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  • 신선초에서 항생제 내성 문제를 해결할 수 있는 신개념 항독성 물질 발굴

    의학과 김경규 교수 ·Rekha Arya 박사

    신선초에서 항생제 내성 문제를 해결할 수 있는 신개념 항독성 물질 발굴

    항생제 내성은 인류의 생존을 위협하는 10가지 위험 (스웨덴 GCF 2018년 보고서) 중 하나로써 시급한 해결책 마련이 반드시 필요하다. 2016년 발행된 영국 의회보고서에는 항생제 내성에 대한 해결책이 마련되지 않는다면 2050년에 1000만 명 이상이 내성균에 의해 목숨을 잃을 수 있다는 사실을 경고한 바 있다. 따라서 항생제내성 문제는 인류의 생존을 위해 반드시 풀어야할 숙제 중에 하나이다. 항생제 내성은 균을 직접 사멸시키는 항생제에 대해서 균이 변이를 통하여 적응해 가면서 필연적으로 발생하게 되는 자연적 과정이므로, 현재 사용 중인 항생제와 같이 균을 직접 죽이는 기전을 갖는 항생제에 의한 내성 발생은 피할 수 없는 현상이다. 따라서, 내성균의 발생을 피하기 위해서는 완전히 새로운 기전의 항생 물질이 필요하다. 연구팀은 신선초에서 만들어지는 잔소안제롤이라는 물질이 대표적인 내성균 중 하나인 황색포도상구균의 병독성인자 합성을 저해함으로써, 감염을 일으킨 균이 병을 일으키지 못하고 인체 면역작용에 의해 사멸된다는 사실을 발견하였다. 또한 이 물질을 유기화학적으로 합성하는 방법을 찾고 여러 가지 유도체를 합성하여, 잔소안제롤보다 더욱 우수한 성질의 항독성 물질인 PM-56을 확보하였다. 항독성활성을 갖는 PM-56은 균을 죽이지 않고 독성 만을 제거하기 때문에, 세균에 내성 발생 압력을 가하지 않아 항독성 물질에 대한 내성균 발생을 근원적으로 차단할 수 있다. 즉 제균 활성이 아닌 항독성활성을 갖는 새로운 개념의 항생제로 작용하는 것이다. 명일엽이라고도 불리는 신선초는 먹으면 신선이 될 수 있다는 속설처럼 다양한 약효를 갖고 있어서 건강식품으로 각광 받고 있다. 학명 (Angelica utilis) 역시 ‘천사가 준 선물’이라는 의미가 담겨있을 정도로 매우 유용한 식물로 알려져 있다. 그 이름에 따르듯, 신선초가 항세균독성에 의한 항생 효과를 가질 수 있음이 본 연구로 증명되었다. 김경규 교수는“독성을 저해하는 새로운 기전 항생제의 성공 가능성을 검증함으로써 향후 내성발생 없는 새로운 감염치료제 개발을 기대할 수 있게 되었다.”라고 언급하였다. 본 연구는 의과대학 “항균내성 및 치료제 연구소 (https://shb.skku.edu/iamrt/)”의 연구로 진행되었고 의약화학분야의 세계적인 학술지인 Medicinal Chemistry를 통해 발표 되었다 (2018년 11월). 또한 YTN science와 동아일보에 기획기사로 소개되었다. YTN 기사보기 https://youtu.be/Ax_Rd8-85IM 동아일보 기사보기 http://news.donga.com/3/all/20181202/93122384/1 (그림1) 황색포도상구균 독성인자 저해제 PM-56의 작용 기전 PM-56은 황색포도상구균의 독성인자 합성을 조절하는 신호전달체계 SaeRS의 한 구성요소인 히스티딘 카이네이즈 SaeS의 인산염 전달 활성을 막는다. SaeS의 인산염 전달 기능이 저해됨으로서 후속 활성인 독성인자 생합성이 가로막히게 된다. (그림2) 약효 확인을 위한 모델 실험 내성균을 감염시킨 꿀벌부채명나방 유충의 생존율은 72시간 후에 20%밖에 안되는 반면 잔소안제롤 B의 유도체인 PM-56을 처리한 경우 생존율이 증가하여, 최종적으로 4.262 mg/kg 의 농도를 처리한 경우 생존율이 100%에 이른다. 이 결과는 PM-56을 처리함으로써 황색포도상구균에 의한 감염을 치료할 수 있다는 것을 의미한다.

