Research

POSTECH연구진, 죽음의 생체 회로 규명 (2009.2.20)

“노화와 죽음은 체계적으로 프로그래밍된 필연적 단계” POSTECH 남홍길 교수, 세계 최고 과학 학술지 Science 지에 발표 POSTECH 남홍길 교수팀이 식물을 이용해 지금까지 비밀에 싸여 있던 생명체의 노화 및 죽음을 관장하는 생체 회로를 규명하며 인간의 노화를 지연시키는 연구의 중요한 단초를 제공하였다. 이 연구를 통해 남 교수팀은 노화와 죽음은 유전자적으로 결정되어 있는 피할 수 없는 필연적 단계임을 밝혀내고, 식물뿐만 아니라 인간을 포함한 모든 생물체의 노화와 죽음이 생체의 회로를 통해 조절될 수 있다는 가능성을 제시하였다. 남홍길 교수팀의 김진희ㆍ우혜련 박사의 주도로 진행된 이번 연구는 교육과학기술부와 한국과학재단이 지원하는 선도연구센터육성사업(구 국가핵심연구센터(NCRC)사업) 및 21세기프론티어연구개발사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 세계 최고의 과학 전문지인 사이언스(Science)지에 2월 20일 자에 게재되었다. 노화는 생명체의 수명을 결정짓는 중요한 발달 과정인데, 아직 그것에 대한 분자유전학적 기작, 특히 그 유전적 조절 회로에 대해서는 규명된 바가 거의 없다. 남 교수는 노화를 설명하기 위한 여러 가설 중 노화의 유전적 결정론에 바탕을 두고, 노화 연구가 용이한 애기장대를 통해 노화의 분자적 기작을 연구했다. 유전적 결정론 관점에서 볼 때 식물에서의 노화는, 식물의 발달 과정 중 마지막 단계에서 진행되는 일련의 생화학적, 생리적 현상으로, 그것이 유전적으로 계획되어 있어 세포, 조직, 기관 수준에서 매우 정교하고 능동적으로 진행된다. 남 교수팀은 애기장대 연구를 통해, 노화에 관련된 세 개의 유전자 ORESARA1(약자: ORE1; 오래살아1), EIN2, miR164의 상호작용을 통해 작동되는 생체 회로의 조절이 노화 조절에 중요하다는 것을 밝혀냈으며, 나아가 이 식물에는 노화 및 죽음의 과정이 필수적으로 일어나게 하는 견고한 생물학적 메커니즘이 있음을 증명하였다. 연구팀은 여러 애기장대들 중 노화가 지연되는 돌연변이체(애기장대)의 유전자 중 하나인 ORE1의 특성을 밝혔으며, 식물이 나이가 들어감에 따라 EIN2 유전자의 활성으로 ORE1 전사체의 양이 증가하면서 노화 및 그에 따른 죽음을 유도한다는 사실을 밝혀냈다. 즉, 노화와 죽음에 관련된 생체회로들은 이같이 ‘ORE1의 전사체 양의 조절로서 노화와 죽음을 조절한다. 어린 식물에서는 ORE1 전사체의 양이 적고, 모두 miR164에 의해 분해되지만, 노화가 진행될수록 EIN2가 miR164의 분해를 막음으로써 ORE1의 양이 늘어난다다. 그러나 ORE1의 증가를 막아도 식물의 노화와 죽음은 진행됐다는 것이다. 한편, 남 교수팀은 POSTECH 황대희 교수와 함께 노화조절 네트워크의 수학적 모델링을 통해 노화와 죽음에 이르려면 일정 기간이상(어느 정도 식물이 성장해야) 노화 생체회로가 작동해야 한다는 사실도 밝혀냈다. POSTECH 남홍길 교수는 “이번 연구 성과는 식물이 나이가 들면 노화 및 죽음을 피할 수 없도록 프로그램되어 있다는 명확한 증거를 제시했다.“며 ”식물뿐만 아니라 동물과 인간을 비롯한 다른 개체의 노화에 대한 새로운 패러다임을 제공하였다는 평가를 받고 있다.“라고 밝혔다. 이로써 남홍길 교수는 세계 3대 대표 과학저널인 사이언스(Science), 네이처(Nature), 셀(Cell)지에 국내에서 연구한 성과를 주저자로서 모두 발표 후 불과 4개월 만에 다시 사이언스지에 논문을 게재하는 쾌거를 이루었다.

