Research

"내 몸에 딱 맞는 약" 찾아주는 나노물질 개발 (2011.2.28)

초고밀도 나노채널 이용한 SNP의 고감도 검출 내 체형에 딱 맞는 옷을 입듯, 내 체질과 질병에 딱 맞는 약을 찾을 수 있는 ‘맞춤 의료’ 시대가 다가오고 있다. 환자 별로 적합한 감기약을 찾는 것은 물론, 암 환자에게 투여하는 새로운 항암제의 효과를 투여 전 미리 파악할 수 있고, 의료사고의 3%가 사망하는 혈액응고방지제 관련 사고도 막을 수 있는 유전자 정밀 분석 기술이 POSTECH 공동연구팀에 의해 개발됐다. 화학과 김원종 교수․박사과정 손세진, 화학공학과 김진곤 교수․박사후 연구원 양승윤씨(현 하버드대 박사후연구원) 팀은 블록공중합체로 만든 초고밀도 나노채널로 복잡한 물리화학적 방법 없이 간단하게 단일염기다형유전자(Single Nucleotide Polymorphism․SNP)를 고감도로 검출하는데 성공, 나노분야의 세계적인 권위지 나노레터스(Nano Letters) 최신 온라인판을 통해 발표했다. 연구팀이 개발한 이 나노채널은 머리카락 굵기의 1만분의 1 수준인 15nm에 불과해 기존의 DNA칩보다 2배 이상 많은 핵산을 고정했고 이러한 나노 채널이 6 x 1011/in2 개의 초고밀도로 배열시켜 검출 정확도를 대폭 향상시켰다. 기존에 사용된 DNA 칩은 한정된 칩 표면에 제한된 수의 핵산을 고정하고, 정지상의 용액을 사용해 분석시간이 길고 온도 등 환경에 민감하다는 단점이 있었다. 특히 분석을 위해서는 비싼 가격의 효소를 이용해야 하기 때문에 경제성이 떨어져 상용화에 큰 걸림돌로 작용되어 왔다. 연구팀은 이 나노채널 속으로 DNA 용액을 연속적으로 투입, DNA간 혼성화반응(hybridization)을 활성화시켜 검출도를 더욱 높였다. 아울러 탐침(probe)을 이중사슬로 새롭게 고안해, 유전자 변이의 유무는 물론 변이의 위치까지 정확하게 검출하는데 성공했다. 이중사슬로 이루어진 탐침을 고밀도 나노채널에 부착시켜 고감도의 SNP 검출에 성공한 것은 POSTECH 연구팀에 의해서 처음으로 시도된 결과이다. 이번 연구는 특히 인간의 유전적 차이인 SNP를 정확하게 분석할 수 있어 환자 개인에 맞는 약물 및 치료 방법을 찾아내는 맞춤의학에 큰 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 개인의 유전적 특이성 때문에 90% 이상의 약물이 30~50%의 사람들에게만 작용한다는 점을 고려하면 이번 연구성과는 부작용이나 의료사고를 크게 줄이는데 큰 도움이 될 것으로 전망된다. 이 논문의 교신저자인 화학공학과 김진곤 교수는 “이번에 개발된 SNP 검출 시스템은 분석 후 붙어 있는 유전자를 제거해 재활용까지 할 수 있는 장점을 갖추고 있다”고 덧붙이며 “이 연구성과는 유전자 변이 외에도 다양한 바이오 분자의 검출 및 정제에 응용돼 생명과학 전 분야에 활용할 수 있을 것으로 생각한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥사업’ 및 ‘의학첨단과학기술융합 사업’의 지원 아래 수행됐다.

비소의 독성을 없애는 식물 유전자 규명 (2010.11.18)

