성균관대학교

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  • 엽록체 진화의 미스테리, 광합성 아메바 연구로 밝히다

    생명과학과 윤환수 교수

    엽록체 진화의 미스테리, 광합성 아메바 연구로 밝히다

    생명과학과 윤환수 교수 연구팀(이덕현 박사, 조충현 대학원생)이 미국 럿거스대학 Bhattacharya 교수와의 국제공동연구를 통해 광합성 아메바인 폴리넬라(Paulinella micropora)의 유전체를 해독하여 식물과는 다른 기원을 가진 엽록체의 진화과정을 밝혀냈다. 지구상에 존재하는 광합성을 하는 모든 식물은 엽록체를 가지고 있으며, 엽록체는 약 10억년 전 동물성 원생생물이 남세균*을 포식하는 과정을 통해 기원한 이후, 녹색식물, 홍조류, 회조류로 분화했다. 이와 달리 폴리넬라는 독립적으로 광합성을 할 수 있는 능력을 얻었으며, 약 1억년 전 동물성 폴리넬라가 남세균을 포식하여 세포 내에서 영구적으로 공생하면서 엽록체로 진화하게 되었다. * 남세균(cyanobacteria) : 광합성을 하는 세균의 일종 현재 많은 동물성 폴리넬라 종은 식물성 폴리넬라와 자매관계를 이루고 있다. 본 연구는 폴리넬라 유전체를 해독하여 엽록체 진화과정에서 폴리넬라 세포와 세포 내로 들어온 남세균 그리고 외부 박테리아의 유전자들이 어떤 영향을 끼쳤는지를 밝혔다. 식물 세포 내에서 엽록체는 광합성이 일어나는 세포소기관으로 광합성에 관련된 핵 유전자는 엽록체로 반드시 이동해야만 기능을 수행할 수 있다. 엽록체로 이동하는 단백질들은 시그널 펩타이드라는 짧은 아미노산 서열을 가지고 있는데, 연구팀은 식물과는 독립된 기원을 갖는 폴리넬라에서 독특한 엽록체 시그널 펩타이드를 발견했다. [그림] 광합성 폴리넬라 현미경 사진 또한 폴리넬라에서 엽록체로 수송되는 유전자들의 기원을 분석한 결과 대부분 폴리넬라 핵으로부터 유래했다는 것을 밝혀냈다. 이는 엽록체가 형성되는 과정에서 기존의 동물성 폴리넬라 핵이 큰 역할을 한다는 것을 뜻한다. 윤환수 교수는 “식물의 초기 진화과정에서 어떤 일이 있었는지를 보여주는 모델생물로 광합성 폴리넬라 연구는 매우 중요하다”며 “광합성 폴리넬라 유전체 정보는 광합성 효율을 극대화하는 시스템/합성 생물학, 유전공학 등 응용 분야 연구의 기초자료로 활용될 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 해양수산부의 포스트게놈 다부처유전체사업, 농촌진흥청의 바이오그린21사업과 연구재단의 중견연구지원 사업으로 수행되었으며, 생물학 분야 세계적 학술지 Molecular Biology and Evolution(IF*=11.062) 2월호에 게재되었다. ※ 논문 : Amoeba genome reveals dominant host contribution to plastid endosymbiosis(광합성 아메바 유전체를 통해 밝혀진 엽록체 진화)

  • 세계 최초 폐암 환자 맞춤형 방사선 표적치료 가능성 제시

    융합생명공학과 전영준 교수

    세계 최초 폐암 환자 맞춤형 방사선 표적치료 가능성 제시

    - 폐암 환자 샘플을 이용한 차세대 염기 서열 분석방법 및 세포생물학적 방법을 이용 방사선치료를 받은 환자의 예후를 회귀적 방법으로 분석하여 KEAP1-NEF2L2 항산화 기작이 방사선 치료 저항성 인자임을 밝힘 - 폐암에서 변형된 Glutamine 대사를 저해시킴으로써 KEAP1의존적 항산화 저항성이 극복되어 질 수 있음을 제시하여 유전적 배경에 맞는 환자 맞춤형 방사선 치료의 가능성 제시 그림 1. 연구 모식도: 232명의 폐암 환자 중 방사선 치료를 받은 97명의 환자들로부터 샘플을 채취하여 유전자를 분석하고 재발이 되어진 그룹과 치료가 되어진 그룹으로 나누어 암 재발인자를 규명함 (1). 이를 검증하고자 세포생물학적 방법을 이용 (2, 그림2 참조)하여 방사성 저항 인자를 찾고 그것을 극복하기 위한 방안을 연구 (3). 그림 발췌: Cancer Discovery DOI:10.1158/2159-8290.CD-20-0282 융합생명공학과 전영준 교수 연구팀은 한국연구 재단의 개인 기초연구 사업 (NRF-2020R1F1A1071579)의 지원과 Stanford 의과대학과의 공동연구를 통하여 항산화의 주요 기작인 KEAP1-NFE2L2 Pathway의 활성정도가 방사선 치료를 이용한 폐암환자의 치료 후 예후 판단에 주요한 요소임을 규명하였다. 환자 맞춤형 항암 치료는 화학적 항암치료법에 상용화 된 반면, 방사선 치료법에는 그 가능성이 타진되어진 적이 한번도 없었다. 이에, 연구팀은 스탠포드 그룹과 협업하여 폐암 환자 232 여명중 방사선 치료를 받은 약 100명의 환자군으로 부터 얻은 샘플을 차세대 염기서열 분석 방법을 이용하여 분석한 결과 KEAP1/NFE2L2의 유전자에 돌연변이를 가진 환자군에서 방사선 치료 후 재발과 높은 상관성을 확인하였다. 이에 유전자 가위 기술을 이용하여 KEAP1이 제거된 Knock-out 폐암 세포주를 구축하고, 여기에 폐암 환자에서 발견되어진 돌연변이 KEAP1유전자를 삽입하여 그 활성을 측정하고 해당 결과를 방사선 치료 후 내성을 보인 환자군들 혹은 치료가 되어진 그룹들과 비교분석하여 KEAP1의 돌연변이의 형태에 따라 방사선 치료저항성을 예측할 수 있다는 결과를 제시하였다. 이에 더하여, 연구팀은 해당 유전자에 근간한 방사선 저항성 세포주가 글루탐산의 신진대사 저해를 통하여 극복 할 수 있음을 역시 제시하였다. 그림 2. KEAP1-NFE2L2와 방사성 치료 저항성과의 상관성분석을 위한 연구 모식도 해당 연구 결과는 비단 방사선 치료 역시 개인의 유전적 배경에 따라 치료방법에 변화를 주어야 한다는 새로운 패러다임을 제시함으로써 폐암 환자의 치료효과를 극대화 시킬 수 있음과 동시에 해당 개념을 다른 암종으로 적용 시킬 수 있는 높은 가능성을 제시한 결과로 평가받고 있다. 관련 결과는 2020년 12월호에 종약학관련 최고 권위지 중에 하나인 Cancer Discovery에 표지논문으로 게재되었다. 현재 전영준 교수 연구팀은 액체생검방식과 차세대 염기서열 분석방법을 이용하여 항암 치료저항성 인자를 항암 치료과정의 암 환자 혈액의 혈장으로 부터 분석 / 예측 할 수 있는 방법의 개발에 매진하고 있으며 이를 이용한 암 세포생물학 방식과 결부하여 새로운 유형의 항암 치료저항성 인자를 찾는 연구를 수행하고 있다.