  • 소염제 합성을 위한 바이오 촉매 개발

    의학과 김경규 교수 ·오창석 박사

    소염제 합성을 위한 바이오 촉매 개발

    의약품과 같은 정밀화학물질은 화학 합성법을 통해 생산되어 왔으나, 이 접근에는 유해물질의 사용 또는 발생, 그리고 경제적 비효율성 문제가 있어, 친환경적인 바이오 촉매를 활용한 대안이 필요하다. 바이오 촉매로 사용되는 단백질 효소는 기질 특이성, 반응 특이성, 입체 특이성을 지니고 있어 복잡한 화학적 합성 과정을 거치는 공정을 대체 또는 단축할 수 있을 뿐 아니라, 상온 상압에서 수용액을 이용한 합성이 가능하다. 따라서 화학적 합성과정에서 생기는 부산물이나 유해 폐기물의 발생률이 낮아, 지속 가능한 녹색 화학의 중요한 대체재로 각광받고 있다. 응용성이 뛰어난 바이오 촉매를 개발하기 위해서는 효소의 특성을 단백질 공학적으로 개선해야 한다. 단백질 공학적인 접근을 통해 새로운 효소를 개발하거나, 효소의 활성을 개선하는 방법으로 (1) 올해 노벨 화학상을 받은 유도된 진화(directed evolution) 방법과 (2) 단백질 구조에 기반한 합리적 설계(rational design) 방법이 있다. 합리적 설계를 위해서는 해당 단백질의 구조와 메커니즘이 필요하기에, 일단 구조 정보를 얻은 경우, 보다 효율적인 접근이 가능하다는 장점이 있다. 케토프로펜은 비스테로이드성 소염제(NSAID)로 진통 및 해열 작용이 있으며, 주로 골관절염 또는 류마티스 관절염 등에 의해 유발되는 염증 및 통증 완화에 사용된다. 파스나 젤과 같은 외용 진통제의 주요성분으로 많이 사용되고 있다. 케토프로펜은 S형과 R형, 두 종류의 입체 이성질체가 존재하며, S형의 약효가 더 뛰어나다. 미국 식품의약품안전청(FDA)은 이성질체가 존재하는 의약품의 경우 단일형의 생산 방침을 명시하고 있어, S형 케토프로펜이 순도 높게 분리될 것을 요구한다. 연구팀은 국내 토양에서 추출한 메타게놈 라이브러리로부터 얻은 에스터결합 가수분해효소(에스터레이즈)인 Est-Y29와 S형 케토프로펜이 결합하여 있는 복합체의 삼차원 고해상도 구조를 X선 결정학적인 방법으로 규명히였다. 이로써 효소의 기질 결합 부위에 있는 방향성(aromatic) 아미노산 잔기들과 S형 입체이성질체 케토프로펜 전구체와의 결합이 효소의 기질 선택성과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 효소의 삼차원 구조로부터 밝혀진 정보를 바탕으로 한 효소의 기질 결합 부위의 방향성을 증가시키는 단백질 공학적 연구를 통해, 야생형에 비교하였을 때 S형 케토프로펜에 대한 선택성이 5배 가까이 높은 새로운 효소를 개발하는 데 성공하였다. 본 연구는 합리적 설계방법을 이용하여 성공적으로 단백질의 기능을 증대시킨 주요 사례로 여겨지며 미국화학회 카탈리시스에 2018년 12월 24일 자에 온라인 게재되었다. 김경규 교수는 “본 연구에서 단백질의 삼차원 구조에 기반한 단백질 공학적 접근을 통해 화학적 촉매를 대체할 수 있는 바이오 촉매를 개발하였고, 이를 통해 케토프로펜같이 유효한 의약품을 친환경적으로 생산할 가능성을 제시하였다”, 라고 연구의 의의를 설명하였다. (그림1) Est-Y29의 입체 이성질체에 대한 특이성 원리 S형 케토프로펜 에틸 에스터(SKE, 자홍색)은 Est-Y29의 기질 결합 부위에 위치한 방향성 아미노산 (Y123, F125, Y170)과 π-alkyl 결합(분홍색 점선)을 형성한다. 그러나 이러한 결합은 R형 케토프로펜 에틸 에스터(RKE, 파란색)에서는 거의 형성되지 않으므로 S형 기질이 더 특이적으로 Est-Y29에 결합할 수 있다. (그림2) Est-Y29 F125W에서 S형 케토프로펜 생성 증가 야생형 Est-Y29(그림 좌측 상단)의 125번째 페닐알라닌(F125)을 트립토판(W125)으로 변형한 F125W 변이체(그림 우측 상단)는 구름 모양의 결합부위의 방향성 환경(주황색)을 높인다. 이는 케토프로펜 에틸 에스터 (상단의 좌우 두 그림에 S58과 F125 또는 W125 사이에 위치한 물질) 중 S형의 결합력을 높이므로써 결과적으로 S58에 의한 가수분해과정으로 S형 케토프로판의 생성을 증가시킨다 (그림 하단).

