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인공장기 생체 단백질 모방 금속 필름 개발
오랜 기간에 걸쳐 생체 구조체를 형틀로 삼아 다양한 무기물을 증착 및 성장시킴으로써 생체 모방 재료를 합성하는 연구들이 이루어져 왔는데, 이를 생체 형틀법이라고 한다. 이런 생체 형틀법은 생체에 있는 특정 구조체에 사용되어 오랜 시간 동안 에너지, 광학, 마이크로로봇, 의료 분야 등에 응용되어 왔다. 특히 생체 구조체를 사용하고 모방했다는 점에서 인체 내 활용이 용이하여 인공장기나 상처 치유 분야로 많이 연구되었다.
우리 대학 신소재공학과 장재범, 김일두 교수 연구팀이 생체 형틀법을 이용해 세포외 기질을 구성하는 여러 단백질 중 원하는 특정 단백질만을 선택해 해당 단백질 구조체를 모방한 금속 필름을 합성하고 전기 전달 특성을 확인하는 것에 성공했다고 16일 밝혔다.
세포외 기질이란 세포 밖에 존재하며 세포의 분화, 성장, 이동에 중요한 역할을 수행할 뿐만 아니라 생체 조직과 기관(organ)의 구조적·기계적 특성 유지에 필수적인 생체 구조물이다. 이러한 세포외 기질은 여러 단백질을 포함하며, 그 단백질 구조체를 원하는 형태로 변형하거나 최근에는 세포외 기질을 3D 프린팅을 위한 바이오잉크로 사용할 만큼 세포외 기질을 다루는 많은 기술 개발이 진행되고 있다. 따라서 세포외 기질은 생체 형틀법을 통해 다양한 구조의 재료 합성에 이용될 수 있지만, 현재까지 관련된 연구는 많이 이뤄지지 않았다.
연구팀은 2022년 항체(Antibody)를 활용한 신개념 생체 형틀법인 `항체 유도 생체 형틀‘을 개발해 최초로 다세포 생물 내부에 있는 특정 단백질 구조체를 모방한 금속 구조체를 합성하는 데 성공했다. 이번 연구에서는 이전 연구를 세포외 기질로 확장해 세포를 지탱하는 구조체를 구성하는 단백질 중 피브로넥틴(fibronectin)을 표적 단백질로 삼아 그물형 금속 필름 제작에 성공했다.
연구팀은 이에 더 나아가 합성한 그물형 금속 필름에 추가적 처리를 통해 금속을 통한 전기 전달이 가능하도록 만들었다. 이를 기반으로 물을 전기 분해하여 수소를 생산하거나, 또는 수소와 금속간 화학적 반응을 통해 수소를 검출할 수 있는 센서로 활용할 수 있었다.
해당 기술은 다양한 생물의 세포외 기질에도 적용 가능할 것으로 예상되어 더 큰 규모나 더 복잡한 생체 모방 재료 합성도 가능할 것으로 생각된다. 또한, 원하는 형태로 세포외 기질을 패턴화 및 정렬함으로써 본 기술로 전기 회로 제작도 가능할 것으로 생각된다.
우리 대학 신소재공학과 송창우 박사과정, 안재완 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 10월 18일 자로 온라인 공개되었으며, 전면 표지 논문(Front Cover)으로 선정됐다. (논문명 : Metallization of Targeted Protein Assemblies in Cell-Derived Extracellular Matrix by Antibody-Guided Biotemplating).
제1 저자인 송창우 박사과정은 "이번 연구는 기존에 개발한 항체 유도 생체 형틀법을 세포외 기질로 확장함으로써 합성된 생체 모방 재료가 더 다양한 분야에 활용 가능하다는 것을 보였다ˮ 라며 "이를 기반으로 조직 수준의 세포외 기질 및 원하는 형태로 변형된 세포외 기질을 이용해 조직 공학(Tissue engineering) 및 생체 조직 제조(Biofabrication)으로 활용 범주를 넓힐 수 있을 것이다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 과학난제도전 융합연구개발사업, 웨어러블 플랫폼소재 기술센터, 우수신진연구사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2023.11.17
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뉴로모픽 반도체로 통증도 느낀다
최근 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 반도체 소자 연구가 주목받고 있다. 이에서 더 나아가 최근에는 뇌를 넘어 첨단 센서와 휴머노이드 분야에 적용가능한 감각신경계 모사에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
우리 대학 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 새로운 메모리 소자인 멤리스터를 사용하여 통증자극 민감도 조절 기능을 갖는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.
