해 “CD--작곡가들의 빅데이터”로부터 작곡자들이 이루고 네트워크를 연구하였다. (그림 1) 즉, CD에 함께 등재된 작곡가들이 연결돼있는 것이다. 그림 1은 이 네트워크의 핵심적인 일부를 표현한 것으로 하단의 요한 세바스찬 바흐는 모차르트와, 차이코프스키는 드뷔시와 함께 CD에 등장한 적이 있음을 알게 해준다. 이러한 네트워크로부터 유의미한 패턴을 찾아 네트워크의 발전 원리와 미래를 연구하는 것을 네트워크 과학이라고 하는데, 현재 SNS와 사회과학, 인터넷 등의 연구에 사용되고 있다. ‘복잡계 네트워크 과학’ 이라고도 한다.
* 연구결과:
이 네트워크는 중세/르네상스(1500년대 이전) 작곡자로부터 2000년대 현존하는 작곡자까지 500년이 넘는 서양 클래식 음악의 역사를 담고 있으면서도, 작곡자와 작곡자간의 평균 거리는 3.5명에 불과한 좁은 세상을 이루고 있다. 직접 연결되지 않는 작곡가들끼리도 평균적으로 3-4명만 건너뛰면 연결이 돼 서로 가깝게 연관되어 있다는 것을 알 수 있다.
이 네트워크 안에서 각 작곡가들이 차지하는 비중은 작곡가에 따라 매우 상이하다는 것도 중요한 특징이다. 예를 들어, 요한 세바스찬 바흐는 (J. S. Bach) 이 1,551명의 각기 다른 작곡가와 연결돼있고, 모차르트는 (W. A. Mozart) 1086명의 다른 작곡가와 연결돼있는데 이는 작곡가 전체 평균 숫자인 15명의 수십, 수 백 배에 달한다. 바흐와 베토벤 같은 유명 작곡가들이 전체 작곡가 네트워크에서 얼마나 큰 비중을 차지하는지 수치적으로 명확히 보여줌으로써 영향력을 구체적으로 이해할 수 있는 것이다. (그림 1에서 작곡자들의 크기로 표현)
이 네트워크에서 연결되어있다는 것은 음반 레이블에서 CD를 발매할 때 함께 묶어서 냈다는 뜻이므로 스타일, 주제, 기법 등에 기반한 음악적 유사성을 뜻하는 것으로 볼 수 있다. 컴퓨터 알고리즘을 이용해 순전히 네트워크 구조로부터 서로 긴밀하게 연결된 작곡가들의 집단을 유추한 뒤 기존 클래식 음악사 연구에서 사용되는 사조 구분과 교차 검증을 햇다. (그림 2). 여기에서는 CD 빅데이터에 기반한 네트워크가 서양 클래식 음악의 발전사를 잘 보여주고 있다는 것을 알 수 있는데, 낭만파(1800년대)와 현대파(1900년대)를 잇는 프랑스의 작곡가 드뷔시(Debussy)의 중간적인 위치, 현대파의 유럽 및 남미파(드뷔시, 라벨, 피아졸라)-미국파(레너드 번스틴, 애론 코플랜드) 분리 등을 관찰할 수가 있다.
CD의 발매일자에 따른 네트워크의 과거 발전 모습을 분석함으로써 미래의 추세 또한 예측 가능하다. 미래의 네트워크는 유명 작곡가들에게 상대적으로 더욱 더 집중되는 모습을 가질 것으로 예상된다. 그러나 기술의 발전에 따른 CD 발매의 용이성에 힘입어 작곡가의 숫자 또한 꾸준히 늘어나는 것으로 관찰돼, 소수에 집중되는 측면과 다양성의 양면을 지닐 것으로 예상된다.
* 의의: 창작자가 서로 깊게 연관되어있는 문화의 발전 원리는 그 분야의 구성원 전체를 동시에 보는 것이 필요하므로, 이와 같은 빅데이터의 연구로 풀어내기에 매우 적합하다. 또한 다른 문화 분야 (회화, 문학 등) 로의 확장도 가능해 문화 분야 간 연관성 혹은 문화 전체의 발전의 원리를 연구할 수도 있을 것이다.
