Research

박태호 교수팀, 통념 뒤집고 부드러워도 똑똑한 고분자 만들었다

낮은 결정성에도 우수한 전하이동도 보이는 고분자 개발 - 손목에 찰 수 있는 휴대폰, 신문처럼 접을 수 있는 디스플레이 등 SF영화에서 존재하던 웨어러블 전자기기들은 이제 우리 사회에 한층 더 가까워졌다. 바로 유연하게 잘 구부러지는 고분자들이 전자소자로 만들어지면서부터다. 하지만, 더욱 첨단화되는 기기에 비해 고분자의 물성에는 한계가 있어 아직까지도 학계에서는 더 우수한 물성을 가진 신소재 찾기에 열을 올리고 있다. 화학공학과 박태호, 박찬언 교수 ․ 통합과정 손성윤, 김예별씨 연구팀은 ‘결정성이 높아야 전하이동도도 높다’는 학계의 통념을 뒤집고 낮은 결정성에도 높은 전하이동도를 나타내는 새로운 고분자를 합성해 화학분야 권위지 JACS 표지논문을 통해 발표했다. 주요논문(spotlights)으로도 선정되며 학계의 높은 주목을 모은 이 성과는 다른 물질에 비해 결정성이 낮아 웨어러블이나 플렉서블 전자소자에 응용될 것으로 기대되고 있다. 원자나 이온이 규칙적으로 배열되어 있는 고체상태의 물질을 결정이라고 하는데, 소재들은 이러한 결정과 배열이 불규칙적인 비결정 영역이 섞여 있다. 특히 전도성 고분자로 이루어진 소재의 경우, 결정영역의 고분자 사슬이 규칙적으로 되어 있어 전하의 이동이 빠르게 이루어지고, 비결정영역에서는 그 사슬이 불규칙적이라 연결성이 떨어져 전하의 움직임이 저하된다. 전자소자의 경우 전하의 이동이 곧 성능을 좌우하기 때문에, 소재의 결정성을 높임으로써 전하이동도를 높이는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 문제는 이런 방식으로 전하 이동도를 어느 수준까지는 향상시킬 수 있지만, 대부분의 전도성 고분자는 결정성과 비결정성을 고루 가지고 있어 결정성을 높이는 것만으로는 한계가 있을 수 밖에 없었다. 또, 결정성을 증가시켜도 고분자의 기계적 물성이 저하되면서 유연 전자소자로 이용하기엔 어려움이 있었다. 연구팀은 밀도를 조절하는 간단한 방법으로 비결정영역 속의 고분자 사슬의 연결성을 높임으로써 원활한 전하이동이 이루어지도록 만들어 새로운 고분자 물질을 만드는데 성공했다. 이 물질은 결정성이 낮으면서도 같은 계열의 고분자 중 가장 높은 전하이동도를 보일 정도로 전하이동도가 높아 기계적 물성과 전기적 특성이 모두 우수한 것으로 확인됐다. 이 연구는 웨어러블 기기나 플렉서블 전자소자에 활용되는 유기전자소자 연구에 활용될 것으로 기대된다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 글로벌프론티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

이산화탄소 잡을 더 강력한 ‘효소’ 만들었다.

