Research

화공/융합 차형준 교수팀, 홍합, 세균으로부터 관절을 지켜라!

[POSTECH·경북대 연구팀, 세균에 반응해 항생제 방출하는 임플란트 코팅소재 개발] 퇴행성 관절염은 더 이상 장·노년층만의 질환이 아니다. 건강보험공단에 따르면 2012년부터 2022년까지 10년 동안 2030 세대의 퇴행성 관절염 환자 수는 약 22.8% 증가했다. 오랜 시간 책상 앞에 앉아 있거나 과도하게 무거운 운동 기구를 드는 경우 연골이 심각하게 손상되기 때문이다. 인공 관절을 삽입해 이를 치료할 수 있지만 세균 감염으로 치료 효과가 떨어진다는 것이 문제점으로 제기됐다. 그런데 최근 이를 홍합으로 해결한 흥미로운 연구가 발표됐다. 화학공학과 · 융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 최현선 박사 연구팀은 경북대 첨단기술융합대학 의생명융합공학과 조윤기 교수와의 공동 연구를 통해 홍합접착단백질을 기반으로 세균의 침입에 반응해 항생제를 방출하는 임플란트용 코팅 소재를 개발했다. 이번 연구는 생체재료 분야 국제 권위학술지인 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 임플란트 시술 부위가 세균에 감염되면 임플란트의 고정력이 약해질 뿐 아니라 각종 합병증을 유발한다. 또, 세균이 항생제에 대한 저항성이 높은 경우 항균 치료 후에도 다시 감염되는 사례가 많아 재시술이 요구되기도 한다. 항생제를 포함하고 있는 임플란트 코팅 소재 연구가 활발하게 진행되고 있지만 시술 도중 소재가 물리적으로 손상되거나 내부 항생제가 유출되는 등 많은 문제점이 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 홍합 접착 단백질 아미노산 중 하나인 DOPA*1(도파)에 주목했다. 홍합의 강력한 접착력의 핵심인 DOPA는 금속 이온과 강력한 결합을 형성하는 아미노산으로 그 중 철 금속 이온과의 결합력은 산성도(pH)가 낮아질수록 약해지는 특징이 있다. 몸속에 세균이 침입하면 그 주변의 산성도가 낮아지게 되는데, 연구팀은 이에 착안하여 새로운 임플란트용 코팅 소재를 개발했다. 이 소재는 일반적인 환경에서는 내부에 항생제를 품고 있다가 세균에 감염되어 주변이 산성화되면 8시간 안에 항생제의 70%를 방출해 세균을 박멸했다. 또, 임플란트 시술 이후 골(骨)재생 기간(약 4주)에도 세균 감염에 따른 즉각적인 항균 효과를 보이는 등 높은 내구성도 입증했다. 그리고, 세균 감염 정도에 따라 소재가 방출하는 항생제의 양이 비례해 연구팀은 세균 농도에 따른 코팅 소재의 항균 효과도 검증했으며, 특히 DOPA와 철 이온 간 결합은 외부 물리적 자극에 대한 복원력도 우수해 임플란트 시술 시 가해지는 마모나 기계적 하중에도 강했다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “접착성 임플란트 코팅 소재의 즉각적 · 지속적 항균 효과를 통해 임플란트 시술의 성공률을 획기적으로 높일 수 있을 것“이라는 기대를 전했다. 또, 경북대 조윤기 교수는 ”항생제를 필요할 때만 방출한다는 점에서 앞으로 슈퍼박테리아의 출현을 막을 수 있는 획기적인 기술로 자리잡을 수 있을 것“이라며 이번 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 보건복지부 보건의료기술개발사업 치의학의료기술 연구개발 사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업과 우수신진연구사업, ㈜포스코 홀딩스의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122457 1. DOPA(Dihydroxyphenylalanine) 타이로신(tyrosine)에 수산화기가 하나 더 붙은 형태의 아미노산이다.

