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김승우교수, 정밀거리측정기술 개발
- 네이처 포토닉스誌 발표, “미래우주핵심기술 개발을 통한 우주선진국 도약 가능성 열어”-
수 백 km의 거리에서 1nm*의 차이까지 정확히 측정할 수 있는 정밀거리 측정기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
* 1nm(나노미터) : 10억분의 1m
우리학교 기계공학과 김승우 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 중견연구자지원사업 (도약연구)과 우주원천기초기술개발사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 광학 분야 최고 권위지인 ‘네이처 포토닉스(Nature photonics)’ 온라인 속보(8월 8일자)에 게재되었다.
김 교수팀은 지금까지 장거리 측정의 한계점이던 1mm 분해능*을 1nm 분해능으로 측정할 수 있는 획기적인 정밀거리 측정기술 개발에 성공하였다.
* 분해능(分解能, resolving) : 측정기가 검출할 수 있는 가장 작은 단위의 물리량을 의미하며, 1mm 분해능은 수백 km의 거리에서 1mm의 차이를 측정할 수 있음.
특히 이 기술은 일반적으로 장거리를 측정할 때 나타나는 모호성(ambiguity)도 극복하여, 이론적으로 100만km를 모호성 없이 측정할 수 있다.
김 교수팀은 실제 700m의 거리에서 150nm의 분해능 구현에 성공하였고, 우주와 같은 진공상태에서는 1nm의 분해능 구현도 가능하다는 사실을 실험을 통해 검증하였다.
이번 연구결과로 향후 지구와 유사한 행성을 찾기 위한 편대위성군 운용* 및 위성 또는 행성 간의 거리측정을 통한 상대성 이론 검증과 같은 미래우주기술개발에 한 발 다가서게 되었다.
* 편대위성군운용(formation flying of multiple satellites) : 여러 대의 소형위성을 동시에 쏘아 올려 위성간의 거리를 측정함으로써, 지구와 유사한 행성을 찾거나 상대성이론 검증에 활용
위성 또는 행성 간의 정밀거리측정은 지구와 유사한 행성을 찾거나 상대성 이론을 검증하는 핵심기술로, 우주 선진국에서는 이 기술을 개발‧보유하기 위해 경쟁적으로 연구하고 있다.
김승우 교수는 “장거리를 1nm 분해능으로 측정할 수 있는 기술개발로, 우리나라도 편대위성군운용과 같은 미래우주핵심기술인 정밀거리측정 기술을 보유하게 되어, 명실 공히 우주 선진국으로 도약할 수 있는 기반을 마련하게 되었다”라고 연구의의를 밝혔다.
2010.08.17
조회수 19275
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이상엽 교수, 가상세포 방법론 개발
- 미국 국립과학원회보 게재, "가상세포 시스템 활용 대사특성 예측 기술 개발" -
우리학교 이상엽 교수 연구팀이 생명체의 세포를 체계적으로 분석하여 세포 전체의 대사적 특성을 정확하게 예측할 수 있는 "가상세포 방법론"을 개발했다.
이 연구는 교육과학기술부 "미래기반기술사업(시스템생물학 연구개발)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 세계적 저명 학술지인 「미국 국립과학원 회보 (PNAS)」誌" 8월 2일자 온라인판에 게재되었다.
환경문제와 질병에 대한 관심도가 나날이 높아짐에 따라 의학적인 용도 및 일상생활에 널리 쓰이는 화학물질이나 바이오연료 등을 바이오기반으로 생산하는 것이 더욱 중요해 지고 있다. 이러한 유용한 물질들은 상당수 미생물을 사용하여 개발하는데, 이를 위해 미생물의 체계적인 분석과 개량 연구가 필요하다. 이에, 전체적인 관점에서 복잡한 생명체의 대사를 체계적으로 파악할 수 있는 방법의 개발이 요구되어 왔다.
가상세포는 컴퓨터시스템으로 실제세포를 모사하여 연구하고자하는 생명체의 세포를 체계적으로 분석하는 중요한 도구이다.
이상엽교수 연구팀은 생명체의 정확한 모사를 위한 가상세포 시스템을 개발하였다. 이를 이용하여 얻어진 가상세포 예측 결과들은 실제 세포 실험으로 측정된 결과와 비교하여 정확도가 획기적으로 개선되었다. 이로써 보다 정확한 가상세포 예측이 가능하여 실제 생명체의 분석연구에서 시간과 비용을 큰 폭으로 줄일 수 있게 되었다.
