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생명/융합 임신혁 교수팀, IMB001 효능 및 작용기전 규명 “높은 기술력 입증”

[POSTECH 임신혁 교수팀, 김치 유래 유산균 IMB001 "종양 부피 감소 확인"] [자체 개발 플랫폼 기술 'Avatiom(아바티옴)' 적용해 신약 개발 전 주기 기술력 입증] 생명과학과·융합대학원 임신혁 교수, 바이오미래기술혁신연구센터 (B-IRC) Garima Sharma 박사 연구팀이 신약 후보물질 'IMB001'의 효능과 작용기전을 입증한 논문을 국제학술지 '네이처 이뮤놀로지(Nature Immunology)'에 게재했다. 해당 논문은 (주)이뮤노바이옴과 포스텍 생명과학과·융합대학원 김상욱 교수, 생명과학과 김종경 교수, 서울대학교 생명과학부 신근유 교수, 나폴리대학교(Universita di Napoli) 안토니오 몰리나로(Antonio Molinaro) 교수가 참여했다. 이번 논문을 통해 연구진은 김치 유래 유산균 IMB001의 작용 물질과 작용기전을 밝혀내, 마이크로바이옴 치료제의 개발 및 상용화를 위한 기술력을 입증 받을 수 있게 됐다. 먼저 세포벽을 구성하는 다당체인 'RHP(Rhamnose-rich Heterogenous Polysaccharide)'를 분리하고, 항암 효능을 보이는 핵심 유효 물질임을 단일세포 전사체(scRNA-seq)분석을 통해 규명했다. IMB001은 이러한 핵심 유효 물질인 RHP를 표면에 발현해 종양세포를 사멸시키는 효과가 있다. 또한 이번 연구에서는 IMB001의 이중 작용기전도 입증했다. IMB001은 먼저 염증성 사이토카인 IFN-γ를 분비하는 세포독성 T세포(CD8 T)를 증가시켜 종양세포 사멸을 유도한다. 또한 대식세포(macrophage)를 자극해 철 이온을 흡수 및 저장하는 LCN2 유전자를 발현시키고, 종양미세환경에서 철 이온이 차단된 종양 세포가 사멸되도록 한다는 것을 밝혔다. 이번 연구에는 임신혁 교수가 2019년 창업한 ㈜이뮤노바이옴에서 개발한 인공지능(AI) 기반 신약개발 플랫폼인 'Avatiom(아바티옴)' 기술이 적용됐다. 1만명 이상의 암환자 데이터 및 면역항암제 처방 코호트 데이터에 생물정보학 및 기계학습 방법론을 활용해 적용 암종을 선별했다. 임상 성공의 핵심적인 과제인 치료제의 적응증 선별에 아바티움 플랫폼의 우수성을 확인하는 계기가 됐다. 임신혁 교수는 "이번 연구에서 이뮤노바이옴의 아바티옴을 적용해 균주 선별, 유효 물질 규명, 적용 암종 예측 등 신약개발 전주기에 걸쳐 높은 기술력을 입증했다"며 "앞으로 아바티옴 기술을 활용해 IMB001의 임상 설계를 고도화하고, 새로운 치료제 파이프라인 발굴을 이어 나갈 것"이라고 강조했다. DOI: https://www.nature.com/articles/s41590-024-01816-x

신소재/친환경 강병우 교수팀, “금속과 공기로 전기를 만드는 마법” 골칫덩이였던 탄산염이 한 건 했다!