시스템생명공학부 황대희 교수팀, 광우병 유발하는 333개 유전자 규명 (2009.3.24)

광우병 진단・치료에 활용가능한 주요 유발 유전자군 판별 광우병 잠복기 진단 및 치료 가능성 제시…에이즈・결핵 적용가능 2000년대 초 영국에서 처음 발견되었으며 지난 해 국내에서 최대의 사회적 이슈로 떠올랐던 ‘광우병(Mad Cow disease)’. 이 광우병을 잠복기에 미리 진단해낼 수 있을 뿐 아니라 치료의 가능성까지 열었다는 평가를 받는 연구 결과가 발표되었다. 시스템생명공학부 황대희 교수・조지훈 박사팀은 미국 시스템생명과학연구소 (Institute for Systems Biology・이하 ISB), 맥로린 연구소(McLaughlin Research Institute), 샌프란시스코 캘리포니아대(University of California, San Francisco) 등과의 공동연구를 통해 ‘광우병 (Mad Cow disease)’ 에서 주요 역할을 하는 핵심 유전자 군을 선별해냈으며, 이들을 이용해 광우병 조기진단 및 치료가 가능하다는 사실을 제시했다. 2002년부터 진행된 이 연구의 결과가 세계적인 과학전문 저널 ‘네이처’의 자매지인 ‘몰레큘러 시스템즈 바이올로지(Molecular Systems Biology)’ 온라인판 최신호에 게재됐다. 연구팀은 유전적으로 다른 다섯 종류의 쥐에, 양과 소에서 추출한 두 종류의 프리온(prion)을 감염시킨 뒤 병의 진행과정에서 주기적으로 생겨난 약 3,000만 데이터 값을 분석하고, 나아가 광우병을 유발 진행시키면서 마지막 단계인 신경퇴행에까지 주요한 역할을 하는 333개의 핵심 유전자를 선별하였다. 그리고 이들 유전자들의 유기적인 상호작용에 의해 일어나는 광우병의 발병과 신경의 퇴행, 사멸의 분자유전학적 메커니즘을 밝혀냈다. 특히 연구팀은 광우병에 감염된 쥐가 증상을 보이지 않는 감염 초기(8~12주)에, 발현이 늘어나는 면역・콜레스테롤・글리코스아미노글리칸스(GAGs)・스핑고지질 같은 대사관련 핵심 유전자들을 선별해냄으로써, 이들을 이용한 광우병의 조기진단 가능성을 제시하였다. 또, 광우병의 유발과 진행에 이르는 메커니즘을 밝혀내, 이 질병들에 대한 새로운 치료법 개발의 가능성도 열었다. 이번 연구는 광우병의 직접적 원인인 프리온 유전자(Prnp)와 단백질(PrPSc) 연구에 집중되어 온 기존의 연구 패턴에서, 그 대상을 확대하여 프리온 단백질 축적에 용이한 환경을 만들기 위해 감염 초기에 활성화되는 다른 유전자들과 그 상호작용의 연구에 대한 필요성을 제기했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 광우병 진단에 이들 유전자 연구를 도입하면, 프리온 단백질을 측정하는 데 그치는 현재의 광우병 진단법과는 달리 조기에 병을 진단해낼 수 있게 된다. 황 교수팀은 이 연구성과를 기반으로, ISB 등 공동연구팀과 함께 프리온에 감염될 수 있는 뇌의 중추신경계 줄기세포인 뉴로스피어(neurosphere) 세포모델을 이용하여 쥐의 체내 333 핵심 유전자들에 의해 일어나는 광우병 발병 과정에서의 뉴로스피어 세포가 하는 역할을 심도있게 검증하는 연구를 진행할 계획이다. 황대희 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 시스템생물학적 방법은 암, 퇴행성뇌질환, 자가면역질환, 심혈관계질환, 감염질환 등과 같은 다른 난치성 질병에도 적용이 가능하며, 이 연구를 응용하면 각 질병의 발병과 진행에서 중요한 역할을 하는 유전자에 대한 선별이 가능해진다”고 말했다. 덧붙여 “병의 원인과 그 메커니즘에 대한 이해와 진단, 그리고 치료분야에 이르기까지 새로운 패러다임을 제공했다는 평가를 받고 있다”고 밝혔다.