  • 20분의 1 저렴하면서 더 오래 지속되는 그린 수소 생산 촉매 개발

    화학과 이효영 교수

    20분의 1 저렴하면서 더 오래 지속되는 그린 수소 생산 촉매 개발

    수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 이른바 그린수소다. 그린수소는 미래 수소경제 시대의 핵심인 청정에너지원이지만 생산 단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 부산물로 얻거나(부생수소), 천연가스에서 추출 (개질수소)하고 있다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 것이다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 20분의 1 가량 저렴하고 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다. 수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 되었다. 최대한 빨리 수소를 분리하려면 산소 발생 속도를 높여야 한다는 뜻이다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속하기도 어렵다. 연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 안정한 산소 촉매를 개발했다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다. 높은 성능의 촉매를 만들기 위해선 단계별 공정이 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 여러 단계를 거쳐 만들어진다. 그런데 산소가 발생하기 직전 단계의 중간체(OOH)는 화학적으로 불안정해 다음 단계로 넘어가지 못하는 경우가 많다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다. 연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH*를 안정화시킬 것이라고 가정하고, 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 실험 결과 이 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했다. 여기에 루테늄 원자를 붙여 OOH가 산소로 넘어갈 때 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다. 이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많고, 더 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다고 연구팀은 설명했다. 기존 산화 루테늄 산화물은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm2)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요했지만 연구팀이 개발한 전기촉매는 루테늄 산화물의 60% 수준인 180 mV면 가능했다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율을 높였다는 뜻이다. 또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다. 이효영 부연구단장은 “물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다.”며, “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다. 이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental science, IF 30.287)' 지에 11월 4일 온라인 게재되었다. [그림1] 전기촉매 결정 구조 및 물 분해 과정과 고효율 전기촉매 성능 평가 * 언론 보도 현황 [조선비즈] IBS, 수소 생산 촉매 비용 20분의 1로 낮춰 [부산일보] 20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [전자신문] IBS, 20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [헤럴드경제] 물 전기분해 비용 20배↓…고성능 수소촉매 나왔다 [뉴스1] IBS, 20배 싸고 4배 더 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [금강일보] IBS, 싸고 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [파이낸셜뉴스] 20배 싼 촉매로 물에서 수소 만든다 [충청뉴스] IBS, 비용 낮추고 지속성 높인 수소 생산 촉매 개발 [노컷뉴스] 20배 싸면서 더 오래가는 수소 생산 촉매 개발 [뉴스웍스] 20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [연합뉴스] 값싸고 오래가는 수소 생산 촉매 개발…20분의 1 가격 [뉴시스] 저가 금속으로 물 전기분해 촉진…20배 저렴한 수소생산 촉매 개발 [머니투데이] 저가 금속으로 기존보다 20배 싼 ‘수소 촉매’ 개발 [이투데이] 저가 금속으로 물 전기분해…20배 원가 낮은 수소 생산 촉매 개발 [뉴스핌] IBS, 20배 싸고 4배 더 지속 '수소 생산 촉매' 개발 [투데이에너지] IBS, 생산성 6배 높은 수소생산촉매 개발 [한국경제] 20분의1 저렴한 촉매로 물에서 '수소' 뽑아낸다 [뉴스투데이] 기초과학연구원(IBS), 20배 싸고 오래 지속 수소 생산촉매 개발