독성 준금속인 비소의 독성을 없애는 식물 유전자가 국내 연구자의 주도로 발견되었다. 이영숙 교수․송원용 박사․박지영 박사과정생(포스텍 생명과학과)․마티노이아(Martinoia) 교수 연구팀(스위스 취리히대학)이 주도하고, 슈로더(Schroeder) 교수 연구팀(미국 샌디에이고 캘리포니아주립대)이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무 대행 김병국)의 글로벌연구실(Global Research Lab)사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구결과는 세계적인 과학 전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)' 온라인 속보(11월 15일)에 게재되었고, 국내 특허 출원도 완료하였다. 이영숙 교수 연구팀은 비소를 식물세포의 저장고인 액포로 수송하여 세포질과 격리시킴으로써, 식물이 비소에 중독되지 않고 자랄 수 있도록 보호하는 유전자(AtABCC1과 AtABCC2)를 발견하는데 성공하였다. 이번 연구결과는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 문제되는 독성 물질인 비소로 오염된 환경을 정화할 수 있는 환경정화용 식물을 개발하고, 비록 비소가 포함된 토양이라 하더라도 비소를 덜 흡수하는 안전한 작물을 개발하는데 이용될 수 있는 중요한 유전자를 찾았다는 점에서 의의가 크다. 식물에 내포된 중금속을 축적하고 저항하는 메커니즘에 파이토킬레틴(phytochelatin)이 중요한 작용을 한다는 사실은 이미 알려져 있었지만, 파이토킬레틴과 결합된 독성 금속들을 액포에 저장하여 격리하는 수송 유전자가 존재한다는 사실은 이영숙 교수팀에 의해 처음으로 밝혀졌다. 비소는 전 세계적으로 심각한 피해를 일으키는 독성 준금속으로, 중세에는 ‘비상’이라는 독약으로 사용될 만큼 독성이 높다. 특히 방글라데시, 캄보디아 등 동남아시아의 토양과 식수에 비소 농도가 높고, 선진국에서도 광산지역, 목재․제지공장, 산업단지 등이 비소로 오염되어 있다. 비소로 오염된 지역에서 자란 작물이나 어패류를 섭취하면 비소가 인체에 그대로 축적되어 소화 및 피부 질환과 암을 유발한다고 알려져 있다. 식물은 펩타이드 화합물인 파이토켈라틴으로 비소를 감싼 뒤 액포에 축적하는 방법으로 비소의 독성을 없앤다. 이 교수팀은 AtABCC1과 AtABCC2 유전자가 손실된 돌연변이 식물체는 비소에 매우 민감하고, 비소와 결합된 파이토켈라틴의 수송 능력이 현저하게 저하된다는 사실을 발견하여, 이 두 유전자가 비소 무독화 과정 중 액포 수송 단계에서 중요한(Key) 유전자라는 사실을 밝혀냈다. 또한 이 교수팀은 AtABCC1과 파이토켈라틴 합성 유전자를 함께 과발현하는 형질전환 식물체를 개발하여, 이 식물이 비소를 함유한 배지(培地)에서 야생종에 비해 훨씬 더 잘 자란다는 사실을 입증하였다. 이것은 이 유전자들을 활용하면 식물의 비소 저항성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주는 결과이다. 이영숙 교수는 “이번 연구 성과는 우리 연구실에서 지난 10여 년간 꾸준히 연구해 온 환경정화용 식물 개발 과제의 성과로서, 비소로 오염된 토양을 정화하는데 도움을 줄 수 있는 중요한 유전자원이 될 것으로 기대한다”며 연구의의를 밝혔다. 또한 “비소 오염으로 고통 받고 있는 동남아시아 지역민들에게 도움이 될 수 있을 것 같아 기쁘다”고 덧붙였다.

암의 진단부터 치료까지 "낚시"하듯 간단히 해결하는 똑똑한 나노 호박 (2010.12.20)

