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단분자를 실시간 관찰할 수 있는 메타렌즈 개발
생명물리학과 김인기 교수, Aleksandr Barulin 박사 연구팀은 포스텍 기계공학과/화학공학과 노준석 교수, 박사과정 김예슬씨, 오동교씨 연구팀과 공동 연구를 통해 상온에서 단분자(Single molecule)의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 초고민감도 메타렌즈(Metalens) 장치를 개발해 세계적인 과학 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 논문을 게재했다. 단분자 감지 기술은 바이오센싱, 화학 분석, 분자 역학, DNA 염기서열 분석 및 정밀의학 분야의 핵심 기술로 여겨지고 있다. 단분자를 검출하기 위한 다양한 방법 중에 가장 많이 사용되는 방법 가운데 하나는 형광 상관 분광 기술로(Fluorescence Correlation Spectroscopy, FCS), 분자에서 방출되는 형광 신호들의 상관 함수를 분석하여 각각의 분자의 거동을 관찰할 수 있다. 특히 FCS 기술은 렌즈의 특성에 굉장히 민감하기 때문에, 현재까지 보고된 대부분의 FCS 기술은 해상도가 높은 고배율의, 수차가 보정된 비싼 대물렌즈를 사용하였다. 현장형 감염병 진단 및 맞춤/정밀의학에 대한 수요가 높아짐에 따라 과학자들은 포터블 형태의 바이오센서 및 스마트폰에 연동 가능한 현미경과 같은 새로운 바이오메디컬 디바이스를 개발하려는 노력들을 해오고 있다. 하지만 현재까지 기존의 대물렌즈를 소형화 할 수 있는 기술의 부재로 초소형 형태의 단분자 진단 기기는 개발되지 못하고 있는 실정이다. 연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 단분자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 초고민감도 메타렌즈 장치를 개발했다(그림 1). 단분자 관찰을 위해서는 높은 집광 효율 및 큰 개구수를 가지며, 동시에 수차가 정교하게 보정된 고품질의 렌즈를 사용해야 한다. 연구팀은 이러한 모든 조건을 만족시키는 메타렌즈를 구현하기 위해 실리콘 기반의 나노 구조를 최적화하였고, 정밀한 나노공정을 통해 디바이스를 제작하였다. 연구팀은 제작된 메타렌즈를 통해 빛의 초점이 맺혀지는 작은 공간을 1.6 nm의 크기의 Alexa 647 단분자가 통과할 때의 움직임을 실시간으로 관측하는데 성공하였다(그림 2). 더 나아가 연구팀은 FCS 분석을 통해 분자의 확산 속도, 용액의 점도를 알 수 있고, 또한 서로 다른 크기의 미세 입자들을(퀀텀닷 및 나노입자) 구분할 수 있는 기술을 구현하였다(그림 3). 이러한 메타렌즈를 통해 휴대용 단분자 측정 시스템에 대한 가능성이 처음으로 증명되었고, 향후 후속 연구를 통해 스마트폰 현미경 및 3D 프린팅된 초소형 현미경에 메타렌즈를 결합해 휴대용 단분자 측정 시스템을 실현하고자 한다. 궁극적으로는 이러한 메타렌즈와 실리콘 포토닉스 칩이 결합된 온-칩 단분자 측정 센서가 개발될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 국제학술지인 Nature Communications(IF = 16.6)에 1월 2일 정식 출판되었다. 본 연구는 뇌과학 선도융합기술개발사업, 미래유망융합기술 파이오니어 사업, ERC 선도연구센터, RLRC 지역혁신 선도연구센터, 나노커넥트, 포스코 산학연 융합연구소 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다. ※ 논문명: Dual-wavelength metalens enables epi-fluorescence detection from single molecules ▲ 그림1. 메타렌즈 기반 단분자 측정 시스템 모식도 ▲ 그림2. 메타렌즈를 통해 측정된 Alexa 647 단분자 측정 결과 그래프 ▲ 그림3. 메타렌즈로 측정된 다양한 단일 미세 입자 구분 기술
- No. 254
- 2024-02-14
- 6960
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‘RNA 유전자 가위’로 미생물 세포공장개발에 속도 낸다
식품생명공학과 우한민 교수 연구팀은 dead Cas13a RNA 유전자 가위로 박테리아에서 존재하지 않는 RNA 간섭시스템*을 개발했고, 자동화 바이오파운드리기술**을 적용하여 세포공장을 효율적으로 개발 할 수 있었다고 11월 30일 밝혔다. *RNA 간섭시스템(RNA interference): small RNA 및 messenger RNA등 RNA의 원래 기능을 제한할 수 있는 시스템으로, 다양한 유전자의 조절에 관여함. **바이오파운드리: 주문자 반도체 생산시스템과 유사하게, 생물시스템을 디자인하고 자동화 장비를 활용하여 고속으로 합성생물학 부품 및 세포공장을 개발할 수 있는 바이오제조 핵심 자동화 시설(예: 성균관대 바이오파운드리). 세포공장은 지속가능한 바이오 연료, 의약학 및 식품 소재, 화학 소재를 생산할 수 있는 산업용 박테리아로, 다양한 합성생물학 도구를 활용하여 유전자 발현을 조절하고, 대사흐름을 제어하여 세포공장의 소재 생산성을 극대화 시킬 수 있다. 이번 연구는 RNA를 자르는 효소적 기능만 상실된 dead Cas13a (dCas13a) RNA 유전자 가위를 이용하여, 박테리아 세포내 존재하는 다양한 small RNA*의 발현을 억제하는 기술을 개발하였다. 이를 통하여 기존의 기술로 제어할 수 없었던 박테리아 내 트랜스-스몰 RNA와 시스-스몰 RNA를 제어할 수 있는 원천 기술을 획득하였다. 