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기능성 혈관전구세포 분화 성공
- 배아줄기세포 및 역분화줄기세포로 부터 기능성 혈관전구세포 분화 성공
- Blood誌 표지논문 게재, 줄기세포를 이용한 혈관질환의 세포치료 가능성 열어
우리학교 한용만 교수팀이 인간배아줄기세포 및 역분화줄기세포로부터 혈관전구세포로의 분화를 성공하였다.
이번 연구에서는 기존에 알려진 배아체형성이나 생쥐세포공배양 방식을 뛰어넘어, 인간배아줄기세포의 신호전달체계의 조절을 통해 혈관전구세포를 분화 유도하였다.
연구팀은 인간배아줄기세포를 분화하기 위해, 인간배아줄기세포의 자가재생산에 매우 중요한 역할을 하는 MEK/ERK 및 BMP 신호전달체계를 조절하여 혈관전구세포를 약 20%가량 분화 유도하였다.
이러한 방식으로 생산된 혈관전구세포는 체외에서 혈관계를 구성하는 혈관내피세포, 혈관평활근세포 및 조혈세포로의 분화가 이뤄졌고, 체내에서도 역시 혈관을 형성함을 누드마우스모델을 통해 확인하였다.
또한, 인간배아줄기세포 유래의 혈관전구세포는 하지허혈성질환동물에 주입하였을 때, 직접 혈관을 형성하거나 혈관형성에 관여하는 성장인자등을 분비하여, 하지허혈성질환동물의 혈류량이 증가한 반면 허혈성 부위의 괴사는 감소하였다.
이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호) 21세기프론티어연구개발사업인 세포응용연구사업단의 연구비 지원으로 수행되었으며, 고규영 교수(KAIST), 최철희 교수(KAIST), 정형민 교수(차의과대학교), 조이숙 박사(한국생명공학연구원) 등이 참여하였다.
연구결과는 올해 9월 美혈액학회지인 "Blood(IF:10.55)"에 표지논문으로 최종 게재되었으며, 국내특허 등록 및 해외 PCT출원을 마친 상태이다.
이 실험결과를 바탕으로, 향후 혈관질환분야에 줄기세포를 이용한 환자맞춤형 세포치료의 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.
[그림] 신호전달체계의 조절을 통한 배아 및 역분화 줄기세포의 혈관전구세포의 분화
2010.12.27
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나노튜브를 이용한 유기태양전지 효율 향상 기술 개발
우리학교 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했다.
이 연구결과는 재료공학의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최신호(11월 30일, 화) 온라인 판에 게재됐다.
반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하는 유기태양전지는 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴하다. 또한, 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원이다.
이 전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.
유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮아 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송특성을 향상하려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔다. 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구되어 왔다.
그러나 이들 연구에서는 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했다.
이러한 문제를 포함해 유기태양전지들은 상용화하기에는 아직 낮은 광변환 효율을 보여 이에 대한 성능향상이 시급히 요구되어 왔다.
KAIST 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%까지 크게 향상시키는데 성공했다.
또한 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했다.
이 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “이번 연구결과를 통해 나노소재 기술이 유기태양전지의 성능향상에도 크게 기여할 수 있음을 알아냈다”며 “앞으로 나노소재 기술을 이용한 차세
대 에너지개발을 위한 연구에 노력하겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)연구사업의 지원을 받아 김상욱, 유승협 교수의 지도하에 박사과정 이주민 학생이 진행했다.
2010.12.07
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‘가상손가락’ 아이디어로 5억 벌었다.
- 황성재 학생 개발 ‘멀티터치 모사기술’, 빅트론닉스과 기술이전계약
학생의 작은 아이디어가 기술로 구현돼 5억 원을 받고 기술이전에 성공했다.
우리학교 문화기술대학원 박사과정 황성재(28세) 학생은 모바일 환경의 태생적 단점인 손가락에 의한 화면가림현상과 디바이스를 한손으로 잡은 상황에서 멀티터치 조작이 매우 불편하다는 아이디어에 착안해, 한 손가락만으로도 핀치 줌인/아웃 등의 멀티터치 기능을 수행하는 가상손가락(Virtual Thumb) 기술을 개발했다.
