Research

나노크기 '도넛' 구조체 개발-안게반테케미 VIP, 네이처 (2009.6.10)

세계적 화학지 ‘안게반테 케미’ VIPㆍ표지논문 네이처도 ‘주목하는 연구’로 선정 도넛형 나노 구조틀로 활용…균일한 크기 나노 금속 합성 가능 구체, 원통, 원반, 나선 등 다양한 모양을 가진 나노 금속 입자와는 달리 균일한 크기의 ‘도넛(doughnut)’ 모양을 가진 고분자 나노 구조체가 개발돼 국제 학계로부터 큰 관심을 모으고 있다. POSTECH BK21 분자과학사업단 장태현 교수・황해영 박사팀은 블록공중합체의 자기조립 현상을 이용해 균일한 크기의 도넛 모양 미셀(micelle)을 만들고, 이것을 나노 틀로 활용해 나노 금속 입자를 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 이 연구성과는 독일화학회가 발간하는 화학분야 최고 권위지 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 최신판 VIP 및 표지 논문으로 선정됐으며, 세계적 과학저널 ‘네이처(Nature)’ 459호를 통해 고분자 화학분야의 주목받는 연구(Research Highlights)로 소개됐다. 그동안 도넛형 나노 구조체는 만들기가 어려울 뿐더러 구조나 크기를 제어할 수 없어 활용도가 낮았다. 장 교수팀은 낮은 유리전이온도를 가지고 있는 블록 공중합체와 선택성을 가진 용매를 이용하여, 균일한 크기 분포를 갖는 순수한 도넛 모양의 나노 구조를 만들어내는데 성공했다. 이 구조체는 용액에서 수 개월간 그 구조를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 크기와 모양을 제어하여 만든 나노 금속 입자를 나노 구조체의 특정한 위치에 넣을 수 있어 주목을 받았다. 이처럼 크기와 모양을 균일하게 만들 수 있는 구조체를 이용해 나노 금속입자를 합성하면, 기존의 리소그래피(lithography) 방법에 비해 매우 간단하게 복잡한 형태의 나노합성물을 얻을 수 있다. 또, 이번 장 교수팀의 연구성과를 통해 균일한 크기의 나노 구조체를 손쉽게 얻을 수 있게 됨으로써, 차세대 나노급 메모리소자 개발 등 응용 연구 분야에 크게 도움을 줄 것으로 기대된다.

화학과 김광수 교수팀, 세계 최초 나노크기의 렌즈 합성 (2009.7.23)

네이처誌 발표, “기존 광학적 한계를 뛰어넘는 해상도” 화학과 김광수 교수팀이 세계 최초로 머리카락 굵기보다 수백배 작은 나노미터(nm)급의 렌즈의 합성에 성공하였다. 연구팀은 이 렌즈의 특성을 연구한 결과, 렌즈의 크기가 빛의 파장만큼 작아질 때, 기존의 기하광학에서는 불가능한 이론적 극한치(회절 한계)인 빛의 반파장보다 더 작은 크기를 식별할 수 있는 초해상도를 보여주는 새로운 물리 현상을 밝혀냈다. 김광수 교수의 주도하에, 박사과정 이주영(화학과 박사과정)씨와 홍병희박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 운영하는 ‘글로벌연구실(Global Research Lab)'사업의 지원하에 수행되었으며, 연구 결과는 세계최고 권위의 과학저널인 네이처(Nature)지에 7월 23일 게재됐다. 김교수팀은 유기물질인 칼릭스하이드로퀴논(CHQ) 분자는 자기 조립을 통해 나노미터 크기의 단면 볼록렌즈를 형성된다는 것을 발견하고, 렌즈 크기가 빛의 파장과 비슷하게 되면 빛은 회절과 간섭 현상을 통해서 상식과는 달리 빛의 경로가 곡선 궤적을 그려 나노렌즈가 매우 짧은 초점거리를 가지게 되는 초굴절현상을 처음 밝혔다. 나노렌즈의 이러한 특징은 기존 광학 현미경에서는 구분할 수 없는 미세 패턴이 뚜렷이 확대된 이미지로 얻어져, 기존의 광학적 한계를 넘는 해상도를 보여 주었으며, 정확한 전자파 시뮬레이션을 통해 실험에서 얻은 나노렌즈의 특이한 광학 현상을 입증하고, 이에 대한 새로운 물리적 현상을 이론적으로 규명하였다. 빛의 파장 길이의 반보다 작은 두 물체 간의 거리는 일반 광학렌즈로는 분간할 수 없으며, 이 같은 극한치를 광학적 ‘회절 한계’로 부른다. 그러나 이번 연구 결과에서는, 나노렌즈가 이 회절 한계를 넘어 빛의 파장(400-700 nm)의 절반보다 더 작은 간격을 식별할 수 있음을 밝혀냈다. 이러한 회절한계를 넘는 것은, 기존에 제안된 다른 방법들과는 전혀 다르게 렌즈가 나노 크기로 작아짐에 따른 예상외의 초굴절 나노 광학현상으로, 새로운 이론에 기초한 새로운 한 영역을 개척한 성과로 평가받고 있다. 나노렌즈의 광학적 특성은 일반 광학 현미경으로 관측하지 못하던 나노 및 미세 바이오 물질의 구조 이미지 해석, 미세 구조 분석을 위한 분석신호의 강화, 나노소자 개발에 필요한 광학적 패턴 또는 기술 향상, 빛의 집적 등, 다양한 활용이 가능하며, 차세대 나노광학 메모리 및 감지 소자 개발에도 응용될 것으로 전망된다. POSTECH 김광수 교수팀의 주도로 이루어진 이번 연구는 보다 정확한 검증을 위해 글로벌연구실(GRL) 사업의 공동연구자인 필립 김 (Philip Kim, 미국 컬럼비아대학교) 교수, 컬럼비아 대학의 Wong 교수 및 Kaufman 교수 등도 참여 하였으며, 포항나노기술집적센터(센터장 정윤하 교수)의 연구 시설을 이용하였는데, 이는 화학ㆍ물리ㆍ기계ㆍ전자공학 분야의 학제간 융합을 통해 이루어진 연구로 국내외 우수 연구자들 간 학제간 융합연구의 모범적인 모델로 자리매김할 것으로 기대된다.