이번 가상세포 방법론의 개발은 국내뿐 아니라 세계생명공학 분야에서 새로운 패러다임을 제공하여, 생명체의 분석과 개량연구에 소모되는 시간과 비용을 절감할 수 있게 되었으며, 또한 이번에 개발한 방법론은 게놈 염기서열이 분석된 모든 생명체에 적용이 가능하기 때문에 다양한 산업적, 의학적 응용을 위한 미생물 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2010.08.04
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이상엽 교수, 초고분자량 거미 실크 단백질 생산기술 개발
- 초고분자량의 거미 실크 단백질이 거미줄을 강하게 만든다는 사실 밝혀 -- 첨단 초강력 섬유소재로의 활용 기대 -
우리학교 이상엽 특훈교수는 서울대 박명환 교수팀과 공동으로 세계적으로 이제까지 생산하지 못했던 ‘초고분자량의 거미 실크 단백질’을 대사공학으로 개량된 대장균을 이용하여 생산하였다고 발표하였다. 이 초고분자량의 단백질로 만든 거미 실크 섬유는 강철보다 강한 성질을 나타냄을 밝혔다.이 연구는 교육과학기술부가 2009년부터 추진하고 있는 ‘신기술융합형 성장동력사업(바이오제약 사업본부장 수원대 임교빈 교수, 분자생물공정 융합연구단장 KAIST 김정회 교수)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 특허 출원 중으로 세계적 저명 학술지인 「미국 국립과학원 회보 (PNAS)」誌’ 7월 26일자 온라인판에 게재되었다.
거미가 만드는 초고분자량의 실크 섬유는 미국 듀폰(Dupont)社의 고강력 합성섬유인 케블라(Kevlar)에 견줄 강도를 갖고 있으며, 탄성력이 뛰어나 의료산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 거미 실크 섬유의 우수한 특성 때문에 그동안 효모, 곤충, 동물세포, 형질전환식물, 대장균을 비롯한 여러 생체 시스템을 활용하여 거미실크를 대량 생산하는 기술을 개발하려는 많은 시도가 있어 왔다.그러나 지금까지는 글리신 등 특정 아미노산이 반복적으로 많이 존재하는 거미 실크 단백질의 특수성으로 인해 고분자량의 거미실크를 인공적으로 생산할 수 없었다.
이러한 기존 기술의 한계와 달리, 우리학교 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀은 고분자량의 거미실크 단백질 (황금 원형 거미; Nephila clavipes 유래)을 생산하는 대장균을 대사공학적으로 새로이 개발하고, 이를 활용함으로써 고성능의 거미실크섬유를 인공적으로 합성하는데 성공하였다.
우선, 연구팀은 비교 단백체 분석 등 시스템 대사공학 기법을 이용하여 거미 실크 단백질을 생산할 때 대장균 내에 글리실-tRNA의 부족 현상이 일어남을 밝혀냈다. 그리고 이 문제의 해결을 위해 관련 유전자들을 증폭 또는 제거 하는 등 대장균의 대사를 재구성함으로써 대장균으로부터 세계 최고 수준의 반복단위수를 가진 285 kDa에 달하는 거미실크 단백질을 성공적으로 합성해 낼 수 있었다.
또한, 대장균에서 생산된 거미 실크 단백질을 분리‧정제한 후에 생체 모방 기술을 이용한 스피닝 작업을 통해 실크 섬유 형태로 제작하였다. 이렇게 만들어진 거미 실크 섬유의 물성을 측정한 결과 강도 (tenacity) 508 MPa, 인장탄성율 (Young"s modulus) 21 GPa를 보여 케블라 수준의 강도를 가지게 된다는 사실을 확인하였다. 기존에는 285 kDa이나 되는 큰 거미 실크 단백질의 생산이 불가능하여 고강도의 거미 실크 섬유를 만들 수 없었는데, 이번 연구를 통해 가능하게 되었다.
이상엽 교수는 “이번 연구는 바이오기반 화학 및 물질 생산시스템 개발의 핵심기술인 시스템 대사공학적 방법을 통해 기존의 석유화학 제품과 대체 가능한 고성능의 섬유를 생산하는 기반기술을 확립하였다는 데 그 의의가 있으며, 향후 생산시스템 향상과 물성 연구를 계속 수행하여 실용화하고 싶다.”라고 밝혔다.
2010.07.28
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CT대학원, KBS "구미호 여우 누이뎐"CG제작
지난 5일 첫 방송된 KBS-2TV 납량미니시리즈 ‘구미호 여우누이뎐’이 한국판 ‘트와일라잇’이라는 기대이상의 호평 속에 시청률이 꾸준한 상승세를 보이고 있는 가운데 이 드라마에 등장했던 호랑이와 까마귀를 사실적이고도 자연스럽게 표현한 컴퓨터그래픽(CG) 기술이 국내대학의 연구센터에서 자체개발한 순수 국산기술이라는 점에서 많은 관심을 끌고 있다.
지난 5일(1회)과 12일(3회) 각각 방송된 ‘구미호 여우누이뎐’에 등장했던 화제의 호랑이와 까마귀 군중씬의 CG 제작을 담당한 국내대학은 우리학교 문화기술대학원 비주얼 미디어 연구센터(Visual Media Lab, 센터장: 노준용 교수).
이 센터는 지난 3년간 ‘Digital Creature의 사실적인 움직임에 대한 연구’라는 제목으로 파충류와 포유류, 조류 등의 디지털 크리쳐를 사실적으로 만들어 내며 이를 쉽고 빠르게 TV나 영화 등 문화콘텐츠에 적용시키는 연구를 진행해왔다.
