Research

이기택 교수팀, 대기 오염물질이 해양 환경 변화시켜 해양 생태계 위협 구명 (2011.9.23)

Science지 게재, “대기를 통한 질소 오염물질 유입으로 인한 해양 질산염 증가 발견” 포항공과대학교(총장 김용민) 환경공학부 이기택 교수 연구팀(제1저자 박사과정 김태욱)이 국내외 공동연구팀(펜실베니아 주립대학교, 국립수산과학원, 서울대학교)과 함께, 인간 활동으로 발생한 대기 오염물질이 해수의 화학적 조성을 변화시키고, 해양 생태계에 영향을 줄 수 있다는 새로운 사실을 밝혔다. 국내 연구진이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)과 국토 해양부(장관 권도엽)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과의 중요성을 인정받아 사이언스 익스프레스(Science Express)를 통하여 9월 22일자(미국 동부시각으로 2:00 pm, 한국시각으로 23일 금요일 오전 3시)로 먼저 공개 되었고, 10월경에 세계 최고 권위의 과학학술지인 사이언스(Science)지에 정식 출판될 예정이다. (논문명 : Increasing N abundance in the northwestern Pacific Ocean due to atmospheric nitrogen deposition) 이기택 교수의 공동 연구팀은 동해 및 황해, 동중국해에서 지난 30년간 수집된 해양 조사 자료를 분석하여 질산염 농도가 꾸준히 증가하고 있다는 새로운 사실을 밝혀냈다. 또한 최근 10년간 한국 및 일본에서 수집된 질소 오염물질의 대기 침적량과 비교한 결과, 그 원인이 질소 오염물질의 침적이라는 사실을 밝혀냈다. 본 연구는 화석 연료 사용와 농/축산업 활동으로 대기로 배출된 질소 오염물질(질소 산화/환원물질)이 대기를 통해 이동한 뒤 연근해에 침적되어 해양 환경에 영향 준다는 직접적인 증거를 제시하였다. 질산염은 해양 생태계의 근간을 이루는 식물 플랑크톤에게 필수적인 영양분으로, 이러한 해양 질산염 농도 증가는 식물 플랑크톤의 우점종에 변화를 야기할 수 있고, 더 나아가 해양 생태계에 큰 영향을 가져올 수도 있다. 중국의 가파른 경제 성장으로 질소 오염물질의 배출이 지속적으로 증가할 것으로 전망되기 때문에, 질소 오염물질의 대기 침적량 증가로 인한 해양 환경변화와 해양 생태계의 스트레스가 증가할 것으로 예상된다. 이기택 교수는 “본 연구는 동아시아 지역의 인구 증가와 산업화로 인해 발생하는 오염물질이 광범위한 해양환경에 영향을 주고 있다는 것을 규명했을 뿐만 아니라, 도시화·산업화가 연근해 지역에 집중되어 있는 유럽 연안과 미국 동부 해안 등에 동일하게 적용될 수 있기 때문에 전 지구적인 파급 효과를 가진다”고 연구의의를 밝혔다. 이기택 이 논문에서는 포항공대 박사과정 김태욱군이 제1저자로 (지도교수 이기택), 미국 펜실베니아 주립대 Ray Najjar 교수, 국립수산과학원 정희동 박사, 서울대 정해진 교수가 공저자로 참여하였다.

기포에 의해 만들어진 에어로졸 발생 원리 규명 (2011.6.28)