POSTECH 박사과정생, 생체 회로의 주기성 조절 원리 규명 (2008.7.3)

7월 4일자, 사이언스(Science)지 인터넷판 게재 심장 박동, 세포 주기, 생체 시계와 같은 주기성을 가지는 생체 회로의 조절 원리가 국내 과학자가 참여한 연구진에 의해 규명됐다. 교육과학기술부와 한국과학재단이 지원하고 있는 국가핵심연구센터사업(NCRC)를 수행하는 POSTECH 시스템생명공학부 박사과정 최윤섭(25세)씨는 스탠퍼드 대학과의 공동 연구에서 유전자 혹은 단백질들 간의 상호 작용에 의해 생성되는 생체 회로의 주기성 조절 원리를 규명했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 과학 분야 최고 권위지인 ‘사이언스’지 인터넷판 7월 4일자에 게재되었다. 생명체에는 수많은 주기적인 현상들이 일어난다. 심장의 규칙적인 박동, 세포의 분열, 사람이 일정한 수면주기를 가지게 하는 생체 시계 와 같은 현상은 모두 생명체에 내재하는 유전자나 단백질들의 회로가 일정한 주기를 가지고 반복되기 때문에 일어나는 것이다. 생명체가 생명을 유지하기 위해서는 이러한 생체 내 회로를 안정적으로 유지해야 할 뿐만 아니라, 필요에 따라 심장 박동 속도나, 세포 분열 속도를 정확하게 조절하는 것이 필수적이다. 하지만 이 같은 생체 회로의 주기성의 유지 메커니즘은 지금까지 명확히 밝혀지지 않았다. 이와 관련해 2000년 미국 프린스턴대의 스태니슬라스 리블러 교수팀은 유전자 발현 조절메커니즘을 인위적으로 설계하여 일정한 주기를 가지는 ‘진동유전자회로(Oscillatory genetic circuit)’을 개발하여 네이처(Nature)지에 발표한 바 있다. 이 유전자 회로(Genetic circuit)는 세 가지 유전자로 이루어지는데, A는 B의 발현을, B는 C의 발현을, C는 다시 A의 발현을 억제하는 음성 되먹임 고리(negative feedback loop)를 형성하도록 디자인되었다. 하지만 이 생체 회로의 주기와 진폭은 매우 불규칙적이고 불안정하였으며, 그 이유는 지금까지 밝혀지지 않았다. 생체 회로의 설계는 약품 및 수소에너지의 생산과 같이 파급효과가 큼에도 불구하고 이러한 불안정성 때문에 제한적으로 응용될 수밖에 없었다. 최 씨가 주도적으로 참여한 스탠퍼드 대학 연구진은 지금까지 풀리지 않았던 이러한 생체 회로의 안정성 유지의 메커니즘에 대해 해답을 제시하였다. ‘양성 되먹임 고리와 음성 되먹임 고리에 의한 견고하고, 조절 가능한 생물학적 회로’ 논문에서 최 씨는 생체 회로들의 주기성이 음성 되먹임 고리(negative feedback loop) 뿐만 아니라, 양성 되먹임 고리(positive feedback loop)의 조화에 의해 일어나며, 특히 기존에는 불필요하게 생각했던 양성 되먹임 고리가 실제로는 생체 회로의 조절가능성 및 안정성 유지에 큰 역할을 한다는 사실을 수학적 모델링 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다. 이론적으로 음성 되먹임 고리(negative feedback loop)만을 가진 회로도 주기성을 가질 수 있으나, 모든 생명체의 회로는 ‘불필요해 보이는’ 양성 되먹임 고리(positive feedback loop)를 추가적으로 가진다. 이러한 사실에 주목한 연구팀은 두 종류의 회로를 비교 분석한 결과, 음성 되먹임 고리와 양성 되먹임 고리를 가지는 회로가 음성 되먹임 고리만을 가지는 회로에 비해 훨씬 안정적이며 조절 가능한 특성을 지닌다는 사실을 밝혀냈다. 최 씨는 POSTECH 박사과정 학생으로 시스템바이오다이나믹스 국가핵심연구센터(센터장: 남홍길 교수)의 지원 아래 스탠퍼드 대학의 제임스 페럴 교수(POSTECH 겸직교수) 연구실에 방문 연구원으로 파견되어 지난 8월부터 6개월간 연구를 수행하여 공동 제 1저자로 이번 논문을 발표하였다. POSTECH 학부과정에서 컴퓨터공학과 생명과학을 복수전공한 최 씨는 컴퓨터를 활용해 생물학적 원리를 규명하는 학제간 융합연구를 수행해왔다. 특히 이번 연구 결과는 기존의 생명과학 분야의 연구와는 달리, 실험 없이 수학적 모델링 및 컴퓨터 시뮬레이션으로 생명 현상의 숨겨진 의미를 파악해내어 학제간 융합연구의 중요성 및 미래 생명과학의 새로운 방향을 제시한 것으로 평가받고 있다. 최씨는 “이번 연구 성과는 생명체 조절의 근본 원리를 새로운 관점에서 발견하여 제시한 것으로 조절 이상에서 생기는 암, 당뇨와 같은 난치성 질환들의 원인 연구에 응용가능하며, 생체 회로 재설계에 활용하여 생물체를 이용한 의약품이나 수소에너지의 안정적 고효율 생산에 기여할 것” 이라고 전망했다.