화학공학과 차형준 교수팀, 탄소자원화 위한 열안정성 높인 탄산무수화 효소 개발, 친환경성과 경제성으로 높은 주목.. 화공 차형준 교수팀, 탄소자원화 위한 열안정성 높인 탄산무수화 효소 개발 지구가 더워지고 있다. 지구의 열기 때문에 기후가 급격하게 변화하며 태풍과 홍수, 한파로 인한 피해가 급증하고 있다. 그래서 그 대표적인 원인 중 하나인 화석연료 사용에 의한 이산화탄소 배출로 비난의 눈길이 쏠린다. 이에 ‘지구온난화’의 주범인 이산화탄소를 이용해 새로운 소재를 만드는 탄소자원화 연구가 눈길을 모으고 있지만, 최근 탄소자원화의 효과적인 방안으로 주목받고 있는 탄산무수화 효소의 안정성이 낮다는 점은 산업 적용에 큰 걸림돌이었다. POSTECH (포항공과대학교, 총장 김도연) 화학공학과 차형준 교수 ․ 조병훈 연구교수 연구팀은 서울대 화학생물공학부 유영제 교수 연구팀과 함께 기존의 경제적으로 대량생산이 가능한 탄산무수화 효소에 자연계에 존재하지 않는 새로운 이황화 결합*¹ 을 도입해 안정성을 대폭 향상시킨 탄산무수화 효소를 개발하는데 성공했다. 탄산무수화 효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산염을 자연반응보다 천만 배 빠르게 만드는 효소로, 여기서 만들어진 탄산염이 양이온과 반응하면 새로운 탄산화합물이 만들어진다. 이 화합물은 인공뼈나 칼슘보조제와 같은 고부가가치 의료용품이나 시멘트, 플라스틱, 제지와 같은 공업용 재료로 활용할 수 있어 친환경성과 경제성으로 높은 주목을 끌었다. 하지만, 탄산무수화 효소의 열적 안정성이 낮아, 높은 온도에서 견뎌야 하는 산업공정에는 활용할 수 없다는 점이 한계로 지적되어 왔다. 기존에도 이황화 결합을 통해 열적 안정성을 높이려는 연구는 있었지만, 그 효과는 미미하였다. 공동연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 이황화 결합을 도입한 탄산무수화 효소 변이체들을 디자인하였다. 이렇게 개발된 변이체는 8배 이상 열적 안정성이 향상되어 고온 공정의 산업적 적용에 유리한 특성을 나타냈다. 연구를 주도한 POSTECH 차형준 교수는 “이번 연구는 탄소자원화를 위한 생물모방 전환 연구의 일환으로 열안정성과 경제적 대량생산능력을 갖춰 산업공정에 적용이 가능할 수 있는 강력한 탄산무수화 효소를 개발하였다는 점에 의의가 있다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 ‘나노바이오촉매 기반 고효율 이산화탄소 전환 및 활용 기술 개발’의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 7일자(현지시간) 게재됐다. *용어 설명 1. 이황화 결합 단백질을 구성하는 두 개의 시스테인 아미노산이 산화하여 이루어지는 강력한 화학 결합.

‘태풍 발원지’ 웜풀의 팽창 범인, 인간의 ‘지문’ 찾았다

관측에 나타난 인도–태평양 웜풀 팽창(1953-2012) 여름의 상징이기도 한 태풍과 폭우는 인도-태평양에 위치한 지구에서 가장 뜨거운 바다 ‘웜풀(warm pool)’로부터 나온다. 이 웜풀 주변은 엄청난 폭우가 쏟아지며 이를 통해 지구의 대기와 물의 순환에 핵심적인 역할을 하고 있다. 하지만, 지구온난화 현상으로 이 웜풀 주변의 국가들은 강한 비와 생태계 파괴로 피해를 입고 있다. 더욱이 이 웜풀이 점차 커지고, 강력해짐에 따라 우리나라로 넘어오는 태풍이나 집중호우에도 큰 영향을 미치고 있는 상황이다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김도연) 환경공학부 민승기 교수팀은 웜풀의 팽창 주범이 인간에 의한 온실가스라는 증거와 함께 이 웜풀의 팽창이 우리나라를 포함한 동아시아, 호주 등의 폭우나 태풍의 변화를 유도한다는 연구결과를 밝혀내 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’지를 통해 발표했다. 지금까지 온실가스의 증가는 해수면의 온도와 높이를 상승시킨다는 연구결과는 있었지만, 이 웜풀의 변화에 관여한다는 증거를 제시한 것은 이 연구가 처음이다. 연구팀은 1950년대 이후 발생한 인도-태평양의 웜풀 변화에 미치는 인위적, 자연적 요인을 분석했다.용의자의 지문을 일반인들의 지문과 대조하여 범인을 찾아내듯, 여러 변수를 기반으로(다중선형회귀) 관측한 패턴을 모델 패턴과 비교해 원인을 밝혀내는 ‘최적지문법(optimal fingerprinting technique)’을 이용한 연구팀은 인간의 활동에 의해 만들어진 온실가스가 인도-태평양 지역의 웜풀 팽창에 영향을 미친다는 것을 밝혀내는데 성공했다. 이러한 분석은 과거의 기후 변화를 알 수 있을 뿐 아니라, 온실가스의 증가에 따른 기후 변화 전망의 신뢰도를 높이는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 더욱이, 이 웜풀이 인도양과 태평양 중 어떤 해역으로 팽창하는가에 따라 우리나라가 속한 동아시아, 서인도양, 혹은 호주까지 태풍이나 폭우 등의 기후 변화에도 영향을 미치기 때문에 큰 관심이 필요하다. 연구를 주도한 POSTECH 민승기 교수는 “온실가스 증가에 따른 웜풀의 팽창은 앞으로도 계속될 것으로 예상된다”며 “이러한 인위적인 팽창은 인도양과 태평양 해역에서 비대칭적인 패턴으로 일어날 수 있고,피해를 입힐 수 있는 강수나 태풍과도 연관이 있어 지속적인 연구가 필요할 것”이라고 설명했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부의 브레인풀사업, 기상청의 기상See-At기술개발 사업의 지원으로 수행됐다.