※ 멤리스터(memristor): 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어로, 전류의 흐름에 따라 저항이 변화하는 전자소자
감각신경계의 핵심적인 역할 중 하나는 유해한 자극을 감지해 위험한 상황을 회피하는 것이다. 특히 통각수용체는 자극이 민감도의 임계치를 넘으면 통증 신호를 발생하여 인체가 자극에서 회피할 수 있도록 한다. 이를 위해 통각수용체의 신호 전달에는 통증 신호를 전달하는 흥분성 신경전달물질(Excitatory Neurotransmitter)과 외부 자극에 대한 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질(Inhibitory Neurotransmitter)이 관여하는 것으로 알려져 있다. 특히 억제성 신경전달물질은 흥분 작용과 역균형을 이뤄 신경의 과도한 활성화를 방지하고, 다양한 외부 자극에 적절하게 반응하기 위한 핵심적인 역할을 가지게 된다. <그림 1> 그동안 이러한 복잡한 감각신경계의 동작을 모사하는 전자 소자를 개발하는 연구가 활발히 진행되었는데, 기존의 연구에서는 흥분성 신경전달물질의 특성은 쉽게 구현할 수 있었으나, 억제성 신경전달물질에 의한 임계치 조절 특성까지 동시에 구현하는데 한계가 있었다.
김경민 교수 연구팀은 이중 전하 저장층 구조를 통해 외부에서의 자극에 대한 임계치를 조절할 수 있는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 개발했다. <그림 2> 두 종류의 서로 다른 전하 저장층은 각각 전도성을 조절하는 흥분성 신경전달물질의 역할과 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질의 역할을 맡아 통각수용체의 필수적인 기능들인 통증 전달 특성(threshold triggering), 통증 완화(Relaxation), 통증 민감화(Sensitization) 등의 특성을 조절할 수 있음을 확인했다. <그림 3> 이는 신경계의 복잡한 기능을 신경계의 동작 원리를 모방하여 단순한 구조의 전자 소자로 구현하는 새로운 방법을 제시한 의의가 있다.
또한, 이 소자는 온도 자극에도 반응하는 온도수용체 특성을 보였으며, 특히 억제성 상태를 제어하여 단일 소자가 고온 범위와 저온 범위를 모두 감지할 수 있는 가변적인 온도수용체 특성을 구현할 수 있었다. <그림 4> 이러한 통각수용체, 온도수용체 소자는 인간을 모방하는 휴머노이드 피부에 적용하여 인간과 같은 방식으로 자극을 감지하는 센서로 활용될 수 있다.
김경민 교수는 "이번 연구는 흥분성 및 억제성 신호 작용의 특성을 단일 소자에 구현해, 간단한 반도체 기술로 복잡한 생물학적 감각신경계의 특성을 모사하는 새로운 방법론을 제시한 것에 큰 의의가 있다ˮ며 "이처럼 임계치를 조절할 수 있는 특성은 감각신경계 모사뿐 아니라 임계 스위칭 특성을 활용하는 보안 소자나 차세대 컴퓨팅 소자에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 밝혔다.
한편 이번 연구는 신소재공학과 김근영 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, Impact Factor: 29.4)'에 10월 21일 字 온라인 게재됐다.
이번 연구는 한국연구재단, 나노종합기술원, KAIST, 그리고 SK 하이닉스의 지원을 받아 수행됐다. (논문명: Threshold Modulative Artificial GABAergic Nociceptor, 논문링크: https://doi.org/10.1002/adma.202304148)
2023.11.15
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메타버스대학원, '메타버스 대전'비전 선포식 개최
우리 대학이14일 오후 대전시 유성구 호텔 오노마에서 '메타버스 대전' 비전 선포식을 개최했다.
메타버스대학원(책임교수 우운택)은 메타버스를 통해 전 세계를 하나의 도시로 연결하고 세계 시민들과 만나며 소통하고 협력하는 미래상을 '메타버스 대전: 모든 메타버스의 길은 대전으로 이어진다'라는 비전에 담았다.
이 비전의 실현을 위해 다음 10년 동안의 연구 주제를 '메타-대전'으로 선정하고 뉴욕대학교에 '포스트메타버스연구센터(이하, PMRC)'를 설치해 개방형 협력 연구 플랫폼으로 활용할 계획이다.
2024년 하반기 설치 예정인 PMRC에서는 시간과 공간의 제약을 초월해 전 세계 사람들을 연결하고 새로운 경험을 공유하게 만드는 '확장된 가상 세계'로서의 메타버스의 특성을 활용하는 '메타뮤지엄' 연구를 진행한다.
'메타뮤지엄'은 '메타대전' 첫 번째 대표 사업으로 대전 시민이 우리 대학미술관을 방문하면 뉴욕 현대미술관과 메트로폴리탄 미술관의 전시물을 감상할 수 있으며, 대강당에서 뉴욕 카네기홀의 공연을 관람할 수 있는 플랫폼을 구축하는 연구다.
이를 위해, 우리 대학과 뉴욕대학교의 핵심 기술 능력을 통합하고, 한국전자통신연구원의 플랫폼 기술, 한국과학기술정보연구원의 XR 협업 플랫폼과 슈퍼컴퓨터 및 초고속 네트워크, 한국건설기술연구원의 가상 건설 기술을 결합해 미래형 메타버스를 현실화하는 것이 목표다.
나아가 한의학연구원의 역량을 더해 세계 시민들의 건강을 유지 관리하는 플랫폼을 구축하는 등 메타버스로 증강하여 시공간의 한계를 넘나들며 세계 각지를 잇는 미래 도시의 모형을 제시하는 것이 ‘메타버스 대전’ 비전이 추구하는 궁극적 방향성이다.
