Research

화학 김원종 교수팀, ‘자객’처럼 은폐했다가 잽싸게 암세포 죽이는 약물 나왔다

[자가-희생 일산화질소 기반 항암제 개발] [생체 단백질과 결합해 림프절 내 암세포 제거] 자객은 들키지 않게 무기를 몸속에 숨겼다가 목표물이 가까워지면 잽싸게 꺼내서 공격한다. 이러한 자객과 같이 암세포가 있는 곳으로 찾아 들어가, 집중적으로 공격을 펼치는 약물이 나왔다. 화학과 김원종 교수 연구팀은 생체 단백질인 알부민과 결합해 림프절 내 암세포를 제거하는 자가-희생 일산화질소 전구약물(self-immolative nitric oxide prodrug)을 개발했다. 전구약물이란 몸속에서 대사 과정을 거쳐야 효과가 나타나는 약물을 말한다. 일산화질소는 몸속에서 다양한 생체 기능을 유도할 수 있기 때문에, 이를 치료에 활용하려는 연구들이 진행돼왔다. 그러나 이전까지 개발된 일산화질소 약물은 분자의 구조적 불안정성으로 인해 기체가 자발적으로 빠져나가 실질적으로 치료에 적용하기 어려웠다. 김원종 교수팀이 개발한 약물은 몸속에서 선택적으로 반응해 일산화질소를 방출한다는 점이 특징이다. 이번 연구에서는 림프절로 빠르게 이동하는 알부민의 특성을 이용해 전구약물이 림프절 내 암세포를 제거하도록 했다. 소동물 대상의 연구 결과, 약물로 치료한 소동물은 그렇지 않은 소동물보다 림프절로 전이된 암세포 무게가 약 30배 적었다. 또한 약물로 치료한 소동물이 85% 생존한 반면, 치료하지 않은 소동물은 14%만이 생존했다. 이 약물은 기존의 일산화질소 약물과 달리 물과 닿아도 저절로 분해되지 않아 보관하거나 운반하기 쉽다는 장점이 있다. 부작용도 림프절을 제거하는 수술에 비해 현저히 낮다. 특히 약물을 구성하는 3-모르폴리노시드노이민 염산염(SIN-1, 3-Morpholinosydnonimine hydrochloride)이 이미 임상에서 이용되고 있으며 알부민 또한 몸속에 존재하는 단백질이므로 상용화될 가능성이 더욱 크다. 김원종 교수는 “자가-희생 일산화질소 전구약물로 일산화질소의 부작용은 최소화하고 치료 효과는 극대화할 수 있다”며 “향후 암, 자가면역질환, 난치성 신경질환, 감염성질환 등의 예방 또는 치료에 유용하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난 5일 게재된 이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 전략과제, 기초연구실 사업의 지원을 받았으며, ㈜옴니아메드와 POSTECH의 산학과제로 이뤄졌다.