이번 ‘구미호 여우누이뎐’에서 호랑이와 히치콕의 느낌을 연상시키는 까마귀가 등장한 장면이 그동안의 연구결과를 활용한 첫 번째 케이스로 컴퓨터그래픽스 연구 성과물이 상업 콘텐츠에 바로 적용될 수 있다는 가능성을 보여줬다는 점에서 관련업계로부터 높은 평가를 받고 있다.
‘구미호 여우누이뎐’은 한국인에게 가장 매혹적이고 익숙한 공포 캐릭터의 하나인 구미호를 소재로 KBS-2TV가 마련한 납량 특집극 인데 지난 7월 5일 첫 방송을 시작으로 매주 월․화 16부작으로 기획, 제작됐다.
‘가필드’, ‘나니아연대기’, ‘수퍼맨 리턴즈’ 등 여러 편에 달하는 할리우드 대작의 영상특수효과 개발에 참여한 경력을 지닌 노준용 교수가 책임을 맡고 있는 비주얼 미디어 연구센터의 성과는 단지 여기에 그치지 않는다.
이 센터 소속 학생들과 연구원들이 작년에 제작한 2분짜리 단편 CG 애니메이션 ‘Taming The Cat(고양이 길들이기)’은 지난 6월 호주 멜버른에서 열린 세계적인 국제 애니메이션 페스티벌인 ‘제10회 MIAF(Melbourne International Animation Festival)"를 시작으로 4개의 해외 유명 애니메이션 페스티벌에 초청작으로 상영되거나 상영될 예정이다.
이밖에 현재 한국콘텐츠진흥원이 주관하는 단편 애니메이션 프로젝트를 비롯, 최근 각광받고 있는 3D 영상관련 기술을 개발하는 프로젝트를 진행하는 등 다양한 연구프로젝트를 수행중이다.
노 교수는 “아무리 가치가 있는 콘텐츠라도 문화기술(CT)를 통해 잘 다듬고 정리하지 않으면 그 진가를 제대로 발휘할 수 없다”며 과학기술과 문화콘텐츠를 하나로 접목시키는 문화기술(CT)의 중요성과 CT분야 국내기술 개발을 위한 고급인력 양성의 필요성을 강조했다.
2010.07.20
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김상규교수 화학반응의 비밀을 밝히다
네이처 케미스트리誌 발표, "화학반응을 원하는 대로 제어할 수 있는 방법 개발 가능성 열어"
화학반응의 핵심적인 개념이지만, 지난 60년간 학계에서 이론적으로만 예측되었던 원뿔형 교차점(conical intersection)의 존재와 분자구조가 국내연구진에 의해 실험적으로 규명되었다.
우리학교 김상규 교수와 임정식 박사가 주도한 이번 연구는 교육과학 기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 중견 연구자지원사업(도약연구)과 우수연구센터(SRC)사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 화학분야 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’지 온라인 속보(7월 4일자)에 주요 논문으로 게재되었다.
김상규 교수 연구팀은 지금까지 이론적으로만 존재했던 원뿔형 교차점을 실험적으로 구체화하고, 화학반응의 핵심이론을 검증했으며, 화학 반응을 제어하는 새로운 방법론 구축에 성공하였다.
원뿔형 교차점은 화학반응은 물론이고, 우리 눈의 망막에서 일어나는 광이성질체화(光異性質體化)* 반응 및 DNA의 강한 자외선 보호 메커니즘 등 화학과 의학 문제를 설명하는데 필수적인 매우 중요한 화학적 개념이다. ※ 광이성질체화(photoisomerization) : 분자가 빛을 흡수하여 들뜬상태를 거쳐 이성질체화를 일으키는 현상
학계는 눈 깜짝할 사이에 사라지고, 다차원적 위치에너지의 복잡한 구조를 지닌 ‘화학반응의 특이점’에 접근하는 것이 사실상 불가능해, 지금까지 원뿔형 교차점의 존재를 실험적으로 규명하기 위해 무수히 시도하였지만 실패하였다.
김상규 교수팀은 서로 다른 두 개의 전자적 양자상태가 화학반응을 하면서 중첩하는 지점에 발생한 원뿔형 교차점을 관측하고, 에너지 위치와 자세한 분자구조를 유추해냈다.
김 교수팀은 레이저와 분자선 기술을 사용하여 분자의 특정 양자 상태에서 일어나는 화학반응의 자세한 동역학적 움직임을 살펴본 결과, 두 개의 서로 다른 전자적 양자상태가 중첩될 때 뚜렷한 공명 (resonance)현상이 발생하며, 이것은 원뿔형 교차점에 의한 것임을 확인하였다.
김상규 교수는 “화학반응에서 전자와 핵 사이에 상호작용이 가장 크게 일어나는, 화학반응의 핵심개념인 원뿔형 교차점을 최초로 관측한 점은 이번 연구의 가장 큰 성과로, 향후 화학반응을 원하는 대로 제어하여, 치료 및 제약 등 다각적으로 활용될 수 있는 원천적 기초지식 기반을 마련하였다”라고 연구의의를 밝혔다.
