Research

전자‧IT융합 김철홍 교수‧기계 이승철 교수팀, ‘몸속 천둥번개’, 딥러닝으로 더 빠르고 선명하게 혈관을 찍는다

[POSTECH 연구팀, 딥러닝 이용해 3차원 소동물 전신 광음향 컴퓨터 단층촬영 시스템 개선 기술 발표] 번개가 치면, 얼마 지나지 않아 천둥소리가 들려온다. 번개가 지나가면 주변 물질이 이 빛을 흡수해 빛이 열로 변하면서 순식간에 물질이 팽창해 소리가 나는 ‘광음향’ 현상이다. 최근에는 이 신비로운 자연현상을 몸속으로 가져와 조영제가 필요치 않은 다양한 체내 영상을 촬영하는 ‘광음향 컴퓨터 단층촬영(PACT, Photoacoustic computed tomography)’으로 개발되어, 다양한 분야에서 전임상‧임상 연구가 한창 진행중이다. 문제는 이 영상의 품질‧해상도는 많은 수의 초음파 센서와 높은 채널 수의 데이터 수집 시스템을 활용하면 개선할 수 있지만, 이에 따라 자연히 고사양의 하드웨어가 요구되어 비용이 올라가고 하드웨어 사양을 맞추지 못한다면 영상 속도가 느려지게 된다는 점이다. 전자전기공학과‧IT융합공학과 김철홍 교수‧박사과정 최성욱씨‧징거 양(Jinge Yang) 박사, 기계공학과 이승철 교수‧박사과정 이수영씨, 팀이 딥러닝을 이용해 광음향 컴퓨터 단층촬영 동물 영상 결과를 고해상도 영상 및 고속 영상을 동시에 구현할 수 있는 기술을 세계 최초로 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)지를 통해 발표했다. 이전 연구들에서도 딥러닝을 통해 해상도를 높이기는 했지만, 이번 연구는 최초로 3차원 다중 매개변수 광음향 컴퓨터 단층촬영에 딥러닝 기술을 적용한 기술을 보였다. 동물의 전신 영상은 물론, 심장‧신장‧뇌 등 생체 조직의 움직임을 고해상도/고속‧실시간 모니터링을 할 수 있음을 보였으며, 특히 혈관에 약물을 주입하여 생체에 퍼지는 것을 관찰하는 약물동태학(pharmacokinetics)과 각 조직의 산소포화도를 측정할 수 있는 기능 영상(functional imaging)에 딥러닝이 적용가능함을 보여주는 연구를 세계 최초로 발표하였다. 뿐만 아니라, 동물로 학습된 인공신경망을 인간에게도 적용 가능함을 입증하였으며 나아가, 인공신경망 훈련에 사용되는 광학파장과는 독립적으로 인공신경망이 동작하기 때문에 하드웨어 설비를 단순화하면서 속도와 품질을 모두 잡았다는데 큰 의미가 있다. 이번 연구결과의 발표를 통해, 광음향 컴퓨터 단층촬영 기술이 하드웨어 사양에 영향을 받지않고 고해상도/고속의 영상을 구현됨으로써 더 다양한 환경에서 광음향 영상이 활발하게 사용될 것으로 연구팀은 기대하고 있다. 이번 연구성과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 최근호에 뒷표지논문(Back cover)으로 선정됐다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견기술·BRIDGE융합연구개발사업·글로벌박사양성사업·글로벌프런티어사업·범부처전주기의료기기연구개발사업·산업혁신인재성장지원(R&D)·BK21 사업의 지원으로 수행됐다.