IT융합·기계 장진아 교수팀, ‘자라나라 미세조직‘…빛으로 인체 조직 한 번에 만들어낼 수 있다

[미세조직 대량생산할 수 있는 3D 바이오프린팅 기술 개발] [광활성 탈세포화 세포외기질 이용…빛으로 프린팅 과정 단축] 국내 연구진이 몸 밖에서 인체의 미세조직을 ‘한 번에’ 만들어낼 수 있는 기술을 개발했다. 가시광선으로 미세조직을 구성하는 세포외기질을 빠르게 굳혀 제작 과정을 단축한 것이다. 만들어진 미세조직은 각각 간, 대장 등의 조직과 생리학적으로 유사했다. 이 기술을 이용하면 미세조직을 대량생산할 수 있어, 향후 체외진단의료기기 등에도 활용이 기대된다. IT융합공학과·기계공학과 장진아 교수, IT융합공학과 박예진 석사·석사과정 강병민 씨 연구팀은 미세조직을 별도의 처리 과정 없이 생산할 수 있는 3D 바이오프린팅 기술을 개발했다. 이 연구성과는 가시광선을 쬐면 빠르게 굳는 광활성 탈세포화 세포외기질 바이오잉크를 이용한 결과다. 세포 밖에 존재하는 세포외기질은 세포와 조직 사이의 공간을 채워주며 세포를 보호하는, 이른바 ‘쿠션’ 역할을 한다. 3D 프린팅으로 인체 조직이나 장기를 만들 때도 탈세포화 세포외기질이 들어간 바이오잉크가 활용된다. 세포를 보호하여 프린팅 후 세포 생존을 유지할 수 있는 환경을 만드는 것이 바이오프린팅 기술의 핵심이기 때문이다. 그러나 지금의 바이오프린팅 기술은 번거롭고 시간이 많이 드는 혼합, 가교*1, 세척 같은 단계가 필요하다. 이는 변형되기 쉬운 탈세포화 세포외기질을 단단하게 만들기 위함이지만, 그 과정에서 물리적 자극이 불가피하게 동반되면서 제작된 조직이 의도된 형태를 온전히 유지하지 못하게 된다. 또한, 바이오잉크 내 탈세포화 세포외기질의 비중이 줄어들어, 조직에 특이적인 미세환경을 조성하기도 어려워진다. 앞서 장진아 교수팀은 가시광선을 쬐면 빠르게 굳는 광활성 탈세포화 세포외기질 바이오잉크를 개발한 바 있다. 가시광선을 이용하면 기존의 자외선 경화 방식보다 조직 내 세포를 덜 손상시키고, 몇 분이 걸리던 제작 시간을 수 초 내로 줄일 수 있다. 프린팅과 동시에 조직을 빠르게 굳게 해 조직 형태가 안정적으로 유지될 수도 있다. 나아가 이번 연구에서는 바이오잉크를 이용해 미세조직을 세포 배양액에 곧바로 프린팅함으로써 빠르고 간편하게 생산할 수 있음을 입증했다. 연구 결과, 인공 간 조직에서는 간에서 만들어지는 단백질인 알부민이 분비되고, 인공 대장 조직에서는 내부 표면을 따라 점막이 형성되는 등 실제 장기의 특성이 나타났다. 장진아 교수는 “이번 성과는 생리학적 유사성을 만족하는 미세조직을 간단하게 대량생산할 수 있는 기술”이라며 “이 기술을 활용하면 체외진단의료기기의 획기적인 발전을 기대할 수 있다”고 말했다. 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈 테크놀로지스(Advanced Materials Technologies)’ 표지논문으로 선정된 이번 연구성과는 지난 7일 게재됐다. 해당 연구는 한국산업기술진흥원 국제공동기술개발사업, 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 가교 사슬 모양의 구조를 가진 천연 또는 합성 고분자를 어떤 방법으로 결합시켜 새로운 화학 결합을 만들어내는 방법.

환경 민승기 교수팀, 지구가 2℃ 뜨거워지면 여름 3주 늘어난다

[지구 온도 상승 시 여름 길이 변화 예측] [여름 팽창으로 이른 더위와 늦더위도 3배 많아져] ‘삑, 정상 체온입니다’. 불과 몇 년 사이 식당이나 건물을 들어갈 때 체온을 재는 상황이 당연해졌다. 사람의 경우 정상 체온보다 단 1℃만 높아져도 건강이 위험하다고 여겨지기 때문이다. 그렇다면 지구의 온도가 1℃, 2℃ 높아질 경우 어떤 일이 일어날까? 최근 POSTECH 연구진은 지구의 온도 상승에 따라 달라지는 여름의 길이를 최초로 정량화했다. 환경공학부 민승기 교수, 박사과정 박보정 씨 연구팀은 지구 온도가 각각 1.5℃와 2℃ 높아짐에 따라 달라지는 여름의 길이를 예측했다. 이는 대규모 앙상블 기후모델 실험자료를 이용한 결과다. 1.5℃와 2℃는 지구 온난화를 막기 위해 모인 전 세계 각국이 파리기후변화협정에서 설정한 기준 온도다. 산업혁명 이전과 비교해 지구의 평균 온도 상승 폭을 2℃ 아래로 억제하고, 나아가 1.5℃까지 제한하는 게 목표다. 현재 전 세계 평균 기온은 산업혁명 전보다 이미 1.1℃ 상승한 상태다. 0.5℃의 차이가 적어보일 수 있지만 실제 지구에 미치는 영향은 매우 크다. 지구 온도가 2℃ 오르면 1.5℃ 오를 때보다 해수면의 평균 높이가 약 10cm 높아질 것으로 예상된다. 온도 상승이 1.5℃에 그칠 경우 약 1,000만 명이 해수면 상승의 위험에서 벗어난다는 분석이다. 2°C 온난화 시 물 부족 인구도 최대 50% 늘어날 것으로 전망된다. 지구 온도 상승에 따라 달라지는 계절의 길이 역시 각국의 농업과 에너지 등 다방면에 영향을 미치는 요소다. 따라서 지구가 뜨거워지면 어느 지역에서 얼마나 여름이 길게 나타나는지에 대해서도 관심이 모인다. 그러나 지금까지는 이와 관련한 체계적인 예측 결과가 부족했다. 민승기 교수팀은 계절이 뚜렷하게 나타나는 북반구 육지 지역을 중심으로 지구 온도 상승에 따른 여름의 길이 변화를 분석했다. 그 결과, 2℃ 상승 시 우리나라를 포함한 동아시아와 지중해, 미국 등 중위도 지역의 여름 길이는 현재 91일(각 지역에서 1년 중 기온이 상위 25%에 해당하는 기간) 대비 20~21일 늘어나 111~112일이 될 것으로 예상됐다. 1.5℃로 온난화를 줄이면 여름의 길이 증가 폭도 12~13일로 줄어들었다(그림 1). 여름이 길어짐에 따라 이른 더위와 늦더위 발생도 더 많아졌다. 확장된 여름 기간(현재 대비 2℃ 온난화 시 늘어난 기간)에서 나타나는 이상고온 발생빈도(현재 여름 기간 평균기온을 초과하는 일수)를 분석한 결과, 동아시아를 포함한 중위도 지역에서 현재 매년 2일 정도 나타나는 이상고온일이 지구 온도가 2℃ 높아지면 약 6일로 약 3배 늘어날 것으로 예측됐다. 1.5℃로 온난화를 줄일 경우 약 4일로 다소 둔화됐다(그림 2). 민승기 교수는 “이번 연구에서 파리협정 목표 온도에 따라 북반구의 지역별 여름 기간과 이상고온일이 얼마나 늘어나는지 확인했다”며 “특히 동아시아가 위험지역 중 하나로 밝혀졌으며, 이러한 지속적인 여름팽창에 따른 보건, 에너지, 식생 등 분야별 영향 분석과 관련 대응책 마련이 시급하다”고 말했다. 이 연구성과는 세계적인 학술지 ‘환경연구회보(Environmental Research Letters)’에 최근 게재됐다. 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업(SRC) 비가역적기후변화연구센터의 지원을 받아 이뤄졌다.