신소재 한세광 교수팀, 기계발광 무전력 터치스크린으로 수중 프로포즈

[한세광 교수팀, 기계-광학 메커니즘 기반 광 디스플레이 개발] 영화 ‘러브액츄얼리’에서 좋아하는 마음을 펜으로 꾹꾹 눌러 담아 스케치북으로 고백하는 장면은 전 세계 관객을 사로잡았다. 그런데 물속에서도 이 달콤한 고백이 가능할지 모른다. 최근 POSTECH 연구팀이 바로 이런 물속에서도 손으로 썼다 지울 수 있는 광 디스플레이 기술을 개발해 주목을 모으고 있다. 신소재공학과 한세광 교수 · 통합과정 김성종 씨 연구팀은 잔광 발광 입자(Afterglow luminescent particle, 이하 ALP)에서의 독특한 광학적 현상을 규명하고, 이를 구현한 기기를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced functional materials)’에 최근 게재됐다. 잔광 발광 입자는 에너지를 흡수한 후, 서서히 그 에너지를 방출하는데 외부에서 물리적 압력을 가하면 빛이 나는 기계 발광(mechanoluminescence)과 빛이 사라지는 기계 소멸(mechanical quenching) 특성이 있다. 최근 이를 활용한 광(光) 디스플레이 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 아직 정확한 메커니즘이 밝혀지지 않았다. 이번 연구에서 연구팀은 갇힌 전자(trapped electrons)*1와 재충전(recharging)이 기계 발광과 소멸에 미치는 영향을 분석하고, 두 현상의 메커니즘을 밝히는 데 성공했다. 그리고, 이를 바탕으로 두 현상을 동시에 모두 구현할 수 있는 ALP와 두께가 매우 얇은 고분자 소재(PVDF-HFP*2)를 결합하여 피부에 부착할 수 있는 광 디스플레이 패치를 제작했다. 이 디스플레이 패치는 손가락으로 누르는 작은 힘만으로 글씨를 써서 정보를 전달할 수 있었으며, 패치에 자외선(Ultraviolet Ray)을 쬐어주면 지우개로 지우듯 새로운 스케치북으로 다시 세팅되었다. 또, 이 디스플레이 터치스크린은 습기에 대한 저항성도 뛰어나 수중에서도 장기간 성능이 유지되었다. 이번 연구를 주도한 한세광 교수는 “빛이 적거나 습도가 높은 수중 환경처럼 통신이 제한된 상황에서 커뮤니케이션 도구로 활용될 수 있다”며, “극한 환경에서 변화를 감지하는 웨어러블 광 센서 및 광 치료 시스템으로도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업과 범부처 의료기기 개발사업, 바이오 · 의료기술개발 사업, 포스코 홀딩스의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202314861 1. 갇힌 전자(trapped electrons) 일정한 환경이나 물질 내에서 포획돼 움직일 수 없는 전자를 말한다. 2. PVDF-HFP(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)) 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오르프로필렌이라 불리는 불소계 고분자 화합물을 말한다.

기계/IT융합/생명/융합 장진아 교수·기계 조동우 교수팀, 난치성 뇌 질환 연구, 사람 뇌와 비슷한 돼지 뇌로 해결하다

[POSTECH · 전남의대 · 성균관대 연구팀, 뇌 모델에 사용가능한 매트릭스 개발] 돼지의 조직과 장기 구성은 사람과 매우 유사하다. 최근 돼지 뇌 조직을 사용해 뇌 질환을 연구하는 혁신적인 방법이 발표돼 학계의 주목을 받고 있다. 기계공학과 · IT융합공학과 · 생명과학과 · 융합대학원 장진아 교수, 기계공학과 조동우 교수, 기계공학과 배미현 박사, 전남의대 김형석 교수, 성균관대 생명물리학과 조한상 교수, 통합과정 Huyen Ngo(후이엔 응오) 씨 공동 연구팀은 돼지 뇌에서 유래한 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM)을 바탕으로 뇌 모델 제작에 필요한 기질(matrix)를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘스몰(Small, impact factor = 13.3)’에 최근 게재됐다. 현재 뇌 유래 줄기세포를 배양하거나 뇌 장기유사체(organoid) 모델을 제작할 때 마트리젤(matrigel)이 기질로 널리 활용되고 있는데, 뇌 신경세포의 움직임을 세밀하게 조절하는 데 한계가 있다. 그에 따라 실제 뇌에서 유래한 ECM(이하 BdECM)이 대안으로 떠오르고 있지만 사람의 뇌는 수급이 어렵고, 매트릭스를 만드는 공정인 탈세포화 과정의 수율도 매우 낮다. 또, 동물에서 유래한 BdECM은 세포 안전성에 대한 검토가 아직 충분하지 않아 BdECM의 유망한 잠재력에도 불구하고, 광범위한 사용이 여전히 제한적이었다. 연구팀은 돼지에서 유래한 BdECM(이하 P-BdECM)에 라미닌(Laminin 111)을 강화해 뇌의 미세한 환경을 재현하였다. 라미닌은 탈세포화 과정에서 유실되는 단백질 중 하나로 세포의 생존과 성장에 관여한다. 실험 결과, P-BdECM은 사람에서 유래한 BdECM(이하 H-BdECM)과 단백질 조성과 기능이 매우 유사했으며, 라미닌은 P-BdECM을 구성하고 있는 다른 단백질과 시너지 효과를 내 뇌 신경세포 생존과 분화를 촉진했다. 또, 연구팀은 새로 개발한 기질 내에 세포 안전성을 떨어뜨리는 면역 인자도 제거되었음을 확인했다. 연구를 이끈 조동우 교수와 성균관대 조한상 교수는 “뇌의 병태생리학적 환경을 정교하게 재현한 이번 연구를 바탕으로 치매 및 다발성경화증과 같은 난치성 뇌질환의 근본적인 메커니즘을 규명할 뇌 모델을 개발할 계획”이라며, “P-BdECM이 신경염증성 질환을 표적으로 하는 약물이나 재생 물질 개발 분야에서도 크게 기여할 것“이라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 Bio&Medical 기술 개발 사업, 보건복지부와 과학기술정보통신부의 치매극복연구개발사업, 범부처재생의료사업단의 범부처재생의료기술개발사업 등의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202308815