POSTECH 공동연구진, 그래핀 전자 가속기의 고에너지 빛 방출 원리 규명

[극단의 비선형 광학 연구에 대한 새로운 시야 제공] 강한 전자기장을 걸어 진공에서 전자를 빠르게 가속하면 강력한 전자기파가 방출된다. 이러한 원리를 활용하여 ‘빛 공장’이라 불리는 방사광가속기는 태양 빛보다 100경 배 밝은 빛을 만들어내며 반도체, 배터리, 바이오 신약 소재 등의 구조를 원자 수준으로 분석할 수 있다. 최근 POSTECH 공동연구진이 그래핀 (Graphene) 내부의 전자를 빠르게 가속해 높은 에너지의 빛을 방출시킬 수 있는 원리를 처음으로 밝혔다. 신소재공학과 김종환 교수‧조문호 교수(기초과학연구원 반데르발스 양자 물질 연구단 연구단장)‧통합과정 김민정 씨‧차순영 박사와 DGIST 화학물리학과 이재동 교수, 김영재 박사로 구성된 국내외 공동연구진은 초고속 레이저 분석법을 이용하여 전자가 가속하며 전자기파를 방출하는 양자 경로를 규명하였다. 이 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)’에 소개됐다. 진공과 달리 고체 내부의 전자는 높은 밀도의 원자와 충돌하기 쉽기 때문에 가속하기 어려운 것으로 알려져 왔다. 하지만 2010년, ZnO (산화아연) 반도체 결정에 강력한 중적외선 레이저장을 한곳으로 모으면 전자를 빠르게 가속할 수 있다는 연구가 발표된 이래, 관련 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 고체에서의 고에너지 전자기파 생성은 최대 40 eV (전자볼트) 정도의 높은 광자 에너지를 가진 광원을 실현할 수 있는 새로운 방법으로 거론되고 있으며, 고출력 극초단 레이저 주기 내에서 생성되는 전자 상태를 조사하는 도구로서 주목받고 있다. 방출된 전자기파 스펙트럼과 편광을 분석하면 운동량 공간에서 전자가 움직이는 양자 경로를 시각화할 수 있으며, 이를 통해 밴드 구조를 측정하고 베리 곡률(Berry curvature)과 천 넘버(chern number)와 같은 흥미로운 전자 물성을 측정할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 특히, 그래핀의 전자는 질량이 없는 독특한 입자 특성으로 인해 작은 전기장으로도 매우 빠르게 움직이며, 고에너지 전자기파를 쉽게 방출할 수 있을 것으로 기대되었다. 하지만 그래핀과 같이 밴드갭이 없는 반금속 물질에서는 전자들이 여러 복잡한 양자 경로를 동시에 택하여 이동할 수 있기 때문에 전자기파 발생 원리를 분석하는 것이 매우 어려웠다. 연구진은 그래핀이 방출하는 전자기파가 내부의 전하량에 따라 세밀하게 제어되는 점을 활용하여, 전자가 가속하는 양자 경로를 포착하는데 성공했다. 연구진은 해당 원리를 기반으로 새로운 고에너지 광원이나 레이저 물질 분석법을 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원사업과 기초과학연구원 사업의 지원으로 수행됐다.

POSTECH-예일-하버드 공동연구팀, 가뭄이 건강을 위협한다

[美 캘리포니아 지역에서 기후변화에 따른 가뭄 증가와 오존 농도의 연관 밝혀] 미국 최대 주 캘리포니아가 2010년 초반부터 극심한 가뭄에 시달리고 있다. 로이터통신은 캘리포니아 주요 도시에 물을 공급하는 주 최대 저수지 섀스타 저수지 수량이 역대 최저 수준인 31%라고 밝혔다. 콜로라도 강은 일부 지역의 경우 바닥이 드러날 정도로 수량이 줄었고, 댐은 발전을 멈출 정도로 저수량이 떨어지는 등 가뭄이 심각할 정도에 이르렀다는 소식이다. 최근 POSTECH-예일-하버드 공동연구팀이 캘리포니아 지역의 가뭄이 대기질에 미치는 영향에 대해 밝혔다. 이 연구결과는 최근 세계 환경연구의 권위지인 환경연구(Environmental Research)지에 게재됐다. 공동연구팀은 캘리포니아 지역에서의 가뭄과 일별 최대 8시간 오존(O3)농도 사이의 지역별 연관성을 정량화하고, 이를 이용하여 2009년부터 2015년까지의 연관성을 종합적으로 정량화했다. 연구결과에 따르면, 가뭄 기간동안 지상 오존농도는 가뭄이 아닌 기간보다 1.18ppb 더 높게 나타났다. 가뭄에 대한 오존의 민감도는 시원한 계절(11월~4월; 0.79 ppb)보다 따뜻한 계절(5월~10월; 1.73 ppb)에 더 크게 나타났으며, 지역별 차이 또한 크게 나타났다. 또한, 연구팀은 가뭄으로 인한 오존농도의 증가는 상대적으로 평균 습도가 낮은 지역에서 크게 나타나는 것을 확인했다. 이 연구는 가뭄 기간 동안 건강을 위협하는 지상 오존이 증가하는 모습을 보여주며, 오존농도가 상대적으로 심하게 증가할 수 있는 취약 지역을 찾아냈다. 이는 기후 변화 속에서 늘어나는 가뭄은 지상 오존농도를 증가시키고, 호흡기 질환의 증가를 불러올 수 있음을 보여준다. 또한, 앞으로 닥칠 가뭄에 의한 지상 오존의 건강 위해성 증가에 대비해야 한다는 것을 보여준다. 연구에 참여한 환경공학부 이형주 교수는 “이번 연구는 지상 오존의 대기 환경 정책이 기후 변화에 대비할 수 있는 방향으로 이루어져야 한다는 것을 시사한다”고 말했다.