2010.07.06
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박제균 교수, 개인 맞춤형 항암치료 원천기반기술 개발
- 극소량의 암 조직으로 다양한 암 판별 물질을 동시에 검사할 수 있는 기술 개발 -
유방암을 비롯한 현대인의 각종 암을 개인별 특성에 맞게 맞춤형 항암 치료할 수 있는 원천기반기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
우리대학 바이오 및 뇌공학과 박제균 교수 연구팀과 고려대 안암병원 유방센터 이은숙 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 중견연구자지원 사업(도약연구), 바이오전자사업 및 고려대 학술연구비의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 국제적으로 저명한 온라인 오픈액세스 과학 전문지인 “플로스원(PLoS ONE)” 최신호(5월 3일자)에 게재되었다.
연구팀은 극소량의 암 조직만으로도 다양한 암 판별 물질(종양 표지자, 바이오마커)을 동시에 검사할 수 있는 기술(미세유체기술을 이용한 면역 조직화학법과 랩온어칩)을 개발하는데 성공하였다.
암 진단과 치료를 위한 필수검사는 암 조직을 떼어내 암 여부를 판별하는 물질인 표지자 4개를 모두 검사해야만 최종적으로 판단할 수 있는데,기존의 검사는 떼어낸 암 조직 하나에 1개의 표지자밖에 검출하지 못해, 많은 암 조직을 떼어내야 하기 때문에 불편하고, 검사가 하나씩 순차적으로 이루어지기 때문에 검사 시차가 달라, 정확한 검사가 어려워 검사비용과 시간이 늘어나 환자의 부담이 컸었다. 그러나 연구팀이 개발한 기술을 이용하면, 하나의 작은 암 조직만으로도 한 번에 최대 20여개의 표지자까지 동시에 검사할 수 있어, 비용을 1/200로 절감하고, 분석시간도 1/10로 단축하는 등 획기적인 기술로 평가된다.
특히 이번 연구결과는 동물이 아닌 인간의 암 조직을 직접 이용한 임상실험을 통해 증명한 최초의 사례로 그 의미가 크다.
연구팀은 유방암 환자 115명의 실제 암 조직을 가지고 복잡한 실험을 하나의 칩 위에서 간단히 구현할 수 있는 기술(랩온어칩 기술)을 이용해 임상 실험한 결과, 기존 검사결과와 최대 98%까지 일치하는 등 검사의 정확도를 입증하였다.
고려대 이은숙 교수는 “미세바늘로 추출한 소량의 조직만으로도 다양한 검사가 가능하고 객관적으로 판독할 수 있다”면서, “검사에 필요한 비용과 시간을 상당부분 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 초기 정밀검진이 가능하여, 향후 개인 맞춤형 항암치료에 크게 기여할 것으로 기대된다” 라고 강조하였다.
또한 바이오공학, 병리학 및 종양학 등 공학과 의학이 융합된 학제적 연구성과로, 향후 사업화를 통한 경제적 부가가치도 클 것으로 기대된다.
현재 이 기술은 특허협력조약(Patent Cooperation Treaty, PCT)의 특허 1건을 포함해 국내 특허 6건을 출원하였고, 종양분석과 조직시료 검사에 활용되는 기반기술로, 개인 맞춤형 항암제 효력 테스트용 랩온어칩 등 사업화를 위한 후속연구가 활발히 진행되고 있다.
특히 조직병리, 암 진단, 질병의 경과예측 등 의학뿐만 아니라, 바이오 마커 개발 등 생명공학에도 응용될 것으로 기대하고 있다.
우리대학 박제균 교수는 “이번 연구성과로 지금까지 분석할 수 없었던 매우 작은 조직도 쉽고 빠르게 검사할 수 있게 되어 정확한 진단을 통한 치료가 가능하게 되었다”면서, “개인별 맞춤형 항암치료의 대중화를 통해 우리나라 보건의료의 선진화에 크게 기여할 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 제1저자인 우리대학 김민석 박사는 이번 연구성과로, 제16회 삼성 휴먼테크 논문 대상에서 금상을, 교육과학기술부가 후원하는 젊은 파스퇴르상에서 대상을 수상하는 영예를 안았다.
[그림. 암 조직 시료 상부에 올려지게 되는 투명한 플라스틱으로 이루어진 랩온어칩의 구조]
2010.05.10
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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
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박찬범 교수팀, 나노크기의 광감응 소재를 이용한 인공광합성 원천기술개발
신소재공학과 박찬범(朴燦範, 41세) 교수팀이 나노소재를 이용해 자연계의 광합성을 모방한 ‘인공광합성’ 시스템 개발에 성공했다.
이러한 새로운 개념의 인공광합성 기술은 고부가가치의 각종 정밀의약품들을 태양 에너지를 이용해 생산하는 친환경 녹색생물공정 개발의 전기가 될 것으로 기대된다.
식물 등 자연계의 광합성 생물체들은 태양에너지를 이용해 환원력을 재생하여 보조인자(cofactor)라는 형태로 저장하고, 이렇게 재생된 보조인자 등을 빛이 없을 때 캘빈사이클 (calvin cycle)을 통해 생존에 필요한 탄수화물 등 각종 화학물질들을 합성하는데 이용한다.