물속 기포가 대기로 빠져나올 때 순간적으로 터지면서 에어로졸이 방출되는 원리가 국내 연구진에 의해 규명되었다. 신소재공학과 제정호 교수, 원병묵 연구교수 및 이지산 박사과정생이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지 ‘네이처’의 온라인 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 표지논문으로 게재(6월 22일자)되는 영예를 얻었다. (논문명: Size limits the formation of liquid jets during bubble bursting) 탄산음료를 컵에 따르면 가스(기포)가 물 밖으로 빠져나오면서 수면 위로 작은 물 입자가 튀어나오는 것을 볼 수 있다. 이 현상은 기포가 물속에서 빠져나오는 순간 터지면서 발생된 에너지가 물기둥을 만들어 발생하는 것으로, 이 때 생기는 물 입자를 ‘에어로졸’이라고 부른다. 바다에서 파도가 칠 때 수많은 기포가 물속에 갇히게 된다. 이 기포에 의해 만들어진 에어로졸은 구름과 허리케인을 형성하는 등 기후변화에 영향을 주고, 바다 속의 미세 생명체가 에어로졸 안에 들어가면 사람의 호흡기 질환을 유발하는 등 건강에도 영향을 미친다. 이 현상은 1950년대 처음으로 확인되었지만, 최근까지도 발생 원리는 정확히 규명되지 못했다. 지난해 미국 하버드대 연구팀이 ‘네이처’지 논문을 통해 큰 기포가 작은 기포로 연쇄적으로 감소하는 원리를 밝혀냈지만, 작은 기포가 에어로졸로 바뀌는 원리를 설명하지는 못했다. 제정호 교수팀은 초고속 엑스선 현미경(미국 APS 방사광가속기)으로 액체 속의 미세 세포가 마이크로초(백만분의 1초) 단위로 변화하는 모습을 촬영하는데 성공했다. 연구팀은 기포가 터지는 순간의 모양변화를 마이크로초 단위로 관찰하여 에어로졸이 발생되는 원리를 명확히 규명하였다. 이번 연구결과로 기포와 기포 또는 물방울과 물방울이 합쳐질 때 일어나는 현상까지 일반적인 원리로 설명할 수 있게 되었다. 제정호 교수는 “이번 연구결과로 기포와 물방울과 관련된 현상에 공통적으로 적용할 수 있는 통합 원리를 확립하였을 뿐만 아니라, 산업계의 기포 제어나 에어로졸을 포함한 기후변화 모델 개선에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

용기중교수 연구팀, 물에 젖지않는 소자 개발 성공 (2011.8.31)

최근 필수품이 되어가고 있는 다양한 전자기기의 공통적인 약점은 ‘물’이다. 비가 오거나 물이 기기 속으로 들어가면 전자소자의 회로가 합선되면서 오작동을 일으키기 때문이다. 기기들이 점차 고성능․고비용화 되면서 전자제품의 방수처리에 대한 기술 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있는 가운데, 물이 쏟아지는 상황에서도 물이 묻지 않아 고장도 나지 않는 전자소자를 만들 수 있는 원천 기술이 POSTECH 연구팀에 의해 개발됐다. 화학공학과 용기중 교수․박사과정 이승협씨 연구팀은 나노소재를 이용한 초발수기술을 전자소자의 표면처리에 응용, 물이 젖는 환경에서도 안정적으로 작동하는 소자를 개발하는데 성공했다. 최근 신소재 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지 온라인판에 소개된 이번 연구성과는 비가 와도 연잎 표면의 돌기 때문에 물에 젖지 않는다는 ‘연잎효과(Lotus Effect)’*1에서 착안됐다. 연구팀은 전자소자의 표면에 연잎 위의 돌기처럼 나노선(Nanowire)을 덮고, 연잎의 돌기에 씌워진 기름성분처럼 표면을 특수하게 처리했다. 그 후 물을 소자위에 떨어뜨리자, 돌기의 역할을 하는 나노선이 물방울을 밀어내 소자가 젖지 않고 회로에서도 전류가 누설되지 않아 정상적으로 소자가 작동할 수 있었다. 특히 연구팀은 차세대 메모리소자로 각광받고 있는 저항 메모리소자(R램)*2에 적용, 패키징(packaging)*3을 따로 하지 않은 채 물을 떨어뜨려도 소자의 전원 상태가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다. 이 기술은 물에 취약한 메모리소자 등 다양한 전자소자에 활용될 것으로 기대되고 있다. 지금까지의 전자기기의 방수는 대체로 외형을 방수재질로 제작해 기기 속으로 물이 들어가지 않게 하는데 그쳐왔다. 1. 연잎효과(Lotus Effect) 연잎 표면 위 나노미터(nm) 크기의 돌기와 돌기에 씌워진 기름성분 때문에 연잎 위에 물방울이 떨어지거나 비가 와도 물이 뭉쳐져 잎이 젖지 않고 아래로 굴러 떨어진다. 이 때 연잎 위에 묻은 먼지 등도 물방울에 묻어 떨어져 연잎은 항상 깨끗한 상태로 유지된다. 이러한 효과를 이용하면 자정작용 페인트, 습기가 끼지 않는 스마트 윈도우 등에 응용할 수 있다. 2. R램 전기적 신호가 가해지면 물체의 저항값이 변하는 원리를 활용한 반도체. PC에 주로 사용 중인 D램에 비해 전력소모가 훨씬 작고 처리속도도 빠르다. 3. 패키징(packaging) 반도체에 전기를 연결하고 외부 충격에 견딜 수 있도록 밀봉 포장해 물리적인 기능과 형상을 가지게 해주는 작업.

