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손상된 DNA의 돌연변이 유발 메커니즘 규명
- DNA 손상을 용인하는 특수 복제효소 Rev1의 조절 메커니즘 밝혀 -- “암 치료 및 예방에 크게 기여할 것” -
우리 학교 화학과 최병석 교수는 생체정보를 저장하는 DNA가 손상돼 회복하고 복제하는 과정에서 돌연변이가 발생하는 메커니즘을 규명했다.
연구결과는 분자세포생물학분야 세계적 학술지 ‘분자세포생물학(Journal of Molecular Cell Biology)’ 6월호 표지논문으로 실렸다.
산업의 급격한 발전으로 현대인들의 유전자는 예전에 비해 훨씬 다양하게 위협받고 있다. 오존층의 파괴로 인해 자외선에 그대로 노출되는 것은 물론 담배연기를 비롯한 수많은 발암물질의 공격은 우리 몸속의 DNA를 손상시킨다.
하루에도 수 만 번 끊임없이 일어나는 DNA의 손상을 효과적으로 회복시켜주지 못하면 암 등 치명적인 질병이 발생한다.
손상된 DNA가 회복반응에 의해 복구되지 않은 상태에서 자기복제가 일어나면 정상적인 복제를 담당하는 폴리머라제는 손상부위에 도달하면 DNA 합성을 정지하게 되고 세포의 죽음을 초래 한다.
인체는 이 같은 비상사태를 맞이해 복제담당 폴리머라제를 잠깐 쉬게 하고 손상된 DNA 부위를 그냥 지나치는 능력이 있는 특수한 복구담당 폴리머라제들을 동원해 손상부위를 통과하고 DNA 합성을 다시 시작한다.
이때 DNA는 많은 오류가 발생돼 심각한 돌연변이를 유발시킨다. 즉, 열악한 상황에 놓인 세포가 복제를 진행하지 못해 죽음을 맞기 보다는 생존을 위해 매우 부정확한 DNA 복제일지라도 선수를 교체하면서까지 복제를 진행하게 된다.
지금까지 학계에서는 Rev1 단백질이 이러한 과정을 조절할 것이라고 추정해 왔지만 그 구조와 기능은 명확하게 밝혀내지 못했다.
연구팀은 핵자기공명 분광법(NMR)과 X-ray를 이용해 DNA 복제과정에서 중추적인 역할을 하는 단백질(Polκ과 Rev1, Rev1과 Rev3/Rev7) 각각의 복합구조를 밝혀냈다.
이를 통해 ▲DNA가 손상 시 돌연변이가 유발되는 메커니즘 ▲DNA 복제효소간의 상호작용 ▲손상부위를 통과한 합성된 DNA가 더 연장되는 메커니즘을 분자수준에서 규명했다.
암의 직접적인 발병 원인이 DNA의 손상인 만큼 이에 대한 메커니즘을 밝혀내고 응용하면 개인별로 암의 원인을 제거할 수 있어 부작용 없는 맞춤형 항암제를 개발할 수 있을 것으로 전망된다.
최병석 교수는 이번 연구에 대해 “판코니 빈혈 환자들에게 암이 많이 발생되는 문제를 조사해보니 DNA복제 시 회복 기능이 고장 나 있더라”며 “손상된 DNA의 회복과 복제 과정에 대한 메커니즘 규명을 통해 암을 예방하고 치료하는데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 화학과 최병석 교수와 류디난 박사의 주도로 수행됐고, KAIST 화학과 이지오 교수, 고준상 박사, 임경은 박사과정, 기초과학지원연구원 류경석 박사와 황정미 박사가 참여했다.
그림1. Polκ/Rev1/Rev7/Rev3 단백질 복합체 구조
그림2. Rev1, Polκ와 Rev7와 Rev3를 상호형질 주입된 세포의 공초점 현미경 영상
그림3. 논문표지
2013.06.03
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KAIST 인문사회과학연구소, 제3회 시민인문강좌 무료 개설
- 일반 시민 대상 25일부터 홈페이지에서 접수 -
KAIST(총장 강성모)가 일반 시민을 대상으로 3회째 인문 및 교양 강좌 프로그램을 무료로 개설한다.
KAIST 인문사회과학연구소가 주최하는 ‘시민인문강좌’는 4월 30일부터 6월 4일까지 매주 화요일 오후 3시부터 2시간 동안 KAIST 인문사회과학동 국제세미나실에서 총 6회에 걸쳐 개최된다. 인문학 분야에 관심이 많은 일반인이라면 누구나 시민강좌에 참석할 수 있다. 참가 신청은 4월 25일에서 28일까지 인문사회과학과 홈페이지(http://hss.kaist.ac.kr)에서 접수 가능하며 수강료는 전액 무료다.
