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4차 산업혁명 주도하는 2017 KAIST 10대 핵심 특허기술 선정
신소재공학과 김일두 교수의 동물 단백질을 촉매로 활용해 호흡으로 질병을 진단할 수 있는 센서 개발과 관련한 연구결과가 게재된 화학분야 국제학술지인 '어카운트 오브 케미칼 리서치' 올 7월호 표지사진.
환자의 날숨 속 가스농도를 음주측정기와 같이 간편하고 빠른 방법으로 측정해 질병을 조기에 진단할 수 있는 ‘헬스케어 사물인터넷(IoT) 가스센서’와 빅데이터·인체네트워크 시뮬레이션을 이용한 ‘개인맞춤형 항암치료 기술’등이 4차 산업혁명을 이끌어 나갈 ‘2017 KAIST 10대 핵심 특허기술’로 뽑혔다.
우리대학은 최근 내부교수들을 대상으로 공모를 진행한 후 접수된 특허기술을 대상으로 학과장 및 변리사·벤처 투자자·사업화 전문가 등 10명 내외로 구성된 ‘평가·선정위원단’의 조사와 자문·평가를 통해 4차 산업혁명을 주도할 기술 가운데 당장 사업화 가능성이 높은 기술 위주로 ‘2017 KAIST 10대 핵심 특허기술’을 선정하고 그 결과를 23일 발표했다.
그동안 직접 연구·개발을 통해 특허를 보유 중인 우수기술 가운데 ICT(정보통신기술)·무인 운송수단·인공지능·로봇공학·사물 인터넷(IoT)·나노기술·빅데이터 분석 등 4차 산업혁명을 주도하는 파급효과가 큰 기술을 위주로 향후 다양한 분야로의 응용가능성과 시장규모·기술적인 혁신성 등을 감안해서 10대 기술을 선정했다는 게 학교 관계자의 설명이다. 선정된 기술은 비즈니스 모델 개발을 통한 프로토타입 제작지원은 물론 국내·외 마케팅 우선 추진과 IP R&D 분석 등 학교로부터 다양한 지원을 받게 된다.
특히 신성철 총장이 올 3월 취임당시 내걸은 KAIST 5대 혁신방안 중 하나인 ‘기술사업화’ 혁신의 일환으로 기술사업화에 대한 성공률 제고와 활성화를 위해 우리대학은 오는 9월 12일 서울 삼성동 코엑스에서 10대 핵심 특허기술에 관심이 많은 기업관계자 등 200여명을 초청해 해당 기술에 대한 구체적인 설명과 함께 현장에서 기술이전에 관한 상담 등을 진행하는 대규모 설명회를 개최할 예정이다.
사업화를 목적으로 국내·외 기업들과의 기술개발 및 기술이전 등 상호 협력방안을 논의하기 위해 마련한 이 설명회에는 신성철 총장을 비롯해 김규옥 기술보증기금 이사장, 고정식 총동문회장 등 주요 내·외빈이 참석한다. 특히 이날 설명회에는 김일두 교수(신소재공학과)·조광현 교수(바이오및뇌공학과) 등 연구자인 교수진 10명 모두가 직접 참석해 특허기술별로 15분씩 발표하는 시간을 갖는다.
우리대학이 23일 발표한 ‘2017 KAIST 10대 핵심 특허기술’은 ▲환자의 날숨만으로 병을 조기에 진단할 수 있는 헬스케어 사물인터넷(IoT) 가스센서(김일두 교수) ▲빅데이터와 인체네트워크 시뮬레이션을 이용한 개인맞춤형 항암치료 기술(조광현 교수) ▲인체 모션 감지용 고민감도 웨어러블 스트레인 센서(박오옥 교수) ▲하드웨어 기반의 칩 앤 플래쉬(Chip & Flash) 메모리 데이터 보안기술(최양규 교수) ▲근적외선 뇌 영상 바이오 헬스케어 장치(배현민 교수) 등 이다.