- POSTECH 김기문교수팀, 쿠커비투릴 이용해 세포막단백질 분리 첫 성공 - 쿠커비투릴의 진단-치료 광범위한 실제 활용도 첫 증명 … Nature Chemistry 게재 발견된 지 고작 100년 된 둥글넓적한 나노크기의 호박모양 물질이 모든 종류의 암 분석과 치료, 줄기세포(stem cell)의 분석을 낚시하듯 간단히 해결하는 ‘만능’ 호박임을 증명하는 연구결과가 발표돼 학계의 이목을 모으고 있다. 특히 이 ‘나노 호박’은 질병 분석 뿐만 아니라 치료까지 부작용 없이 수행할 수 있어 바이오칩, 신약 등 생명공학 분야의 패러다임을 새롭게 바꿀 것으로 기대되고 있다. POSTECH WCU 첨단재료과학부 김기문 교수(지능초분자연구단장), 박사과정 이돈욱씨․분자생명과학부 류성호 교수․POSTECH 바이오벤처기업 노바셀테크놀로지(대표이사:이태훈) 공동연구팀은 속이 빈 호박모양을 하고 있는 화합물 ‘쿠커비투릴(Cucurbituril)’을 이용, 세포에서 세포막 단백질만을 분리해내는데 세계 최초로 성공했다. 세계적인 과학저널 네이처의 자매지인 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 온라인판 최신호를 통해 발표되는 이번 연구성과는 지금까지 질병 분석을 위해 세포막 단백질을 분리하는데 사용되던 아비딘-바이오틴 결합물*에 비해 쿠커비투릴이 뛰어난 분석결과를 얻을 수 있다는 사실을 실제로 증명해낸 결과다. 세포 표면에 위치해 세포가 주위 환경을 인지하는 통로 역할을 하는 세포막 단백질은, 세포마다 구성이 달라 질병의 진단 뿐 아니라 부작용이 적은 치료를 가능하게 해 최근 생명공학계에서 활발하게 연구되고 있는 단백질이다. 이 단백질을 분석하기 위해서는 세포막 단백질만을 분리하는 과정이 필수적이지만, 여기에 활용되고 있는 아비딘-바이오틴 결합물은 단백질과 결합물이 섞이기 쉽고, 화학적으로 안정성이 떨어져 정확한 결과를 얻기가 어려웠다. 그러나 POSTECH 연구팀은 쿠커비투릴과 페로센을 결합해 원하는 세포막 단백질을 세포로부터 분리해 간단하게 회수하는데 성공했으며, 기존 방법에 비해 분리의 효율성이 높고, 원하지 않는 단백질에 의한 오염 가능성 역시 현저하게 낮아진다는 사실을 발견했다. 이 같은 실험결과는 암 등 질병세포에만 부작용 없이 작용하는 약물전달체나, 질병 여부를 판단하는 바이오칩으로도 활용이 가능하다는 것을 증명한 것이다. 또, 크기가 작고 화학적•생물학적으로 안정적인 쿠커비투릴 페로센 결합체의 특징은 향후 생물학 기초연구 뿐 아니라, 세포나 조직의 정확한 이미징작업에도 크게 도움을 줄 것으로 전망된다. 쿠커비투릴 연구의 세계적 선도자로도 잘 알려져 있는 POSTECH 김기문 교수는 “이번 연구는 쿠커비투릴-페로센 기반의 결합물이 생물학 기초 연구는 물론 질병 치료와 진단 등 광범위한 분야에 활용가능하다는 사실을 증명한 첫 사례”라며 “향후 이 응용분야를 확대하는 한편 신약 개발 등을 위한 생물학과의 융합연구를 계속 진행할 예정”이라고 밝혔다.

불량 반도체가 재부팅 없는 컴퓨터 시대 연다 (2010.12.23)

- POSTECH 동문 이동헌 박사 연구팀, 반도체 결함 이용 도핑 원자 에너지 조절 기술 발표 - Science지 최신호 게재 … CPU와 RAM을 하나로 만든 컴퓨터 실현에 응용 ‘기대’ 2008년 여름, 통신위성이나 군사용 제품에 사용되는 갈륨비소(GaAs) 반도체를 이용해 도핑 원자* 특성을 연구하던 이동헌 씨(당시 오하이오주립대 박사과정)는 원자가 하나 빠져 있는 격자점을 찾아냈다. 이른바, ‘불량’ 반도체였다. 시험 삼아 이 격자점에 옆 원자를 밀어넣자, 마치 퍼즐 장난감처럼 빈 격자점의 위치가 계속 바뀌며 원자의 위치가 아예 다시 배열되는 것을 발견한 이 씨는 불량반도체를 오히려 새로운 고성능의 반도체 개발에 적용할 수 있다는 사실을 깨달았다. POSTECH 출신 이동헌 박사-오하이오주립대 J.A. 굽타(Gupta) 교수팀은 이 연구결과를 ‘갈륨비소 반도체 내 전하를 띠는 결함을 이용, 도핑 원자의 결합에너지 조절(Tuneable Field-Control over the Binding Energy of Singlie Dopants by a Charged Vacancy in GaAs)’이란 제목으로 23일(현지시간) 발간된 세계적인 과학저널 ‘사이언스(Science)’ 최신호를 통해 발표했다. 이 기술은 특히 휴대폰, 컴퓨터에 사용되는 반도체 소자의 크기가 점차 작아지면서 반도체 속 원자의 중요성이 커짐에 따라 더욱 눈길이 모아지고 있다. 반도체에 사용되는 원자는 온도와 전압에 따라 반도체 내에서 전류의 흐름을 조절하는 역할을 하고 있으며, 원자사이의 결합에너지는 컴퓨터용 소자의 성능에 큰 영향을 미친다. 이 원자중 하나가 공정 상 실수로 빠지는 결함은 반도체 성능을 떨어뜨려 불량 반도체의 원인이 되는데, 연구팀은 이 반도체의 원자가 빠진 자리를 퍼즐처럼 이용해 원자를 재배치하는 한편, 원자가 빠진 자리는 전하를 띠게 되어 각 원자 간의 결합에너지*에도 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 이 방법을 응용하면 동일한 원자라도 다른 특성을 갖는 원자로 조절할 수 있게 되며 기존 반도체 기술을 향상하는 것은 물론, 새로운 패러다임의 신소자 개발에도 유용하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 특히 반도체 소자의 크기가 작아질수록 각 원자의 특성 조절이 중요해지면서 이번 연구처럼 원자 하나하나의 특성을 조절하는 기술의 필요성도 커질 것으로 전망되고 있다. 또, 이번 연구는 경쟁적으로 연구되고 있는 컴퓨터의 CPU와 RAM을 하나의 소자로 결합해 전력손실이 적고 재부팅도 필요없는 컴퓨터 개발에도 큰 실마리를 제공할 것으로 보인다. POSTECH에서 학사를 마치고 오하이오주립대 대학원이 진학한 이동헌 박사는 “일반적으로 물질의 결함은 성능 향상을 위해 가능한 많이 제거해야하는 것으로 생각되고 있지만, 시각을 바꾸면 결함이 오히려 유용하게 사용될 수 있다는 점이 의미가 있다”며 “반도체 산업에 이처럼 원자를 조절하는 기술이 적용되면 컴퓨터의 속도를 더욱 빠르게 할 수 있을 뿐 아니라 양자컴퓨터로 대표되는 새로운 패러다임의 컴퓨터 실현에도 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