이날 비전 선포식에는 이광형 KAIST 총장, 방승찬 한국전자통신연구원장, 김재수 한국과학기술정보연구원장, 이진용 한의학연구원장, 김영진 대전세종연구원장 등 관련 출연연과 기업 대표 및 관계자 등 100여 명의 대학원생과 대전시민들이 참석했다.이장우 대전시장은 영상을 통해 "대전은 세계가 인정하는 과학수도로서 모든 메타버스의 길은 대전으로라는 슬로건처럼, 대한민국 모든 국가 전략기술은 대전이 그 중심이 되어야 한다"고 축사를 전했다. 이와 함께, 에릭 아담스(Eric Adams) 뉴욕 시장, 린다 밀스(Linda G. Mills) 뉴욕대 총장 등도 영상으로 축사한다.
메타버스대학원을 이끄는 우운택 교수는 "개방형 산학연 국제 협력 연구 플랫폼을 통해 문화 예술 경험을 공유하는 것을 시작으로 교육, 의료, 산업 등의 분야로 적용 영역을 확대해 '메타-대전'의 꿈을 실현하겠다"라고 기대감을 밝혔다.
이광형 KAIST 총장은 "우리가 어떤 기술로 세상을 보느냐가 세계를 바꾸고, 보는 방식의 혁신은 우리의 세계를 진화시킨다"라며, "메타버스는 상상의 눈으로 세상을 경험하는 새로운 방식이며 우리의 삶에 큰 영향을 미칠 것"이라고 말했다. 한편, 이날 행사에서는 비전 선포에 이어 'KAIST 메타대전 포럼'이 개최돼 '메타-대전'의 핵심기술 연구 소개 및 산업 현황을 공유하는 자리가 마련됐다. 연구 기관, 기업 관계자 및 대학원생들의 비전을 공유하기 위한 워크샵을 진행하고 메타버스 대전 프로젝트의 기반을 강화하기 위한 연결 전략과 지역 사회 참여 방법을 논의했다.
2023.11.14
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인공지능 결합한 홀로그래픽 현미경 기술 총망라
의생명공학 연구에 일반적으로 사용되는 현미경 기술들은 염색이나 유전자 조작을 해야만 관찰할 수 있다는 한계가 있다. 하지만 염색이 된 세포들은 치료 목적으로 활용할 수 없어 세포나 조직을 살아있는 상태 그대로 관찰할 수 있는 홀로그래픽 현미경과 이를 체계적으로 분석할 수 있는 인공지능을 결합한 의생명공학 연구의 활용 방안 및 문제점에 대한 분석이 필요하다.
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 국제 학술지 `네이처 메소드(Nature Methods)'에 홀로그래픽 현미경과 인공지능 융합 연구 방법론을 조망한 견해 (perspective)를 게재했다고 14일 전했다.
연구팀은 기존 현미경 기술 대비 홀로그래픽 현미경의 이미지 복원 기술이 시간을 많이 필요하고 전처리 없이 세포나 조직을 찍을 수 있다는 장점이 있지만, 대신에 그만큼 결과물 분석에 많은 시간과 노력을 들여야 한다고도 분석했다.
박용근 교수 연구팀은 이런 문제점을 홀로그래픽 현미경과 인공지능과의 통합을 통해 해결할 수 있다는 방법론을 제시했다. 지난 수년간, 홀로그래픽 현미경과 인공지능을 결합해 의생명공학 연구에 혁신을 일으킨 내용들이 잇달아 국제 학술지에 발표됐다. 인공지능을 통해 홀로그래픽 이미지를 복원하고, 세포의 종류와 상태를 구분하고, 염색 없이 측정된 결과물에 가상으로 염색 정보를 재생산 해내는 등의 연구를 통해 연구팀은 기존의 홀로그래픽 현미경 기술의 효율을 극대화했다.
홀로그래픽 현미경 기술 소개에 더불어 인공지능의 결합이 광범위한 의생명공학 연구에 활용돼 온 내용을 총망라한 이번 리뷰 논문은 제시된 방법론의 혁신성을 인정받아 생명과학 분야의 권위 학술지인 `네이처 메소드(Nature Methods)'에 지난 10월 24일 자 출판됐다. (논문명: Artificial intelligence-enabled Quantitative Phase Imaging Methods for Life Sciences)
제1 저자인 물리학과 박주연 학생은 "홀로그래픽 현미경에 인공지능을 결합하면, 의생명공학 연구의 효율을 기하급수적으로 높일 수 있다ˮ며, "이번 리뷰 논문을 통해 이 융합 기술이 더욱 활발하게 개발됨과 동시에 더욱 다양한 의생명공학 연구에 활용될 것ˮ이라고 기대했다.
한편 이번 논문은 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA) 아이도간 오즈칸(Aydogan Ozcan) 교수팀, 토모큐브(Tomocube) 인공지능 연구팀과 공동 집필했으며, 연구재단의 리더연구사업, 과학기술정보통신부의 홀로그램핵심기술지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.11.14
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2023년 국가연구개발 우수성과 100선에 우리 대학 성과 5개 선정
과학기술정보통신부와 한국과학기술기획평가원은 '2023년 국가연구개발 우수성과 100선'을 선정하여 발표했다.