이 기술은 마치 사용자가 두 손가락으로 명령을 수행하는 것과 동일한 효과를 발휘한다. 즉, 터치 지점의 대응점에 생성되는 가상 손가락을 이용, 실제 터치 동작에 대응하는 움직임을 모사하여 줌인/아웃과 회전각 기반의 다양한 명령을 수행한다.
또한 객체 회전이 필요치 않은 상황에서는 회전각 변화를 통해 다양한 명령을 직관적으로 매칭시킬 수 있다. 이는 별도의 명령 메뉴를 활성화하지 않아도 다양한 명령을 동시수행하게 만드는 기능이다. 코너 영역에서의 줌인 명령의 경우, 화면 중심으로 객체를 이동시키지 않아도 코너만을 효과적으로 줌인하는 것도 가능하다.
기술이전에 성공한 ‘가상손가락’ 기술은 지난해 12월 초 특허청이 주최한 2009 대한민국발명특허대전에서 은상을 수상한 아이디어가 기반이 됐으며, 앞으로 각종 터치기반 기기, 즉 TV 리모트 컨트롤러, 이북(eBook), 휴대폰, 태블릿PC, 내비게이션, 교육용 기기 등의 미들웨어로 적용이 가능하다.
기술이전과 관련해 황성재 박사과정은 “연구 과정에서 창출된 작은 아이디어가 발전돼 실제 기술사업화된다고 생각하니 매우 영광스럽다. 앞으로도 많은 창의적 연구를 통해 학계와 산업에 조금이나마 보탬이 되는 연구자가 되겠다.” 라고 소감을 밝혔다.
한편, 산학협력단(단장 장재석)은 이 아이디어에 대한 시제품 제작 등의 지원과 마케팅활동으로 사업화를 성공시켰으며, 국내 이동전화기 제조업분야의 중소기업인 (주)빅트론닉스와 특허양도비 5억 원에 기술이전 계약을 체결하였다고 18일 밝혔다.
2010.10.19
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가상 암세포 실험을 통한 암 전이 핵심회로 규명
- 생체시스템 모델링 및 바이오시뮬레이션 연구의 새로운 가능성을 제시 -
우리학교는 바이오 및 뇌 공학과 조광현교수 연구팀이 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구에 기반을 둔 ‘가상 암세포’ 실험을 통해 암 전이를 유발하는 핵심 분자회로를 규명했다고 14일 밝혔다.
이번 연구를 통해 알킵(RKIP)이 매개가 되는 암 전이 조절과정과 핵심회로가 규명됐다. 이로써 향후 이를 표적으로 하는 항암제 개발 등 IT를 이용한 생명과학 응용연구의 중요한 발판을 마련하게 됐다.
특히, 융합연구를 통해 생체시스템 모델링 및 바이오시뮬레이션 연구의 새로운 가능성을 제시하게 됐다.
상피세포가 중간엽세포로 변화하는 과정은 종양세포의 전이단계에서 일어나는 매우 중요한 과정이다. 이 과정의 주요 특징 가운데 하나는 세포 간 결합을 조절하는 단백질인 이카드헤린(E-cadherin)의 양이 급격히 줄어드는 것이다.
이카드헤린의 발현량은 어크(ERK)와 윈트(Wnt)가 포함된 다양한 신호전달경로에 의해 조절되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이들 신호전달경로는 다중결합 피드백회로에 의해 서로 복잡하게 얽혀 있어 실험적인 방법으로는 이들의 동역학 특성과 숨겨진 조절 메커니즘을 분석하는 것이 매우 어려운 것으로 여겨져 왔다.
조광현 교수 연구팀은 이에 대한 수학모형을 개발하고 대규모 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 이들 결합 피드백회로의 복잡한 상호작용으로 인해 일어날 수 있는 다양한 생명현상을 규명했다.
또한, 어크에 의한 알킵(RKIP) 인산화와 스네일(Snail)에 의한 알킵 전사억제 과정으로 구성된 결합 양성피드백 회로가 임계점 이상의 자극세기에서만 이카드헤린이 급격하게 발현되도록 조절함으로써 외부 노이즈에 강건한 스위칭 동작을 유발한다는 것을 규명했다.