  • 빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

    화학공학/고분자공학부 서영덕 교수

    빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

    ○ 다중흡수-다중방출 형태의 광학적 연쇄증폭반응을 통한 상향변환 나노입자 광변환 효율의 획기적 증강 현상을 세계 최초로 발견하고 ‘광사태 나노입자’로 명명 ○ 이러한 광사태 나노입자 신소재를 활용해 70 nm 공간해상도의 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy) 이미징에 성공 ○ 비변질 고민감도 체외진단키트 등 바이오 의료 분야, 자율주행 자동차용 LiDAR 근적외선 광센서 소재 등 첨단 IoT 분야, 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 증강용 소재 등 신재생 에너지 분야 등에 광사태 나노입자 활용 미래 신기술 개척 기대. 서영덕 교수(성균관대학교 화학공학/고분자공학부 성대-화학연 학연교수)연구팀과 미국/폴란드 공동연구팀은 기존 상향변환 나노입자*의 광변환 효율을 극대화 시킬 수 있는 빛의 연쇄증폭반응인 광사태 현상(Photon Avalanche)이 단일 나노입자에서 일어남을 발견하고 규명했다. * 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle=UCNP): 큰 에너지를 갖는 빛이 물질에 흡수된 뒤 열에너지로 그 일부를 소모하고 나머지 작은 에너지가 다시 빛으로 변환되어 방출되는 보통의 하향변환과는 달리, 상향변환 나노입자에서는 작은 에너지의 빛이 다중으로 흡수된 뒤 큰 에너지의 빛으로 결합 되어 변환됨. 눈에 보이지 않는 작은 에너지(장파장)의 적외선을 흡수하여 눈에 보이는 가시광선 등 큰 에너지(단파장)의 빛으로 변환시켜 주는 특이한 물성 때문에 상향변환 나노입자(UCNP) 분야는 최근 10여년간 급성장해 왔으나, 이의 상용화를 앞당기기 위해서는 해결해야 할 ‘광변환 효율의 증강’이라는 난제가 있었다. 즉, 기존의 상향변환 나노입자는 광변환 효율이 매우 낮아서, 작은 에너지의 빛을 다중으로 흡수하여 큰 에너지의 빛으로 다시 방출하기 위해서는 매우 강한 광세기의 고출력 레이저가 사용되어야만 하고, 이에 따른 가격 상승, 열 발생, 사용자의 실명 방지를 위한 레이저 안전성(Safety) 확보 등이 상용화의 걸림돌이 되어 왔다. 이번에 발견한 빛의 연쇄증폭반응에 의한 광사태 현상은 일단 빛이 나노입자에 다중흡수된 뒤, 나노입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 마치 눈사태나 산사태처럼 연쇄적인 광학 증폭반응을 일으켜서 빛의 세기가 강하게 증폭되어 나노입자로부터 다중방출되는 (표지 그림 및 그림 1 설명 참조) 매우 이례적인 다중흡수-다중방출 형태의 거대 비선형 광학 현상으로서, 이를 통하여 일상생활에서도 많이 사용되고 있는 레이저 포인터 수준의 약한 광세기로도 매우 높은 상향변환 발광효율(광변환 효율)을 유발시킬 수 있다는 것을 세계 최초로 발견한 것이다. 공동연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자를 ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle: ANP)’로 새롭게 명명하고, ”광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)“이란 제목의 논문을 영국시간 2021년 1월 14일자 네이처紙(I.F.=42.8)의 표지논문으로 출판하였다. 이러한 새로운 현상의 발견에 기반하여 본 연구논문에서는 70 nm의 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy) 이미징*(그림 2 설명 참조)에 성공하였다. 향후 초고해상도 나노스코피를 이용하여 살아있는 세포 속을 초고해상도로 실시간 바이오 이미징 하거나, 광사태 나노입자가 광탈색(Photobleaching)이 없는 화학적으로 안정한 무기계 나노입자인 점을 이용하여 비변질/고감도의 체외진단용 원천소재로 적용하는 바이오 의료 분야, 페로브스카이트 태양전지가 수확하지 못하던 > 800 nm의 낮은 에너지(장파장) 영역 외부양자효율(External Quantum Efficiency: EQE)을 증강시킬 수 있는 신소재로 적용하는 신재생 에너지 산업 분야, 자율주행자동차가 주행 시 먼 거리를 보는 눈에 해당하는 LiDAR(905 nm ~ 1,550 nm 파장 영역)용 근적외선 검출 광센서의 > 1,100 nm(Si 반도체를 못 쓰고 InGaAs 등의 화합물 반도체를 써야만 했던 파장 영역)의 낮은 에너지(장파장) 영역 근적외선 검출을 위한 나노입자 신소재로 적용하는 첨단 IoT 분야 등에 대한 응용 연구들을 앞으로 진행할 계획이다. * 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy)는 200 nm(청색광)~500nm(근적외선)정도인 빛의 회절한계(Diffraction Limit)를 뛰어넘는 초고해상도의 나노분광(Nano Spectroscopic) 이미징 분야(2014년 노벨화학상 수상)에 대한 통칭임. 당시 수상한 STED(STimulated Emission Depletion)과 PALM(Photo-Activated Localization Microscopy)은 각각 도넛 모양의 STED 스팟을 여기(Excitation) 광의 공초점 스팟과 중첩한 상태로 스캔해야만 하거나, 모든 이미징 픽셀들의 중심에 컴퓨터로 인위적인 작은 점들을 하나 하나 찍어서 마치 회화 기법의 한 종류인 점묘법처럼 이미지를 재구성해야만 하는 기술 난이도 상의 단점이 남아 있었음. <2014년 노벨화학상 기사 참조> http://dongascience.donga.com/news/view/5283 및 http://dongascience.donga.com/news/view/5484 이번 연구에서는 ~25 nm 내외의 매우 작은 각각의 광사태 나노입자들의 중심 부분으로부터 상향변환되면서 연쇄 증폭된 빛이 매우 국소적으로 집중되어 폭발적으로 방출되기 때문에 스팟 한 개만을 사용한 간단한 공초점 이미징 스캔으로도 단번에 70 nm의 초고해상도 나노스코피에 성공하였고, 후속 연구를 통하여 더욱 해상도를 높일 수 있음. 또한 현재 광변색 소자인 포토 스위칭 기술, 체내 삽입용 마이크로 레이저 기술 등의 후속 연구를 마치고 논문 투고 예정이며, 향후 광사태 나노입자의 응용 분야를 더 넓히기 위하여 레이저 포인터보다 더 약한 광세기의 LED로도 광사태 현상을 유발시킬 수 있도록 하는 후속 연구를 진행 중이다. 참고로 본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 교수와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck교수는 각각 국제공동연구를 지원하는 한국연구재단의 글로벌연구실지원사업의 한국측 및 미국측 책임자로서, 이 사업을 통해 지난 5년간 연구책임자 및 연구원들의 주기적인 상호 방문연구실험, 상호 초청강연, 국제공동심포지엄 공동개최 등을 통하여 협력해왔으며, 최근에는 세계적인 권위의 고든컨퍼런스(Gordon Research Conference)에서 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle) 분야의 Conference를 처음으로 공동창립하여 올해 6월 하순에 미국에서 첫 컨퍼런스를 개최할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 글로벌연구실(GRL) 지원사업과 한국화학연구원 강소형 연구과제, 산업자원부의 산업기술혁신사업 지원으로 수행되었다. 본 표지논문의 과제 사사 문구: 한국연구재단(NRF) GRL과제, 화학연(KRICT) 강소형과제, 산업자원부(MOTIE) 과제 등을 서영덕 교수(Y.D.S.)가 과제 사사하였고, 제1저자인 이창환(C.L.) 박사과정학생과 공동교신저자인 Prof. P. James Schuck교수(P.J.S.)의 과제사사는 한국연구재단 GRL과제가 유일하다. 본 논문의 주요 저자들은 다음과 같다. - 공동 교신저자: 서영덕 교수 (성균관대학교 화학공학/고분자공학부 성대-화학연 학연교수: 한국연구재단 GRL 과제의 한국측 책임자), 미국 컬럼비아대학 P. James Schuck 교수 (한국연구재단 GRL의 미국측 책임자) 등 - 단독 제1저자: 이창환 미국 컬럼비아대학 박사과정생 (2020년 5월~8월 서영덕 교수 실험실의 방문연구생) - 공저자: 남상환 책임연구원 ※ 서영덕 교수의 ‘광사태 상향변환 나노입자’ 관련 논문 (*표는 교신저자). 1*. Giant Nonlinear Optical Responses from Photon Avalanching Nanoparticles (Nature 589/230, 2021) [Cover Article] *Please also see News&View (Nature 589/204, 2021) 2. Nanorods with Multidimensional Optical Information beyond the Diffraction Limit (Nature Communications 11/1, 2020) 3*. Future and Challenges for Hybrid Upconversion Nanosystems (Nature Photonics, 13/828, 2019) 4*. Recent Advances in Upconversion Nanocrystals: Expanding the Kaleidoscopic Toolbox for Emerging Applications (Nano Today, 29/100797, 2019) 5. Enrichment of Molecular Antenna Triplets Amplifies Upconverting Nanoparticle Emission (Nature Photonics, 12/402, 2018) 6*. Upconverting Nanoparticles: a Versatile Platform for Wide-Field Two-photon Microscopy and Multi-modal In Vivo Imaging (Chemical Society Reviews, 44/1302, 2015), cited > 420 times 7. Theranostic Probe Based on Lanthanide- Doped Nanoparticles for Simultaneous In Vivo Dual-Modal Imaging and Photodynamic Therapy (Advanced Materials, 24/5755, 2012), cited > 360 times 8*. Long-Term Real-Time Tracking of Lanthanide Ion Doped Upconverting Nanoparticles in Living Cells (Angewandte Chemie International Edition, 50/6093, 2011), cited > 220 times. 9*. Non-Blinking and Non-Bleaching Upconverting Nanoparticles as Optical Imaging Nanoprobe and T1 MRI Contrast Agent (Advanced Materials, 21/4467, 2009), cited > 570 times. Nature 誌 전면 표지 (2021년 1월 14일자(영국시간)) 그림 1. 툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA: Photon Avalanche) 연쇄증폭반응의 메커니즘 a. 툴륨 이온의 농도가 8% 이상일 때 광사태 현상을 일으키는 코어-쉘 광사태 나노입자 모양. * 삽입그림: 이터븀 이온 (Yb3+)의 바닥상태흡수(ground-state absorption)로부터 유발되는 기존의 에너지 전달 상향변환 (ETU: energy transfer upconversion) 과정과의 비교 그림. [그림 a 속의 용어: Core(알맹이), Inert Shell(비활성 껍질). Tm3+ concentration ≥ 8%(툴륨 이온 도핑 농도 8 퍼센트 이상). GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수). Tm3+-Tm3+ cross-relaxation(툴륨이온-툴륨이온 사이의 교차 안정화 과정 (안정화는 들뜸/여기(excitation)의 상대어)). Upconverted avalanching emssion (800 nm): 800 nm 파장에서의 상향변환 광사태 방출. 그래프의 가로축: Excitation intensity(여기광 세기), 그래프의 세로축: Emission intensity(방출광 세기)] b. 광사태 현상이 일어나기 전과 도중과 후의 3단계 과정을 보여주는 여기광세기(Excitation intensity) 대비 발광세기(Emission intensity) 거대 비선형 광학 반응 모형 곡선(Model plot of Photon Avalanching Giant Nonlinear Optical Response Curve). [그림 b 속의 용어: Before threshold(광사태 연쇄증폭반응 현상의 문턱치 직전), PA(광사태 현상 구간), Saturation(광사태 현상의 포화상태로서 과도한 여기(excitation) 광세기 구간.] c. 툴륨 이온의 4f12 오비탈 에너지 준위 그림. R1, R2는 각각 바닥상태 광흡수율(ground state excitation rate)과 여기상태 광흡수율(excited state excitation rate)을 나타내고, W2와 W3는 각각 3F4 에너지 준위와 3H4 에너지 준위로부터의 안정화 과정 후의 축적율(aggregation rate after relaxation)을 나타냄. 이러한 광흡수율들과 축적율들은 방사형 및 비방사형 안정화 과정들 (radiative and non-radiative pathways)을 설명하면서 동시에 교차안정화(cross-relaxation)나 다른 형태의 에너지 전달과정(other energy transfer processes)을 제외한다. [그림 c 속의 용어: GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수), cross-relaxation(툴륨이온-툴륨이온 사이의 교차 안정화 과정), Emission(상향변환 된 빛의 방출). 그래프의 세로축: 103 cm-1 (1,000 웨이브넘버(빛의 에너지 단위 중의 한 가지) 단위의 에너지)] 그림 2. 광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 나노스코피 이미징 a,b. 포화 광세기 구간(saturation regime: 9.9 kWcm-2)으로 여기(excite) 시켰을 때(a)와 광사태 구간(PA regime: 7.1 kWcm-2)으로 여기시켰을 때(b)의 8% 툴륨 이온으로 도핑된 광사태 나노입자(ANP: Avalanching Nano Particle) 이미지 c. 이미지 a와 b 상의 파란색 선에 해당하는 라인컷: 초고해상도를 나타내는 비교를 위해 1,064 nm의 여기광을 N.A.=1.49의 대물렌즈로 집속했을때의 이론적인 회절한계가 검은색 점선으로 표시되어 있음. d,e.이미지 a와 b에 대한 각각의 이론적인 이미징 시뮬레이션 결과인 c와 d. f. 여기광의 세기에 따른 단일 광사태 나노입자에 대한 실제 측정된(검은색) 이미징 해상도 선폭과 시뮬레이션을 통한 이미징 해상도 선폭(FWHM: Full Width at the Half Maximum) g. 포화광세기 근처로부터 광사태 문턱치 직전까지 차츰 여기광세기를 줄여가면서 8% 툴륨이온으로 도핑된 광사태 나노입자 두 개가 300 nm의 간격으로 놓여진 시료에 대해 얻어진 이미지. h. 실험적으로 얻어진 g의 이미지들에 대한 시뮬레이션 결과.