국가연구개발 우수성과 100선은 국가발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대한 국민의 이해와 관심을 높이고, 과학기술인들의 자긍심을 고취하기 위해 지난 2006년부터 매년 발표하고 있다.
'우수성과 100선' 기술에는 과학기술정보통신부 장관 인증서와 현판이 수여되고, 관련 규정에 따라 사업 및 기관평가 등에서 가점을 받게 되며, 사례집도 발간한다.
우리 대학의 2023년 국가연구개발 우수성과 100선 선정내용은 아래와 같다.
- 그래핀-액정탄성체 복합소재 개발로 인간근육보다 17배 강한 헤라클레스 인공근육 세계 최초 구현 (신소재공학과 김상욱 교수)
- 준강자성체 기반 스핀트로닉스 기술 개발 (물리학과 김세권 교수)
- 흡입전달용 폐 계면활성제입자 기술 개발 (바이오및뇌공학과 박지호 교수)
- 인간 달팽이관을 모사한 음성센서 기반의 생체인증 기술 개발 (신소재공학과 이건재 교수)
- 뇌 연구 자동화 및 뇌질환 원격 치료를 위한 사물인터넷 기반의 무선 뇌 제어 시스템 개발 (전기및전자공학부 정재웅 교수)
선정된 연구자는 국가연구개발 성과평가 유공포상(훈·포장, 대통령표창, 국무총리표창 등) 후보자로 적극 추천되는 등의 혜택이 제공된다.
2023.11.13
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신임교원 행정서포터즈 출범
우리 대학이 13일 행정 본관 제1회의실에서 신임 교원 행정서포터즈 출범식을 열었다. 행정처가 추진하는 '신임 교원 행정 서포터즈'는 신임 교원이 부임 초기에 조기 정착할 수 있도록 돕기 위해 신설되는 제도다. ▴신임 교원 부임 시 필요한 행정 정보를 인사 발령 시점에 사전 제공 ▴부임 후 1년간 신임 교원의 소통 및 민원창구를 '카이헬프'로 통합 운영 등 안정적인 학술 및 연구 활동의 토대 마련을 위해 효과적인 지원 체계를 구축하는 것이 핵심이다.
신임 교원 행정 서포터즈는 기존에 행정 처리를 위해 다수 부서와 접촉해야 하는 불편을 해소하고, 나아가 신임 교원의 학교에 대한 관심과 만족도를 제고해 적극 행정서비스의 선순환 구조를 마련하는 것을 목표로 하고 있다.
이날 출범식에는 방진섭 행정처장과 이창준 행정부장을 비롯해 신임교원 행정지원 관련 부서장이 참석한 가운데 신임교원 행정 서포터즈 출범 배경 설명과 추진 경과 보고 순으로 진행됐다.방진섭 행정처장은 "신임 교원 행정서포터즈를 통해 관련 행정 업무를 더욱 신속하고 체계적으로 대응·관리할 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.
2023.11.13
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부드러워져 재사용 불가능한 주사바늘 개발
정맥주사는 혈관에 약물을 직접 주입하는 방법으로 신속한 효과를 유도하고 지속적인 약물 투여를 통한 치료가 가능해 범세계적으로 환자치료에 통용되고 있다. 하지만 금속이나 플라스틱 등 딱딱한 소재로 제작된 주사바늘은 부드러운 생체조직에 손상과 염증을 발생시킬 수 있다. 또한 비용 절감을 위한 비윤리적 주사바늘 재사용을 가능하게 하며, 이는 인체면역 결핍 바이러스(HIV), B형/C형 간염 바이러스 등 심각한 혈액 매개 질환 감염을 초래하기도 한다. 이는 전 세계적인 문제이며, 감염관리의 중요성으로 인해 세계보건기구(WHO)는 재사용이 불가능한 스마트 주사기 개발과 사용을 장려하고 있다.
우리 대학 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 의과학대학원 정원일 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 환자 건강증진 및 의료진 안전을 도모할 수 있는 가변 강성 정맥 주사바늘을 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.
이번에 개발된 기술은 체온에 의해 주사바늘이 유연해지는 특성을 통해 정맥에 약물 주입 중 주사 삽입 부위의 자유로운 움직임을 보장함과 동시에 주사바늘에 의한 혈관 벽 손상 방지를 도모할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 사용 후 찔림 사고나 비윤리적 주사기 재사용에 따른 혈액 매개 질환 감염 문제를 예방할 수 있을 것이라 기대된다.
전기및전자공학부 카렌-크리스티안 아그노(Karen-Christian Agno) 박사과정 연구원과 의과학대학원 양경모 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)' 10월 30일 字에 게재됐다. (논문명 : A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion)
연구팀은 액체금속의 일종인 갈륨(Gallium)을 이용하여 주사바늘 구조를 만들고 이를 생체적합성 폴리머로 코팅해 가변 강성 정맥 주사바늘을 제작했다. 딱딱한 상태의 주사바늘은 상용 정맥 카테터와 비슷한 수준의 생체조직 관통력을 갖는다. 하지만 체내 삽입 후, 갈륨의 액체화로 인해 조직과 같이 부드러운 상태로 변해 혈관 손상 없이 안정적인 약물 전달이 가능하다. 한 번 사용한 주사바늘은 갈륨의 과냉각 현상에 의해 상온에서도 부드러운 상태를 유지해 바늘 찔림 사고나 재사용 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.