  • 아르기닌 메틸화 단백질의 심장기능 유지 및 심부전제어 기전연구

    의학과 강종순 교수

    아르기닌 메틸화 단백질의 심장기능 유지 및 심부전제어 기전연구

    심장질환(Cardiac disease)은 3대 성인병 중 하나로서 전세계적으로 치사율이 매우 높은 질환이며, 서구화된 생활습관과 인구의 고령화는 심장질환의 유병률을 급격히 증가시키고 있어 심장질환의 발병기전 연구를 통한 치료법 개발이 절실한 실정이다. 심장질환의 대부분은 자가 재생(Regeneration)을 하지 못하는 심근세포(Cardiomyocyte)가 외부의 자극에 대한 보정과정의 일환으로 심근세포를 늘이거나 크게 만드는 적응 현상인 ‘심장비대증’(Cardiac hypertrophy)이라는 병태생리학적 과정을 거친다. 본 연구에서는 히스톤 및 여러 단백질에 아르기닌 메틸화(arginine methylation)를 촉진시켜 번역 후 변형과정(post-translational modifications)을 일으키는 효소인 PRMT(Protein arginine methyl-transferase) 중 Type1 PRMT에 속하는 PRMT1을 마우스의 심장근육에서 특이적으로 결손 시켜 심장기능유지에서 PRMT1 의 역할을 연구하였다. 심장-특이 PRMT1이 결핍된 생쥐는 양심실의 확장과 수축기능장애가 동반되는 확장성 심근병증(Dilated cardiomyopathy)의 증세를 나타내며, 생후 2달이내에 심부전에 의해 조기사망에 이르게 되는 것을 바탕으로 PRMT1이 심장기능의 유지 및 생명유지에 필수적이라는 것을 알게 되었다. 특히 심장기능의 항상성 및 심근병증에 밀접한관계가 있는 CaMKII δ(Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II δ) 가 PRMT1이 결손된 심장에서 비정상적으로 활성화 되어있다는 결과를 통하여, PRMT1이 CaMKII δ 메틸화를 통해 활성억제를 유도한다는 것을 알게 되었다. 또한 CaMKII δ 의 활성억제를 통하여 PRMT1 결손에 의한 심근병증 증세를 완화할 수 있다는 결과를 통하여 심장 내 CaMKII δ 활성조절의 중요성을 검증하였다. 따라서 본 연구 결과는 PRMT1의 CaMKII δ 활성조절을 통한 심근병증 및 심부전 발병기전 제어에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 그림1. 심장 특이적으로 PRMT1 이 결손된 마우스가 심각한 확장성 심근병증을 동반하며 2달 내에 사멸한 것을 근거로(a, b), PRMT1이 심근세포 비대증 유발 스트레스를 조절하는 주요 인자임을 확인하였다(c). 그림2. CaMKII δ 의 활성억제를 통해 PRMT1 결손에 의한 심근병증 증세를 완화할 수 있다는 결과를 바탕으로(a, b) 심근내에서 PRMT1 이 CaMKII δ 의 활성을 조절 한다는 것을 확인하였다(c).