이번 개발 기술은 고등 생물에 존재하는 RNA 간섭기술과 유사한 기술로, 박테리아에서도 고도의 유전자 발현을 제어할 수 있을 의미 한다. *small RNA는 non-coding RNA로 세포내 다양한 환경에서 특정 유전자의 발현을 조절하는 핵심적 기능을 갖고 있는 200 bp 이하의 짧은 RNA이다. 또한, 모듈러 루프 가이드 RNA를 추가로 개발하여, 타겟 RNA 발현을 66%에서 92%까지 다양하게 억제할 수 있는 기술을 확보하였으며, 이 응용 기술을 활용하여 박테리아에 많이 존재하는 폴리시스트로닉 유전자의 발현에 적용하였다. 그 결과, 기존 CRISPRi 유전자 저해 기술로 가능할 수 없었던 폴리시스트로닉 개별 유전자의 억제도 가능하게 되어, 세포공장을 효과적으로 개발할 수 있는 원천 기술을 제공하게 되었다. 더 나아가 이번 RNA 유전자 가위의 박테리아 RNA 간섭기술을 활용하여, 항산화제로 사용될 수 있는 라이코펜 생산 세포공장 개발에 적용하였으며, 바이오파운드리기술을 활용하여 알려진 93개의 대장균의 sRNA를 로봇으로 제작하고, 그 라이브러리 중 라이코펜의 생산성을 향상 시킬 수 있는 신규 타겟 sRNA를 스크리닝 할 수 있게 되었다. 따라서 대사반응에 직접 관여하는 효소 유전자의 발현 조절만 개발하던 기존 대사공학 접근법을 넘어서, 타겟 sRNA를 통한 하위 유전자의 발현을 조절하는 새로운 대사공학 접근법을 제시할 수 있었다. 이번 연구를 통하여 박테리아 RNA 간섭 기술과 함께 바이오제조의 핵심 기술인 바이오파운드리기술로 대규모 가이드 RNA를 제작하고, 세포공장용 박테리아를 형질 전환하고, 타겟 물질을 스크리닝 하여 일련의 DBTL* 과정을 자동화하여 세포공장 개발의 가속화 할 수 있었다. *DBTL: 합성생물학의 연구 철학인 Design-Build-Test-Learn Cycle을 의미한다. 우한민 교수(바이오파운드리 연구센터장)는 “이번 박테리아 RNA 간섭 원천기술과 바이오파운드리기술을 확보한 만큼 첨단 합성생물학기술을 통한 다양한 난제를 해결하고 새로운 의료 및 식품 분야, 고부가 소재 생산 분야에 적용할 수 있는 세포공장 개발에 앞서겠다.”고 설명했다. 한편 이 연구결과는 11월 28일 세계적 학술지인 ‘Nucleic Acids Research’를 통해 온라인판으로 공개됐다. 이번 연구성과는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원, 기초연구실지원사업, 미생물 제어 및 응용 원천기술개발사업 및 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제의 지원을 받아 수행되었다. 해당 원천기술은 국내 특허 등록이 2022년 완료되었다(특허등록번호 10-2422842). ※ 저널: Nucleic Acids Research (2023), Impact factor 14.9 (2022년 기준), JCR 생화학 및 분자생물학 분야 상위 3.3% 저널 ※ 논문제목: CRISPR-dCas13a system for programmable small RNAs and polycistronic mRNA repression in bacteria ※ DOI: 10.1093/nar/gkad1130 ※ 제1저자: 고숭천 박사(성균관대학교 식품생명공학과) ※ 교신저자: 우한민 교수(성균관대학교 식품생명공학과, 바이오파운드리연구센터, 메타바이오헬스학과) RNA 유전자 가위를 이용한 박테리아 RNA 개발과 세포공장 개발 가속화
- No. 253
- 2024-02-05
- 6241
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페로브스카이트 태양전지 양산화의 걸림돌,낮은 공정 재현성 원인 규명
성균나노과학기술원 (SAINT) 나노과학기술학과 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 제작 공정에서 대기습도가 페로브스카이트 박막 제작 공정 재현성과 박막 품질에 결정적인 역할을 함을 규명하였다. 해당 연구 논문은 재료과학 분야 세계 최상위 학술지인 'Advanced Materials'지에 2023년 12월 21일자로 온라인 출판되었다. 페로브스카이트 태양전지는 높은 에너지 변환 효율과, 저렴한 용액 공정을 통해 생산이 가능하여 향후 탄소 중립 실현을 위한 차세대 태양전지 기술로 각광받고 있다. 국내외 학계 및 산업계에서 상용화를 위한 활발한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 용액 공정을 활용한 실험에서 발생하는 공정 재현성 문제는 학계 및 산업계 연구개발 과정에서 개발속도를 지연하는 주요 요소로 작용하고 있으며, 향후 양산화 과정에서 태양전지 제품의 수율을 저하시키는 주요 이슈로 작용할 것으로 보인다. 하지만 이러한 공정 재현성 저하의 원인에 대한 체계적인 연구는 그동안 수행된 바가 없었다. 연구팀은 현재 고효율 페로브스카이트 태양전지 박막 제조 과정에서는 널리 사용되는 소재를 활용한 공정에서 재현성이 저하되는 원인으로서 대기중의 습도가 결정적인 역할을 함을 규명하였다. 미국 버클리 국립 연구소 및 UCLA연구팀과의 공동연구를 통해 공정 중 습도에 따라 코팅 중 박막 내 페로브스카이트 상 핵 생성과 열처리 중 첨가제의 휘발 속도가 지대한 영향을 받음을 확인하였다 (성균관대학교 박건우 박사과정 파견연구 수행). 더 나아가, 대기 중 습도가 페로브스카이트 제조 공정에서 피해야 할 민감하고 유해한 요소라는 기존의 고정관념과는 달리, 일부 공정 중에는 일정 수준 이상의 습도가 박막 결정성 향상 및 결함 농도 감소에 도움이 될 수 있음을 제시하였다. 연구팀의 연구결과는 향후 고효율, 장수명 태양전지 개발을 위한 단서를 제공할 뿐만 아니라 페로브스카이트 태양전지 대량 양산화를 위해 그동안 다뤄지지 않았던 공정 재현성 및 수율 문제의 중요성을 최초로 제시하였다. ※ 관련 논문 및 홈페이지 1) Atmospheric Humidity Underlies Irreproducibility of Formamidinium Lead Iodide Perovskites, Advanced Material, 2023, https://doi.org/10.1002/adma.202307265 (제 1저자: 박건우 박사과정, 교신저자: 이진욱 교수) 2) 이진욱 교수 연구실 홈페이지: https://jwlee870217.wixsite.com/mysite 그림1. 페로브스카이트 박막 코팅 및 열처리 공정 중 대기습도에 따른 결정 핵 생성 변화 및 소자 효율 변화
