Research

생명 임신혁 교수-이뮤노바이옴㈜ 공동 연구팀, 난치성 과민 면역질환의 발병과 진행 멈춘다

[POSTECH 공동연구팀, 효모에서 찾은 특정 구조 다당체의 염증성 질환 발병 억제 및 치료 효과 동물모델에서 확인] 난치성 과민 면역 질환인 염증성 장 질환(Inflammatory Bowel Disease)*1과 자가면역질환인 다발성경화증*2의 치료제 개발에 청신호가 켜졌다. 생명과학과 연구팀, 이뮤노바이옴㈜ 공동 연구팀이 효모로부터 추출한 다당체 혼합물을 투여했을 때, 자가면역질환과 같은 과민 면역 질환의 발병과 진행을 억제하는 사실을 밝혔다. 염증성 장 질환인 크론병과 궤양성 대장염 환자의 국내 발병 숫자는 2019년 기준으로 각각 약 18,000명, 37,000명으로 10년 동안 약 2.3배 증가하고 있다. 자가면역질환인 다발성경화증은 국내에 환자 수가 약 2500여 명이 있는 희귀 난치성 질환으로서, 두 가지 질환 모두 인체 면역체계의 이상으로 발병하는 염증성 난치병이다. 염증성 장 질환과 다발성경화증의 정확한 발병 원인은 여전히 밝혀져 있지 않으며 유전적인 요인들과 함께 환경적인 요인이 영향을 미칠 것으로 추정하고 있다. 이 질환들의 발병과 진행에는 단핵구, 대식세포, 수지상세포, T세포 등 다양한 면역세포가 관여하지만, 특히 T세포가 중추적인 역할을 하고 있다. 현재 임상에서 사용되는 이 질환들의 치료제는 전체적인 염증 반응을 억제하는 제제가 사용되고 있으나 이는 감염에 취약해지는 등의 큰 부작용이 있으며 아직까지 효율적인 치료제는 없는 상황이다. POSTECH 연구진과 이뮤노바이옴 ㈜ 공동 연구팀은 면역체계 발달 및 조절 작용에 큰 영향을 미치는 마이크로바이옴, 그리고 이들로부터 유래하는 활성 물질에 주목했다. 공동 연구팀은 인체 공생 미생물 중 하나인 효모에서 특정 다당체를 분리한 후 이들의 항염증 효능을 1차적으로 관찰한 후, 다시 고성능 액체크로마토그래피와 핵자기공명 기법을 활용하여 다당체의 구성 성분과 화학 구조를 밝혔고 이를 토대로 하여 MGCP(Mannan/β-1,6-Glucan containing polysaccharides)라고 명명했다. 염증성 장 질환과 다발성경화증에 대한 실험 생쥐 모델을 활용한 연구를 통해, MGCP를 투여한 생쥐에서는 염증성 세포인 1형 도움 T세포(T helper type 1 cell, 이하 Th1 세포)*3의 생성을 억제했다. 반면에 항염증 기능을 갖는 조절 T세포(Regulatory T cell, 이하 Treg 세포)*4의 생성을 유도해 염증성 질병의 진행을 선택적으로 억제했다. 또한, MGCP에 의한 면역 억제 반응의 작용 기전이 각각 수지상세포에서 발현하는 두 가지 다른 선천성 면역 수용체인 TLR2와 Dectin1에 매개되는 것을 확인했다. 한편, 이번 연구에서는 면역 증강을 유도하면서 동시에 과민 면역 억제의 기능을 지니는 것으로 알려진, ‘베타 글루칸(β-glucan)’에 대한 면역학적으로 풀지 못한 질문에 명쾌한 해법을 제시하고 있다. 연구팀은 지금까지 알려진 베타 글루칸의 면역 반응 증강 효과가 β-1,3-glucan에 의한 효과임을 밝히고, MGCP를 구성하는 β-1,6-glucan은 과민 면역 억제 효과가 있음을 발견했다. 이러한 연구 결과는, 특정 구조의 베타 글루칸을 면역 증강 또는 항염증 반응 유도제로 적용할 수 있음을 보여준다. 활성 물질을 바탕으로 차세대 마이크로바이옴 치료제로 개발로도 기대할 수 있다. 이번 연구는, 잘 알려지지 않았던 다당체의 화학적 구조에 따라 면역학적 효능이 결정된다는 것을 밝혔으며, 염증성 질환을 효과적으로 억제하는 새로운 다당체 MGCP를 발견했다는 데 의의가 있다. 임신혁 교수는 “MGCP 투여를 통해 염증성 T세포를 선택적으로 억제할 수 있음을 증명했다”며 “앞으로 부작용이 없고, 선택적으로 염증 반응을 억제할 수 있는 새로운 항염증 치료법 마련에 큰 전기가 마련될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구성과는 저명 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 14일자 온라인판에 게재됐다. 1. 염증성 장 질환(Inflammatory Bowel Disease; IBD) 염증성 장 질환은 크게 크론병(Crohn’s disease, CD)과 궤양성 대장염(ulcerative colitis, UC)으로 나뉜다. 크론병은 주로 소장을 포함한 전반적인 위장관에서 염증이 발생하여 생기는 질환이며 궤양성 대장염은 대장에서 발생한 염증성 반응으로 인해 생기는 질병이다. 염증성 장 질환은 아시아를 비롯한 국내에서도 발생 빈도가 증가하는 추세이며 정확한 원인은 알려져 있지 않으며 효율적인 치료법도 전무하여 평생 관리해야 하는 질병으로 환자의 삶의 질에 큰 영향을 미친다. 2. 다발성경화증(Multiple sclerosis; MS) 다발성경화증은 뇌와 척수로 이루어진 중추 신경계에 발생하는 가장 흔한 만성 염증성 자가면역질환으로 면역 세포가 몸의 일부인 중추 신경계를 구성하는 신경 세포를 외부 인자로 인식하여 염증 반응을 일으킴으로써 신경 세포를 파괴하여 발생하는 질병이다. 다발성경화증 환자는 뇌의 병변뿐만 아니라 심장, 폐, 신장, 피부 등 다양한 신체 조직에서 병변이 일어나며 기능 상실이 일어난다. 3. 1형 도움 T세포 (T helper type 1　cell, Th1) 면역 반응 중 세포성 면역 반응을 매개하는 T세포로 주로 세포에 감염된 박테리아, 바이러스 에 대한 면역 반응을 촉진하며 염증성 물질을 생성한다. 4. 조절 T세포 (Regulatory T cell, Treg) 면역학적 항상성을 유지하는데 중요한 면역 세포로서 세포성 면역 반응과 체액성 면역 반응을 포함하는 전반적인 면역 반응과 염증 반응을 억제하는데 중요한 역할을 하는 T세포이다.