  • 3D 세포-전기유체공정을 이용해 인체 근육조직을 모사한 나노-근섬유 개발

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수

    3D 세포-전기유체공정을 이용해 인체 근육조직을 모사한 나노-근섬유 개발

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀은 살아있는 세포와 전기유체공정(electrospinning)에 적합한 바이오잉크를 제작하여 나노섬유의 배열을 제어하는 데 성공했다. 살아있는 근세포를 포함한 나노-근섬유는 마치 실제 근육처럼 한 방향으로 근세포가 자라도록 유도해 근육의 조직재생 효과가 높였다. 조직재생공학은 인체 병변 부위에 실제 조직과 비슷한 보형물을 넣어 재생효과를 높이는 것을 목표로 발전되어 온 학문이다. 이를 위해 널리 사용되어 온 공정으로는 3D세포프린팅(3D cell-printing) 및 전기장을 유체에 가하는 전기유체공정이 있다. 그러나 세포 형상이 정렬되어야 제 기능을 수행할 수 있는 근육의 경우에는, 오늘날의 3D세포프린팅과 전기유체공정으로는 세포가 무작위로 성장하는 한계를 보였다. 근육세포가 자라는 방향을 제어할 수 있도록 전기유체공정을 한 단계 발전시켰다. 연구팀은 나노-근섬유 개발을 위해 하이드로겔(hydrogel)을 사용하였으며 이는 물을 다량으로 함유하고 있는 물질으로서 높은 생체적합성을 보여준다. 또한 가공성이 우수한 물질을 첨가하여 바이오잉크를 개발했고 전기장을 가해주었다 (그림1). 그러면 미세한 패턴을 가지고 근세포가 한 방향으로 자랄 수 있는 섬유다발이 제작된다. - 제작된 나노-근섬유는 90%가 넘는 높은 초기 세포생존률을 보였고, 기존 전기유체공정에서 세포가 사멸되는 문제를 극복했다. 나아가 3D세포프린팅 공정에 비해 세포배열과 분화 등 세포활동이 3배 정도 향상되는 효과도 확인되었다 (그림2). - 제작된 세포나노섬유는 세포가 일정한 방향으로 자라게 유도하며, 근세포가 일렬로 융합되고 배열되어야 근섬유로 분화할 수 있는 골격 및 심장근육(skeletal and cardiac muscle) 재생에 크게 기여할 것이다. 김근형 교수는 “이 연구는 전기유체공정을 이용해 세포가 포함된 나노섬유를 배열시킨 첫 사례”라며, “인체의 배열 조직의 새로운 재생 방법으로 가능성을 제시했다”라고 설명했다. 이 연구는 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었다. 재료과학(materials science) 분야의 세계적인 학술지 Small (impact Factor 9.598)에 커버로 선정되었다 (그림3). * YTN Science 기사보기 그림 1. 전기유체공정 모식도 및 용액에 따른 전기방사성 그림 2. 기존 3D세포프린팅 공정과 새롭게 개발된 전기유체공정 비교 그림 3. Small에 게재된 커버

  • IBS 암흑물질 연구에 기여

    물리학과 카르스텐로트 교수 ·강우식 학생

    IBS 암흑물질 연구에 기여

    물리학과 카르스텐 로트 교수가 이끄는 2명의 연구팀이 참여한 기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단의 코사인-100 공동연구협력단*이 암흑물질을 둘러싼 오랜 논란을 검증할 수 있는 길을 열었다. * 코사인-100 국제공동연구협력단 : 암흑물질을 탐색하는 코사인 실험을 운영하기 위해 구성된 국제공동연구진(이번 연구에 국내외 15개 기관 50명의 연구자가 참여) 물리학과의 카르스텐 로트 교수와 강우식 학생이 공동 저자로 참여한 IBS 지하실험 연구단에서 진행한 이번 연구는 다마 실험이 관측했다고 주장하는 암흑물질 신호에 대한 오랜 논란을 검증할 가능성을 제시할 수 있었다. 이번 연구 성과는 네이처(Nature, IF 42.351)誌 온라인 판에 12월 06일 새벽 3시(한국시간) 게재되었다. 네이처(Nature)誌에 연구성과로 게재된 논문에서 코사인-100 실험의 데이터들은 다마 실험이 발견한 신호가 암흑물질에 기인한다는 증거가 불충분함을 시사하고 있으며, 다마 실험의 결과를 토대로 쓰인 이론들을 상당부분 반증하고 있다. 현재 두 명의 우리 학교 소속 대학원생이 코사인-100 실험에 참여하여 검출기 시뮬레이션 연구를 진행하고 있다. 우리 학교 팀은 이번 실험에 IBS 지하실험 연구단이 양양의 실험실에 검출기를 제작하는 단계부터 참여하였으며, 검출기가 얻어내는 데이터의 상태를 모니터링 하는 작업에도 기여하는 중이다. 카르스텐 로트 교수는 “이번에 발표된 연구성과는 암흑물질 연구에 있어서 새로운 이정표와 같다”며 “코사인-100 실험을 통해 얻어진 결과는 이전 실험들이 주장하는 신호에 대한 직접적이고 독립적인 검증이다. 이번 실험에서는 아무런 신호도 관측할 수 없었지만 코사인-100 실험은 이미 과학계로부터 높은 기대를 받고 있으며, 미래의 암흑물질 연구의 방향을 제시하고 이끌어가는 것에 중요한 역할을 하게 될 것”이라고 말했다. 카르스텐 로트 교수는 “코사인-100 실험은 앞으로도 계속 데이터 수집을 진행할 것이다. 이것으로부터 다마 실험이 관측했던 이상현상을 완전히 이해할 수 있기를 바란다”며 “이번 결과가 암흑물질의 존재를 직접적으로 규명하지는 못했지만, 아직 우리가 알지 못하는 새로운 현상을 발견한 것일 수도 있다”고 말했다. Fig. 1 Exclusion limits on the WIMP-nucleoninteraction. The observed (filled circles with black solid line) 90% exclusionlimits on the WIMP-nucleon interaction are shown with bands for the expectedlimit assuming the background-only hypothesis. The limits exclude a WIMPinterpretation of DAMA/LIBRA-phase 1 of 3 σ allowed region (dot-contours). Thelimits from NAIAD, the only other sodium iodide based experiment to set acompetitive limit, are shown in magenta. Fig. 2. The COSINE-100 detector. The detector is contained within a nested arrangement of shielding components shown in schematic a). The main purpose of the shield is to provide full coverage against external radiation from various background sources. The shielding components include plastic scintillator panels (blue), a lead brick enclosure (grey) and a copper box (reddish brown). The eight encapsulated sodium iodide crystal assemblies (schematic c)) are located inside the copper box and are immersed in scintillating liquid, as shown in schematic b). For more information about COSINE-100, visit https://cosine.yale.edu/home or https://cosine.ibs.re.kr