유기 수은 검출 가능한 형광센서 개발 (2009.4.28)

안교한 교수팀, ‘미나마타병’유발하는 메틸수은 검출 가능한 형광 센서 개발 살아있는 생물체 내 유기 수은 검출 및 이미징 가능해져 안 교수, “향후 무기와 유기 수은을 구분하는 형광 센서도 개발해” 국내 연구팀이 ‘미나마타병’을 유발하는 것으로 알려진 메틸수은과 같은 유기수은을 생물체에서 검출해 영상화할 수 있는 형광 센서를 개발해 국제 학계로부터 많은 관심을 모으고 있다. 화학과 안교한 교수・미툰 산트라(Mithun Santra) 박사・박사과정 류도욱 씨 팀은, 최근 영국왕립화학회(RSC)가 발행하는 ‘케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications)’를 통해 ‘살아있는 생물체 내의 유기수은(organic mercury)을 형광 감지할 수 있는 형광 센서’ 개발 성과를 발표했다. 생물체에 치명적인 영향을 미치는 수은은 대부분 유기 수은(주로 메틸수은) 형태로 발견되는데, 유기 수은은 친유성(親油性・lipophilicity) 성질로 인해서 생물체 내의 막을 쉽게 통과할 수 있어 무기 수은보다 쉽게 흡수될 뿐 아니라 장기간 축적되기 때문에 독성이 큰 물질로 알려져 있다. 하지만 무기 수은 화합물에 대해서는 많은 종류의 형광 센서가 개발된 반면 메틸수은과 같은 유기 수은을 검출해낼 수 있는 형광 센서는 아직 개발되지 않은 상태다. 안 교수팀은 연구 과정에서, ‘수은 이온을 인지하려면 수은 이온에 높은 결합력을 가지는 황(sulfur)과 같은 헤테로원자에 근거한 화합물을 사용해야 하는 기존의 접근 방법’ 대신, 불포화 탄화수소인 알켄(alkene)이 수은 이온 존재 하에서 물과 반응하는 ‘옥시머큐레이션(oxymercuration)’ 반응을 응용함으로써 무기 수은 뿐만 아니라 유기 수은 이온도 감지할 수 있게 되었다. 이에 따라 연구팀은, 메틸 수은에 노출된 포유동물과 제브라피시(zebrafish/물고기 모델 동물)의 세포 및 유기체 내의 수은 화학종의 분포를, 개발된 형광 센서를 이용하여 영상으로 얻어내는 데 성공하였다. 안교한 교수는 “이번 연구 성과는 미나마타병 등 치명적인 독성을 야기하는 메틸수은 등 유기 수은들의 체내 축적과 분포 과정을 추적하는데 활용될 수 있다”고 밝혔다. 그는 또, “이번에 개발된 형광센서는 유기 수은 뿐만 아니라 무기 수은 화학종에도 반응하기 때문에 유기수은만을 구분할 수 없어 이 점을 해결하는 것이 남아있는 과제”라며 “이들 종류를 구분해낼 수 있는 형광 센서를 후속 연구로 개발 중에 있다”고 밝혔다. 이 밖에도 안교한 교수팀은, 여러 가지 생활용품에도 사용되면서 하천의 생태계를 교란시켜 문제가 되고 있는 은나노입자를 간편하면서 효율적으로 감지할 수 있는 형광센서를 개발하여 최근에 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 속보로 발표하였으며, 이들 형광 센서에 대한 국내외 특허 출원을 준비 중에 있다. 한편, 연세대학교 신인재 교수팀의 협력으로 얻어진 이번 연구 결과는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’ 잡지의 ‘케미컬 바이올로지(Chemical Biology)’ 부문에 주목할 만한 연구로 소개되기도 했다.

POSTECH, 사람의 마음을 읽는 '따뜻한 기계' 만든다 (2009.4.28)