‘과학문명사의 발자취’라는 주제로 진행되는 이번 시민강좌에서 수강생은 세계과학문명의 탄생에서부터 현대에 이르기까지 과학이 인류문명 발전에 기여한 부분에 대한 이해를 넓히고, 한국 과학문명 발달사를 고찰함으로써 우리나라 과학의 위상을 다시 생각해보는 기회를 가진다.
6개 강좌의 주제는 ▴서양 고대 과학문명의 시작 ▴갈릴레오·데카르트·뉴턴 등 대과학자가 일군 17세기 유럽의 과학혁명 ▴인체에 대한 탐구 영역을 근본적으로 바꾼 20세기 분자생물학의 혁명 ▴고대 동아시아 과학 문명과 한국 과학문명의 시작과 전개 ▴조선 후기 동서양 과학문명의 조우 ▴한국과학문명의 황금기: 세종시대의 과학적 성취와 실패 요인이다.
강사진은 과학문명사 분야의 국내 최고 권위자들로 구성되었다. 한국에서 과학사 연구를 개척한 “과학사의 전도사”로 불리는 송상용(한국과학기술한림원) 교수, 한국과학사 연구의 패러다임을 바꾼 박성래(전 외대 부총장) 교수, 조선 후기 동서 교류사의 권위자인 임종태(서울대 과학사 및 과학철학 협동과정) 교수와 함께 서양과학사 연구에서 혁혁한 성과를 내고 있는 박민아(카이스트 과학정책대학원) 연구 교수, “한국의 과학과 문명”(총 37권 시리즈) 연구책임을 맡고 있는 한국과학문명사연구소장 신동원(카이스트 인문사회과학과) 교수가 강좌에 참여한다.
이번 강좌를 총괄하는 신동원 KAIST 인문사회과학과 교수는 “현대 사회는 과학문명에 기반을 두고 있으며 전근대 시대에도 과학은 한 문명의 물질적, 정신적인 토대가 되었다. 이번 인문학 강좌에 많은 시민이 참여해 서양, 동양, 한국 과학문명을 전반적으로 이해하는 소중한 기회가 됐으면 좋겠다”라고 말했다.
강좌에 대한 상세내용은 홈페이지(http://hss.kaist.ac.kr/)에서 확인하면 된다.
붙임: 2013년 시민인문강좌 안내
2013년 KAIST 제3회 시민인문강좌
<과학문명사의 발자취>
⚫기간: 2013년 4월 30일~6월 4일(총6회)
⚫시간: 화요일 오후 3시~5시
⚫장소: 카이스트 인문사회과학동 국제세미나실(N4, 1431호)
⚫강의 시간표
일시
연사
분야
제목
4.30
신동원
과학사
(KAIST/인문사회과학과 부교수)
1강. 과학문명을어떻게 볼 것인가?
-한국고대과학문명의 탐색
5.7
송상용
과학사․과학철학
(한국과학기술한림원)
2강. 고대과학문명
5.14
박민아
서양과학사
(KAIST/과학기술정책대학원 연구교수)
3강. 뉴턴의 과학, 뉴턴의 신
5.21
박민아
서양과학사
(KAIST/과학기술정책대학원 연구교수)
4강. DNA 이중나선 발견의 뒷이야기
5.28
임종태
한국과학사
(서울대학교/과학사·과학철학 협동과정 부교수)
5강. 서양과학과의 첫 만남, 그 첫 인상
–300년 전 한국 과학의 단면들
6.4
박성래
한국과학사
(한국과학기술한림원)
6강. 세종의 과학적 성취-조선 근대화의 좌절
문의: 카이스트 인문사회과학연구소 T. 350-4687, E-mail. baobab@kaist.ac.kr
2013.04.23
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KAIST 과학기술정책대학원, 막스 플랑크 연구소 사미 솔란스키 교수 초청 강연 가져
KAIST 과학기술정책대학원에서는 ‘2013 봄학기 해외석학 초청 세미나 시리즈’로 독일 막스 플랑크 연구소(Max Planck Institute) 사미 솔란스키(Sami Solanski) 교수의 강연을 개최했다. 4월 8일(월) 오후 5시 KAIST 대전 본원 KI건물 퓨전홀에서 열린 강연에서 솔란스키 교수는 막스 플랑크 연구소만의 차별화된 연구환경을 소개하고 뛰어난 연구인력을 양성할 수 있었던 배경과 전략을 소개했다. 강연자는 또 연구자의 자율과 독립을 중요시 하는 하르나크 원칙(Harnack Principle)에 따라 운영되고 있는 막스 플랑크 연구소의 경영방식, 예산확보 등에 관한 내용을 다루었고 강연 후에는 참석자와의 질의응답 시간도 가졌다.
