Research

화학 김원종-창의IT 김철홍-이화여대 윤주영 교수팀, 암 ‘빛’으로 진단과 동시에 치료한다

[POSTECH-이화여대 공동연구팀, 초분자 프탈로시아닌 조립체 이용한 광음향 이미징 및 광열 치료법 개발] 이화여대(총장 김혜숙) 공동연구팀이 수술 없이 암세포만 골라 태워 죽이는 ’광음향 영상법‘과 ‘광열(光熱) 치료법’을 동시에 시행할 수 있는 조영제를 개발했다. 화학과 김원종 교수팀, 창의IT융합공학과 김철홍 교수팀, 이화여대 화학과 윤주영 교수팀은 공동연구를 통해 수용성인 프탈로사이닌 계열의 두 물질을 간단한 자기조립 방법을 이용해 만든 ‘나노 구조체’를 조영제로 이용해 암 세포를 촬영하면서 진단하는 동시에 광열효과로 항암치료를 하는 방안을 제시했다. 이번 연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemi)' 최신호 온라인판에 게재됐다. 광음향 영상기술은 기존에 사용돼오던 형광 이미징 기술보다 더 높은 생체투과율로 조직 내 깊은 곳까지 투과하여 촬영할 수 있기 때문에 새로운 의료 영상 이미징 기술로서 각광 받고 있다. 또한, 광열 치료법은 빛을 조영제에 조사하여 국부적으로 열을 유도하여 고형암을 태워서 제거하는 치료요법으로 수술 없이 암을 치료할 수 있다는 점에서 새로운 암 치료법으로 떠오르고 있다. 이런 광음향 영상과 광열 치료요법을 위해서는 효과적인 조영제가 필요하다. 공동연구팀은 수용성인 프탈로시아닌 계열의 두 물질 PcS4와 PcN4이 서로의 분자를 인식해 나노 구조체를 형성하는 것에 주목했다. 빛을 조사하게 되면, PcS4와 PcN4이 따로 존재했을 때는 약 35도까지 온도가 올라가지만, 자기조립되어 형성된 나노 구조체는 약 43도까지 온도가 상승하여 보다 효과적인 광열효과를 나타냈다. 공동연구팀은 이러한 특성을 이용해 생체 내에 나노 구조체를 조영제로 주입해 광음향 영상을 통해 암세포를 골라 촬영했다. 또 주입된 나노 구조체는 광열제 역할도 해 레이저를 조사하면 고온을 발생시켜 암 조직을 태워 제거하는 광열효과를 나타내는 것을 확인했다. 또한, 암을 지니고 있는 동물모델에 나노 구조체를 주입한 결과, 광음향 영상을 이용하여 암을 특정할 수가 있었고, 나노 구조체 또는 빛을 단독으로 조사한 경우에 비해, 나노 구조체와 빛을 동시에 조사한 경우에 암의 증식을 약 15%까지 억제할 수 있었다. 이화여대 윤주영 교수는 “간단한 조작만으로 나노 구조체를 만들 수 있다”며 “ 나노 구조체 방법은 기존의 복잡한 제조 과정과 물질의 유독성 문제점을 극복하여 암 진단과 영상 유도 암 치료 효율을 높이는데 효과적이다"라고 말했다. 김원종 교수와 김철홍 교수는 ”지금까지 암의 진단과 치료를 동시에 치료한 방법에 대한 연구는 있었지만 낮은 효율로 인해 임상에 적용되기는 어려움이 있었다“며 ”이번에 개발된 초분자 나노 구조체는 기존의 물질보다 높은 광음향과 광열효과를 나타내기 때문에, 암을 진단하는 동시에 광열효과로 항암치료를 할 수 있어 암 정복의 새로운 전략이 될 수 있을 것“이라며 기대감을 밝혔다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 리더연구사업, 미래소재디스커버리사업, ICT명품인재양성사업의 지원으로 수행됐다.