인간의 대표적 4가지 표정 읽는 기술 개발…英 뉴사이언티스트 소개 노약자 삶의 질 개선 위한 휴먼 센싱 개발 주력… 자동안면인식 관련 책 발간도 스티븐 스필버그의 영화 <A.I.> 속 로봇들은 사람과 거의 흡사한 모습을 하고, 사람이 짓는 표정을 읽어내 스스로 행동한다. 이 로봇들처럼 기계가 사람의 표정과 마음을 읽어낼 수 있는 날이 다가오고 있다. 컴퓨터공학과 김대진 교수팀은 기쁨, 화남, 놀람 등 사람의 대표적 4가지 표정을 자동으로 읽어낼 수 있는 기술을 개발했다. 특히 이 기술은 극단적인 표정만을 인식할 수 있는 기존 기술과는 달리, 미세한 표정을 과장된 표정으로 변환할 수 있는 모션 증폭(Motion Magnification) 기술을 이용해 사람이 미세한 표정을 지을 때도 기계가 표정을 자동으로 인식할 수 있어 눈길을 모으고 있다. 영국의 대중과학전문잡지 ‘뉴사이언티스트(New Scientist)’는 4월 1일, “사람이 아무리 미세한 표정을 짓더라도 기계가 얼굴 표정을 읽어낼 수 있는 날이 곧 온다(Machines could soon be able to read people's facial expressions, no matter how subtle they are.)”며 김 교수팀의 연구에 대해 소개했다. 보도에 따르면, 김 교수팀은 얼굴의 27개 특징점(feature point)의 표정 변화에 따른 움직임을 이용하여 표정을 읽어내는 기술을 개발했으며, 20명의 4가지 미세 표정을 인식하는 실험에서 88%의 성공률을 보였다. 연구팀은 이 같은 기술을 노약자와 장애자의 삶의 질 향상을 위한 기술로 응용할 계획이다. 사람의 표정뿐만 아니라, 손짓, 뇌 활동을 분석해 행동이나 감정 등의 요소를 이해하고 인지할 수 있는 ‘휴먼 센싱(human sensing)’ 기술이 그것이다. 이 기술은 생체 인식, 스마트 홈 제어, 재활∙보건 의료 서비스, 인간-기계 상호작용, 비서 업무 등 다양한 분야에 활용된다. 특히 김 교수팀은 이런 다양한 분야 중에서도 독거 가정 환경에서 생활하는 노약자나 장애인의 움직임과 행동의 의도를 분석하고 이해해 로봇 등의 기기에 적용할 수 있는 기술을 개발하는데 주력할 계획이다. 이를 위해 김대진 교수팀은 교육과학기술부의 WCU(세계적인 연구중심대학 육성)사업의 지원을 받아 로봇 비전 분야 세계적 석학인 미국 카네기멜론대 로보틱스 연구소의 타케오 카나데(Takeo Kanade) 교수팀과 공동으로 연구를 진행하고 있다. 또한, 현재까지 개발된 안면 검출⋅인식과 표정인식기술은 삼성전자로 기술이전되어 옴니아폰⋅햅틱폰 등 핸드폰과 디지털 카메라 등에 탑재되어 출시될 예정이다. 한편, 김 교수는 LG전자의 성재원 박사와 함께 지난 2월, 미국의 학술전문출판업체 ‘ISI 글로벌’을 통해 ‘자동 안면 분석: 새로운 기술과 연구 동향(Automated Face Analysis: Emerging Technologies and Research)’이라는 기술 서적을 발간하기도 했다. 이 서적은 최근 급격하게 관심이 높아지고 있는 안면 분석 연구에 대한 이론적 배경과 함께 최신 연구를 소개하여 학계의 관심을 불러 모으고 있다.

화학과 김광수 교수팀, 세계 최고 수준의 전자기억 소자 개발 가능성 열어 (2008.6.15)

6월 15일 네이처 나노테크놀로지지에 연구논문 소개 차세대 소형화 기억장치의 新기원 열어 김광수 교수 김우연 씨 교육과학기술부는 국내연구진이 미래 대용량 기억장치의 소형화 문제를 해결해 줄 것으로 기대되고 있는 나노전자소자의 자기저항 효율을 만배 이상 증대시키는 기술을 개발했다고 6월 15일 밝혔다. 연구의 주요내용은 단일층 그래핀 나노리본을 이용하여 현재 최고 수백%인 자기저항 효율을 수백만%로 증대시키는 수퍼자기현상 예측에 관한 것으로서, 국제학계의 비상한 관심 속에 권위있는 과학학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 6월 15일자 온라인 판에 게재되었다. 이같은 쾌거는 교육과학기술부의 글로벌연구실(Global Research Lab)사업의 일환으로 나노소재 및 미래형 나노 전자ㆍ광학 소자 설계 및 개발연구를 수행하고 있는 화학과 김우연 박사과정생과 김광수 교수의 공동연구로 이루어진 것으로서, 金 교수팀의 연구 성과는 향후 컴퓨터 하드디스크 등 기억장치의 대용량화, 소형화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다. 김 교수팀이 제안한 스핀밸브 소자는 종래의 것과는 전혀 다르게 그래핀 나노리본의 고유한 대칭성에 의한 전자 파동함수 간의 간섭효과를 외부 자기장을 통해 조절함으로써 자기저항을 극대화 하는 것이다. 이는 지금까지 보고되지 않은 새로운 자기 저항 메커니즘으로써 수퍼자기저항 (SMR)이라 할 수 있다. 이렇게 종래의 기술과는 차별되는 메커니즘으로 수퍼자기저항을 가지는 스핀밸브 소자의 개발은 새로운 물리현상을 보여줌과 동시에 기존의 기술 장벽을 넘어 혁신적인 미래지향적 정보저장 장치 및 전자소자 개발 등에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 POSTECH 김광수 교수(교신저자)의 주도 하에 박사과정생 김우연(제1저자)씨가 일구어낸 성과로서, 이 연구 결과는 추후 글로벌연구실사업의 해외공동연구책임자인 필립 김(Philip Kim, 미국 콜럼비아대) 교수가 함께 실험으로 연계하는 실질적 국제공동연구의 모범적인 모델로 자리매김할 예정이다.

