성균관대학교

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  • 지난 50여년 간 해결하지 못했던 비대칭 반응 세계 최초 개발

    화학과 류도현 교수 ·심수용 연구원

    지난 50여년 간 해결하지 못했던 비대칭 반응 세계 최초 개발

    화학과 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 루이스 산 촉매를 이용한 사각 탄소 고리 케톤 화합물의 비대칭 합성법 개발에 성공하였다. 카이랄 사각 탄소 고리 화합물은 생리활성을 가지는 다양한 천연물의 핵심구조로써 학계 및 산업계로부터 많은 주목을 받고있다. 삼각고리 화합물로부터 고리 확장 반응을 통해 사각 고리 케톤 화합물을 효율적으로 합성할 수 있지만, 삼각고리 알데히드의 재배열 반응을 통한 사각 탄소 고리 화합물의 비대칭 합성의 예는 보고되어 있지 않다. 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 비금속 루이스 산 촉매를 이용하여 사각 탄소 고리 케톤 화합물을 삼각고리화/유사피나콜 재배열 (cyclopronation/semipinacol rearrangement) 연속반응을 통해 높은 수율과 입체선택성으로 합성할 수 있었다. 개발된 반응은 간단한 구조의 시작물질을 이용하고 질소 가스 부산물만 생성되기 때문에 원자경제성 (atom economy) 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구를 주도한 성균관대 류도현 교수는 "삼각고리 알데히드의 재배열 반응을 통한 카이랄 사각 탄소 고리 케톤 화합물의 합성은 지난 50여년 간 해결되지 못했던 과제"라며 "이번 연구의 의의는 이를 촉매를 이용하여 최초로 성공한 것이며 반응 메커니즘을 규명할 수 있는 실험결과를 제시했다는 점에서 연구 가치가 매우 크다"라고 밝혔다. 사각 탄소 고리 케톤 화합물은 내재된 고리 에너지 (ring strain)으로 인해 다양한 고리 확장 (ring expansion) 반응이나 고리 열림 (ring opening) 반응에 사용될 수 있는 유용한 화합물이기 때문에 본 합성법은 매우 유용한 합성도구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 화학분야 세계적 권위의 화학분야 학술지인 'Journal of the American Chemical Society (JACS; IF = 14.357)'에 2018년 8월 8일자에 게재되었고, 그 중요성을 인정받아 표지 논문 (cover paper)로 선정되었다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원으로 수행되었으며 심수용 박사 (성균관대 기초과학연구소)가 제1저자로 참여하였다. *논문제목 “Asymmetric Synthesis of Cyclobutanone via Lewis Acid Catalyzed Tandem Cyclopropanation/Semipinacol Rearrangement” (제1저자 심수용, 제2저자 최유나, 교신저자 류도현)

  • 이산화탄소를 석유화학 중간체로 전환 촉매 개발

    화학공학/고분자공학부 배종욱 교수 ·함형원 연구원

    이산화탄소를 석유화학 중간체로 전환 촉매 개발

    이산화탄소를 활용해 청정연료 및 석유화학 제품을 생산할 수 있는 기반이 마련되었다. 배종욱 교수 연구팀이 균일한 중형 기공의 촉매를 이용해 이산화탄소로부터 유용한 석유화학 중간체를 생산하는 화학공정 기반기술을 개발하였다. 석유자원의 고갈 및 지구온난화에 따라 이산화탄소의 효율적 제거 기술의 필요성도 증대되고 있다. 이산화탄소로부터 메탄올, 디메틸에테르 등의 중간체를 거쳐 다양한 석유화학 원료를 합성하는 촉매기술이 연구되어 왔지만, 아직까지 촉매가 비활성화 되면서 효율이 저하되는 문제가 남아있있다. 연구팀은 알루미나와 구리 나노구조가 합성된 촉매를 개발해 이산화탄소에서 디메틸에테르를 합성할 수 있도록 유도했다. 5~8 nm(나노미터)의 기공이 규칙적으로 세공된 알루미나가 구리의 열적 안정성을 향상시켜 고온‧고압의 반응조건에서도 촉매가 안정적‧효율적이었다. 특히 갈륨 혹은 아연 산화물을 촉매에 보조적으로 포함시킴으로서 이산화탄소 전환율이 30% 이상 증대되었다. 나아가 연구팀은 구조적으로 안정한 중형 세공*의 알루미나 및 제올라이트 촉매를 제조해 디메틸에테르로부터 석유화학 기초유분(올레핀, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등)을 합성하는 기술도 개발했다. * 중형세공 : 약 5~8 nm 크기의 기공이 규칙적으로 1차원으로 세공된 불균일 촉매 배종욱 교수는 “이 연구는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 전환하는 새로운 안정화된 고효율 촉매기술이며, 향후 청정에너지 및 석유화학 중간체를 합성하는 기반 기술이 될 것”이라며 연구의 의미를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업의 지원으로 수행되었다. 화학분야 국제학술지 'ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)' 12월 10일에 논문으로 게재되었다. (그림) 개발된 촉매를 이용해 이산화탄소로부터 석유화학 중간체를 합성‧활용하는 과정