POSTECH, ‘1+1’로 상온다강체 “간단 합성”

장현명 교수팀, 두가지 상 공존하는 다강체 박막 합성 강유전체는 외부의 전기장이 없어도 마치 건전지처럼 스스로 전기적 분극을 유지할 수 있는 물질로, 다강체는 이러한 강유전체로서의 특성과 자성(磁性)을 동시에 가져 차세대 메모리 소자로의 응용이 기대되는 독특하고 희귀한 물질이다. 하지만, 이 물질을 전자소자로 합성하기 위해서는 다강성이 나타날 수 있는 온도를 상온 이상으로 만드는 것이 관건이었다. POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 장현명 교수 ․ 송승우 박사 ․ 박사과정 한현씨 연구팀은 대표적인 철 산화물 LuFeO3의 박막을 증착하면서 상온에서 다강성을 나타나게 하는데 성공했다. 다강체의 후보물질들 중 정육각형 기둥을 이루는 결정구조, 육방정계(hexagonal system) 산화물의 경우 상온에서 강유전체 특성이 나오지만, 너무 낮은 온도에서 자기적 특성이 나오고, 사각기둥의 사방정계(orthorhombic system)의 물질은 상온 이상에서 자기적 특성이 나오지만, 전기적 특성은 너무 작아 전자소자로 응용하기에는 어려움이 있었다. 연구팀은 두 성질이 동시에 드러날 수 있도록 육방정형과 사방정형 구조가 한꺼번에 공존할 수 있는 열역학적 근거를 발견, LuFeO3 박막을 증착하는 조건을 조절해 육방정형과 사방정형 박막을 동시에 성장시켰다. 그리고 이 박막에서 상온에서 소자로 구동할 수 있는 수준의 전기적․자기적 분극을 측정할 수 있었다. 이와 함께 이 2가지 결정들이 각자 사이에 나노구조를 형성하며 성정해 전자기적 짝이룸 현상이 나타나는 것도 확인했다. 이러한 연구결과는 앞으로 전원이 꺼져도 메모리가 날아가지 않는 비휘발성 자기메모리 개발에 응용할 수 있으며 차세대 소자로 주목을 모으는 스핀트로닉스 소자 중 물질 내부의 스핀방향을 조절해 전기적 저항을 조절할 수 있는 자기저항 센서를 개발하는데 활용될 것으로 기대된다. 연구의 제1저자인 송승우 박사는 “이번 연구에서는 아주 희귀하게 존재하는 상온 다강체를 두가지 결정형태의 박막을 동시에 증착시키는 방법으로 간단히 만들어냈으며, 이러한 물질이 소자로 활용가능한 수준의 물성을 가지고 있다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다”고 설명했다. 재료분야 세계적 학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지 최신호에 게재된 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자지원사업과 포스코의 그린사이언스 프로그램의 지원으로 수행됐다.