기계 안지환 교수팀, 원자 단위 반도체 공정 기술과 친환경 수소 기술, 손을 잡다

[POSTECH · KAIST 공동 연구팀, 파우더 원자층 증착 공정으로 SOFC용 고성능 · 고내구성 전극 성공적 구현] 세라믹과 같은 고체 전해질을 사용하는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 에너지 저장과 운반, 응용 분야에서 널리 사용되는 전지다. 이 전지의 효율은 전지 내 전극의 성능과 안정성에 달려있는데, 이를 높이려면 전극을 다공성 구조로 제작해야 한다. 하지만 현재 기술로는 복잡한 다공성 구조의 전극 내부까지 세라믹 물질을 균일하게 코팅하는 데 어려움이 많았다. 기계공학과 안지환 교수 · 박사과정 조성은 씨, KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 정우철 교수 · 전성현 씨 연구팀은 최신 반도체 공정을 사용해 SOFC용 다공성 전극을 제작하는 데 성공했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘스몰 메소즈(Small Methods)’의 뒷 표지(back cover) 논문으로 최근 게재됐다. 원자층 증착 공정(이하 ALD)*1은 기체 상태의 물질을 기판 표면에 원자층 단위로 얇고 균일하게 증착하는 기술이다. 이전 연구에서 ALD 기술로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)*2 효율을 높인 안지환 교수팀은 이번 연구에서 미세 분말 상 나노 박막을 정밀 코팅할 수 있는 분말 ALD 공정 및 장비를 직접 개발하여 적용했다. 연구팀은 이 공정으로 산화지르코늄(ZrO2) 세라믹 물질을 다공성 구조체 공기극(LSCF)*3에 균일하게 코팅했다. 기존의 반도체용 ALD 공정으로는 기체 상태의 반응물질이 다공성 구조 표면에 주로 흡착되고 복잡도가 높은 공극 내부로의 침투에 한계가 있었던 반면, 분말 형태 전극 소재에 원자층 공정을 적용하여 구조체 내부까지 증착하는 데 성공한 것이다. 실험 결과, 연구팀이 제작한 전극은 고온 환경(700~750℃)에서도 전지 최대 전력 밀도를 기존 대비 2.2배 높였으며, 전지 효율을 떨어뜨리는 활성화 저항이 60% 감소했다. 연구를 이끈 안지환 교수는 “우수한 반도체 공정 기반 기술로 친환경 에너지 시스템 분야에서 혁신을 이룬 사례다. 분말 ALD 기술은 SOFC 뿐만 아니라 SOEC*4 등 수소 생산 및 이차전지 소자에도 활용도가 높은 기술“이라며, “후속 연구를 통해 지속 가능한 친환경 에너지 솔루션을 개선해 나가겠다”는 포부를 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업 및 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/smtd.202300790 1. 원자층 증착 공정(ALD) Atomic layer deposition 2. 고체 산화물 연료전지(SOFC) Solid Oxide Fuel Cell 3. LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ) 란타넘(Lanthanum)과 스트론튬(Strontium), 코발트(Cobalt), 철(Iron) 산화물로 구성된 전극 4. 고체 산화물 수전해 전지(SOEC) Solid Oxide Electrolysis Cell