산경 정우성 교수 공동연구팀, 경제 발전할수록, 도심 녹지가 시민 행복에 직결

- IBS-POSTECH, 10m 공간해상도 위성 이미지로 세계 60개국 도시 환경 분석 - 빅데이터로 분석한 행복의 원천 …“녹색 도시에 살수록 더 행복” 경제가 발전한 도시일수록 도심 속 녹지 공간이 시민의 행복에 큰 영향을 준다는 연구결과가 나왔다. 차미영 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 수리및계산과학연구단 데이터 사이언스 그룹 CI(Chief Investigator‧KAIST 전산학부 교수) 연구팀은 산업경영공학과 정우성 교수, 원동희 미국 뉴저지공대 교수 등과의 공동연구를 통해 인공위성 이미지 빅데이터를 분석해 세계 60개 국가의 도시 녹지 공간을 찾아내고, 녹지와 시민 행복 사이의 상관관계를 분석했다. 공원, 정원, 천변 등 도시 속 녹지 공간은 미적 즐거움은 물론 신체활동 및 사회적 상호작용 촉진 등 육체와 건강에 유익한 영향을 준다. 도심 녹지와 시민 행복간의 상관관계를 규명하기 위한 많은 연구가 이뤄졌지만, 지금까지는 주로 일부 선진국을 대상으로만 연구가 진행됐다. 이 때문에 녹지의 긍정적인 영향이 범지구적인 현상인지, 또 국가의 경제적 상황에 따라 영향이 어떻게 달라지는지에 대해서는 파악이 어려웠다. 또한, 현장을 직접 방문하는 실태조사나, 항공사진은 대대적인 조사가 이뤄지기 어려워 데이터 수집의 한계가 있었다. 연구진은 유럽우주국(ESA)이 운용하는 고해상도 위성인 센티넬-2(Sentinel-2)*1 위성자료를 이용해 세계 60개국, 90개 도시의 녹지 면적을 조사했다. 인구 밀도가 가장 높은 도시(최소 국가 인구의 10%를 포함하는 도시)를 분석대상으로 삼았으며, 선명한 이미지를 위해 각 지역의 여름 시기를 분석했다. 북반구는 2018년 6~9월, 남반구는 2017년 12월~2018년 2월의 이미지가 쓰였다. 이후 정량화된 도시 별 녹지 면적 데이터를 국제연합(UN)의 2018 세계행복보고서*2 및 국가별 국내총생산(GDP, 2018년 기준 한국 11위) 자료와 교차하여 녹지와 경제의 시민 행복과의 상관관계를 총괄 분석했다. 그 결과, 국가의 경제적 상황과 무관하게 모든 도시에서 녹지의 면적이 넓을수록 시민 행복도가 높아지는 경향이 있음을 파악했다. 다만, 60개 국가 중 GDP 하위 30개 국가는 경제 성장이 행복과 더 밀접한 관련이 있었다. 1인당 국민총소득(GNI)이 3만8,000달러(약 4,223만 원)가 넘는 도시에서는 녹지 공간 확보가 경제 성장보다 행복에 더 중요한 요소로 작용했다. 우리나라의 경우 서울 지역이 분석에 쓰였으며, 도심 녹지의 면적이 과거보다 증가하며 행복도가 높아지는 경향이 나타났다. 공동 교신저자인 정우성 교수는 “경제 발전 단계에서는 경제 성장이 시민 행복에 가장 중요한 요소지만, 경제가 일정 수준 발전한 뒤에는 다른 사회적 요인이 행복에 더 직접적인 영향을 미친다”며 “이번 연구에서는 빅데이터를 분석해 도심 녹지 공간이 행복감을 향상시키는 사회적 요인 중 하나임을 확인한 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 막연하게 연관 있을 것이라 추측해온 녹지, 경제 그리고 행복간의 상관관계를 정밀하게 분석하고, 모든 국가에 걸쳐 분석할 수 있는 도구를 마련했다는 의미가 있다. 연구진은 실제 시민의 삶에 도움 될 수 있는 데이터 기반 정책 수립이 필요하다고 제언했다. 차미영 IBS CI는 “최근 위성영상 빅데이터를 활용해 사회 난제를 해결하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다”며 “이번에 개발된 도구를 호수 및 해안 등 수생 환경의 면적을 정량화하는데 적용하고, 수생 환경과 시민 행복간의 상관관계를 분석하는 연구도 진행할 수 있을 것”이라고 말했다. 1. 센티넬-2(Sentinel-2) 인공위성 지구 감시 프로젝트인 ‘코페르니쿠스’의 일환으로 발사된 센티넬 위성 시리즈 중 하나로 약 10m의 해상도로 지구를 관측할 수 있다. 특히 센티넬-2는 초목을 확인하는 데 뛰어난 단파 적외 채널을 갖춰 산불 발생 가능성 등을 예측하는 데 주로 활용된다. 2. 2018 세계행복보고서 국제연합(UN) 산하 지속가능발전해법네트워크(SDSN)이 매년 발표하는 보고서로 각 나라 거주민들의 행복을 정량화하여 행복지수를 산출해 국가별 순위를 매기고 있다. 국내총생산(GDP), 기대수명, 사회적지지, 자유, 부정부패, 관용 등 6개의 항목으로 조사를 펼친다. 2018년엔 156개국을 대상으로 조사했으며, 한국은 57위를 기록했다.