  • “생명의 비밀”에 대한 단서 물방울에서 찾다

    화학과 송충의 교수

    “생명의 비밀”에 대한 단서 물방울에서 찾다

    화학과 송충의 교수 연구팀은 최근 “Hydrophobic chirality amplification in confined water cages”란 제목의 논문을 세계적 권위의 과학전문지인 ‘Nature Communications’ 에 발표하였다. 이 논문에서 송교수 연구팀은 물이 카이랄성 증폭기(chirality amplifier)로 작용할 수 있음을 발견하여 지구 생명체의 “단일카이랄성 (homochirality)”의 형성과정에 대한 새로운 시나리오를 제시하였다. 거울상 이성질체란 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 거울에 비친 형태를 가지는 분자로서 어떠한 경우에도 서로 겹칠 수 없는 분자를 말한다. 서로 겹칠 수 없는 이런 거울상의 관계를 “카이랄” (chiral)이라고 한다. 이러한 거울상 이성질체들은 동일 에너지를 가지고 있기 때문에 일반적인 화학반응조건 하에서는 두 개의 거울상 이성질체들은 반드시 같은 양의 짝으로 만들어진다. 하지만 놀랍게도 지구상의 모든 생명체는 두 개의 거울상 이성질체들의 짝으로 이루어진 것이 아니라 D-단당류, L-아미노산과 같이 단일 거울상 이성질체로만 이루어져 있으며, 이들 단일 거울상 이성질체 분자들이 생명의 기본 요소인 DNA, RNA, 단백질을 구성하고 있다. 즉, 모든 생명체는 “단일카이랄성”을 가지고 있으며, 따라서 단일카이랄성은 생명체 형성 및 생명현상유지에 필수요소이다. 하지만 들풀에서 인간에 이르기까지 지구상의 모든 생명체가 어떻게 동일한 단일카이랄성을 갖게 되었는지는 여전히 풀리지 않고 있는 과학계의 미스테리이다. 화학과 송충의 교수팀은 마이크로칩반응기 연속흐름장치 등을 사용하여 물을 비대칭 촉매반응의 반응매개로 사용할 때 소수성수화효과에 의해 반응의 광학선택성이 크게 증폭될 수 있음을 최초로 발견하였다. 이는 유기용매 내에서 반응을 진행시킬 때 보다 물을 반응매개로 사용할 때 특정 거울상 이성질체가 훨씬 많이 생성됨을 뜻한다. 송충의 교수는 “이 연구결과로 미루어 볼 때 생명체가 존재하기 이전, 원시 지구의 안개, 구름, 물보라와 같은 에어로졸 형태의 아주 작은 물방울들이 카이랄성 증폭과정에 관여하여 현재의 지구 생명체의 근원인 단일카이랄성에 이르렀을 가능성이 있다. 즉 물방울 내에서의 화학반응이 생명의 기원에 대한 어떠한 단서를 제공할 수 있을지도 모른다”고 말했다. “뿐만 아니라, 이런 광학선택성 증폭 시스템의 새로운 발견은 비대칭 촉매화학과 같은 관련 연구에 획기적인 패러다임을 제공할 것으로 기대된다” 라고 말했다. *논문제목: Hydrophobic chirality amplification in confined water cages” Nature Communications, 10, 851 (2019) (DOI: 10.1038/s41467-019-08792-z). 그림 1. “On-water” 조건하에서의 비대칭 촉매반응 사진. a. 반응 전; b. 반응 중; c. 반응 후 그림 2. 마이크로칩 반응기 연속흐름장치 그림 3. (a) 마이크로칩반응기 연속흐름장치 모식도 (b) 물과 유기 반응 혼합물의 유속의 변화에 따라 유기 플러그의 크기가 달라지는 모습 (c) 유기 플러그의 부피가 작아질수록 비대칭 유기촉매반응의 광학선택성이 증폭되는 결과