신소재 오승수·우성욱 교수팀, 캡슐 보호막, 센서도 살리고 사람도 살린다

[POSTECH 오승수 · 우성욱 교수팀, 전처리 필요없는 현장 진단용 분자 센싱 플랫폼 개발] 압타머(aptamer)는 특정 단백질이나 분자와 결합하는 핵산 물질로서 복잡한 분석 과정 없이 표적 분자를 찾는 데에 이용할 수 있다. 이 물질은 다양한 질병에 대한 진단 분야에서 주목받고 있지만 특히 암 센서로서의 잠재력이 매우 크다. 암은 조기에 발견하면 90% 이상 완치가 가능하기 때문이다. 그런데 이 물질은 혈액이나 침 등 생체 시료에 포함된 핵산분해효소나 전하를 띤 단백질에 의해 분해되거나 무력화되기 쉬워, 이 물질들을 제거하는 과정 없이는 임상 시료에 직접 사용이 어렵다는 한계가 있다. 그러나 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 캡슐 보호막을 이용해서 이 문제를 해결했다. 신소재공학과 오승수 교수 · 우성욱 교수 · 통합과정 김진민 씨 연구팀은 복잡한 전처리 과정 없이 생체 시료로부터 곧바로 체내 표적 분자를 빠르게 검출할 수 있는 압타머 센서 시스템을 개발했다. 이 연구는 바이오센서 분야 국제 학술지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 최근 게재됐다. 연구팀은 이번 연구에서 단백질과 고분자가 연결된 양친매성 물질의 자기조립 현상을 바탕으로 프로티노좀(proteinosome)이라 불리는 구형 마이크로 캡슐을 만들었다. 이 캡슐은, 타겟 분자와 반응하여 즉각적으로 형광 신호를 내는 구조변형 압타머 기반 ‘압타센서’를 내부에 탑재하도록 설계되었고, 표면이 크기 선택적 반투과성 막으로 되어 있어 크기가 큰 유해 단백질들의 내부로의 이동은 효과적으로 차단하면서 크기가 작은 표적 분자만을 선택적으로 내부로 통과시켰다. 그 결과, 압타센서의 표적 탐지 성능이 최적의 상태로 온전히 보존되었으며, 생체 내 중요 여성 호르몬으로서 자궁암 발병과 관련된 에스트라디올과 신경전달물질인 도파민, 그리고 마약류인 코카인 등 표적 분자에 대해, 전처리 없이도 효과적이고 신속한 시료 내 검출이 가능함을 보였다. 연구진이 개발한 캡슐의 유해 단백질 차폐 효과는 매우 뛰어나서, 캡슐 내부의 압타센서는 일반 혈청 수준의 최대 30만 배나 되는 고농도 핵산분해효소 용액에서도 18시간 동안 전혀 손상되지 않고 우수한 특성을 유지함이 확인되었다. 또한, 각각의 캡슐이 독립적인 ‘반응 용기’ 역할을 하는 점을 이용하여, 서로 다른 표적 물질에 대한 압타센서를 탑재한 캡슐 용액을 섞어줌으로써 동시에 여러 표적 분자를 독립적으로 감지하고 각각의 농도 변화를 모니터링할 수 있음을 입증하였다. 이번 연구를 이끈 오승수 교수는 “샘플 분리와 표적 센싱(sensing)을 융합함으로써 혈청 등 생체 시료에서 곧바로 사용 가능한 새로운 소분자 현장 진단용 바이오센서 기술을 세계 최초로 개발했다”며, “질병 조기 발견에서부터 개인 맞춤형 치료까지 의학 분야에 혁명을 가져올 수 있는 플랫폼이 될 것으로 기대된다”는 전망을 전했다. 또, 통합과정 김진민 씨는 “프로티노좀 기반 센싱 플랫폼은 내부 물질을 교체하면 다양한 목표 분자에 대한 센서로서 확장이 가능하다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 미래유망 융합기술 파이오니아사업 및 기본연구, 산업통산자원부 한국산업기술기획평가원의 연구 지원 사업, 국방과학연구소 민군협력진흥원의 민군겸용기술개발사업과 한국기초과학지원연구원의 기초과학연구역량강화사업의 지원으로 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116062