  • 뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시

    글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수

    뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시

    내 몸이 아픈 걸 다른 사람이 알기는 어렵다. 정의상 통증 경험은 주관적이기 때문이다. 효과적인 진단과 치료를 위해서는 통증을 정확하고 객관적으로 측정하고 평가할 수 있어야 하지만, 2021년 현재까지도 통증에 대한 평가는 환자에게 직접 얼마나 아픈지 물어보는 것에 전적으로 의존하고 있다. 통증은 외부 유해 자극에 대한 몸의 반응에서 기인하지만, 최종적으로 경험하는 통증은 감정, 생각, 신념, 기억 등과 같은 요소들의 영향을 받으며, 뇌기능 커넥톰*을 이루는 뇌의 여러 영역들 간의 복잡한 기능적 상호작용을 통해 일어난다. 또한 삶을 파괴하고 막대한 사회경제적 비용을 초래하는 만성 통증은 뇌기능 커넥톰 수준에서 유의미한 변화가 일어난다고 알려져 있으나, 뇌기능 커넥톰에 기반한 통증 측정 도구는 여전히 존재하지 않았다. * 뇌기능 커넥톰 : 뇌의 여러 영역들 간 시스템 수준의 기능적 상호작용을 나타낸 뇌지도 이에 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스대학교 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌기능 커넥톰을 기반으로 지속되는 통증을 읽어낼 수 있는 뇌영상 바이오마커를 개발했다. 연구팀은 통증을 오랜 시간 안전하게 유발할 수 있는 실험 방법을 고민하다가, 캡사이신을 혀에 발라 약 10분 동안 통증을 효과적으로 유발하는 방법을 고안했으며, 피험자가 입안에서 통증을 느낄 때 기능자기공명영상(fMRI)을 이용하여 뇌기능 커넥톰의 변화 패턴을 기록했다. 이렇게 만들어진 통증 마커는 109명의 건강한 실험 참가자들의 지속적 통증 강도를 성공적으로 예측했을 뿐만 아니라, 192명의 허리통증 환자들의 통증 점수 또한 높은 정확도로 예측했다. 우충완 교수는 "본 연구를 통해 실험실에서 캡사이신으로 유발한 지속적인 통증에 대한 뇌의 반응 양상이 만성 통증 환자들에게 나타나는 뇌의 반응 양상과 유사하다는 사실을 발견했다”며 "만성 통증이 일어나는 뇌 기제를 이해하고, 궁극적으로는 통증 환자들을 도울 수 있을 것”이라고 말했다. 제1저자인 이재중 박사과정생은 "본 연구는 이미 통증에 연관되어 있다고 알려진 일부 뇌 영역들뿐만 아니라, 전체 뇌의 역동적인 상호작용이 지속적 통증을 이해하는 데 매우 중요함을 시사한다”며 "통증이 뇌기능 커넥톰을 통해서 매개되는 다차원적인 경험임을 보여주는 새로운 증거”라고 말했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부에서 지원하는 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원에서 지원하는 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 연구결과물이며, 세계적인 학술지인 네이처 메디슨(Nature Medicine, IF 36.130)에 1월 5일(화) 게재됐다. ※ https://youtu.be/U_Y7vwGw5So [그림1] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커. 각 선은 뇌기능 커넥톰 마커에서 다른 뇌 영역 간 상호작용의 세기를 나타냄. [그림2] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커에서 가장 중요한 기능적 연결들.