아울러 알킵이 스네일과 슬러그(Slug)의 발현을 억제함으로써 이카드헤린의 발현이 증가되고, 이 때문에 전이과정이 억제될 수 있음을 보였다.
지금까지 전이를 일으키는 종양세포에서 알킵의 발현이 현저하게 감소되었다는 많은 임상적 보고가 있었지만, 그 근본적인 메커니즘은 알려져 있지 않았다.
한편, 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구사업과 기초연구실육성사업으로 수행됐으며, 연구결과는 순수 컴퓨터시뮬레이션 결과임에도 이례적으로 동물 또는 임상실험의 결과가 주로 게재되는 암 전문 학술지 ‘캔서 리서치(Cancer Research)’지 9월 1일자에 게재됐다.
<그림설명>암 전이과정을 조절하는 세포내 분자들 간의 다중결합 피드백 회로의 동역학 특성 및 조절메커니즘의 분석결과. 이 그림은 암 전이 조절회로에 대한 개념도와 시뮬레이션 분석에 사용된 방법 및 결과를 설명한 것이다.
A. 암 전이과정을 조절하는 세포내 주요 신호전달 네트워크의 예시.
B. 전자공학적 논리회로 분석기법을 이용해 암전이 조절회로를 정량적으로 모사하고 핵심 메커니즘을 분석하는 과정.C. 대규모 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 알킵에 의해 매개되는 결합양성 피드백 회로가 노이즈가 주어지더라도 강건하게 이카드헤린의 스위칭 동작을 유발함을 보이는 예시.
<용어설명>
◯중간엽세포: 발생단계의 중배엽에서 기원된 결합조직세포로서 여러 다른 결합조직세포로 분화할 수 있는 능력이 있는 세포.
◯EMT: 상피세포가 중간엽세포로 변화하는 과정(Epithelial Mesenchymal Transition).
◯어크(ERK): 세포의 유사분열 신호를 전달하는 단백질의 한 종류.
◯윈트(Wnt): 세포의 유사분열 신호를 전달하는 단백질의 한 종류. 특히 배아의 발생단계에서 중요한 역할을 함.
◯이카드헤린(E-cadherin): 세포 접합에 중요한 역할을 하는 단백질의 한 종류.
◯알킵(RKIP): 유사분열 신호를 조절하는 단백질의 한 종류. 특히, 암의 전이과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있음.
◯스네일(Snail): 이카드헤린의 발현을 억제함으로써 암 전이 과정을 촉진시키는 역할을 하는 단백질.
◯분자회로: 세포내 유전자, 단백질 등의 분자간 상호작용을 나타낸 회로
◯상피세포: 동물의 몸 표면이나 내장기관의 내부 표면을 덮고 있는 세포
◯전이단계: 암이 다른 부위로 퍼지는 단계
◯다중결합 피드백회로: 피드백회로가 2개 이상 중첩된 구조
2010.09.14
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KAIST, 미국 TI社 지원받아 미래 CPU개발
- 전기 및 전자공학과 유회준교수 연구실, 공식 TI Lab 지정 -
우리학교 전기및전자공학과 유회준 교수 연구실이 공식 TI Lab(Texas Instruments Lab.)으로 선정돼 연구비와 3억원 상당의 연구장비를 지원받는다.
미국의 종합 반도체 생산업체인 Texas Instruments社(이하 TI社)는 유회준 교수 연구실과 ‘사람의 뇌를 모방한 매니코어 프로세서 칩(Many-core Processor Chip) 개발’을 위한 협약을 7월초 가진 바 있다.
21일에는 박현욱 KAIST 전기및전자공학과장, 유회준 전기및전자공학과 교수와 유혜경 TI사 한국지부 반도체영업부장은 유회준 교수 연구실에서 TI Lab 선정 현판식을 가졌다.
최근 하나의 칩상에 수십 개 이상의 프로세서를 집적하는 미래형 CPU가 미국 인텔사 등을 중심으로 활발하게 연구되고 있다. KAIST 전기 및 전자공학과 유회준 교수팀은 인텔 기술을 뛰어 넘는 새로운 CPU기술을 개발해오고 있다.