[그림 1. 자연광합성을 모방한 인공광합성 공정을 이용한 정밀화학제품 생산 개념도]
박 교수팀은 이러한 자연광합성시스템을 모방하여 자연계의 광반응 (light reaction) 대신 태양전지 등에서 사용되는 양자점 (quantum dot) 등 수 나노크기의 광감응소재로 빛에너지를 전기에너지로 효율적으로 전환하고, 이를 이용하여 보조인자를 재생했다. 또한 자연계의 복잡한 캘빈 사이클 대신 산화환원 효소반응을 보조인자 재생에 연결시킴으로써 빛에너지로부터 시작하여 최종적으로 정밀화학물질 생산이 가능한 반응시스템을 개발했다.
인류가 지구 온난화와 화석 연료의 고갈이라는 문제를 안고 있는 가운데, 온난화의 원인인 이산화탄소를 배출하지 않고 또한 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 계속되고있는데, 이번에 개발된 인공광합성기술은 에너지원으로 무한한 태양광을 사용한다는 장점 때문에 그 파급효과가 매우 클것이다.
특히 각종 정밀화학물질 합성에 있어서 산화환원효소들이 매우 뛰어난 응용가능성/다양성을 가졌음에도 불구하고 이들의 효율적 사용을 위하여 필수적으로 요구되는 보조인자의 재생에 대한 연구는 지난 20여년동안 수행되어 왔으나 현재까지도 성공적인 결과가 거의 없어 향후 생물공학분야에서 해결되어야 할 미해결 난제들 중의 하나였다.
박교수팀의 연구성과는 산화환원효소를 산업적으로 활용하기 위한 토대를 마련한 것이다.
[그림 2. 산화환원효소 기반 인공광합성을 통한 고부가가치 정밀화학제품 생산]
관련 연구결과는 독일에서 발간되는 나노분야 국제저명학술지인 Small지 최근호(4월 23일자 온라인판)에 게재됐으며, 최근 특허출원이 완료됐다.
이번 연구는 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업(생물공정연구단) 등으로부터 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학과 생명공학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 공정기술을 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다.
2010.04.23
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정상권 교수 연구팀,극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발
- 세계최초로 회전하는 극저온 냉동기를 탑재한 ‘초전도 모터’ 개발
기계공학과 정상권 교수 연구팀이 회전하는 극저온 냉동기를 탑재해 영하 210도 이하로 냉각되는 초전도 모터를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
기존의 초전도 회전기기는 LTS(Low Temperature Superconductor; 저온 초전도체로서 주로 액체 헬륨으로 냉각) 또는 HTS(High Temperature Superconductor; 고온 초전도체로서 주로 액체 네온 또는 질소로 냉각)를 사용하는 경우, 정지된 극저온 냉동기로부터 차가운 냉각재를 회전하는 계자 코일에 공급하면서 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하는 구조로 되어 있었다. 즉, 극저온 냉동기와 회전기기가 분리되어 초전도 모터가 작동했었다.
이러한 구조는 영하 210 도 이하의 차가운 유체를 진공으로 단열시키면서, 정지부에서 회전부 그리고 또한 정지부로 이송하는 극저온 구성품이 필요하며, 상온에서부터 극저온부로의 열침입이 필연적으로 증가하는 문제로 인하여 전체 극저온 냉동 시스템이 커져야 한다.
이번에 연구 개발한 극저온 냉동기를 탑재하는 초전도 모터의 경우에는, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능한데, 지금까지는 극저온 냉동기의 특성과 초전도 코일의 설계/제작을 동시에 고려하여야 하기 때문에 쉽게 이루어지지 않았었다.
이번 연구에서는 고속으로 회전하는 상황에서도 냉각성능의 변화가 없는 축대칭 구조의 국내산 소형 스털링 냉동기가 사용됐다. 이번에 개발한 초전도 모터는 회전부와 고정부 사이에서 일어나던 극저온 유체의 이동을 철저하게 배재시키고, 유일하게 존재하는 에너지 전달 메커니즘은 전기 접촉을 통한 전기 에너지 및 온도차에 의한 열전달이다. 또한, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능하다. 초전도 계자코일은 차세대 유망 초전도 선재인 YBCO를 사용하여 제작했으며, 외부로 부터의 열침입 및 냉동 부하는 6W미만이고, 유도 모터의 고정자를 사용하여 90rpm 까지 회전 테스트를 수행하였다.
정 교수는 “이번에 개발된 ‘극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터’는 소형화와 고신뢰성을 위한 초전도 회전기기의 새로운 냉각 방식으로 기술혁신적인 발상의 전환을 이루었으며, 다양한 에너지(수송, 플랜트 산업, 재생에너지) 분야에서의 응용이 기대된다”며 ”상용화를 위해 동적인 균형 문제, 초전도 선재 수급문제 해결하도록 연구를 진행중이다“고 말했다.
일반적으로 초전도 모터나 발전기는 극저온에서 전기 저항이 사라져 전류가 아무 장애없이 흐르는 초전도체의 현상을 이용한다. 따라서 전기 에너지의 효율 향상과, 동일한 용량에서는 소형화의 목적으로 차세대 전기기기로서 많은 연구가 진행되고 있다. 모터나 발전기의 구조를 보면 크게 회전자와 고정자로 구분할 수 있는데, 초전도 코일은 직류 전류가 흐르는 회전자에 적용됨으로써, 전체 에너지 변환 효율을 0.5 %내지 1% 정도 향상시킬 수 있다. 따라서, 현재까지 초전도 회전기기는 전체 효율 향상이 그에 수반되는 부가적인 극저온 냉동기의 요구 전력보다 더 큰 1 MW 급 이상의 대용량에서 매력적이다.