우주과학 분야의 세계적인 석학인 사미 솔란스키(Sami K. Solanki) 교수는 아인슈타인의 모교인 스위스 연방공과대학의 정교수이자 독일 최대 과학기술 연구기관인 막스 플랑크 연구소 산하 태양계(Solar System Research) 및 소호(Solar and Hemispheric Observatory, SOHO) 연구소장이며 지난 2009년부터는 경희대학교 특훈교수로 지내고 있다. 처녀자리(Virgo) 관련 여러 우주과학 프로젝트와 미국항공우주국(NASA)의 태양 역학 관측소 발사 프로젝트에 참여한 솔란스키 교수는 천체 물리와 방사능, 그리고 원자와 분자의 물리학까지 망라하여 총 524개에 달하는 논문을 발표했으며, 그 중 360편은 과학 저널에서 널리 인용되고 있다.
2013.04.09
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KAIST-(주)LG화학 ‘산학협동교육프로그램’ 협약체결
KAIST(총장 강성모)와 (주)LG화학은 3월 26일(화) 오전 10시 대전 본관 제 1회의실에서 산학협동 교육 프로그램을 위한 협약을 체결하였다. 이번에 체결된 고분자소재, 촉매 및 공정에 관한 산학교육프로그램은 고분자학제 전공에서 운영하며, 화학과, 생명화학공학과, 신소재공학과가 참여한다.
국내 산업은 완제품 제조가 많은 비중을 차지하고 있으나, 최근 첨단 제품의 개발 및 제품 경쟁력에서 소재가 차지하는 비중이 커져가면서 소재산업과 첨단신소재에 관련된 연구개발의 중요성이 크게 부각되고 있다. 국내최대의 화학기업인 (주)LG화학은 글로벌 소재 기업으로 도약하기 위한 장기적 전략의 일환으로 첨단 고분자 소재와 촉매 및 공정 연구에 필요한 전문 연구 인력을 KAIST와 공동으로 양성하는 산학 협동 교육 프로그램인 “고분자 촉매 공정 교육 프로그램”에 관한 협약을 체결하였고, 향후 6년간 약 30억원을 지원할 예정이다.
KAIST는 고분자 학제전공 교육과정을 통하여 별도의 교과 과정을 개발하고, 고분자 소재, 촉매 및 공정 분야의 맞춤형 교육과 선도적 연구를 통하여 고도의 학제적 지식과 탁월한 연구역량을 보유한 전문기술인력을 양성할 예정이다.
[사진설명]
26일오전10시KAIST 본관회의실에서박규호KAIST 교학부총장과유진녕(주)LG화학기술연구원원장이제휴협약을체결한뒤기념촬영을하고있다.
2013.04.02
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단백질의 생체분자 인식 메커니즘 규명
- “단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 기작을 규명해 50년 동안의 수수께끼 풀었다” - - 생명현상의 이해와 효능이 높은 치료제 개발에 활용 가능성 기대 -
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 서울대학교 물리학과 홍성철 교수와 공동으로 단백질이 생체 내 분자를 인식하고 결합하는 메커니즘을 규명했다.
연구 결과는 생명과학분야의 권위지인 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)’ 3월 18일자 온라인 판에 발표됐다.
단백질이 생체분자를 인식하고 결합하는 메카니즘을 밝혀낸 이번 연구로 인해 단백질의 조절기능을 보다 정확하게 파악할 수 있게 돼 앞으로 복잡한 생명현상을 이해하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
이와 함께 단백질의 생체분자 인식은 각종 질병의 발생과도 밀접하게 연관돼 있어 향후 효능이 높은 치료제 개발에도 기여할 것으로 전망된다.
핵산, 단백질 등으로 알려진 생체분자는 생물체를 구성하거나 생물의 구조, 기능, 정보전달 등에도 꼭 필요한 물질이다.
특히, 단백질은 생체분자를 특이적으로 인지하고 결합하면서 모든 생명현상을 조절해 생명현상을 유지하는데 가장 중요한 역할을 한다. 단백질의 생체분자 인식에 오류가 발생하면 비정상적 현상으로 각종 질병이 유발되기도 한다.
연구팀은 단백질이 다양한 구조를 갖는데 구조적으로 가장 안정한 ‘열린 구조’와 상대적으로 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’를 반복한다는 점에 주목했다.김 교수 연구팀은 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 생체분자가 결합하면서 단백질의 구조가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 실시간으로 분석했다.