  • 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐 해결 단서 규명

    성균나노과학기술원 이진욱 교수

    페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐 해결 단서 규명

    성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 중요 연구 결과를 발표하였다. 관련 연구 논문 4편이 재료분야 국제저널랭킹 상위 2% 이내 저널인 Joule (영향력지수=29.155)지를 포함하여 Nature Communications, Advanced Functional Materials, Journal of the American Chemical Society 지에 차례로 게재되었다. 금속 할라이드 페로브스카이트 재료에 기반한 광전소자가 기존 상용화된 소자에 비견하는 성능을 보이며 최근 국내외 연구기관 및 기업에서 상용화를 위한 투자를 시작하고 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율이 25%를 넘어서면서 기존에 상용화된 실리콘 태양전지의 광전변환효율 (약 26%)에 근접하였으며, 제작단가가 훨씬 저렴할 것으로 기대되어 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐은 소자 수명 개선을 위한 결함 생성 억제 및 치료 이슈이다. 저온 용액공정을 통해 제작되는 페로브스카이트 결정 박막 내에는 전하를 띈 이온성 결함이 높은 농도로 존재하는데, 이러한 결함은 결정 내 전하수송능력을 저하시켜 광전소자의 성능을 감소시킬 뿐만 아니라 전기장에 의해 쉽게 이동하여 소자의 수명에 치명적이다. 이진욱 교수 연구팀은 고체 에피택시얼 결정성장법을 이용하여 페로브스카이트 박막 내 결함농도를 획기적으로 줄이는 방법을 개발하였으며 (Nat. Commun., 2020, 11, 5514), 성장된 박막내에 결함을 부작용 없이 효과적으로 치료하는 방법을 개발하였다 (Joule, 2020, 4, 2426; Adv. Funct. Mater., 2020, 2007520; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20071). 해당 기술이 적용된 태양전지와 LED는 기존 소자에 비해 월등히 개선된 성능과 수명을 보였다. 이진욱 교수 연구팀이 개발한 기술은 페로브스카이트 광전소자의 안정성 문제를 해결하기 위한 중요한 과학적 단서를 제공하였을 뿐만 아니라 추후 페로브스카이트 광전소자 상용화를 위한 주요 원천기술이 될 것으로 예상되고 있다. ※ 관련 논문 1) Shallow iodine defects accelerate the degradation of α-phase formamidinium perovskite, Joule, 2020, 4, 2426. (교신저자-이진욱 교수) 2) Solid-phase hetero epitaxial growth of α-phase formamidinium perovskite, Nature Communications, 2020, 11, 5514. (제 1저자 및 교신 -이진욱 교수) 3) Stable and efficient methylammonium, cesium, and bromide-free perovskite solar cells by in-situ interlayer formation, Advanced Functional Materials, 2020, 2007520. (교신저자-이진욱 교수) 4) Molecular interaction regulates performance and longevity of defect passivation for metal halide perovskite solar cells, Journal of the American Chemical Society, 2020, 142, 20071. (교신저자-이진욱 교수) 그림: 고체 에피성장법을 이용한 고품질 페로브스카이트 박막 성장 (a) 상변이를 이용한 고체 에피성장법 모식도 (b) 기존 박막 성장법 및 에피성장법을 이용 시 상변이 속도 비교 (c, d) 기존 결정성장법과 에피성장법 (NHE)을 이용한 박막의 X-ray diffraction pattern 및 형광 라이프타임 측정 결과

  • 니트로계 화합물 검출을 위한 형광증폭 센서 세계 최초 개발

    약학과 김인수 교수

    니트로계 화합물 검출을 위한 형광증폭 센서 세계 최초 개발

    약학과 김인수 교수 연구팀(공동저자: 안원 박사과정)과 숙명여자대학교 화학과 박정수 교수 및 미국 University of Texas at Austin 화학과 Jonathan L. Sessler 교수 연구팀이 니트로계 폭발성 화합물을 선택적으로 검출할 수 있는 비율계량적 형광 증폭 센서(ratiometric fluorescence amplication sensor)를 세계 최초로 개발했다. 니트로계 화합물은 대기 중의 산소 없이도 급속하게 기체를 발생시키면서 발열적으로 반응하는 폭발성 물질로 알려져 있다. 대표적인 폭발성 물질로는 트리니트로톨루엔(TNT) 및 니트로메탄 등이 있으며, 현재 화약을 비롯한 폭발물 제조를 위한 기본 원료로 사용하고 있다. 또한 니트로계 화합물은 의약품 제조 공정에서도 사용하고 있으며, 항부정맥 치료제(nifedipine) 및 발기부전 치료제(viagra) 등이 알려져 있다. 강한 충격 및 가열에 의해 폭발할 우려가 있으므로 취급 시 주의가 필요한 화합물이다. 연구팀은 형광단-초분자 결합체를 이용한 형광표시자 변위 검색법(fluorescence indicator displacement assay)을 활용하여, 다양한 니트로계 방향족 화합물에 선택적으로 감응할 수 있는 형광 증폭 센서를 세계 최초로 개발하였다. 특히 니트로계 화합물의 종류에 따라 식별 가능한 비율계량적 파장 변화를 검출할 있는 방법을 제시하였다. 기존에 보고된 니트로계 화합물 감지 화학 센서는 발광세기가 단순 감소하는 형광 소광 센서(fluorescence quenching sensor)에 의존하고 있으며, 형광 증폭 센서(fluorescence amplication sensor)에 비해 낮은 감도, 선택성 부족 및 거짓 양성(false positive) 등이 큰 문제점으로 인식되고 있다. 김인수 교수는 “이번 연구결과는 소량의 폭발성 니트로계 화합물을 선택적으로 검출할 수 있는 신기술의 개발”이라며 “특히 육안으로 판별이 가능한 형광 증폭 기술 및 낮은 거짓 정보(false alarm) 등은 향후 휴대성이 용이한 소형 폭발물 검출 센서 제품 개발에 활용될 수 있을 것이다”라고 설명했다. 이번 연구결과는 화학분야 세계적 학술지 Journal of the American Chemical Society(JACS, IF = 14.612) 11월호 표지논문을 장식하였으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL) 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.