- No. 252
- 2024-01-24
- 6780
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RNA 비표적 효과를 줄인 미토콘드리아 염기 교정 효소 및 동물 유전질환 모델 개발
의학과 정밀의학교실 및 메타바이오헬스학과 이성현 교수는 세계 최초로 미토콘드리아 DNA의 특정 서열에서 아데닌 염기를 구아닌으로 변형한 생쥐를 제작하는 데 성공했다. 해당 연구는 연세대학교 의과대학, KIST 뇌과학연구소, 고려대학교 의과대학 및 주식회사 엣진과의 공동 연구를 통해 이루어졌다. 세포 내에 존재하는 에너지 공급원, 미토콘드리아는 그 내부에 에너지대사에 필수역할을 하는 단백질의 유전정보를 가진 미토콘드리아 DNA를 가지고 있다. 이 DNA의 결함은 미토콘드리아의 고장으로 이어지게 되며, 뇌, 신경, 근육에서 다양한 병증으로 나타나게 된다. 또한 부모 중 모계 유전으로만 전달되는 미토콘드리아의 특성상 엄마의 미토콘드리아 결함이 자녀에게 유전되어 미토콘드리아 질환으로 나타날 수 있다. 현재 크리스퍼 유전자 가위 (CRISPR-Cas9) 기술이 DNA 교정 기술로 활용되지만, 특정 DNA 서열을 인식하는 것에 사용하는 가이드 RNA가 미토콘드리아 내부로 수송되지 못하기 때문에 미토콘드리아 DNA 교정에는 사용하지 못한다는 한계점이 존재한다. 이에 대해 현재까지 개발된 미토콘드리아 DNA 교정 기술로는 DNA 염기 서열 4종류 A, G, T, C 중 C를 T로 교정 가능한 DdCBE(Nature, 2020)와 A를 G로 교정 가능한 TALED(Cell, 2022)가 있다. 이 중 DdCBE를 활용하여 미토콘드리아 C-to-T 유전자 교정을 일으킨 생쥐를 제작한 연구 사례는 있지만, 미토콘드리아 A-to-G 유전자 교정을 동물실험에서 성공한 사례는 아직까지 보고되지 않았다. 연구진은 기존에 개발된 미토콘드리아 DNA 교정 기술 TALED가 세포 내에서 의도하지 않은 무작위적 DNA 및 RNA 변형을 일으킨다는 것을 확인했으며, 이로 인해 TALED가 생쥐의 수정란에 주입될 경우 배아 발달이 정상적으로 이루어지지 못함을 발견했다. 또한 TALED 구성 단백질 중 DNA 변형을 매개하는 단백질이 더욱 정밀한 활성을 나타낼 수 있게 개량한 TALED(V28R-TALED)를 개발했으며, 이를 통해 TALED의 부작용인 세포 내 무작위적 DNA 및 RNA 변형이 크게 감소된 것을 확인했다. 나아가 개량된 TALED를 생쥐의 수정란에 미세주입해 미토콘드리아 질환 중 리 증후군(Leigh syndrome)의 돌연변이를 보유, 병증을 나타내는 생쥐를 제작하는 것에 성공했다. 이번 연구는 세계적 국제학술지인 셀<Cell>(IF=66.85)>에 2024년 1월 4일 (한국시간)에 게재되었다. 논문명: Engineering TALE-linked deaminases to facilitate precision adenine base editing in mitochondrial DNA DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.035 저자: 이성현 (교신저자, 성균관대학교 의학과 및 메타바이오헬스학과 조교수) 그림 개선 된 TALED의 모식도 및 작용 방식
- No. 251
- 2024-01-15
- 6897
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차세대 페로브스카이트 태양전지 전용 저저항/고투과 ITO 투명 전극 소재/공정 기술 개발
신소재공학부 김한기 교수 연구팀은 차세대 대면적 고효율 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 전용 ITO 투명 전극 기술을 개발했다고 밝혔다. ※논문명: Advanced Energy Materials (Impact factor: 29.698) 12월 10일 게재 제목: Sn composition engineering toward the breakthrough of transparent front electrodes for efficient and stable perovskite solar cells. ※저자명: 김한기(교신저자), 석해준(제1저자) 기존연구의 문제점 및 한계성 극복: 기존 페로브스카이트 태양전지 연구는 전용 투명 전극없이 디스플레이나 기본 태양전지에 사용되는 Sn이 10 wt.% 도핑된 ITO 투명 전극만을 사용하여 진행하였기 때문에 최고효율달성에 한계가 있었다. 페로브스카이트 태양전지의 광활성층 및 버퍼층의 특성을 고려한 Sn 도판트 함량에 관한 연구는 이루어지지 않았기 때문에 현재 대부분의 연구가 디스플레이용 ITO 전극을 활용하여 연구를 진행해 오고 있다. 