연구결과 생체분자는 가장 안정된 구조의 단백질을 주로 선호하며 결합과 동시에 단백질을 가장 에너지 수준이 낮은 안정된 구조로 변화시킨다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
이와 함께 생체분자는 불안정한 ‘부분 닫힘 구조’에도 결합해 단백질 구조를 변화시킨다는 사실도 밝혀냈다.
연구팀의 이번 결과는 단백질의 생체분자 인식 메커니즘을 설명하기 위해 현재까지 제안된 모델인 단백질이 생체분자와 결합하면서 구조가 변한다는 ‘유도형 맞춤 모델’과 단백질의 다양한 구조 중에서 최적의 하나만을 선택적으로 인지한다는 ‘구조 선택 모델’에 대해 처음으로 실험을 통해 완벽히 입증해 낸 것으로 학계는 평가하고 있다.
김학성 교수는 이번 연구에 대해 “생체분자가 존재하는 경우 단백질의 구조 전환 속도가 변하는 현상을 단 분자 수준에서 분석해 단백질의 생체분자 인식 메카니즘을 처음으로 직접 증명한 것”이라며 “생물 교과서에 50년 동안 가설로만 인식되어지던 것을 세계 최초로 실험으로 증명해 풀리지 않을 것만 같았던 수수께끼를 풀어냈다”고 의의를 밝혔다.
그림1. 열린 구조와 부분적으로 열린 구조를 갖고 있는 단백질이 생체분자를 인지하고 결합하는 양상
그림2. 단백질의 다양한 구조 중에서 가장 안정한 상태인 열린 구조(open form)에 생체분자(ligand) 가우선적으로 결합해 더욱 안정한 완전히 닫힌 구조(closed form)로 변함. 또한 단백질의 불안정한 구조(partially closed form)에도 생체분자가 결합해 완전히 닫힌 구조로 변하게 함.
2013.03.21
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분자요리, 스마트폰 음악… ‘이색 강연’ 열린다
- KAIST 학생동아리 아이씨스츠, 이색 과학 대중강연 ‘플러스+’ 개최
- “융합의 현장? 직접 보여드립니다” 과학기술에 대한 ‘편견 타파’ 목적
화학적 원리를 이용해 신개념의 요리를 하고, 스마트폰으로 오케스트라 음악을 연주하는 보기 드문 광경이 KAIST 대강당에서 펼쳐진다.
우리 학교 학생동아리 아이씨스츠(ICISTS)가 오는 8월 8일 오후 4시에 KAIST 대강당에서 이색 과학 대중강연 ‘플러스+(PLUS+)’를 개최한다.
이번 행사에서는 레스토랑 ‘엘본 더 테이블’의 최현석 총괄셰프와 ‘카이스트 모바일 폰 오케스트라’를 이끌고 있는 여운승 문화기술대학원 교수가 각각 강연과 함께 시연을 한다.
국제학생컨퍼런스 ‘ICISTS-KAIST 2012’의 참가자들을 비롯해 KAIST 교수와 학생, 대덕연구단지 구성원, 대전지역 고등학생 등 시민 1000여 명은 이날 강연을 통해 과학기술과 예술의 ‘융합 현장’을 직접 목격하고 체험하는 뜻깊은 시간을 가질 전망이다.
첫 번째 연사로 나서는 최현석 총괄셰프는 서울 신사동에서 분자요리 전문 레스토랑을 운영하는 경력 20년의 요리사로, 지난해에는 세계적 권위의 레스토랑 랭킹인 ‘산펠레그리노 세계 50대 최고 레스토랑’의 패널로 선정되기도 했다.
최현석 총괄셰프는 이날 강연에서 직접 분자요리 시연을 선보일 예정이다. 분자요리란 식재료 자체와 조리 과정을 과학적으로 분석, 변형해 전에 없던 새로운 음식을 창조하는 것을 말한다. 계란처럼 보이는 망고주스나 김처럼 보이는 간장소스 등 다양한 형태의 이색 요리가 펼쳐지는 것이다. 식재료의 화학적 반응이 어떻게 요리에 응용되는지에 대한 최 총괄셰프의 설명도 곁들어진다. 이를 위해 KAIST 대강당에 배수·급수장비 등 조리시설이 설치되는 진풍경이 연출될 것으로 알려졌다.
이어서 강연자로 서는 여운승 교수는 스탠퍼드대에서 컴퓨터음악학 박사학위를 받고 현재 KAIST 문화기술대학원에서 후학을 양성하고 있다. 스마트폰이 막 보급되던 재작년 ‘카이스트 모바일 폰 오케스트라(KAMPO)’를 출범해, 현재까지 기술개발과 작곡, 연주회 등을 이끌어 왔다.