이러한 기기의 적용 분야는 주로 플랜트 산업에서 사용되는 전동기를 비롯하여 발전소의 대형 발전기, KTX와 같은 고속 전철, 전기 추진 방식의 선박 등 에도 확장될 수 있다.
이번연구는 교육과학기술부의 국가지정연구실사업의 지원과 차세대초전도응용기술개발사업단을 통한 한국전기연구원의 도움으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 2010년 8월에 열리는 응용초전도학회(ASC; Applied Superconductivity Conference)에서 발표할 예정이다.
논문제목: HTS (high temperature superconductor) motor cooled by on-board cryocooler (극저온 냉동기를 회전자에 탑재한 고온 초전도 모터)
<용어설명>
○ 초전도 : 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K; －273.16℃)에 가까이 냉각할 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 물질마다 이러한 현상이 일어나는 임계온도가 다르며, 액체 질소의 비등점 (77 K, －196℃) 이상에서 초전도 성질을 보이는 물질을 고온 초전도체라고 한다.
○ 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) : 고온 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 93 K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다.
○ ASC(Applied Superconductivity Conference, 국제 응용 초전도 학회):1966년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE Council on Superconductivity) 주관으로 격년으로 미국에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회임. 전 세계로부터 많은 학자와 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 초전도 산업과 기술을 논의하는 학회로서 2010 년에는 Washington D.C. Omni Shoreham Hotel에서 8월 1일부터 6일 까지 개최될 예정이다.
○ 계자코일(Field coil) : 초전도 모터의 회전자에서 일정한 자기장을 발생시키기 위하여 감은 코일로서, 일반 구리선을 초전도선으로 대치하였을 때 주어진 크기에서 더 강한 자기장을 발생시키게 할 수 있으므로, 전체 모터의 크기를 소형화할 수 있다.
2010.03.18
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새로운 혈액줄기세포 공급원으로 지방조직 이용가능성 규명
카이스트 생명과학과 고규영교수(및 연구원 한진아)팀, Blood지(IF=10.4)에 실려-
교육과학기술부(장관 안병만)의 21세기 프론티어연구개발사업 지원을 받는 세포응용연구사업단(단장:김동욱 연세대 교수)의 연구팀(책임자:고규영 카이스트 교수, 연구원:한진아)이 지방조직으로부터 백혈병 등 혈액계 난치병 치료에 이용가능한 혈액줄기세포를 분리해 낼 수 있음을 입증하였다. 이로써, 보다 적은 비용과 쉬운 방법으로 혈액줄기세포를 공급할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 그 중요성을 인정받아 세계적인 학회지인 Blood의 2010년 2월 4일자 표지논문으로 선정되었으며, 이례적으로 학회지를 주관하는 미국 혈액학회 (American Society of Hematology, ASH)가 세계매체를 통해 일반인에게 홍보하기로 하였다.
혈액줄기세포는 다양한 종류의 혈액세포로 분화할 수 있는 분화능을 보유하고 있는 대표적인 성체 줄기세포로, 백혈병 등의 혈액계 난치병 치료에 이용된다. 혈액줄기세포는 주로 성체의 골수 내에 존재하는데, 그 양이 제한적이고 생체외 증식이 어려워 연구 및 치료목적으로의 사용에 걸림돌이 되어 왔다.
우리대학 생명과학과 고규영 교수 연구팀은 지방조직과 골수조직이 다양한 공통점을 갖는다는 점에 착안하여, 골수를 손상시킨 동물에게 지방 조직에 존재하는 비지방세포를 정맥주사한 후, 이 세포로부터 유래한 혈액세포가 장기간 동물의 혈액 내에 존재한다는 것을 입증함으로써, 주입한 지방조직의 비지방세포에 손상된 골수를 재생시킬 수 있는 능력을 가진 혈액줄기세포가 존재한다는 사실을 밝혔다.
김동욱 단장은 “혈액줄기세포를 골수나 혈액으로부터 분리할 수 있는 것은 이미 널리 알려진 방법이지만, 흔히 쓸모없는 조직으로 생각하는 지방조직을 혈액줄기세포의 공급원으로 규명한 것은 이번이 처음이다”라며 재생의학의 새로운 세포공급원으로서 지방조직 이용 가능성을 밝혔다. 이 연구는 혈액줄기세포의 자가이식에 있어 새로운 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
1. 연구내용 요약
혈액줄기세포는 혈액계의 항상성을 유지하는 역할을 담당하는 대표적인 성체줄기세포의 일종으로, 대부분의 혈액줄기세포는 골수에 존재하고 있다. 그러나 소량의 혈액줄기세포는 혈액 내에 포함되어 체내를 순환하다가, 다시 골수로 되돌아오게 된다. 한진아 연구원, 김인준 교수, 고규영 교수 연구팀은 이 과정에서 혈액줄기세포가 골수조직 뿐만 아니라 골수와 비슷한 조건을 제공하여 적절한 환경이 조성되어 있는 조직으로, 골수와 다양한 특성을 공유하고 있는 지방조직을 연구하였다.