실리콘, 소리를 만나 ‘빛’을 발하다

POSTECH-美 예일대 공동연구팀, 브릴루앙현상 이용 실리콘 광증폭 첫 구현 반도체의 재료로 가장 많이 사용되어 온 실리콘은 가격이 저렴하면서도 높은 순도로 제작할 수 있어 지금까지 전자공학계에서 활발하게 활용된 물질이었다. 하지만 전자공학 분야와는 달리 빛을 이용하는 광학분야에서 실리콘은 다양한 광학적 장점에도 불구하고 자체 발광(發光)하는 성질을 가지고 있지 않아 실리콘 기반의 광증폭기 또는 레이저로 개발하기는 쉽지 않았다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김도연)과 미국 예일대 공동연구팀이 이런 실리콘 칩 위에서 빛과 소리진동의 상호작용을 이용해 광 증폭을 처음으로 관측하는데 성공했다. POSTECH 물리학과 신희득 교수, 예일대 피터 라키치(Peter Rakich) 교수 연구팀이 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지를 통해 발표한 이 연구성과는 물질이 지닌 한계를 나노구조 설계로 극복함으로 생겨난 광증폭이라는 점에서 관심을 받고 있고, 실리콘 기반의 새로운 광소자나 실리콘 레이저 소자를 개발할 수 있는 기반 기술로 주목을 모으고 있다. 연구팀은 우선 최근에야 보도된 실리콘 광도파로(waveguide)*1에서 관측된 브릴루앙 효과*2에 주목했다. 이는 빛이 결맞음이 있는 소리진동에 의해 산란하는 현상으로 광통신분야에서 광섬유 노이즈의 주된 원인으로 알려져 있는 현상이지만, 이 연구에서는 강한 브릴루앙 효과를 유도하기위해 새로운 형태의 실리콘 광도파로의 구조를 만들어 소리진동과 빛의 상호작용을 강화시켰다. 일반적인 형태의 실리콘 광도파로에서 빛의 손실은 적지만 소리진동은 기판을 통해 사라져 손실이 크다. 이를 막기 위해 연구팀은 실리콘으로 광도파로, 즉 빛이 흐르는 길을 만들되, 이 길이 기판 위에 떠 있을 수 있도록 했다. 그 결과 진동에너지 손실이 획기적으로 줄어들며 빛과 소리가 강력하게 결합해 강한 광 증폭에 성공할 수 있었다. 이 연구는 특히 빛과 소리진동이라는 서로 다른 형태의 에너지를 결합해 기존에 볼 수 없었던 현상을 일으켰다는 점에서 학계의 큰 관심을 모았다. 또, 이 빛과 소리의 상호작용을 조절함에 따라 지금이라도 당장 응용이 가능한 새로운 소형 레이저나 광증폭기를 실리콘 기판 위에 만들어 새로운 광신호 처리기술로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다. 연구의 공동 제1저자인 신희득 교수는 “물질 자체의 성질이 아니라 나노 구조 설계를 통해 실리콘에서 빛을 증폭시킨 연구”라며 “불가능을 가능하게 만든 이 실험은 빛과 소리진동의 결합이란 발상으로 광신호처리 연구의 새로운 패러다임을 열 것”이라고 전망했다. 한편, 이 연구는 미국방위고등연구계획국(DARPA)과 POSTECH 연구비 지원 사업의 지원을 통해 수행됐다. * 용어설명 1. 광도파로(waveguide) 빛의 전반사 성질을 이용하여 머리카락보다 훨씬 얇은 투명한 구조물 내에서 빛을 한 쪽 방향으로 전파시키는, 빛이 흐르는 길 혹은 터널을 의미한다. 2. 브릴루앙 산란 효과(Brillouin scattering) 펌프 빛이 결맞음이 있는 소리진동과의 상호작용을 통해 산란되는 현상을 의미한다. 이때 소리진동의 주파수는 가청 주파수보다 훨씬 높은 GHz영역대이고 산란된 빛과 펌프 빛의 주파수차이는 소리진동의 주파수와 같다. 일반적인 브릴루앙 산한 효과는 펌프 빛과 산란된 빛이 서로 반대방향으로 진행하지만 이 연구에서는 같은 방향으로 진행한다.