  • 신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 신호탄 제시

    약학과 김인수 교수

    신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 신호탄 제시

    약학과 김인수 교수 연구팀(제1저자 Prithwish Ghosh 박사후연구원, 공동 제1저자: 권나연 석박사통합과정)이 항바이러스 의약품 내 핵심구조로 알려져 있는 뉴클레오시드 유사체(nucleoside analogues)를 선택적으로 변환시키는 합성기술을 개발하여 신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 청신호를 제시하였다. 이번 연구결과는 화학 분야 세계적 학술지 Angewandte Chemie(IF=12.959) 온라인판 9월호에 게재되었다. 뉴클레오시드 유사체는 DNA와 RNA의 근간이 되는 인산, 당, 염기를 변형시켜 DNA 또는 RNA와 구조적으로 유사하도록 만든 의약품으로, 바이러스 세포에 흡수되어 유전체 합성을 제어할 수 있는 특성을 가지고 있어 항바이러스제로 사용하고 있다. 현재까지 20개 이상의 뉴클레오시드 유사체가 헤르페스(HSV), 에이즈(HIV), B형/C형 간염(HBV/HCV) 등의 바이러스 감염질환 치료에 활용되고 있으며, 특히 신종 코로나바이러스(COVID19) 치료제로 각광받고 있는 렘데시비르(remdesivir) 약물도 뉴클레오시드 유사체로 알려져 있다. 연구팀은 이번 연구를 통해, 손쉽게 활용이 가능한 황 일라이드(sulfur ylides)를 활용하여 뉴클레오시드 유사체 내 핵염기(nucleobase)를 선택적으로 알킬화(alkylation)시키는 합성법을 세계 최초로 개발하였다. 기존에 보고된 핵염기의 알킬화 합성법은 유기용매하에서 적용, 낮은 화학반응성 및 여러 단계를 거쳐야하는 복잡한 공정 때문에 의약품 생산을 위한 추가적인 생산비용 발생 및 대량생산으로의 제약이 있었다. 황 일라이드는 노벨화학상 수상자인 코리(E. J. Corey) 교수가 1960년에 개발한 시약으로, 삼각고리 화합물 제조에 국한되어 활용되어 왔다. 김인수 교수 연구팀은 뉴클레오시드 유사체를 알킬화하기 위한 효과적인 시약으로 황 일라이드의 중요성을 부각시키는 계기를 만들었으며, 물 또는 알코올이 반응 용매로 사용되어 의약품 생산 비용을 저감할 수 있는 획기적인 합성법으로 평가받고 있다. 김인수 교수는 “이번 연구결과는 탄소-수소 결합의 직접적인 변환반응을 위한 황 일라이드의 새로운 반응성 발견”이라며 “특히 신종 코로나바이러스로 고통 받고 있는 인류에게 항바이러스 의약품 개발을 촉진하는 새로운 신호탄을 제시한 연구이며, 기존 다단계의 합성공정에 기반한 뉴클레오시드 유사체 제조방법을 획기적으로 개선한 최적의 합성법이다”라고 설명했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL), 중견연구자지원사업 및 신/변종 바이러스 대응 원천기술 개발 사업의 지원으로 수행되었다. ○ 녹색 선 위 그림 : 황 일라이드(sulfur ylide)에 의해 뉴클레오시드 유사체 내 핵염기 탄소-수소 결합이 알킬기로 치환되는 반응을 나타내는 반응식 ○ 녹색 선 아래 그림 : 핵염기에 활용되고 있는 피라지논(pyrazinones) 및 아자유라실(azauracil)과 황 일라이드를 물 용매 하에 반응했을 경우 기존에 알려져 있는 삼각고리 화합물이 생성되는 것이 아니라 핵염기에 알킬화 반응이 진행된다는 것을 제시한 반응식임. 반응 기전 a는 노벨화학상 수상자인 코리 교수가 제시한 합성법이며, 반응 기전 b는 본 연구를 통해 찾아낸 신규 합성법임. 반응 기전 a와 b의 경로를 조절하기 위해서는 반응 기질, 반응 시약, 용매 및 온도 등의 외부적인 환경 요인이 매우 중요함을 제시함. 영문으로 제시한 4개의 문장은 화학반응의 독창성 및 우수성을 요약한 것임