□ 그림 설명
그림 1. CD-작곡가들의 빅데이터
그림 2. 빅데이터와 사조구분 방법으로 교차 검증한 모식도
2015.05.06 조회수 13610 -
신경세포 전달 후 분해 원리 30년 만에 규명
윤태영 교수
2013년도의 노벨 생리의학상은 제임스 로스먼, 랜디 셰크먼, 토마스 쥐트호프에게 돌아갔다. 그들은 신경전달물질, 호르몬 등의 주요 물질이 자루 모양의 지질막인 소포(vesicles)에 담겨 택배처럼 전달되는 과정을 발생시키는 단백질을 발견한 공로를 인정받았다.
수상자들은 소포의 막을 열어 세포막과 융합해 물질을 분출하는 방식으로 에너지를 전달하는 역할인 스네어(SNARE)라는 단백질과, 물질을 분출한 후의 스네어 단백질 재활용을 위해 기능하는 NSF라는 단백질을 발견했다.
우리에게 잘 알려진 보톡스도 스네어 단백질의 작용 과정을 역으로 이용한 것이다. 보톡스가 스네어를 절단해 소포가 세포막과 융합하지 못하게 만들어 신경전달물질의 방출을 막고, 그로인해 근육의 수축을 방해하는 것이다.
이런 운송 업무가 있기 때문에 우리 세포는 신체 곳곳에 단백질과 같은 물질이 공급돼 정상적인 기능을 할 수 있다.
우리 대학 물리학과 윤태영 교수 연구팀은 그간 명확하지 않았던 NSF가 스네어 결합체를 분해해 세포수송을 지속시키는 원리를 규명했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 저명 학술지 사이언스지 3월 27일자에 게재됐다.
NSF와 스네어 단백질은 30여 년 전에 발견됐지만 각각의 물질이 작용하는 방식은 명확히 규명되지 않았다. 특히 세포막과 결합한 스네어 결합체를 NSF가 어떤 방법으로 분해해 재활용하는지에 대해선 의견이 분분했다.
지금까지 과학자들은 NSF가 스네어 결합체를 분해할 때 끈을 조금씩 푸는 것처럼 점진적인 과정을 통해 분해가 이뤄지고, 하나의 스네어 결합체를 분해하는 데 ATP라는 연료 역할을 하는 유기화합물 수십 개가 필요하다는 가설을 주장했다.
하지만 윤 교수팀의 연구는 단분자 형광 기법과 자기집게 기술(magnetic tweezers)을 사용해 가설을 반박했다. 마치 매듭의 양 끝을 잡고 당기면 한 번에 풀리듯, ATP를 주입하면 NSF가 스프링처럼 에너지를 저장했다가 스네어 결합체 전체를 단번에 폭발적으로 풀어냄을 증명한 것이다.
이번에 규명된 NSF는 근육의 이동, 단백질 분해, DNA의 복제 및 이동 등 신체에서 중요한 역할을 하는 AAA+ 단백질 그룹에 속해있다. 따라서 NSF와 비슷한 구조의 AAA+ 단백질 그룹은 함께 동작할 것으로 예상되며, 앞으로 많은 생물 현상 이해의 주춧돌이 될 것으로 보인다.
스네어 단백질은 신경세포 통신과 인슐린 분비 등에 중추적 역할을 하고 있어 윤 교수팀의 성과는 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌질환, 당뇨병과 같은 대사질환 관련 연구 뿐 아니라 피부미용 연구에도 이바지 할 것으로 기대된다.
윤 교수는 “생물 물리 분야에서 우리나라가 최고수준의 기초과학 연구력을 보유하고 있음을 증명했다”며 “이번 연구결과는 여러 대사질환을 분자수준에서 이해할 수 있는 토대가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 고등과학원의 현창봉 교수팀, 독일 막스 플랑크 연구소 라인하르트 얀(Reinhard Jahn) 교수팀, 우리 대학 의과학대학원 김호민 교수팀과의 공동 연구로 진행됐으며, 윤 교수 연구팀의 류제경, 민두영 박사, 나상현 학생의 주도로 이뤄졌다.