생명 조윤제·류성호·윤나오 교수팀, 당뇨병 극복할 새로운 가능성 제시

[압타머-수용체 복합체 구조 통해 인슐린 수용체의 기능적 선택성 밝혀] 인슐린 수용체(Insulin receptor)는 체내의 혈당을 조절하는데 가장 중요한 막단백질이다. 췌장에서 분비된 인슐린은 근육, 지방, 간 등의 말단조직에 존재하는 인슐린 수용체에 결합하고, 활성화된 수용체는 세포신호전달을 통해 세포가 흡수하는 포도당의 양을 증가킨다. 이 과정에 문제가 생기면 혈당이 높은 상태로 장기간 유지되는 당뇨병에 걸리게 된다. 최근 POSTECH 연구진이 인슐린 수용체의 기능을 선택적으로 조절할 수 있음을 밝혀냄으로써 당뇨병 치료의 새로운 가능성을 제시했다. POSTECH KIURI 연구단 윤나오 연구조교수, 생명과학과 조윤제 교수, 류성호 교수, 김준홍 박사로 이뤄진 연구팀이 두 종류의 압타머(Aptamer)를 인슐린 수용체에 각각 결합시켜, 인슐린 수용체의 구조적 상태를 고정하고, 이를 통해 수용체의 단계적인 구조 변화를 밝혀냈다. 이 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션'(Nature communications)에 게재됐다. IR-A62 압타머는 선택적 활성제(Biased agonist)로 인슐린 수용체의 인산화 및 대사 기능을 선택적으로 활성화한다. IR-A62는 인슐린과 함께 혹은 단독으로 인슐린 수용체에 결합하며, 독특한 화살촉 구조와 기울어진 T-구조를 유도한다. IR-A43 압타머는 인슐린 활성의 증폭제(Enhancer)인데, 인슐린과 함께 수용체에 결합하여 Γ-구조를 안정적으로 만드는 역할을 한다. 연구팀이 이들 구조를 비교한 결과, 인슐린 수용체의 선택적 기능 활성화가 어떤 구조적 변화 때문에 조절되는지를 밝혀냈다. 이는 인슐린 수용체가 단순히 인슐린 신호를 전달하는 온/오프 스위치가 아니라, 수용체의 구조적인 상태에 따라서 세포 기능을 선택적으로 활성화하는 정교한 조절자라는 것을 보여준다. 이는 다른 종류의 수용체 역시 비슷한 기작을 가지고 있을 수 있다는 것을 암시하며, 앞으로 수용체의 활성화를 조절하는 연구에 중요한 힌트를 제공할 수 있다. 당뇨병을 치료하기 위해 지금까지는 인슐린을 투여하는 방법이 가장 흔하지만, 투여량을 조절하는 게 여전히 쉽지는 않다. 인슐린은 치료유효량(Therapeutic index)이 매우 좁아서, 고용량이 투여되면 환자는 저혈당(Hypoglycemia)에 의한 두통, 오한, 의식저하, 심한 경우 실신에 이르게 되는 일도 있다. 연구팀이 인슐린 수용체를 선택적으로 활성화시킬 수 있음을 밝혀냄으로써, 인슐린 수용체의 대사 기능만을 선택할 수 있는 새로운 물질을 보다 효율적으로 개발하는 것이 가능해졌다. 인슐린 수용체의 대사 기능에 대한 편향활성제는 인슐린의 단점을 극복할 수 있는 새로운 당뇨병 치료제로 개발될 수 있어, 앞으로 다양한 연구를 통해서 지금까지와 다른 새로운 전략의 당뇨병 신약개발이 가능할 것으로 기대된다. 이 연구는 혁신성장 선도 고급연구인재 성장지원(KIURI) 사업, 바이오·의료기술개발사업, 중견연구의 지원으로 수행됐다.