김한기 교수 연구팀의 페로브스카이트 태양전지 전용 ITO 투명 전극을 구현하기 위해 Co-sputtering 공정을 이용해 Sn 도판트 함량을 미세하게 조절하고 빛을 이용한 급속 열처리 기술을 도입하여 페로브스카이트 전용 ITO 투명 전극을 세계 최초로 구현하였다. CE-ITO (Composition Engineered ITO)로 명명한 페로브스카이트 태양전지 전용 투명 전극은 2.75 Ohm/sqaure의 낮은 면저항과 94%의 광투과도를 타나내어 전극 교체로만 페로브스카이트 태양전지 효율을 20.78% (일반적인 ITO 전극) 에서 23.35% (CE-ITO전그)로 대폭 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 뿐만 아니라 CE-ITO 전극에 제작된 페로브스카이트 태양전지는 일반적인 ITO에 제작된 페로브스카이트 태양전지에 비해 우수한 안정성을 나타내어 차세대 페로브스카이트 태양전지 상업화를 위한 핵심 기술을 확보하였다. 대부분의 연구팀은 페로브스카이트 광활성층 연구나 버퍼층 연구로 효율을 향상시키는데 김한기 교수 연구팀은 발상의 전환을 통해 투명전극을 특성을 대폭 향상시켜 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시키는 기술을 개발하였다. 김한기 교수 연구팀이 개발한 CE-ITO 전극의 우수한 전기적/광학적 특성 및 안정성은 페로브스카이트 광활성층의 에너지밴드를 고려한 Sn (주석) 도판트의 정확한 함량 제어와 빛을 이용한 급속 열처리를 통해 이루어지는 결정화 기술에 기인하고 있다. 이는 적층 구조로 제작되는 페로브스카이트 태양전지의 계면 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 구성하는 그 위에 성막되는 층의 결정성 또한 개선시키는 효과를 보여주기 때문이라고 연구팀은 설명하고 있다. 이러한 연구 결과는 차세대 태양전지로 알려진 페로브스카이트 태양전지 연구 및 상용화를 위한 핵심 전극 기술로, 반투명 페로브스카이트 태양전지, 초고효율 덴덤 태양전지의 상용화를 앞당길 것으로 예상하고 있다. 뿐만 아니라 CE-ITO 기술은 차세대 우주용 초고효울 태양전지의 안정성을 확보할 수 있는 기술로 적용이 가능할것으로 예상하고 있다. 저자멘트: 본 연구팀은 발상의 전환을 통해 광활성층 연구나 버퍼층 소재 연구가 아닌 모두가 연구하지 않는 ITO 투명 전극의 특성을 대폭 향상시켜 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율을 극대화 할수 있는 기술을 개발하였다. 본 연구진이 개발한 CE-ITO 기술은 페로브스카이트 태양전지 뿐만 아니라 무기 디스플레이, OLED, 스마트 윈도우, 터치패널, 바이오센서, 및 투명 전자 소자 기술에도 적용이 가능하기 때문에 차세대 광전소자 특성을 전극의 교체로 대폭 향상 시킬수 있는 핵심 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. CE-ITO 기술은 김한기교수 실험실 스타트업 회사인 ㈜코코넛머터리얼즈(http://www.coconutmaterials.com)를 통해 연구용 TEG (test element group) 제품으로 양산을 준비하고 있으며 페로브스카이트 태양전지를 연구하는 대학/연구소/기업을 대상으로 공급될 전망이다. 사업지원 및 논문게재: 이 연구결과는 과학기술정보통신부 연구재료개발확산사업 및 경기도지역협력연구센터 (GRRC)의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials (IF: 29.698)에 12월 10일에 게재되었다. UTG (Ultra Thin Glass)에 성막한 유연CEITO 박막. 일반적인 ITO와 CEITO에 제작한 페로브스카이트 태양전지의 계면 비교. Adv. Energy. Mater. (2023)
- No. 250
- 2024-01-05
- 6354
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가뭄 대응 식물의 생존 비밀인 채널의 활성화 과정 규명
생명과학과 이상호 교수 연구팀(제1저자 이영목)은 식물이 환경적 스트레스에 어떻게 반응하며 생존하는지에 대한 중요한 퍼즐 조각을 발견하였다. 이들은 초저온 전자현미경법(cryo-EM)을 통해 식물의 기공 조절에 있어 핵심적인 SLAC1 음이온 채널의 구조 기반 활성화 기전을 규명하였다. 해당 연구는 한국뇌연구원, 한국기초과학지원연구원 및 농촌진흥청 연구진과의 공동 연구를 통해 이루어졌다. 식물의 잎 표면에는 광합성을 위해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 기공이라는 미세한 구멍이 존재한다. 기공은 가뭄에서는 심각한 수분 유출을 초래하며, 병원균의 침입 통로로 활용되는 문제점을 지닌다. 식물은 이를 보완하기 위해 가뭄과 병원체, 이산화탄소, 오존 등 다양한 환경 요소에 반응하여 기공을 닫는 SLAC1 음이온 채널을 진화시켜 왔다. 그러나 기후 변화로 인한 온도와 이산화탄소의 급격한 증가로 식물의 정교한 기공 조절 과정이 교란되고 있다는 보고가 잇따르고 있다. 이러한 중요성에 힘입어 SLAC1이 어떻게 스트레스에 반응하여 활성화되는지 지난 십여 년 간 다양한 선행연구가 진행되었으나 채널 활성화에 대한 상반된 두 가설이 대립하고 있었다. 이에 연구진은 cryo-EM을 통해 SLAC1의 활성화 및 비활성화 상태의 분자 구조를 규명하고, 두 선행 가설을 모두 수용하는 새로운 활성화 기전을 제시하였다. 이번 연구로 인산화에 의한 SLAC1의 억제 이완-결합 활성화라는 두 단계로 이어지는 활성화 과정이 밝혀졌다. 이상호 교수는 “이번 연구를 통해 식물이 스트레스를 감지하여 기공을 조절하는 과정의 비밀이 마침내 밝혀졌다”며 “이를 토대로 기공 조절을 통한 식물의 기후 변화 적응, 스트레스 저항성 향상 등 다양한 응용 가능성이 열릴 것”이라고 밝혔다. 