화공 이효민·김동표 교수팀, 3D 프린팅 기반 플랫폼으로 맞춤형 마이크로입자 연속생산 기술 발표

[수중유·유중수 에멀젼 기반 마이크로입자 대량생산 기술 개발] 3D 프린팅 기술로 각종 모형과 부품, 음식, 심지어는 인공장기를 만들어내는 시대가 왔다. 나아가 최근 국내 연구진이 맨눈으로 보기 어려운 마이크로입자까지도 연속적으로 생산하는 플랫폼 기술을 개발했다. 마이크로입자는 1만 분의 1미터(m)인 마이크로미터(㎛) 크기의 입자를 말한다. 화학공학과 이효민·김동표 교수, 황윤호 박사 연구팀은 3D 프린팅으로 미세물방울(미세액적)을 생산할 수 있는 플랫폼을 개발했다. 이 플랫폼을 이용하면 수중유(Water-in-Oil)*1 또는 유중수(Oil-in-Water)*2 에멀젼(emulsion) 기반의 마이크로입자를 대량 생산할 수 있다. 에멀젼은 식품, 화장품, 제약 등 분야에서 서로 섞이지 않는 성질을 가진 두 물질을 사용하기 위해 폭넓게 사용되는 액체 제형이다. 이를 주형으로 사용해 마이크로입자를 만들려면 에멀젼의 크기가 균일해야 한다. 전통적인 벌크유화법(Bulk Emulsification)을 이용하면 대량으로 만들어낼 수 있지만 균일한 크기나 모양을 얻는 데 한계가 있었다. 최근에는 미세유체기술(Microfluidics)*3을 이용해 균일한 액적을 연속적으로 생산하고, 나아가 액적 발생기(Droplet Generator) 여러 개를 병렬화한 소자로 생산량을 늘리려는 연구가 진행되기도 했다. 그러나 병렬화된 소자를 제작하기 어렵고, 제작하더라도 안정적으로 구동하기 어렵다는 문제가 남아있었다. 이에 이효민·김동표 교수팀은 3D 프린팅 기술을 활용해 병렬형 미세액적 생산 플랫폼과 균등 유량분배기를 개발했다. 나아가 수중유 에멀젼 뿐만 아니라 유중수 에멀젼을 생산할 수 있는 3D 프린팅 표면처리 기술을 개발했다. 일반적으로 3D 프린팅 재료는 화학적으로 매우 안정적이기 때문에 유중수 에멀젼 생산에 필수적인 친수성 표면처리를 하기 쉽지 않다. 따라서 산성·고온의 조건에서 실리카(Silica) 나노입자를 플랫폼 내부에 고르게 코팅한 결과, 최초로 3D 프린팅을 이용해 유중수 에멀젼 및 마이크로입자를 대량생산할 수 있었다. 연구를 주도한 황윤호 박사는 “3D 프린팅 기술을 활용해 다양한 기능성 마이크로입자를 대량으로 생산할 수 있는 새로운 플랫폼 기술을 제시했다”고 말했다. 이효민 교수는 “이 기술은 학문적인 가치가 있을 뿐 아니라, 상업적으로 활용 가치가 높은 마이크로입자 담지(캡슐화) 분야에 폭넓게 적용될 수 있다”고 말했다. 화학공학 분야 세계 정상급 국제 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업, 전략형 국제공동연구사업, 학문후속세대지원사업, 리더연구자지원사업에 더해 보건복지부 피부과학응용소재·선도기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 수중유 기름 안에 물방울이 퍼져있는 액체. 2. 유중수 물 안에 기름방울이 퍼져있는 액체. 3. 미세유체기술 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1m) 속 작은 세상에서 움직이는 유체의 특성을 활용한 기술.