배아줄기세포의 다분화능력 유지하는 '보이지 않는 손' 찾았다 (2008.7.7)

POSTECH 한진관 교수팀 밝혀내, “Rap2 유전자가 Nodal 신호전달계 관여” 척추동물의 등ㆍ배 구조형성에 대한 새모델 제시 장기 위치 기형, 암 치료에 새로운 기반 마련 환경에 따라 특정한 기능을 지닌 세포로 분화하는 배아줄기세포의 ‘다분화능력(pluripotency)’을 유지시키는 신호의 조절에 관여하는 ‘보이지 않는 손’의 움직임이 최초로 규명됐다. 생명과학과 한진관 교수팀은 척추동물의 등-배(dorsal -ventral) 구조 형성을 제어하는 액티빈/노들(Activin/Nodal) 신호 조절 기작에 Rap2 GTPase라는 유전자가 관여한다는 사실을 밝혀내고, 이 연구 결과를 국제학술지 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘디벨롭먼탈 셀(Developmental Cell)’지 온라인판 최신호에 발표했다. 이 연구 성과가 특히 주목을 받는 것은, ①노들 단백질이 척추동물의 체축(體軸)을 형성할 뿐 아니라 내부 장기 비대칭 발생에 있어서도 중요한 기능을 담당하는 것으로 알려진 원인도 있지만, ②또 노들 신호전달계가 인간 배아줄기세포의 다분화 능력을 유지하는데 필수적인 것으로 최근 알려졌기 때문이다. 나아가 ③노들 단백질이 속해 있는 TGF(Transforming Growth Factor)-β 단백질의 신호 조절은 암이나 비정상적 면역반응과 같은 병리현상의 치료법에 중요한 단서를 제공하는 것으로 알려져 있어서 관심을 끄는 연구대상이다. TGF-β 계열 단백질 중에서도 액티빈과 노들 단백질은 농도에 따라 각기 다른 성질을 가진 세포의 분화를 유도한다. 이는 각 세포가 분화할 때 발생하는 유도신호의 세기(strength)가 서로 다르기 때문에 가능한 것으로, 이 신호의 세기는 신호물질의 농도 뿐 아니라 신호물질과 결합해 만들어진 수용체(receptor)의 키나아제(kinase) 활성이 얼마 동안 지속되는지에 의해 결정된다는 사실이 규명되어져 왔다. 금번 POSTECH 연구진은 랩2(Rap2 GTPase)라는 유전자가 액티빈/노들 신호의 세기를 증가시키는 현상에 착안해 랩2의 기능을 분석한 결과, 랩2가 액티빈/노들 수용체를 분해하는 에스매드7(Smad7)의 역할을 방해한다는 것을 발견했다. ① 즉, 랩2 유전자가 증가하면 에스매드7이 억제되어 액티빈/노들 수용체의 키나아제 활성이 오래 유지된다는 것이다. ② 액티빈/노들 수용체는 신호가 없을 경우 세포 내부와 세포막(plasma membrane) 사이를 순환하는 성질을 가지고 있는데. 이때 랩2가 이 순환 과정을 촉진함으로써 세포막에 일정 수의 수용체를 유지하게 해 적은 신호물질에도 세포가 반응할 수 있게끔 세포의 반응도(responsiveness)를 높이는 역할을 하는 것으로 규명되었다. 연구진은 또, ③ 척추동물의 초기 배(胚)의 등과 배 조직에 따라 랩2와 에스매드7이 상호 비대칭적으로 나타남으로써 각각의 조직을 형성하는데 필요한 신호의 세기를 치밀하게 조절한다는 사실도 추가적으로 밝혀내 척추동물의 등ㆍ배 구조 형성에 관한 새로운 모델을 제시한 것으로 평가받았다. 한 교수팀의 이번 성과는 발생현상에 대한 연구에 중요한 단서를 제공했을 뿐만 아니라 심장이 오른쪽에 있는 등 장기 위치의 기형 예방법과 TGF-β 작용으로 인해 유발되는 암 치료법 개발의 단서를 제공할 것으로 기대된다.