이밖에 ▲사용자의 감정에 따라 감성기반의 대화가 가능한 디지털 생명체 생성시스템과 제어방법에 관한 기술(김종환 교수) ▲스마트 팩토리 구현을 위한 레이저-통합 정밀계측시스템 기술(김승우 교수) ▲실내·외 이동로봇의 자율주행을 위한 위치인식 및 지도작성 기술(명현 교수) ▲가변이득 위상천이기를 이용한 초소형·저전력·고선형 5G 빔포밍 IC 최적화 기술(홍성철 교수) ▲5G 통신 용량증대를 위한 빔포밍 기반의 다중채널 무선자원 집적화 기술(조동호 교수)도 10대 핵심 특허기술에 포함됐다.
각 특허기술을 세부적으로 소개하면 우선 ▲환자의 날숨만으로 병을 진단할 수 있는 헬스케어 사물인터넷(IoT) 가스센서(김일두 교수·신소재공학과)는 환자의 호흡을 통해 배출되는 날숨 속 가스를 측정해 질병을 조기진단 할 수 있는 기술이다. 특정질병에 대해 음주 측정기처럼 간편하고 빠르게 진단할 수 있는 게 큰 특징으로 스마트 폰이나 모바일 헬스기기, 웨어러블 센서 등에 적용이 가능하다.
▲빅데이터와 인체네트워크 시뮬레이션을 이용한 개인맞춤형 항암치료 기술은 암세포 유전자 변이정보를 반영한 가상실험을 통해 약물효과를 예측하고 최적화할 수 있는 기술이다. 환자의 유전자 변이정보를 활용하므로 개인맞춤형 치료전략 수립이 가능하다. 조광현(바이오및뇌공학과) 교수는 “표적항암제 개발에 대한 중요성 및 시장규모는 기하급수적으로 증가하는 반면 암세포 특징이나 약제 내성부분을 반영하지 않은 기존연구는 치료효과가 낮기 때문에 약물효과를 예측할 수 있는 기술개발이 필요했다”고 개발동기를 밝혔다.
▲박오옥(생명화학공학과) 교수가 개발한 인체 모션 감지용 고민감도 웨어러블 스트레인 센서는 신축성 있는 실을 이용해 만들어졌기 때문에 기존의 금속으로 만들어진 센서와는 달리 신축성과 민감도가 매우 높은 차세대 센서다. 쉽게 구부려지고 늘어나는 특성상 웨어러블 디바이스에 적용이 가능하고 인체에 무해해서 옷 또는 장갑 등 스마트 의류에도 응용할 수 있다.
▲하드웨어 기반의 챕 앤 플래쉬(Chip & Flash) 메모리 데이터 보안기술(최양규 교수·전기및전자공학부)은 하드웨어 내에 위치한 보안 소자가 인가된 전기신호에 의해 물리적으로 파괴됨으로써 외부로부터의 시스템 접근을 원천적으로 차단하는 기술이다. 소프트웨어가 아닌 하드웨어적인 보안기술이므로 파괴된 보안 소자의 복구를 위한 방법이 현존하지 않기 때문에 90%이상을 SW 보안기술에 의존하고 있는 국방·국가정보·금융업·공공기관·대기업 서버 등에 적용이 가능하다.
▲근적외선 뇌 영상 바이오 헬스케어 장치(배현민 교수·전기및전자공학부)는 공간해상도를 가지는 고해상도 뇌 영상장치이다. 기존 시스템의 단점인 낮은 해상도를 획기적으로 개선했기 때문에 뇌혈관계 질환 및 뇌 인지기능 등을 모니터링 할 수 있고 휴대가 가능하다. 인구 고령화로 인해 퇴행성 뇌질환 시장규모는 지속적으로 성장할 가능성이 높기 때문에 향후 수요가 급증할 것으로 예상된다.