김상욱 교수팀, 합병증 예측시대 연다 (2011.5.26)

병 그 자체도 낫기 어렵지만 투병 내내 ‘합병증’과 싸워야만 하는 당뇨병이나 고혈압, 암 등의 환자가 어떤 합병증에 걸릴 수 있는지 미리 예측할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 정보전자융합공학부/생명과학과 김상욱 교수, 시스템생명공학부 박솔잎씨, 생명과학과 장승기교수, 경희대 박주용교수 연구팀은 ‘질병 유발 유전자의 세포 내 단백질 위치 비교를 통한 질병 발생 패턴 분석과 예측’ 기술 개발에 성공, 세계적인 과학전문 저널 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘몰레큘러 시스템즈 바이올로지(Molecular Systems Biology)’ 온라인판을 통해 발표했다. 인간이 걸리는 질병의 대부분은 여러 유전자의 상호 작용에 의한 것으로, 암이나 당뇨병의 경우 유전자 간의 상호작용이나 질병의 발생 패턴을 밝히는 것은 특히 어려운 것으로 알려지고 있었다. 또, 당뇨병 등 다양한 합병증이 수반되는 질병의 경우, 질병 위험인자를 통한 예측 방법이 이용됐으나, 이는 의사나 의료기관의 규모에 따라 좌우되는 등 그 한계가 있었다. 연구팀은 100만여명의 데이터를 통해 다양한 질병을 일으키는 유전자의 세포내 단백질 발현 위치와 상호작용을 분석, ‘현대인의 질병’으로 불리는 당뇨병과 고혈과 같은 질병과 합병증의 발생 패턴을 밝혀내는데 성공했다. 이 같은 패턴 규명은 새로운 환자들과의 유전자 비교를 통해 합병증을 미리 예측해낼 수 있도록 한다는 점에서 큰 의미가 있다. 또, 단순히 상호작용 분석에 의해 결과를 도출했던 기존의 방법과는 달리, 이 방법은 세포내 단백질의 위치까지 분석대상에 추가함에 따라 예측 정확도는 2배나 향상시켰을 뿐 아니라 환자에게는 질병의 진단과 함께 발생 가능한 합병증을 예측해 발병을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이처럼 합병증을 예측하는 시스템은 아직까지 도입되지 않고 있어, 당뇨병 환자의 경우 최소 1년에 한 번은 합병증 검사를 받아야 했다. 현재 미국 등 선진국에서는 합병증 예측 시스템을 진단의학에 도입하고자 관련 연구에 박차를 가하고 있는 상태다. 김상욱 교수는 “이번 연구성과는 합병증이 빈발하게 일어나는 질병을 가진 환자들이 합병증에 대해 조기에 대응할 수 있도록 한다는 점에서 의미가 크다”며 “특히 유전자 위치와 상호작용 등 다각도의 유전자 분석을 통해 개인에 따른 차이를 더욱 정확하게 밝혀낼 수 있다면 합병증 최소화는 물론 질병 예방에도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부의 세계수준의 연구중심대학(WCU) 사업, 미래기반기술개발 사업, 시스템 바이오다이나믹스 국가 핵심연구센터의 지원 하에 수행됐다.