TI사 관계자는 “KAIST와의 연구 협력을 통해 미래 세계를 이끌어갈 지능형 컴퓨터의 핵심 기술인 매니코어 프로세서개발에 새로운 전기를 마련할 계획”이라며 “유회준 교수 연구실과의 기술 교류를 통해 차세대 기술 개발을 선도할 수 있을 것으로 기대 한다”고 밝혔다.
유 교수는 “이번 기회로 미래 CPU를 국내 기술이 선도할 수 있는 계기로 삼고 싶다”고 말했다.
유 교수는 면적을 적게 소모하며 계산 속도가 뛰어난 아날로그 회로와 전력 소모가 낮고 정밀도가 높은 디지털 회로를 한 칩으로 하는 혼합형 회로를 통해 인체의 뇌를 모방하는 신경회로망을 설계하였으며, 이를 Many-core Processor에 일부분으로 삽입하여 인간의 뇌의 종합적인 지능을 단순처리에 능한 종래의 프로세서에 접목시키는 연구를 해오고 있다. 특히 이를 이용해 지능형 감시 카메라, 로봇 및 자동차 등의 ‘눈’을 한층 더 똑똑하게 만들어 2008년부터 매년 미국 샌프란시스코에서 발표해오고 있다.
국제 전기전자공학자학회(IEEE) 석학회원이며 세계 최고 권위의 국제 고체회로학회(ISSCC)의 아시아 지역 회장이기도 한 유 교수는 미국의 국제적인 출판사인 Wiley사에서 올해 ‘Mobile 3D Graphics SoC’라는 책을 출간했으며 2년전에는 미국 CRC 출판사에서 ‘Low-Power NoC for High Performance SoC Design’이라는 책을 펴낸 바 있다.(끝)
<용어설명>
○ Texas Instruments社 : 인텔, 삼성, 도시바와 함께 세계 4대 반도체 엔진 생산업체 중 하나
○ Many-core Processor : 10개 이상의 코어를 탑재하여 만든 프로세서, 싱글코어에 비해 처리 속도가 빠르고 전력 소모량이 적다.
○ 신경회로망 : 인간의 뇌가 물체를 인식하는 방법을 모사하여 설계한 칩으로 기존의 복잡한 연산과정을 거치지 않기 때문에 컴퓨터의 물체 인식 처리 시간을 20배 이상 빨라지게 하였으며 전력 소모량도 크게 줄였다.
2010.07.22
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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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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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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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양승만 교수, 인조오팔로부터 초소형 분광분석기 제조
- Advanced Materials 3월 5일자 표지 논문으로 소개 돼 - 초정밀 극미량 물질 인식센서로 활용
오팔은 크기가 수백 나노미터(머리카락 굵기의 약 100 분의 1정도)의 유리구슬이 차곡차곡 쌓여 있는 것으로서, 그것이 아름다운 색을 띄는 것은 오팔이 선택적으로 반사하는 파장영역대의 빛만을 우리가 볼 수 있기 때문이다. 이렇게 오팔보석이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질을 이루는 구조가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이며 이러한 구조를 광결정이라 한다. 이러한 구조의 광결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 완전히 선택적으로 반사시키는 기능을 보유하게 된다.
생명화학공학과 양승만 교수팀 (광자유체집적소자 창의연구단)은 파장이 서로 다른 빛들을 반사하는 오팔 광결정을 미세소자에 연속적으로 도입하여 무지개 같은 띠 모양으로 제작할 수 있는 기술을 확보했으며 이를 이용해 극미량의 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 칩 크기 수준의 미세분광기를 최근 제조했다.
사람마다 고유한 지문을 갖듯이 물질을 이루는 분자도 고유한 지문을 갖는데 이는 분자마다 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하거나 방출하는 독특한 스펙트럼을 갖기 때문이다.
따라서, 물질을 구성하는 분자를 광학적으로 인식하기 위해서는 분광분석기 (spectrometer)라는 기기가 필요하며 이는 물질이 갖고 있는 다양한 광정보 처리를 위해 광자소자 및 분석소자를 구성하는데 꼭 필요한 요소 중 하나이다.
그러나 기존의 분광기는 파장에 따른 빛의 공간적 분할을 위한 격자(grating) 및 빛의 진행에 필요한 공간을 요구하므로 고가의 큰 장치로만 제작이 가능하였다.