또한 “최근 교내에 도입된 최첨단 기기인 cryo-EM을 이용한 연구 사례를 보여주어 앞으로 해당 장비를 이용한 우수한 연구 성과 도출에 대한 기대감을 높여 주고 있다”고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 17.694)’에 11월 14일 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Cryo-EM structures of the plant anion channel SLAC1 from Arabidopsis thaliana suggest a combined activation model ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43193-3 ※ 저자: 이영목 (제1저자, 석박통합과정), 정서연 (석박통합과정), Chi Truc Han Le (석사), 이상호 (교신저자, 성균관대학교 생명과학과 교수) 그림 1. SLAC1 음이온 채널의 비활성화 및 활성화 상태 구조 그림 2. SLAC1 음이온 채널의 복합 활성화 기작
- No. 249
- 2023-12-26
- 5900
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도시가스를 연료로 직접 활용하는세계 최고 성능의 세라믹 연료전지 개발
기계공학부 이원영 교수는 연세대학교 홍종섭 교수, 서울과학기술대학교 최민기 교수와 공동연구로 도시가스(메탄)를 별도의 개질기없이 직접 연료로 활용해서 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 보이는 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발한 연구결과를 세계적으로 권위 있는 학술지인 Nature Communcations에 게재했다. 도시가스의 주성분인 메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 연료전지의 연료로 직접 활용하게 되면 별도의 개질기가 필요하지 않아 시스템 구성이 간소화되고 아직은 값비싼 그린수소를 사용할 필요도 없으며 기존의 도시가스 공급망을 그대로 활용할 수 있는 등 다양한 장점이 있어 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 고체산화물 연료전지의 연료로 메탄을 직접 주입하게 되면 메탄이 고온에서 분해되는 과정에서 연료극 촉매인 니켈의 표면에 탄소가 침착되는 현상이 발생하여 수소 생산성 감소와 함께 전력생산능력이 급격하게 저하되는 열화현상은 상용화의 가장 큰 문제점으로 제기되어 왔다. 공동연구팀은 메탄을 연료로 직접 활용하는 세라믹 연료전지의 성능과 안정성을 향상시키기 위한 전략으로 탄소침착 저항성이 높은 촉매가 탑재된 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발하였다. 양성자 전도성 세라믹 연료전지는 최근 활발하게 상용화가 진행되고 있는 고체산화물 연료전지의 한 종류로 산소이온이 아닌 수소이온(양성자)이 전하운반자로 활용되기 때문에 중저온에서도 고성능, 고효율 전력생산이 가능한 차세대 에너지 시스템으로 크게 주목을 받고 있다. 또한, 연료전지 제작과정 중에 이종합금촉매를 자가조립할 수 있는 방법을 개발하여 메탄 분해반응성뿐만 아니라 자가탄소세정 특성을 통한 탄소침착 저항성을 크게 향상시켰다. 이렇게 제작된 연료전지는 기존에 보고된 성능을 크게 상회하는 세계 최고 성능을 확보하였으며, 특히 500시간동안의 장기운전에서도 기존의 연료전지에 비하여 20배 이상 향상된 안정성을 보이는데 성공하였다. 연구팀은 “이중합금촉매 자가조립이라는 간단하면서도 확실한 방법을 효율적인 중저온 구동이 가능한 양성자 전도성 세라믹 연료전지에 효과적으로 적용하여, 메탄을 연료로 직접 활용할 수 있는 고체산화물 연료전지 개발에 있어 가장 큰 난관이었던 낮은 반응성과 안정성 문제를 획기적으로 개선시킬 수 있었다”고 연구 의미를 설명했다. 또한, “메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 고체산화물 연료전지의 연료로 직접 활용할 수 있는 가능성을 제시함으로써 탄소중립을 실현하는데 필수적인 구성요소인 연료전지의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구성과는 산업통상자원부 (P0021202), 한국 연구재단 (2023M3J1A1091543, 2022R1A2C3012372, 2022R1A4A1031182, 2021K1A3A1A20002574, 2021R1C1C2006657) 그리고 한국전력 (R23XO03) 의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 Nature Communications에 11월 18일자 온라인 게재되었다. 자가조립 이종합금 촉매 기반 메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 작동원리와 니켈-로듐 이종합금 촉매 이미지
- No. 248
- 2023-12-15
- 6409
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저분자화합물 항암면역치료제의 면역관용극복기술 개발