생명 황인환 교수 공동연구팀, 면역증강제 필요 없는 조류독감 백신 나온다

[POSTECH 황인환 교수 外, 식물 생산 재조합 단백질 이용한 조류 인플루엔자 백신 개발] 닭이나 오리, 철새와 같은 가금류에서 발생하는 급성 바이러스성 전염병인 조류독감이 사람에게도 전염된다는 연구가 보고되고 있다. 조류독감 바이러스는 중국, 유럽 등 여기저기 옮겨 다니는 철새를 따라 전파되기 때문에 통제하기도 어렵다. 그래서 한번 전파되면 급속도로 번져나간다. 또, 이를 살처분 하기 위해서는 막대한 비용이 들뿐만 아니라 심각한 환경오염도 초래한다. 감염병에 대비한 백신이 필수다. 최근 국내 연구팀이 식물을 이용해 면역증가제 없이도 인플루엔자 바이러스에 강한 면역 반응을 유도하는 재조합 단백질 백신을 개발했다. 생명과학과 황인환 교수, 통합과정 송시진씨 연구팀은 건국대 송찬선 교수, 경상대 김외연 교수, 바이오앱㈜ 손은주 대표와 공동연구를 통해 그린백신 기술을 기반으로 효능이 우수하고 면역보조제가 필요 없는 다양한 조류독감에 대한 다가의 백신을 개발했다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘통합식물생물학저널(Journal of Integrative Plant Biology)’에 최근 게재됐다. 인플루엔자 바이러스에 의한 사람이나 동물의 감염병은 전 세계적으로 예측할 수 없이 발생하고 있어 인류의 건강과 축산업 등 경제 활동에 심각한 영향을 미치고 있다. 지금까지 다양한 백신이 개발, 사용되고 있지만 생물학적 안전성에 대하여 여러 가지 우려가 제기되고 있다. 특히, 재조합 단백질 백신은 높은 생물학적 안전성과 특이성을 갖는 장점이 있지만, 불활화 또는 생백신 비해 낮은 면역원성과 생산비가 높다는 약점이 있다. 이에 연구팀에서는 그린백신 기술을 바탕으로 다양한 조류독감에 대한 다가백신*1 개발에 주목했다. 연구팀은 인플루엔자 바이러스에 붙어있는 항원성 돌기(헤마글루티닌, HA)에서 면역 자극 약물을 만들어내는 것과 같이 식물세포를 이용해 단백질 삼량체(tHA)를 만들었다. 이 식물 생산 tHA를 분리정제 과정 없이 바로 불활성화된 유산구균 표면에 코팅하여 항원을 운반하는 박테리아 유사입자(bacteria-like particle, BLP)를 제조하는 데 성공했다. 이렇게 만들어진 BLP(tHAs)는 면역 증강 보조제 없이 생쥐와 닭에서 강력한 면역 반응을 보였다. 또한, 서로 다른 두 가지 조합*2으로 2가의 백신을 제조해도 두 항원 모두에 대해 강한 면역 반응을 유도하는 것을 확인했다. 이 방법을 활용하면 백신을 신속하고 경제적으로 또한 안전하게 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이 연구를 통한 백신은 특허 출원 이후 바이오앱㈜로 기술이전이 완료돼 국내는 물론 중국과 동남아 진출을 목표로 상용화를 추진하고 있다. 연구를 주도한 황인환 교수는 “그린 백신 기술을 활용하여 바이러스의 노출 등에 있어서 안전한 재조합 단백질 기반의 백신을 개발했다”며, “인플루엔자의 경우 다양한 변종이 동시에 나타나기도 하는데, 여러 종의 바이러스에 대응할 수 있는 다가의 백신이다”라며 자신감을 보였다. 이 연구는 산업통상자원부, 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 1. 다가백신 같은 종의 바이러스나 세균이라도 여러 형이 있는데, 이들 여러 형의 항원을 섞어서 만든 혼합백신 2. 서로 다른 두 가지 조합 BLP(tHAH5N6+H9N2)와 BLP(tHAH5N6)+ BLP(tHAH9N2)