최근에 많은 주목을 받고 있는 생명공학의 산업적 이용이나 신약개발을 위해서는 부피가 나노리터(10-9L)~펨토리터(10-15L) 정도의 극미량의 샘플을 처리해야 하므로 분석실험실을 반도체 칩과 같이 초소형화한 소위 ‘칩위의 실험실: Lab on a Chip’이 필연적으로 요구된다.
이를 구현하기 위해서는 칩 내부에 분광분석기와 같은 분석소자를 설계해 도입해야 하나 기존의 기술로는 현실적으로 불가능 했다.
이번 연구 결과는 초소형 분석소자의 실용성을 구현하는데 크게 기여한 점을 인정받아 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월호 표지논문(cover paper)으로 게재됐다. 또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘광결정으로 미세 분광기를 만들다(Photonic crystals allow the fabrication of miniaturized spectrometers)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.
칩규모의 초소형 물질감지소자는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이다. 이번 연구의 결과는 초소형 분광분석기 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
그림1. 반사색이 연속적으로 변하는 광결정 분광기의 저배율 및 고배율 사진 (분광기가 손톱크기로 초소형화 되었음을 확인할 수 있다)
기본 원리는 아래 그림과 같이 다른 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정을 패턴화하면 미지의 빛이 입사할 경우 반사하는 빛의 세기만을 통해 입사한 미지의 빛의 스펙트럼을 알아낼 수 있다는 것이다.
이러한 아름다운 반사색을 보이는 광결정은 오팔보석, 공작새 깃털, 나비날개, 딱정벌레 등 자연계에 많이 존재하는데 양 교수 연구팀에서는 이를 규칙적으로 패턴화하여 전체 가시광 영역에서 배열한 것이다. 이러한 광결정을 이용하면 공간에 따른 빛의 세기분포를 파장에 따른 빛의 세기분포 즉 스펙트럼으로 물질을 이루는 분자를 재분석해낼 수 있다. 이는 기존의 분광기와는 달리 긴 진행거리를 요구하지 않기 때문에 소형화가 가능하고 신호의 검출은 미세검출기 배열을 통해 가능할 것으로 예상된다.
그림2. 가시광 영역에서 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정 (내부의 나노구조는 나비날개와 공작새 깃털 구조의 광결정와 유사하다)
<용어설명>○ 콜로이드 : 물질의 분산상태를 나타내는 것인데, 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 것은 콜로이드 상태라고 부른다. 예를 들어, 생물체를 구성하는 물질 대부분이 콜로이드 상태로 존재한다.
2010.03.16
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유회준 교수 연구팀, 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치 개발
- 붙이는 파스형태의 심장 건강상태 모니터링 장치, ‘스마트 파스’ 세계 최초개발 -
전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치를 최근 개발했다.
붙이는 파스형태로 제작돼 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 데이터통신도 가능하다.
고성능 반도체 집적회로(헬스케어 칩)가 파스 안에 장착돼 있고 파스 표면에 25개의 전극이 형성돼 있어 다양한 형태로 전극을 사용할 수 있으며 심장의 수축·이완 능력과 심전도 신호를 동시에 검출해 무선으로 외부에 알려 준다.
이 장치의 핵심은 크게 심혈관 저항 및 심전도 측정 집적회로(헬스케어 칩)와 이 칩을 내부에 장착하고 있으며 표면에 전극을 형성시킨 4층 헝겊형 기판기술이다.
직물 위에 전극 및 회로 기판을 직접 인쇄할 수 있는 P-FCB(Planar Fashionable Circuit Board)기술로 서로 다른 헝겊에 전극, 무선 안테나, 회로기판(이 헝겊의 중앙부에 헬스 케어 칩을 부착)형성한 후 플렉시블 배터리와 함께 적층해 이 장치를 제작했다.
또한 전극 제어부, 심전도·혈관 저항 측정부, 데이터 압축부, SRAM, 무선 송수신 장치 등을 가지고 초저전력으로 동작하는 특수 헬스 케어 집적회로(크기 5mm X 5mm)를 제작해 헝겊형 회로 기판 위에 부착시켰다.