물리학 통해 췌장염 '소방관' 찾았다 (2008.7.23)

POSTECH-미국 공동연구팀, 물리학적 방법 활용해 췌장염 완화하는 물질 분비 메커니즘 규명 미국 생화학 학회지 최신호 통해 발표 … 췌장염 치료 전기 마련 췌장 속 염증이 생겼을 때 염증을 완화하는 뮤신(mucin) 단백질을 분비하도록 하는 ‘소방관’ 수용체의 메커니즘이 생물물리학적 방법을 통해 밝혀졌다. 물리학과 김승환 교수ㆍ김민환 박사팀은 미국 워싱턴대 의대 고득수ㆍ버틸 힐레(Bertil Hille) 교수팀과의 공동 연구를 통해 세포 내 특정 단백질의 활성 변화 및 이온 농도 변화를 생물물리학적 방법으로 측정해 병에 걸린 인간의 신체가 어떻게 물질을 분비해 신체 상태를 정상으로 조절하려 하는지 그 메커니즘을 규명하였다. 김 교수팀은 이 연구 결과를 생화학 및 분자생물학 분야 권위지인 미국생화학회지(Journal of Biological Chemistry) 최근호에 발표했다. 췌장은 소화효소를 분비해 소화를 돕는 기관으로 소화효소가 췌장 포상세포 (Pancreatic acinar cells) 로부터 비활성 상태로 분비되어 장 내에서 활성화되는데, 췌장염에 걸리면 소화효소가 췌장 속에서 활성화되면서 췌장을 손상시켜 염증을 일으키게 된다. 김 교수팀은 이처럼 췌장염을 일으킨 상황에서 평소에는 비활성화된 상태로 혈관 쪽에 자리 잡고 있는 PAR-2(Protease activated receptor) 수용체가 활성화된 소화효소에 특이하게 반응해 뮤신 단백질을 분비하게 한다는 사실을 밝혀냈다. 이처럼 염증을 일으킨 상황에서 점액물질인 뮤신 단백질이 분비되는 것은, 췌장의 보호와 염증의 완화를 위한 것으로 예측된다. 특히 PAR-2 수용체는 췌장염의 염증을 완화시키거나 악화시킨다는 극단적인 주장이 충돌하고 있는 수용체인데 이것이 염증 완화에 도움을 준다는 내용을 담고 있는 이번 연구 성과는 관련 분야에서 그 의미가 상당하다. 이 연구에서 특히 주목할 점은 연구를 진행하면서 ‘물리학적’ 방법을 활용해 이 같은 결과를 도출해냈다는 점이다. 연구팀은 PAR-2 수용체가 뮤신 단백질을 분비하도록 하기 위해 활성화하는 신호전달 물질의 활성 변화를 생물물리학적인 방법으로 측정했다. 김 교수팀은 유전자 조작으로 특정 형광 물질이 붙은 단백질을 과다 발현한 뒤 공초점 현미경(confocal microscope)을 사용해 발현된 단백질의 활성 변화를 측정하는 한편, FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer) 방법을 이용해, 서로 다른 형광물질을 도구로 사용, 특정 조건에서의 단백질 구조 변화를 형광물질들의 거리 변화를 활용ㆍ측정했다. 이번 연구 결과는 흔히 일어나는 질병인 췌장염에 대한 이해를 한층 도와줌으로써 향후 새로운 치료법 개발의 중요한 계기가 될 것으로 기대된다. POSTECH 김민환 박사는 “이번 연구를 통해 유전자 조작을 기반으로 한 생물물리학적 방법이 세포 내 단백질 기작의 활성 변화 측정에 유용하게 사용될 수 있으며, 이 같은 학제간 연구방식은 특정 단백질의 생리학적 역할 연구에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