POSTECH-성균관대 공동연구팀, '꿈의소재'로 투명 유기트랜지스터 개발 (2011.4.20)

‘꿈의 소재’ 그래핀을 이용, SF영화 속에 등장하는 투명한 모니터나 비행기, 자동차의 내비게이션을 대체하는 기능성 창에 활용되는 투명 플렉시블 유기 트랜지스터가 처음으로 개발됐다. POSTECH 조길원(화학공학과)·김광수(화학), 성균관대 홍병희(화학) 교수 공동연구팀은 그래핀을 유기박막 트랜지스터(Organic Thin-Film Transistors)의 전극으로 활용할 수 있는 새로운 기술을 개발, 플라스틱 기판 위에 투명하면서도 접을 수 있는 (flexible) 유기박막 트랜지스터를 제조하는데 성공했다. 신소재 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 최신호에 소개된 이 연구성과는 미래 정보전자산업의 핵심요소 기술로 2020년엔 약 600억 달러 규모로 성장할 것으로 기대되고 있어 더욱 눈길을 모은다. 지금까지 유기박막 트랜지스터는 차세대 투명 플렉시블 디스플레이를 구현할 수 있는 대표적인 기술로 경쟁적으로 연구가 진행되어 왔지만, 트랜지스터에 들어가는 전극 소재는 전도도나 투명도에 그 한계가 있었다. POSTECH-성균관대 공동연구팀은 그래핀이 전도도나 투명도는 물론 전극으로 이용하기 위한 패턴 제작이 상대적으로 용이하다는 점을 확인하고, 이를 활용해 우수한 성능을 가진 투명 플렉시블 유기 트랜지스터를 세계 최초로 개발하는데 성공했다. 이 연구의 공동교신저자인 조길원 교수는 “이번에 개발된 트랜지스터는 뛰어난 전기전도도는 물론 투명성을 지녔을 뿐 아니라 구부러지는 특성을 갖추고 있어 집적회로, 모니터, 디스플레이는 물론 기능성 창 등 다양하게 활용할 수 있다”며 “특히 이 연구성과는 2010년 노벨상 수상 이후 주목받고 있는 그래핀을 실용화 수준까지 끌어올린 것으로 평가되고 있다”고 밝혔다.

"내맘대로" 열고닫는 신개념 약물전달장치 개발 (2011.2.8)

불임, 갑상선병, 당뇨, 골다공증 등 호르몬 치료 “기대” 전기 자극을 이용해 나노 기공을 마음대로 열고 닫을 수 있을 뿐 아니라, 몸 밖에서도 리모컨으로 조절이 가능한 새로운 개념의 약물전달장치가 개발돼 눈길을 모으고 있다. 화학공학과 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수․박사과정 전금혜씨 연구팀은 전기 자극에 따라 나노 기공막의 구멍이 개폐되는 원리를 이용, 약물 방출을 자유롭게 조절할 수 있는 약물전달 장치를 발표했다. 나노분야 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 온라인판 최신호를 통해 발표된 이번 연구 성과는 특히 맥동형 약물전달이 주로 이용되는 불임, 성장장애, 갑상선병, 당뇨, 골다공증 등 호르몬 관련 질병은 물론, 불면증, 편두통 등에도 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 연구팀은 전기 자극에 반응하며 모양이 변하는 ‘스마트 고분자’ 폴리피롤을 나노 기공막에 붙이고, 전기 자극에 따라 기공이 개폐되도록 했다. 그 결과 약물의 종류에 따라 원하는 시점에 원하는 시간 동안만 방출이 가능하다는 사실을 확인했다. 이 장치는 특히 전기 자극에 반응하는 속도가 수초이내인데다 인공심장의 전압(약 3V)보다 낮은 전압인 1V 이내로 구동되기 때문에 신속하고 정밀한 양의 약물투여가 가능하고 신체 내에서 안전하게 사용할 수 있다는 점이 큰 장점으로 부각되고 있다. 또, 이 약물전달체는 마이크로칩, 센서와도 결합할 수 있어 약물 방출 거동을 미리 프로그램하거나 약물 투여에 따른 몸의 반응을 감지할 수 있고, 체외에서 리모컨을 이용해 조절도 가능하다. 화학공학과 김진곤 교수는 “이번에 개발된 약물전달장치는 정기적으로 병원에서 주사를 맞아야 했던 환자들의 편의성을 대폭 높였다는 점에서 큰 관심을 모으고 있다”며 “이 장치는 불임, 성장장애, 당뇨 등 각종 호르몬 관련 질병, 대사 장애 치료는 물론 환자의 편의에 따라 사용할 수 있는 장점을 이용해 불면증이나 편두통, 천식 등에도 활용 가능할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다. 한편, 이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥 사업’의 지원 아래 수행됐다.