신소재 이준민 교수팀, 무릎 통증을 위한 월동준비 “연골모방조직” 구현

[이준민 교수팀, 줄기세포 둘러싼 PCM-ECM 연골세포로의 분화 조절] 기온이 뚝 떨어지면서 무릎 통증을 호소하는 사람들이 늘어나고 있다. 계단을 오르내리거나 앉았다 일어설 때 무릎이 시큰거리거나 뼈마디가 시리다고 느끼는 사람들에게는 월동준비가 시급하다. 최근 POSTECH 연구팀이 무릎 연골의 미세구조를 그대로 재현한 연골모방조직을 구현하는데 성공함으로써 무릎 통증을 호소하는 사람들에게 반가운 월동 채비가 될 것으로 기대된다. 신소재공학과 이준민 교수팀과 美 일리노이대학교 테라사키 연구소 연구팀과 공동연구를 통해 무릎 연골의 줄기세포를 둘러싸는 PCM-ECM*1 미세역학적 구조를 구현해냈다. 이 연구는 재료과학 분야 국제학술지 '매터'(Matter)에 게재됐다. 무릎 연골의 연골세포는 얇고 부드러운 세포 주위 매트릭스로 둘러싸여 있으며, 이는 다시 매우 단단한 세포 외 기질로 둘러싸인 미세구조를 갖고 있다. 하지만 지금까지 연구들은 이러한 실제 무릎 연골에 존재하는 미세구조를 구현하지 못한 체 부드럽거나 혹은 단단한 단일의 매트릭스로 구성된 연골모방조직을 개발하는 데 그쳤다. 한편, 손상된 연골은 혈액 공급의 제한과 관절 내의 연골 세포 수의 제한으로 스스로 치유하기가 어렵다. 현재 사용되는 치료방법에는 환자의 온전한 연골을 손상된 관절로 이식하는 모자이크 성형술*2이나, 손상된 연골 아래 뼈에 작은 구멍을 만들어 손상된 관절로의 혈류 증가하는 미세골절 방식 또는 환자 자신의 연골 세포 자가이식이 포함된다. 이러한 치료방법은 비용이 많이 들고 손상된 관절의 기능을 적절하게 복원하지 못한다는 한계를 갖고 있다. 하지만, 연골 복구를 위한 더 나은 선택은 연골 세포를 포함하여 다양한 유형의 세포로 재생 및 분화할 수 있는 성체줄기세포를 사용하는 방법이다. 환자의 성체줄기세포를 사용하면 보다 효과적인 연골 재생을 위해 이식을 가능하게 할 수 있다. 이번 연구에서는 생체모방기술에 근거하여 성체줄기세포를 이용해 무릎연골의 미세구조를 모방하고, 실제 무릎에 가해지는 다이나믹한 기계적 압축 자극을 가해줄 수 있는 시스템을 개발했다. 연구팀은 이 기술을 통해 세포 주위 기질과 세포 외 기질의 단단함 정도의 차이를 미세하게 조절할 수 있으며, 이렇게 생긴 미세한 기계적 단단함의 차이에 의해 줄기세포를 이식 및 재생에 반드시 필요한 연골세포 혹은 불필요한 비대 연골세포로의 분화를 조절할 수 있었다. 연구를 주도한 이준민 교수는 “이번 연구는 실제 무릎 연골 환경과 굉장히 유사한 미세구조를 생체재료의 공학적 설계를 통해 구현하였다는 점에서 의의가 있다”며, “이렇게 구현된 생체모방형 미세구조 내에서 줄기세포의 연골세포로의 분화를 정확하게 조절함으로써 앞으로 연골 이식이나 재생의 성공 가능성을 높이는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구는 4단계 BK21 사업, 기본연구지원사업의 지원으로 이뤄졌다. 1. PCM-ECM 세포는 굉장히 소프트한 세포 주위 기질 (Pericellular matrix, PCM)로 둘러싸여 있으며, 이 기질은 단단한 세포 외 기질(Extracellular matrix, ECM)로 둘러싸여 무릎 연골 매트릭스를 구성하고 있다. 2. 모자이크 성형술(자가 골연골 이식술) 자신의 연골을 일부 떼어내어 손상된 부위에 이식하는 방법