POSTECH, 압연공정 자동화 위한 수식 모델 개발

기계 황상무 교수팀, 정상적 판 압연 프로파일 예측 기술 발표 금속의 소성(塑性)을 이용해 금속재료를 다양한 형태로 가공하는 압연공정은 다른 제조 공정에 비해 빠르고 생산비가 싼 것을 특징으로 하고 있다. 그런데 이 공정에서 가장 중요한 것은 판 프로파일*1과 잔류응력*2을 예측하는 정밀 수식 모델이다. POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 황상무 교수팀은 이러한 정밀 수식 모델의 개발에 성공하였고 이를 철강분야 권위지인 스틸리서치(Steel Research)지를 통해 발표했다. 학계의 주목도를 고려해 이 저널 7월호 표지논문으로 선정된 이 성과는 압연 직후 발생하는 후 변형의 영향을 정확하게 판 프로파일과 잔류응력의 예측에 반영해 나오게 됐다. 지금까지는 압연 중 강판의 판 프로파일이나 잔류응력을 정확하게 예측하기 어려워 압연 공정의 완전 자동화에 결정적 걸림돌이 되어왔다. 연구팀은 다양한 예측치와 시뮬레이션 계산치, 실측치와 비교하면서 개발한 수식 모델의 정확성을 검증했다. 이 모델이 적용되면 기존의 운전자에 의한 경험기반 조업을 자동 조업으로 대체함으로서 생산성의 획기적 향상은 물론 잔류응력이 존재하지 않으면서 평탄도가 탁월한 고부가가치 강판의 생산에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. *용어 설명 1. 판 프로파일 (strip profile) 박판강의 단면 2. 잔류응력 외력(外力)을 없앤 상황에서도 재료 내부에 존재하는 저항력. 담금질, 용접에 의한 결과로 생긴다.

세계최초로 키조개에서 연조직-경조직 접착단백질 발견

경조직 계면 코팅 및 접착 신소재로서 응용분야 다양 POSTECH 환경공학부 황동수 교수팀이 세계 최초로 딱딱한 조직과 부드러운 조직을 접착시키는 연조직-경조직 접착단백질을 키조개에서 발견했다. 키조개의 실크섬유는 누에와 달리 생산량이 적지만, 고대 그리스 로마시대부터 현재까지 지중해 연안에서 가공되어 ‘서양의 실크(Wester Silk)’로 불리며 널리 사용되어 왔다. 이 실크 섬유(경조직)는 키조개의 부드러운 조갯살(연조직)을 관통하여 존재하는데, 두 조직 경계면의 기계적 강도 차이에도 불구하고 연조직 손상이 일어나지 않는다. 황 교수팀은 물리적 강도가 차이가 나는 연조직과 경조직의 접착면을 조사한 결과, 두 조직 경계면에 퓨전단백질(Apfp-1)이 있다는 것을 밝히고 퓨전단백질의 코팅단백질 부분은 경조직(키조개 실크섬유)에, 탄수화물(당)을 인지하는 렉틴 부분에는 연조직(키조개 조갯살)이 결합하고 있다는 것을 규명했다. 이번 연구결과는 그동안 국내에서는 버려지던 키조개의 실크섬유에서 의료용 접착 원천소재 개발에 필요한 핵심원리를 파악했다는 점에서 주목을 받고 있다. 황 교수팀이 밝혀낸 이 단백질의 접착원리를 활용하면 인체의 물리적 강도가 다른 조직 간의 접착, 특히 의료용 임플란트(주로 티타늄 소재)의 부드러우면서 안정적 접착이 가능케 할 새로운 의료용 접착제 개발에 활용할 수 있다. 특히, 이번 연구를 기반으로 후속 연구를 진행하면 임플란트 접착 단백질, 인공연골용 코팅 물질 등 새로운 시장 개척이 가능할 것으로 전망된다. 한편, 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’지를 통해 발표된 이번 연구는 해양수산부의 ‘해양섬유복합소재 및 바이오플라스틱 소재기술개발’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.