기계/화공 노준석 교수팀, 친환경 쿨링 시스템 ‘복사 냉각 기술’ 상용화를 위한 교과서

[노준석 교수팀, 지속가능한 복사 냉각 기술 총망라 리뷰 논문 보고] 복사 냉각 기술은 물체가 외부로 복사열을 내보내 온도를 낮추는 기술이다. 자연적인 열 방출 원리를 사용해 에너지를 절약하는 친환경 에너지 기술로 최근 이 기술을 적용한 자동차 외장재와 페인트, 필름 등 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 기술 상용화를 위해 아직 해결해야 할 과제가 많이 남아 있다. 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 인공지능대학원 소순애 연구원(現 고려대 전자기계융합공학과 교수), 기계공학과 통합과정 윤주영 · 고병수 · 이다솔(現 연세대 의공학부 교수) 씨 연구팀은 친환경 에너지 기술인 복사 냉각의 기본 원리부터 생산 기술, 응용 분야, 최근 연구 동향 등을 담은 리뷰 논문을 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 보고했다. 연구팀은 논문에서 기본 원리와 설계 전략 등은 물론 제작 비용과 스마트 기능, 외관, 호환성 등을 모두 고려한 최근 연구 동향과 발전 수준에 대해 논의한다. 최근 복사 냉각 기술 연구는 단순히 냉각 효과를 높이는 것을 넘어 실용적인 응용과 다른 열 관리 시스템과의 통합으로 나아가고 있다. 냉각 효과를 높이기 위해 복사 냉각과 증발 냉각을 모두 사용한 하이브리드(hybrid) 냉각 시스템과 건물과 자동차 외장재로 사용되는 경우 심미성까지 고려한 컬러 또는 투명 냉각 시스템 연구도 활발하게 진행되고 있다. 이어, 연구팀은 기술 상용화를 위한 과제들도 언급했다. 현재 사용 중인 냉각 시스템 대부분 호환이 가능한 특정 재료만 사용할 수 있으며, 인체와 자연에 유해한 화학 물질 등을 배출해 환경 문제를 일으킨다. 따라서, 냉각기 제조에 최적화된 재료를 찾아야 함은 물론 친환경적이고 안전한 공정 기술이 중요하다. 또, 연구팀은 복사 냉각 시스템이 공기 중 수증기에 매우 민감하기 때문에 습도가 높은 환경에서도 잘 작동하도록 보완이 필요하며, 전반적인 품질과 성능, 안전에 대한 구체적인 표준과 규정을 수립해야 한다고 말한다. 특히, 복사 냉각 시스템을 건물과 냉각 네트워크 등 기존 인프라에 통합할 수 있는 효과적인 전략을 통해 기술의 이점을 극대화해야 한다고 강조했다. 노준석 교수는 “이번 논문이 나노 기술과 광학, 에너지 등 여러 분야에서 복사 냉각을 연구하는 학자들에게 영감을 주고, 친환경적인 이 기술을 실제로 산업 현장에 적용하는 데 큰 도움이 되기를 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 POSCO 산학연 융합연구소사업, 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업, 미래소재디스커버리사업, 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역선도선도연구센터사업 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202305067