생명과학과 김정훈교수팀, 자폐증 발병 원인 '열쇠' 찾았다 (2008.6.23)

자폐증 연관 단백질 뉴로리건 기작 최초로 규명 美 국립과학원회보지 최신호 소개 ‘시냅스’ 조절 기작 및 물질 개발 연구 활용 1만명 당 10~15명꼴로 발생하고 있지만 그 발병 원인이 지금까지 정확하게 밝혀지지 않았던 자폐증의 치료에 중요한 계기를 마련할 연구성과가 나왔다. 생명과학과 김정훈 교수팀은 자폐증 발병 유발 단백질로 알려져 있는 ‘뉴로리긴(Neuroligin)’의 생리학적 특징을 최초로 밝혀내 그 연구결과를 미국 국립과학원회보(PNAS)를 통해 6월 23일(현지시간) 발표했다. 대부분의 자폐증 환자는 감정을 원활하게 표출하지 못하며, 환자들의 편도체가 비정상적으로 작동한다는 것은 이미 알려진 사실이다. 김 교수팀은 이 사실에 착안해 살아있는 동물의 편도체 신경세포에서, 뉴로리긴 발현을 제어하고 신경 전달에 관여하는 AMPA 수용체와 NMDA 수용체의 신경 전달 변화를 관찰했다. 이를 통해 연구팀은 뉴로리긴 발현을 억제하면 AMPA 수용체에 의한 신경 전달에는 변화가 없지만, NMDA 수용체에 의한 신경 정보 전달 강도가 낮아지며, 그에 따라 시냅스(synapse) 강화현상이 저하되면서 감정 기억 작용이 현격히 억제된다는 사실을 밝혀냈다. 지금까지 뉴로리긴이 자폐증 발병과 깊은 연관이 있다는 것은 알려져 있었지만, 뉴로리긴의 생리적 기작이나 뉴로리긴 발현이 편도체 신경 세포의 시냅스 강화현상이나 감정 기억을 조절한다는 사실은 알려진 바 없었다. 이번 연구는 자폐증의 발병 기전 중 하나를 규명해 NMDA 수용체에만 특정하게 작용하는 물질이 자폐증 치료나 증세 완화에 도움을 줄 수 있음을 보여주었을 뿐 아니라, 뇌 활동에 영향을 주는 새로운 단백질의 규명이라는 과학적 성과를 올린것으로 평가된다. 김정훈 교수는 “뉴로리긴과 같은 세포 점착 물질에 대한 연구를 분자 기작 수준에 그치지 않고 뇌 전체 시스템 수준에서 수행한다면, 지금까지 원인이 규명되지 않았던 신경 정신과 질환 치료법 개발에 중요한 전기를 마련할 수 있을 것”이라며 “이번 연구 결과를 바탕으로 세포 점착 물질에 의한 전체 신경망 조절 메커니즘 규명과 그 활용 연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다.

신소재공학과 제정호 교수팀, X선에 의한 물의 표면장력 감소현상 세계 최초 발견 (2008.5.29)