물리 송창용 교수팀, ‘거꾸로 흐르는 시간!’…강한 빛 쏘면 날뛰던 원자들 얌전해진다

[4세대 방사광가속기 이용해 비평형상태의 원자 배열 관측] [“기존 이해와 상반되는 현상 나타나…빛으로 지금까지 몰랐던 물질의 새로운 성질 알 수 있어”] 물질이 녹으면 그 속에 규칙적으로 배열돼 있던 원자가 마구 흐트러지게 된다. 그러나 강한 레이저 빛을 쏠 경우, 원자의 시간은 거꾸로 흘러 오히려 서로 규칙적으로 배열된다는 사실을 국내 연구진이 최초로 확인했다. 물리학과 송창용 교수·통합과정 정철호 학생, 화학과 임영옥 박사와 기초과학연구원(IBS) 노도영 원장 연구팀은 포항 4세대 방사광가속기의 엑스선을 이용해 비평형상태에서 이례적으로 원자가 나란히 정돈되는 현상을 관측했다. 비평형상태란 물질에 레이저를 비췄을 때 그 안에 들어있는 전자만 뜨거워지고 원자는 여전히 차갑게 남아있는 상태를 말한다. 레이저로 강한 빛을 가하면 물질이 빠르게 녹기 때문에 자연스럽게 녹는 평형상태에서 볼 수 없었던 새로운 상태를 볼 수 있다. 이에 따라 강한 레이저를 쬔 시료가 녹는 찰나의 순간을 4세대 방사광가속기의 엑스선 자유전자레이저(XFEL)로 포착했다. XFEL을 이용하면 나노미터(10억 분의 1미터(m)) 단위의 공간과 펨토초(1,000조 분의 1초) 단위의 시간까지도 쪼개서 볼 수 있다. 그 결과, 시료가 녹는 과정에서 온도가 높아짐에도 불구하고 표면의 원자들이 나란히 정렬됐다. 표면의 원자가 정렬되며 각이 진 평면들이 만들어져 다면체 형태를 띠기도 했다. 온도가 높아짐에 따라 엔트로피, 즉, 원자의 무질서함이 늘어나는 열역학적 법칙과 반대되는 현상이다. 각진 얼음이 동그랗게 녹듯이 고체 상태의 결정이 녹으면 그 모서리와 각이 진 평면들은 둥글게 되는 것이 일반적이다. 특히 송창용 교수팀은 XFEL을 이용한 초고속 단일 노출 이미징 방법을 독자적으로 개발했다. 이를 이용해 순간적인 비평형상태에서 시료가 녹는 과정에 유도되는 물질의 되돌릴 수 없는 변화 과정을 영상으로 담았다. 기존의 방법은 반복적인 촬영을 필요로 해서 충격을 입어 변화된 시료가 다시 원상으로 되돌아갈 수 있는 경우에만 영상을 얻을 수 있게 되는 제약이 있다. 이 연구성과는 비평형상태에서 나타나는 물질의 변화를 순간적으로 포착해 얻은 성과다. 이는 곧 앞으로도 빛을 이용해 자연적으로 발생하지 않는 물질의 새로운 상태를 확인할 수 있으며, 지금까지 보지 못했던 물질의 상태를 이끌어 수 있음을 의미한다. 송창용 교수는 “물질이 빛에 의해 녹는 과정에서 기존의 이해와 상반되는 표면 원자의 정렬 현상이 나타남을 XFEL을 이용해 직접 관측했다”며 “온도가 높아지는 상황에서 물질이 더욱 정돈되는 이 반응은 평형상태의 열역학 반응 규칙을 거스르는 결과”라고 말했다. ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’에 2021년 12월 23일 게재된 이번 연구는 한국연구재단 가속기핵심기술개발사업, 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(SRC), 국제공동연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