연구팀은 개발된 정맥 주사바늘의 약물 전달 기능과 생체적합성을 검증하고자 실험 쥐를 대상으로 동물실험을 진행했다. 이식된 가변 강성 정맥 주사바늘은 딱딱한 상용 금속 바늘이나 플라스틱 카테터에 비해 훨씬 낮은 염증 반응을 보여 연구팀은 우수한 생체적합성을 확인했다. 또한 상용 주사바늘과 같이 안정적으로 약물을 전달할 수 있음을 확인했다.
아울러 가변 강성 정맥 주사바늘은 박막형 온도 센서를 탑재할 수 있도록 디자인됐다. 이를 통해 실시간으로 환자의 심부체온을 모니터링하는 것이 가능하며, 또한 잘못된 주사바늘 위치로 인한 혈관이 아닌 다른 조직으로의 약물 누수 감지도 가능해 환자에게 더 나은 의료서비스를 제공할 수 있다.
이번 연구를 주도한 정재웅 교수는 "개발된 가변 강성 정맥 주사바늘은 기존의 딱딱한 의료용 바늘로 인한 문제를 극복해 환자와 의료진 모두의 안전을 보장하고, 주사바늘 재사용으로 인한 감염 문제를 해결할 수 있다는 점에서 가치가 매우 크다”라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 생체신호센서융합기술개발사업, 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.11.13
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2023년 우수과학자포상에 조광현 교수, 박성준 교수, 강지형 교수 수상
과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 과기정통부)와 한국연구재단(이사장 이광복), 한국과학기술한림원(원장 유욱준)은 2023년 11월9일(목) 과학기술대전 개막식(국립과천과학관)에서 2023년 「우수과학자포상」 시상식을 개최했다.
「우수과학자포상」은 우수 성과를 창출한 연구자를 발굴·포상하여 과학기술인 사기와 연구 의욕을 고취하기 위한 사업으로, 이번 행사에서 한국과학상·공학상(4명), 젊은과학자상(4명), 이달의 과학기술인상(6명) 등 3개 분야 총 14명의 우수과학자에 대해 시상했다.
우선, 세계 수준의 연구 성과를 창출한 공로자에게 수여하는 '한국과학상·공학상'에는 우리 대학 조광현 교수가 김창영 교수(서울대), 이창준 소장(IBS), 이중희 교수(전북대)와 함께 선정됐으며, 대통령상과 연구장려금 7천만원이 수여됐다.
조광현 교수는 역노화(reverse aging), 암가역화(cancer reversion) 등 비가역적 생명현상을 되돌릴 수 있는 생체 제어 기술과 환자 맞춤형 항암치료 시뮬레이션 분석 플랫폼을 개발했다. 생체 제어 기술과 분석 플랫폼은 민간에 기술 이전되면서 생명공학과 정보통신 기술이 융합된 시스템생물학 분야 연구 및 산업화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
40세 미만 과학기술인에게 수여되는 ‘젊은과학자상’에는 우리 대학 박성준 교수, 강지형 교수가 임종우 교수(서울대), 김민진 선임연구원(한국에너지기술연구원)과 함께 수상의 영예를 안았으며 대통령상과 연구장려금 5천만원이 수여됐다.
박성준 교수는 피부신경의 전기생리학적 신호 패턴을 모사하는 기법을 이용하여 복합적인 감각을 전달할 수 있는 인간 모사형 유연전자소자 기반 인공 감각 인터페이스 시스템을 세계최초로 개발했다. 이를 통해 장애 환자에 쓰이는 인공피부, 의족·의수용 감각 기능 등 다양한 의료 분야에 응용될 것으로 기대된다.
강지형 교수는 초음파를 이용한 고분자 소재 내 액체금속 입자의 다차원 조립 기술과 이에 기반한 세계 최고 수준의 신축성 전극 소재를 개발하고, 고집적 신축성 인쇄회로기판을 세계 최초로 구현하였다. 이를 통해 고해상도 스트레쳐블 모바일 디스플레이를 구현하는 등 신축성 전자소자분야에서 선두적 위치를 확보하는 데 기여할 할 것으로 기대된다.
2023.11.09
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트랜스포머 대체할 차세대 월드모델 기술 세계 최초 개발
우리 대학 전산학부 안성진 교수 연구팀이 미국 럿거스 대학교와 협력하여 트랜스포머 및 재귀신경망 기반의 월드모델을 대체할 차세대 에이전트 월드모델 기술을 세계 최초로 개발했다.
월드모델은 인간의 뇌가 현실 세계의 경험을 바탕으로 환경 모델을 구축하는 과정과 유사하다. 이러한 월드모델을 활용하는 인공지능은 특정 행동의 결과를 미리 시뮬레이션해보고 다양한 가설을 검증할 수 있어, 범용 인공지능의 핵심 구성 요소로 여겨진다.