[POSTECH 강병우 교수팀, 고에너지 · 고효율 전고체 Na-공기 전지 플랫폼 개발] 동요 ‘과수원길’에 나오는 아카시아꽃은 사실 아까시나무의 꽃이다. 국내에서 생산되는 벌꿀 대부분 아까시나무꽃 벌꿀일 정도로 쓰임새가 많은데, 이 나무가 처음에는 쓸모가 없어 천덕꾸러기 취급을 받았다고 한다. 최근 과학계에서 아까시나무처럼 천덕꾸러기였던 탄산염이 새롭게 태어난 흥미로운 연구가 발표됐다. 신소재공학부 · 친환경소재대학원 강병우 교수, 신소재공학과 박희택 박사(現 한국전기연구원 차세대전지연구센터) 연구팀은 탄산염을 잘 활용해 특별한 장비 없이 나트륨(Na)과 공기만으로 가역적인 구동이 가능한 고에너지 · 고효율 전고체 나트륨-공기 전지를 개발했다. 이번 연구는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)‘에 게재됐다. 이차전지는 전기자동차나 에너지 저장 시스템 등 친환경 기술 분야에서 널리 활용되고 있다. 차세대 고용량 이차전지로 알려진 ’금속-공기 전지‘는 지구상에 풍부한 산소와 금속으로 전력을 생산하는 전지다. 금속과 산소가 반응하는 과정에서 대기 중 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 인해 탄산염이 형성되는데, 이 탄산염은 배터리 에너지 효율을 떨어뜨리는 골칫덩이였다. 결국, 이름은 금속-공기 전지지만 정제된 산소를 사용하거나 대기 중 산소만 선별해서 활용할 수 있는 산소 투과막 등 추가 장비가 별도로 필요했다. 이번 연구에서 연구팀은 나트륨계 산화물인 나시콘(Nasicon)을 사용해 천덕꾸러기였던 탄산염을 효과적으로 활용하는 데 성공했다. 나트륨과 지르코늄(Zr) 등 여러 원소로 구성된 나시콘은 고체 상태에서 이온을 이동시키는 고체 전해질로 전기화학적 · 화학적으로 매우 안정적이다. 연구팀은 이 나시콘 고체전해질을 사용해 나트륨 금속이 있는 전극을 공기로부터 보호하고, 전지 구동 시 형성되는 탄산염이 분해되는 것을 촉진했다. 그 결과, 탄산염의 가역적인 전기화학 반응을 통해 전지의 에너지밀도가 증가했으며, 전지를 충 · 방전할 때 발생하는 전압 차이가 크게 줄어 에너지 효율도 향상됐다. 또, 연구팀의 전고체 나트륨-공기 전지는 나트륨 이온을 전극 내부로 빠르게 전달해 전기를 출력하는 성능도 훨씬 우수했다. 산소를 선별하는 별도 장치 없이 금속과 공기만으로 전지를 구동하는 데 성공한 것이다. 이번 연구를 이끈 강병우 교수는 “차세대 고에너지 금속-공기 전지의 고질적인 문제였던 탄산염을 활용하는 방법을 찾았다”라며, “대기 중에서 안정하고, 넓은 전압 범위를 가진 고체 전해질 기반 전지 플랫폼으로 차세대 전고체 금속-공기 전지 분야를 이끌어가겠다”는 포부를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 개인사업인 중견연구자 사업과 BK21 플러스 사업 지원을 받아 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47415-0

생명 장지원 교수팀, 세포 반응의 숨겨진 메커니즘 밝혀냈다

[POSTECH 장지원 교수팀, 기계적 자극을 감지해 줄기세포 분화 조절하는 ETV4 발견] 생명과학과 장지원 교수 · 통합과정 양승복 씨는 기계적 자극에 대한 세포 반응을 조절하는 새로운 인자를 찾고, 관련 메커니즘을 밝히는 데 성공했다. 이 연구는 세포생물학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘네이쳐 셀 바이올로지(Nature Cell Biology)’ 온라인판에 지난 3일 게재됐다. 세포성장인자인 인슐린(insulin)과 상피세포성장인자(EGF), 신경 전달 물질인 아세틸콜린(acetylcholine) 등 세포생물학 분야의 연구는 대부분 화학적인 자극에 대한 세포 반응 분석에 집중해왔다. 그런데, 세포는 이러한 화학 자극뿐 아니라 세포의 밀도나 크기, 주위 경도 등 기계적인 자극에도 특정 유전자가 발현되어 이에 반응하고, 또 생명을 유지하고 있다. 하지만 기계 신호 조절 인자가 어떻게 기계적 자극을 인지하는지 그 메커니즘에 대한 연구는 많이 부족한 상황이다. 이번 연구에서 연구팀은 세포의 기계적 자극 감지 · 반응 메커니즘을 연구하기 위해 배아줄기세포를 사용했다. 세포의 밀도를 조절하며 배양한 배아줄기세포의 전사체를 분석한 실험에서 연구팀은 ‘ETV4’라는 인자가 줄기세포의 밀도 변화를 감지해 분화를 조절한다는 것을 확인했다. 또한, 연구팀은 ETV4가 기계적 자극을 감지하는 메커니즘도 밝혀냈다. 세포 내 인테그린 수용체(integrin receptor)*1가 먼저 세포 밀도 변화를 감지했으며, 세포 표면에 있는 단백질 수용체(Fibroblast growth factor receptor, FGFR)의 세포 내 이입(endocytosis)을 조절해 ETV4 단백질 발현을 제어했다. 이 ETV4는 줄기세포 분화 과정에서 세포 밀도가 낮은 부위에서는 중·내배엽이, 밀도가 높은 경우에는 신경 외배엽이 형성되도록 조절했다. 연구팀은 세포 밀도 변화가 줄기세포 분화의 운명을 조절하는 핵심 요소임을 밝혔으며, 세포분화는 화학 신호 뿐 아니라 기계적 신호에도 민감하게 반응한다는 사실도 확인했다. 이번 연구를 주도한 장지원 교수는 “줄기세포의 분화 조절에 있어서 기계적인 자극의 중요성과 ETV4라는 핵심 인자를 확인했다”며, “ETV4가 매우 중요한 암유전자(oncogene)이기 때문에, 기계적 자극을 통한 암세포 제어 기술 개발에도 큰 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 바이오의료기술개발사업, 개인기초연구사업, 집단연구 기초연구실과 스마트 특성화기반구축 사업 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41556-024-01415-w 1. 인테그린 수용체(Integrin receptor) 세포와 세포외 기질을 연결하는 세포막 횡단수용체로, 세포 안팎의 물리화학적 변화를 양방향으로 전달하여 세포내 신호 전달에 관여한다.