창의IT 박주홍 교수팀, 코로나 의심‧확진자 셀프 경로지도 프로젝트 운영

[자발적 시민참여‧IT 기술을 융합한 새로운 사회적 문제 해결 모델 제시…성숙한 공동체 의식에 “기대”] 창의IT융합공학과 박주홍 교수팀이 코로나 19 의심자와 확진자가 익명으로 참여하는 셀프 경로지도 프로젝트인 ‘COVID: Share to Survive(코로나 19: 공유를 통한 생존)’를 운영한다. 전세계적으로 진행되는 이 프로젝트(www.sharetosurvive.org)는 확진자의 이동경로를 많은 사람들이 공유해 감염을 피하고자 하는 목적에서 시작됐다. 의심증상이 있거나, 확진 검사를 받은 경우, 확진 판정을 받은 경우 자발적으로 지도에 자신의 증상과 이동 경로를 공개하도록 하는 것이다. 물론 익명이다. 프로젝트는 우리말과 영어, 중국어, 일본어, 이탈리아어 등 9개 국가의 언어로 번역, 공개되어 있으며, 위치 정보는 실시간으로 공개된 뒤 바이러스 반감기(7일)와 유사하게 사라지도록 설계되어 있다. 의심자나 확진자는 프로젝트 홈페이지에서 방문지를 간단하게 입력할 수 있으며, 일반인들도 홈페이지 방문만으로 어떤 증상을 가진 사람이 어디에 방문했는지를 쉽게 확인할 수 있다. 해외는 확진자 수만 알 수 있을 뿐, 우리나라처럼 확진자의 이동 경로를 공개하지 않아 확진자의 감염경로를 확인하기 어렵고, 동선이 겹치는 사람들도 이를 알기 어렵다. 우리나라의 경우에 철저하게 확진자의 이동 경로를 공개하고 있지만, 확진자의 검사결과나 경로 확인이 바로 이루어지지 않는 데다 확진 이후의 정보만 공개해 실시간 감염경로와 다소 차이가 있을 수 있다는 점에서 연구팀은 프로젝트를 기획하게 됐다. 익명성 때문에 거짓 등록이나 악의적인 이용의 가능성도 고려하여 인공지능을 활용한 특이 사용자 패턴을 파악하고 있으나 소수의 걸러지지 않은 악성 데이터를 고려하더라도, 연구팀은 감염원과의 접촉을 차단하는 것이 우선순위라고 봤다. 박주홍 교수는 “공식 발표된 확진자 정보를 제외한 모든 정보는 일주일 뒤 사라지며 진정성 있는 다수의 참여자들이 증가할수록 거짓이나 악의적인 정보를 공유하더라도 소수의 정보로 수렴하여 극단적인 정보는 크게 의미가 없을 것”이라며 “무엇보다 확산 방지가 가장 중요하며, 이 프로젝트는 더 많은 사람이 초기 증상자의 경로를 확인하고 감염원에 접촉했는지 여부를 실시간으로 파악하는 데 주안점을 두었다”고 설명했다. 그는 또, “프로젝트를 시작하고 소수에 불과하지만 한국, 미국, 네덜란드에서 이미 자발적으로 이동 경로를 입력한 것을 확인하고, 가능성이 보인다”며 “참여자의 선의와 서로에 대한 존중과 신뢰를 기반으로 하는 이 프로젝트에 모든 이들이 함께 살아가자는 전 인류적인 공동체 의식을 발휘해줄 것이라고 기대한다”고 의심자들과 확진자들의 많은 참여를 당부했다. 한편, 연구팀은 해당 데이터를 통해, 익명으로 공유한 데이터가 실제로 감염 차단으로 이어질 수 있는지에 대한 연구 및 오류 데이터를 인식할 수 있는 인공지능도 개발할 예정이다.

창의IT 장진아 교수팀, “두근두근” 심장 되살리는 ‘바이오잉크 심장패치’ 개발

심장은 혈액을 순환시키는 원동력이 되는 기관으로, 끊임없이 수축과 이완을 되풀이함으로써 혈액을 온몸에 공급하는 펌프역할을 한다. 심혈관이 막히거나 심장근육의 전체나 일부가 손상되어 심장이 괴사하는 경우, 줄기세포를 이용하는 치료법이 사용되고 있다. 골수에서 채취한 중간엽 줄기세포(BM-MSC)의 임상 사용이 확대됐지만, 이식해도 곧 사멸한다는 것이 문제로 남아 있었다. 최근 POSTECH, 서울성모병원, 홍콩시립대학교를 중심으로 한 국제 공동연구팀이 줄기세포의 기능을 향상시켜 혈관을 재생하고, 심근경색 부위를 개선하는 ‘바이오잉크 심장패치’를 개발했다. 창의IT융합공학과 장진아 교수‧산스크리타 다스(Sanskrita Das)박사‧ 시스템생명공학부 박사과정 정승만 연구팀, 가톨릭대학교 박훈준 교수팀 (박사과정 박봉우, 정수현 연구원), 홍콩시립대학교 반기원 교수팀은 ㈜에스엘바이젠에서 개발한 유전자 조작 줄기세포(엔지니어드 줄기세포, HGF-eMSC)를 배합해 패치형태의 바이오잉크를 만들고, 이를 손상된 심근에 이식하는 새로운 치료법을 개발했다. 연구팀은 이를 '인비보 프라이밍(in vivo priming)'이라고 이름 붙였다. 이 명칭은 유전자 조작 줄기세포가 내뿜는 성장인자를 지속적으로 노출시켜 중간엽 줄기세포의 기능이 극대화시킨 상태를 체내에서도 유지시킬 수 있다는 원리를 이용한다는 뜻에서 만들어졌다. 공동연구팀은 먼저 줄기세포의 치료 잠재력을 향상시키기 위해 기존의 줄기세포(BM-MSC)에 간세포 성장 인자를 지속적으로 생산하도록 유전자를 조작했다. 이 ‘엔지니어드 줄기세포(HGF-eMSC)’를 줄기세포와 혼합하여 바이오잉크 패치를 심근경색이 진행된 심장근육에 이식했다. 연구팀은 주사로 전달할 수 있는 세포의 양이 제한적인 것을 감안, 심장 유래 세포외기질 바이오잉크를 사용해 패치 형태로 만들었다. 패치형태로 이식된 세포는 중간엽 줄기세포만 이식한 실험군에 비해서 체내에서 더 오래 생존하고, 더 많은 수의 심근 세포가 살아남았다. 혈관 형성 및 세포 생장에 도움을 주는 사이토카인 분비가 극대화되면서 양분을 원활하게 전달해 혈관 재생을 촉진할 분 아니라 심근세포의 생존기능을 강화하기 때문으로 확인됐다. 연구팀은 엔지니어드 줄기세포(HGF-eMSC)를 통해 이식된 줄기세포는 궁극적으로 혈관 재생을 향상시키고, 심근경색 부위를 개선시킴으로써 심근경색 치료의 획기적인 치료법이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구를 주도한 장진아 교수는 "이번에 개발된 엔지니어드 줄기세포와 바이오프린팅 기술을 활용함으로써 이미 식약처와 FDA 등에서 승인을 받은 성체줄기세포의 기능을 강화시킬 수 있다"며 "머지않은 시일 내 새로운 개념의 심근경색 치료제를 개발하는 것"이 목표라고 밝혔다. POSTECH은 2017년 가톨릭대학 연구팀과 함께 개발한 바이오프린팅을 바탕으로 심혈관 질환 치료제 개발에 착수했으며, 현재 전남대학교와 함께 대동물 유효성 평가도 진행 중이다. 또한, 세포를 프린팅하기 위한 3D 프린터, 소프트웨어, 바이오잉크를 개발하고 있는 티앤알바이오팹에 기술이전을 완료했다. 한편, 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’ 최신호에 게재된 이 연구는 한국연구재단의 신진연구사업, 바이오의료기술개발사업, 대통령포스트닥펠로우십, IITP 명품ICT인재양성사업의 지원으로 수행됐다.