특히, 로봇이나 자율주행 차량과 같은 인공지능 에이전트는 학습을 위해 여러 가지 행동을 시도해 보아야하는데, 이는 위험성과 고장 가능성을 높인다는 단점을 갖는다. 이에 반해, 월드모델을 갖춘 인공지능은 실세계 상호작용 없이도 상상모델 속에서 학습을 가능케 해 큰 이점을 제공한다.
그러나 월드모델은 자연어처리 등에서 큰 발전을 가능하게 한 트랜스포머와 S4와 같은 새로운 시퀀스 모델링 아키텍처의 적용에 한계가 있었다. 이로 인해, 대부분의 월드모델이 성능과 효율성 면에서 제약이 있는 고전적인 재귀적 신경망에 의존하고 있었고 안성진 교수팀은 작년 세계최초로 트랜스포머 기반의 월드모델을 개발하였으나 추론 계산속도나 메모리능력에서 여전히 개선할 문제를 갖고 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 안성진 교수가 이끄는 KAIST와 럿거스 대학교 공동연구팀은 재귀적 신경망과 트랜스포머 기반 월드모델의 단점을 극복한 새로운 월드모델의 개발에 성공했다. 연구팀은 S4 시퀀스 모델에 기반한 S4 World Model (S4WM)을 개발하여, 재귀적 신경망의 최대 단점인 병렬처리가 가능한 시퀀스 학습이 불가능하다는 문제를 해결하였다. 또한, 재귀적 신경망의 장점인 빠른 추론시간을 유지하도록 하여 느린 추론 시간을 제공하는 트랜스포머 기반 월드모델의 단점을 극복했다.
연구를 주도한 안성진 교수는 "병렬 학습과 빠른 추론이 가능한 에이전트 월드모델을 세계 최초로 개발했다ˮ며, 이는 "모델기반 강화학습 능력을 획기적으로 개선해 지능형 로봇, 자율주행 차량, 그리고 자율형 인공지능 에이전트 기술 전반에 비용절감과 성능 향상이 예상된다ˮ고 밝혔다.
이번 연구는 12월 10일부터 16일까지 미국 뉴올리언스에서 열리는 세계 최고 수준의 인공지능 학회인 제37회 신경정보처리학회(NeurIPS)에서 발표될 예정이다.
관련논문: “Facing off World Model Backbones: RNNs, Transformers, and S4”Fei Deng, Junyeong Park, Sungjin Ahn, NeurIPS 23, https://arxiv.org/abs/2307.02064
2023.11.09
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화학공장 대체 방안 ‘아이브릿지’에서 찾다
기후 변화와 환경 문제가 심각하게 대두됨에 따라 현재의 화학 공장을 대체할 수 있는 지속가능한 미생물 세포공장이 크게 주목받고 있다. 미생물 세포공장으로 활용할 미생물을 개량하기 위해선 미생물이 가진 유전자들의 발현을 증폭 또는 억제해 유용한 화합물을 생산하도록 미생물 대사 메커니즘을 개량해야 하지만, 어떠한 유전자를 증폭하고 억제할 것인지 결정하는 것은 지금까지 어려운 문제로 남아있다.
우리 대학 이상엽 특훈교수 연구팀이 아이브릿지(iBridge)라는 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 생산하고자 하는 화합물에 맞춤형 미생물 공장을 구축할 수 있도록 과발현 및 억제 유전자들을 예측함으로써 미생물 공장을 적은 비용으로 빠르고 효율적으로 구축하는 방법을 제시했다고 9일 밝혔다.
이상엽 특훈교수가 창시한 시스템 대사공학은 유전공학, 합성생물학, 시스템생물학, 발효공학 등을 접목해 개량한 미생물을 이용해 유용한 화합물들을 생산하는 분야다. 미생물을 목표로 하는 유용한 화합물을 생산하도록 개량하기 위해선 미생물의 유전자들을 삭제, 발현억제, 과발현 등이 필수적이지만, 이를 일일이 실험적으로 확인하지 않고서는 여전히 전문가들조차 판별하기 어려워 많은 시간과 자원이 소모된다.
연구팀은 신규 개발된 아이브릿지(iBridge) 시뮬레이션을 활용해 세 가지의 유용한 화합물을 세계 최고 수준으로 생산하는 대장균 미생물 세포공장을 구축하는 데 성공했다. 연구팀은 많은 화장품에서 보습제 역할을 하는 판테놀, 나일론의 원료인 퓨트레신, 항균성 식품첨가제인 4-하이드록시페닐젖산 등을 생산하는 대장균 균주를 개발하고, 신규 개발된 시뮬레이션 아이브릿지(iBridge)를 활용해 세계 최고 농도로 이들 화합물을 생산하는 공정을 개발했다. 그뿐만 아니라 연구팀은 이들 세 가지 외에도 산업적으로 유용한 화합물 298 여종의 미생물 공장을 구축하기 위한 과발현 및 억제 유전자들을 예측해 제시했다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 이영준 박사는 “이번에 개발된 시뮬레이션을 이용하니 여러 가지 미생물 공장들이 기존방법보다 월등히 빠른 속도로 구축됐다”며 “더 다양한 유용한 화합물들을 생산하는 미생물 세포공장들이 이 기술을 활용해 빠르게 구축될 수 있을 것”이라고 말했다.