초고밀도 나노막대를 이용한 고효율 고분자 태양전지 '길 연다' (2008.7.24)

韓ㆍ美 공동연구팀 고분자태양전지 활용되는 전도성 고분자 나노막대 제조 기존의 필름 구조를 나노막대 구조로 대체 … 태양전지 효율 높일 듯 옷에 넣을 수 있는 소형이나 수첩, 핸드백 등에 부착하는 휴대용으로 개발할 수 있어 관심을 모으고 있는 고분자 태양전지의 효율을 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 화학공학과 블록공중합체자기조립단 김진곤 교수와 박사과정 이정인씨 연구팀은 POSTECH 박수문 교수(화학), 한국과학기술연구원 유재웅 박사, 미국 매사추세츠대와의 공동연구를 통해 투명전극(Indium Tin OxideㆍITO) 기판 위에 수직으로 정렬된 전도성 고분자 나노막대를 1011개/㎠ 이상의 초고밀도로 배열하는데 성공했다. 나노기술 분야의 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인판 최신호에 발표된 이 기술은 최근 각광을 받고 있는 고분자태양전지의 효율을 높이는데 이용 가능해 그 의미가 크다. 전도성 고분자는 가볍고 가공이 쉬우면서도 전기가 통하는 물질로, 최근에는 이 전도성 고분자 나노 막대를 수직으로 세워 ITO 기판 위에 초고밀도로 정렬시키는 것이 학계의 주 관심사였다. 전도성 고분자 나노막대를 세우기 위해 나노 틀(Nano template)을 사용하는데, 기존 연구는 폴리카보네이트 막(膜ㆍmembrane)이나 양극산화알루미늄 막을 사용해왔다. 그러나 폴리카보네이트의 경우 밀도를 높일 수 없으며 양극산화알루미늄의 경우에는 나노 막대를 만든 뒤 틀을 제거하면 나노 막대가 기판 위에서 수직으로 설 수 없는 단점을 갖고 있어서 연구에 어려움을 겪었다. 김 교수팀은 “이 단점을 보완하기 위해 폴리스틸렌-플로메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA) 블록 공중합체 나노 틀을 이용했으며, 이 틀을 사용해 만든 전도성 고분자 나노막대는 나노 틀을 제거한 후에도 ITO 기판 위에서 수직 상태를 유지하는 것으로 나타났다”고 밝혔다. 특히 이 나노막대는 1011개/㎠ 이상의 초고밀도로 배열되어, 고분자 태양전지 분야에서 주로 연구되어 온 필름 상태의 구조보다 전도도(傳導度)가 3.6배 높기 때문에 보다 높은 효율을 가질 것으로 기대된다. 연구팀은 “필름 상태의 전도성 고분자는 고분자 사슬이 특정한 배열 없이 섞여 있는 상태지만, 나노 막대 상태로 정렬되어 있는 전도성 고분자는 사슬이 일정하게 배열되어 전자나 전공이동이 용이하다”고 설명했다. 이 기술은 학계에서 끊임없이 연구되고 있는 ‘고분자 태양전지’의 효율을 높이는 기술과 유기소자, 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다. ‘고분자 태양전지’는 기존의 실리콘 태양전지보다 생산 가격이 저렴할 뿐 아니라, 가볍고 구부릴 수 있어 휴대용으로도 개발 가능한 것으로 알려져 있다. 이 연구는 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적 연구 진흥사업’의 지원을 받아 이루어졌다.