전극이 형성된 헝겊 면에는 접착제가 발라져 있어 일반 파스처럼 가슴에 부착시켜 사용하게 된다. 완성품은 가로 세로 15Cm X 15Cm이며 두께는 가장 두꺼운 중앙 부분이 1mm정도이다.
특히, 헬스 케어 칩은 차동전류주입기와 재구성이 가능한 고감도 검출 회로를 통해 심혈관 임피던스 변화를 16가지 서로 다른 조합으로 0.81% 신호왜곡 이하로 검출 가능하다.
KAIST 얜롱(Yan Long, 전기및전자공학과 박사과정)연구원은 “헝겊 위에 직접 전극 배열을 인쇄하고 건강관리 칩과 플렉시블 배터리를 부착함으로서 편의성과 착용감을 확보해 간편하게 심전도와 심혈관 임피던스 변화를 동시에 측정할 수 있다.”라고 말했다.
자신의 건강상태를 실시간으로 간편하게 자가진단을 할 수 있어 지속적인 관리가 필요한 만성 심부전 환자 등을 포함한 심혈관 질병이 있는 사람들에게 안성맞춤이다.
만성 심혈관 관련 환자를 위한 건강관리 기술은 2000년 이후 전 세계적으로 꾸준한 관심을 받고 있으나, 대부분 심장의 전기적 특성 즉 심전도 신호만을 검출하는데 그쳤다. 현재까지 개발된 측정기는 크고 이물감이 있으며, 유선으로 연결되는 등 외부와의 저전력 통신이 어려워 일상생활에서 널리 사용되지 못하고 있다.
이번 연구결과는 지난 2월 8일부터 10일까지 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제반도체회로 학술회의(ISSCC)에 발표됐다.
❋ ISSCC (International Solid State Circuit Conference: 국제 고체 회로 학회)학회:1954년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE SSCS) 주관으로 매년 2월에 미국 San Francisco, Marriot 호텔에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회로 ‘반도체 올림픽’이라고 불리우고 있음. 전 세계로부터 4천여명의 학자와 연구원들이 참여한 가운데 매년 반도체 분야 최우수 논문 210편만을 엄선하여 3일 동안 발표하면서 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 반도체 산업과 기술을 논의하는 학회임.
(사진 1) 스마트 파스 구조
스마트 파스는 총 4층 구조로 형성 되어 있으며 그 크기는 15cm x 15cm 이다. 가슴에 부착하는 면인 제 1층은 25개의 전극이 형성되어 이 중 4개는 전류 주입 전극으로 16개는 전압 측정 전극으로 5개는 기준 전극으로 사용할 수 있다. 제 2층은 직물형 인덕터(2.2uH, Q=9.2)로 스마트 파스의 무선 데이터 통신을 지원한다. 제 3층은 플렉시블 배터리(1.5V, 30mAh)로 파스를 하루이상 지속적으로 사용할 수 있도록 전원을 공급한다. 제 4층은 직물형 인쇄 회로 기판으로 그 위에 고성능 반도체 칩이 장착되어 있다.
(사진 2) 스마트 파스 사용 예
사용자가 스마트 파스를 가슴에 붙인 모습을 보여 준다. 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 25개의 전극배열이 피부와 접착되어 있어 심혈관 저항 및 심전도를 여러 가지 형태로 측정하여 내장메모리에 저장 또는 휴대용 단말기기로데이터를 고속으로 송신도 가능하다.
(사진 3) 스마트 파스 측정 예스마트 파스를 통하여 측정된 심전도 신호와 심혈관의 저항의 변화를 보여 준다. 이러한 신호로부터 심장의 수축 이완 능력을 편리하게 일상생활 속에서 측정 가능하다.
(사진 4) 스마트 파스에 장착된 헬스 케어 칩
직물형 인쇄 회로 기판에 장착되어 있는 고성능 반도체칩(헬스케어 칩)의 사진과 제원이다. 본 헬스케어 칩은 최대 3.9mW의 전력을 소모하며 평균 2.4mW의 전력소비로 0.1옴이하의 저항 변화를 고감도 회로를 통하여 검출 가능케 하는 것이 특징이다.
2010.02.10
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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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