지방조직은 지방세포와 비지방세포로 구성되어 있는데, 우리는 생쥐의 지방조직으로부터 비지방세포를 분리하여 유세포분석기 (FACS), 세포배양 군체형성 등의 생체외 실험과 방사선 조사 후 골수이식 등의 생체실험을 실시하였다. 줄기세포를 세포치료 목적으로 이용하고자 할 때, 가장 중요한 것은 생체 내에서의 활동성이다. 우리는 방사선을 조사하여 골수를 손상시킨 동물에 비지방세포를 정맥주사하여, 이 세포로부터 유래한 혈액세포가 장기간 동물의 혈액 내에 존재한다는 사실을 입증하였다. 이는 주입된 세포군 내에 손상된 골수를 재생시킬 수 있는 능력을 가진 혈액줄기세포가 포함되어 있다는 것을 직접적으로 보여주는 증거이다. 더불어 비지방세포에 포함된 혈액줄기세포가 골수에서 유래한 것이며, 약물을 이용하여 골수 혈액줄기세포의 순환계로의 유출을 촉진시켰을 때, 보다 많은 양의 세포를 지방조직으로부터 얻을 수 있음을 입증하였다.
생쥐의 지방조직으로부터 혈액줄기세포를 얻을 수 있다는 사실을 입증함으로써 이용가능한 혈액줄기세포의 또 다른 원천을 밝혀낸 것이다. 이에 인간 지방조직에 대한 연구가 개발, 확립된다면, 연구 및 치료목적으로 응용 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.
이번 연구의 자세한 내용은 2010년 2월 4일자 Blood 저널에 표지논문으로 발표되며, 이례적으로 이 학회지를 주관하는 미국 혈액학회 (American Society of Hematology, ASH)가 세계매체를 통해 일반인에게 홍보하기로 하였다.
2. 용어설명
∙성체줄기세포 : 배아발달 단계 이후 체내에 존재하는 줄기세포로, 주로 손상된 조직을 재생, 성장시키는 역할을 담당하여 필요한 때에 특정한 조직의 세포로 분화하게 되는 미분화 상태의 세포이다. 배아줄기세포와 달리 윤리적 문제가 없고, 자가면역 반응을 일으키지 않는다는 장점이 있다.
∙비지방세포 : 지방조직에서 지방세포를 제외한 나머지 세포군을 말하며 면역세포, 혈관내피세포와 더불어 그 성격이 완전히 규명되지 않은 줄기세포들을 포함하고 있다. 지방, 연골, 근육 조직 등으로의 분화능을 보유하고 있는 등 골수 중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell)와 유사한 특성을 가지고 있다.
그림 1. Blood 학회지에 표지로 실린 사진. 지방조직에서 발견되는 혈액줄기세포 분포양상.(파란색 : 혈액 / 분홍색 : 혈액줄기세포)
그림 2. 생체외 세포군체형성. 배양된 비지방세포로부터 유래된 혈액세포군체.
그림 3. 약물투여 후 비지방세포에서 혈액줄기세포의 양이 증가함을 나타내는 결과.
2010.02.04
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매미와 개구리는 지휘자없이 어떻게 합창할까
나무위의 매미와 논두렁의 개구리는 지휘자 없이 어떻게 합창할까? 이와 관련해서, KAIST 바이오 및 뇌공학과의 조광현 교수는 생명체의 동기화된 주기적 진동신호의 생성원리를 최근 규명했다. 나무에 붙어있는 많은 반딧불들의 동시다발적인 깜빡임, 매미들의 조율된 울음소리, 뇌신경세포들간의 전기신호, 세포내 분자들의 농도변화에 이르기까지 생명체는 다양한 형태의 주기적 진동신호 교환을 통해 정보를 전달하는데, 이들은 놀랍게도 정확히 동일한 위상(phase)으로 동기화되곤 한다. 이는 마치 오케스트라에서 지휘자 없이도 모든 연주가 일정한 박자에 맞춰 이루어지는 것과 같다.
어떻게 생명체의 여러 주기적 진동신호들이 그러한 동기화를 이루는가?
우리학교 바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉) 교수 연구팀이 대규모 가상세포(virtual cell)실험을 통해 생명체의 다양한 주기적 진동(oscillation)신호들이 동기화(synchronization)되는 보편적인 원리를 규명했다.
曺교수팀은 이번 연구를 통해 여러 독립적인 주기적 진동신호들은 양성피드백(positive feedback)을 통해 서로의 위상에 영향을 줘 하나의 동일한 위상으로 수렴되는 현상을 밝혀냈다.
특히 양성피드백은 이중활성(double activation) 또는 이중억제(double inhibition)의 구조로 구현된다. 이중활성피드백은 연결시간지연이 짧을 때, 이중억제피드백은 연결시간지연이 길 때 보다 안정적인 신호동기화를 가능하게 했다.