화공 차형준 교수팀, 막히고 딱딱해진 심장, ‘홍합’에 주목하라

[홍합접착단백질 기반 심근경색 줄기세포 치료제 개발] 심근경색의 초기 사망률은 30%에 달할 정도로 생명과 직결되는 질병으로 사망환자의 50% 이상은 병원에 내원하기도 전에 사망하는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 심근경색은 심장마비에 이르지 않도록 하기 위해 빠르고 적극적인 치료가 중요한데, 최근 POSTECH 연구팀이 홍합이 가진 강력하면서도 인체에 무해한 단백질과 줄기세포를 이용한 효과적인 심근경색용 줄기세포 치료제를 개발했다. 화학공학과 차형준 교수, 박사과정 박태윤씨 팀은 여의도성모병원 흉부외과 심성보 교수, 대전성모병원 흉부외과 이종호 교수팀과 함께 홍합접착단백질의 상분리 현상을 이용해 코아서베이트 제형으로 만들어 중간엽 줄기세포를 손쉽게 포집, 손상된 심근 조직 사이에 줄기세포를 효율적으로 전달하여 오랫동안 이식이 유지될 수 있도록 하는 ‘액상 접착성 세포전달체’를 개발했다. 특히 대량생산이 가능해 심근경색 치료에 획기적인 방법이 될 것으로 기대된다. 심장은 전기적 신호에 의해 수축과 이완을 반복하면서 혈액을 순환시키는 중추기관이다. 심장혈관이 혈전 등에 의해 막히면 심장으로 산소와 영양 공급이 어려워 근육세포와 이를 둘러싼 혈관이 극심하게 손상된다. 이렇게 심근 벽에 괴사가 일어나 얇아지게 되는 것이 심근경색이다. 심장은 한번 손상되면 스스로 재생될 수 없기 때문에 아직까지는 손상된 심장근육을 획기적으로 재생시키는 방법은 없다. 그래서 심한 경우, 기계 장치를 달거나, 다른 심장을 이식해야만 한다. 최근 들어 미래치료기술로서 줄기세포를 이용하여 손상된 심근조직에 이식하여 재생시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 이식된 줄기세포는 척박하고 극한의 심근 환경에 의해 이식률이 현저히 떨어지며, 이식에 성공하더라도 대부분이 곧 사멸한다. 심근경색을 위한 줄기세포 치료를 위해서는 손상된 심근의 환경을 견뎌낼 수 있는 두 가지 조건이 필요하다. 첫 번째는 심장의 높은 혈압과 빠른 혈류 그리고 심근경색으로 인해 얇아진 심근 조직 사이에 효율적으로 줄기세포가 이식되고 오랫동안 남아있어야 한다. 두 번째는 이식된 줄기세포가 기존의 주변 조직과 빠르게 융화하여 혈관을 구축하여 생존능력을 향상시켜야 한다.하지만 지금까지의 방법들은 줄기세포가 손상된 심근 조직에 성공적으로 전달되어 이식이 유지되기가 매우 어려웠다. 공동연구팀은 액상의 코아서베이트를 만드는 과정에서 줄기세포가 자가포집되고, 이렇게 만들어진 줄기세포 치료제는 얇아진 손상된 심근 벽에 주사하여 효율적으로 이식했다. 동물실험을 통하여 홍합접착단백질 소재가 지니는 접착성과 혈관 형성 능력, 그리고 줄기세포의 생체 분자적 효능을 바탕으로 이식된 줄기세포가 오랜 기간 손상된 심근 조직에서 생존함을 확인했다. 더 나아가 손상된 심근조직에 새로운 혈관이 형성되고 기존 심근 세포의 추가적인 사멸을 방지하며 근섬유화를 완화하여 손상된 심근 벽을 회복할 수 있었다. 연구를 통해 개발된 새로운 줄기세포 전달체는 인체에 무해한 생체적합성 바이오소재를 이용한 것인 만큼 줄기세포 치료제 시장의 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “대한민국 원천소재인 홍합접착단백질을 이용해 실제 심근경색 동물모델에 적용하여 효과적인 줄기세포 치료제로의 효능을 확인했다”며 “줄기세포 치료제가 필요한 심근경색 질환에서 그 효능을 확인함으로써 이와 관련된 비슷한 환경의 만성질환이나 허혈성 질환에도 성공적으로 적용할 수 있을 것”라며 기대감을 밝혔다. 한편, 지난해 로이터가 ‘2019 세계에서 가장 혁신적인 100대 대학‘ 평가에서 POSTECH의 대표적 혁신 기술로도 소개한 이번 연구 결과는 약물전달 분야의 세계적 권위지인 ‘저널 오브 컨트롤드 릴리즈 (Journal of Controlled Release)’에 최근 온라인 게재됐으며, 연구는 해양수산부의 ‘해양바이오산업신소재연구단’ 사업의 일환으로 수행됐다.