  • 트라우마, 재난심리지원... 코로나 바이러스의 심리사회적 영향 연구들

    교육학과 이동훈 교수

    트라우마, 재난심리지원... 코로나 바이러스의 심리사회적 영향 연구들

    우리 삶에는 잠재적인 재난의 위험이 항상 도사리고 있다. 지진, 태풍, 쓰나미 등과 같은 자연재해 뿐만 아니라 문명이 발달함에 따라 증가하는 사회적 재난도 우리의 목숨을 위협하고 있다. 최근에 우리는 상상하지 못한 바이러스의 팬데믹까지 경험하고 있다. 이러한 재난들은 막대한 인명피해와 재산 손실, 실직 등 물질적, 경제적인 피해뿐만 아니라, 재난 피해자들에게 개인의 삶을 뒤흔들 정도의 위협적인 사건으로 남아 사회적 기능 및 정신․심리적인 기능에 문제를 야기할 수 있다. 교육학과 이동훈 교수(외상심리건강연구소 소장) 연구팀은 2014~2016년까지 안전행정부 <재난분석을 통한 심리지원 모델링 개발> R&D를 수행한 이후로 대규모 재난이 발생했을 때 국가차원의 심리지원 방안수립과 관련된 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 2019년부터는 삼성서울병원 정신건강의학과 전홍진교수 연구팀과 <성인 및 고위험 대학생에 대한 자살 고위험군 선별 및 평가도구의 적용 및 효과검증> 보건복지부 정신건강문제해결 연구사업(3년과제)에 참여하고 있다. [1] ‘OMEGA - Journal of Death and Dying‘(SSCI), 2020. 8월 9일 “A Longitudinal Perspective on Bereaved Parent’s Changes in Life Experience” (김예원, 이동훈, 전홍진) · 트라우마를 경험한 개인들은 극심한 심리적 고통과 두려움을 경험하게 되면서 자신의 삶에 대한 예측과 통제감을 상실하고, 특히 자기에 대한 변화되는 느낌을 갖게 된다. · 연구결과는 재난으로 자녀를 잃은 부모들은 다른 종류의 상실 경험보다 더욱 강력하고 지속적인 비애반응과 정신건강의 어려움을 경험할 뿐만 아니라, 슬픔으로 인한 부정적인 영향으로부터 장기간 회복되지 못할 수 있음을 시사하고 있다. 재난 피해자들에 대한 심리지원이 재난 초기뿐 만 아니라 이후 몇 년이 지난 시점에도 지속되어야 할 필요성이 있음을 밝히고 있다. [2] 한국심리학회지: 상담 및 심리치료, 2020.11월 30일 출간 예정 <코로나바이러스(COVID-19) 감염에 대한 일반대중의 두려움과 심리, 사회적 경험이 우울, 불안에 미치는 영향> (이동훈, 김예진, 이덕희, 황희훈, 남슬기, 김지윤) · 2016년 한국심리학회지: 일반에 '메르스 감염에 대해 일반대중이 경험한 두려움과 정서적 디스트레스에 관한 탐색적 연구'(이동훈, 김지윤, 강현숙) 논문을 게재한 바 있는 이동훈 교수 연구팀은 코로나와 같은 전염성 사회 재난이 일반대중에 미치는 심리사회적 영향을 살펴보고, 신종 전염병이 대중들의 부정적 심리 경험에 영향을 미치는 다양한 원인을 파악하고자 하였다. · 본 연구에서는 국내에서 메르스(MERS)를 비롯하여 사스(SARS), 신종 인플루엔자 A(H1N1) 등 전염성 질환이 지속적으로 발생해왔지만, ‘기술적 방역’과 더불어 ‘심리적 방역’을 병행해야 일반국민의 두려움과 공포, 불안과 우울을 줄일 수 있음을 밝히고 있다. · 신종 전염병의 유입을 막는 것은 불가능하고 언제든 다시 발생할 수 있기에, 추후 발생할 수 있는 전염성 사회재난에 대응할 수 있는 국가적 차원의 심리사회적 방역 방안 마련이 필요함을 제시하고 있다. ※ 언론 참고자료 - 코로나연구 1. 동아일보 https://www.donga.com/news/It/article/all/20200908/102839839/1 2. 연합뉴스 TV https://www.yonhapnewstv.co.kr/news/MYH20200906003600038 https://www.yna.co.kr/view/AKR20200905044100004 3. 매경 https://www.mk.co.kr/news/society/view/2020/09/918328/ - 메르스 연구 1. https://news.joins.com/article/23720342 [출처: 중앙일보] 코로나 스트레스로 공황까지…대구에 ‘심리적 방역’ 절실 2. http://biz.heraldcorp.com/view.php?ud=20160714000138 코리아 헤럴드 경제

  • 나노기술을 이용한 중증 코로나바이러스 감염증-19 및 패혈증 치료 후보 물질개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수

    나노기술을 이용한 중증 코로나바이러스 감염증-19 및 패혈증 치료 후보 물질개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수 연구팀은 국내 공동 연구팀 (이원화 박사, 한국생명공학연구원; 안준홍 교수, 영남대학교병원; 박희호 교수, 강원대학교; 박우람 교수, 가톨릭대학교)과 함께 코로나19(COVID-19) 및 패혈증(sepsis) 환자의 중증도를 선별할 수 있는 바이오마커를 발견하고, 이를 활용한 나노재료 기반 범용 치료 후보 물질을 개발하였다. 2020년 한국을 포함한 전세계적인 코로나19 유행으로 현재까지 3200만명이 넘는 감염자와 100만명이 넘는 사망자가 발생하고 있다. 코로나19 감염은 과염증 반응을 일으켜 국소 및 전신 조직 손상을 초래할 뿐만 아니라, 경증 호흡기 질환에서 중증 진행성 폐렴, 급성 호흡기 증후군 및 패혈증 같은 합병증을 유발한다. 현재 코로나 바이러스에 대항하는 백신이나 뚜렷한 치료법이 없으며, 중증으로 악화되거나 사망하는 환자들을 예측할 수 있는 바이오마커도 없는 실정이다. 박천권 교수 연구팀은 중증 코로나 환자의 혈액에서 NETosis (네토시스 현상; 비정상적으로 활성화된 호중구로 인한 과염증반응으로 세포가 사멸되는 과정이며, 폐혈증과 같은 여러 합병증을 유발함) 관련 인자들이 정상인과 코로나19 경증 환자에 비해 매우 높게 발현되었음을 발견하였고, 이를 억제할 수 있는 체내 DNase-Ⅰ의 농도가 매우 낮음을 확인하였다. 연구팀은 오징어 먹물의 주성분인 ‘멜라닌’의 우수한 생체적합성과 접착특성에 착안하여 체내에서 장시간 혈중 순환이 가능한 나노입자을 제작하였으며, NETosis의 주성분인 DNA를 분해하는 생체분자DNase-Ⅰ을 멜라닌 나노입자 표면에 접착시켜 NETosis를 억제하고 장기간 치료효과를 보일 수 있는 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자를 제작하였다. 박천권 교수 연구팀은 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자가 혈중에서 장시간 약효가 유지됨을 확인하였으며, 또한 중증 코로나 바이러스 환자의 혈액샘플과 패혈증 동물모델에서DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자를 투여하는 것이 DNase-Ⅰ 단독 투여보다 유의미한 차이를 보이며 NETosis를 억제함으로서 과염증 반응을 낮춰 전신 염증을 완화하고 사망률을 낮추는 것을 확인하였다. 이를 통해 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자가 중증 코로나 바이러스 환자의 NETosis 현상을 억제하여 급성 호흡기 증후군, 폐렴, 패혈증으로의 진행을 예방하는데 도움이 되며, 코로나 바이러스 치료에 큰 효과를 보일 수 있다는 점을 밝혔다. 박천권 교수 연구팀은 개발된 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노치료제를 코로나 바이러스의 감염 증상을 잠재적으로 치료할 수 나노입자 기반 신약으로 발전시켜 적용하는 것이 향후 계획이라고 밝혔다. Published article: Park, H. H., Park, W., Lee, Y. Y., Kim, H., Seo, H. S., Choi, D. W., Kwon, H.-K., Na, D. H., Kim, T.-H., Choy, Y. B., Ahn, J. H.,* Lee, W.,* Park, C. G.*, Bioinspired DNase-I-coated melanin-like nanospheres for modulation of infection-associated NETosis dysregulation, Advanced Science, accepted, 2020 (그림 1) DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자 제작 및 생체 적용 모식도 (a) 삼중 코팅법에 의해 제작된 DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자 의 구조. (b) 제작된 DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자가 코로나19 중증 환자의 폐에서 NETosis를 억제시켜 패혈증 진행을 억제하고 코로나19를 치료하는 과정