화공 정대성 교수팀, 플렉서블 패널 성능 높이는 박막트랜지스터 전략

[“고순도 소재 박막 양면 이용 가능…반도체 성능 획기적 향상”] 디스플레이 기술이 발달하면서 접었다 펼 수 있는 플렉서블 패널을 이용한 전자제품 개발이 활발해지고 있다. 이 플랙서블 패널에는 얇은 막으로 형성된 박막트랜지스터가 내장돼 있다. 박막트랜지스터는 빛을 켜고 끄는 스위치 같은 역할을 하는데, 얼마나 전하의 이동이 빠른지? 작동이 안정적인지? 생산비용을 줄일 수 있는지?가 차세대 디스플레이 발전의 중요 관심거리이다. 최근 POSTECH 연구팀은 조밀하고 결함이 없는 박막 형태의 유-무기 하이브리드 유전층에 대한 고효율 가교 전략을 제안했다. 이 연구는 세계적인 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다. IoT 기술의 세계적인 발전으로 대기전력이 낮은 금속산화물반도체 기반 회로, 특히 저가의 용액공정이 가능한 박막트랜지스터(TFT) 소재에 대한 관심이 급증하고 있다. 용액 처리가 가능한 여러 반도체 중에서 금속 산화물은 높은 전하 캐리어 이동도와 작동 안정성 때문에 주로 TFT용으로 가장 성공적인 재료 플랫폼으로 여겨지고 있다. 화학공학과 정대성 교수 연구팀은 무기 입자를 고분자에 공유결합으로 연결해 유기-무기 하이브리드 유전층의 고효율 가교 방법을 제안했다. 연구팀은 아자이드 작용기를 가진 아세틸아세토네이트를 사용해 조밀하고 결함이 없는 박막 형태의 유-무기 하이브리드 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 개발한 방법에 따르면, 누설 전류를 감소시켜 저전력으로도 구동이 가능해졌다. 또한, 우수한 물성의 유전체를 손쉬운 공정 방법인 용액공정을 통해 제조할 수 있어 박막트랜지스터의 제조 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 저온 열처리가 가능하므로 유연성이 있는 기판 위에서 제조도 가능하게 됐다. 연구를 주도한 정대성 교수는 “효율적이고 안정적인 박막트랜지스터의 개발로 플렉시블, 웨어러블 디바이스와 같은 차세대 플렉시블 전자소자의 구현이 가능해졌다”며 “신규 산화물 반도체 소재를 이용해 메모리, 디스플레이 등 다양한 산업의 기반 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구는 차세대지능형반도체기술개발사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

신소재 한세광 교수팀, 상처엔 “후~”대신 “빛”으로 치료해요!

[POSTECH 연구팀, 조절 가능한 잔광 발광 입자를 통한 광화학 피부 접합법 개발] 영화 ‘아바타’에서는 상처가 난 나비족을 영혼의 나무가 빛을 전달해 치료하는 장면이 묘사된다. 이처럼 빛으로 상처를 치료하는 일이 영화 속 나비족에게만 가능한 일은 아닌 듯하다. 고대 이집트에서는 태양광선을 이용해 백반증을 치료했다고 전해지고, 1903년에는 빛으로 결핵성 피부병을 치료한 방법이 노벨상을 받았다. 현대에는 피부병 치료에서 암 치료에 이르기까지 빛 치료(Light Therapy)가 이용되고 있다. 상처엔 “후~”라는 말이 입에 밸 정도로 ‘상처 치료에는 연고’를 바르는 것이 당연해졌다. 그런데 최근 POSTECH 연구팀에서 바르는 연고 대신 빛으로 상처를 치료하는 획기적인 방법을 내놓았다. 신소재공학과 한세광 교수팀에서 개발한 이 연구는 광학 분야의 세계적 권위지인 ‘빛, 과학과 응용(Light:Science and Applications)’에 게재됐다. 흔히 사용되고 있는 바르는 연고와 같은 생체접착제는 실제 낮은 결합 강도로 인해 그 사용이 여전히 제한적이다. 최근 광화학 조직 결합(PTB)*1은 상처 봉합을 위한 새로운 기술로 부상했다. PTB는 2차 염증이나 바늘 천공과 같은 봉합사의 여러 문제를 극복할 수 있는 장점으로 봉합사에 필적하는 상처 치유 효율을 가지고 있다. 이 기술은 빛과 감광제를 사용하여 콜라겐 가교를 촉진하고 염증과 흉터를 줄이는 방법이다. 로즈 벵갈 염료(RB)*2는 가장 일반적인 감광제 중 하나로 녹색광에서 에너지를 흡수하고 콜라겐과 상호 작용하여 콜라겐 자유 라디칼을 생성한다. 이러한 라디칼 종은 콜라겐 분자 사이의 공유 결합 형성을 시작한다. 하지만 절개가 닫히면 조직 침투 깊이에 따라 녹색광이 감쇠하기 때문에 광 투과 효율이 감소한다. 심부 조직에서 RB를 효과적으로 활성화하고, 효율적인 PTB에 대한 콜라겐 가교를 유도하기 위해서는 새로운 재료가 필요하다. 이를 위해 피부 투과성이 높은 근적외선 빛을 가시광선으로 변환하기 위해 상향 변환 재료가 연구되고 있다. 그러나 상향 변환 재료는 에너지 변환 효율이 낮아 광치료의 효과가 제한적이라는 단점이 있다. 이에 연구팀에서는 광화학 피부 결합을 위한 강력하고 지속적인 녹색 발광을 갖는 ZnS:Ag,Co의 조절 가능한 잔광 발광 입자(ALP)를 개발했다. 연구팀이 개발한 ALP는 조사된 광 에너지를 결함 상태로 가두어 저장된 에너지를 천천히 빛으로 방출하는 광학적 특성을 가진다. 즉, 높은 발광 강도와 장기간 잔광이 발생한다. 연구팀은 또한, ZnS:Ag,Co 입자는 짧은 자외선을 쐈을 때 빠르게 재충전될 수 있으며, 이는 추가적인 자외선 조사 없이 히알루로네이트-RB(HA-RB) 접합체의 RB를 효과적으로 활성화해 절개된 콜라겐 층을 결합하는 것을 확인했다. 연구를 주도한 한세광 교수는 “이 연구는 잔광 발광 입자를 생화학 피부 접합에 응용한 첫 사례”라며 “이제 상처 치료를 위해서 빛을 이용한 치료를 뇌와 같은 신체 조직에 확대할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 1. 광화학 조직 결합(PTB) 광화학 조직 결합 기술(Photochemical tissue bonding) 2. 로즈 벵갈 염료(RB) Rose Bengal, 잔텐(xanthene) 염료 및 식품 착색제