식물면역 높여 바이오매스 식물개발 길 연다 (2010.8.20)

식물 생장호르몬 ‘사이토카이닌’의 새로운 작용 발견··· 바이오매스용 식물 증산 ‘기대’ POSTECH과 고려대 연구팀이 ‘작은 고추가 맵다’는 통설을 뒤집을 수 있는 연구성과를 발표했다. 이 연구성과는 바이오매스 생산용 식물에 적용, 생산성을 크게 높일 수 있어 친환경 에너지 확보에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. POSTECH 생명과학과 황일두 교수팀‧고려대 백경희 교수팀은 한국연구재단‧농림수산식품부의 지원으로 식물의 대표적인 발달 생장호르몬인 사이토카이닌(cytokinin)이 생장에 관여할 뿐 아니라 식물의 병 저항성을 크게 증가시킨다는 것을 밝혀내고, 이 연구결과를 세계적 학술지 ‘셀’의 자매지인 ‘디벨롭멘탈 셀(Developmental Cell)’ 최신호에 발표했다. 지금까지 식물은 ‘작은 고추가 맵다’는 말처럼, 면역력이 높은 식물일수록, 병에 걸리지 않기 위해 많은 에너지를 소모해 생장이 늦어져 생산력이 떨어지는 것으로 보고되어 왔다. 특히 식물의 면역을 높이는 살리실산과 같은 호르몬이 식물의 생장을 방해한다는 사실이 알려지면서, 병에 대한 저항성이 높은 작물의 대량 생산은 어려운 것으로 알려져 있었다. POSTECH-고려대 공동연구팀은 사이토카이닌에 의해 활성화되는 ARR2 단백질이 병 저항성 관련 유전자들의 발현을 컨트롤함으로써 박테리아나 곰팡이 병원균에 대한 저항성 반응을 조절한다는 사실을 발견했다. 사이토카이닌에 의한 면역기능의 활성은 곧, 면역력이 높은 식물의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다는 점에서 학계의 눈길을 모으고 있다. 특히 이 연구는 포플러나무, 억새, 유채 등 바이오매스 생산용 식물에 적용하게 되면 다양한 경작환경에서도 적은 비용으로 대량 재배가 가능해져 안정적으로 친환경에너지를 공급할 수 있을 것으로 기대되고 있다. POSTECH 황일두 교수는 “식물 바이오에너지는 석유와 같은 화석 연료를 대체할 수 있는 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있지만 안정적인 바이오에너지의 생산을 위해서는 병원균이나 환경스트레스에 내성이 있고 생산성이 높은 바이오매스 식물의 개발이 시급한 실정”이라며 “앞으로 바이오매스용 식물에 이 연구결과를 적용해 적은 비용으로 효율적인 생산이 가능한 새로운 품종 개발에 주력할 것”이라고 밝혔다.