또한 이상엽 특훈교수는 “시스템 대사공학은 현재 우리가 해결해야 할 기후변화문제에 접근하는 매우 중요한 기술”이라며 “이 시뮬레이션은 기존의 화학 공장을 친환경 미생물 공장으로 대체하는 시기를 앞당기는 데 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
생물공정연구센터 김원준 박사, 이영준 박사, 생명화학공학과 김현욱 교수와 이상엽 특훈교수가 참여한 이번 논문은 셀 (Cell) 誌가 발행하는 `셀 시스템즈 (Cell Systems)'에 동료심사를 거쳐 11월 6일 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명 : 세포 내 화학반응 속도의 공분산의 합을 활용한 게놈 수준 과발현 및 억제 유전자 예측 (Genome-Wide Identification of Overexpression and Downregulation Gene Targets Based on the Sum of Covariances of the Outgoing Reaction Fluxes)
※ 저자 정보 : 김원준 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이영준 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 김현욱 (한국과학기술원, 공동 제1 저자) 및 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 6 명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 ‘석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제(과제책임자 KAIST 이상엽 특훈교수) 및 바이오매스기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발사업’ 과제(과제책임자 KAIST 최소영 연구교수)의 지원을 받아 수행됐다.
아이브릿지 사이트: https://github.com/kaistsystemsbiology/iBridge.git
2023.11.09
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2023 혁신창업국가 대한민국 국제심포지엄 개최
우리 대학이 8일부터 이틀간 국회의원회관에서 ‘2023 혁신창업국가 대한민국 국제심포지엄’을 개최한다.
딥테크 창업기업들은 첨단과학기술을 기반으로 혁신적인 제품과 서비스를 개발하고 경제 성장과 일자리 창출에 핵심적인 역할을 맡고 있다. 또한, 고도의 기술력과 창의력으로 대한민국의 경제 생태계를 혁신적으로 변화시키는 원동력이 되기도 한다. 그러나 기술개발, 인력 확보, 규제, 시장 진입 및 경쟁, 자금 부족 등이 혁신창업기업이 겪는 제약은 여전히 산적해 있다.
이번 행사는 국제심포지엄과 함께 혁신창업기업을 선정해 시상하고 창업기업 체험 부스, 기업 소개, 창업 경진대회 등을 마련해 국내·외 혁신 창업의중요성에 대한 공감대를 형성하고 이를 활성화하는 방안을 모색하고자 마련됐다. 첫날 열리는 국제심포지엄에서는 기업주도형 벤처 캐피털인 어플라이드 벤처스(Applied Ventures)의 아난드 카만나바르(Anand Kamannavar) 글로벌 투자총괄과 아키바 토르(Akiva Tor) 주한 이스라엘 대사가 기조연설을 맡는다. 이광형 KAIST 총장과 유홍림 서울대학교 총장도 대한민국 혁신창업의 주요 성과에 관해 발제한다. 또한, 배현민 KAIST 창업원장이 좌장을 맡아 '한국사회에서 과학기술의 사업화를 막는 것들'을 주제로 혁신기업 창업자, 벤처투자자 등과 대담회를 진행한다. 우리 대학은 창업원 관계자는 "이번 국제심포지엄은 딥테크 창업의 중요성 및 경제 성장과 미래 혁신에 미치는 커다란 영향력을 다시 한번 짚어보고 정부와 민간의 지원을 통해 장기적인 펀드 운용, 대규모 투자, 글로벌 시장 진출 등 혁신 창업생태계 환경을 조성해야 한다는 점을 강조하는 자리가 될 것"이라고 전했다.
한편, 이번 행사에서는 '2023년 대한민국 혁신창업상' 시상식도 진행된다. 연구개발 성과에 기반한 국내 딥테크형 스타트업 중 우수 성과를 창출하거나 혁신이 기대되는 기업을 공모한 결과 ▴포인투테크놀로지(국회의장상) ▴에스그래핀, 로앤서지컬(과기정통부장관상) ▴매스프레소(KAIST 총장상) ▴에이슬립(서울대학교 총장상) ▴럭스로보(중앙홀딩스 회장상) ▴휴마스터(국가과학기술연구회 이사장상) 등 7개 사가 수상기업으로 선정됐다.
행사 둘째 날인 9일에는 글로벌 진출 계획·추진 중인 우리 대학과 서울대학교의 딥테크 스타트업 6개 사의 기업 설명회와 '딥테크 스타트업의 새로운 도전, 글로벌 진출'을 주제로 세계 기장 진출에 성공한 스타트업 관계자들의 토론이 진행된다. 이날 오후에는 우리 대학의 대표적인 창업 육성 프로그램인 E*5 KAIST의 최종 결선이 치러진다. 아이디어로 경쟁하는 창업 오디션 형식으로 총 12개 예비창업 팀이 최종 우승을 놓고 경쟁을 벌인다. 이 밖의 부대행사로 혁신창업상 수상기업을 포함해 우리 대학과 서울대학교의 28개 딥테크 창업기업 체험 부스가 행사장에 마련된다.