화공/융합 차형준 교수팀, 홍합과 누에고치로 장기 출혈 막는다

[POSTECH · 이화여대 · 가톨릭의대 공동연구팀, 단백질 생체소재 기반 흡수성 다기능 나노섬유 접착지혈제 개발] 얼마 전 환자 몸속에 거즈를 남긴 채 봉합 수술을 해 환자가 고통을 겪었다는 소식이 보도되었다. 거즈(gauze)는 치료나 수술 도중 출혈을 막아 지혈을 돕는데, 체내에 남으면 염증과 감염을 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 홍합과 누에고치를 사용한 지혈제 연구가 최근 발표됐다. 이 지혈제는 혈액 응고 능력이 우수하며, 몸 안에 있어도 안전해 학계의 주목을 모으고 있다. 화학공학과 · 융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 이재윤 박사, 이화여대 화공신소재공학과 주계일 교수, 가톨릭의대 서울성모병원 성형외과 이종원 교수의 공동연구팀은 홍합과 누에고치에서 유래한 천연 단백질을 사용해 이중층(二重層) 나노 섬유막 지혈제를 개발했다. 이번 연구는 나노 공학 분야 국제 학술지인 ‘Small(스몰)’ 최근호에 온라인 게재됐다. 거즈나 의료용 밴드 등 기존 지혈제는 피부 표면에만 사용할 수 있다. 피브린 글루(fibrin glue)나 콜라겐 스펀지(collagen sponge)처럼 체내에서 자연스럽게 분해되는 물질들도 있지만 사람이나 동물에서 추출한 단백질이 필요해 가격이 매우 비싸다. 무엇보다 현재 사용 중인 지혈제 물질들은 출혈이 발생한 부위에 안정적으로 붙지 않았으며, 외부 오염원에 대한 감염에 매우 약했다. 연구팀은 수중에서 조직접착력이 강한 홍합 접착단백질(mussel adhesive protein)과 누에고치에서 추출한 실크단백질(silk fibroin)을 기반으로 이중층 접착지혈제를 만들었다. 연구팀은 이번 연구를 통해 홍합 접착단백질이 혈소판을 활성화하는 등 우수한 지혈 효과가 있음을 밝혀냈으며, 메탄올 증기를 사용해 누에 실크단백질의 2차 구조를 변형시켜 외부 표면이 소수성인 나노 섬유막을 만들었다. 이를 바탕으로 연구팀은 안쪽에는 홍합 접착단백질이 포함된 상처 접착층이, 바깥에는 누에 실크단백질로만 구성된 보호층이 결합한 지혈제를 만들었다. 동물 실험 결과, 이 지혈제를 사용하면 출혈 부위의 조직 접착과 지혈이 빠르게 진행됐으며, 박테리아 등 감염원이 포함된 수분 침투를 효과적으로 막았다. 생체 적합성과 생분해성이 우수한 두 단백질로 혈액 응고와 감염 방어가 가능한 새로운 지혈제를 개발한 것이다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “자연에서 유래하고, 인체 내 분해가 가능한 단백질을 기반으로 한 다기능 국소 접착지혈제의 우수한 지혈 성능을 확인했다”며, “실제로 환자 치료나 수술 중에 활용할 수 있도록 후속 연구를 이어가겠다”는 포부를 밝혔다. 한편, 이 연구는 해양수산부 해양바이오산업신소재연구단사업과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202308833