김동표 교수 연구팀, 통제 불가능한 분자를 1만분의 1초 조절하는 기술 세계 최초 개발

화학합성 도중에 형성되는 초단수명 반응중간체는 구조변화 혹은 분해가 매우 빨라서, 마치 사납게 날뛰는 야생마와 같이 다루기가 어려운 분자물질이다. 현재까지 이를 제어할 수 있는 기술이 없어, 순도가 낮은 혼합물을 생산하여 분리 정제하는데 시간과 고비용이 발생하였다. 쉽게 말하면, 사람이 통제할 수 없을 정도로 매우 빠르게 생성과 분해, 변화 등이 무분별하게 진행되기 때문에, 길들이기 어려운 야생마와 같이 반응과정을 조절할 수가 없었다. 따라서 반응 중간체의 구조가 변하지 않는 찰나에 원하는 반응을 일으켜 한 종류의 분자물질만을 고순도로 생산하고, 다른 쓸모없는 반응들은 일어나지 않도록 통제하는 기술이 시급하다. 이에 대해 POSTECH 화학공학과 김동표 교수 연구팀과 일본 교토대 준이치 요시다(Jun-ichi Yoshida) 교수 연구팀의 공동연구를 통해 인간이 통제 불가능했던 분자의 반응시간 영역을 새로운 화학공학 기술인 미세반응기로 1만분의 1초까지 통제하는 고효율 화학합성 기술을 개발했다. 연구팀은 다양한 변화 가능성이 있는 초단수명 분자물질을 1만분의 1초 내에 활용할 수 있는 특수반응 장치와 합성기술을 개발하여 한 가지 물질만을 고순도로 연속 생산하는 기술을 개발하였다. 본 연구단에서 자체 개발한 폴리이미드 필름 기반의 미세반응기는 극저온에서도 구동이 가능하며, 높은 내압성과 분자의 반응시간 영역에서도 우수한 혼합성능을 가지도록 개발하였다. 특히, 활성화된 반응 중간체의 일련의 화학반응 과정 (1차 반응, 반응 중간체의 형성, 반응 중간체의 구조 변화조절, 2차 반응) 이 1만분의 1초 내에 완벽히 순차적으로 일어나도록 하여, 원하지 않는 반응을 억제, 혼합물 분리가 필요 없이 고순도 화합물을 생산하였다. 본 연구에서 가장 중요한 점은, 지금까지 접근하지 못했던 분자의 반응시간 영역을 인간이 조절할 수 있게 되었다는 것이며, 이는 기존 반응과정과는 다른 새로운 결과를 만들어 냈다는 것에 큰 의미가 있다. 수명이 매우 짧아 인간이 통제 불가능했던 분자의 반응시간 영역을 1만분의 1초까지 조절할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발함으로써, 향후 고순도 신약 및 화학약품을 경제적으로 생산할 수 있는 기술기반을 마련하였다 연속 합성공정 시스템으로 단수명 반응 중간체를 선택적으로 붙잡아 골라내는 기술을 여러 화합물 합성에 적용할 경우, 약물합성이나 신물질 개발에 있어서 고비용의 다단계 공정을 거치지 않고, 혼합물의 분리가 필요 없는 고효율 합성을 이룰 수 있게 된다. 특히 의약품 합성, 천연물 합성 등에 있어서, 구조의 조절은 매우 큰 난제로 남아 있기 때문에, 본 연구의 기술이 크게 활용될 수 있다. 뿐만 아니라, 기존에 불가능하던 새로운 합성 경로를 통해 반응을 조절하기 때문에, 다양한 신약과 가치 있는 화합물의 개발을 더욱 발전시킬 수 있다. * 본 보도자료는 미래창조과학부에서 배포 되었습니다.