▲김종환 교수(전기및전자공학부)가 개발한 사용자의 감정에 따라 감성서비스를 제공하는 디지털 생명체 기술은 사용자의 외형·음성·성향정보를 분석하고 디지털 DNA에 저장해 이를 바탕으로 새로운 디지털 생명체를 생성하고 이 생명체를 통해 사용자에게 최적화된 감성서비스를 제공하는 기술이다. 사용자와 디지털 생명체 간 스토리가 있는 대화가 가능해서 하드웨어 교육용 로봇이나 엔터테인먼트·우울증이나 외로움 치료를 위한 헬스케어 분야에 적용할 수 있다.
▲스마트 팩토리 구현을 위한 레이저-통합 정밀계측시스템 기술(김승우 교수·기계공학과)은 생산설비에 멀티 타겟 계측기술을 적용해 생산 공정 중 장비의 변형을 실시간으로 진단하고 하나의 계측기를 이용해 여러 장비의 상태를 동시에 진단하며 다양한 계측데이터를 인공지능과 결합, 생산 장비를 실시간으로 보정할 수 있다. 계측시스템의 정밀도 향상으로 제품 품질을 높일 수 있어 대형구조물 정렬이나 공작기계 모니터링·정밀 대형장비 열 변형 계측 등에 활용가능하다.
▲명현(건설및환경공학과) 교수의 실내·외 이동로봇의 자율주행을 위한 위치인식 및 지도작성 기술은 저가의 장비를 활용한 고성능 네비게이션 기술이다. 기존의 저가 센서들을 융합했기 때문에 다양한 환경에 대응이 가능하고, 각 센서의 단점을 상호 보완할 수 있기에 동적인 환경에서도 평균 10cm 이내의 작은 오차로 정확한 위치정보를 수집할 수 있다. 명 교수는 “기존 기술은 동적인 환경에서 위치인식에 대한 오차가 크고 실외의 경우 고가의 센서가 필요하므로 저가의 센서로 다양한 환경에 적용 가능한 위치인식 및 맵 작성기술이 각광을 받을 것으로 예상했다”고 개발배경을 설명했다.
▲5G 빔포밍 IC 최적화 기술(홍성철 교수·전기및전자공학부)은 5G 이동통신을 위한 새로운 구조의 저전력·초소형·고선형 빔포밍 IC기술이다. 감쇠기를 없애 초소형 IC를 구현하고 가변이득 위상천이기 제작으로 이득변화에 따른 위상오차를 최소화해서 낮은 전력에서도 효율이 증가된다는 게 특징이다. 4차 산업혁명 시대의 핵심 인프라인 5G 이동통신 기술로 사물인터넷(IoT) 및 5G 차량 사물통신(V2X) 등에 활용이 가능하다.
마지막으로 조동호(전기및전자공학부) 교수의 ▲5G 통신용량 증대를 위한 빔포밍 기반의 다중채널 무선자원 집적화 기술은 N개의 패턴/편파 안테나를 집적함으로써 N배의 대용량 전송을 가능하게 하는 5G 이동통신의 핵심기술이다. 통신 속도 개선, 간섭 저하 및 송신 전력소모 감소 등의 효과가 기대된다. 자율 주행 통신을 위한 인프라로도 활용이 가능하다.
최경철 산학협력단장은 “이번 2017 10대 핵심 특허기술에 대한 선정을 계기로 우리대학은 앞으로 국내·외 기업을 대상으로 기술이전 마케팅을 적극 추진하는 한편 성공적인 기술이전으로 이어질 수 있도록 온갖 지원을 아끼지 않을 것”이라고 말했다. 최 단장은 또 “기술사업화 활성화를 위해 아직 발굴되지 않은 핵심 특허기술과 각종 사업추진 관련 아이디어 등에 관한 지속적인 발굴노력 등을 통해 산학협력 사업을 적극 추진해나갈 방침”이라고 강조했다.