기계/화학/전자 노준석 교수팀, 메타렌즈, 빛을 넘어 소리까지 제어하다

[POSTECH 노준석 교수팀, 세계 최초 수차 없는 광(wide) 청야각 음향메타렌즈 구현] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자공학과 노준석 교수, 기계공학과 이동우 박사, 박사과정 오범석 씨 연구팀은 기존 음향 메타렌즈의 한계를 극복하고, 넓은 청야각(Field-of-Hearing) 메타렌즈를 처음으로 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 최근 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 음파(sound wave)는 기체 및 액체 같은 매질에서의 진동의 결과로써 발생하는 파동으로 우리 일상 곳곳에서 관찰된다. 특히, 사람의 귀로는 감지할 수 없는 높은 주파수의 초음파는 체내 조직이나 장기를 진단하는 초음파 검사에 사용된다. 이처럼 음파는 의료 분야뿐만 아니라 통신, 에너지 수확, 이미징 등 다양한 분야에서 중요한 에너지 원천으로 활용되고 있다. 이 모든 응용을 가능케 하는 핵심 요소 중 하나는 음향 렌즈로, 이는 음파를 정밀하게 제어하는 데 있어 필수적인 역할을 한다. 메타렌즈(metalens) 연구로 저명한 노준석 교수팀은 빛이라는 파동을 제어하는 광학 메타렌즈 뿐만 아니라, 소리를 조절하는 음향 메타렌즈 개발로 주목을 받고 있다. 일반적으로 파동의 파장보다 작은 인공 구조체로 구성된 메타렌즈는 파동을 자유롭게 제어하고, 렌즈의 두께를 획기적으로 줄였다. 이번 연구에서 최근 차세대 AR · VR 기기와 디스플레이 분야에서 각광받고 있는 '광 시야각'의 개념을 음향 분야로 확장해 '광 청야각' 기술의 적용 가능성을 새롭게 모색했다. 청야각은 렌즈가 얼마나 넓은 각도의 음상을 보여줄 수 있는지 나타내는 지표다. 기존 음향 메타렌즈는 수직이 아닌 각도에서 파동이 입사할 때 발생하는 원치 않는 음상 왜곡(수차, aberration)이 나타나는 고질적인 문제가 있었다. 연구팀은 메타렌즈의 위상을 획기적으로 제어해 파동 입사각과 무관하게 음파가 정확하게 초점을 맺을 수 있도록 하는 기술을 개발했다. 음상 왜곡이 없이 최대 140도의 청야각을 갖는 초박형 메타렌즈를 통해 처음으로 광 청야각 성능을 구현하고, 입증하는 데 성공한 것이다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “청야각의 의미와 필요성을 처음으로 제시해 음향 메타렌즈 분야에서 새로운 패러다임을 제시했다“며 ”음향 이미징과 고감도 센싱 뿐만 아니라 수중 환경에서의 에너지 하베스팅 또는 잠수함 모니터링 등 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 후속 연구를 이어가겠다“는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 POSCO N.EX.T IMPACT 사업 및 선박해양 플랜트연구소의 기관고유과제 등의 지원으로 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47050-9

화학 박선아 교수팀, 아이스 아메리카노와 반도체 공정의 공통점?