이광형 총장은 "딥테크 혁신창업이 현대 사회와 경제에 미치는 영향은 우리의 상상을 능가할 정도로 크고 긍정적인 만큼, KAIST가 대한민국의 딥테크 중심 혁신 창업 요람이 되어 세계로 나가는 데 이바지할 것"이라고 강조했다. 우리 대학과 서울대학교, 중앙홀딩스가 공동 주최하는 이번 행사에는 김진표 국회의장, 이종호 과학기술정보통신부 장관, 이광형 총장, 유홍림 서울대학교 총장, 홍석현 중앙홀딩스 회장 등이 참석한다.
2023.11.08
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이행 호염구, 알레르기 매개 세포에 대한 새로운 이해
우리 대학 생명과학과 강석조 교수 연구팀이 알레르기를 매개하는 중요한 면역세포인 호염구의 새로운 전구세포를 발견하고, 호염구 말단 분화단계에서 그 고유 기능을 획득하는 데 중요한 전사인자를 규명했다고 7일 밝혔다.
호염구(basophil)는 체내에 극소수로 존재하는 백혈구지만, 알레르기와 같이 제2형 면역 반응으로 매개되는 질환의 주된 작용 세포다. 호염구의 혈액 내 증감을 통해서 알레르기 반응 정도를 판별할 수 있고, 질환의 면역 반응의 중증도에도 영향을 미친다. 호염구는 인체 내로 유입된 알레르기 유발 물질에 특이적인 Immunoglobulin E (IgE)에 대한 수용체를 통해 활성화되면 탈과립(degranulation)과 면역조절 물질인 사이토카인(cytokine)을 비롯해 다양한 염증 유도 물질들을 분비한다. 이를 통하여 호염구는 알레르기 반응을 매개하고 다른 면역세포들의 침윤을 도와 염증 반응을 심화시킨다. 하지만, 이러한 호염구의 초기 분화 과정 연구에 비해 그 고유 기능을 획득하는 말단 분화 과정과 이를 조절하는 인자에 대해서는 알려진 바가 없었다.
강 교수 연구팀은 마우스 골수 내에서 호염구 전구세포(basophil progenitor, BaP)가 세포분열이 없는 최종 분화단계의 성숙한 호염구(mature basophil)로 분화하는 과정 중간에 위치한, 세포분열 능력을 보유한 새로운 전구세포를 발견하였으며 그 특성을 다양한 실험으로 규명하고 ‘이행 호염구(transitional basophil, tBaso)’로 명명하였다. 이행 호염구의 발견을 통하여 강 교수팀은 호염구의 분화과정에서 변화하는 유전자 발현을 더욱 세밀하게 분석할 수 있었으며 세포분열 및 주기 조절과 호염구의 고유한 기능의 조절에 관계하는 유전자의 발현은 분화단계에 따라 다르게 조절됨을 확인하였다.
이어, 호염구의 분화단계에 따라 발현이 변화하는 전사인자 NFIL3를 확인하였고, NFIL3 단백질이 호염구의 말단 분화단계에서 IgE 수용체 활성화에 따라 유도된 호염구의 기능적 특징을 부여하는 중요 인자임을 규명하여 보고하였다. 또한, 호염구 특이적으로 NFIL3가 결손된 마우스를 이용하여, 호염구 내 NFIL3 단백질이 아토피성 피부 질환의 염증 반응을 조절함을 밝혔다.
연구팀은 이행 호염구가 성숙 호염구에 비해 사이토카인 생성 능력이 뛰어남을 추가로 확인하였으며, 사이토카인 자극의 종류에 따라 다른 종류의 제2형 면역반응 사이토카인을 생성함을 밝혔다. 이러한 차별적 사이토카인 생성 능력은 호염구에서는 최초로 발견된 것으로, 추후 호염구 매개 질환에서 그 작용기전을 설명하는 데 중요한 지식을 제공할 것으로 기대한다.
강석조 교수는 “호염구의 말단 분화과정의 중요 전구세포를 발견하고 호염구의 기능적 전문성을 획득하는 다이나믹한 과정을 밝힌 연구”라고 언급하면서, “본 연구를 통해 얻은 새로운 지식은 호염구가 매개하는 알레르기 질환에 대한 이해와 치료제 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.
이번 연구는 면역학 및 알레르기 분야의 세계 최고 국제 학술지 ‘알레르기 및 임상면역학 저널 (The Journal of Allergy and Clinical Immunology)’에 10월 1일 字 온라인판에 게재됐다 (논문명: The transcription factor NFIL3/E4BP4 regulates the developmental stage-specific acquisition of basophil function). KAIST 생명과학과 강석조 교수 연구팀 박지연 박사, 조유리 박사(現 LG화학)가 공동 제1 저자로 연구를 주도하였고, 바이오및뇌공학과 양동찬 박사, 생명과학과 양한슬, 이대엽 교수팀, RIKEN Masato Kubo 교수 연구팀이 함께 참여하였다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.11.07
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