2017.08.23 조회수 20698 -
(재)유전자동의보감사업단, 제2회 바이오시너지 기업파트너스 심포지엄 개최
인공지능 시스템을 이용한 천연물 소재 개발기술 발표와 사업단 및 관련기업 간 상호협력 방안 논의를 위한 ‘바이오시너지 기업파트너스 심포지엄’이 17일 열린다.
우리대학과 미래창조과학부 산하 (재)유전자동의보감사업단(단장 이도헌 교수·바이오및뇌공학과)은 한국건강기능식품협회 후원으로 17일 오후 2시30분부터 이화여자대학교 LG컨벤션센터에서 ‘바이오시너지 기업파트너스 심포지엄’을 개최한다.
올 심포지엄은 작년 5월에 열린 ‘바이오시너지 워크숍’행사에 이어 (재)유전자동의보감사업단이 두 번째로 주관, 개최하는 행사다. 이 심포지엄에는 미래부와 식약처·사업단 연구책임자들은 물론 바이오헬스케어 분야의 국내·외 학자와 관련 기업인·전문가들이 대거 참가해서 향후 기술개발 방향과 시장수요 예측·시장중심의 맞춤형 기술이전과 사업화 유망기술 발굴 등에 관해 심도 있게 논의한다.
이번 심포지엄에서는 특히 사업단과 공동연구를 수행 중인 네덜란드의 대표적인 식품연구소인 니조(NIZO)의 엘스 반 호펜(Els Van Hoffen) 실장(Senior Project Manager), 네덜란드 국립응용과학연구소 TNO의 수잔 워페리스(Suzan Wopereis) 책임연구원(Senior Scientist)이 참석해 각각 니조(NIZO)와 TNO의 최신 연구내용과 지난 5년 동안의 기술개발 내용 등에 관해 중점 소개한다.
OECD 발표자료에 따르면 2014년 글로벌 식품산업의 규모는 약 5.5조 달러(약 6,152조원)이며 매년 4.4% 성장하고 있는데 이는 세계 식품시장의 트렌드가 음식을 소비하는 차원에서 유기농 등 안전식품, 기능성 건강식품 위주로 변화하고 있기 때문이다. 농·식품 R&D로 경제성장을 견인한 대표적인 네덜란드는 니조(NIZO)와 TNO 등 시장 친화적인 식품관련 연구소를 중심으로 연구가 이뤄지고 있는데 1948년 낙농업체들이 공동 설립한 니조(NIZO)와 약 30년 전 네덜란드 정부가 세운 TNO는 전체 운영비의 70% 이상을 민간업체들과의 협력이나 개인투자자들과 프로젝트를 진행해서 벌어들이고 있다.
두 전문가의 발표가 끝난 후에는 권오란 이화여대 교수가 사업단이 개발한 기술과 천연물 분야 관련기업 등 산업계와의 상호 연계방안을 모색하는 등 기업인들과 연구 책임자들 간의 관심방안에 대한 토론을 주관, 진행한다. 이밖에 강연 홀 복도에는 발표와 토론이 끝난 후 참석자들이 사업단이 보유중인 기술을 한 눈에 볼 수 있도록 전시관을 꾸며놨으며 기업인들 간에 자연스럽게 상담을 할 수 있는 자리도 함께 마련했다.
이도헌 사업단장은 “2013년 11월 출범이후 사업단은 5개 연구 분야인 모델·소재·표적 마커·인체 연구에 역량을 집중한 결과, 성분기반의 바이오 헬스케어와 관련한 방대한 규모의 DB를 구축하고 이를 기반으로 천연물 성분의 인체작용을 분석할 수 있는 세계 최대 규모의 가상인체(인공지능) 시스템을 구축했다” 며 “이번 심포지엄에서 사업단과 관련기업들 간에 공동연구 및 연구 성과에 대한 공동 활용방안에 대한 심층적인 논의가 이뤄졌으면 한다”고 말했다. 참가 문의 042-350-8651.