화공 차형준 교수팀, 상처난 눈 ‘홍합과 양막’으로 재생시킨다

[POSTECH-동아의대 공동연구팀, 광가교 홍합접착제 활용 혁신적인 안구 표면 재건 기술 제시] 눈은 가장 먼저 물체의 존재나 형상을 인식할 수 있는 감각기관이다. 눈을 구성하는 결막(conjunctiva)은 안구의 전반부를 감싸고 있는 얇은 점막인데, 점액과 눈물을 분비하여 눈의 윤활과 함께 미생물의 침입을 막아 안구를 보호하는 기능을 한다. 하지만 외부로 노출되어 있어 미생물, 세균, 먼지 등에 의해 손상되기 쉽다. 특히, 섬유혈관성 조직이 증식하여 결막을 덮는 군날개와 같은 질병을 방치하면 시력장애까지 유발할 수 있다. 이때, 손상된 결막 부분을 제거하여 치료하고 결막을 다시 재생시키는 방법을 사용하는데, 최근 국내 연구팀이 홍합접착단백질을 이용해 수술용 봉합실 없이 양막 이식 수술을 시행하는 새로운 기술을 개발했다. 화학공학과 차형준 교수 연구팀(맹성우 석박사통합과정, 박태윤 박사)이 동아대학교병원 안과 박우찬 교수 연구팀(민지상 박사, 現건양의대 김안과병원)과 함께 홍합접착단백질 기반의 광가교 접착제 ‘픽스라이트(FixLight)’를 실제 안구 표면의 양막 이식술을 모사한 동물 모델에 적용했다. 그 결과, 봉합실을 이용한 기존 이식 방법에 비해 5배 이상 빠르게 수술을 마칠 수 있었으며, 안정적으로 접착된 양막에 의한 결막 재생 치료 효과 역시 기존 봉합실을 이용한 방법을 효과적으로 대체할 수 있음을 확인했다. 양막(amniotic membrane)이란 태반 안쪽의 배아를 덮고 있는 막으로 배아를 둘러싸서 보호하는 역할을 하는 역할을 하는 막이다. 양막에는 상피 재생을 촉진하는 인자들이 많이 들어있기 때문에 안구 표면을 재건하기 위해 양막 이식을 시행하여 회복을 촉진시키는 수술이 활발히 적용되고 있다. 하지만 현재의 양막 이식 수술에서는 봉합실을 사용해 꿰매고 안구 표면에 고정시키는 방법을 사용한다. 이 때문에 안구 표면에 흉터가 남게 되며, 양막의 얇은 두께에 의해 정교한 봉합이 필요하기 때문에 수술 시간도 상당히 소요되는 문제가 있다. POSTECH 연구팀은 이전 연구에서 빛을 쬐어주지 않았을 때는 액상으로 존재하다가, 무해한 가시광선을 사용한 특정 파장의 빛을 쬐어주면 몇 초 내에 가교되어 하이드로젤 상태로 변화하면서 접착력을 가지는 ‘광가교 접착제’를 개발했다. 여기서 더 나아가 이번에는 동아의대 연구팀과 함께 광가교 접착제를 이용해 결막 결손이 있는 토끼 모델의 안구 표면에 봉합실 없이 양막을 이식해 관찰했다. 공동연구팀은 양막의 높은 빛 투과성에 착안해 액상-고상 광가교 성질을 가진 광가교 접착제를 양막 이식 수술에 적용했다. 액상의 접착제를 고르게 코팅한 후에 특정 파장의 빛을 쐬어 가교함으로써 병변 부위에 정확하게 양막을 접착시킬 수 있었다. 토끼 결막 결손 모델을 사용한 실험에서 습윤한 실제 안구의 표면에서도 봉합실을 사용하여 꿰매어 고정했을 때와 차이가 나지 않는 안정적인 접착 능력이 있는 것을 확인했다. 또한, 이식된 양막 위로 상피화가 진행된 후에는 완전히 생분해가 되어 일체화된 상피조직으로 완벽히 재생되는 것도 확인했다. 차형준 교수는 “혁신원천소재인 홍합접착단백질을 이용해 실제 결막 결손 동물 모델에 적용하여 효과적인 결막 재건을 위한 새로운 양막 이식 기술로서의 효과를 확인했다”며 “다양한 의료 분야에서 봉합실을 대체하는 안전한 생체접착제로서 폭넓게 적용할 수 있을 것”라며 기대감을 밝혔다. 광가교 홍합접착제 픽스라이트는 현재 ㈜네이처글루텍에 기술이전을 완료해 봉합실을 대체하면서 흉터를 만들지 않는 안전한 피부접착제로의 임상시험을 앞두고 있어 멀지 않아 상용화가 기대된다. 동아의대 박우찬 교수는 “양막 이식은 안구 표면 재건에서 중요한 수술인데, 이번 광가교 홍합접착제를 이용하여 양막 이식을 빠르고 안전하게 할 수 있었다. 향후 결막 이식 등의 안구 표면의 다른 이식 수술이나 백내장 수술 후 절개창의 봉합 등의 다른 안과 수술에도 적용 가능할 것이다”고 전망했다. 한편, 이번 연구 결과는 생체소재 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼즈(Advanced Healthcare Materials)’에 최근 온라인 게재됐으며, 연구는 보건복지부에서 지원하는 보건의료기술개발사업과 과학기술정보통신부에서 지원하는 나노미래소재원천기술개발사업, 그리고 해양수산부에서 지원하는 해양바이오산업신소재연구단사업의 일환으로 수행됐다.