또한, 노이즈(noise) 교란이 있을 때 이중활성피드백은 진동신호의 주기보다 진폭을 안정적으로 유지하는 반면 이중억제피드백은 연결강도에 불규칙한 변화가 주어졌을 때 일정한 주기와 진폭을 유지시켜줬다. 현존하는 대부분의 현상들이 이러한 원칙을 따르고 있었다.
이번에 규명된 원리는 생체내 주기적 진동신호의 동기화가 교란될 때 발생하는 뇌질환 등 여러 질병의 원인을 새롭게 조명하는 계기를 마련할 것으로 기대된다.
이번 연구는 기존 생명과학의 난제에 대해 IT융합기술인 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 해답을 제시할 수 있음을 보여줬으며, 향후 생명과학 연구에 있어서 가상세포실험의 무한한 가능성을 제시했다.
曺교수는 “생명체는 복잡하게 얽혀있는 것으로 보이는 네트워크속에 이와 같이 정교한 진화적 설계원리를 간직하고 있었다”며 “이러한 규칙들은 임의로 수많은 디지털 진동자들을 만들어 인공진화를 통해 신호의 동기화 현상을 관측하였을 때에도 마찬가지로 성립된다는 흥미로운 사실을 확인했다”고 말했다.
이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단 연구사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 세포생물학 분야 권위지인 세포과학저널(Journal of Cell Science) 2010년 1월 26일자 온라인판에 게재됐다.
세포생물학 실험결과만을 출판하는 이 저널에 순수 컴퓨터시뮬레이션만으로 수행된 가상세포실험 연구결과가 게재된 것은 매우 이례적인 일이다.
인터넷주소: http://jcs.biologists.org/cgi/content/abstract/jcs.060061v1
<용어설명>◯ 양성피드백(positive feedback): 서로 연결되어 있는 두 요소 사이에 어느 하나의 변화가 결과적으로 스스로를 동일한 방향으로 더욱 변화시키는 형태의 연결구조.
<사진설명>◯ 설명: A: 서로 상호작용하는 두 생체신호 진동자(oscillator)들의 예시. B: 이중활성 양성피드백으로 연결된 진동자들. C: 이중억제 양성피드백으로 연결된 진동자들. D: 연결강도에 따라 진동신호 동기화에 소요되는 시간. E: 연결강도 증가에 따라 점차 진동신호 동기화가 되어가는 모습의 예시 (좌측의 비동기화 진동신호들이 점차 우측의 동기화된 진동신호들로 변화되어 가는 과정을 나타냄).
2010.02.02
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김봉수 교수팀, 초탄성 무결점 금속나노선 개발
화학과 김봉수 교수팀은 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능한 새로운 초탄성․무결점 금속 나노선(nanowire)을 개발했다. 이는 촉매없이 금속 나노선을 기판위에 손쉽게, 원하는 형태로 성장(epitaxial growth)시킬 수 있는 원천기술이다.
교육과학기술부(장관 안병만)는「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단(단장 서상희 박사)의 지원을 받은 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 초탄성․무결점의 단결정 금속 나노선을 개발 하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(nanowire)은 단면 지름이 수십에서 수 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 정도인 극미세선으로, 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는데 핵심적인 미래기술이다.
기존의 반도체 나노선은 정렬된 성장(epitaxial growth)이 가능했으나 금, 팔라듐 등 금속 나노선의 경우에는 적절한 촉매가 없어서 이러한 정렬된 성장을 실현하기 어려웠다.
KAIST 김봉수 교수 연구팀은 증기의 양, 온도, 압력 등을 최적으로 조절함으로써, 촉매 없이 금, 팔라듐, 및 금팔라듐 합금 나노선을 원하는 대로 방향성 있게 성장시키는 데 세계 최초로 성공하였다. 또한, 어떠한 물질이라도 기판 위에 씨앗 결정을 형성하기만 하면 잘 정렬된 나노선으로 성장시킬 수 있다는 사실을 밝혔다.
※ 질병을 일으키는 병원균의 DNA 농도에 따라 금나노선에 부착되는 금입자의 갯수가 달라짐(이 금입자의 갯수로 부터 병원균의 갯수를 검출) (스케일바 : 20 nm)
KAIST 화학과 김봉수 교수는 “이 기술을 한 단계 더 발전시켜 기판 위에 씨앗을 원하는 위치에 놓을 수 있다면, 나노선의 위치 및 방향을 마음대로 제어할 수 있게 되기 때문에, 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능해져 세계 메모리 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 1월 6일자 온라인 속보판에 소개되었으며, 현재 미국 및 독일 등에 특허 출원중이다.
[그림 1] 사파이어 기판 위에 수직으로 성장한 완전 단결정 금 나노선
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 초탄성(超彈性)․무결점 뿐만 아니라 완벽히 깨끗한 표면을 가지고 있다는 특징이 있어, 나노크기의 탄성에너지 저장장치, 나노안테나, 질병진단용 메디컬 센서 등 새로운 기술분야에 다양하게 응용가능하다.
[그림 2] 금 나노선을 이용한 질병진단 센서 (예)
2010.01.18
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