강연에서 여운승 교수는 제자들과 함께 직접 스마트폰 오케스트라 공연을 선보인다. 여 교수는 우리가 사용하는 스마트폰에 기본 탑재된 스피커와 마이크, 중력 센서와 나침반 등을 활용해 다양한 음색과 음정을 내도록 프로그램을 개발했다. 이 프로그램을 이용해 여러 연주자가 소리를 조율하면, 언제 어디서나 자작곡부터 교향곡까지 음악을 연주할 수 있다. 강연에서는 소리를 만들어내는 과정에 대해 여 교수의 해설도 들을 수 있다.
이색 대중강연 ‘플러스+’의 기획 총괄을 맡은 김지수 학생(KAIST 기계공학전공 2학년)은 “이번 공연을 통해 과학기술이 세간의 딱딱한 이미지에서 탈피하고, 요리와 음악 등 다양한 분야와 어우러질 때 새로운 가치와 뜻밖의 재미를 얻을 수 있다는 것을 대중들에게 보여드리고 싶다”라고 강연의 취지를 말했다.
강연은 오는 8월 8일 오후 4시부터 6시까지 진행되며, 헤드폰을 통해 영어로 동시통역된다. 고등학생 이상의 국민 누구나 무료로 참여할 수 있는 이번 과학강연의 참가신청은 icists.org의 공지사항을 참조하면 된다.
강연을 개최하는 KAIST 학생동아리 ‘아이씨스츠’의 최지수 조직위원장(KAIST 수리과학과 3학년)은 “흔히 과학과 일상생활은 연관이 없다고 생각하기 쉬운데, 이번 강연이 과학기술에 대한 편견을 깨고 실생활과 밀접하게 관계되어 있다는 것을 널리 전파하는 기회가 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
한편, 이번 대중강연은 KAIST가 주최하는 국제학생컨퍼런스 ‘ICISTS-KAIST 2012’의 30여개 강연 중 하나로 대국민 이색강연의 형태로 열리는 것이다. 전 세계 11개국 51개 대학에서 300명이 참가하는 ICISTS-KAIST 2012는 ‘융합’을 주제로 오는 8월 6일부터 5일간 열린다.
첫째 날인 6일 10시 30분에 대전컨벤션센터에서 열리는 개회식에는 김도연 국가과학기술위원장이 기조연설자로 참석한다. 이 자리에서 김도연 위원장은 융합연구의 진흥을 위한 과학기술 국정정책의 중요성을 R&D 예산 분배의 관점에서 역설할 것으로 알려졌다.
2012.07.30
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시스템생물학 연구로 표적항암제 내성 원리 규명
- 분자세포생물학지 발표, “표적항암제 내성 극복 및 암 생존률 향상 위한 단초 마련”-
최근 항암치료법으로 주목 받고 있는 표적항암제(멕 억제제, MEK inhibitor)의 근본적인 내성 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀져, 향후 항암제 내성을 극복하고 암 생존률을 높일 수 있는 토대를 마련하였다. 특히 이번 연구는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구로 이루어졌다는 점에서 큰 의미가 있다.
우리 학교 조광현 교수가 주도하고 원재경 박사과정생, 신성영 박사, 이종훈 박사과정생, 허원도 교수 및 양희원 박사가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약/도전연구)과 기초연구실사업 및 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성사업의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 분자세포생물학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘분자세포생물학지(Journal of Molecular Cell Biology, IF=13.4)’의 표지논문으로 선정되어 6월 1일자에 게재되었다. (논문명: The cross regulation between ERK and PI3K signaling pathways determines the tumoricidal efficacy of MEK inhibitor)
표적항암제는 종양세포 속에 있는 특정 신호전달경로의 분자를 목표(target)로 하는데, 최근 폐암, 유방암 등 일부 종양에서 기존 항암제와 달리 부작용이 적고 임상효능이 높아 전 세계 과학자들로부터 큰 주목을 받고 있다. 특히 표적항암제는 개인 맞춤형 항암치료제로 개발될 수 있어 기대를 모으고 있다.
그러나 실제 임상 또는 전(前)임상 단계에서 많은 표적항암제의 내성이 관찰되어, 결국 신약개발로 이어지지 못하는 경우가 많다. 또한 효능은 있더라도 생존율이 낮거나 재발하는 경우가 빈번한 것으로 알려졌다.
대표적인 종양세포 신호전달경로인 어크(ERK) 신호전달경로는 대부분의 종양에서 활성화되는 경로인데, 특히 피부암이나 갑상선암은 이 경로에 있는 물질(비라프, BRAF)의 변이로 활성화되어서 암으로 발전하는 사례가 많다.
이 경우 어크 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제가 효과적인 치료법으로 알려져 있지만, 결국 내성이 발생하여 암이 다시 진행된다.