뇌종양, 약물치료 가능한 시대온다 (2011.2.21)

약물전달체 이용한 항암제, 종양제거에 큰 효과 뇌종양 같은 난치성 뇌질환을 약물로 치료할 수 있는 방법이 국내 연구진에 의해 새롭게 개발됐다. 교육과학기술부(장관 이주호)는 2월 22일 POSTECH 정성기 교수 연구팀이 뇌종양(Globlastoma)을 가진 생쥐를 대상으로 치료 약물을 입으로 투여하는(경구투여) 실험을 해온 결과, 투여된 약물이 종양을 효과적으로 제거하는 것을 확인했다고 밝혔다. 이번 실험에서 사용된 항암제는 항암효과가 높은 파클리탁셀(Paclitaxel)로 ‘혈뇌장벽(Blood-brain barrier)이라는 특수보호체계에 막혀 단독으로는 뇌까지 전달될 수 없으나 정교수팀이 소르비톨(Sorbitol·당질의 일종)을 근간으로 개발한 약물전달체(Drug Delivery Vector)의 결합체(Conjugate)와 합성에 성공, 뇌종양 제거가 가능해진 것이다. 파클리탁셀(Paclitaxel)은 난소암, 유방암, 폐암에 탁원한 효과가 있어 그동안 항암제로 널리 사용되어 왔으나 뇌질환 치료에는 사용할 수 없었다. 앞서 정교수팀은 21세기 프론티어 사업의 일환인 생체기능조절물질개발사업단의 지원으로 지난 2009년 7월 그동안 불가능한 것으로 여겨졌던 '혈뇌장벽(Blood-brain barrier)'을 통과하는 약물전달기술을 개발한 바 있다. 일반적으로 뇌종양 치료는 치료 약물이 뇌혈장벽이라는 특수한 보호체계를 뚫고 들어갈 수 없어 외과적 수술이나 방사선 치료에 의존해 왔으나 이번 실험의 성공으로 치명적인 뇌질환도 약물 치료의 가능성이 높아졌다. 이번 POSTECH 연구팀의 연구 성과는 화학요법의 불모지인 뇌종양에 치료약물을 전달할 수 있는 방법을 제시했다는 점에서 평가받고 있으며, 다양한 뇌질환 특히 알츠하이머, 헌팅턴 병과 같은 다른 퇴행성 뇌질환 치료제 개발에 활기를 불어넣을 전망이다. 뇌종양을 지닌 질환동물모델에 대한 실험은 성균관대학교 의과대학(삼성병원)의 남도현 교수팀과 함께 진행했다. 이번 연구 결과는 세계적으로 그 권위를 인정받고 있는 영국화학회의 저널‘MedChemComm’ 인터넷 판 2월 11일자 advance article 난에 게재됐다. (http://www.rsc.org/Publishing/)

POSTECH-보스턴대 공동연구팀, '성공의 법칙' 물리학으로 풀었다 (2011.1.3)