□ 그림 설명
그림 1. 신경전달물질의 분비가 끝난 후 NSF가 SNARE 단백질 복합체를 한 번에 분해하는 모습
그림 2. NSF 가 SNARE 복합체를 풀어내는 모습
2015.03.27 조회수 12671 -
활성산소에 대한 세포반응 원리 규명 - 암과 노화 극복의 실마리 제공
우리 학교 연구진이 활성산소* 농도에 따라 세포의 운명이 어떻게 달라지는지 그 원리를 규명해냈다. 활성산소는 세포의 성장을 돕는 한편 세포손상을 일으켜 노화 등을 촉진하는 것으로 알려져 있었다. 이처럼 세포를 죽게도 하고 살리기도 하는 활성산소의 상반된 역할을 설명할 수 있는 실마리가 찾아진 것이다. * 활성산소(ROS) : 인체 대사활동에 의해 발생되는 산소 부산물로 세포의 성장과 분화를 돕고 염증을 억제하는 유익한 기능을 하는 한편 세포손상을 유발하여 암, 당뇨 등 여러 질병을 일으키고, 노화를 촉진시키는 것으로 알려져 있다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 석좌교수(교신저자)가 주도하고 이호성 박사과정 연구원(제1저자), 황채영 박사(공동 제1저자), 신성영 박사가 참여하였으며, 한국생명공학연구원 권기선 박사(교신저자)가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약)과 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행되었고 연구결과는 사이언스(Science) 자매지인 사이언스 시그널링(Science Signaling)지 6월 3일자에 게재되었다. * 논문명 : MLK3 is part of a feedback mechanism that regulates different cellular responses to reactive oxygen species
연구팀은 활성산소의 농도에 따라 세포의 증식 또는 세포의 사멸이라는 운명을 가르는 분자스위치가 MLK3* 중심의 피드백회로임을 알아냈다. * MLK3 : 루신-지퍼 구조의 인산화효소로 세포 사멸에 관여하는 단백질이다.
적절한 스트레스가 주어지는 환경에서는 세포가 분열하도록 신호를 보내는 반면 과도한 스트레스 상황에서는 오히려 세포분열을 멈추고 세포가 죽도록 유도하는 결정적 단백질회로가 밝혀짐에 따라 향후 활성산소와 관련된 인체질환 연구의 실마리가 될 것으로 기대된다.
연구팀은 활성산소 농도가 낮을 때는 세포증식에 관여하는 ERK* 단백질이 활성화되는 반면 활성산소 농도가 높아지면 세포사멸에 관여하는 JNK** 단백질이 활성화 되는 것을 알아냈다.
* ERK(Extracellular signal-regulated kinases) : 세포의 생존 및 증식에 관여하는 대표적인 신호전달 분자 ** JNK(c-Jun N-terminal kinases) : 세포의 스트레스 반응 및 사멸에 관여하는 대표적인 신호전달 분자
나아가 수학모델링과 컴퓨터시뮬레이션 분석, 그리고 분자세포생물학 실험을 융합한 시스템생물학 연구를 통해 MLK3 중심의 피드백회로가 활성산소에 대한 ERK와 JNK 경로 간의 신호흐름 균형을 조절하여 세포 반응을 결정하는 핵심적인 분자스위치임을 밝혀내었다.
조 교수는 “IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구를 통해 수수께끼로 남아있던 활성산소에 대한 상반된 세포반응의 원리를 규명한 것으로 향후 활성산소로 인한 노화나 암을 극복하기 위한 연구에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연구 개요도. (A, B) 낮은 농도의 활성산소에 대해서는 세포 증식에 관여하는 단백질인 ERK가 높은 활성도를 보이는 반면, 높은 농도의 활성산소에 대해서는 세포 사멸에 관여하는 단백질인 JNK가 높은 활성도를 보인다는 것을 실험을 통해 확인하였다. 이 실험 결과는 ERK와 JNK가 활성산소의 농도에 따른 상반된 세포 반응을 유발할 수 있음을 시사한다. (C) 대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 MLK3을 매개하는 양성피드백 회로와 MKPs를 통한 ERK와 JNK 간 상호소통이 활성산소의 농도에 따른 ERK와 JNK의 상반된 활성화를 일으키는 핵심회로임을 밝혀내었다. (D) MLK3을 매개하는 양성피드백회로는 활성산소에 대한 ERK와 JNK 경로 간의 신호흐름 균형을 조절하여 세포 반응을 결정하는 분자스위치 역할을 한다.
2014.06.09 조회수 17408 -
최명철 교수팀 연구 성과, 사이언스지 퍼스펙티브에 소개
우리 학교 바이오및뇌공학과 최명철 교수팀이 최근 발표한 ‘마이크로튜불의 새로운 구조’에 관한 논문이 과학 분야 가장 권위 있는 학술지인 사이언스(Science) 퍼스펙티브(Perspective)에 지난달 28일 소개됐다.
퍼스펙티브는 전 세계의 학술지 중 가장 영향력 있는 논문을 선정해 재조명하는 섹션이다.