  • 구조변화 없는 순수 전기적 상전이 구현

    신소재공학부 이재찬 교수

    구조변화 없는 순수 전기적 상전이 구현

    신소재공학부 이재찬 교수와 위스콘신-매디슨 주립대 엄창범 교수 공동연구팀이 결정구조변화를 동반하지 않고 순수 전기적 상전이를 보이는 물질을 개발했다고 밝혔다. 이 연구는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science) 11월 30일자에 게재되었다. 강상관계 물질(설명 참조)은 금속성질과 절연체성질 사이에 변화되는 현상(금속-절연체 상전이)을 보일 수 있고, 이러한 금속-절연체 전이 현상은 금속상태와 절연상태사이의 매우 큰 변화로 전자소자로의 응용 가능성이 매우 크다. 하지만 금속-절연체 전이 현상은 결정구조변화도 동시에 일어나는 것으로 알려져 많은 연구가 진행되었으나 상전이 현상의 주요 원인이 아직도 규명되지 않고 있으며 구조변화로 인해 소자 응용시 스위칭 속도도 제한되어 고속으로 작동되는 소자로의 응용에 한계가 있어 왔다. * 강상관계 물질 (strongly correlated electron materials): 전자들 간의 상호작용이 큰 물질 * 금속-절연성 전이 (metal-insulator transition): 어떤 물질의 상태가, 외부 자극에 의해서 전기를 잘 통하는 상태 (금속 상태)와 안 통하는 상태 (절연체 상태) 사이에서 변하는 현상 본 연구진은 실험연구와 계산과학 연구를 통해 강상관계 물질의 대표적인 물질인 VO2 산화물에서 금속-절연체 상전이에서 발생되는 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리하는데 성공하여 전기적 변화만을 갖는 금속-절연체 상전이를 발견하게 되었다. (그림) 이재찬 교수는 “이번 연구의 접근법은 강상관계 물질에 일반적으로 적용시킬 수 있는 방법이므로, 이종 구조 공학을 통해 다양하고 독특한 물성이 설계 될 수 있으며, 더 나아가 모트 트랜지스터나 펨토 초 단위의 전자 스위치 등의 신규 소자로 응용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다. * 이종 구조 (heterostructure): 두 가지 이상의 상이한 물질들을 접합하여 만든 물질 이 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업(도약연구)과 한국과학기술정보연구원 산하 국가슈퍼컴퓨팅센터의 슈퍼컴퓨터지원사업으로 수행되었다. ※ 논문명 : Isostructural metal-insulator transition in VO2 ※ 주저자 : 이재찬 교수(공동교신저자, 성균관대), 엄창범 교수(공동교신저자, 위스콘신-매디슨 주립대), 이대수 박사(제1저자, 위스콘신-매디슨 주립대, 現 포항공대)