[POSTECH·美 오리건대, 가공성과 전기전도도 모두 우수한 새로운 금속-유기 구조체 개발] 아이스 아메리카노의 계절이 다가오고 있다. 커피 분말이 물에 고르게 녹아야 끝까지 맛있는 커피를 즐길 수 있듯 전자나 반도체 분야에서도 구조체를 용매에 잘 녹여야 이를 공정에 활용할 수 있는데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) · 미국 오리건대(University of Oregon) 연구팀이 다공성 소재를 용매에 잘 녹이고, 또 높은 전기전도도까지 기록해 학계의 주목을 모으고 있다. 화학과 박선아 교수 · 통합과정 박근찬 씨는 미국 오리건대 화학 · 생화학과 크리스토퍼 헨던(Christopher Hendon) 교수 연구팀과의 공동 연구에서 아민기(amine)기를 사용해 2차원 금속 유기 골격체(Metal-Organic Framework, 이하 MOF) 용액을 만드는 데 성공했다. 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of American Chemical Society)’에 게재됐다. 다공성 구조인 MOF는 표면적이 매우 넓어 에너지 저장이나 촉매 등 다양한 분야에서 유망한 잠재력을 가지고 있다. 이 MOF를 전자 소자로 활용하려면 얇은 막 형태로 만들어야 하는데, 현재 기술로는 한계가 있었다. MOF의 2차원 평면 구조 간 상호작용이 너무나 강해 용매에 잘 녹지 않고, 분리하더라도 쉽게 응집 · 침전되어 가공이 어렵기 때문이다. 연구팀은 이번 연구에서 ‘브뢴스테드-로우리 산-염기(Brønsted–Lowry theory of acid-base)’*1 활성을 가진 아민기를 사용했다. ‘-NH₂‘ 작용기를 가진 아민기는 화학 반응에서 수소 이온(H+)을 받아들이는 역할을 하는데, 이를 사용하면 MOF 내 화학적 결합과 특성을 조절할 수 있다. 연구팀은 이 아민기를 유기 화합물인 헥사하이드록실트리페닐렌(HHTP)에 결합해 MOF(Cu3(HHTATP)*2를 만들었다. 연구팀은 이러한 아민기의 화학적 작용을 활용해, 해당 MOF를 유기산과 반응시켜 평면 간 상호작용을 약화시켰다. 그 결과, 디메틸설폭사이드2)(DMSO) 용매에 연구팀의 MOF가 고르게 녹아 흑청색의 용액이 형성되었으며, 연구팀은 X-선 실험을 통해 아민기와 유기산 사이 산-염기 반응으로 이러한 용액화 현상이 가능함을 확인했다. 또, 연구팀은 스핀 코팅(spin-coating) 공정을 통해 이 용액을 크고, 얇은 막 형태로 제작하는 데도 성공했으며, 제작 과정에서도 MOF 구조는 그대로 유지됐다. 그리고, 연구팀의 MOF는 1.2 S/cm의 높은 전기전도도를 가지며, 얇은 막의 형태로 가공할 시 0.025 S/cm의 전도도를 나타내는데, 이에 양성자를 도핑하는 것을 통해 약 5배에 해당하는 0.12 S/cm까지 전도도를 높일 수 있었다. 이는 구리를 기반으로 동일한 골격 구조를 갖는 MOF 중에서도 가장 우수한 수준이다. 특히, 유기산을 첨가하거나 제거함으로써 전기전도도를 최대 5배까지 조절하는 데 성공하며, 추후 전기 소자에 적용했을 때 전기적 특성을 손쉽게 바꾸며 다양한 분야에 활용될 가능성도 확인했다. 연구를 이끈 박선아 교수는 “그동안 가공이 불가능했던 분말 형태의 MOF를 용액화하고, 뛰어난 전기적 특성도 확인했다”며, ”다양한 유기 화합물에 쉽게 적용할 수 있어 여러 기능과 특성을 가진 MOF 기반의 전자 소자 제작에 큰 도움이 되기를 바란다“는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c02326 1. 브뢴스테드-로우리 산-염기(Brønsted–Lowry theory of acid-base) 산은 수소 이온(H⁺)을 제공하고 염기는 수소 이온을 받아들이는 물질로 생각하는 이론이다. 화학적으로 산성 또는 염기성 특성을 나타낼 수 있고, 화학 반응에서 수소 이온(H⁺)을 제공하거나 받아들일 수 있는 물질을 ‘브뢴스테드 산-염기’ 활성을 띤다고 한다. 2. 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 반도체 분야에서 널리 사용되는 용매 중 하나다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 자외선 홀로그램 대량 생산을 위한 최적 조건 찾아라