KAIST 송채연 박사와 최명철 교수, 미국 UC Santa Barbara의 Safinya교수와 Wilson교수, 이스라엘 Hebrew University의 Raviv교수로 구성된 국제 공동연구팀은 가속기 엑스선 산란장치(synchrotron x-ray scattering)와 전자현미경을 이용해 마이크로튜불의 초미세구조를 이해하고, 이를 제어하는 스위치를 발견해 새로운 단백질 나노튜브 구조를 최초로 밝힌 연구결과를 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 발표한 바 있다.
튜불린(마이크로튜불의 기본 단위체)의 형태 변화가 마이크로튜불의 구조 형성에 결정적인 영향을 미친다.연구진은 이 형태 변화를 제어하는 스위치를 찾음으로써 마이크로튜불의 새로운 크기와 형태의 구조를 발견했다.
사이언스 홈페이지
2014.03.11 조회수 16129 -
고용량 분자 저장기술 개발 성공
- KAIST EEWS 대학원 Yaghi 교수팀, 고용량의 단백질 저장체 개발 성공해 사이언스(Science)지 5월호에 실려 -
- “선택적으로 반응하는 신약 개발에 도움될 것” -
다양한 종류의 단백질 물질을 고용량으로 저장할 수 있는 기술이 KAIST 연구진에 의해 개발됐다.
우리대학 EEWS대학원 오마르 야기(Omar M. Yaghi)교수 연구팀이 커다란 크기의 기공을 갖는 금속유기골격구조체를 개발해 여러 종류의 단백질을 고용량으로 저장할 수 있는 원천기술을 확보하는데 성공했다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 5월호(25일자)에 실렸다.
이번에 개발된 기술은 다양한 종류와 크기의 단백질을 저장 할 수 있어 ▲고용량 고집적의 신약 개발 ▲특정 바이러스 분리 물질 개발 ▲인체 내에서 악성 반응을 일으키는 특정 단백질의 선택적 제거 ▲특정 부위에서 작용하는 신약 수용체 개발 ▲희귀 고분자 단백질 영구 보존 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 줄기세포를 포한한 모든 인체의 세포까지 선택적으로 분리하고 영구히 저장할 수 있어 난치병 치료나 생명연장을 위한 의학기반 기술 발전에도 크게 도움이 될 것으로 예상된다.
금속유기골격구조체는 분자단위에서 같은 물질들이 일정한 규칙과 간격을 가지고 배열돼 생성되는 것이기 때문에, 1그램당 축구장과 같은 크기의 표면적을 가지고 있으며 고용량의 물질 저장 능력과 빠른 물질 이동특성을 가지고 있다.
따라서 많은 양의 물질을 내부에 저장할 수 있어 최근 다양한 종류의 차세대 저장체 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있다.
그러나 지금까지의 금속유기골격구조체는 7.0Å(옴스트롬·100억분의 1m) 크기의 아주 작은 단분자만을 사용했기 때문에 커다란 크기의 고분자 및 단백질의 저장에는 활용될 수 없었으며 고용량 가스 저장체로서의 가능성만 입증된 상태였다. 게다가 기존의 금속유기골격구조체의 경우 구조가 내부에서 서로 엇갈려 있어 큰 크기의 단백질을 저장하는 것은 사실상 불가능했다.
야기(Yaghi) 교수 연구팀은 5nm 이상의 크기를 가지는 분자체를 이용한 금속유기골격구조체를 개발해 이러한 문제들을 해결하고, 금속유기골격구조체의 주기적인 기공을 처음으로 투과전자현미경을 이용해 관찰하기도 했다.
연구팀은 커다란 크기의 분자들을 이용해 금속유기골격구조체를 만들고 단백질처럼 아주 큰 물질을 구조체 내부에 일정하게 배열시켜 효율적으로 저장하는 방법을 고안해 내 세계 최초로 규칙적 분자구조체 내부에 비타민과 미오그로빈(Myoglobin) 같은 단백질을 고용량으로 저장하는데 성공했다.
야기(Yaghi) 교수는 “이번 연구는 그동안 불가능했던 큰 크기의 단백질 및 고분자들을 규칙적 배열을 가지는 다공성 물질을 개발해 고용량으로 저장하는 원천기술”이라며 “고용량으로 집적된 단백질 약을 원하는 곳에 투여함과 동시에 제거해야 할 분자들을 선택적으로 흡수함으로써 난치병이나 희귀병 치료에 획기적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
2012.05.29 조회수 14636