성균나노과학기술원(SAINT) 임용택 교수 연구팀(제1저자 신홍식 박사과정생)이 최소한의 독성으로 종양미세환경의 면역억제환경을 면역활성환경으로 전환시킴으로써, 항암면역치료제의 효능을 향상시킬 수 있는 톨-유사 수용체 7/8 작용제(toll-like receptor agonist)를 개발하였다. 특히, 면역관용 (immune tolerance)과 전신독성 (systemic toxicity) 문제를 분자설계 및 약물전달체를 이용하여, 그 작용기전을 미시적 (molecular scale)/거시적 (macroscale) 수준에서 조율함으로써, 기존의 톨-유사 수용체 7/8 작용제의 한계를 뛰어넘었다. 또한, 이 연구팀에서는 클릭화학을 통해 대식세포 표면에 톨 유사 수용체7/8 아고니스트를 포함하는 리포솜을 부착시켜 (Liposome anchored macrophage, LAMΦ-m7/8a), 기존 대식세포치료제의 한계를 극복하였다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘Advanced Material’지 (IF : 32.086)와 ‘Small’지 (IF : 15.153)에 각각 2023년 10월 30일, 11월 15일에 온라인 게재 되었다. 톨-유사 수용체 7/8 작용제는 선천적 면역 활성뿐 만 아니라 종양미세환경의 면역억제환경을 조율할 수 있는 능력으로 주목받아 왔지만, 특유의 전신 독성과 면역관용 현상으로 실제 임상 적용에 큰 어려움을 겪고 있다. 임용택 교수 연구팀은 이런 한계점을 극복하기 위하여 약물작용기전의 미시적, 거시적 조율을 통하여 전신독성과 면역관용 현상을 모두 극복할 수 있는 신개념 아주번트 소재인 Nanoliposome(pro-TLR7/8a) (NL(pro-TLR7/8a))을 개발하였다. NL(pro-TLR7/8a)는 미시적으로 톨-유사 수용체 7/8 작용제 분자의 작용점을 콜레스테롤 분자로 masking 하여 비 특이적으로 작용하는 독성문제를 최소화하면서도 특정 환경에서 masking 된 콜레스테롤이 서서히 떨어지면서 톨-유사 수용체 7/8 작용제의 활성도가 서서히 회복되어 과도한 면역반응에 의한 면역관용 반응을 극복할 수 있는 약물 전달체이다. NL(pro-TLR7/8a)은 종양미세환경의 면역억제환경을 면역활성환경으로 전환시켜 면역활성 사이토카인 (인터루킨12, 인터페론 감마 등)의 지속적인 분비를 증진시키고, 전신 독성의 지표인 혈액 내의 면역 활성 사이토카인 (인터루킨6)의 분비를 최소화하였다. NL(pro-TLR7/8a)은 여러 종양 모델 (피부암, 폐암, 유방암)에서 뛰어난 치료효과를 보였으며, 면역관문 억제제인 anti-PD-1 과 anti-CTLA-4와의 병용 치료에서 종양의 완전 관해를 보여주었다. 임상에 적용되고 있는 항암제인 독소루비신(Doxorubicin)과의 병용 요법에서도 뛰어난 치료효과를 보여주고 있어 높은 임상적용 가능성 또한 보여주었다. 논문명: Molecular Masking of Synthetic Immunomodulator Evokes Antitumor Immunity with Reduced Immune Tolerance and Systemic Toxicity by Temporal Recovery of Activity and Sustained Stimulation (Advanced Material (IF=32.086), Oct 30, 2023) 저자: 신홍식 (제1저자, 석박통합과정), 김소현 (공동 제1저자, 박사), 진승모 (공저자, 박사과정), 유연정 (공저자, 박사과정), 허장훈 (공저자, 석박통합과정), 임용택 (교신저자, 성균관대 교수) 논문명: Nanoengineered Macrophages Armed with TLR7/8 Agonist Enhance Remodeling of Immunosuppressive Tumor Microenvironment (Small (IF : 15.153), Nov 15, 2023) 저자: 유연정 (제1저자, 박사과정), 김수현 (공저자, 석사과정), 박세현 (공저자, 박사과정), 허장훈 (공저자, 석사과정), 임용택 (교신저자, 성균관대 교수)
- No. 247
- 2023-12-06
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GvHD를 유지시키는 신규 TCF1 발현 CD8 T세포 발견
의과대학 면역학교실 임세진 교수 연구팀은 이종 조혈모세포 이식을 통한 급성 GvHD 유도 모델에서 T세포 반응을 유지하는데 핵심인 TCF1 발현 CD8 T세포군을 발표하였다. GvHD(graft-versus-host disease, 이식편대 숙주질환)는 혈액줄기세포 이식 환자에게 발생하는 심각한 합병증 중 하나로, 공여자의 면역세포, 특히 T세포가 수여자의 조직을 외부 항원으로 인식하여 활성화되고 공격함으로써 발생한다. 이번 연구에서는 공여자의 면역세포 입장에서 수여자 항원의 계속적인 자극이 있다는 점에 착안하여, 만성 바이러스 감염, 종양 미세환경과 T세포 분화가 비슷할 것이라 가설을 세우고 비교 실험을 수행하였다. 동종 (allogeneic) 이식을 통한 급성 GvHD 모델을 이용하여 연구한 결과, 공여자 유래 활성화된 T세포는 전사조절인자 TCF1을 발현하는 전구세포군과 Tim-3를 발현하는 효과세포군으로 구성되어 있음을 밝혔다. TCF1 발현 CD8 T세포는 세포융해능력은 없지만 항원 자극 후 독점적으로 증식할 수 있는 능력을 보유하고 있으며, 증식과 함께 세포융해능력을 가지고 있는 Tim-3 발현 효과 T세포로 분화함에 따라 GvHD 증상을 유지하는데 주요 역할을 함을 확인하였다. 또한 TCF1 발현 CD8 T세포군은 주로 비장에 존재하며 거주형 특성을 나타내었다. 더 나아가 이종 (xenogeneic) 이식을 통한 급성 GvHD 모델을 이용하여 동일한 CD8 T세포 분화 이형성을 확인함으로써, 사람의 T세포도 동일한 방식으로 분화가 이루어짐을 증명하였다. 임세진 교수는 “이러한 동종 활성화 T세포의 이형성에 대한 발견은 급성 GvHD의 면역치료 전략 개발에 중요한 시사점을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.”고 설명하였다. 이 연구결과는 한국연구재단 우수신진연구사업, 바이오의료기술개발사업 및 국립암센터 공익적암연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Nature Communications(IF: 17.694)’에 9월 22일에 게재되었다. ※논문명: Defining a TCF1-expressing progenitor allogeneic CD8+ T cell subset in acute graft-versus-host disease (Nature Communications) ※저자명: 임세진 (교신저자), 이솔휘, 이건희 (공동 제1저자) [그림] 급성 GvHD 모델에서 TCF1 발현 전구세포의 생체 내 증식 및 분화능력 (출처: Lee S and Lee K et al. (2023) Nat Comm)