'생명 장승기 교수팀' 코로나19도, 새로운 전염병도 ‘15분 안에’ 진단한다

- 압타머 이용 바이러스 감염 신속 진단기술 개발 - 코로나19 진단법 개발 시작...치료제 개발에도 활용될 것으로 기대 중국 우한으로부터 시작된 코로나19가 전 세계를 위협하며 세계보건기구(WHO)는 신종플루 이후 11년만에 팬데믹을 선언했다. 이처럼 전염성이 높고 치명적인 새로운 전염병이 발생하면, 바이러스의 감염자를 신속하게 찾아내 감염자를 다른 사람들로부터 분리하는 등 방역 조치가 필요하다. 여기서 무엇보다 중요한 것은 바이러스 감염 여부를 신속하게 진단하는 것이다. POSTECH 연구팀이 ‘분자집게(molecular capture)’의 일종인 압타머(핵산물질)를 이용해 15분 만에 바이러스 감염 여부를 판별할 수 있는 진단법을 개발했다. 신종 바이러스에 모두 활용할 수 있는 이 방식은 검진뿐만 아니라 치료에도 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 생명과학과 장승기 교수, 권준영 박사 그리고 나라얀(Narayan)박사 연구팀은 ㈜압타머사이언스와 함께 새로운 압타머(aptamer) 발굴방법(viro-SELEX)을 개발하고, viro-SELEX를 이용하여 높은 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)로 15분 이내에 인플루엔자 바이러스의 감염 여부를 판별할 수 있는 신속 진단법을 개발했다. 이 연구성과는 관련 분야의 저명한 학술지인 ‘저널 오브 바이오메디컬 나노테크놀로지(Journal of Biomedical Nanotechnology)’와 ’Analyst (영국 왕립화학회지)‘에 잇달아 게재됐다. 바이러스 진단검사법에는 분자진단법, 항원/항체법, 세포배양법이 있다. 현재 사용되고 있는 코로나19 진단법은 분자진단법인데, 민감도가 매우 높지만 검체를 전문 분석기관에 보내 분석해야 하고, 6시간 이상의 분석시간이 걸리며, 비용도 상당히 높다. 세포배양법은 시간이 너무 오래 걸리고 (2~4주) 대용량 검사를 하기에는 적절하지 않다. 그리고 아직 항원/항체를 이용한 코로나19 바이러스의 진단법은 개발되어 있지 않다. 안타깝게도, 아직 코로나19의 경우 검체를 채취한 현장에서 바로 진단하는 실시간 진단법은 개발되어 있지 않다. 압타머는 DNA나 RNA로 이루어진 핵산물질로서 간단한 저분자 화합물에서 단백질 같은 고분자 물질에 이르는 다양한 표적에 대하여 높은 특이도(specificity)와 결합력(affinity)으로 결합하는 분자 집게의 일종이다. DNA 압타머는 안정성이 높아 운반과 보관이 쉽다. 그리고 염기서열만 알면, 저렴한 생산비용으로 대량으로 합성할 수 있어 항체를 대체할 소재로 여겨지고 있다. 압타머는 셀렉스(SELEX)*1라는 과정을 통해 발굴되는데, 바이러스의 경우 표적으로 사용되는 외피 단백질이 막단백질(membrane protein)이기 때문에 기존의 SELEX 방법으로는 압타머를 발굴하기 어려웠다. 연구팀은 막단백질을 따로 분리 정제하는 대신에, 배큘로 바이러스(baculovirus)*2를 재조합하여 이 바이러스의 외피에 표적 단백질을 가지도록 만들었다. 이렇게 재조합된 바이러스를 분리 정제하여 SELEX에 사용하는 ‘바이로-셀렉스(viro-SELEX)’ 방법을 개발했다. 이 방법을 기반으로 연구팀은 인플루엔자 바이러스의 외피 단백질(HA)에 작용하는 새로운 압타머를 발굴해냈다. 또한, 표적 단백질(HA)의 서로 다른 부위에 결합하는 압타머 쌍을 이용하여 임신 진단 키트처럼 색깔의 변화만으로 바이러스 감염 여부를 진단할 수 있는 진단 키트를 개발하는 데 성공했다. 이 장비를 이용하면 감염 여부를 확인하는 데 15분이면 충분하다. 장승기 교수는 “새로 개발한 viro-SELEX 방법을 이용하면 코로나19 바이러스의 표피 단백질(spike protein)에 높은 특이도와 결합력을 가진 압타머를 발굴할 수 있다”며 “이 압타머들을 이용하여 신속진단 키트를 곧바로 만들 수 있으며, 발굴한 압타머들이 코로나 바이러스의 외피 단백질에 결합하면 바이러스가 건강한 세포로 감염되는 것을 막을 수 있는데, 이처럼 압타머를 이용하면 치료제로도 사용할 수 있을 전망”이라며 기대감을 드러냈다. 한편, 연구팀은 세계 최초로 국가공인(KFDA 승인)된 압타머를 이용한 진단법(폐암)을 개발한 ㈜압타머사이언스와 공동으로 코로나19에 대한 진단법 개발을 시작했다. 그리고 코로나19는 물론 사스, 메르스와 같은 신종 바이러스에 대한 진단 및 치료제를 빠르게 개발할 수 있는 플랫폼 구축이 목표다. 1. 셀렉스(SELEX, Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment) 시험관 내 인공진화법(in vitro evolution)이라고도 한다. 단백질 표적 분자에 높은 친화력으로 결합할 수 있는 기능성 핵산을 얻기 위한 기법이다. 2. 배큘로 바이러스(baculovirus) 곤충에 감염하는 바이러스로써 인체에 무해하며, 단백질을 대량생산하는데 흔히 이용되는 바이러스이다.