기계 김석 교수팀, 반도체도 1+1 박막 앞뒷면 모두 반도체 만들어내는 기술 나와

[“고순도 소재 박막 양면 이용 가능…반도체 성능 획기적 향상”] 반도체 메모리의 용량이 1년마다 두 배씩 증가한다는 ‘황의 법칙’, 반도체 집적회로의 성능이 2년마다 두 배씩 증가한다는 ‘무어의 법칙’이 있다. 그러나 최근에는 기술 개발의 한계로 반도체 성능을 높이는 데 어려움이 따랐다. 이 가운데 국내 연구팀이 고순도 소재 박막 양면을 모두 반도체 소자로 만들 수 있는 기술을 개발했다. 개발된 기술을 활용하면 반도체 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 기계공학과 김석 교수 연구팀은 미국 일리노이대 어바나-샴페인캠퍼스와 버지니아대와의 공동연구를 통해 자체적으로 박리되는 고순도 실리콘 박막*1을 기판 위에 옮기는 전사 기술을 개발했다. 연구에서 박막, 기판, 그리고 이들이 담긴 용액의 표면 물성을 고려해 조합한 결과, 건조한 상태에서 기판에 강하게 붙어있던 박막이 용액 안에서 자체적으로 떨어져 나갔다. 김석 교수팀은 박막을 앞면이 위로 향하게 기판 위에 전사한 뒤 반도체 공정 후, 용액 안에 넣고 자체 박리된 박막을 뒤집었다. 뒤집힌 박막을 용액에서 꺼내 다시 공정 기판에 뒷면이 위로 향하게 전사함으로써 양면에 반도체 공정을 할 수 있었다. 이 연구성과를 활용하면 실리콘뿐만 아니라 GaN(질화갈륨), 갈륨비소(GaAs) 등 고순도 반도체 소재 박막 양면에도 반도체 공정을 할 수 있어, 더욱 다양한 성능을 가진 기기를 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 3차원 집적회로 개발에도 활용할 수 있다. 2차원 구조의 반도체를 3차원 구조로 전환해 제작한 3차원 집적회로는 동일한 실리콘 웨이퍼*2 면적에 2차원 집적회로 대비 더 많은 반도체 소자*3를 구현할 수 있는 게 특징이다. 3차원 집적회로는 성능을 높이고 제조 비용을 낮출 수 있는 기술로 주목받고 있지만, 그동안 공정의 복잡성 등의 이유로 개발되기 어려웠다. 성능이 높은 반도체 소자와 소자의 정확하고 신속한 전사, 표준화된 공정이 필요하기 때문이다. 개발된 기술로 반도체 소자의 성능을 높이면 3차원 집적회로의 개발에 한 걸음 더 다가갈 수 있다. 김석 교수는 “이 기술은 향후 성능이 높은 3차원 반도체나 마이크로 LED 디스플레이 제조 공정에 사용할 수 있을 것”이라고 말했다. BK21 사업의 지원을 받은 이번 연구의 결과는 국제학술지 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 1. 고순도 박막 물질에서 주성분인 순물질이 차지하는 비율이 높은 마이크로미터(μm) 이하 두께의 얇은 막. 2. 실리콘 웨이 집적회로를 만드는 토대가 되는 얇은 규소판. 3. 반도체 소자 반도체 물질로 만들어진, 전자회로를 구성하는 재료. 반도체 소재는 반도체 소자를 만드는 물질을 말한다.