  • 신경전달물질 GABA 조절 장내미생물의 발견 및 장내미생물과 우울증 발병의 연관성 증명 연구

    약학과 김기현 교수

    신경전달물질 GABA 조절 장내미생물의 발견 및 장내미생물과 우울증 발병의 연관성 증명 연구

    약학대학 김기현 교수 연구팀은 인간 장내미생물군으로부터 신경전달물질 GABA에 의존적으로 성장하는 특정 미생물을 확인함으로써 GABA를 생성하는 장내미생물이 인간 장내에 존재하는 것을 확인하고, 이들이 실제로 우울증 발병과 연관이 있음을 증명하는데 성공했다. 인간의 장내미생물군 (gut microbiota)는 면역반응과 신경계를 포함하는 다양한 기능에 영향을 주는 것으로 알려져 있지만, 23-65%의 장내미생물은 현재 배양이 안되고 있으며, 이는 장내미생물의 역할을 이해하는데 큰 장애물이 되고 있다. 배양의 어려움은 주변 박테리아로부터 제공되는 주요 성장 인자의 부재에 의한 것으로 파악되고 있다. 본 연구에서는 Bacteroides fragilis의 존재하에서만 성장하는 KLE1738로 명명한 장내미생물을 이용하는 co-culture 방법을 이용하고, Bioassay-driven purification 방법을 통하여 장내미생물 (KLE1738)의 주요 성장 인자가 γ-aminobutyric acid (GABA)라는 사실을 확인하였다. 대표적인 신경 전달 물질로 알려진 GABA가 장내미생물의 주요 성장 인자로 밝혀진 것은 놀라운 결과였고, GABA-dependent metabolism 기전 또한 유전체 분석에 의해 증명했다. 장내미생물 (KLE1738)을 이용하여 다양한 GABA-producing bacteria를 확인하였고, Bacteroides ssp.가 과량의 GABA를 생성하는 것을 알게 되었다. 그리고 Genome-based metabolic modeling 통하여 GABA를 생산하는 미생물과 소비하는 미생물을 예측 확인 하였고, 건강한 사람으로부터 기증 받은 대변 시료의 transcriptome 분석을 통하여 GABA 생성 경로가 Bacteroides, Parabacteroides, Escherichia species에 의한 것으로 증명되었다. 특히 GABA 관련 반응과 연관된 질환인 Major Depressive Disorder (MDD) 환자들의 functional magentic resonance imaging 분석을 통하여, GABA 생성과 관련된 Bacteroides 장내미생물의 상대적인 풍부함이 우울증과 관련된 뇌질환과 부정적으로 관련되어 있음을 증명하였다. 김기현 교수는 이번 연구결과에 대해 “장내미생물군의 상호작용이 특정 저분자 물질에 의해 이루어지며, 이를 이해하는데 미생물 배양 기술과 천연물 화학 분야가 융복합되어 응용된 첫 사례”로 강조하였고, “본 연구는 장내미생물의 상호작용을 이해함으로서, 특정 장내미생물이 실제로 우울증 발병에 영향을 준다는 점을 증명하였고, 이는 장내미생물을 이용하는 새로운 우울증 치료제 및 예방법의 개발 가능성을 제시할 수 있다”라고 설명하였다. 이 연구는 Northeastern University와 Harvard Medical School과의 공동 연구를 통하여 수행되었으며, 2019년 3월에 미생물 (Microbiology) 분야의 세계적인 학술지 Nature Microbiology (Impact Factor 14.174)에 발표되었다. Nature Microbiology, 4, 396–403 (2019). *논문명: GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota *공동 제1저자: 김기현 그림 1. Co-culture assay 그림 2. GABA 조절 장내 미생물 확인 분석 그림 3. Bacteroides 장내미생물의 풍부함과 우울증 환자의 뇌구조 분석