2017.07.14 조회수 13037 -
박지호 교수, 인공수용체 종양에 전달해 표적치료하는 기술 개발
〈 박 지 호 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 종양 전체에 인공수용체를 전달해 효과적으로 종양을 표적 치료하는 기술을 개발했다.
김희곤 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
종양 표적치료란 일반적으로 종양의 성장과 발생에 관여하는 특정 분자, 즉 수용체를 표적으로 삼아 종양의 성장을 저해하는 치료를 말한다.
하지만 표적치료는 종양 내 특정 수용체가 존재하는 환자에게만 효과가 있고 표적 분자가 소량이거나 불균일하게 존재할 경우 치료 효과에 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리포좀이라는 인공나노입자와 세포에서 자연적으로 분비되는 엑소좀이라는 생체나노입자를 동시에 이용했다. 먼저 세포막과 효율적으로 결합하는 인공나노입자인 세포막결합성 리포좀을 개발했다.
〈 이번 연구를 주도한 김희곤 학생과 오찬희 학생〉
리포좀은 특정 분자를 표적하는 것이 가능한 인공수용체를 싣고 혈류를 통해 종양으로 침투한다. 그리고 혈관 주변의 종양 세포에 인공수용체를 전달하는데 여기서 종양 세포가 분비하는 엑소좀에 인공수용체를 탑재시키는 것이 리포좀의 역할이다.
중요한 점은 세포막결합성 리포좀은 정상 세포보다 암세포에 더 효과적으로 인공수용체를 전달함으로써 종양 표적치료를 용이하게 한다.
엑소좀은 일반적으로 세포 간 여러 생체 분자를 전달하는 역할을 한다. 혈관 주변의 세포를 통해 리포좀에 의해서 전달된 인공 수용체가 엑소좀에 탑재하게 되면 엑소좀이 이동하는 종양 내 모든 위치로 인공 수용체가 자연적이고 효율적으로 전달된다.
연구팀은 이렇게 종양 전체에 퍼진 인공 수용체를 표적할 수 있는 물질에 약물을 결합시켜 효과적인 종양 표적치료를 하는 것을 목표로 삼고 있다.
연구팀은 이 기술을 이용해 빛에 반응해 항암효과를 내는 광과민제를 종양이 이식된 실험용 쥐에 주입했다. 이후 종양 부위에 빛을 조사해 항암효과를 유도한 후 분석한 결과 효과적으로 표적치료가 이뤄짐을 확인했다.
연구팀은 이번 연구가 표적이 어렵거나 불가능한 종양 표적치료를 가능하게 하는 기술 개발의 발판을 마련했다는 의의를 갖는다고 밝혔다.
박 교수는 “리포좀은 종양 미세 환경에서 종양세포들이 분비하는 생체나노입자인 엑소좀에 효율적으로 인공수용체를 탑재한다. 그리고 엑소좀은 고유 이동경로를 통해 인공수용체가 종양 전역으로 전달되도록 한다.”며 “표적치료가 어려운 다양한 질병을 치료하는 데 유용하게 사용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 보건복지부의 암정복추진연구개발사업 및 KAIST연구소의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 종양 내 인공수용체 전달을 통한 협동 표적치료를 보여주는 모식도
그림2. 종양 내 인공수용체 전달을 통한 협동 표적을 보여주는 종양 조직 사진
2017.07.06 조회수 14713 -
과학기술사회정책센터, 세계경제포럼과 제4차 산업혁명 글로벌 전문가 워크숍 개최
KAIST 과학기술정책대학원(원장 김소영) 과학기술사회정책센터는 세계경제포럼(World Economic Forum·WEF)의 ‘글로벌미래위원회(Global Future Council on Technology, Values and Policy)’와 공동으로 ‘4차 산업혁명 추동 신기술의 위험에 관한 글로벌 전문가 워크숍’을 오는 17(금)-18일(토) 양일간 서울 플라자호텔에서 개최한다.