  • 직화구이처럼 단시간에 굽는 금속산화물 도핑 기술 개발

    화학공학/고분자공학부 김정규 교수

    직화구이처럼 단시간에 굽는 금속산화물 도핑 기술 개발

    이번 연구결과는 화학공학/고분자공학부의 김정규 교수팀에서 작년 11월 ‘Small’에 게재된 연구결과 (논문제목: Ultrafast Flame Annealing of TiO2 Paste for Fabricating Dye-Sensitized and Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency)를 통해 개발된 기술을 한층 더 발전시킨 것으로, 코발트 전해질로 코팅된 이산화 티타늄 박막을 불꽃에 넣었다가 빼내어 코발트-산소 공백 쌍을 형성시킴으로써 이산화 티타늄의 에너지 준위를 제어하고 전기적 특성을 크게 개선 시켰으며, 특히 산소 결함에 기인하는 전하 갇힘 현상을 억제하였다. 특히 대기 중에서 1분 이내로 빠르게 도핑이 가능하기 때문에 다양한 소자로의 응용이 매우 용이하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 개발된 이산화 티타늄 박막을 페로브스카이트 태양전지의 전하수송층으로 사용하여 소자의 성능을 크게 향상시키고 히스테리시스 문제를 해결하였으며, 소자의 수명도 개선시켰다. 이번 연구를 통해 개발된 기술은 태양전지와 같은 에너지 변환 소재뿐 아니라 정보전자소자, 메모리, 디스플레이 등 금속산화물을 사용하는 전 분야 응용될 수 있는 넓은 범용성을 가진다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 2018년 10월 15일에 게재되었다. *논문제목: Resolving Hysteresis in Perovskite Solar Cells with Rapid Flame-Processed Cobalt-Doped TiO2 *참여연구진: 김정규 (1저자, 성균관대 조교수)

  • 의약품의 저렴하고 쉬운 합성법 개발

    약학과 김인수 교수

    의약품의 저렴하고 쉬운 합성법 개발

    약학과 김인수 교수 연구진이 의약품계의 ‘팔방미인’으로 꼽히는 피리딘과 퀴놀린계 화합물을 새로운 반응공정을 이용해 값싸고 쉽게 만들 수 있는 방법을 발견했다고 밝혔다. 그 동안은 유기합성 및 의약품 제조 분야에서는 1952년 위티그 교수가 개발한 위티그 합성 반응이 사용되었으나, 카보닐과의 반응을 통해 탄소-탄소 이중결합을 생성하는데 국한되었으며, 화학 반응성이 비교적 낮은 데다 여러 단계를 거치는 복잡한 공정이 필요했다. 팔라듐이나 로듐 등 값비싼 전이금속을 활용하는 방법도 있지만, 이는 금속을 제거해야 하는 공정을 추가하는 등의 번거로움이 있었다. 이번에 연구팀이 개발한 ‘피리딘 및 퀴놀린의 선택적 알킬화 반응’은 전통적인 이중결합 형성 반응과는 다르게 피리딘 및 퀴놀린 내 존재하는 탄소-수소 결합의 직접적인 알킬화 반응을 이용한다. 분자 내 탄소·수소 결합을 끊어내는 알킬화 반응을 이용하면 다양한 의약품에 쓰이는 화합물을 보다 간단하고 쉽게 합성할 수 있으며, 기존의 문제점들을 개선한 위티그(Wittig) 시약의 새로운 반응성을 발견한 연구결과다. 연구팀에 따르면 산소를 투입한 피리딘 또는 퀴놀린에 비티그 시약을 넣은 후 온도·농도 등 반응 조건을 조절해 최적화 반응을 끌어내, 피리딘이나 퀴놀린에 포함된 산소와 비티그 시약 내 인이 서로 잘 반응해 두 물질이 자연스럽게 만나는 원리를 이용한 기술이라고 설명했다. 이번 발견은 의약품 합성공정의 새로운 이정표를 제시할 수 있는 연구결과로 화학분야의 세계적 학술지 '앙게반테 케미‘(Angewandte Chemie, IF = 12.102) 9월호에 발표되었다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL) 및 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.