  • 아르기닌 메틸화 단백질의 골격근 유지 제어 기전

    의학과 강종순 교수 ·정현주 박사

    아르기닌 메틸화 단백질의 골격근 유지 제어 기전

    골격근은 신체의 약 40%를 차지하는 에너지소모 기관임으로 골격근의 기능 저하 및 감소는 신체에너지대사에 심각한 문제를 야기한다. 노화, 만성질환, 신체활동력 저하에 의해 유발되는 골격근 소모증은 대사질환, 심혈관계질환, 암과 같은 이차성질환의 유병율 및 증세를 심화시키며, 이에 따른 사망률을 증가시킨다. 고령화로 인하여 골격근 소모증이 급격히 증가하고 있으나, 치료제의 부재로 인하여, 근육기능 및 근육양을 조절하는 분자적 기전연구, 치료제 발굴의 중요성이 크게 대두되고 있다. 근소모성 질환은 단백질의 합성 과 분해의 균형적인 조절의 붕괴로 인한 과도한 단백질의 분해와 밀접한 관련이 있으며, 특히 FOXO 전사 인자에 의해 유도되는 단백질 분해관련 유전자들인 MuRF1, Atrogin1의 발현이 비정상적으로 증가 및 활성이 기저기전으로 알려져 있다. 따라서 골격근 항상성에 기여하는 단백질합성과 분해조절기전에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구는 아르기닌 메틸화효소인 PRMT1이 PRMT6/FOXO3의 억제를 통하여 단백질분해를 제어함으로서 골격근의 항상성유지에 필수적이라는 것을 보고하였다. 본 연구에서는 골격근 특이적 PRMT1 결핍 생쥐를 이용하여 골격근에서 PRMT1의 역할을 분석하였으며, 근육 특이적 PRMT1 결핍 생쥐에서 근육기능 및 양의 감소가 유발되는 것을 알 수 있었다. 흥미롭게도, 골격근에서 PRMT1 발현이 절식 상태 (fasted state)에서 감소하는 반면 영양분이 재공급 (refed) 되는 상태에서는 증가하였다. 정상근육에서는 절식상태에서 PRMT1의 발현이 감소하는 반면, PRMT6가 증가하여 FOXO3의 아르기닌 188 및 249 자리를 메틸화하여 활성화시키는 것으로 사료되나, PRMT1이 결핍된 근육은 영양분의 상태와 상관없이 PRMT6의 과도한 증가로 인하여, 지속적인 FOXO3의 활성 및 단백질 분해가 일어나서 근소모증을 유발하는 것으로 사료된다. 노화근육에서 단백질분해가 과도하게 일어나는 것이 보고되어 있음으로 노화 또는 병태적 질환관련 근소모증 제어에 PRMT1이 중요한 표적이 될 것으로 기대된다. 본 연구는 성균관대학교 의과대학의 강종순 교수 연구팀, 정현주 박사와 고려대학교 생명과학부의 구승회 교수 연구팀, 최세리 박사과정 학생의 공동연구로 수행되었으며, 2019년 1월에 Autophagy journal의 online version으로 게재되었다. 대표도 1. 골격근 특이적 PRMT1 결손 생쥐의 앞정강근(TA), 긴발가락폄근 (EDL)에서 Myh type IIb (MYH4)를 발현하는 해당작용 근육의 단면적이 감소됨. 대표도 2. 골격근에서 PRMT1 발현 수준은 절식 상태 (fasted state)에서 감소하는 반면 영양분이 재공급 (refed) 되는 상태에서는 증가함. 대표도 3. 정상근육에서는 절식상태에서 PRMT1의 발현이 감소하면, PRMT6가 증가하여 FOXO3의 아르기닌 188 및 249 자리를 메틸화하여 활성화시키는 것으로 사료되나, PRMT1이 결핍된 근육은 영양분의 상태와 상관없이 PRMT6의 과도한 증가로 인하여, 지속적인 FOXO3의 활성 및 단백질 분해가 일어나서 근소모증을 유발하는 것으로 사료됨.