생명 박상기 교수팀, ‘조현병’ 태아 신경발달 과정에서 발생한다

[POSTECH-한국뇌연구원-KAIST 공동 연구팀, 조현병 원인인자 MAD1에 의한 대뇌피질 발생 중 신경세포 이동성 조절] 조현병은 망상, 환청, 와해된 언어와 행동 등의 증상이 주로 나타나고, 사회적 기능에 장애를 일으킬 수도 있는 질환으로 관심이 필요한 병이다. 여기서 조현(調絃)이란 사전적인 의미로 ‘현악기의 줄을 고르다.’ 라는 뜻으로, 조현병 환자의 모습이 마치 현악기가 정상적으로 조율되지 못했을 때의 모습처럼 혼란스러운 상태를 보이는 것과 같다는 데서 비롯됐다. 아직까지 조현병의 명확한 원인이 밝혀지지는 않았으나, 일반적으로 조현병은 뇌에 이상이 생겨서 발생하는 생물학적 질환이라고 알려져 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 한국뇌연구원, KAIST(한국과학기술원) 연구팀과 공동연구를 통해 조현병의 원인인자인 MAD1(Mitotic Arrest Deficient-1)단백질이 신경세포 내 골지체의 기능성을 조절할 수 있다는 결과를 내놓았다. 이 연구는 최근 정신질환과 치료를 생물학적으로 접근한 연구를 게재하는 국제 학술지 ‘분자정신의학(Molecular Psychiatry)’에 게재됐다. 조현병은 천문학적인 사회적, 의료적 비용을 일으키는 주요 정신질환 중 하나로, 생물학적 원인을 이해하고 근본적인 치료접근을 위한 전 세계적 노력으로 수년전 대규모 조현병 전체유전체 상관분석연구(GWAS)*1가 완성됐다. 이로부터 100개가 넘는 조현병 연관 유전자들이 새롭게 발굴되었으나, 이들 각각의 유전자가 어떻게 조현병의 발병과 위험에 관련될 수 있는지는 더 많은 연구가 필요하다. MAD1L1(Mitotic Arrest Deficient-1 Like 1)유전자는 GWAS 및 인간 조현병 환자군을 대상으로 한 여러 연구에서 수차례 조현병과의 높은 관련성이 대두되었음에도, 신경계에서 수행하는 기능이 직접적으로 알려진 바는 없었다. 공동연구팀은 쥐와 인간 오르가노이드 모델을 활용하여 주요 신경 발달 과정에서 MAD1L1유전자의 산물인 MAD1단백질의 역할을 조사해 조현병의 분자 메커니즘을 규명하고자 했다. 공동 연구팀은 MAD1이 대뇌피질 발달 과정에서 높게 발현되고, MAD1 결핍이 신경세포의 이동과 신경돌기 성장에 문제를 일으킨다는 것을 밝혔다. 또한, MAD1이 세포 내 골지체에 위치하여, 이동하는 신경세포의 성장과 극성 결정에 중요한 골지체로부터 세포막으로의 소포 전달을 조절한다는 것을 확인했다. 이 과정에서 MAD1은 KIFC3(kinesin family member C3)단백질과 물리적으로 상호작용하고 협력해 골지체의 형태와 신경 극성을 조절하여, 신경세포의 적절한 이동과 분화를 조율하는 것을 확인했다. 그 결과, 조현병 연관 유전자 MAD1L1의 발현산물인 MAD1단백질이 신경세포 내 골지체의 기능성을 조절함으로써 신경세포의 모양, 극성, 그리고 이동성에 중요한 인자라는 것을 규명했다. 이는 조현병의 원인이 태아단계에서 잘못된 신경발생에 기인할 수 있다는 오래된 가설을 지지하는 새로운 증거가 된다. 연구를 주도한 생명과학과 박상기 교수는 “이번 연구 결과는 MAD1이 신경 발달의 필수 조절자이며 MAD1의 기능적 이상이 조현병의 신경발생 단계에서의 원인 이해에 새로운 기초가 될 수 있음을 나타낸다.”고 말했다. 한편, 이 연구는 중견연구자지원사업, 신약분야원천기술개발사업, 신진연구자지원사업, 선도연구센터지원사업, 뇌연구원기관고유사업, 학문후속세대지원사업의 지원으로 수행됐다. 1. 전체유전체 상관분석연구(GWAS, genome-wide association study) 질병이 없는 사람들과 질병이 있는 사람의 전체 유전체를 대조하여 DNA 표지자를 비교하는 연구.