기계 이승철 교수팀...AI, 전자현미경 사진도 더 깨끗하게, 선명하게

[POSTECH-한국재료연구원 공동연구팀, 사람 개입 없이 인공지능 스스로 재료 미세구조 이미지 품질 향상시키는 기술 개발] 4차 산업혁명 시대를 맞아 최근 인공지능은 스마트폰 카메라에 적용되어 오토포커싱, 얼굴인식, 100배 줌 등의 기능을 제공하면서 일상생활의 편의성을 획기적으로 높여주는 한편, 신소재 연구개발 과정에도 활발하게 적용되고 있다. POSTECH이 한국재료연구원과 공동연구를 통해 신소재 개발 과정에서 필수적으로 사용되는 재료분석 장비인 주사전자현미경 시스템에 인공지능 기술을 적용함으로써 사람의 개입 없이 인공지능 스스로 재료 미세구조 이미지의 품질을 판별하고 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구성과는 금속재료 분야의 최고 학술지인 ‘악타 머터리얼리아(Acta Materialia)’에 최근 게재됐다. 주사전자현미경은 마이크로 단위에서 재료 미세조직 이미지 정보를 제공함으로써 미세조직과 물리, 화학, 기계적 특성과의 상관관계를 규명하기 위해 필수적으로 사용되는 첨단 재료분석 장비 중 하나이다. 그러나, 고품질의 선명한 주사전자현미경 이미지를 획득하기 위해서는 실험자의 높은 숙련도와 세밀한 기기조작이 필수적으로 요구되며 그렇지 못할 경우 흐릿한 저품질의 미세조직 이미지가 측정될 수 있다. 이러한 저품질의 이미지는 뒤이어 수행되는 재료분석 과정들에 후속적으로 영향을 미치기 때문에 이미지 품질은 개선 되어야할 필요성이 있다. 공동연구팀은 딥러닝 기술을 활용하여 미세구조 이미지의 품질을 자동으로 판별하고 향상시키는 기술을 개발했다. 특히 개발된 기술은 다중스케일 딥뉴럴 네트워크(Multi-scale deep neural network)를 기반으로 하며 흐릿한 정도와 이미지 품질 저하 수준에 대한 어떠한 사전지식이나 가정 없이도 미세구조 이미지의 품질이 향상될 수 있음을 보였다. 또한 이미지 내의 불균일한 품질 열화 문제에 대응하기 위하여 인공지능이 미세구조 이미지의 어느 영역을 얼마나 차별적으로 복원할 것인가를 스스로 학습하도록 하는 기법을 제안하여 인공지능형 재료분석 장비의 실용화에 한 발 더 다가섰다. 연구를 주도한 이승철 교수는 “신소재 연구개발을 위해 광범위하게 사용되는 주사전자현미경의 재료 미세조직 영상화 과정을 자동화함으로써 새로운 소재의 개발 비용과 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 대학중점연구소 지원사업, 정보통신기획평가원의 인공지능 핵심고급인재양성사업, 한국재료연구원의 지원으로 수행됐다.

POSTECH 연구팀, 전자정렬 상태와 공존하는 2차원 초전도체 발견

[양자상전이와 초전도성 연구에 대한 새로운 시야 제공] 흑연과 다이아몬드, 그리고 그래핀처럼 같은 원소로 이뤄진 물질이라도 차원을 달리하면 새로운 성질이 나타난다. 새로운 2차원 물질에서 전자들이 규칙적으로 배열되는 전자정렬 현상과 저항 없이 흘러 다니는 초전도 현상이 공존하는 전자 상태가 발견됐다. 물리학과 김준성 교수(기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구위원), 김태환 교수, 신소재공학과 김종환 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 선형의 전자정렬 상태*1를 가지고 있는 이리듐-다이텔루라이드(IrTe2)를 수십 나노미터의 두께로 벗겨내어, 전자정렬 상태와 2차원 초전도성이 공존한다는 것을 밝혀냈다. 이번 발견을 통해 전자정렬 상태의 소멸 혹은 그로 인한 양자요동*2이 없어도 초전도 현상을 유도할 수 있다는 것이 확인됐다. 극저온에서 전자의 농도나 외부 압력이 바뀌면서, 원래 나타나던 전자의 정렬 상태가 사라지거나 다른 상태로 변하는 현상이 일어나는데 이를 양자 상전이 현상*3이라고 한다. 지금까지는 양자 상전이 현상이 일어날 때 보통의 초전도체와 다른, 비고전적인 초전도 현상이 자주 발견됐다. 이때 비고전적인 초전도 현상을 유도하는 중요한 요인 중 하나는 전자정렬 상태가 사라지면서 나타나는 양자요동이라고 여겨졌다. 하지만 아직도 전자정렬 상태와 초전도 상태가 어떤 관계인 지 명확히 밝혀지지 않았다. 연구진은 전자의 정렬상태와 초전도 상태 간의 관계를 연구하기 위해 전자 정렬상태를 가지고 있는 물질 중에서도 약한 반데르발스 결합으로 이루어진 층상구조 물질에 주목해왔다. 이러한 물질에서는 두께를 얇게 함으로써 전자정렬상태를 조절할 수 있는데, 이 경우 구조나 정렬의 결함을 일으키지 않고 물질의 고유상태를 유지하며 전자 간의 상호작용만 조절할 수 있다는 장점이 있다. 이리듐-다이텔루라이드는 층과 층 사이가 반데르발스 결합으로 연결된 반데르발스 물질*4로, 저온에서 전자 정렬 상태가 나타나는 것으로 알려져 있다. 연구진은 층 사이가 약한 반데르발스 결합으로 이뤄진 점을 이용하여 수십 나노미터 두께의 얇은 박막으로 만들면서 전자정렬 상태와 초전도 현상을 연구했다. 이를 통해 연구진은 이리듐-다이텔루라이드 박막에서는 전자정렬 상태가 여전히 유지되면서 동시에 초전도 현상이 나타난다는 점이 확인했다. 이러한 결과는 전자정렬이 약할 때 나타나는 양자요동으로 초전도 상태가 유도된다는 기존의 보고와는 상반되는 결과이다. 특히 이번 연구는 두께를 조절함으로써 전자정렬의 소멸과 그로 인한 양자요동이 없어도 초전도 현상을 유도할 수 있다는 점을 확인한 첫 사례이다. 김태환 교수는 “전자 정렬상태와 초전도 상태가 서로 상호 협력하며 공존하는 현상을 직접 보여주는 첫 사례”라고 강조했다. 또한, 김준성 교수는 “앞으로 두께 조절을 통해 양자 상전이, 그리고 전자정렬과 초전도 상태의 관계를 밝히는 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 최근 세계적인 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 소개된 이 연구는 기초과학연구원과 한국연구재단의 선도연구센터 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 전자정렬 상태 물질 내부의 전자들 간의 상호작용이 강한 경우 다양한 정렬상태를 보인다. 전자가 가진 스핀이 인접한 스핀과 상호작용을 하는 경우 강자성이나 반강자성 상태 등이 나타날 수 있으며, 전하량, 격자 구조 등의 상호작용으로 인해 전하량이 주기적으로 정렬되는 경우 전하 밀도파 상태, 선형적인 전하 정렬상태 등이 나타난다. 2. 양자요동 절대영도에서 위치가 고정되었을 때, 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 일어나는 에너지양의 무작위에 의한 변화를 말한다. 이로 인해 전자 간의 상호작용이 기술되기 어려우며 예측하기 어려운 양자 현상이 나타나기도 한다. 3. 양자 상전이 현상 열적 들뜸이 없는 절대영도에서 전하주입이나 압력, 자기장 등으로 전자 간의 상호작용을 조절하였을 때 물질이 가지고 있던 전자의 정렬상태가 변하는 현상을 말한다. 최근에는 전자의 정렬상태가 사라지는 양자 상전이가 일어날 때 특이한 초전도성이 발현되는 현상이 다양한 물질 군에서 발견되고 있다. 4. 반데르발스 물질 층상 구조를 갖는 물질 중에 층간 결합이 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질을 반데르발스 물질이라고 한다. 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합과 달리 분자 간의 정전기적인 상호작용으로 생기는 것이라 상대적으로 매우 약하다. 따라서 반데르발스 물질 내의 원자층 간에 형성된 약한 반데르발스 결합을 선택적으로 깨뜨리면 단일 원자층으로 이뤄진 2차원 물질을 얻을 수 있다.