생명과학과 남홍길 교수, 세계 3대 과학 저널 '그랜드슬램' (2008.10.23)

이번 네이처지 연구 성과 게재로 3대 저널 차례로 발표하는 쾌거 거둬 식물 개화ㆍ눈동자 유전자 등 규명하면서 식물 연구에 세계적 입지 굳혀 POSTECH 남홍길 교수팀이 세계 3대 과학 학술지 사이언스(Science), 셀(Cell), 네이처(Nature)에 차례로 연구 성과를 발표하면서 ‘그랜드 슬램’을 달성하였다. POSTECH은 생명과학과 남홍길 교수 연구팀이, 영국 레스터대 트웰(Twell) 교수팀과 경북대 오성앵 박사와 공동으로 진행한 ‘속씨식물의 중복수정을 위한 쌍둥이 정자 형성에 관한 메커니즘 규명’ 연구가 최고의 과학전문지 네이처지 10월 23일자에 게재되었다고 밝혔다. 이번 연구 성과 발표로 남 교수가 교신저자(Corresponding Author)인 논문이 사이언스(1999년), 셀 (2005년)에 이어 세계 3대 과학 학술지에 게재되는 ‘그랜드 슬램’을 달성하는 쾌거를 거두게 됐다. 특히 POSTECH 학술정보처가 지난 1981년부터 2008년까지 한국기관 소속 연구자들이 발표한 셀, 네이처, 사이언스 논문을 분석한 결과, 남홍길 교수의 이번 ‘그랜드 슬램’ 성과는 국내 기반 주도 연구로서는 최초이며, 한국인 과학자로서는 이서구 이화여대 석좌교수에 이어 두 번째인 것으로 조사되었다. 남 교수팀은 지난 1988년 이래 애기장대를 이용해 식물의 발달 과정에 대한 연구를 진행해왔으며, △식물 노화 △식물의 광(光)반응 △생체시계에 의한 광주기ㆍ일주기 △개화 관련 유전자들의 기능 분석 등의 분야에서 선도적인 연구 성과를 내놓았다. 특히 남 교수는 지난 1999년, 식물의 광(光)주기성을 조절해 개화시기를 조절하는 유전자 ‘자이겐티아(Gigantia)’를 발견하여 일주기성과 계절별 개화의 연결고리에 대한 단초를 제공함으로써 세계적 과학저널 ‘사이언스(Science)’지에 관련 논문을 게재한 바 있다. 지난 2005년에는 빛의 세기에 따라 받아들이는 빛의 양을 적절하게 조절하면서 식물의 ‘눈동자’ 역할을 하는 유전자의 조절 메커니즘을 규명해, 생물학 분야의 세계 최고 권위지로 알려진 셀(Cell)지를 통해 그 연구결과를 발표하였다. 네이처 10월 23일자를 통해 발표된 이번 연구 성과는, 속씨식물의 ‘중복수정’에 관한 내용으로서 「생식 세포 속 단백질 분해 복합체인 ‘SCFFBL17’가 쌍둥이 정자를 만드는 세포분열 활성화의 생체스위치로 작용」한다는 사실을 밝혀낸 것이다. 이 결과는 종자식물의 생산량, 생산 방법 개선에 중요한 단서를 제공한 것으로 평가받고 있다. 1985년 미국 노스캐롤라이나대에서 박사학위를 받은 남홍길 교수는 하버드 의대 박사후 연구원을 거쳐 지난 1988년 POSTECH에 부임했다. 그는 식물의 발달과정에 관하여 세계를 이끄는 학술적 업적을 이룬 공로로 지난 2000년 ‘이달의 과학기술자상’, 2006년 ‘한국과학상’을 수상한 바 있다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 국가핵심연구센터 사업으로 수행되었다.