대기에서도 안정적인 n형 유기반도체 개발 (2010.8.23)

화학공학과 박찬언 교수팀, 고리형 올레핀 고분자 절연층 도입으로 동작수명 크게 늘려 세계적 소재분야 권위지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스 표지논문 소개 신문처럼 돌돌 말아 쓰는 디스플레이, 달력처럼 벽에 붙이는 TV, 입는 컴퓨터 등에 이용되는 유기 전자 소자의 필수 기술이 POSTECH 연구진에 의해 개발됐다. 화학공학과 박찬언 교수‧박사과정 장재영씨 연구팀은 내열성이 뛰어난 고리형 올레핀 고분자를 절연층으로 이용해 대기 중에서도 안정적인 성능을 유지하는 상보적 유기전자 회로를 구현하는데 성공했다. 신소재 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)’ 8월 23일자 표지논문을 통해 발표되는 이번 연구성과는 그간 대기 중에서 불안정하게 작동했던 유기전자 회로 속 상보적 인버터의 게인(gain)을 대기 중에서 최대 50 까지 높였을 뿐 아니라 n형 유기반도체의 성능을 120일 이상 안정적으로 유지시키는데 성공했다는 점에서 큰 화제를 모으고 있다. 유기반도체로 제작된 상보적 인버터가 대기 중에서 이 같은 성능을 보인 것은 매우 이례적인 결과로 평가되고 있다. 지금까지 유기박막트랜지스터 중에서도 n형 유기반도체는 실리콘 반도체에 비해 성능이 떨어질 뿐 아니라 그 동작수명이 짧아 유기전자소자의 필수 소자인 상보적 인버터를 안정적으로 구현하는데 큰 어려움이 있었다. 연구팀은 높은 유리 전이온도(181℃)를 가지는 고리형 올레핀 고분자를 절연체로 사용하고, 유리 전이온도보다 낮은 온도에서 자기조립하는 특성을 갖는 n형 유기반도체를 도입해 n형 유기박막트랜지스터를 제작했으며, 이 트랜지스터가 공기 중에서도 큰 안정성을 가졌다는 사실을 관찰해냈다. 이번 연구에서 사용된 고리형 올레핀 고분자는 기존 올레핀 물질의 장점을 그대로 유지하면서 열에 약한 특성이 개선된 물질이다. 연구팀이 개발한 유기박막트랜지스터는 특별한 보호막 처리 없이 120일 이상 성능을 유지할 수 있으며, 실제 상용화 단계에서 생산단계 단축, 생산비용 절감의 효과도 있을 것으로 기대된다. 박찬언 교수는 “이번 연구는 지금까지 유기전자소자 상용화의 큰 걸림돌로 지적되어 왔던 n형 유기박막트랜지스터의 성능과 동작수명을 획기적으로 개선할 수 있는 결과로 평가되고 있다”며 “유기전자회로의 상용화를 앞당기게 될 수 있을 뿐 아니라 원천기술 확보에서도 우리나라가 훨씬 유리한 고지에 설 수 있을 것”이라고 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 국가지정연구실(NRL)사업과 코오롱의 지원으로 이루어졌다.

정신분열증 유전자, 세포 속 미토콘드리아 뒤흔든다 (2010.9.29)

생명과학과 박상기교수팀, 정신분열증 치료에 대한 새로운 방향 제시 美국립과학원회보 온라인판 게재 “미쳤다”는 한 마디로 표현되는 병, ‘정신분열증’을 유발하는 것으로 알려진 유전자 DISC1이 세포 속 미토콘드리아의 정상적인 기능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 POSTECH 연구팀이 최초로 밝혀냈다. 생명과학과 박상기 교수ㆍ박영운 박사ㆍ박사과정 정재훈씨 팀이 미국 국립과학원회보(PNAS) 온라인판 최신호를 통해 발표한 이번 연구결과는 그간 베일에 가려졌던 DISC1과 미토콘드리아 간의 상호작용과 정신분열증 치료에 대한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 주목을 끌고 있다. 연구팀은 DISC1 단백질의 기능에 이상이 생기면 미토필린(Mitofilin)이란 단백질의 정상적 활동을 방해해 미토콘드리아의 기능 장애를 일으킨다는 것을 발견하고, 이러한 기능이 도파민과 같은 신경전달물질 대사에도 영향을 미칠 수 있다는 사실을 규명했다. 이는 미토콘드리아가 정상적인 기능을 수행하기 위해서는 필수적으로 DISC1 단백질이 미토필린을 조절해야 한다는 것을 의미한다. 손상되면 정신분열증을 일으키는 것으로 알려진 이 유전자가 미토콘드리아의 정상적인 기능에 이처럼 직접적인 영향을 미친다는 사실이 밝혀진 것은 이번이 처음이다. ‘정신분열증 환자의 유전자에서만 망가져 있다’는 뜻의 DISC1(Disrupted-in-schizophrenia 1) 유전자는 정신분열증의 발병과 밀접한 관련성이 있다는 것이 밝혀지면서 학계의 관심을 모으고 있지만 기존의 연구는 이를 통한 정신분열증 발병의 현상적 측면만을 규명하는 데 그쳤다. 특히 이번 연구성과는 정신분열증의 발병이 미토콘드리아의 기능장애와 그로 인한 신경세포의 비정상적인 기능에서 비롯된다는 것을 설명하고 있을 뿐 아니라, 지금까지 DISC1 유전자의 세포질 내 메커니즘 규명에 치중되었던 정신분열증 치료법 개발에 새로운 방향을 제시한 것으로 평가받고 있다. 박상기 교수는 “정신분열증은 1%의 인구가 일생에 한 번은 앓을 수 있을 뿐 아니라 입원율이 높아 막대한 비용이 요구되는 질환이지만 신경생물학적인 규명이 미흡한 병”이라며 “이번 연구는 DISC1의 새로운 역할을 규명하는 한편 미토콘드리아의 기능제어를 통한 정신분열증 치료법 개발의 가능성도 제시했다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부 ‘21세기 프론티어연구개발사업’의 뇌기능활용 및 뇌질환치료기술개발 연구사업단의 지원으로 수행됐다.