생명/융합 이승우 교수팀, 독감과 코로나19 예방과 치료, 멀티태스킹 가능한 주사 하나면 가능해

[이승우 교수팀, 여러 호흡기 바이러스에 효과 있는 신약 후보 물질 발굴] 작년 겨울철을 앞두고 대한의사협회는 면역 취약 계층에게 독감과 코로나19 백신 동시 접종을 권고했다. 양쪽 팔에 주사를 맞아야 한다는 이 소식은 아이들에게 아마 청천벽력과도 같았을 것이다. 그런데 최근 독감과 코로나19 바이러스를 동시에 예방하고 치료하는, 멀티태스킹이 가능한 물질이 발표되어 주목받고 있다. 생명과학과 · 융합대학원 이승우 교수, 생명과학과 통합과정 박수빈 · 정유진 씨, ㈜네오이뮨텍(대표이사 양세환) 최동훈 박사 연구팀은 경북바이오산업연구원, 국제백신연구소와의 공동 연구를 통해 주요 호흡기 바이러스 감염에 예방 및 치료제로 사용할 수 있는 신약 후보 물질을 발굴했다. 이번 연구는 최근 국제 학술지인 ‘셀 리포츠 메디슨(Cell Reports Medicine)’에 게재됐다. 최근 코로나19 신종 변이인 ‘JN.1’을 중심으로 전 세계적으로 감염자가 다시 늘어나고 있다. 질병관리청에 따르면 이 변이는 국내에서도 검출률이 50%를 넘으며 우세종으로 자리 잡았다. 백신은 특정 바이러스에 대해 효과적이지만 이처럼 변이 바이러스가 나타날 때마다 새로운 백신 개발에 시간이 소요되어, 지난 코로나19 팬데믹과 같은 공중보건 위기가 발생할 수 있다. 끊임없이 발생하는 변이에 신속하게 대처하기 위해서는 보다 광범위하게 적용할 수 있는 치료제가 필요하다. 연구팀은 면역치료 신약으로 임상개발 중인 서방형(long-acting) 재조합 사이토카인*1 단백질 rhIL-7-hyFc (NT-I7;efineptakin alfa)가 호흡기에서 다양한 면역세포를 활성화할 수 있는 점에 착안해 주요 호흡기 바이러스에 치료제로 이용할 수 있는 가능성을 연구했다. 실험 결과, 이 단백질은 폐에서 후천성 T세포의 유입과 선천성 유사(innate-like) T세포의 증식을 유도했다. 선천성 유사 T세포는 마치 태어날 때부터 갖고 있던 메커니즘대로 작동하듯 다양한 병원체에 대한 빠르고도 광범위한 방어가 가능했다. 그 결과, 코로나19 바이러스와 인플루엔자 바이러스, 호흡기세포융합바이러스*2 등에 대해 모두 치료 · 예방 효과를 보였다. 특정한 바이러스가 아니라 주요 호흡기 질환에 대해 보편적으로 적용할 수 있는 신약 후보 물질을 발굴한 것이다. 이번 연구를 이끈 이승우 교수는 “산-학-연 협동 연구를 통해 미래 호흡기 바이러스 팬데믹을 대비할 수 있는 단서를 찾았다”며, ”호흡기 감염 바이러스와 세균의 동시 · 연쇄 감염을 제어하는 보편적인 치료제로서의 가능성을 현실로 만들기 위해 연구를 이어갈 것”이라는 포부를 전했다. 한편, 이 연구는 보건복지부 감염병 예방치료 기술개발사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부 바이오산업기술개발사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2023.101362 1. 사이토카인(cytokine) 면역세포로부터 분비되는 단백질 면역조절제를 말한다. 2. 호흡기세포융합바이러스(respiratory syncytial virus, RSV) 소아 및 성인에서 감기, 기관지염, 폐렴, 세기관지염을 유발하는 바이러스로 5세 미만의 소아에서 폐렴을 일으키는 가장 흔한 원인으로 알려져 있다.

생명/융합 김상욱 교수팀, 세포들의 SNS, 면역항암치료 효과 예측한다

[김상욱 교수팀, 세포 간 커뮤니케이션 학습한 AI로 항암 면역 치료 예측] 얼마 전 한 기업이 발표한 스포츠 보고서에 따르면, Z세대 3분의 1 이상이 경기 시청 중 SNS로 다른 사람들과 의견을 공유하는 것으로 나타났다. MZ세대의 일상인 SNS 소통처럼 세포 세계의 네트워크를 이용한 인공지능 기술로 새로운 항암 치료법을 찾은 흥미로운 연구가 발표됐다. 생명과학과 · 융합대학원 김상욱 교수, 생명과학과 이주훈 박사 연구팀은 마이크로바이옴 치료제 개발회사인 이뮤노바이옴(대표: 임신혁)과의 공동연구를 통해, 세포와 세포 사이의 커뮤니케이션을 학습시킨 인공지능(AI)으로 면역 항암 치료의 약물 반응성을 예측하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난달 31일 게재됐다. 면역세포가 암세포와 정상 세포를 제대로 식별하지 못하는 경우, 자가면역질환이 발생한다. 면역 관문(immune checkpoint)은 이를 방지하고, 자체 조직에 대한 공격을 제어하는 곳이다. 그런데, 암세포는 종종 이 관문을 악용해 면역세포 공격을 피할 수 있어 최근 면역 시스템을 활성화하는 면역 관문 억제제(Immune Checkpoint Inhibitors, 이하 ICI)를 사용한 항암 치료가 각광받고 있다. 그런데, 환자마다 유전적 · 환경적 요인이 다르고, 종양 특성이 다양해 실제 하나의 ICI에 반응하는 환자는 3분의 1 미만이다. 효율적인 항암 치료뿐 아니라 효과가 없는 환자를 위한 새로운 치료 전략을 세우려면 그 반응을 예측해야 한다. 연구팀은 2022년 세포 안에서 일어나는 단백질 간 상호작용을 컴퓨터에 학습시켜 면역 항암 치료 효과를 예측하는 인공지능 모델을 만들었다. 이번 연구에서는 한 단계 더 나아가 세포 밖에서 일어나는 세포 간 네트워크를 학습하는 인공지능을 개발해 환자의 반응을 예측하는 데 성공했다. 사람들이 SNS를 통해 서로 소통하듯 암세포와 면역세포 간 네트워크를 분석해 ICI에 대한 환자 반응성을 예측하는 기계 학습 모델을 만든 것이다. 이 모델은 흑색종, 위암, 폐암, 방광암 등 4개의 종양 세포를 가진 700명의 환자 샘플 분석에서 높은 정확도를 보였다. 또, ICI에 대한 반응 여부와 내성과 관련된 핵심 통신 경로를 확인하고, 이를 담당하는 수 · 송신 세포를 찾는 데 성공했다. 김상욱 교수는 “이번 연구를 바탕으로 환자별 치료 전략을 세워 맞춤형 면역 항암 치료가 가능해질 것”이라며, “세포 간 통신 네트워크는 면역계가 움직이는 기본 원리로 다른 면역 질환에서도 환자 맞춤형 치료법을 개발하는 데 적용할 수 있다”고 연구 확장 가능성을 제시했다. 공동 연구를 진행한 임신혁 이뮤노바이옴 대표는 “이번에 확보한 기술을 활용하여 추진 중인 마이크로바이옴 치료제 개발 기간을 획기적으로 단축할 것이다”고 기대 효과를 밝혔다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adj0785