[POSTECH 노준석 교수팀, 자외선 메타표면 제작 위한 나노복합체 조성 탐색] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 강현정 · 전나라 씨, 박사과정 오동교 씨 연구팀은 최근 자외선용 메타표면 제작 공정에서 최적의 프린팅 재료를 찾기 위한 정량적 분석에 성공했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘마이크로시스템 앤 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)’에 현지 시간으로 지난 22일 게재됐다. 메타표면은 나노미터 수준의 얇은 두께만으로 빛을 제어할 수 있는 광학 소자로, 차세대 디스플레이와 이미징, 바이오 센싱 등 분야의 핵심 기술로 꾸준하게 연구되어 오고 있다. 그리고, 그 응용 분야가 이제는 가시광 영역을 넘어 적외선과 자외선으로 확장되고 있다. 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)는 메타표면을 만드는 공정 중 하나로 도장을 찍듯 하나의 몰드를 사용해 수 백개의 복제품을 만들어 내는 기술이다. 이는 메타표면의 저비용 및 대량 생산을 가능하게 하여 메타표면 상용화의 가능성을 열어주고 있다. 하지만, 이 공정에서 프린팅 재료로 사용되는 레진(resin)은 굴절률이 낮아 빛을 효율적으로 제어하기 힘든 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해, 레진에 나노입자를 첨가한 나노복합체를 사용해 굴절률을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데, 이 나노입자의 종류와 용매 등에 따라 패턴 전사도와 메타표면 성능이 달라지기 때문에, 우수한 메타표면을 얻기 위해서는 이러한 조건들을 체계적으로 분석해야 한다. 이번 연구에서 연구팀은 나노입자의 농도와 용매 종류가 패턴 전사도와 자외선 메타홀로그램에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 설계했다. 먼저, 자외선 영역에서 고효율 메타홀로그램을 구현할 수 있는 나노복합체로 알려진 지르코늄 디옥사이드(이하 ZrO2)의 농도를 20%부터 90%까지 변화시키며 실험을 진행했다. 그 결과, 농도가 80%일 때, 패턴이 가장 우수하게 전사됐다. 또한, 농도가 80%인 ZrO2를 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 아세톤 등 여러 용매와 조합해 메타홀로그램을 구현한 결과, 자외선 영역(325nm)에서의 전환 효율이 각각 62.3%, 51.4%, 61.5%로 높게 나타났다. 이번 연구는 가시광 영역이 아닌 자외선에서 메타홀로그램을 구현하고, 새로운 나노복합체를 제조하기 위한 최적의 지표를 제공했다는 점에서 큰 의미가 있다. 노준석 교수는 “ZrO2 대신 티타늄 디옥사이드(TiO2)와 실리콘(Si) 나노복합체를 사용하면 가시광선과 적외선에서도 사용할 수 있다”며, “후속 연구를 통해 최적의 나노복합체 제조 조건을 찾고, 광학 메타표면 제조 기술 발전과 응용 및 확장을 이끌어 가겠다”는 포부를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 미래유망융합기술 파이오니아 사업, RCRC 지역혁신 선도연구센터, 나노소재원천기술개발 사업, 산업자원통상부와 한국산업기술기획평가원 알키미스트 사업, 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 사업의 지원 등으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00681-w