한-미 공동연구팀, 의식·무의식 판단 기준, 물리학적 방법으로 제시 (2008.12.2)

POSTECH-美 미시건의대 공동연구팀 마취와 의식 메커니즘 물리학적으로 풀어내 마취제ㆍ진정제 효과 측정에 활용 /‘대리표지자’개발 활용 기대 공포영화의 소재로 활용되어 온 ‘수술 중 각성(intraoperative awareness)’을 방지할 수 있는 길이 물리학과 의학의 학제간 연구를 통해 열렸다. POSTECH 김승환 교수팀, 이운철 미국 미시건의대 연구원(POSTECH 박사), 서울 아산병원 노규정 교수 공동연구팀은 마취를 통한 의식의 소실과 회복 메커니즘을 뇌파분석을 통해 정량적으로 처음 밝혀내, 이 연구결과를 이 분야 최고 권위 국제학술지인 ‘의식과 인지(Consciousness and Cognition)’ 온라인판을 통해 발표했다. 한-미 공동연구팀은 정맥 마취제인 프로포폴(propofol)을 14명의 수술 예정 환자에게 주사한 뒤 의식상태와 마취상태의 뇌 활동을 뇌파로 측정하고, 그 데이터를 비선형 동역학적 방법을 이용해 물리학적 관점에서 분석했다. 분석 과정에서, 신체가 마취되면 의식에서 무의식 상태로 전이하면서 신경계가 가지고 있는 정보통합능력이 현저하게 감소하며, 의식의 소실은 뇌파의 시간적ㆍ공간적 자기조직화가 깨지면서 일어난다는 사실을 발견했다. 특히 의식이 없어질 때 인지를 다루는 전두엽에서 감각을 다루는 후두엽으로 흘러가는 정보가 급격하게 감소한다는 사실이 밝혀졌다. 이 결과는, 뇌 신경계의 정보통합이 일반 마취에 의해 바뀐다는 인지통합적 패러다임의 직접적인 증거로 볼 수 있다고 연구팀은 설명했다. ‘의식과 무의식의 경계’는 오래전부터 철학, 과학, 의학적 관점에서 관심을 가져온 문제였으나, 아직까지 풀리지 않은 수수께끼가 많은 분야로 알려져 왔다. 특히 전신마취로 수술을 받을 경우에 아직도 환자의 몸을 꼬집어보는 데 의존하는 비과학적 방법을 사용함으로써 ‘수술 중 각성’ 사고도 드물게 발생하고 있다. 이번 한-미 공동연구팀의 연구는 이처럼 베일에 가려져있던 의식과 무의식의 경계를 구분해 낼 수 있는 정량(定量)적인 기준점을 처음으로 제시했다는 측면과, 국내에서도 의학적 임상실험과 물리학적 분석을 통한 학제간 공동 작업이 시도되었다는 점에서 시사하는 바가 크다. 특히 연구결과를 통해 마취제나 진정제의 효과를 측정하고 표준화할 수 있게 되었으며, 수술 중 발생하는 각성같은 의료사고 등을 미연에 방지할 수 있게 됐다. 또 이 연구성과는 향후 무의식과 무의식을 정확하게 판별해줄 수 있는 ‘대리표지자(surrogate biomarker)’ 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

현미경 없이 '그라핀' 가장자리 모양 측정 방법 발견 (2008.12.31)

그라핀 나노리본의 금속원자 에너지 분석을 통한 새 방법 제시 필수연구 과제인 ‘그라핀의 가장자리 탄소원자 배열 규명’ 성공해 우주에서 가장 얇은 물질로 잘 알려진 그라핀(Graphene)으로 만든 나노리본의 가장자리 모양을 값비싼 원자 현미경을 사용하지 않고도 파악할 수 있는 방법이 발견됐다. 물리학과 지승훈 교수ㆍ박사과정 최선명 씨 연구팀은 그라핀 나노리본에 붙은 금속원자의 에너지를 측정해 나노리본 가장자리의 모양을 파악할 수 있는 방법을 발견해 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 최신호를 통해 발표했다. 연필심의 원료인 흑연에서 분리되는 그라핀은 하나의 원자층을 가진 안정적인 2차원적 물질이다. 아울러 수송을 전담하는 전하가 그라핀 층 가장자리의 탄소원자 배열에 따라 도체와 반도체 성질을 나타내면서도 두께가 원자 한개 수준에 불과해 초소형 나노소자로서의 응용 가능성이 높기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 특히 그라핀은 소재 내 전자의 충돌에 따른 과열이 없고, 다이아몬드보다 탄소원자 결합이 강해 발열현상을 일으키는 실리콘의 대체물질로 각광 받으면서 많은 연구가 이루어지고 있다. 그 중에서도 그라핀의 가장자리 모양은 소자로 활용될 때 전자장치의 성질에 영향을 미칠 수 있어 가장자리의 탄소원자 배열을 규명하는 것은 필수적인 연구로 알려져 왔다. 그러나, 그라핀의 두께가 너무 얇아 가장자리의 원자 배열은 지금까지 알아낼 방법이 없었다. 지 교수팀은 그라핀으로 만든 나노크기의 리본에 금속 원자를 떨구고, 그래핀 표면의 흡착에너지를 양자 계산으로 파악하면서 가장자리 탄소원자의 배열에 따른 에너지 변화를 연구했다. 그 결과, 가장자리 탄소원자 배열이 지그재그 형태의 특정한 모양을 가질 때만 금속 원자가 가장자리로 이동해 ‘원자선’을 만들어낸다는 것을 밝혀내고 이를 이용해 그라핀 가장자리의 원자배열을 파악할 수 있다는 사실을 발견했다. 또, 지 교수팀은 가장자리의 탄소원자도 제어할 수 있다는 사실을 밝혀내 새로운 ‘스핀절류 제어장치’의 모형도 제시했다. 나노리본 가장자리의 탄소원자는 일정한 방향으로 정렬되어 있는데, 금속원자가 가장자리로 이동해 원자선을 이루면 이같은 스핀 정렬 현상은 사라진다. 이를 이용하면 차세대 소자로 활용할 수 있는 스핀절류 제어장치가 만들어질 수 있다고 연구팀은 설명했다. 반도체등의 전자소자에 스핀전류기술을 적용할 경우 신호를 전하량을 이용한 신호전달 이외에도 전자의 스핀이란 물성 역시 정보전달에 이용할 수 있어 한 번에 전달할 수 있는 정보량을 2배로 증가시킬 수 있다.