환경 국종성 교수팀, 이미 늘어난 이산화탄소 줄여도 과거 기후로 돌아갈 수 없다

[국종성 교수팀, “열대수렴대 남하하며 지속적인 슈퍼 엘니뇨 발생 가능”] 전 세계가 실질적인 이산화탄소 배출을 ‘0(영)’으로 만드는 ‘탄소중립’에 몰두하는 가운데, 이미 늘어난 이산화탄소를 줄이더라도 일부 지역의 기후변화는 막을 수 없다는 연구 결과가 나왔다. 이산화탄소가 줄어들면서 열대수렴대의 위치가 남쪽으로 이동해 지속적인 엘니뇨를 유발할 수 있다는 해석이다. 엘니뇨는 적도 부근의 해수면 온도가 주변보다 1~3℃ 정도 높아져 세계 곳곳에서 가뭄·폭풍·홍수·가뭄 등을 일으키는 현상을 말한다. 환경공학과 국종성 교수, 박사과정 오지훈 씨 연구팀은 대기 중 이산화탄소 농도를 늘렸다가 감소시키는 지구시스템모형 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 열대수렴대의 위치를 확인한 결과, 이산화탄소 농도가 늘어날 땐 거의 변하지 않았던 열대수렴대 위치는 농도가 줄어들 때 급격히 남하했다. 농도를 원래 수준으로 되돌려도 그 중심은 여전히 남반구에 있었다. 전 지구 강수량의 32%를 차지하는 열대수렴대의 이동은 열대지방과 아열대지방의 강수량을 결정하는 매우 중요한 요소다. 전 지구 대기대순환의 시작점인 해들리 순환을 변화시켜, 전 지구적인 이상기후를 초래할 수 있다. 국종성 교수팀은 이산화탄소 감소 시 빠르게 식는 북반구와 달리 따뜻한 상태로 남아있는 남반구 쪽으로 열대수렴대가 이동함을 새롭게 확인했다. 대기 중 이산화탄소를 줄이면 지구의 평균 온도와 강수량은 서서히 예전과 같이 회복될 수 있다. 그러나 지역적으로는 기후가 전혀 다르게 나타날 수 있다는 주장이다. 열대수렴대 남하로 인한 강수량 변화는 슈퍼 엘니뇨가 매우 강하게 일어나는 시기의 비나 눈이 내리는 패턴과 상당히 유사하다. 즉, 일부 지역은 슈퍼 엘니뇨가 지속되는 이상기후 상태를 겪을 것으로 예상된다. 연구 결과, 늘어난 이산화탄소 농도를 줄이면 원래의 값으로 돌아와도 사하라 사막을 포함한 사헬 지대, 지중해 주변 남부 유럽은 연평균 강수량이 현재보다 약 20% 줄어들어 사막화가 더욱 진행됐다. 반면, 북아메리카와 남아메리카는 강수량이 약 15% 늘었다. 특히 강수량 증가가 두드러지는 북·남아메리카 서부 지역은 더 빈번하게 홍수가 발생할 위험이 있었다. 한반도를 포함한 동아시아 지역도 여름철 강수량이 늘어 장마철에 더 많은 비가 내릴 가능성이 있었다. 국종성 교수는 “탄소중립 또는 탄소저감 등의 기후변화 완화정책을 수립할 때 지구의 평균 온도와 강수량만 고려하면 복잡한 기후시스템을 제대로 반영할 수 없다”며 “열대수렴대의 남하와 같은 지역적 변화를 충분히 고려해야 한다”고 밝혔다. 또한 “이미 배출된 온실가스는 상당히 오랜 기간 지구에 영향을 미치므로 온실가스에 의한 즉각적인 기후변화 외에 장기적인 영향을 고려해야 한다”고 했다. 한국연구재단의 비가역적 기후변화 연구센터의 지원을 받아 이뤄진 이 연구의 결과는 국제학술지 ‘네이처 기후변화(Nature Climate Change)’에 최근 게재됐다.

화공 차형준 교수팀, 홍합과 멍게 닮은 ‘나노폭탄’으로 암세포만 집중 공격한다

[차형준 교수팀, 해양바이오소재 기반 광 감응성·접착성 나노폭탄 개발] [‘빛으로, 기체로, 약물로’ 삼중복합치료 실현해 암 치료효과 높여] 국내 연구팀이 홍합과 멍게의 특성을 모사해 암세포만 집중적으로 공격하는 ‘나노 항암제 폭탄’을 개발했다. 이 나노폭탄은 빛을 비추는 특정 부위에만 열을 발생시키고, 항암 효과가 있는 일산화질소 기체*1를 생성함과 동시에 항암제를 방출해 광열*2·기체·약물의 삼중복합치료가 이뤄지게 한다. 화학공학과 차형준 교수·정연수 박사 연구팀은 경북대학교 융합학부 의생명융합공학과 조윤기 교수팀과의 공동연구를 통해 홍합의 접착단백질과 빛과 전자를 이동시키는 멍게의 카테콜·바나듐 복합체를 모방한 광 감응성·접착성 나노폭탄을 개발했다. 광 감응성이란 외부의 빛에 따라서 특성이 변화하는 성질을 의미한다. 암은 여러 생물학적 경로를 통해 발생하기 때문에 한 가지 약물로 치료하는 방법보다는 다양한 치료를 병행하는 방법이 주로 이용된다. 그러나 체액이 존재하는 몸속에서 여러 치료제를 특정한 암 부위에만 동시에 전달하기는 매우 어려웠다. 그 중에서도 광 감응성이 있는 약물 전달체는 주로 금, 탄소, 또는 플라스틱과 같은 합성고분자 기반의 나노입자로 만들어졌다. 이에 따라 몸속에서 잘 사라지지 않아 전신 독성의 위험이 있었고, 빛을 흡수해 열을 만들어내는 광열 전환(Photothemal Conversion) 효율이 낮아 치료 효과에 한계가 있었다. 차형준 교수팀은 멍게에서 빛과 전자가 이동하도록 돕는 카테콜·바나듐 결합을 홍합접착단백질에 적용해 나노입자를 만들어 냈다. 이 나노입자에 적외선을 쬐면 5분 안에 50도까지 온도를 높일 수 있고, 광열 전환 효율도 약 50%로 우수했다. 강한 접착력으로 암세포에 오래 머물 뿐만 아니라, 생체적으로 적합하고 잘 분해되는 홍합접착단백질로 만들어져 기존 광 감응성 소재의 한계였던 낮은 안전성을 극복하기도 했다. 나노입자에 온도 감응성 일산화질소 공여자*3와 항암제를 담고 적외선을 쬐자, 광열효과에 의해 일산화질소 기체와 약물이 효과적으로 방출됐다. 즉, 나노폭탄으로 활용될 가능성을 확인한 것이다. 기체 상태의 일산화질소는 몸에서 금방 분해돼 항암 작용이 효과적으로 일어나기 어려웠는데, 나노폭탄을 이용하면 빛으로 기체 방출을 조절할 수 있어 일산화질소의 전달 효율을 크게 높일 수 있다. 동물 대상의 전임상시험 결과, 광열치료만 했을 때는 치료 시작 약 15일 뒤부터 종양이 다시 자라난 것과 달리, 나노폭탄으로 삼중복합치료 시 약 한 달간 종양이 관측되지 않을 정도로 지속적인 효과가 나타났다. 차형준 교수는 “하나의 나노입자로 다양한 치료제를 국소적으로 투여할 수 있고 하나의 자극으로 복합치료요법을 손쉽게 조절할 수 있어 향후 암 환자의 치료에 효과적으로 사용될 수 있다”며 “이 나노폭탄은 광열, 기체, 약물치료에 더해 유전자, 항체 등 다양한 치료제나 조영제를 전달할 때도 응용 가능해 질환이나 환자 특성에 따라 폭넓게 활용될 수 있다”고 말했다. 결과는 재료과학 분야 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼즈(Advanced Healthcare Materials)’ 12월호 표지논문으로 선정됐으며, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구사업과 우수신진연구사업, 학문후속세대지원사업 그리고 해양수산부가 지원하는 해양바이오산업 신소재연구단 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 한편, 홍합접착단백질 소재 기술은 네이처글루텍에 기술이전을 완료, 현재 임상시험계획(IND) 승인을 거쳐 의료접착제로의 임상시험이 추진되고 있다. 1. 일산화질소 기체 몸에서 혈관의 항상성 유지나 면역 작용과 같은 여러 생물학적 기능을 하는 기체로, 항암 효능이 있어 항암제로서 많은 연구가 이뤄지고 있다. 2. 광열치료 빛을 가했을 때 발생하는 열을 이용해 암을 치료하는 방법으로 암세포는 정상세포보다 열에 약해 선택적으로 암세포를 사멸시킬 수 있다. 3. 온도 감응성 일산화질소 공여자 온도에 반응해 일산화질소 기체를 방출하는 화합물.