조광현 교수가 이끈 융합 연구팀은 어크 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제에 대한 내성과 그 근본원리를 수학모형과 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 분석하고, 그 결과를 분자생물학실험과 바이오이미징*기술을 통해 검증하였다. *) 바이오이미징 : 세포 또는 분자 수준에서 일어나는 현상을 영상으로 확인하는 기술
조 교수팀은 종양의 다양한 변이조건을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 수행한 결과, 멕 억제제를 사용하면 어크 신호전달은 줄어들지만, 또 다른 신호전달경로(PI3K로의 우회 신호전달경로)가 활성화되어 멕 억제제의 효과가 반감됨을 입증하였다.
또한 이러한 반응이 신호전달 물질간의 복잡한 상호작용과 피드백으로 이루어진 네트워크 구조에서 비롯되었음을 밝히고, 그 원인이 되는 핵심 회로를 규명하여 이를 억제하는 다른 표적약물을 멕 억제제와 조합함으로써 표적항암제의 효과를 증진시킬 수 있음을 제시하였다.
조광현 교수는 “이번 연구는 멕 억제제에 대한 약물저항성의 원인을 시스템 차원에서 규명한 첫 사례로, 약물이 세포의 신호전달경로에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션으로 예측함으로써 표적항암제의 내성을 극복할 수 있음을 보여주었다. 또한 신호전달 네트워크에 대한 기초연구가 실제 임상의 약물 사용에 어떻게 적용될 수 있는지와 표적항암물질의 저항성에 대한 근본원리를 이해하고, 그 극복방안을 찾아내는 새로운 융합연구 플랫폼을 제시한 것으로 평가받고 있다”고 연구의의를 밝혔다.
2012.06.12
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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
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박인규 교수, 전기제어와 온도차를 이용한‘나노분자 제어기술’개발
- ▲나노센서 개발 ▲분자조작 ▲세포자극 등 공학기술 전반에 활용 가능 -- 나노 레터스(Nano letters) 10월 호 게재 -
우리 학교 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 최근 나노미터(10억분의 1미터) 크기 공간에서 전기제어와 온도차를 이용해 나노분자를 제어하는 원천기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.
박 교수가 이번에 개발한 기술은 ▲고밀도 전자회로 패터닝 ▲고성능 다중물질 나노센서 개발 ▲단백질·유전자 조작 ▲ 세포조작 및 자극 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
기술적 한계로 나노미터 크기의 섬세한 분자제어가 어려워 개발이 더뎠던 초소형‧휴대형 센서 개발에도 커다란 변화를 가져올 것으로 예상된다.
연구팀은 나노패터닝 공정으로 고밀도·고정렬 나노와이어를 만들어 각각의 와이어에 전기를 제어하고 빠르게 온도를 조절해 화학반응 제어를 실현했으며 이를 통해 나노분자를 정밀하고 신속하게 조절가능하다는 것을 실험으로 입증했다.
박인규 교수는 “이 기술은 나노공간에서 선택적이고 개별적인 온도조절로 바이오 분자조작, 선택적 회로집적 등에 응용돼 화학센서의 성능향상, 초소형 센서 개발 등 IT/ET 융합기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육과학기술부의 일반연구자사업 및 HP 오픈 혁신 연구 프로그램(HP Open Innovation Research Program)을 통해 수행됐으며, 연구결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
한편 , 이번 연구에는 KAIST 박 교수를 비롯해 김춘연 기계공학과 박사과정 학생, 한국표준연구원 이광철 박사, HP의 지용 리(Zhiyong Li), 스탠 윌리암스(Stan Williams) 박사가 참여했다.
o 그림 1 : 나노와이어를 선택적 온도조절한 후 반응 이미지를 촬영한 모습
o 그림 2 : 나노크기 공간에서 선택적 온도조절을 통한 화학물질 반응/조작 예시, 예1) 고분자 경화, 예2) 나노물질 합성
2011.10.19
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스마트 나노센서를 이용한 신약 효능 분석기술 개발
- 사람 몸속에서의 효능을 실시간 모니터링 할 수 있어 - - 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합 -
KAIST가 신약 효능을 분석하는 새로운 기법의 기술을 개발했다.
우리 학교 생명과학과 이상규 박사가 생체나노입자를 사람세포에 적용해 살아있는 세포에서 신약의 효능을 실시간으로 모니터링 하는 기술을 개발했다.