이승재 교수팀, 영양소 섭취와는 별도로 음식의 맛과 냄새가 수명에 미치는 영향 밝혀내

미식가는 오래 못 산다?! 달콤하고 짭짤한 맛을 번갈아 즐긴다는 뜻의 ‘단짠단짠’은 맛있지만 몸에 좋지 않은 설탕과 나트륨을 과하게 섭취할 위험이 커 소위 악마의 굴레라고 불린다. 그렇다면 한 입씩 맛만 보고 숟가락을 내려놓으면 괜찮은 것일까? 새로운 연구결과에 의하면 영양분 섭취와는 별도로 음식의 맛과 냄새의 자극만으로도 수명이 변할 수 있다고 한다. 생명과학과 이승재 교수와 박사과정 뮤라트 아르탄(Murat Artan)씨는 맛과 냄새를 감지하는 감각신경세포가 자극을 받아 활발하게 작용하면 체내의 인슐린 유사물질이 늘어나 몸 전체의 노화를 촉진시키고 수명을 줄인다는 사실을 발견했다. 연구팀은 노화 연구에 널리 쓰이는 예쁜꼬마선충을 이용해 감각신경계가 수명에 미치는 영향과 그 메커니즘을 밝혀냈다. 예쁜꼬마선충은 생체구조가 단순하고 3주간의 짧은 생애주기를 지닌 데다 노화를 조절하는 유전자가 포유동물과 같으면서도 유전자 조작이 손쉬워 수명 연장의 비밀을 풀 열쇠로 주목받고 있다. 예쁜꼬마선충의 경우 환경요인을 감지하는 감각신경계가 수명을 50%까지 바꿀 수 있다는 점이 알려져 있었지만, 감각신경세포가 어떠한 요인에 반응하여 수명에 영향을 미치는지에 대해서는 지금까지 알려진 바가 거의 없었다. 연구팀은 예쁜꼬마선충의 먹이인 대장균에서 감각신경에 자극을 주는 화학물질을 추출해 실험한 결과, 맛과 냄새를 감지하는 신경세포가 활성화되면 INS-6라고 하는 인슐린 호르몬의 분비가 증가하는 것을 발견했다. 이 호르몬은 수명연장에 관여하는 것으로 알려진 FOXO인자의 활동을 둔화시킴으로써 체내 다른 부위에 신호를 보내 수명을 단축시키는 것으로 밝혀졌다. 또, 연구팀은 맛과 냄새를 감지하는 신경세포의 활성화가 수명 단축에 직접적인 영향을 끼친다는 것을 확인하기 위해, 빛을 통해 특정 감각 신경계의 활성에 영향을 주는 광유전학 기술을 사용한 자극으로도 같은 결과를 얻었다. 이번 연구결과는 INS-6 호르몬이 수명을 조절한다는 것과 감각신경세포가 주변의 환경 변화를 감지하는 과정이 수명을 결정짓는 가장 첫 번째 단계임을 규명해냈다는 점에서 학계의 주목을 받았다. 더욱이 광유전학 기술이 향후 노화와 수명 조절 기술로 개발될 수 있는 가능성을 제시해 의미를 더했다. 이러한 성과를 인정받아 이 교수팀의 연구는 생명과학분야에서 세계적 권위를 지닌 국제학술지 ‘진스 앤 디벨롭먼트(Genes and Development)' 최신호의 표지 논문으로 게재됐다. 논문 교신저자인 이 교수는 “음식의 영양분이 아닌 냄새와 맛 자체가 수명에 영향을 줄 수 있다는 사실을 증명해낸 것”이라며, “감각신경세포에 가해지는 자극으로 인해 수명이 변하는 메커니즘을 발견한 이번 연구가 향후 노화와 수명조절에 중요한 실마리를 제공할 것으로 전망된다”고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 기초연구실(Basic Research Laboratory) 지원 사업 및 석천대웅재단의 학술연구 지원 사업으로 수행됐다.