화학공학과 차형준 교수 생체활성 유도하는 기능성 세포접착제 개발 (2010.10.4)

바이오머티리얼즈 발표 “다양한 세포접착제를 혼합하여 인체의 세포외기질과 유사한 환경 조성 가능” 인체에 안전한 홍합접착단백질에 세포의 성장과 분화 기능을 활성화하는 펩타이드를 결합하여 세포의 특성을 그대로 살리면서도 접착력이 뛰어난 기능성 세포접착제가 국내 연구진에 의해 개발되었다. 화학공학과 차형준 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 생체소재분야 최고 권위의 학술지인 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’ 온라인 속보 (9월 15일)에 게재되었다. 차형준 교수 연구팀은 홍합에서 분비되는 접착단백질이 다양한 표면에 부착될 수 있다는 점에 착안하여, 인체에 안전하면서도 세포외기질과 유사하여 각종 생체재료에 코팅하여 세포를 부착시킬 수 있는 “차세대 고기능성 세포접착제”를 개발하였다. 기존의 세포접착제는 물리적인 접착 기능만을 갖고 있어 세포의 성장과 분화 등 세포 고유 기능이 크게 저하되었다. 지금까지 세포의 특성을 활성화하는 펩타이드를 생체재료의 표면에 붙이기 위해 사용한 방법(일반적으로 화학적 링커)은 대부분 독성을 띄고 있어 인체에 해롭고, 접착률도 높지 않았다. 또한 각종 펩타이드를 동시에 표면에 붙이는 것도 어려워, 세포외기질과 유사한 환경을 조성하는데 한계가 있었다. 차 교수팀은 2007년 최초로 강력한 자연 접착제인 홍합접착단백질을 유전공학적으로 대량 생산하는데 성공하였고, 올 3월에는 이 단백질을 기반으로 액상의 생체접착물질을 개발하였으며, 이번에는 다양한 기능성 펩타이드를 생체재료에 효율적으로 붙여서 세포를 부착시키는 신개념 세포접착제 개발에도 성공하였다. 차형준 교수팀이 개발한 기능성 세포접착제는 세포내에 신호를 전달하는 생체활성 펩타이드를 결합시켜 일반 세포접착제(폴리엘라이신)에 비해 가격은 비슷하면서도 접착률과 생체활성도는 2배 이상 높다. 차 교수팀은 다양한 기능성 펩타이드 중에서 세포외기질 단백질에 있는 생체활성 펩타이드들을 홍합접착단백질과 연결시켜 인체의 세포외기질과 유사한 융합단백질 기반의 기능성 세포접착제를 만들었다. 이 세포접착제는 생체활성 펩타이드의 세포신호전달 기능으로 세포의 펴짐 (spreading), 생존, 성장, 분화에 도움을 줄 뿐만 아니라, 인체에도 안전한 생체적합성을 띠고 있어 조직공학용 고기능성 세포접착제로 다양하게 활용될 수 있다. 또한 연구팀은 표적세포에만 작용하는 특화된 세포접착제를 만들 수 있고, 이 특화된 세포접착제를 혼합하여 줄기세포를 포함한 다양한 표적세포에 맞는 세포외기질 환경을 만들 수 있는 가능성을 열었다. 연구팀은 조골세포, 연골세포, 지방세포 등 세포의 특성과 기능에 맞는 펩타이드가 포함된 맞춤형 세포접착제를 만들어 세포의 기능을 활성화하고, 기능성 세포접착제들을 적절한 비율로 혼합하여 생체재료에 접착시키면, 하나의 펩타이드가 들어간 세포접착제보다 세포활성률을 더욱 높인다는 사실도 확인하였다. 차형준 교수는 “이번 연구는 홍합접착단백질에 기능성 펩타이드를 결합하여 생체활성이 뛰어난 신개념 세포접착제를 개발한 원천소재기반 연구로, 홍합접착단백질을 활용한 최초의 실용화 작품이며, 조만간 기술 이전을 통한 상용화를 추진하여, 조직공학뿐만 아니라 연구용 시약이나 화장품 등에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의의를 밝혔다.