생명 김태경 교수팀, 자폐성 장애 원인 유전자 발현 억제 가능할까?

[POSTECH–단국대 공동연구팀, 취약 X 증후군과 BET 계열 단백질 간의 기능적 상관관계 규명] 자폐성 뇌발달장애나 지적장애 등은 다양한 유전자의 변이로 발현하게 되는 것으로 알려져 있다. 자폐증과 연관이 있는 취약 X 증후군(Fragile X syndrome)은 긴 얼굴, 큰 발 등 신체적 기형뿐 아니라 언어발달 지연, 사회성 결핍, 과잉행동 같은 발달장애를 수반하는 경우도 있다. 최근 한 연구팀이 이런 취약 X 증후군의 증상을 완화할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 생명과학과 김태경 교수, 김승균 연구교수 연구팀은 단국대 생명과학부 강근수 교수팀과의 공동연구를 통해 암이나 면역 관련 질병의 발현에 관여하는 BET 단백질들의 기능적 이상이 중증 자폐증과 연관 있는 취약 X 증후군에 영향을 끼친다는 사실을 밝혔다. 또한, BET 단백질들의 기능을 선택적으로 조절함으로써 자폐 증상을 완화시킬 수 있음을 실험을 통해 확인했다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 19일자에 게재됐다. BET 계열 단백질들(BRD2, BRD3, BRD4, BRDt)은 유전자의 발현을 통제하는 후성유전체 조절인자로 다양한 암세포 및 면역 관련 질병 발현에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 연구팀은 중증 자폐증과 연관성이 있는 취약 X 증후군 역시 BET 계열 단백질들과 관계가 있을 것으로 보고, BRD2, BRD3, BRD4 모든 인자들의 독립적이면서도 상호보완적인 기능과 작용 원리에 대해 종합적으로 분석했다. 연구팀은 정상 신경세포(뉴런)에서 BET 조절인자의 발현 또는 기능을 선택적으로 억제한 후 일어나는 변화를 다양한 최신 유전체 분석기법을 활용해 BET 계열 단백질들이 지닌 전사 조절 기능*1의 유사성 또는 특이성을 세포 수준에서 밝혔다. 더 나아가 동일한 분석시스템을 취약X증후군의 생쥐 모델에 적용하고 행동실험과 병행하여 분석한 결과 BET 단백질들의 기능적 이상이 증후군 증상발현과 관련있음을 확인했다. 이 BET 단백질들 각각의 기능을 선택적으로 조절하는 분자적 기법을 적용 하면, 심각한 부작용을 피할 수 있는 동시에 자폐증과 같은 질병의 원인 규명과 치료 방법을 효과적으로 찾을 수 있을 것으로 기대된다. 김태경 교수는 “지금까지 치료법이 제대로 확립되지 않은 취약 X 증후군의 분자적 치료법 개발에 새로운 접근법을 제시했다”며 연구의 의미를 설명했다. 또한, “중증 자폐증 치료에 있어 BET 단백질들 각각의 독립적인 기능과 성질을 선택적으로 조절하는 방법이 훨씬 더 효율적 일 수 있다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단, 미국 사이먼스재단(Simons foundation for autism research)의 지원으로 수행됐다. 1. 전사 조절 기능 전사 (transcription)는 DNA 상의 유전정보가 단백질로 발현되기 위해 거쳐야 할 중간 단계로서 RNA 중합효소 (RNA polymerase)에 의해 DNA에 저장된 유전자 정보를 전령 RNA (mRNA)에 옮기는 과정이다. 단백질은 이 mRNA를 해독 (translation)함으로써 만들어지게 된다. 유전자의 전사는 세포의 생존 및 기능에 필수적이서 다양한 메커니즘에 의해 작동이 조절된다.