  • 인간 뇌 신경세포처럼 동작하는 인공지능(AI) 반도체 시냅스 소자 개발

    전자전기공학부 박진홍 교수 ·서승환 연구원 ·오세용 연구원

    인간 뇌 신경세포처럼 동작하는 인공지능(AI) 반도체 시냅스 소자 개발

    [1] Nature Communications 8월 7일 (IF: 12.121); 선형적이고 대칭적인 장기 기억 강화 및 약화 특성을 갖는 시냅스 모방 반도체 소자 제조 기술 개발; Artificial Van der Waals Hybrid Synapse and its Application to Acoustic Pattern Recognition; 서승환(1저자)/박진홍 교수(교신저자) [2] Nature Communications 9월 14일 (IF: 12.121); 수직 이온-젤 트랜지스터를 이용해 크로스바 어레이로 확장 가능한 인공 시냅스 소자 개발; Vertical Organic Synapse Expandable to 3D Crossbar Array; 오세용(1저자)/박진홍 교수(교신저자) 인간 두뇌의 학습 원리를 모방한 뉴로모픽 칩은 대량의 정보를 병렬적으로 처리하여 소비 전력을 최소화하고, 학습을 통하여 자신의 연산 기능을 향상 시킬 수 있어 차세대 정보처리 칩으로 각광받고 있다. 특히 최근 뉴로모픽 칩의 병렬 정보처리와 학습 능력 구현에 필수적인 시냅스 모방 반도체 소자에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 연구팀은 [1]번 연구에서 선형적인 장기 기억 ‘강화’에 적합한 ‘P형’ 반도체 채널과 장기 기억 ‘약화’에 적합한 ‘N형’ 반도체 채널을 결합해 선형적이면서 대칭적인 장기 기억 강화 및 약화 특성을 갖는 ‘혼성 채널’ 시냅스 모방 반도체 소자를 구현하고, 이들로 구성된 하드웨어 인공신경망을 활용하여 음성 정보 패턴 인식률을 크게 향상시키는 데 성공했다. 또한 [2]번 연구에서는 유기박막 트랜지스터의 채널 영역에 사용되는 고분자 반도체 (poly(3-hexylthiophene), P3HT)층에 저전력 구동이 가능한 이온-젤 게이트 절연체를 도입해 고성능 시냅스 모사 수직형 트랜지스터 소자를 개발했다. 구현된 시냅스 소자는 이온-젤 내부의 이온들의 움직임에 따라 반도체 채널의 전류량이 조절되는 원리를 이용하여 세포막 사이의 신경전달물질의 움직임에 의해 나타나는 생물학적 시냅스의 전기화학적 특성을 효과적으로 모사하였다. 이 연구들은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 7일 및 9월 14일 자 논문으로 게재되었다. * 좌측부터 박진홍 교수, 서승환 박사과정, 오세용 박사과정

  • 전립선비대증 환자의 미충족 의료 발생요인 규명

    의학과 이규성 교수 ·의료기기산업학과 이문재 교수

    전립선비대증 환자의 미충족 의료 발생요인 규명

    일차의료를 중심으로 전립선비대증의 예방, 조기치료 유도 필요 융합연구를 통해 ICT 기반 의료기기, 돌봄 로봇 활용으로 미충족 의료 해결 가능성 시사 성균관대학교 비뇨의학과 이규성 교수(삼성서울병원 연구부원장, 의료기기산업학과) 연구팀과 고려대학교 보건정책관리학부 최만규 교수 연구팀, 성균관대학교 의료기기산업학과 이문재 교수 연구팀이 공동으로 연구한 전립선비대증 환자의 미충족 의료에 대한 논문이 세계적 학술지 ‘Journal of Clinical Medicine’에 온라인으로 지난 3월 25일(수)에 게재되었다. 전립선비대증은 생명에 치명적인 질병은 아니나 배뇨장애 등의 증상으로 일상생활에 불편함을 가져와 삶의 질을 저하시키는 질병 중 하나이다. 노인성 질환인 전립선비대증은 최근 비만, 당뇨, 고혈압과 같은 대사증후군 환자의 증가로 유병률이 증가하고 있다. 그러나 이를 노화의 과정 또는 일시적인 증상이라 여겨 의료서비스를 제때 받지 못해 전립선비대증 환자의 미충족 의료경험이 증가하고 있는 상황이다. 연구팀은 전립선비대증 환자의 미충족 의료 요인을 분석하기 위해 Andersen’s Behavioral Model을 활용하였다. Andersen’s Behavioral Model은 의료서비스 이용의 예측 요인을 분석하고, 의료이용에 영향을 미치는 요인을 측정하고 있어 미충족 의료 연구에서도 사용되고 있다. Andersen’s Behavioral Model은 의료서비스 이용과 관련된 요인들을 소인요인, 가능요인, 필요요인으로 나누어 범주화하고 있다. 지금까지 미충족 의료에 대한 여러 연구들이 진행되어왔지만, 전립선비대증 환자의 미충족 의료를 유발하는 근본적인 원인을 규명하는 연구는 부재한 상황이었다. 이에 연구팀은 전립선비대증 환자의 미충족 의료 원인을 밝히고, 환자를 효과적으로 관리할 수 있는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 연구결과에 따르면 Andersen’s Behavioral Model 중 소인요인에서는 연령, 교육수준이 미충족 의료에 영향을 미쳤으며, 가능요인에서는 의료보장유형이 영향을 미쳤다. 또한 필요요인에서는 와병경험이 전립선비대증 환자의 미충족 의료에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 상대적으로 연령이 낮은 환자일수록 미충족 의료 경험이 많았으며, 교육수준이 높을수록 미충족 의료 경험이 낮은 것으로 나타났다. 또한 건강보험 혜택을 받을수록 미충족 의료 경험이 줄어들었으며, 병상에 누워있는 환자일수록 미충족 의료 경험이 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 이러한 연구결과를 바탕으로 전립선비대증 환자의 미충족 의료 경험을 줄이기 위해서는 질병에 대한 정확한 정보를 사전에 제공하여 증상이 발견되었을 때 조기에 치료받을 수 있도록 유도할 필요가 있음을 확인했다. 또한 전립선비대증과 같이 환자가 스스로 건강 문제를 무시하는 경우가 많은 질환은 예방, 조기진단 등의 중요성을 강조하는 정책적 노력이 필요하다고 강조했다. 특히 연구팀은 임상, 보건학 등의 융합연구로 새로운 관점에서 미충족 의료를 해결하고자 하였다. 본 논문의 제1저자인 이문재 교수는 “예방, 조기진단에 대한 교육을 위해서는 일차의료의 활용이 필요하며, 일차의료 중심으로 이루어지고 있는 커뮤니티케어 사업으로 질병의 지속적인 관리가 이루어질 것으로 기대된다”라고 전하며, “특히 신체활동에 제한을 받는 전립선비대증 환자의 경우 ICT 기반 의료기기, 돌봄 로봇 등을 활용하여 의료서비스를 제공한다면 미충족 의료를 해결할 수 있을 것이다”라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 일반공동연구지원사업(NRF-2019S1A5A2A03040304)의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명: Unmet Medical Needs of Patients with Benign Prostate Enlargement ※ 논문 출처: https://www.mdpi.com/673294  

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