"다 그래"를 뒤집으면 '수소 자동차' 원천기술 "보인다" (2010.10.5)

WCU 첨단재료과학부 박문정 교수팀 無水환경•고온에 높은 전도성 가진 신물질 개발 美 에너지관리국 2009년 개발목표 상회··· 기존 Nafion보다 전도율 3배 높아 공해물질이 거의 배출되지 않고 화석연료를 사용하지 않아 각국이 경쟁적으로 개발에 나서고 있는 ‘수소 자동차’ 연료전지의 필수 원천 기술이 POSTECH 연구팀에 의해 개발됐다. ‘이온전도성 물질로만 되어 있는 전해질의 전도성이 크다’는 통념을 뒤집은 이번 기술은 지금까지 수소 연료전지에 사용되어 온 미국 듀퐁(DuPont)사의 Nafion보다 생산비용은 낮췄으면서도 165℃의 고온에서도 전도성면에서 우수한 성능을 보여 연료전지 원천기술을 확보했다는 점에서 의의가 클 것으로 기대된다. WCU 첨단재료과학부․화학과 박문정 교수․박사과정 김성연씨 팀은 물을 용매로 이용하지 않으면서도 최대 180℃에서 높은 수소 전도율을 보여 백금 촉매의 일산화탄소 피독현상을 방지할 수 있는 고분자-이온성 액체 나노 구조체를 세계 최초로 개발했다. 과학전문지 네이처의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인 속보(10월 5일자, 현지시간)를 통해 게재되는 이번 연구결과는 미국 에너지관리국(DOE)가 정한 수소연료전지 전해질의 개발목표(습도 25% 환경, 120℃ 이상의 온도에서 작동 가능, 2009년)를 훨씬 상회하는 수준으로 나타나 눈길을 모으고 있다. 박 교수팀이 개발한 이 물질(SnMBm)은 습기가 없는 165℃의 고온에서 최대 0.045 S/cm의 전도율을 보였으며 이는 같은 온도에서 최대 0.014 S/cm인 Nafion의 3배가 넘는다. 유연하고 내구성이 좋은 이 신물질은 이온성 액체의 농도를 증가하거나 고분자를 변화시키는 것만으로도 기능을 자유자재로 조절할 수 있으며 탄소와 수소로만 이루어진 물질로 Nafion에 비해 생산비용도 10배 정도 절감할 수 있다. 재미있는 것은 이번 연구성과가 ‘이온 전도성 물질로만 전해질을 만들어야 전도성을 높일 수 있다’는 통념을 뒤집고 ‘이온 전도성 물질과 비전도성 물질을 조합하여 만든 전해질이 이온전도성 물질로만 만든 전해질보다 훨씬 높은 전도성을 보인다’는 것을 증명해보였다는 점이다. 실제로 연구팀이 이온전도성 물질인 Sn으로만 만든 전해질과 비교했을 때 SnMBm으로 만든 전해질은 전도성이 무려 10배 이상이나 높았다. 이는 SnMBm이 10nm의 나노구조를 갖게 되면서 자연스럽게 수소가 통과하는 ‘지름길’을 만들었기 때문이라고 연구팀은 밝혔다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “자동차용 수소연료전지를 상용화하기 위해서는 전지의 성능을 저해하는 백금촉매의 일산화탄소 피독문제를 해결할 수 있는 120℃ 이상의 고온, 무가습 환경에서 높은 수소 전도율을 보이는 전해질 개발이 필수적”이라며 “이 신물질은 기존에 발표되었던 고분자 전해질 물질 가운데서도 물이 없고 고온인 환경에서도 뛰어난 전도성을 보여 연료전지 기술 개발에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 세계수준의 연구중심대학 육성사업(World Class University)의 지원을 받아 수행됐다.