화학 박준원 교수팀, 신경 갉아먹는 뇌 속 응집 물체의 정체 밝히다

[4중 힘 매핑으로 밝힌 치매 ·파킨슨 원인 물질인 ‘헤테로’ 나노응집체 구조] 뇌 신경세포 손상으로 기억력과 인지기능이 점점 떨어지는, ‘치매’로도 불리는 알츠하이머병, 손과 팔에 경련이 일어나 정상적인 거동이 어려워지는 파킨슨병은 대표적인 퇴행성 뇌 질환이다. POSTECH 연구팀이 알츠하이머와 파킨슨이 함께 일어나도록 하는 원인 물질의 구조를 규명했다. 화학과 박준원 교수·통합과정 신은지 씨 연구팀이 원자 힘 현미경을 이용해 헤테로-올리고머의 표면 구조를 조사하여, 알츠하이머 질환과 파킨슨 질환의 중첩에서 발견되는 헤테로-올리고머의 정체를 밝혔다. 이번 연구는 세계적인 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호 표지논문으로 게재됐다. 알츠하이머병과 파킨슨병의 중첩은 아밀로이드-베타 및 알파-시누클레인에서 파생된 헤테로-올리고머 형성과 관련이 있다는 사실은 알려져 있었다. 그러나 헤테로-올리고머의 구조를 보기에는 기술적 한계가 있어 치료법을 연구하기 어려웠다. 연구팀은 원자 힘 현미경(AFM)을 이용해 나노미터(nm)의 해상도로 알츠하이머 질환의 바이오 마커로 알려진 아밀로이드-베타와 파킨슨 질환의 바이오 마커로 알려진 알파-시누클레인으로부터 유래한 헤테로-올리고머 응집체의 표면 특성을 단일 분자 수준에서 관찰했다. 연구팀이 각 펩타이드의 N-말단 또는 C-말단을 인식하는 항체가 고정된 4개의 AFM 팁으로 조사한 결과, 모든 응집체는 헤테로-올리고머인 것을 확인했다. 또한, 헤테로-올리고머의 경우 펩타이드 말단을 인식할 확률이 호모-올리고머*1보다 더 높다는 것을 확인했다. 이 결과는 호모-올리고머보다 헤테로-올리고머에서 각 펩타이드의 말단이 표면에 위치하는 경향이 더 크거나, 표면에 위치한 펩타이드 말단들이 더 많은 자유도를 가지고 있음을 알려준다. 즉, 호모-올리고머보다 헤테로-올리고머에서 펩타이드 간 응집이 더 느슨하게 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 이 연구는 4종의 AFM 팁을 이용해 그동안 밝혀지지 않았던 단백질 응집체의 구조를 나노미터 단위 수준에서 4중으로 관찰한 첫 연구로, ‘헤테로-올리고머 응집’ 가설을 규명할 실험적 근거가 된다. 또한, 알츠하이머나 파킨슨 이외에도 다른 퇴행성 뇌신경 질환 중첩에 관련된 연구에도 활용될 수 있다. 박준원 교수는 “지금까지는 나노 크기의 단백질 응집체에 대하여 분석할 수 있는 적절한 방법이 존재하지 않아 이종 응집체의 정체를 밝히는 것이 불가능했다”며 “이 연구에서 개발된 분석 방법은 다른 아밀로이드성 단백질 응집체 연구에 적용할 수 있어 알츠하이머 질환이나 광우병 같은 병의 원인을 밝히는 데 도움이 될 것”이라고 의의를 밝혔다. 한편, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌박사펠로우십사업의 지원으로 수행됐다. 1. 호모-올리고머 단일 펩타이드(아밀로이드-베타 또는 알파-시누클레인)에서 유래한 단백질 응집체

화공 차형준 교수팀, 물속에서도 ‘착’붙는 홍합단백질의 비밀 풀었다

- 표면접착단백질 구성 요소들의 상호작용 메커니즘 제시 - 접착분자들의 새로운 시너지 밝혀...홍합의 표면접착단백질 디자인 원리 규명 거센 파도와 조류에도 끄덕 않고 바위에 착 붙어 생존하는 홍합. 이런 홍합의 수중접착을 모방해 피부나 뼈의 접착뿐만 아니라 지지체 표면개질용 재료, 심지어는 약물전달체, 세포전달체로도 널리 활용되고 있다. 하지만 아직 홍합의 능력을 완전히 모방하지는 못하고 있다. 화학공학과 차형준 교수, 통합과정 신민철씨와 강원대학교 화학과 정영미 교수, 박연주 박사로 이루어진 공동연구팀은 홍합이 분비하는 표면접착단백질들을 분석해 이를 구성하는 아미노산인 ‘도파(Dopa)’와 ‘라이신(lysine)’의 위치에 따른 상호작용을 확인했다. 이들의 적절한 위치에 따라 표면접착력과 응집력에 다른 방식으로 특이적으로 기여할 수 있다는 것을 밝혀 수중접착의 비밀을 푸는데 한발 다가섰다. 지금까지 모방했던 홍합접착단백질의 특징은 ‘도파’라고 불리우는 특이 아미노산을 매우 많이 가지고 있다는 것이었다. 도파는 자연 아미노산인 타이로신에 수산화기가 하나 더 붙은 아미노산으로, 자연 아미노산이 아닌 도파가 접착단백질의 구성에 많은 부분을 차지한다는 점에 착안해 수중접착 연구가 시작됐다. 그러나 연구팀은 홍합의 우수한 수중접착능력이 오로지 한 가지의 분자에 의해 이루어진다는 점에 의문을 품고, 도파와 비슷한 빈도로 존재하는 ‘라이신’ 아미노산의 개수와 그 위치에 관심을 갖고 관찰을 진행했다. 그 결과 도파와 라이신은 약 절반 정도의 확률로 서로 붙어있음을 알아냈다. 한편, 지금까지 알려진 것과는 달리 도파와 라이신이 함께 붙어있는 때, 항상 긍정적인 시너지를 내는 것은 아니라는 것을 밝혀냈다. 연구팀은 관찰을 통해 케타이언-파이 인력(cation-π interaction)의 경우는 도리어 부정적인 시너지를 낸다는 점을 확인했다. 도파와 라이신이 함께 있을 때, 미시적 수준에서의 물 분자의 밀도의 차이가 발생하게 되고, 도파의 주변의 물분자의 농도가 낮아지게 된다. 낮아진 물분자의 농도는 도파의 벤젠고리와 수산화기와의 수소결합력에 차이를 주게되어 케타이언-파이 콤플렉스(cation-π complex)의 구조 안정성을 낮추게 된다. 또한, 도파와 위치적으로 가까이 위치한 라이신 체인에 위치한 CH2기와 인접한 도파의 카테콜은 분자내 상호작용(intramolecular interaction)을 형성함으로써 분자간 상호작용(intermolecular interaction)의 안정성을 낮춘다는 것을 라만분광학을 통해 확인했다. 이번 연구 결과를 통해 홍합의 접착단백질이 어떻게 설계되었는지 확인할 수 있어, 추후 다른 생물들의 접착단백질에 관한 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “수중접착에서 항상 긍정적인 역할을 한다고 알려진 도파와 라이신 두 아미노산 분자의 시너지에 관한 새로운 발견으로, 접착소재를 설계하는 방식의 틀을 바꿀 중요한 연구가 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 소재과학 분야의 권위지인 ‘케미스트리 오브 머터리얼스(Chemistry of Materials)’에 최근 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업(중견)인 ‘부착성 생물의 수중 접착 기작에의 이해: 표면접착력과 응집력의 균형 조절’ 연구의 일환으로 수행됐다.