  • 암 조직 주변에서 면역기능 제어용 생체 이식형 스캐폴드 : Dr-AIMS

    성균나노과학기술원 임용택 교수 ·Ren Long 연구원

    암 조직 주변에서 면역기능 제어용 생체 이식형 스캐폴드 : Dr-AIMS

    나노과학기술학과 임용택 교수팀은 종양미세환경 (Tumor microenvironment)에 존재하는 다양한 면역억제인자(immunosuppressive factors)들을 제어함으로써, 항암치료 효능을 향상 시킬 수 있는 생체이식형 스캐폴드 (Dr-AIMS라 명명)를 개발하였다. 이번 연구결과는 임용택 교수팀에서 올해 3월에 세계적 권위의 학술지 ‘ Advanced Materials’에 게재된 연구결과 (논문제목: Implantable Synthetic Immune Niche for Spatiotemporal Modulation of Tumor-derived Immunosuppression and Systemic Antitumor Immunity: Postoperative Immunotherapy)를 한층 더 발전시킨 것으로, 인체 내 이식이 가능한 히알루론산 기반 생체유래 고분자를 이용하여, 분해도를 용도에 맞게 조율할 수 있도록 설계되었다. 이러한 Dr-AIMS는 암 조직 주위에서 암의 재발(recurrence)이나 전이(metastasis)와 관련된 MDSC (Myeloid-derived suppressor cells)나 TAM (Tumor-associated macrophages)의 기능을 억제할 수 있는 약물과 치료용 면역세포인 DC나 T세포의 활성을 제어하는 Immune checkpoint의 작용을 저해할 수 있는 항체를 로딩한 후에 생체에 이식될 수 있다 (그림). Dr-AIMS 는 일반적으로 주사기에 의해 혈관으로 주입된 다양한 항암제와 면역치료제에 의한 부작용 및 치료효과 저하 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있으며, 암 환자의 암 조직에 대한 분석을 바탕으로 맞춤형 치료약물이 로딩된 약물전달 시스템으로 제조될 수 있다는 확장성을 갖고 있다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘ Advanced Functional Materials’에 2018년 10월 9일자 온라인 게재되었다. * 논문제목: Degradation-regulatable Architectured Implantable Macroporous Scaffold for the Spatiotemporal Modulation of Immunosuppressive Microenvironment and Enhanced Combination Cancer Immunotherapy * 참여연구진: 임용택(교신저자, 성균관대 교수), Ren Long (제1저자, 성균관대 박사과정)

  • 상대론적 디랙 전자구조를 가지는 12각형 그래핀 준결정에 관한 연구

    물리학과 안종열 교수 ·안성준 박사

    상대론적 디랙 전자구조를 가지는 12각형 그래핀 준결정에 관한 연구

    준결정(quasicrystal)은 노벨 화학상 수상자인 Dan Shechtman 박사에 의해서 1980년대에 처음 실험으로 관측된 특이한 고체의 상태이다. 일반적인 고체의 경우, 구성 원소들이 격자(lattice)구조라고 하는 일정한 주기성을 가지며 배열되어 있고, 이 경우에는 병진대칭성(translational symmetry)과 회전대칭성(rotational symmetry)을 모두 가지게 되는 반면, 준결정의 경우에는 회전대칭성 만을 가지는 특이한 구조를 지니게 된다. 또한 준결정은 자기복제성(self-similarity)을 가지는 프랙탈(fractal) 구조를 따르게 된다. 이처럼 준결정은 일반적인 고체결정과 다른 특성을 지니며, 이와 관련된 수많은 실험적, 이론적인 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 또한, 두 층의 그래핀 사이에서의 상호작용에 관한 많은 이론적 실험적 연구들이 있어왔지만, 최근까지도 Mott insulator나, 초전도 현상과 같은 특이한 물리적인 현상들이 계속 학계에 보고되고 있다. 이런 연구 동향에 발맞춰 두 층의 그래핀을 이용한 2차원 준결정에 관한 연구를 최근에 발표하게 되었다. 본 연구에서는 두 층의 그래핀을 각각 박리하여 포개는 방법 대신, 서로 30도의 회전 각도를 가지는 두 층의 그래핀을 에피택셜(epitaxial)한 방법으로 성장시킴으로써 2차원 그래핀 준결정을 합성할 수 있었고, 이를 통해 디랙 전자(Dirac electron)구조를 가지는 특수한 준결정을 최초로 발견하게 되었다. 합성된 그래핀 준결정은 아래의 그림 에서와 같이 일반적인 결정구조에서는 볼 수 없는 30도 회전대칭성(12-fold symmetry)과 프랙탈(fractal) 구조를 지니는 것을 확인하였다. 이러한 2차원 준결정은 4차원 양자 홀 효과 (4-Dimensional Quantum Hall Effect)로 대표되는 4차원 공간의 물리학을 관측할 수 있는 창의 역할을 하게 될 것으로 기대된다. 이 연구는 2018년 8월 24일자로 Science지에 게재되었고, 표지논문으로 선정된 바 있다. 논문명 : Dirac electrons in a dodecagonal graphene quasicrystal Science 24 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6404, pp. 782-786 DOI: 10.1126/science.aar8412