- No. 246
- 2023-11-28
- 4377
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혁신 모빌리티 기술의 소비자 수용성 규명
소비자학과 박태영 교수, 이유림 박사 연구팀은 UN ESCAP(이창주 박사), 한국교통연구원(배범준 박사), 한국건설기술연구원(정인택 · 장봉주 박사)와의 공동 연구를 통해 혁신 모빌리티 기술인 도심항공모빌리티(UAM, urban air mobility), 수요응답형 교통 서비스(DRT, demand-responsive transport)의 소비자 수용성에 대한 연구 결과를 발표하였다. 혁신 모빌리티 기술의 상용화 계획은 교통수단으로서의 효율성은 물론 통행자의 수용성을 반영해 설계되어야 한다. 새로운 교통 시스템이 상용화되기 위해서는 통행자가 더욱 빠르고 편리하게 이동할 수 있다는 전제가 필요하며, 관련 법과 제도가 정비되어 교통 체계가 안전하게 운영될 수 있다는 믿음이 필요하다. 즉, 신기술에 대한 유용성, 편의성 및 신뢰성이 입증되어야 하며 이를 뒷받침하기 위한 정책적인 지원과 단계별 도입계획이 수립되어야 한다. 본 연구팀은 국내에서 수년 내 상용화될 것으로 예상되는 UAM, DRT 기술에 대한 국내 광역시도 거주자의 수용의도에 대해 분석하였다. 두 연구 모두에서, 새로운 교통 체계에 대한 초기 신뢰가 통행자의 수용의도를 결정하는 가장 중요한 매개변수로 나타났으며, 기술 수용에 대한 타인의 기대, 해당 기술이 통행 효율성을 높일 것이라는 믿음, 교통 체계의 안전성에 대한 보증 등이 수용의도와 밀접한 연관성이 있는 것으로 나타났다. 또한 국내 통행자들은 기술 자체의 신뢰성 보다는 안전을 담보할 수 있는 프로토콜과 법체계가 갖추어져 있는지, 문제가 발생했을 때 적절한 처리 절차가 갖추어져 있는지 등 신뢰성을 담보하기 위한 제반 시스템의 구축을 중요하게 여기는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 신교통수단의 초기 도입 시 기술 도입과 법제도의 정비가 함께 추진되어야 함을 시사하며, 이를 위한 정책 개입의 중요성을 보여준다. 마지막으로, 환경에 대한 인식은 혁신 모빌리티 기술의 수용의도에 영향이 없는 것으로 나타나 통행 효율화를 통한 환경보호 효과에 대한 인식 향상이 필요한 것으로 나타났다. 이번 연구 결과는 기술경영, 교통공학 부문의 최상위 학술지인 Technological Forecasting and Social Change (IF 12.0, JCR 상위 3.2%), Journal of Public Transportation (IF 37.7, JCR 상위 1.4%)에 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업, 한국건설기술연구원-UN ESCAP 국제매칭공동연구의 지원으로 수행되었다. 논문명: Societal acceptance of urban air mobility based on the technology adoption framework 저널: Technological Forecasting and Social Change DOI: https://doi.org/10.1016/j.techfore.2023.122807 논문명: Modeling public acceptance of demand-responsive transportation: An integrated UTAUT and ITM framework 저널: Journal of Public Transportation DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpubtr.2023.100067 그림1. UAM 운영 개념도 (출처: 한국공항공사) 그림2. Tilt prop 타입 UAM 컨셉 (출처: 한국공항공사) 그림3. 수요응답형 버스 아이모드(I-MOD) (출처: 인천광역시, 현대자동차 수요응답형 버스 I-MOD)
- No. 245
- 2023-11-21
- 5727
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'조직 재생 필러’로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다