기계/화공 노준석 교수팀, “어느 각도에서 봐도 완벽” 메타표면이 만든 다기능 홀로그램

[노준석 교수팀, 입사 각도에 따라 홀로그램 구현하는 메타표면 기술 개발] 보통 연예인들의 외모를 칭찬할 때 ‘어느 각도에서 봐도 완벽하다’는 말을 쓴다. 특정한 각도나 관점에서만 잘 보이는 것이 아니라 다양한 각도나 관점에서도 뚜렷하고 매력적으로 보인다는 의미다. 최근 POSTECH 연구팀은 메타표면을 사용해 각도에 따라 달라지는 다기능 홀로그램을 구현해 학계의 주목을 받고 있다. 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 연구팀이 사람이 보는 각도에 따라 여러 이미지의 홀로그램을 구현하는 메타표면 디스플레이 기술을 개발했다. 이 연구는 나노 연구와 응용 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다. 같은 사물이라도 보는 사람의 위치에 따라 다르게 보인다. 이를 홀로그램 기술에 적용하면 보는 각도마다 다른 이미지를 구현해 영화처럼 생생한 3D 홀로그램을 만들 수 있다. 하지만 현재 기술로는 각도에 따른 빛의 분산을 제어하기 어려워 이러한 나노 광학 분야 응용에 어려움이 많다. 연구팀은 빛의 특성을 자유롭게 제어하는 인공 나노 구조체인 메타표면으로 이를 해결했다. 메타표면은 두께가 머리카락의 100분의 1 수준으로 매우 얇고 가벼워 가상 · 증강현실 기기 등 소형화가 필요한 디스플레이 분야에서 잠재력이 크다. 연구팀은 메타표면을 사용해 빛이 특정 각도에서 하나의 위상 정보만을 나타내도록 함으로써 입사각에 따라 다양한 이미지를 구현하도록 설계했다. 실험 결과, 연구팀의 메타표면은 좌원편광*1에 대해 +35˚와 –35˚ 각도에서 서로 다른 3D 홀로그램 이미지를 생성했다. 하나의 메타표면으로 특정 편광에 따라 입사광에 대해 서로 다른 이미지를 표현하는 데 성공한 것이다. 특히, 연구팀이 구현한 홀로그램은 시야각이 70도(±35도)로 매우 크기 때문에 여러 방향에서 사람들이 입체적인 홀로그램을 볼 수 있다는 데 의의가 있다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “다양한 각도에서 효과적인 디스플레이를 구현하는 데 성공했다”며, “가상 · 증강현실 디스플레이와 암호화된 이미징, 정보 저장과 응용 분야에서 기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 전했다. 한편, 이 연구는 POSCO 산학연 융합연구소사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망융합기술파이오니아 사업, 산업통상자원부의 알키미스트 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04064 1. 좌원편광 편광은 특정한 방향으로만 진동하며 나아가는 빛으로 좌원편광은 빛의 전기장이 시계 반대 방향으로 회전하는 상태로 나아가는 빛을 말한다.