  • Wnt 신호전달의 작용기전 규명

    약학과 정가영 교수 ·김희령 석박통합학생

    Wnt 신호전달의 작용기전 규명

    약학과 정가영 교수팀(김희령 석박통합학생 제1저자 참여, Global PhD Fellowship 학생)은 서울대학교 생명과학부 최희정 교수팀 및 서울대학교 화학과 석차옥 교수팀과 공동연구를 통해 Wnt 신호전달의 작용기전을 규명하였다. Wnt 신호전달은 Wnt라 불리는 일종의 호르몬이 배아의 발생, 암의 발생, 조직의 재생 등을 조절하는 우리 몸의 주요 신호전달 기전으로 Wnt 신호전달 기전에 대한 정확한 이해는 특히 항암제 개발에 큰 도움을 줄 것으로 예상되고 있다. 이러한 Wnt 신호전달은 GPCR이라 불리는 수용체군 중의 하나인 Frizzled 수용체를 통해 이루어진다. GPCR 수용체군은 시각, 후각, 심혈관, 뇌, 면역, 대사 등 우리 몸의 다양한 기능을 조절하며, 현재 사용되고 있는 약의 40%가 GPCR 수용체군에 작용한다. 이러한 이유로 GPCR 수용체군의 작용기전을 연구한 과학자들이 1971년 노벨생리의학상, 1994년 노벨생리의학상, 2012년 노벨화학상을 수상하였다. GPCR 수용체군 중 Frizzled 수용체는 병태생리학적 중요도에 비해 작용기전이 거의 규명되지 않고 있었다. 본 연구는 구조규명질량분석기법, 컴퓨터모델링, 세포생물학적 기법 등 다양한 기술의 융합을 통해 Wnt 호르몬이 Frizzled 수용체에 결합하는 원리와 하위신호전달이 일어나는 원리를 규명하였다. 본 연구는 세계적 권위지인 Proceedings of the National Academy of Science USA (Impact Factor: 9.504) 8월 28일자로 게재되었다. *논문명: Biophysical and functional characterization of Norrin signaling through Frizzled4

  • 단일 파장대역에서만 발광하는 새로운 상향변환 호스트 물질 개발

    화학공학/고분자공학부 김동환 교수 ·문병석 연구원

    단일 파장대역에서만 발광하는 새로운 상향변환 호스트 물질 개발

    상향변환(upconversion) 현상은 낮은 에너지를 갖는 광자를 연속적으로 흡수하여 더 큰 에너지를 갖는 광자를 방출하는 현상으로, 햇빛에 풍부하게 존재하는 적외선 빛을 가시광선으로 변환하여 태양전지의 효율을 높이거나, 생체투과성이 높은 적외선 빛을 뇌조직 내부에서 가시광선으로 전환하여 효과적인 광자극을 주는 등 지난 반세기 동안 다양한 응용 분야에서 꾸준한 관심을 이끌어왔다. 상향변환 현상은 무기체 호스트 물질(inorganic host material)에 도핑된 란탄족 이온(Ln3+)에서 발생하며, 호스트 물질과 란탄족 이온 간의 복잡한 상호작용의 결과로 상향변환 효율 및 발광 스펙트럼이 결정된다. 하지만상향변환 효율과 스펙트럼 순도가 낮아, 이를 극복할 수 있는 새로운 호스트 물질의 개발이 요구된다. 공과대학 화학공학/고분자공학부김동환 교수 연구팀은 레이저를 이용해 호스트 물질을 액화-급랭(liquid-quenching)시켜 단거리 배열(short range order, 1st coordination order)이 존재하지 않는 새로운 호스트 물질을 개발함으로써, 란탄족 이온과의 상호작용을 극대화하였으며, 이를 통해 단일 파장대역에서만 발광하는 고효율의 상향변환 물질을 개발하는데 성공했다. 본 연구 결과는 자연계에서 안정적인 배열을 갖는 기존 호스트 물질들의 재료적 한계를 극복하였기에 큰 의미를 가진다. 본 연구에서 개발된 물질은 첨단 레이저 분야 및 광집적회로 소자 분야 등에 활용될 예정이다. 한국연구재단의 지원으로 수행된 본 연구는 그 중요성을 인정받아 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.06.20.)

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