화공 정대성 교수팀, 오작교 아닌 광(光)작교, 트랜지스터를 구현하다

[POSTECH 정대성 교수팀, 분자스위치에 광 가교제 도입해 안정적인 딥 트랩 구현] 견우직녀 설화에는 견우와 직녀의 애틋한 사랑을 지키기 위해 까마귀와 까치가 만든 ‘오작교’가 나온다. 그런데, 화학공학 분야에도 까마귀와 까치처럼 둘을 잇기 위해 다리를 만든 고마운 분자들이 있다. 화학공학과 정대성 교수 · 사이드 자히드 하산(Syed Zahid Hassan) 박사 연구팀은 분자스위치 말단부에 고분자 반도체와 안정적인 결합을 이루는 두 분자를 결합해 문턱 전압(Threshold Voltage)*1의 변화가 가능한 메모리 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 분자 스위치는 여러 유기 분자 이성질체 간 상호변환 특성을 활용해 전기 신호를 분자 수준에서 제어한다. 이를 전계효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor, 이하 FET)에 적용하면 분자 수준에서 전자의 흐름을 조절할 수 있다. 분자스위치 기반의 FET는 OFET(Organic FET) 구현을 위한 핵심 기술로 최근 주목받아 왔지만, 내구성에 한계가 있었다. 그 이유는 분자스위치 역할을 하는 분자가 반도체층 내에서 전자를 포획 · 저장하는 딥 트랩(deep trap) 역할을 제대로 하지 못하기 때문이다. 이번 연구에서 연구팀은 ‘빛’을 이용한 다리로 이를 해결했다. 연구팀은 분자스위치 분자와 고분자 유기 반도체 사이에 빛에 의한 화학 결합인 ‘광(光) 가교’를 형성하는 새로운 접근 방식을 도입한 것이다. 분자스위치 역할을 하는 디아릴렌(Diarylethene, 이하DAE*1) 말단에 연구팀은 아자이드(azide)와 다이아지린(diazirine)를 결합했다. 이 두 작용기는 유기 고분자 반도체와 빛에 의해 화학적 결합을 형성해 불안정했던 DAE의 폐쇄 이성질체가 잘 유지되도록 도와 안정적인 딥 트랩 상태를 유지했다. 실험 결과, 연구팀의 DAE가 적용된 OFET는 안정적으로 딥 트랩 상태를 백만 초 이상 지속하며 높은 내구성을 보였다. 또한, 22V의 전압에서 1,000을 넘는 높은 광 프로그래밍 온 · 오프 스위칭 비율과 100회 이상의 사이클에도 안정성을 유지하며 뛰어난 저장 성능을 보였다. 특히, 연구팀이 만든 OFET는 광가교를 활용한 정밀 패터닝이 가능해 반도체층 구조를 세밀하게 제어할 수도 있다. 이를 통해 연구팀은 이번 연구가 마이크로 전자공학과 광 전자 공학 등 다양한 분야에서도 활용될 수 있음을 확인했다. 정대성 교수는 “이번 연구는 메모리 트랜지스터 분야에서 데이터 저장과 처리 기술 분야에서 새로운 가능성을 제시했으며, 트랜지스터뿐 아니라 다양한 분야에서 혁신을 일으킬 수 있을 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 BK21 혁신화학공학지도자 양성사업, 한국 도레이 첨단소재 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202401482 1. 문턱 전압(Threshold Voltage) 트랜지스터에서 전류가 흐르기 시작하는 최소한의 전압을 말한다. 2. Diarylethene(DAE) 분자 스위치에서 주로 이용되는 분자 구조. aryl group과 ethylene bridge를 포함하고 있다.

기계 조동우 교수팀, 신장 출혈과 회복 돕는 지혈 밴드, 해답은 신장에 있었다

[POSTECH·대구한의대, 신장 유래 기질로 신장 지혈과 회복 돕는 소재 개발] 기계공학과 조동우 교수, 융합대학원 시스템생명공학부 통합과정 김재윤 씨, 기계공학과 박사과정 Tugce Sen(투우체 센) 씨 연구팀은 최근 대구한의대 반려동물보건학과 이재연 교수팀과의 연구를 통해 신장 내 출혈 부위를 빠르게 지혈하고, 창상 회복도 돕는 소재를 개발했다. 이 연구는 생체재료 분야 국제 학술지 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’ 온라인판에 게재됐다. 신장은 노폐물 제거와 혈압 조절 등 여러 기능을 수행하는 중요한 장기다. 자각 증상이 없어 침묵의 장기로 불리지만 신장에 생긴 종양을 조기에 발견하는 경우 부분 신장 절제술로 이를 제거할 수 있다. 그런데, 수술 도중 과다 출혈과 감염, 조직 손상과 같은 합병증이 나타날 수 있으며, 신장 기능 저하와 고혈압 등 만성 질환이 발생할 가능성이 커 수술 치료와 회복에 어려움이 많았다. 연구팀은 이번 연구에서 신장용 지혈 소재를 제작하기 위해 신장에서 유래한 탈세포화 세포외기질(이하 dECM*1)을 사용했다. dECM은 실제 몸속의 단백질과 인자들을 포함하고 있어 고유한 미세환경을 잘 재현하고, 생체적합성도 비교적 매우 높다. 이러한 강점으로 조직공학 분야에서는 인공장기를 제작하거나 여러 조직을 복구하는 등 다양한 연구에서 널리 사용되고 있다. 먼저, 연구팀은 신장에서 유래한 dECM의 조성을 분석해 그 내부에 지혈 관여 인자들이 존재함을 확인했다. 그리고, 신장 유래 dECM에 화학적 가교제를 섞어 다공성 구조의 스펀지 소재인 ‘크라이오겔(Cryogel)’을 만드는 데 성공했다. 연구팀의 겔은 표면적이 매우 큰 다공성 구조로 이루어져 혈액을 잘 흡수했다. 그리고, 이 겔을 적용한 동물 실험에서도 부분 신장 절제술 4주 후 조직 손상과 괴사 면적이 대조군 및 기존 젤라틴(gelatin) 스펀지에 비해 최대 3배 더 적었다. 또, 연구팀은 신장용 겔을 만드는 과정에서 가교제 농도에 따라 생분해 속도와 생체 · 혈액 적합성 등 특성이 달라짐도 확인했다. 조동우 교수는 "dECM 기반 의료용 스펀지 소재의 임상적 활용 가치를 다시 한번 확인했다“며 이번 연구의 의의를 전했다. 또, 대구한의대 이재연 교수는 "신장 부분 절제술을 받은 환자들 중 말기신부전으로 이어지는 경우를 획기적으로 줄일 수 있을 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 나노소재원천기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122524 1. dECM(decellularized extracellular matrix) 조직 내에 세포를 제외하며 구조적 · 생화학적 기능을 지지하는 구성요소다.