환경 조강우 교수팀, 수소 생산을 위한 “싸고 빠른” 촉매 개발

[POSTECH-GIST 공동 연구팀, 니켈-철 스피넬 산화물의 이리듐 도핑을 통한 산소발생 활성과 안정성 향상] 세계 곳곳에서는 나타나고 있는 이상기온 현상이나 가속화되는 지구온난화를 막을 방법은 없다. 그 속도를 늦추는 것이 인류의 과제라 해도 과언이 아니다. 그만큼 온실가스의 주성분인 이산화탄소를 배출하는 화석연료 대신 수소를 에너지원으로 사용하는 기술이 요구되고 있다. 그중에서도 물 분자(H₂O)에 전류를 흘려 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해해 수소를 생산하는 ‘수전해 기술’은 청정에너지 기술로 주목받고 있다. 최근 POSTECH-GIST 공동연구팀에서 수전해 기술을 통해 효율적으로 수소를 얻을 수 있는 안정적이고 대량생산 가능한 촉매를 내놓았다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 2023년 1월 뒷표지(back cover) 논문으로 게재됐다. 수전해 과정에서는 물을 전기분해하면 산소발생반응과 수소발생반응이 동시에 일어나는데 전체 반응이 속도가 비교적 느린 산소발생반응에 맞춰 진행된다. 산소발생반응이 느려질수록 수소 생산 속도도 느려지기 때문에 산소반응발생의 속도를 올려주는 촉매를 사용하는 것이 필수적이다. 일반적으로 백금이나 이리듐 등 귀금속 촉매를 사용하는데 가격이 비싸 상용화를 제한한다는 단점이 있다. 저가 금속 기반의 촉매들이 개발됐지만 귀금속 촉매보다 반응이 느리다는 한계가 있었다. 환경공학부 조강우 교수 연구팀은 GIST 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀과 함께 니켈-철 스피넬 산화물에 소량의 이리듐 도핑을 통해 이리듐 산화물보다 높은 활성과 기존 니켈-철 산화물보다 우수한 안정성을 가진 산소발생반응용 촉매 개발에 성공했다. 연구팀이 이번에 개발한 촉매는 대량생산이 가능한 졸겔법(sol-gel)을 사용했다. 높은 전류 밀도 조건에서 이리듐 산화물보다 과전압이 40mV 이상 낮고, 130일 이상 구동이 가능할 정도로 안정성이 높은 것으로 나타나, 해당 촉매를 활용하여 친환경 수소생산을 앞당길 것으로 기대된다. 연구를 주도한 조강우 교수는 “지속가능한 에너지 개발과 탄소 중립적인 수소발생을 위해서는 고효율 산소발생 전기촉매의 활용이 필수적”이라며 “이 연구를 통해 니켈 철 스피넬 산화물제의 높은 활성과 안정성을 확인함으로써 친환경 수소 생산의 길이 열릴 것으로 기대한다”고 말했다.