  • 실외기와 프레온 가스 사용이 없는 차세대 냉방용 하이브리드 나노세공체 수분흡착제 개발

    화학과 장종산 교수

    실외기와 프레온 가스 사용이 없는 차세대 냉방용 하이브리드 나노세공체 수분흡착제 개발

    화학과 장종산 교수(화학과 학연교수, 한국화학연구원 연구위원)는 프랑스 CNRS 연구소와의 공동연구로 실외기와 프레온 가스 사용이 없고 전기를 거의 사용하지 않는 차세대 냉방용 하이브리드 나노세공체 수분흡착제를 개발하여 2018년도 11월호 네이처 에너지(Nature Energy)’지 논문(doi:10.1038/s41560-018-0261-6)으로 게재하였다. 최근의 기상이변과 지구온난화로 하절기 전기 에어컨 사용이 급격히 늘어나고 있다. 전세계적으로 약 16억대의 전기 에어컨이 가동 중인데 대도시의 경우 에어컨 실외기의 방열에 의한 온난화 및 도시 열섬화가 심각한 문제로 대두되고 있다. 전기식 냉방은 지구 온난화 문제 이외에도 피크전력 상승, 프레온 가스의 오존층 파괴 및 화석연료 고갈 등의 문제를 안고 있기 때문에 에너지절약형 차세대 냉방기술 개발은 중요한 연구주제이다. 수분 흡착식 냉방은 대표적인 친환경 냉방기술로서 실외기가 필요 없고 전기를 거의 쓰지 않으며 천연냉매인 물과 흡착제, 재생열원(지역난방열, 태양열 또는 산업용 폐열) 등으로만 구동할 수 있다. 물이 수증기로 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 냉방이 되고, 반대로 증발된 수분이 응축될 때 열을 방출해 난방이 되는 원리다. 수분 흡착제는 흡착식 냉방기술의 핵심 소재로서 냉난방기 안에서 수분을 흡착하여 냉방을 촉진시키고 포화되면 외부의 열로 수분을 탈착하여 재생된다. 그동안 상업용 흡착제인 실리카겔과 제올라이트가 주로 사용되었지만 성능이 좋지 않아 흡착식 냉방기가 광범위하게 상용화되지 못했다. 장종산 교수와 프랑스 CNRS 연구팀은 상업용 수분흡착제에 비해 성능과 안정성이 크게 향상된 혁신적인 지르코늄계 MOF (Metal-Organic Framework) 다공성 흡착제를 개발했다. 연구팀은 프랑스 CNRS 연구팀과 함께 8개의 결합자리를 갖는 지르코늄 옥소클러스터 양이온과 방향족 카르복시산 음이온을 결합시켜 내부에 6.8 Å 크기의 3각형 나노기공과 약 13 Å 크기의 6각형 나노기공을 갖는 새로운 3차원 골격구조 화합물을 합성하였다. 이 물질은 물을 친수성과 소수성을 동시에 지니고 있어서, 냉방 운전조건에서 수분 흡착력은 증가하고 저온 재생능력이 크게 향상되었다. 새로운 흡착제는 기존 제올라이트 흡착제보다 냉방효율이 24% 이상 높고 흡착용량도 실리카겔 흡착제보다 2배 이상 크며, 70oC 이하의 저온에서도 손쉽게 수분이 탈착 재생될 수 있는 특징을 갖고 있다. 새로 개발된 소재를 태양열 또는 폐열 기반의 흡착식 냉방기에 적용하면 전기 에어컨 대비 5% 미만의 전기로 구동할 수 있어 과다한 전기 사용을 줄이고 피크 전력을 감소시킬 수 있다. 지르코늄계 MOF 물질은 수분에 안정하고 황산, 염산 등의 초강산에 노출되어도 구조 손상이 없으며, 기존 다공성 MOF 물질에 비해 고압에서도 기계적 강도가 매우 높다. 따라서 흡착식 냉방 외에 스마트 공조기, 제습 건조기 등의 다양한 흡착소재로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. *논문 제목: A robust large-pore zirconium carboxylate metal–organic framework for energy-efficient water-sorption-driven refrigeration, Nature Energy, 3, 985-993 (2018). (DOI:10.1038/s41560-018-0261-6)