교과부(장관 김도연)는 교과부(한국과학재단) 창의적연구진흥사업을 수행 중인 신소재공학과 제정호 교수(X선영상연구단장)와 원병묵 박사팀이 “X선에 의한 물의 표면장력 감소현상”을 세계 최초로 발견하고 그 메커니즘을 규명하였으며, 이를 이용하여 순수한 물로 이루어진 안정한 자립성(自立性; freestanding)의 물막을 만드는데 성공하였다고 밝혔다. 지금까지는 X선을 물에 쬐어주더라도 물의 특성이 변하지 않는다고 생각했기 때문에 물의 구조분석 연구에 X선을 오랫동안 사용해 왔다. 그러나 기존의 고정관념과 달리, X선이 물의 표면장력 같은 물리적, 화학적 특성을 완전히 달라지게 할 수 있음이 처음으로 입증된 것이다. 연구팀은 간단하고 참신한 실험 장치를 고안하여 X선을 비추는 동안에 물의 표면장력이 실제로 어떻게 변화하는지를 실시간으로 관찰하는 데 성공하였고, X선을 물에 비추는 동안 물의 표면에 전하가 쌓여 표면장력을 변화시키는 현상을 이론과 실험을 통해 처음으로 규명하였다. 이번 연구 성과는 물리학분야 세계 최고 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)지 2008년 5월 29일자에 게재되었다. 또한 X선에 의한 물의 표면장력 감소현상을 적절히 이용하면, 모세관 속에 갇힌 소량의 물을 서서히 얇게 만들어 순수한 물로 이루어진 안정한 자립성의 물막을 만들 수 있다. 이 내용에 관하여는 응용물리학분야의 권위지인 어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)지 2008년 3월 10일자에 발표한 바가 있다. 이번 연구결과는 X선과 물의 상호작용을 이해하는 가장 중요한 기초를 다진 것으로서, 향후 X선과 물에 관한 기초 및 응용 연구를 선도할 것으로 기대된다. 물은 생명체의 주된 구성성분이기 때문에 물에 관한 X선 연구는 매우 중요하다고 볼 수 있으며, 특히 기존의 3세대 방사광 가속기보다 100만 배 이상 밝은 4세대 방사광 가속기 개발 시점에서 매우 중요한 의미가 있다. 또한 최근 기후변화의 원인 중 하나로 논의되고 있는 우주방사선(Cosmic-rays)에 의한 지구 대기의 구름 생성 가설을 검증할 수 있는 이론을 암시하고 있어 앞으로 후속 연구의 귀추가 주목된다.

생명과학과 공영윤 교수팀, 태아의 뇌 발달 조절하는 새로운 메커니즘 찾았다 (2008.5.22)

초기 뇌 발달 과정에서 큰 역할 하는 중요한 인자 발견해 선천성 대뇌기형이나 정신지체 현상의 예방과 치료에 활용 ‘성체줄기세포’ 연구에도 활용 … “성체줄기세포 메커니즘 연구 진행할 것” 신경줄기세포(neutral stem cell)의 증식과 분화 과정에서 태아의 뇌 발달을 조절하는 역할의 인자가 있음이 POSTECH 연구진에 의해 처음으로 규명됐다. 생명과학과 공영윤 교수팀은 태아의 뇌 발달 과정에서 일어나는 노치(Notch) 신호전달 과정에 있어서 ‘중간전구체세포(intermediate progenitor cell)’가 매우 중요한 신호전달자 역할을 해왔다는 사실을 밝혀내고, 이 연구결과를 신경학 분야의 세계적 권위지 ‘뉴런(Neuron)’ 최신호를 통해 5월 22일(현지시간) 발표했다. 임신 초기 태아는 단 한 층의 신경줄기세포로 이루어져 있는 단순한 구조의 뇌를 갖지만, 이 신경줄기세포들이 빠르게 분열하고 증식하면서 신경세포(neuron)나 교세포(glial cell)로 분화하는 ‘신경세포 발생(neurogenesis)’ 과정을 통해 복잡한 구조의 신경계를 형성한다. 노치신호전달 과정은 이 같은 신경세포 발생을 조절하는 중요한 세포간 상호작용 (cell-cell interaction)으로 알려져 왔으나, 신경줄기세포 내로 전달되는 노치신호가 주변 환경에 의해 어떻게 일어나고 조절되는지에 대해서는 정확하게 밝혀진 바가 없었다. 공 교수팀은 노치신호전달과정에 필수적인 ‘마인드 봄-1(Mind bomb-1)’이라는 단백질을 제거한 쥐를 이용해 ‘마인드 봄-1’을 발현하는 중간전구체세포가 지속적으로 노치신호를 신경줄기세포에 전달함으로써 신경줄기세포들이 태아 발달이 끝날 때까지 신경세포를 생산할 수 있도록 한다는 사실을 밝혀냈다. 특히 기존의 연구과정에서 간과되어왔던 대뇌피질 내의 중간전구체세포가 노치신호전달자로서 인간의 언어, 사고, 학습과 기억에 관여하는 대뇌피질 발달에 중요한 역할을 한다는 사실이 규명된 것은 이번이 처음이다. 대뇌피질의 발달에 있어서 노치신호전달과정의 구체적인 메커니즘을 밝혀낸 이번 연구결과는 특히 많은 종류의 선천성 대뇌기형이나 정신지체 현상의 예방과 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 공영윤 교수는 “배아 신경줄기세포의 증식과 분열 메커니즘은 최근 많은 관심을 모으고 있는 성체 신경줄기세포의 조절 메커니즘과 흡사해 향후 성체 신경줄기세포 연구에 활용할 수 있을 것”이라며 “이번 연구 결과를 바탕으로 성체신경줄기세포의 조절 메커니즘 규명과 그 활용 연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다. 공 교수팀은 지난 2005년 ‘마인드 봄-1’ 단백질이 노치신호전달과정에서 필수적인 매개자로 작용하고 있다는 사실을 최초로 밝힌 바 있다.