정우성 교수, “스포츠, 석학 성공에도 모두 초기 과감한 지원이 중요” 미국 메이저리그와 NBA, 영국 프리미어 리그 등 세상에서 가장 냉혹한 경쟁이 펼쳐지는 프로스포츠의 세계에서 성공한 선수와 실패한 선수에는 특별한 ‘물리학적 법칙’이 숨겨져 있다는 사실이 밝혀져 눈길을 모으고 있다. POSTECH 기술경영대학원 정우성 교수와 미국 보스턴대 유진 스탠리 교수 공동연구팀은 ‘성공에 대한 마태복음효과의 양적-실증적 입증(Quantitative and empirical demonstration of the Matthew effect in a study of career longevity)’이란 논문을 통해 한국․미국․영국의 프로스포츠와 과학 석학들을 대상으로 성공의 법칙으로 통하는 마태복음효과를 증명함과 동시에 초기의 과감한 지원이 필요하다는 ‘블루칩 투자 효과’를 내놨다. 미국국립과학회보(PNAS) 1월 4일자를 통해 발표되는 이번 연구결과에서 공동연구팀은 공간푸아송분포와 팻테일(fat tail) 현상을 이용, 미국 메이저리그 등에서 활약하는 선수, 최고의 과학저널에 연구성과를 발표하는 연구진의 흥망은 물리학의 물질 성장 현상과 유사하며, 그 결과 데뷔 초기부터 많은 출전기회가 주어진 선수들이 더 좋은 성과를 낸다는 사실을 밝혀냈다. 특히 연구팀이 주목한 것은 ‘블루칩 투자효과’로, 각종 상을 수상한 선수들 역시 초기에 많은 지원과 기회가 주어지지 않았다는 가설 아래 모형을 재분석한 결과 별다른 성과를 거두지 못했을 가능성이 높다는 놀라운 사실도 밝혀졌다. 이와 함께, 연구팀은 네이처(Nature), 사이언스(Science)지에 논문을 게재하는 석학급 연구자들에게도 이 ‘블루칩 투자 효과’가 적용된다는 결과를 내놨다. 연구 경력이 부족한 20~30대에 내놓은 연구성과가 세계적 석학으로의 성장 가능성을 가늠하는 주요 변수라는 것이다. POSTECH 정우성교수는 “경쟁이 치열한 분야일수록 유망한 신진세력들에 대한 과감한 지원과 투자가 이루어져야 제2의 김연아, 박지성도 나올 수 있다는 의미”라며 “이번 연구결과를 통해 운동선수는 물론, 국내 신진연구인력에게 많은 기회와 투자가 주어져 노벨과학상 수상자 배출을 앞당길 수 있기를 바란다”고 밝혔다. 그는 또, “최근 다양한 사회 현상을 물리 법칙으로 분석하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다”며 “앞으로 새로운 사회현상에 물리학을 접목시키는 사회물리학 연구를 계속 진행할 것”이라고 덧붙였다.

물리학과 생화학의 융합연구로 ‘DNA 염기쌍 오류 복구 메커니즘’ 밝혀내 (2011.1.31)