이 기술을 이용하면 사람 몸속에서도 신약의 효능을 보다 정확하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
지금까지는 신약 후보물질을 몸속으로 투여하고 세포를 추출한 후 효과를 분석했다. 그러나 세포를 용해한 후 세포의 기능이 정지된 상태에서 분석함으로써 예상치 못했던 부작용으로 대부분의 후보물질이 탈락하게 된다. 이 때문에 엄청난 비용과 노력을 들이더라도 신약개발을 성공하기가 매우 어려웠다.
연구팀은 수많은 나노입자가 서로 연결되면 커다란 복합체를 형성할 수 있다는 아이디어에 착안했다. 나노입자를 세포 내부에 적용해 본 결과 실제로 살아있는 세포 안에서 나노입자 간의 결합을 통해 복합체가 빠르게 형성되는 것을 확인했다.
형성된 복합체는 나노센서 역할을 하게 돼 약물이 세포 내에 투여되는 과정에서 약물 타겟과의 결합을 실시간으로 관찰할 수 있었다.
연구팀은 이 나노센서 기술을 ‘스마트한 눈(InCell SMART-i)’이라고 명명했다. 살아있는 세포 안에서 일어나는 신약의 효능작용을 한 눈에 볼 수 있기 때문이다.
이상규 박사는 “이 기술은 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합된 차세대 원천기술로 신약개발에 효과적으로 적용 가능한 매우 중요한 기술”이라며 “신약물질의 직접 개발을 원하는 기업으로 기술이 이전돼 상용화가 멀지 않았다”고 말했다.
한편, KAIST 생명과학과 이상규 박사와 리온즈신약연구소(주) 김태국 박사가 개발한 이 기술은 최근 세계적인 화학지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 지 9월호에 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정됐다.
그림1. 사람 세포 내에 도입된 스마트 나노 센서가 약물과 약물 타겟 간의 결합에 따라 세포 내에 스팟(같은 나노클러스터)을 형성하고 이를 실시간으로 탐지해 낼 수 있는 원천기술의 모식도
그림2. 약물타겟 A 또는 B가 발현되어 있는 사람세포에 약물을 처리하면 세포 내에서 약물과 약물타겟이 서서히 결합되면서 스마트 나노센서에 의해 이러한 스팟 (같은 나노클러스터) 형태로 실시간으로 센싱-감지된다. 따라서 살아 있는 사람세포 안에서 신약의 효능작용을 실시간으로 마치 비디오를 보는 것처럼 라이브로 모니터링 할 수 있는 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합된 차세대 원천기술이다.
2011.09.05
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탄소나노튜브로 물이 스스로 빨려 들어가는 현상 원인 규명
- PNAS 발표, “효율성을 극대화한 차세대 해수 담수화막 활용 가능 기대”-
지금까지 현상만 알려졌을 뿐 그 원인이 정확히 설명되지 못했던, 물을 싫어하는 탄소나노튜브* 안으로 물이 스스로 빨려 들어가는 ‘반직관적 실험 현상’이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
*) 탄소나노튜브 : 각 탄소가 3개의 다른 탄소와 결합되어 있는 흑연의 탄소 원자 배열과 같은 모양(6각형의 벌집모양)을 가지면서, 원통형으로 말아서 튜브 형태로 만든 나노(10억분의 1미터) 구조체
우리 학교 EEWS 대학원 정유성 교수가 주도하고, 캘리포니아공대 윌리엄 고다드 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원(지속가능한 에너지 공학기술사업단)을 받아 수행되었다.
이번 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 7월 19일자에 게재되었고, 한 주간에 흥미로운 연구결과들을 별도로 소개하는 "This Week in PNAS", ’C&EN News" 및 "Nature Materials"의 "Research Highlights"에 선정되는 영예를 얻었다. (논문명 : Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water)
정유성 교수팀은 물을 싫어하는 탄소나노튜브 안으로 물이 스스로 빨려 들어가는 반직관적인 실험현상의 원인이 물 분자 간의 수소결합 때문으로, 나노채널과 같은 제한된 나노공간에서는 물의 무질서도가 증가하기 때문에 발생한다는 사실을 분자동력학 계산을 통해 밝혀냈다.
일반적으로 분자가 자유로운 액체 상태에서 제한된 나노 크기에 갇힐 경우, 무질서도와 화학결합이 감소되면서 불안정한 상태가 될 것으로 예상했지만, 연구팀은 탄소나노튜브에 갇힌 물의 경우 제한된 공간에서 물 분자 간의 수소결합이 약해지면서 밀도가 낮아지고, 오히려 무질서도가 증가하여 더욱 안정되는 특이한 현상을 나타낸다는 사실을 확인하였다.
특히 연구팀은 1.1과 1.2 나노미터의 지름을 갖는 나노튜브에서는 실온(섭씨 25도)임에도 불구하고 물이 얼음과 같은 구조를 띄는 현상도 관찰하였다.