韓ㆍ獨 공동연구팀, 테라비트급 Fe램 구현 ‘앞당긴다’ (2008.6.15)

POSTECHㆍKRISSㆍ막스플랑크 연구소 백금-PZT-백금 나노크기 커패시터 최초 구현 네이처 자매지 온라인판 게재 … 다강체 활용 가능성 후속연구 이우 박사 한희 씨 동전만한 크기에 콤팩트디스크(CD) 1500장 이상의 정보를 저장할 수 있어 각국에서 경쟁적으로 개발에 나서고 있는 차세대 테라비트급 Fe램(통칭 F램) 구현을 위한 새로운 기술이 한국과 독일의 공동연구팀에 의해 개발됐다. 독일 막스플랑크 재단 미세구조 물리학연구소 궤젤레 박사(現 연구소장)와 이우 박사(한국표준과학연구원 연구원)연구팀과 POSTECH 신소재공학과 백성기 교수(現 POSTECH 총장)와 박사과정 한희 씨 연구팀은 다공성 산화알루미늄(alumina)을 틀로 사용해 대표적인 강유전체 물질인 ‘납-지르코늄-티타늄 복합산화물(이하 PZT)’ 나노점을 대면적 기판 위에 정렬해 초고밀도 Fe램을 구현하는 데 성공했다. 세계적인 과학저널인 네이처 자매지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 온라인판을 통해 6월 15일(현지시간) 발표된 연구결과는 지금까지 고저장밀도 Fe램 개발에서 선행되어야 할 과제로 지적되어 온 커패시터의 소형화를 해결한 핵심기술로 평가받고 있다. Fe램은 현재 주로 사용되는 D램과 거의 같은 구조로 되어 있지만 전하를 저장하는 커패시터로 강유전체(强誘電體ㆍferroelectrics)를 사용해 전원이 꺼져도 데이터를 보관할 수 있을 뿐 아니라 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있어 차세대 비휘발성 메모리로 많은 관심을 모으고 있다. 그러나 이 메모리 반도체는 데이터 저장밀도를 높이는데 기술적인 어려움을 겪어 상대적으로 낮은 용량의 메모리를 요구하는 휴대형 PC나 이동통신 단말기, 스마트카드 등에 주로 이용되어 왔다. 연구진은 나노미터(nm) 크기의 구멍이 벌집모양으로 배열되어 있는 다공성 산화알루미늄이 열에 대한 안정성이 탁월하다는 점에 착안해 PZT의 결정화 온도 이상에서 PZT 나노점을 성장시켜 백금-PZT-백금의 적층구조를 갖는 나노 커패시터를 세계 최초로 구현했다. 이 기술은 독성화학물질을 포함하지 않으며, 수백만 번 이상 읽고 쓰기 동작을 수행한 후 급격하게 정보가 손실되는 ‘전기적 피로’ 현상이 없는 다른 강유전체에도 적용할 수 있다. 또 이 기술을 공정에 적용하면 지금까지 커패시터를 소형화하는데 활용되었던 이온빔식각이나 리소그라피 공정을 이용할 때보다 공정시간이 단축된다는 장점이 있다. 독일 연구팀을 이끈 이우 박사는 “커패시터를 소형화하기 위한 다른 공정은 공정과정 중 강유전체 물질의 격자가 손상돼 메모리소자로서의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다”며 “나노점을 성장시켜 커패시터를 구현하는 기술을 제안한 이번 연구로 이 같은 문제점을 해결할 수 있었다”고 밝혔다. 또 앞으로 후속연구를 통해 고 저장밀도의 Fe램이 상용화되면, 전원 버튼을 누른 뒤 부팅 시간이 없이 바로 사용할 수 있는 컴퓨터의 개발도 앞당겨질 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 이번 연구결과를 바탕으로 강유전성과 강자성(强磁性)을 동시에 가지며 차세대 메모리소자에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있는 ‘다강체(Multiferroic)’ 나노점 물질에 적용이 가능한지 여부를 확인하는 연구를 진행하고 있다. 한편 이번 연구는 독일 폭스바겐 재단(Volkswagen Foundation)과 한국 교육과학기술부 BK21사업의 지원으로 이루어졌으며, 이번 연구에 제2저자로 참여한 POSTECH 박사과정 한희씨는 한국학술진흥재단과 독일연구협회가 공동으로 후원하는 독일학술교류처의 장학금을 지원받았다.