DNA 염기쌍 오류 복구에 관련된 근본적인 질문 중의 하나인 'DNA 효소들이 어떻게 특정 위치를 찾아내고 그 신호를 전달하는지'에 대한 해답이 국내 연구진의 물리학과 생화학 융합연구로 밝혀졌다. 포스텍 이종봉 교수, 박사후 연구원 정철현 박사, 박사과정 조원기 씨가 주도하고 포스텍 반창일 교수팀과 미국 오하이오 주립대 리차드 피셸 (Richard Fishel) 교수팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원을 받아 수행되었다. 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지인 ‘네이처’의 자매지 ‘네이처 스트럭처럴 몰레큘러 바이올로지(Nature Structural & Molecular Biology)’ 온라인 속보(1월 30일 미국동부시간)에 게재되었다. (논문명 : MutS switches between two fundamentally distinct clamps during mismatch repair) 이종봉 교수팀과 반창일 교수팀은 DNA와 DNA 오류 복구에 참여하는 단백질 간의 상호작용과 단백질의 움직임을 단일분자 기술(프렛, FRET)*을 이용하여 나노미터** 수준에서 실시간으로 관측하는데 성공하였다. * 프렛이란 두 형광분자 사이에 일어나는 에너지 이동현상으로, 프렛에 의한 에너지 이동 효율이 두 분자 사이의 거리에 민감하기 때문에 이 기술을 이용하면 나노미터의 작은 거리 변화도 측정할 수 있음 ** 나노미터 : 10억분의 1미터로, 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당됨 DNA를 복제하거나 재조합할 때, DNA에서 염기쌍 오류(mismatch)가 발생할 수 있다. 이러한 오류가 누적되면 돌연변이가 생겨 세포의 기능에 심각한 문제를 일으키고, 심지어 암세포가 발생하기도 한다. 그러나 우리 몸에는 이러한 DNA 오류를 자동적으로 복구하는 시스템이 존재한다. 연구팀은 전반사 형광 현미경***을 이용한 프렛, single-particle tracking(단일입자추적) 등의 물리학적인 연구 및 분석 방법과 DNA 및 단백질에 생화학적 조작을 통하여 우리 몸의 DNA 염기쌍 오류 복구 시스템을 단일분자 수준에서 연구할 수 있는 방법을 개발하였다. ***입사하는 빛이 전반사할 경우, 다른 매질로 소실파(evanescent wave)가 발생하게 되는데, 이 소실파는 경계로부터 약 100 nm를 진행한 후 소멸하게 되는 특성을 가지고 있다. 전반사 형광 현미경은 이러한 소실파를 이용하여 매우 높은 노이즈(noise) 대비 신호를 얻어, 하나의 형광분자에서 방출하는 빛을 이미지 할 수 있다. 이종봉 교수팀은 연구자들의 오랜 숙제인 ‘DNA 오류 복구 시스템에서 오류 염기쌍을 찾는 단백질(MutS)이 어떻게 30억 개의 염기쌍들 중에서 잘못된 하나의 염기쌍을 찾아낼 수 있을까?’라는 질문에 대한 해답을 박테리아 시스템을 이용해 규명하였다. MutS 단백질은 체온에 의한 열 변동(thermal fluctuation)을 이용하여, 두 가닥으로 꼬여있는 DNA를 따라 일차원적으로 빠르게 회전확산 운동을 하면서 오류 염기쌍을 탐색한다. 오류 염기쌍을 신속하게 찾기 위해서 MutS 단백질은 DNA의 염기 하나하나를 비교 분석하는 것이 아니라, DNA의 구조적 변화를 감지하여 오류 염기쌍을 찾아낸다. DNA에는 MutS 단백질의 회전확산 운동을 방해하는 또 다른 단백질이 붙어 있다. 그러므로 MutS가 이러한 단백질 사이의 한 영역에 오랫동안 머무르면 오류 염기쌍을 찾는데 효율적이지 못하다. 이번 연구결과는 MutS 단백질이 평균 1초 동안 약 700개의 염기쌍을 탐색한 후, DNA 상의 새로운 장소로 이동하여 다시 염기쌍 오류를 찾아간다는 메커니즘을 밝혀낸 것이다. 또한 연구팀은 MutS 단백질이 오류 염기쌍을 찾아낸 후 이를 복구 (수리)하기 위해서 적어도 염기쌍 수천개 정도의 거리까지 직접 이동하고, 오류를 알린다는 사실을 확인하였다. 이러한 신호전달 메커니즘은 지난 20여 년간 DNA 염기쌍 오류 복구 분야에서 논쟁의 중심에 있었다. 연구팀은 MutS 단백질이 오류 염기쌍을 찾은 후, ATP*와 결합하여 그 오류 염기쌍으로부터 빠져나와, DNA에서 ATP 에너지를 소모하지 않고 단지 열 변동에 의한 회전확산운동만으로 움직인다는 사실을 실시간으로 관측할 수 있었다. * ATP(아데노신3인산) : 모든 생물의 세포 내 존재하여 에너지 대사에 매우 중요한 역할을 함 이와 같이 ATP와 결합된 MutS 단백질은 염기쌍 수천개 만큼의 먼 거리까지 직접 이동하여 신호를 전달하기에 적합한 안정된 구조를 갖추고, 매우 긴 시간(약 10분)동안 DNA상을 움직이는 것으로 확인되었다. 이종봉 교수는 “이번 연구는 물리학과 생화학의 융합연구를 토대로 DNA 염기쌍 오류 복구의 시작을 담당하는 MutS 단백질을 실시간으로 관측하여 MutS의 오류 염기쌍 인식과 그 오류 염기쌍의 존재를 알리는 메커니즘을 규명하였다. 이는 그동안 해결하지 못했던 DNA 염기쌍 오류 복구 메커니즘을 단일분자수준에서 밝힐 수 있는 방법을 제시한 것으로 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다. 또한 “생체 내에서 DNA 염기쌍 오류 복구의 실패는 유전성 대장․직장암, 유방․난소 종양 등의 질병을 일으키므로, DNA 오류 복구 메커니즘을 이해하는 것은 해당 질병을 근본적으로 치료하는데 공헌할 것으로 기대한다”고 향후 영향력을 전망하였다.