신소재 손준우 교수팀, 수소 이동 ‘고속도로’ 뚫렸다

[전기화학 스위칭 소자의 동작 속도 조절하는 신소재 원천기술 마련] 전기화학 스위칭 소자는 전해질과 함께 도입된 이온의 산화환원 상태를 조절했을 때 전기, 광학, 기계적 특성의 변화를 일으키는 소자다. 소자에 가하는 전압에 따라 투과도 및 변형률 조절이 가능해 스마트 윈도우 및 엑추에이터로의 응용이 가능하다. 문제는 ‘얼마나 빨리’ 이온이 이동하느냐가 관건인데 POSTECH 연구팀이 이온 ‘고속도로’를 뚫어 수소를 빠르게 전달하는 방안을 제시했다. 신소재공학과 손준우 교수, 박재성 박사는 최시영 교수와의 공동연구를 통해 고체기반 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도를 조절하는 신소재 원천기술을 개발했다. 연구팀은 기판과 스위칭 소재(VO2)의 격자 대칭성을 조절하여, 수직으로 잘 배열된 면결함(도메인 경계)*1을 인위적으로 형성했다. 육각 대칭 산화알루미늄(Al2O3) 기판 위에 단사정계 VO2 박막을 성장시키면 도메인 경계가 자발적으로 나노미터(nm)의 일정한 간격을 가지고 정렬하게 된다. 이를 통해서, 수소 이온이 격자를 통해서 확산·반응하는 것보다 매우 국소적인 도메인 경계를 통해서 확산·반응하는 것이 더 효율적임을 실험으로 관찰했다. 또, 도메인 경계를 통한 확산계수와 계면*2 교환 계수가 약 수십만 배 증가하는 것을 분석하여, 면결함이 수소 이동을 위한 ‘고속도로’의 역할을 함을 처음으로 입증했다. 이와 같은 기본 원리를 바탕으로 도메인 경계가 포함된 소자의 경우 전압에 의해서 VO2 기반 전기화학 트랜지스터가 빨리 동작함을 검증했다. 이로써 기존 이온 이동을 바탕으로 하는 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도에 관한 단점을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 손준우 교수는 “이 연구는 기초과학 측면에서는 가역적인 이온이 소재 격자 내부의 면결함에 주입되는 기작에 관한 근본적인 통찰을 했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다”며 “이번 연구를 통해 얻어진 소재 원천기술을 이용할 경우, 이온 이동을 바탕으로 하는 센서, 엑추에이터, 전기변색 스마트 윈도우, 뉴로모픽 소자와 같은 응용 기술의 동작 속도를 높일 수 있다”고 설명했다. 이 연구는 삼성전자미래기술육성센터, 미래창조과학부 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행됐으며, 연구성과는 재료 과학 분야의 저명 학술지 ACS Nano에 게재됐다. 1. 면결함 차원이며 결정 구조 대칭성이 깨진 재료의 두 영역을 분리하는 경계면. 2. 계면 기체상, 액체상, 고체상 인접한 2개의 상사이의 경계면.

창의IT 김철홍 교수팀, 고통 없이 ‘인체 탐험’ 가능한 광음향 영상법 개발

[나노 크기의 니켈 조영제와 레이저 이용한 광음향 영상법 개발] 광음향 영상은 방사선을 사용하지 않고, 인체에 고통을 주지 않는 생체 영상 장비로 전 세계적인 주목을 받고 있다. 최근에는 광음향 영상 진단을 임상에 적용하기 위해 심부 조직을 관찰하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 창의IT융합공학과 김철홍 교수, 통합과정 박별리 씨가 전남대학교 김형우 교수, 박사과정 이경민 씨와의 공동연구를 통해 생체 심부 조직을 볼 수 있는 광음향 영상법을 제안했다. 나노(nano) 크기의 니켈 기반의 조영제와 1064나노미터(nm) 레이저를 이용한 것인데, 지금까지 전임상 연구 중 생체 내에서 가장 깊은 곳까지를 들여다볼 수 있는 결과(~3.4cm)이다. 광음향 영상은 빛을 인체 조직에 조사하게 되면 그 빛을 흡수한 조직이 순간적으로 열팽창을 하면서 발생하는 음파(광음향) 신호를 초음파 센서로 감지하여 영상화하는 원리이다. 기존의 광학을 이용하는 영상 기술들이 매우 얕은 깊이(~ 1mm)만을 관찰 할 수 있는 반면에, 광음향 영상은 인체 조직 내 수 cm까지 광학적 콘트라스트에 기반한 영상을 획득할 수 있다는 장점이 있다. 한편, 심부조직에 위치한 다양한 장기들을 더 자세히 관찰하기 위해 광음향 조영제에 대한 연구 역시 활발히 연구되고 있지만, 단파장 빛(650~900nm)을 인체 깊숙이 전달하는 것이 어렵다. 때문에 심부 조직을 관찰하기에는 적합하지 않다는 한계가 있었다. 연구팀은 장파장 빛(1064nm)에 대한 강한 흡수도를 가진 니켈을 기반으로 하는 나노입자 조영제를 이용한 심부조직 광음향 영상에 대해 소개했다. 니켈 기반의 나노입자에 대한 생체 적합성을 모두 검증했고, 쥐의 림프노드, 위장관, 방광에 나노입자를 주입하여 최대 ~3.4cm 깊이에서 광음향 영상을 획득했다. 논문의 제1 저자인 박별리 씨는 “이번 연구는 주로 단파장을 사용한 기존 연구들과 달리 장파장 레이저를 사용하여 세포 조직의 손상을 최소화 할 수 있고, 깊은 조직까지 빛 전달이 가능하여 심부 조직 영상이 획득이 가능하다”고 설명했다. 이번에 개발된 광음향 영상법을 적용하면, 방사성 물질을 필요로 하는 CT 등과 달리 피폭의 위험 없이 비침습적으로 깊은 조직 내 질병 진단에 도움을 줄 수 있다. 뿐만 아니라 1064nm 파장의 레이저는 비교적 가격이 저렴하고 일반 상용 초음파 장비와 함께 사용할 수 있기 때문에 이른 시일 안에 임상 적용이 가능할 것으로 기대된다. 교신저자인 김철홍 교수는 “이번 연구는 지금까지 발표된 광음향 영상 연구 중에서 가장 깊은 깊이의 생체 내 영상을 관찰한 사례이다”라며 “광음향 영상 진단의 임상 장비로의 사용 가능성에 한 발 더 다가갔다는 점에서 의의가 있다”고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부 ICT명품인재양성사업, 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 한국연구재단 파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 분자영상 진단·치료법 분야의 국제학술지 ‘테라노스틱스(Theranostics)’에 표지 논문으로 실렸다.