워크숍에서는 4차 산업혁명 글로벌 어젠다를 주도하고 있는 WEF 전문가와 국내 정부ㆍ기업ㆍ학계 전문가들의 심도 있는 토론을 통해 4차 산업혁명의 사회경제적 역기능과 부작용을 진단하고 선제적 대응방안을 모색한다.
WEF의 후원으로 인공지능/로보틱스 글로벌 거버넌스 프로젝트를 이끌고 있는 예일대 웬델 왈라크(Wendell Wallach) 교수, 기술위험의 사회적 영향 분석에 관한 세계적 학자인 칭화대 랜 슈에(Lan Xue) 공공정책경영대학장 등 관련분야의 세계적 전문가 4인이 기조발제를 한다.
김수현 KAIST 대외부총장의 환영사와 국회 ‘제4차 산업혁명포럼’ 공동대표를 맡고 있는 송희경 자유한국당 국회의원의 축사를 비롯하여, 강성철 KIST 헬스케어로봇단장, 김경훈 산업기술평가관리원 프로그램디렉터, 박병원 과학기술정책연구원 미래연구센터장, 박창기 블록체인 OS 대표, 이상엽 KAIST 연구원장, 정재승 KAIST 바이오및뇌공학과 교수, 정지훈 경희사이버대 IT 디자인융합학부 교수 등 국내 전문가 30여명이 참석한다.
KAIST 과학기술사회정책센터는 이번 워크샵을 비롯하여 WEF 글로벌미래위원회와 향후 4차 산업혁명의 사회경제적 영향 분석 및 대응 방안에 관한 공동 연구협력을 지속해나갈 계획이다.
2017.03.16 조회수 14427 -
정기훈 교수, 눈물 성분 분석해 통풍 예방하는 기술 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 종이에 금속 나노입자를 증착한 저렴하고 정교한 통풍 종이 검사지(Strip)를 개발했다.
이 기술은 눈물 속의 생체 분자를 분석해 비침습적 진단이 가능하고 소요 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 진단 의학, 약물 검사 뿐 아니라 현장 진단 등 특정 성분의 신속하고 정확한 진단이 필요한 다양한 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다.
박문성 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 2016년 12월 14일 온라인 판에 게재됐다.
통풍은 바늘 모양의 요산 결정이 관절에 쌓이면서 통증을 유발하는 병이다. 일반적으로 통증의 완화와 요산 배출, 요산 강하제 복용 등이 치료법으로 이용된다.
이러한 치료법은 일시적인 통풍 증상 완화에는 도움이 되지만 완치에는 한계가 있어 지속적인 요산 농도 측정과 식이요법이 병행돼야 한다.
따라서 간편하게 요산을 측정할 수 있다면 통풍 예방율을 크게 높일 수 있고 통풍 환자의 병 관리에 큰 도움을 줄 수 있다.
하지만 기존의 통풍 진단 기술은 혈액을 채취해 요산 농도를 측정하거나 관절 윤활액을 채취해 요산 결정을 현미경으로 관찰하는 방식이다. 이처럼 침습적 시술이 대부분이고 시간이 오래 걸리는 등의 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 눈물을 쉽게 채집할 수 있는 종이의 표면에 나노플라즈모닉스 특성을 갖는 금 나노섬을 균일하게 증착했다.
나노플라즈모닉스 기술은 금속의 나노구조 표면에 빛을 모으는 기술로 질병 및 건강 진단 지표, 유전 물질 검출 등에 응용할 수 있다.
또한 금과 같은 금속은 빛을 조사했을 때 기존보다 강한 빛을 받아들이는 특성을 갖기 때문에 종이의 특성을 유지하면서도 기판 표면의 빛 집광도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있었다.