국가과학자 김광수 교수팀, 인간게놈 1시간 안에 해독 가능한 혁신적 방법 발표 (2011.2.7)

네이처 나노테크놀로지誌, 그래핀 이용한 혁신적 정보해독방법 제시 사람의 모든 유전자 30억쌍을 1시간 안에 해독 가능한 혁신적이고 새로운 DNA 염기서열 분석법이 국내 연구진을 통해 발표돼 세계의 주목을 받고 있다. 특히 이 분야는 지난 2003년 인간게놈프로젝트가 성공적으로 완료되면서 미국을 중심으로 선진국들이 막대한 연구비를 투자하며 경쟁적으로 연구하고 있는 분야일 뿐 아니라 여러 난치병이나 희소병 치료에도 필수적인 분야로, 생명과학에 변혁을 예고하고 있다. 국가과학자 김광수 화학과 교수, 박사과정 민승규·조연주, 김우연 박사(현 KAIST 교수)는 그래핀 나노리본과 DNA 염기와의 상호작용에 의한 2차원적 전자전도도를 측정하는 초고속 DNA 해독법을 제시하였다. 나노기술 분야의 세계 최고 권위지인 네이처 나노테크놀로지 온라인판을 통해 발표된 이 방법은 최소 몇 주가 걸리는 기존 방식과는 달리 컴퓨터 모의실험 결과 인간 게놈 전체를 수 시간 이내에, 심지어 기술발전에 따라서는 수 분 이내에 해독할 수 있어 DNA 정보 분석 연구에 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 차세대 분석법으로는, DNA가 나노 구멍을 통과하는 동안 각 염기에 흐른 전류 또는 나노 구멍을 통해 흐르는 이온의 전류를 비교해 염기종류 A, C, G, T를 구분하는 방법이 제안되어 왔다. 그러나 이 방식은 각 염기의 신호영역이 넓고 서로 겹쳐 있어 염기들 간의 구분이 불가능해 새로운 방법이 절실히 요구되어 왔다. 연구팀은 DNA가 나노채널을 통과할 때, 각 염기들이 그래핀 나노리본 표면에 수 마이크로초(10-6 초) 내에 순차적으로 붙었다 떨어지는 현상이 그래핀의 전도도에 변화를 주어 4종의 염기가 확실히 구분될 수 있음에 착안했다. 각 시간대별 전자전도도 변화를 새로운 개념의 2차원 데이터 정보처리방법을 사용함으로써, 기존 방법보다 훨씬 빠르고 정확하게 염기서열 분석이 가능하다는 것을 KISTI(한국과학기술정보연구원)의 슈퍼컴퓨터를 통해 예증하였다. 이 방법은 특히 별도의 DNA 증폭(amplification)이나 광학적 표식(optical labeling) 과정이 필요하지 않아 분석에 소요되는 시간을 줄이는 것은 물론, 상당한 비용절감을 가져올 것으로 예상되며, 이런 혁신적인 방법에 미국, 독일을 비롯한 선진국들이 큰 관심을 보이고 있다. 그래핀 나노리본을 이용한 분자 전자공학, 유전자 염기서열분석, 2차원 전자전도도 정보해석 기술 등 NT, BT, IT 세 분야의 융합으로 이루어진 이번 연구는 앞으로 융합연구의 모범적인 모델로 자리매김할 것으로 기대된다. 화학과 김광수 교수는 “이번 연구가 실험으로 구현되면, 그 기술 발전에 따라 인간 게놈을 수 분 내에 해독할 가능성도 가지고 있는 획기적이고 혁신적인 기술”이라며, “초고속 저비용의 DNA 염기서열 분석법의 현실화는 최근 화제가 되고 있는 개인맞춤형 의료에 활용되는 것은 물론, 유전정보에 따른 인간의 성격, 본능, 재능, 적응성 등 다양한 생명 정보를 분석할 수 있어 인류의 미래에 새로운 변화를 가져다 줄 포스트게놈시대를 앞당길 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 국가과학자 및 글로벌연구실 사업 아래 수행됐다.