화학 이인수 교수팀, 단일촉매로 정밀의약품 제조 공정 줄인다

[금속-유기-골격체 기반 통합형 나노촉매 플랫폼 개발] 세계보건기구(WHO)가 지난달 30일(현지시간) 신종 코로나바이러스 감염증에 대한 '국제공중보건 비상사태'를 선포하는 등 신종 코로나바이러스 감염증의 확산으로 전 세계가 공포에 떨고 있다. 항바이러스제를 비롯한 의약품의 빠른 배포가 요구되는 시점이지만, 복잡한 생산공정으로 인해 이들을 단기간에 대량생산하는 것 또한 매우 쉽지 않은 일이다. 이런 가운데 POSTECH 연구팀이 의약품과 같은 정밀화학제품의 생산공정을 매우 단순화할 수 있는 통합형 나노촉매 플랫폼 개발에 성공했다. 화학과 이인수 교수와 슈만 듀타(Soumen Dutta) 박사 연구팀은 단일 MOF 나노플랫폼에 서로 다른 3개의 촉매 기능을 효과적으로 통합하는 데에 성공했다. 또 나노(nano) 거리 내에 가깝게 배치된 촉매물질 간의 시너지효과를 통해 우수한 수율과 높은 광학활성을 지니는 생성물을 생산하는 단일공정 다단계 연속화학반응을 실현했다. 화학·제약품의 제조는 연속적인 합성-분리 단계를 거치는 다단계 공정을 통해서 이루어지며, 이 때문에 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 특히, 각 합성단계에 사용되는 촉매 물질들은 서로의 활성 및 선택성을 저해하는 경우가 많아서, 촉매들의 반응성과 안정성이 유지되는 복합-촉매 물질을 개발하고 이를 이용하여 공정을 단일화하는 것은 매우 어려우면서 중요한 과제이다. 연구팀은 금속이온과 유기물의 자기조립을 통해서, 나노크기(20~40nm)의 동공을 지니는 다공성 금속-유기-골격체 (MOF)를 합성한 후에 금속나노입자촉매와 효소촉매를 나노동공에 단계적으로 도입하는 방법을 통해서, 여러 촉매기능이 통합된 나노촉매 (MCNR)를 제조했다. 연구팀은 이렇게 제조된 MCNR의 가까이 위치하는 나노동공에 분리되어 포획된, 금속이온, 나노입자, 효소가 서로의 촉매 기능을 저해하지 않으면서 다단계의 연속화학반응을 효과적으로 수행하는 것을 확인하였다. 제1저자인 슈만 듀타 박사는 “다단계의 공정을 통해서 이루어지는 화합물 생산과정을 단일 촉매를 이용한 단일 공정을 통해서 실현할 수 있게 됐다”며 “높은 광학선택성을 필요로 하는 의약품과 같은 정밀화학제품의 생산공정을 매우 단순화할 수 있다”라고 말했다. 이인수 교수는 “중간체를 분리하는 데에서 사용되는 용매·에너지 등의 사용을 줄일 수 있는 화학공정을 친환경적으로 바꿀 수 있다”며 “특히, 화학반응의 단계를 줄임으로써 바이러스에 대응할 수 있는 의약품 생산비용과 가격을 낮추게 될 것을 기대한다”라고 밝혔다. 이 연구결과는 화학 및 응용화학 분야 최정상 학술지인 안게반테 케미(Angew. Chem. Int. Ed.)에 온라인 판에 속보로 게재됐다. 이 사업은 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원으로 수행됐다.

화공 박태호 교수팀, 물로 ‘늘어나고 구겨지는’ 온도센서 만든다

[물 용매 용액공정 가능하고 열에 안정적인 신축성 이온 전도체 개발] 신종코로나바이러스 감염증의 확산으로 그 어느 때보다 검역·방역이 강조되고 있다. 신체의 변화를 감지할 때 가장 먼저 체온을 측정하게 되는데, 정확하고 빠르게 체온을 측정하는 것이 매우 중요하다. 옷을 입거나 악수를 하는 등 단순한 접촉만으로 체온을 측정할 수 있는 온도측정센서나 인공근육의 동작을 제어하는 엑추에이트 회로를 구현하는데 필요한 ‘늘어나고 구겨지는’ 고분자 이온 전도체가 개발됐다. 화학공학과 박태호 교수·통합과정 이준우씨 연구팀은 싱가포르 난양공대 연구팀과 공동연구를 통해 물을 용매로 사용하여 열에 안정적이고 신축성이 있는 이온 전도체를 최초로 개발했다. 이 연구성과는 재료 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 최신호 온라인판에 표지 논문으로 게재됐다. 대부분의 전자기기에 사용된 반도체 소자는 늘어나거나 수축할 때 기계적 변형력(Stress) 때문에 전기적인 성능이 떨어지는 문제점이 있었다. 또 고무에 은나노입자를 입히는 경우 공정이 어려울 뿐 아니라 투명하지 않았고, 하이드로 겔에 이온을 결합한 경우에는 쉽게 말라 유연성을 잃어버리는 등 한계가 있었다. 연구팀은 이온의 비율이 다른 P(SPMA-r-MMA) 폴리머 고분자 체인을 설계하고, 이온성 물질을 고분자 사슬 내에 화학결합으로 연결시켰다. 이온 전도체는 상온 용액공정 개발이 관건인데, 이번에 개발된 고분자 이온 전도체는 물을 용매로 사용해 용액 공정으로 박막화했다. 공정은 기존보다 훨씬 단순해졌고, 유독성 용매를 사용하지 않으므로 친환경적이며 대량생산이 가능하다. 화학적으로 연결된 이온 전도체는 내열성은 유지하면서 유연성까지 갖췄다. 뿐만 아니라 찢어지거나 손상을 입어도 구조를 회복하는 자가 치유력을 가지는 것을 확인됐다. 연구침은 이 이온 전도체를 사용해 최대 100℃에서도 안정적으로 구동하는 엑추에이터*1 회로와 인체에 적용할 수 있는 플렉서블 체온감지센서를 최초로 구현했다. 연구를 진행한 이준우씨는 “차세대 신축성 소자에 쓰이는 고분자 이온 전도체를 독성이 있는 화학용매 대신 물을 용매로 사용해 만든 최초의 사례이다”라며 “이번에 개발된 고분자 이온 전도체는 높은 신축성과 자가치유성 그리고 열 안정성을 갖추고 있어 앞으로 신축성 웨어러블 전자소자 산업에 큰 영향을 줄 것으로 기대한다”라고 말했다. 이 연구는 한국연구재단의 글로벌박사양성사업, 과학기술정보통신부 글로벌 프론티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다. 한편, 이 연구를 진행한 이준우씨는 2016년도 한국연구재단 글로벌박사양성사업에 선정이 되어 연구활동에 집중하고 있다. 1. 엑추에이터(Actuator) 모터나 스위치, 스피커, 램프처럼 전기적인 신호의 변화를 이용하여 물리적인 상태를 바꿔주는 장치를 말함. 인공근육 동작을 위해 필수 부품으로, 적은 중량, 뛰어난 유연성, 높은 기계적 강도, 비용 등의 면에서 주목을 받고 있다.