정유성 교수는 “이번 연구는 계산과학이 실험측정만으로 설명하기 어려운 나노크기의 제한된 공간에서 나타나는 다양한 현상을 규명한 좋은 예”라고 정의하고, ‘’기존의 역삼투압 막에 비해 탄소나노튜브 내에서는 물의 수송속도가 현저히 빨라 에너지 효율적인 차세대 해수 담수화막을 효율적으로 설계하는데 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
2011.07.27
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생명의 기원과 진화의 비밀 풀 수 있는 열쇠(커널) 찾아내다
- Science 자매지 표지논문발표,“인간 세포의 주요기능 그대로 보존한 최소 핵심구조 규명”-
세포를 구성하는 복잡하고 거대한 분자네트워크의 주요기능을 그대로 보존한 최소 핵심구조(커널)가 국내 연구진에 의해 규명되었다.
특히 커널에는 진화적․유전적․임상적으로 매우 중요한 조절분자들이 대거 포함되어 있다는 사실이 밝혀짐에 따라, 향후 생명의 기원에 관한 기초연구와 신약 타겟 발굴 등에 큰 파급효과가 있을 것으로 기대된다.
우리 학교 조광현 교수 연구팀(김정래, 김준일, 권영근, 이황열, 팻헤슬롭해리슨)의 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구), 기초연구실육성사업, 시스템인포메틱스사업(칼슘대사시스템생물학) 및 WCU육성사업의 지원으로 수행되었다.
이번 연구결과는 세계적인 학술지인 ‘사이언스’의 첫 번째 자매지로서 세포신호전달분야의 권위지인 ‘사이언스 시그널링(Science Signaling)’지(5월 31일자) 표지논문에 게재되는 영예를 얻었다.
(논문명 : Reduction of Complex Signaling Networks to a Representative Kernel)
생명체를 구성하는 다양한 분자들은 사람과 마찬가지로 복잡한 관계로 얽혀 거대한 네트워크를 형성한다.
현대 생물학의 화두로 떠오른 IT와 BT의 융합학문인 ‘시스템생물학’의 발전에 따라, 생명현상은 복잡한 네트워크로 연결된 수많은 분자들의 집단 조절작용으로 이루어진다는 사실이 점차 밝혀지고 있다. 즉, 특정기능을 담당하는 단일 유전자나 단백질의 관점에서 벗어나 생명체를 하나의 ‘시스템’으로 바라보게 된 것이다.
그러나 생명체 네트워크의 방대한 규모와 복잡성으로 근본적인 작동원리를 이해하는데 여전히 한계가 있다. 일례로, 세포의 다양한 정보처리를 위해 진화해 온 인간세포 신호전달 네트워크는 현재까지 약 2,000여개의 단백질과 8,000여 가지의 상호작용으로 이루어져 있다고 알려졌고, 아직 확인되지 않은 부분까지 고려하면 실제 더욱 복잡한 네트워크일 것으로 추정된다.
생명체의 조절네트워크는 태초에 어떻게 만들어졌고, 어떻게 진화되어 왔을까? 그 복잡한 네트워크의 기능을 그대로 보존하는 단순한 핵심구조가 존재하고 그것을 찾아낼 수 있다면, 인류는 복잡한 네트워크에 대한 수많은 수수께끼를 풀 수 있을 것이다.
조광현 KAIST지정석좌교수 연구팀은 이 수수께끼의 열쇠인 복잡하고 거대한 세포 신호전달 네트워크의 기능을 그대로 보존하는 최소 핵심구조인 커널을 찾아냈다.
연구팀은 새로운 알고리즘을 개발하고, 이를 대규모 컴퓨터시뮬레이션을 통해 대장균과 효모 및 인간의 신호전달 네트워크에 적용한 결과, 각각의 커널을 확인할 수 있었다.
매우 흥미로운 사실은 이번에 찾아낸 커널이 진화적으로 가장 먼저 형성된 네트워크의 뼈대구조임이 밝혀진 것이다. 또한 커널에는 생명유지에 반드시 필요한 필수유전자뿐만 아니라 질병발생과 관련된 유전자들이 대거 포함되어 있었다.
이번 연구를 주도한 조광현 교수는 “특히 이번에 찾은 커널에는 현재까지 FDA(미국식품의양국)에서 승인한 약물의 타겟 단백질이 대량 포함되어 있어, 커널 내의 단백질들을 대상으로 향후 새로운 신약 타겟이 발굴될 가능성이 높아, 산업적으로도 큰 파급효과가 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
<세포내 신호전달네트워크에 존재하는 최소 핵심구조 "커널">
<논문표지>
2011.06.22
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