화공 한정우 교수팀, ‘넘치지도 모자르지도 않게’…연료전지가 최적 성능 갖기 위한 조건은?

[한정우 교수팀, 금속 첨가 비율 따라 달라지는 SOFC 성능 밝혀] [오염물질 배출 없이 수소에너지 활용하는 SOFC, 기후위기 극복 위한 대안으로 주목] 연료전지가 최적의 성능을 갖기 위해서도 ‘중용(中庸)’이 필요하다. 최근 국내 연구진이 금속인 코발트(Co)의 첨가 비율에 따라 연료전지의 성능이 달라진다는 사실을 밝혔다. 향후 최적의 비율을 찾기만 하면 연료전지의 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다. 화학공학과 한정우 교수·박사과정 임채성 씨 연구팀은 남중국공과대학교 얀 첸(Yan Chen) 교수·휘준 첸(Huijun Chen) 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 철 기반의 페로브스카이트(Perovskite) 박막에 코발트를 많이 첨가할수록 박막의 격자산소가 활성화된다는 것을 확인했다. 박막을 구성하는 산소인 격자산소가 활성화되면서 전기에너지가 만들어지기 때문에 이를 적절히 조절하면 박막이 연료극(anode)으로 사용된 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 성능을 개선할 수 있다. SOFC는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 공기극(cathode)·연료극으로 이뤄져 있다. 공기극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온이 만들어지고 그 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하며 연료극에 공급된 수소와 반응해 물과 전기를 생성한다. 한정우 교수팀은 펄스 레이저 증착(PLD, Pulsed Laser Deposition) 방법을 이용해 철 기반의 페로브스카이트 박막에 비율을 다르게 한 코발트를 각각 첨가했다. 그 결과, 코발트 비율이 높을수록 박막의 격자산소가 활성화되며 SOFC 연료극의 성능이 좋아졌다. 다만 그 비율이 70%가 넘어가면 연료극의 안정성이 빠르게 무너지며 성능이 낮아졌다. 유해가스를 내뿜지 않으면서 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환해 저장하는 SOFC는 오염물질이 나오는 석유를 대체할 수 있고, 탄소를 많이 배출하는 발전소의 에너지원으로 사용할 수 있어 기후 위기 극복을 위한 최적의 대안으로 여겨진다. 다만 그동안 SOFC 연료극의 격자산소 활성도에 영향을 주는 요소가 많아 이를 미세하게 조정하기 어려웠다. 이번 연구에서 한정우 교수팀은 코발트 비율만으로 격자산소 활성도를 조정할 수 있도록 함으로써 궁극적으로 연료전지의 성능을 개선할 방법을 찾은 것이다. 한정우 교수는 “SOFC 연료극 성능에 코발트 첨가 비율이 미치는 영향을 이론과 실험 두 가지 방법으로 검증했다”며 “이는 곧 성능이 좋은 SOFC를 개발하기 위한 최적의 설계 전략을 확인한 것”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 최고 권위의 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, ‘잘 막는’ 보안 장치란 무엇일까…빛으로 보안 문제 잡는 POSTECH 연구팀이 답한다