근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기) 신미경 교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 손동희 교수(성균관대 전자전기컴퓨터공학과 부교수) 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상되어 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다. 심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고, 이로 인한 장애가 유발될 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다. 손상된 신경‧근육 회복에 있어 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’이 각광 받는다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 즉, 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 우선 연구진은 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또한, 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다. 연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때, 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용하여 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다. 이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 우선, 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측하여 보행 보조 로봇을 작동, 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다. 더 나아가, 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인했다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 단 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능하게 되었다. 신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다. 손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다. 연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 11월 2일 01시(한국시간) 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’ 온라인판에 실렸다. [그림1] 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단이 제시한 주사 주입형 조직 보철용 전도성 하이드로젤 소재를 통한 보행 재활 훈련
- No. 244
- 2023-11-07
- 7609
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종양 미세환경 내 CD8 T세포 분화 및 해부학적 위치 규명
의과대학 면역학교실 임세진 교수 연구팀은 미국 조지아주 에모리 대학교 Rafi Ahmed 연구팀, Suresh S. Ramalingam 연구팀과의 공동연구를 통해 종양 미세환경 내에 독점적 증식 능력을 가지는 TCF1 발현 CD8 T세포군이 존재함을 밝히고, 이들은 주로 3차 림프구 구조(tertiary lymphoid structures)에 머무르고 있음을 발표하였다. CD8 T세포는 종양 미세환경 내에서 항종양 면역을 담당하는 주요 세포이다. 이번 연구에서는 여러 마우스 종양 모델과 인간 폐암 샘플을 이용하여 연구한 결과, 종양 특이적인 CD8 T세포는 전사조절인자 TCF1을 발현하는 전구세포군과 Tim-3를 발현하는 효과세포군으로 구성되어 있음을 밝혔다. TCF1 발현 CD8 T세포는 세포융해능력은 없지만 항원 자극 후 독점적으로 증식할 수 있는 능력을 보유하고 있으며, 증식과 함께 세포융해능력을 가지고 있는 Tim-3 발현 효과 T세포로 분화함에 따라 지속적으로 종양 특이적인 CD8 T세포 반응을 유지함을 확인하였다. 더 나아가 인간 폐암 샘플을 이용하여 CD8 T세포군의 종양 미세환경 내 위치를 분석한 결과, Tim-3 발현 효과 T세포는 종양 내로 침윤하여 종양 세포와 상호작용을 하는 반면, TCF1 발현 전구 T세포는 주로 3차 림프구 구조에 위치함에 따라 종양 세포와는 멀리 떨어져 존재함을 밝혔다. 또한 마우스 종양 모델과 인간 폐암 환자의 CD8 T세포의 증식을 비교한 결과, 인간 폐암 환자의 CD8 T세포는 대부분이 휴지기 상태이고, 일부의 Tim-3 발현 효과 T세포만이 증식하는 것과 달리, 마우스 종양 모델에서의 CD8 T세포는 대부분 활발히 증식하고 있으며, 이러한 차이는 모델간의 종양 발생 이후 기간의 차이에 기인함을 밝혔다. 성균관대 임세진 교수는 “PD-1 면역관문 억제제의 치료반응성을 유도하는 TCF1 발현 CD8 T세포가 주로 3차 림프구 구조에 위치하는 것은 이 위치에 해당 세포군을 유지하는데 중요한 기전이 있을 것으로 예상하며, 추가적인 연구가 기대된다. 또한 본 연구를 통하여 마우스 종양 모델과 암 환자에서 얻은 결과 간의 차이점을 보다 잘 이해할 수 있을 것으로 생각된다.”고 설명하였다. 이 연구결과는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 국립암센터 공익적암연구사업의 지원으로 수행되었으며, 미국 국립과학원회보(PNAS, IF: 12.779)에 10월 10일 발표하였다. ※논문명: Characteristics and anatomic location of PD-1+TCF1+ stem-like CD8 T cells in chronic viral infection and cancer ※저자명: 임세진 (교신저자) [그림] 비소세포폐암 환자의 종양 조직 내 TCF1 발현 전구세포군의 위치 (출처: Im and Obeng et al. (2023) PNAS)
- No. 243
- 2023-10-27
- 5900