생명 김종경 교수팀, 비만으로 인한 염증과 대사기능 장애, 세포 단위로 낱낱이 파헤치다

[POSTECH·서울대·연세대·美WSU·부산대, 지방조직 염증반응 조절 메커니즘 밝혀] 최근 생명과학과 김종경 교수 · 통합과정 정유진 씨 연구팀이 서울대 약대 이윤희 교수 · 최철준 씨, 연세대 의대 현영민 교수 · 박경민 씨, 미국 웨인 주립대(WSU) 그라네만(Granneman) 교수팀, 부산대 약대 정영석 교수팀과의 공동 연구를 통해 비만으로 인한 조직 내 염증과 대사기능 이상을 조절하는 메커니즘을 밝히는 데 성공했다. 이번 연구는 최근 국제 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 2022년 기준 세계 비만 인구는 전체 인구 중 약 16%다. 비만은 전 세계적으로 빠르게 증가하고 있는 질환 중 하나이며, 당뇨와 고혈압, 동맥경화 등 여러 대사질환의 주요 원인으로 꾸준하게 지목되고 있다. 영양분을 과다하게 섭취하는 경우 지방조직 안으로 다양한 종류의 대식세포*1가 유입되는데, 그중에는 조직 내 사멸한 세포를 제거하며, 조직 항상성을 유지하는 대식세포가 있는 반면, 염증반응을 유발하는 염증성 대식세포도 존재한다. 비만 환자의 경우, 이러한 염증성 대식세포가 빠르게 증가해 염증반응과 대사기능에 심각한 문제가 발생했다. 연구팀은 동물실험과 단일핵 전사체 분석, 생체 이미징 등을 활용해 염증을 일으키는 대식세포에서 선택적으로 발현되는 단백질인 TM4SF19를 분석했다. 실험 결과, 고지방식이를 한 동물 모델의 지방조직에서 TM4SF19가 증가했다. 연구팀은 이 단백질이 각종 가수분해 효소를 포함하고 있는 리소좀(lysosome)*2의 펌프(V-ATPase*3)를 막아 리소좀의 pH 조절에 관여해 대식세포가 수명을 다한 지방세포를 제거하는 포식 메커니즘이 제한된다는 사실을 처음으로 밝혔다. 또한, 반대로 TM4SF19가 없는 대식세포의 경우 사멸한 지방세포를 훨씬 더 잘 제거해 고지방식이로 인한 체중증가를 막고, 조직 염증반응과 인슐린 저항성*4이 감소해 대사기능 장애가 개선됐음을 확인했다. 이번 연구는 염증성 대식세포에서 발현되는 TM4SF19이 비만으로 인한 염증을 해소하고, 대사 장애를 개선하는 데 중요한 열쇠임을 밝혔다는 점에서 큰 의의가 있다. 김종경 교수는 “TM4SF19 단백질의 리소좀 활성 조절 메커니즘을 드디어 밝혔다”며, “이번 연구는 비만을 비롯한 대사질환 치료에 새로운 전망을 제시할 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 한우물파기기초연구사업, 기초의과학분야 선도연구센터사업, 바이오연구소재 활용기반조성사업, 대학중점연구소지원사업, 기초연구실 후속연구사업, 국가마우스표현형 분석기반구축사업과 고려대학교 의료원, 미국 국립보건원의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47108-8 1. 대식세포 세포 찌꺼기, 이물질, 비정상적인 단백질 등을 포식하여 분해하는 식작용 기능이 있는 면역세포이다. 2. 리소좀 세포 내에 존재하는 소기관으로, 포식 등을 통해 세포내로 들어온 물질들을 분해하는 역할을 한다. 3. V-ATPase 리소좀 막에 존재하는 단백질 펌프로, 리소좀이 정상적인 기능을 하도록 리소좀의 pH를 조절하는 역할을 한다. 4. 인슐린 저항성 혈당을 조절하는 호르몬인 인슐린에 대한 반응이 정상보다 낮은 상태를 말한다.