POSTECH AI대학원, 세상을 바꿀 AI 싹틔우다

4차 산업혁명 시대가 본격적으로 도래하며 AI(인공지능) 분야 인재에 대한 수요가 높아지는 가운데 POSTECH의 인공지능대학원(이하 AI 대학원)이 본격적인 활동을 앞두고 있다. AI 대학원은 우수한 인재 양성을 위해 정부와 대학이 만든 프로그램으로 지난해 9월 POSTECH이 추가 선정됐다. POSTECH AI 대학원은 풍부한 AI 교육 경험과 노하우, 최적의 인프라를 바탕으로 우수한 AI 인재를 육성하겠다는 계획이다. 특히 젊고 우수한 전임 교수진은 POSTECH의 장점 중 하나다. 현재 11명으로 구성된 교수진은 2023년까지 26명으로 확대할 예정이다. 체계적인 준비와 많은 관심 속에 신입생 선발도 높은 경쟁률을 보였다. 지난 12월 실시된 첫 입시에선 석사과정과 박사과정, 석·박사 통합과정 등 3개 과정에 걸쳐 18.5%의 합격률을 기록했다. 특히 석·박사 통합과정의 경우 합격률 9%를 보였다. 엄정한 과정을 거쳐 탄생한 POSTECH AI 대학원은 오는 3월 본격적인 운영에 들어갈 예정이다. 교수진과 신입생, 교육 인프라가 시너지를 낼 것으로 기대되는 가운데 교육을 이끌어갈 AI 대학원의 젊은 교수진을 만나 앞으로의 비전을 들어보았다. ◆ 융합·협업 능력 必···‘AI + X’ 인재로 거듭 어린 시절 만화영화를 보며 인공지능과 로봇에 동경을 가졌던 소년은 컴퓨터비전 약지도 영상 인식 분야의 최고 연구자 반열에 올랐다. 주인공은 AI 대학원의 곽수하 교수다. 곽 교수는 POSTECH에서 컴퓨터공학을 전공하고 프랑스 인리아(INRIA) 연구소와 파리고등사범학교(ENS), 대구경북과학기술원(DGIST)을 거쳐 2018년 2월 POSTECH에 합류했다. 곽 교수의 주 연구분야는 컴퓨터비전이다. AI가 화면에 나타난 물체를 구분하거나, 영역을 분할하는 등 시각 정보를 인지한다. 특히 사람의 도움을 최소한으로 받는 약지도학습 영상인식 AI는 세계 최고 수준을 자랑한다. 그는 “2010년도 이전에는 영화나 드라마에 등장하는 범죄 분석이나 감시 등의 비중이 높았다”라며 “최근에는 자율주행자동차, 의료영상부터 얼굴변환 카메라 애플리케이션 등 다양하게 범위가 확대되고 있다”고 설명했다. 그는 이어 “AI가 일상에 더 가깝게 자리 잡아가며 빠른 속도로 기술이 발전하고, 다양한 가능성을 보이고 있다”라며 “이런 트렌드에 맞는 교육과정이 포함된 AI 대학원이 인재양성의 역할을 수행할 수 있을 것”이라고 말했다. 곽 교수는 입학 예정인 대학원생들에게 기대감과 함께 조언을 전했다. 그는 “개인적으로 스스로에게 아쉬운 부분은 수학을 더 깊이 있게 공부하지 못했다는 점이다. AI에 있어 수학적 기본기는 정말 중요하다고 생각한다”라며 “신입생뿐만 아니라 AI 분야를 꿈꾸는 학생이라면 수학 분야에 기반을 튼튼하게 다져두는 것을 추천한다”고 말했다. 또한 협업하는 능력 역시 필수로 꼽았다. 곽 교수는 “이제 혼자서는 경쟁력 있는 결과를 도출하기 어려운 시대다. 다른 사람과의 협업이 필수로 자리 잡았다”라며 “AI 대학원의 인재상 중 하나인 ‘AI + X’가 되기 위해선 다양한 분야와 융합할 수 있어야 한다”고 강조했다. 실제 곽 교수 연구팀은 생명과학과 김상욱 교수 연구팀과 정기적으로 미팅을 갖고 있으며, 이외에도 비슷한 연구를 하는 교원들끼리 모여 연구분야에 대한 의견을 나누고, 협업과 발전방향을 논의하고 있다. 곽 교수는 “논문 집필, 학회 발표 등 정량적 성과도 중요하지만, 남들과는 다른 독창적인 연구를 찾아 세계를 선도할 수 있는 연구를 하는 것이 목표다”라며 “그리고 이를 다시 후배 연구자들과 학생들에게 전달할 수 있도록 최선을 다할 것”이라는 뜻을 밝혔다. ◆ 그동안의 학습을 다시 AI에게 학습시키다 지난해 8월 POSTECH의 부임해 이제 약 6개월의 시간을 보낸 옥정슬 교수는 아직은 낯설지만, AI 대학원에 대한 기대감을 여실히 나타냈다. 