화공 이준구 교수팀, 세포 밖에서 단백질 아닌 ‘고분자’ 합성한다

[POSTECH 연구팀, 무세포 시스템에서 리보솜을 이용한 피리다지논 올리고머 합성] 우리가 쉽게 구할 수 있는 진통제, 감기약, 소화제, 항생제와 같이 여러 화학 물질을 적절히 배합해 화학반응을 이용하여 합성한다. 이런 소형 화합합성 의약품은 파마코포어(pharmacophore)라고 하는 약효를 내는 부분이 필요한 것으로 알려져 있다. 하지만 의약품 분자내에 파마코포어를 도입하게 되면 전체의 합성과정이 보다 복잡하고 어려워진다는 한계가 있다. 화학공학과 이준구 교수 연구팀이 노스웨스턴대학교(Northwestern University)와 텍사스대학교(University of Texas) 연구팀과의 공동연구를 통해 이러한 파마코포어를 단백질 번역과정의 생화학적 반응을 통해 세포 밖에서 합성하는 새로운 사실을 밝히고, 그 연구성과를 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 발표했다. 리보솜은 수십억 년간 세포 내에서 진화해 온 거대분자로, 전사된 mRNA를 인식하고 서열 정보에 부합하는 L-알파-아미노산을 순차적으로 중합하여 단백질 (또는 펩타이드)로 변환하는 분자 중합 기계이다. 최근 합성생물학 분야에서는 이러한 리보솜의 중합 능력을 이용하여 자연계에 존재하지 않는 비천연 아미노산의 중합 연구를 수행하고 있다. 연구팀은 비천연아미노산이 아닌 새로운 형태의 비천연 기질이 연속적으로 리보솜 내에 도입될 경우, 현존하는 화학합성법으로 구현할 수 없는 고분자 중추구조의 구현이 가능할 것이라는 가정하고, 다양한 비천연 아미노산을 합성하고 세포 밖에서(무세포 시스템)에서 리보솜을 이용해 이들을 중합하려는 시도를 이어왔다. 이번 연구를 통해 연구팀은 '감마-케토산'과 '하이드라지노산'이 리보솜 내부에 연속적으로 도입될 경우, 파마코포어로 자주 사용되는 '피리다지논(pyridazinone)'이라는 6각 고리형 구조가 형성되는 것을 확인하였다. 연구팀은 나아가 6각 고리를 연속으로 도입하여 고분자 형태내 중추구조까지 형성하는 사실도 확인했다. 즉, 지금까지 연구에서는 리보솜 내부로 삽입된 아미노산 단량체들이 서로 중합반응을 거치면 단량체들끼리 서로 양팔을 벌려 '악수'를 한 형태의 결합에 머물렀다면, 이번 연구에서는 아미노산이 아닌 새로운 형태의 비천연 단량체를 디자인 함으로써, 단량체들끼리 양손 악수가 아닌 양팔 '팔짱'을 끼고 고리형태로 연결된다는 것을 밝힌 것이다. 이 양팔 팔짱 구조는 지금까지의 화학합성법으로 구현하기 매우 어려운 파마코포어 구조로서, 이는 리보솜을 이용한 단백질 합성과정이 단 한 가지 종류의 결합 방식(펩타이드 결합)으로만 이루어진다는 사실을 뒤집는 혁신적인 결과이다. 연구팀은 이번 연구는 오랜 시간 동안 진화해 온 생명 시스템이라도 사실은 생화학분자처럼 수정과 변형이 가능하며, 이를 이용하면 기존의 생명현상 시스템에서 생성되는 물질과 전혀 다른 물질을 생산할 수 있다는 것을 시사한다고 밝혔다. 연구를 주도한 이준구 교수는 “이번 연구결과는 단백질 번역과정에서 사용되는 다양한 생화학분자들이 오랜 진화과정에서 최적화되어 이를 조금이라도 변형하면 그 기능을 잃을 것이라는 일반적인 믿음과는 달리 의외로 수정 가능성이 크다는 것을 시사한다”며 “이러한 무세포 시스템이 앞으로 새로운 의약품 합성 기술뿐만아니라 교대공중합체 또는 블럭공중합체의 합성 플랫폼으로 발전하여 정밀 고분자, 특성 섬유의 생산으로 이어질 것을 기대한다“고 말했다. 한편, 이 연구는 한국정부지원연구재단(NRF)의 지원사업으로 진행됐다.