반도체 20년 난제 해결한 POSTECH 노용영 교수, 세계 최고 학술지 Nature 논문 게재

[텔루륨-셀레늄 복합 산화물로 고성능 비정질 p형 산화물 반도체 개발 성공] 화학공학과 노용영 교수 · Ao Liu(아오 리우) 박사(포항공과대학교 박사후 연구원, 現 중국 전자과기대 교수), Huihui zhu(휘휘 주) 박사(포항공과대학교 박사후 연구원, 現 중국 전자과기대 교수) 연구팀은 한국표준과학연구원 김용성 박사, 포항가속기연구소 김민규 박사와의 공동 연구를 통해 텔루륨(Tellurium)-셀레늄(Selenium) 복합 산화물 반도체 소재를 개발하고, 고성능 · 고안정성 p형 박막 트랜지스터(이하 TFT*1) 구현에 성공했다. 이 연구는 과학 분야 세계 최고 학술지인 ‘Nature(네이처)’에 현지 시간으로 지난 10일 온라인 게재됐다. 휴대폰과 PC, 자동차 등 사람들이 사용하는 거의 모든 전자기기에는 반도체가 사용된다. 반도체는 크게 결정질(crystalline)과 비정질(amorphous) 반도체로 나눌 수 있는데, 결정질 반도체가 원자나 분자가 규칙적으로 배열된 구조를 가진 반면, 비정질 반도체는 그렇지 않다. 그로 인해, 비정질 반도체는 제작 공정이 단순하고 비용도 저렴하다는 장점이 있지만 결정질 반도체에 비해 전기적 성능이 떨어졌다. 특히, 그중에서도 p형 비정질 반도체*2에 대한 연구는 상당히 더딘 편이다. n형 비정질 반도체*3는 인듐갈륨아연산화물(이하 IGZO)을 기반으로 OLED 디스플레이 분야 및 메모리 분야에서 널리 사용되고 있지만 p형 소재들은 아직 내재적인 결함이 많아 전자기기와 집적 회로의 핵심인 n-p형 상보성 양극성 반도체(CMOS*4) 발전에 제동이 걸린 상황이다. 학계에서도 20년 동안 성과가 나오지 않다 보니 고성능 비정질 p형 반도체 소자 개발은 거의 불가능한 도전으로 여겨졌다. 그런데, 노용영 교수 연구팀이 이 ‘불가능’을 ‘가능’으로 바꿨다. 연구팀은 이번 연구에서 산소가 부족한 상황에서 희토류 금속인 텔루륨 산화물의 전하량이 높아진다는 현상을 밝혀냈다. 이는 산소가 부분적으로 결핍되는 경우, 전자를 받아들일 수 있는 억셉터 레벨(acceptor level)이 형성되었기 때문이며, 이 물질이 p형 반도체로 작동할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 이를 바탕으로 부분적으로 산화된 텔루륨 박막과 셀레늄을 사용한 텔루륨-셀레늄 복합 산화물(Se:TeOx)로 고성능 고안정성 비정질 p형 산화물 TFT를 개발했다. 실험 결과, 연구팀의 TFT는 현재까지 보고된 p형 비정질 산화물 TFT 중 가장 우수한 수준의 정공 이동도(15cm2V-1s-1)와 전류점멸비(106~107)를 보였다. 이는 그동안 연구가 많이 되어온 기존 n형 산화물 반도체(IGZO)와 비교해봐도 거의 동등한 수준이다. 또한, 연구팀의 TFT는 전압이나 전류, 공기, 습도 등 외부 조건 변화에도 원활하게 작동하며 높은 안정성을 보였다. 특히, 웨이퍼(판) 형태로 제작됐을 때 모든 부분이 동일한 성능을 보임으로써 연구팀은 실제 산업 현장에서 사용할 수 있는, 신뢰성 높은 반도체 소자로서의 가능성도 확인했다. 노용영 교수는 “OLED TV와 VR · AR 기기 등 차세대 디스플레이 분야와 저전력 CMOS 및 DRAM 메모리 연구를 위한 중요한 성과”라며, “다양한 산업 분야에서 고부가가치를 창출하는 데 기여하기를 바란다“는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 국가반도체연구실사업, 중견연구자사업, 삼성디스플레이의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07360-w 1. TFT Thin-film transistor, 박막 트랜지스터 2. p형 반도체 정공을 통해 전류를 흐르게 하는 반도체다. 3. n형 반도체 전자의 이동으로 전류의 흐름을 만드는 반도체다. 4. CMOS Complementary metal-oxide semiconductor, p형 반도체와 n형 반도체가 상보적으로 접합된 소자다.