POSTECH 연구팀, 양극산화 알루미늄 이용한 캔틸레버 센서 개발 (2008.4.15)

바이러스ㆍ박테리아 검출, 미세공간 연구 등 광범위한 분야 활용 가능… 질량ㆍ응력 측정 딜레마 해결 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 최신호 게재…. 한국 특허 취득 이어 미국ㆍ일본 특허 출원도 바이러스나 박테리아, 물 속의 중금속과 같은 위해물질을 간단하게 검출하거나 미세 공간(confined geometry) 속 물리 현상 연구 등 다양한 분야에 활용되는 캔틸레버(Cantilever) 센서의 딜레마를 해결한 새로운 개념의 센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다. POSTECH 이건홍ㆍ전상민(화학공학), 박현철ㆍ황운봉(기계공학) 교수 공동연구팀은 양극산화 알루미늄(Anodized Aluminum Oxide, AAO)을 이용해 질량변화와 응력(應力․Stress)의 변화를 동시에 측정할 수 있는 캔틸레버센서를 개발했다. 신소재분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지 최신호를 통해 발표된 이 기술은 기존의 캔틸레버 센서가 질량과 응력의 변화를 측정할 때마다 그 길이와 두께를 상반되게 조절해야 하는 문제점을 해결해 주목을 받았다. 나노미터(nm)에서 마이크로미터(μm)에 이르는 초소형 크기인 캔틸레버 센서는, 민감도가 높고 유연하게 휘어지는 성질을 가지고 있어 극도로 미세한 힘이나 변형과 질량을 측정할 수 있는 도구로 각광을 받고 있다. 그러나 기존의 캔틸레버는 질량 변화를 측정하기 위해서는 짧고 굵은 센서를, 응력의 변화를 측정하기 위해서는 반대로 길고 얇은 센서를 사용해야 해 질량과 응력의 변화를 동시에 정밀하게 측정하기는 어려웠다. POSTECH 연구팀은 이 같은 문제점을 해결하기 위해 ‘규칙적으로 배열된 미세 나노기공이 있는 양극산화 알루미늄’을 소재로 활용했다. 양극산화 알루미늄의 나노기공은 크기를 조절할 수 있고 수직방향으로 정렬되어 있어 캔틸레버의 영률(Young's modulus)을 임의로 조절할 수 있다. 연구팀이 사용한 소재의 나노기공은 센서의 표면적을 100배 이상 증가시켜 질량에 대한 민감도를 크게 향상시키는 한편, 센서의 기계적 응력을 크게 줄여 응력에 대한 민감도도 향상시켰다. 또 표면적을 증가시키기 위해 캔틸레버 재질이 아닌 나노선이나 나노막대를 성장시킨 기존의 이종 나노구조 캔틸레버 센서와는 달리, 단일재질을 사용한 이 ‘AAO 캔틸레버 센서’는 기계적인 수치 해석도 가능해 다양한 용도로 활용할 수 있는 맞춤형 센서로 개발할 수 있는 가능성을 열었다. POSTECH 연구팀이 개발한 이 캔틸레버 센서는 △생분자간 상호 간섭력을 측정할 수 있으면서도 휴대가 가능한 소형 질병 분석기 △배양실험이 없이도 박테리아나 독성물질을 검출할 수 있는 센서 △민물에 있는 중금속이나 유독성 단백질의 검출실험 △플라스틱 폭탄이나 생화학 무기를 감지하는 기체 센서, △미세공간 속에서의 물리 현상 연구 등 생명공학과 물리, 환경공학을 아우르는 광범위한 분야에 활용될 것으로 기대된다. 화학공학과 이건홍 교수는 “이 기술은 양극산화 알루미늄과 MEMS(극미세 전자기계 시스템ㆍMicro Electro Mechanical Systems) 기술을 결합해 실제 활용 가능한 장치를 제작한 드문 예”라며 “한국 특허를 취득한데 이어 미국과 일본에도 특허를 출원 중”이라고 밝혔다.