염색체 응축 조절 고리모양 단백질의 비밀 풀다 (2009.1.9)

POSTECH 생체분자인지연구단장인 오병하 교수 연구팀(우재성, 임재홍 박사)이 “염색체의 응축을 담당하는 단백질 복합체(MukBEF Condensin)의 ‘고리 모양’ 분자 구조”를 규명하였다. 또한, 이 복합체가 ATP(아데노신3인산)를 사용해 고리를 여닫으며 그 안의 DNA를 가역적으로 가둬둘 수 있다는 사실을 증명했다. 이번 연구는 교육과학기술부와 한국과학재단이 추진하는 창의적연구진흥사업의 일환으로 수행되었고, 연구 결과는 최고의 생명과학분야 저널인 셀(Cell)지 온라인판 1월 9일자에 게재됐다. 염색체는 체세포가 분열하기 위해 핵분열을 하는 과정에서 보이는 것으로 세포 분열 전에는 세포 속 핵에서 염색사의 형태로 존재하지만, 세포 분열을 할 때에는 강하고 역동적으로 응축된 염색체 형태가 된다. 한 생명체에 필요한 유전정보를 담고 있는 염색체는 막대하게 긴 DNA 분자로, 염색체의 DNA는 일반 세포의 크기에 비해 수백~수만 배 길다. 이처럼 세포보다 훨씬 큰 분자가 세포 속에 들어갈 수 있다는 점과, 세포의 복제가 일어나고 2개의 딸세포로 어떻게 정확하게 분열되는지의 여부는 지금까지도 풀리지 않은 생명과학의 큰 불가사의다. 오 교수팀은 포항가속기연구소 빔라인을 활용해 원핵생물에서 염색체의 응축을 담당하는 콘덴신 단백질 복합체의 고리 모양 분자 구조와 이 복합체가 응축에 관여하는 메커니즘을 밝혀냄으로써 염색체 응축 분야에서 획기적인 결과를 거둔 것으로 평가받고 있다. ‘콘덴신 단백질’에 의한 염색체 응축 현상은 중ㆍ고등학교 교과서에 등장할 정도로 잘 알려져 있으나 그 작용 기작은 밝혀지지 않았으나, 이번 오 교수팀 연구에서는 이 복합체의 분자구조를 규명하고 그 메커니즘을 제시하였다. 또, 염색체의 응축을 방해하면 세포가 정상적으로 증식하지 못하기 때문에 이와 관련한 연구는 항생제나 새로운 항암물질의 개발 등 응용 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. POSTECH 오병하 교수는 “이번 연구성과는 ‘염색체 응축’ 분야 연구의 시작에 불과하다”며 “앞으로 염색체가 여러 개인 진핵세포에서 일어나는 응축 메커니즘에 대한 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 그는 “원핵세포와는 달리 진핵세포에서는 염색체별로 각자 응축이 일어나기 때문에 훨씬 정교한 메커니즘에 의해 응축이 조절될 것으로 예상한다”고 덧붙였다. 한편, 이번 연구에는 고등과학원 이주영 교수와 부산대 하남출 교수팀이 참여했다.