'현미경 속 실험실'로 나노선 성장 메커니즘 세계 최초 규명 (2010.10.22)

POSTECH 오상호 교수, 나노선 성장 메커니즘 최초 규명··· Science지 게재 ‘이례적’으로 연속 연구 Science지 연이어 게재··· 나노물성 “관심”입증 ‘세계를 변화시킬 10대 신기술’로 꼽히며 활발한 연구가 진행돼온 나노선(nanowire)의 성장 메커니즘을 국내 연구진이 세계 최초로 규명했다. 사이언스(Science) 지는 지난 2005년에 같은 저널을 통해 발표된 연구결과의 후속 연구에 해당하는 이 논문을 이례적으로 다시 게재하며, 지금까지 베일에 가려져 있던 나노선 성장현상에 큰 관심을 보였다. 신소재공학과 오상호 교수는 사파이어 나노선의 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 현상을 실시간으로 관찰하는데 성공했으며, 이 연구를 바탕으로 나노선이 기존 학계의 예측과는 전혀 다른 방식으로 성장한다는 논문을 사이언스 10월 21일자(현지시간)에 게재했다. 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용되는 나노선은 그 제조 및 응용기술이 활발하게 연구되는 것과는 달리, 원자들이 나노선으로 성장하는 메커니즘에 대해서는 여러 실험적 제약으로 지금까지 명확하게 밝혀진 바가 없었다. 오 교수는 원자들의 이동경로를 나노선 성장조건에서 직접 관찰하기 위해 투과전자현미경 안에서 실제로 실험을 진행하는 ‘직접 관찰 투과전자현미경 (in-situ TEM)’실험법을 사용하여 사파이어 나노선을 투과전자현미경 내에서 VLS 방식으로 성장시키고, 이 과정을 원자 분해능으로 관찰했다. 그간 나노선 성장 메커니즘은 기상(氣相)으로 공급되는 원료가 나노미터 크기의 액상촉매에 선택적으로 용해되고, 이로 인해 과포화 상태가 된 원료가 액상 밑으로 한 층씩 고체로 결정화되는 것으로 알려져 왔다. 그러나 원자 분해능으로 나노선의 성장을 직접 관찰한 결과, 액체 전체에서 고체가 결정화되는 것이 아니라 기체와 액체, 고체가 만나는 삼중점(Triple Junction)에서 성장과 용해 반응이 반복되며 이 과정에서 성장 중인 사파이어 나노선에 산소가 한층 한층 순차적으로 공급되며 결정화되는 현상이 관찰됐다. 이 반응은 수 나노미터 영역에서 단 1 초의 주기에 걸쳐 이루어지기 때문에 원자분해능으로 실시간(초당 25 프레임) 관찰하지 않는 이상 발견할 수 없으며, 지금까지 이론적으로도 예상하지 못한 전혀 새로운 성장 경로다. 신소재공학과 오상호 교수는 “부분적으로 성장과 용해를 반복하는 반응을 거쳐 산소가 나노선의 성장 결정면으로 공급된다는 것은 성장에 필요한 에너지의 불필요한 소비를 최소화한다는 의미로 원자가 스스로 똑똑한(smart) 방법을 선택한다는 것을 알 수 있다”며 “이번 연구는 사파이어를 이용했다는 한계가 있으나, 반도체에 흔히 사용되는 실리콘 나노선 등의 성장 메커니즘 규명에 단초를 제공했다고 볼 수 있다”고 설명했다. 특히, 이번 연구는 오 교수가 지난 2005년 10월, 동일 저널인 사이언스에 발표한 ‘사파이어 표면에서의 액체 알루미늄의 규칙성(Ordered Liquid Aluminum at the Interface with Sapphire)’의 후속 논문으로, 이 같이 한 연구의 연속 논문이 연이어 게재되는 것은 매우 이례적인 것으로 평가되고 있다. 이런 사이언스의 게재 결정은 지금까지 활용성이나 기술로만 부각되어 왔던 나노물질에 대한 기초 연구의 필요성이 대두되었기 때문으로 분석된다. 오 교수는 앞으로 한국연구재단과 나노기술집적센터(NCNT) 지원 아래 ‘직접 관찰 투과전자현미경’ 방식을 이용해 금 나노선과 같은 나노물질의 성능과 특성을 분석하는 연구를 계속해 나갈 계획이다.