  • ‘2차원 물질’ 이종합성의 난제 풀었다

    물리학과 이영희 교수

    ‘2차원 물질’ 이종합성의 난제 풀었다

    에너지과학과 이영희 교수는 공동연구를 통해 두 가지 원소(질소와 붕소)로 구성된 2차원 물질인 질화붕소*를 단결정으로 합성하는 기술을 개발했다. * 질화붕소(Hexagonal boron nitride; hBN) : 그래핀과 같은 육각형 원자구조로 탄소 대신 붕소와 질소로 일어진 판상 구조를 갖는 소재 이 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science) 11월 16일 자에 게재되었다. ※ 논문명 : Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride film via self-collimated grain formation ※ 주저자 : 이주송 연구원(KIST, 제1저자), 김수민 박사(KIST, 교신저자), 이영희 단장(IBS 나노구조물리연구단, 교신저자), 김기강 교수(동국대, 교신저자) 2차원 물질들은 전기적인 특성, 유연성, 투명성이 우수해 차세대 전자 소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 또한 기체를 투과시키지 않아, 소자의 보호 장벽으로 활용 가능성이 높다. 그 중 질화붕소는 2차원 물질 중에서 유일하게 절연 특성이 있어, 투명한 유연 전자소자의 절연층으로써 주목받고 있다. 그러나 질화붕소의 특성을 유지하기 위해 단결정* 형태로 합성해야 하는 난제가 남아있다. 기존 합성법으로 개발된 대면적 질화붕소는 다결정* 형태로 합성되어, 질소와 붕소의 원자결합이 불완전하고 절연 특성이 떨어지는 문제가 있다. * 단결정 : 결정 전체가 규칙적으로 일정한 결정축을 따라 모여 있는 상태 * 다결정 : 여러 결정이 불규칙적으로 모여있는 상태. 결정 간 결합이 불완전함. 연구팀은 액상 금 표면 위에서, 질화붕소의 결정립이 동일한 방향으로 형성되는 ‘자가 줄맞춤*’ 현상을 이용해 단결정 질화붕소 박막을 합성했다. 이 방법은 박막의 크기에 구애받지 않고 원하는 크기의 단결정 형태를 합성할 수 있다. * 자기 줄맞춤(self-collimation) : 액상의 금 표면에서 질화붕소 결정립이 형성되면 질소와 붕소원자들이 전기적인 상호 인력을 일으켜 서로 밀어내거나 당기면서 적정 거리를 유지하는 현상 또한 제작된 단결정 질화붕소 박막을 기판으로 활용해, 반금속성 소재인 그래핀, 반도체성 소재인 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2) 등 다른 2차원 소재들도 단결정으로 합성했다. 나아가 그래핀*과 질화붕소가 층을 이루는 이종 적층구조를 직접 합성하는 데 성공했다. * 그래핀(Graphene) : 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 육각형 원자구조로 매우 얇으면서 물리적․화학적 안정성이 높음 이번 연구결과는 세계 최초로 이종 원소로 구성된 2차원 소재를 대면적 단결정으로 합성할 수 있는 원천기술 개발한 것일 뿐만 아니라, 다양한 2차원 소재의 이종 적층구조를 대면적 단결정으로 성장할 수 있는 새로운 연구 패러다임을 제시한 것으로 평가받고 있다. 이를 바탕으로, 차세대 투명 유연 전자 소자 및 가스 배리어, 센서, 필터 등의 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대된다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구), 기초과학연구원, 한국과학기술연구원 기관고유사업의 지원으로 수행되었다. [그림1] 액상의 금 기판 위에 합성된 2차원 질화붕소(hBN) 결정립과 자기 줄맞춤(self-collimation) 현상에 의한 대면적 단결정 합성 모식도 및 실험 결과이다. [그림 2] 대면적 단결정 질화붕소(hBN)을 기판으로 활용하여 그래핀, WS2와 같은 기타 2차원 소재들의 에피택셜 합성 결과, 동일한 방향으로 정렬되어 합성되는 것이 관찰되었다. [그림 3] 대면적 단결정 hBN의 산화방지막, 수분투과방지막 응용 실험 결과, 약 0.3 nm 두께의 박막임에도 불구하고 금속의 산화, 공기 중 수분 투과를 개선하는데 매우 효과적이다.

  • 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

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