신소재 오승수 교수-이동화 교수 공동연구팀, ‘DNA 복합구조’ 재현, 생로병사의 실마리 찾다

[다양한 DNA 공여체-수용체 상호작용 연구...차세대 DNA 복합 구조 설계·예측에 활용] DNA는 살아있는 모든 유기체나 많은 바이러스의 유전암호를 갖고 있다. 이 유전암호를 풀면, 질병을 진단하고 치료하는 새로운 방법을 찾아낼 수 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 DNA의 복합구조를 재현하는데 성공했다. 신소재공학과 오승수 교수·이동화 교수, 통합과정 박규리, 강병화, 박소연 연구팀이 제일원리계산을 이용하여 DNA 이중나선, 삼중나선, 사중나선에 작용하는 에너지를 체계적 성분화하고, 동일 계산 조건에 따른 각각의 상호작용 안정성을 정밀 비교 분석했다. 또한, 노화와 관련 염색체 중추 구조인 텔로미어를 구성하는 사중나선(G-quadruplex) 구조의 칼륨 이온(K+)에 대한 높은 선택성과 안정성을 제일원리계산 최초로 정확히 재현했다. DNA는 원자 또는 분자 수준의 상호작용을 통해 다양한 구조를 형성한다. 이런 상호작용을 밝히는 것은 DNA 구조의 재현을 가능케하고, 추후 매우 넓은 범위의 연구에 활용되는 정교한 DNA 설계에 사용될 수 있어 시뮬레이션 등을 통한 연구가 반드시 필요하다. 하지만, 지금까지의 시뮬레이션 연구는 생물학적 유전 정보를 담고 있는 DNA의 실제 거동을 제대로 예측하지 못하는 경우가 많았다. 이는 수용액 환경에서 존재하는 DNA의 특수 환경을 고려하지 못하였을 뿐만 아니라, 분자 관점에서의 금속 이온, 물 분자와의 복잡한 상호작용에 대해 체계적으로 고려하지 못했기 때문이다. 연구팀은 실제 환경과 유사하도록 모든 제일원리계산을 수용액 환경에 적용해 DNA 염기 사이에 작용하는 상호작용은 물론 물 분자와 금속 이온의 상호작용까지 새롭게 살펴봤다. 또한 예측된 구조를 분석하기 위해 수소 결합 길이(hydrogen bond length), 글리코시드 벡터 각도(glycosidic vector angle), 비틀림 각도(twist angle)의 구조적 분석 요인들을 새롭게 고안해 적용했다. 이렇게 결정된 DNA 구조를 실제 실험결과와 비교하여, DNA 인산 골격(phosphate backbone)이 DNA 구조에 어떠한 영향을 미치는지를 확인했다. 또한, 비교적 단순한 구성의 공여체-수용체 상호작용 성분을 갖는 이중나선뿐만 아니라 더 복잡한 상호작용 구성 성분을 포함하는 삼중 또는 사중나선 구조에서도 상호작용 에너지 합산을 통해 실험 결과와 일치하는 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 제일원리계산을 이용한 DNA 이중, 삼중, 사중나선 구조의 상호작용 에너지 및 구조적 분석이 더욱 정교하고 복잡한 DNA 구조 설계를 위한 기반이 될 수 있음을 새롭게 밝혔다. 이동화 교수는 “제일원리계산 시뮬레이션을 통해 기본적인 형태의 이중나선부터 복잡한 DNA 복합 구조인 삼중나선, 사중 나선에 작용하는 다양한 형태의 공여체-수용체 상호작용을 재현했다”며 “이것은 안정성 및 분자 구조의 시공간적 변화도 충분히 예측할 수 있단 것을 의미한다”고 말했다. 또한, 오승수 교수는 “이 연구는 차세대 DNA 복합 구조의 설계, 예측, 응용을 위한 핵심적 정보를 제공한다”며, “이는 질병 진단, 질병 예측, 신약 개발, 항노화 등 다양한 실험적 연구에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다. 한편, 유전체 연구 분야의 세계적 학술지 ‘뉴클레익 액시드 리서치(Nucleic Acids Research, 핵산연구)’ 최신호에 게재된 이 연구는 한국연구재단 개인연구지원사업(우수신진연구)의 지원으로 수행됐다.