‘극한환경로봇 연구실’ 유선철 교수팀, 해저탐사․건설 새 길 개척

최근 소형 드론(무인항공기)을 이용해 하늘에서 내려다보는 듯 한 항공촬영 이미지가 다양하게 쓰이고 있다. 특히, 화산 폭발과 산불 등 사람이 접근하기 힘든 재해현장 및 험한 지형을 파악하는 데 중요한 역할을 한다. 그렇다면 산소부족과 거친 해류, 수압 등을 견뎌야 하는 바다 속은 어떨까. 지금까지는 초음파의 반사를 이용하거나 수중 로봇을 투입해 촬영해왔지만, 3차원 지형을 구현하기에는 정밀하지 못했다. 창의IT융합공학과 유선철 교수․조현우 연구교수․석박사 통합과정 표주현씨가 바다 속에서도 수 밀리미터(mm)단위의 정밀한 위치 이동이 가능한 수중 촬영로봇 “Cyclops(싸이클롭)”을 개발하여, 국내 최초로 3차원 해저 지형도 및 실사 모형 제작에 성공했다. 로봇을 이용하여 촬영된 기존의 수중 영상은 높은 해상도를 구현하거나 로봇의 이동에 따른 영상 간의 변화를 최소화하는 일이 어려워 2차원 수준의 이미지에 머물렀다. 2차원 데이터로는 수중 지형을 필요만큼 정확하게 파악할 수 없어 이를 개선하기 위한 다각도의 연구가 이루어 졌으나 실제 3차원 지형을 구현할 정도의 고해상도의 이미지는 얻지 못하였다. 알고리즘 개발을 통해 수중 로봇을 정밀하게 제어할 수 있는 방안 또한 중점적으로 연구 되어 왔으나 다양한 변수가 존재하는 해양환경에서 실질적인 효과를 거두기는 어려웠다. 유 교수팀은 정밀한 위치 제어 성능에 초점을 맞춰 ‘벌크 업’한 로봇을 설계․제작함으로써 이러한 문제를 해결했다. 기존의 수중로봇과는 달리 드론처럼 전후좌우상하 어느 방향으로도 직진 이동이 가능하도록 각 방향에 전용 추진기를 장착하여 사전에 설정된 촬영 지점에 정확하면서도 효율적으로 도달할 수 있도록 했다. 유 교수팀이 개발한 싸이클롭은 수중에서 가상의 격자 위에 놓인 수백 개의 촬영 지표들을 따라 이동하며 사진 촬영을 자동으로 수행해, 육상에서 지형 계측을 위해 촬영된 이미지와 견줄 만한 고화질의 수중 지형 데이터를 얻었다. 유 교수팀은 얻어진 데이터를 3차원 수중 지형도로 제작, 최근 각광받는 3차원(3D) 프린터를 이용해 수중 지형을 정확한 비율로 축소한 실사 모형을 구현했다. 이번 연구 성과로 다양한 해저탐사와 지형계측의 새로운 가능성이 열릴 것으로 전망된다. 수 센티미터(cm)의 변화도 알아볼 수 있을 만큼 정밀한 데이터를 얻을 수 있어 지질․생물학 관점의 주기적 해저 환경 변화 조사에 활용하면, 어업에 심각한 손실을 입히는 백화현상*1이나 지각변동 등도 예측 가능하다. 특히, 광범위한 지역을 포괄적으로 파악할 수 있는 해저 초음파 영상조사와 함께 사용하면 상호보완적인 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 이 데이터는 또, 화질이 우수할 뿐만 아니라 정확한 3차원 좌표 데이터를 기반으로 하고 있어, 해저터널과 같은 인프라 건설 및 군사 목적을 위한 해저 지형 조사에 효과적일 것으로 전망하고 있다. 연구를 주도한 유 교수는 “싸이클롭을 통해 촬영된 영상은 항공기나 드론으로 지상을 촬영하는 작업을 수중에서 했다고 볼 수 있다”며, “3D 프린터 출력을 통한 실사 지형도를 직관적으로 활용할 수 있어 수중 환경 정보를 필요로 하는 많은 분야에 큰 도움이 될 것“이라고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 2016년 해양수산부의 재원으로 한국해양과학기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다. 1. 백화현상(whitening event) 산호처럼 생긴 석회질 성분의 홍조류가 바다 속에 퍼져 바다 밑바닥을 하얗게 만드는 현상. 백화 현상이 일어나면 생물이 살 수 없어 일명 ‘바다의 사막화 현상’이라고도 한다.