[노준석 교수팀, 정보량·보안도에 따른 메타표면 시변각장치 집대성] [나노기술 분야 세계 최고 권위의 학술지 Chemical Reviews 표지논문·하이라이트 논문 선정 쾌거] 점차 교묘해지는 위·변조 문제를 ‘잘 막는’ 보안 장치란 무엇일까? 지금까지 없던 기술을 보안 장치로 활용할 수 있다는 점이 알려졌지만, 성능을 측정하는 별다른 기준이 없어 강점을 비교하기는 어려웠다. 빛을 자유자재로 조절하는 완전히 새로운 물질인 ‘메타표면’을 이용해 전 세계적으로 광학 기반의 보안 기술을 선도하고 있는 국내 연구팀이 그 기준을 제시했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 정충환·장재혁 씨, 기계공학과 통합과정 김경태·정민수 씨 연구팀은 다양한 시변각장치(Optically variable device)를 정보량*1과 보안도*2에 따라 정리해서 발표했다. 위조지폐 방지에 주로 사용되는 시변각장치는 각도에 따라 모양과 색상이 바뀌는 은박지 모양의 딱지다. 이번 연구 결과는 나노기술 분야 최상위 학술지인 케미컬 리뷰(Chemical Reviews, Impact Factor 60.622) 11월 첫째 호 표지논문(Front Cover)과 하이라이트 논문(Research Highlight)으로 선정되는 쾌거를 이뤘다. 미국화학회(American Chemical Society)가 발간하는 케미컬 리뷰는 관련 분야 최정상 리더들이 연구 동향과 전망을 집대성해서 제시하는 학술지로, 연구자들에게 네이처(Nature)·사이언스(Science)에 버금가는 큰 영향력을 인정받고 있다. 각도에 따라서 무지개색으로 다르게 보이는 레인보우 홀로그램 스티커는 대표적인 시변각장치로, 위조 지폐 감별과 기업용 보안 라벨 등에 폭넓게 사용된다. 다만 제작 공정이 단순하고 정보를 적게 저장할 수 있어 위조될 위험이 남아 있다. 움직이면 색이 바뀌는 색 변환 잉크, 자외선을 비추면 빛을 내는 형광 잉크 등의 다양한 장치도 개발됐지만 복잡한 정보를 고도로 암호화하기 어려워 널리 활용되지 못했다. 노준석 교수팀은 머리카락 1,000분의 1 두께인 나노 구조체를 원하는 형태로 배열해 빛을 제어하는 메타표면에 주목했다. 메타표면 기반의 시변각장치는 기존의 레인보우 홀로그램 스티커보다 100배 이상 많은 정보를 저장할 수 있고, 각도를 비롯해 색, 편광 등에 따라 원하는 이미지를 선택적으로 보여줄 수 있다. 암호화한 정보는 올바른 광학적 해독법 없이는 절대 해독할 수 없다. 정보를 계층적으로 암호화함으로써 별다른 장비 없이도 눈으로 볼 수 있는 일반인용 이미지와 특정 분석 장비를 통해서만 볼 수 있는 보안 전문가용 이미지를 따로 저장할 수 있다. 이 장치는 아주 작은 크기로 보관이 쉬운데다가 적은 비용으로 대량생산할 수 있다. 메타표면 기술은 광학적 위·변조 장치뿐만 아니라 초박막 렌즈, 초박막 라이다와 같이 무한한 가능성이 있는 새로운 사업으로 확장이 기대된다. 노준석 교수는 “메타표면을 이용해 제작된 보안 라벨은 복제가 어렵고, 특정한 조건 없이는 해독할 수 없어 보안성이 높다”며 “이번 연구는 국내 주도로 메타표면 기반 보안 장치의 핵심적인 원리와 그 활용을 체계적으로 정리했다는 점에서 의의가 크다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 정보량 다양한 정보를 하나의 장치 안에 담을 수 있는 양 2. 보안도 해당 장치에서 필요로 하는 분석 수준의 정도.