옥 교수는 한국과학기술원(KAIST)에서 전기전자 공학을 전공 후 대학원을 거쳐 2016년 박사학위를 받았다. 이후 스웨덴 왕립공과대학(KTH), 워싱턴대학에서 박사 후 연구원 과정을 거쳐 POSTECH에 합류했다. 옥 교수는 기계학습과 강화학습 연구를 진행하고 있다. 특히 옥 교수는 최소한의 가정이 된 AI가 낼 수 있는 성능의 한계연구를 진행하고 있다. 아무런 사전정보가 없는 AI가 스스로 해결책을 찾는 학습방법이 주목받았지만 실제 현장에선 기본적인 정보를 포함한 최적의 알고리즘과 파훼법이 존재한다. 즉 최소한의 정보로 최적의 결과를 낼 수 있는 AI에 대한 연구다. 옥 교수는 이 연구를 통해 2018년 AI 분야 최고권위 학회인 NeurIPS(Neural Information Processing Systems)에서 한국인 제1저자로 구두발표를 했다. 당시 구두발표는 30인에게만 기회가 주어졌으며, 총 4,856명 중 0.6%에 해당하는 인원이었다. 한국인으로서도 유일했다. 그는 농업, 축산업, 공업, 제조업 등 시대에 걸쳐 다양한 분야에서 문제해결 방법론의 연장선으로 AI를 이해한다며 “AI 연구를 통해 새로운 문제해결법을 개발하는 동시에 다양한 분야로 적용 및 확대하여 산업전반의 발전을 기대할 수 있을 것”이라고 말했다. 때문에 AI 인재양성이 중요하다. 옥 교수는 “AI대학원은 AI를 하나의 학문이자 교육과정으로 인정했다는 측면에서 큰 의의를 가진다”라며 “기존 AI 이론과 연구를 배우고, 빠르게 변화하는 트렌드를 파악할 수 있는 교육 공간이 될 것”이라고 말했다. 그는 이를 실현할 수 있는 배경으로 POSTECH AI 대학원의 인적 역량을 꼽았다. 그는 “높은 경쟁률 속에 엄정하게 선정된 신입생들의 기대역량이 높다”라며 “또한 젊은 교수진은 우수한 연구역량과 함께 급변하는 AI분야 트렌드를 흡수할 수 있는 유연한 사고방식을 가지고 있다”고 평가했다. 연구협업도 자유롭게 가능하다는 점도 장점이다. 옥 교수는 “학부와 대학원에서 같은 연구의지를 가진 사람들끼리 삼삼오오 공동 연구실’을 만들어 활동하고 있다”라며 “논문 공유부터 연구방향 설정, 새로운 방법론 제시 등 다양한 시너지가 활발하게 일어난다”고 설명했다. 옥 교수는 새롭게 함께할 신입생들에게 “우리의 연구는 기계에게 배우는 방법을 알려주는 것이라고 생각한다. 각자가 초등학교부터 지금까지 10년 넘는 경험을 가진 학습전문가들이 모인 만큼, 서로 같이 토론하고 발전하는 AI 대학원을 만들어나 갈 수 있을 것”이라는 조언을 전했다. ◆ 글로벌 AI 인재육성의 장으로 POSTECH AI 대학원은 새학기를 시작으로 국내 AI 핵심인재 양성을 이어나갈 계획이다. 서영주 주임교수는 “2020년은 AI 대학원의 시작을 알림과 동시에 기존 대학원들과 융합을 통해 단단한 기반을 마련해나갈 계획이다”라며 “여기에 POSTECH의 교육, 연구, 산학협력 인프라가 더해져 세계 최고 수준의 기술력을 갖춘 AI 인재를 배출할 것”이라고 강조했다. 또한 지속적인 교수진 영입과 교육 환경 구축을 이어갈 예정이다. 서 교수는 “인공지능 분야의 높은 관심과 투자로 전문가 확보가 중요하다”라며 “지난해 세계 최고 석학교수 6명을 POSTECH AI 대학원 교수로 초빙했고, 앞으로도 지속적인 영입을 통해 최고의 교수진을 갖춰나갈 것”이라고 말했다. 글로벌 리더로서 역량 강화를 위한 지원도 계획되어 있다. AI 대학원은 스탠포드대학교, 카네기멜론대학교, 미시건대학교, 일리노이대학교 어버너 섐페인캠퍼스 등과 협력을 맺어 교환학생을 파견할 예정이다. 또한 NASA, 인리아, 마이크로소프트, 구글, 엔비디아, 인텔 등 글로벌 협력 기관에 인턴 및 장기연수를 진행하고, 실리콘밸리 인공지능 기업 탐방 기회 및 최우수 국제 학술대회 참가 지원 등을 추진 중이다. 서 교수는 “POSTECH AI 대학원은 가장 모범적인 대학원 운영을 통해 대한민국 AI 대학원의 모델을 제시할 것”이라며 “AI 분야를 선도하는 세계 최고의 교육·연구·산학협력 기관으로 거듭날 것”이라는 뜻을 밝혔다.