연구팀이 개발한 금속 나노구조 제작 기술은 넓은 면적에 자유자재로 나노구조를 제작할 수 있기 때문에 빛의 집광도를 자유롭게 조절할 수 있다.
연구팀은 종이 검사지에 표면증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy)을 접목시켜 별도의 표지 없이도 눈물 속 요산 농도를 측정하고 이를 혈중 요산 농도와 비교해 통풍을 진단했다.
1저자인 박문성 박사과정은 “통풍 진단을 위한 새로운 방법으로 눈물을 이용해 진단이 가능한 종이 통풍 검사지를 제작했다”며 “신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 일반적인 반도체 공정을 이용한 대면적 양산이 가능하다”고 말했다.
정 교수는 “이번 결과를 바탕으로 향후 눈물을 이용해 낮은 가격의 무표지 초고감도 생체분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능할 것이다”며 “눈물 뿐 아니라 다양한 체액을 이용해 질병 진단, 생리학적 기능 연구 등에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 금으로 덮인 종이 통풍 검사지의 광학 사진
그림2. 종이 통풍 검사지의 주사전자현미경 사진
그림3. 금나노섬으로 코팅된 셀룰로오스 섬유의 주사전자현미경 사진
그림4. 눈물을 이용한 통풍 진단표
2017.01.17 조회수 16302 -
박용근, 정용 교수, 알츠하이머 정량화 가능한 홀로그래피영상 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수와 바이오및뇌공학과 정용 교수(KI 헬스사이언스 연구소) 공동 연구팀이 홀로그래피 영상 기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학 기술을 개발했다.
이무성 연구원과 이익성 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
뇌의 구조는 뇌 기능 및 질병과 밀접한 관련을 갖고 있다. 특히 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질 및 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조를 갖기 때문에 뇌 영상 촬영 기술 신경과학에서 꼭 필요한 기술이다.
뇌 관련 질병의 치료를 위해 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 기존 영상 촬영 기술들을 많이 활용하고 있지만 0.1밀리미터 이하의 세밀한 구조는 관찰하기 힘들다는 한계를 갖는다.
이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰했지만, 뇌 조직이 투명하기 때문에 촬영을 위해선 염색 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 왜곡이 발생할 수 있다.
또한 조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어려웠다.
문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 홀로그래피 현미경 기술을 통해 뇌 구조의 정보를 정량적으로 분석했다.
연구팀의 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있다.
조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪는다. 위에서 얻은 굴절률 분포를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다.
연구팀은 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화 및 정도를 정량적으로 수치화했다.
그 결과 알츠하이머 모델의 해마 및 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것을 확인했다. 특히 해마 내 산란되는 평균 거리는 약 40%가 감소했다. 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석된다.
연구팀은 이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구에도 광범위하게 활용될 수 있을 것이라고 내다봤다.
박 교수는 “최근 창업한 Tomocube(토모큐브) 사의 제품을 이용해 관련 연구자들이 보다 쉽게 새로운 방법을 적용시켜 다양한 조직 병리 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 홀로그래피 현미경 모식도
그림2. 기존 현미경과 홀로그래피 현미경 성능 비교
그림3. 정상 모델과 알츠하이머병 모델의 뇌 조직의 산란 계수, 이방성 분포
2016.08.17 조회수 10376 -
최철희, 최경선 교수, 빛을 이용한 치료용 단백질 전달시스템 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 최철희 교수, 최경선 교수 공동 연구팀이 빛을 이용해 치료용 단백질을 체내로 정확하고 안전하게 전달할 수 있는 기술을 개발했다.
이는 체내 세포에서 자연적으로 생산되는 나노입자인 엑소솜과 단백질 약물이 빛을 받으면 자석처럼 서로 결합하는 기술로 우수한 기능과 안전성이 확보됐다는 의의를 갖는다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communicaitons)’ 7월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
최근 바이오 신약의 중요성이 커지면서 바이오 신약의 대부분을 차지하는 단백질 의약을 효과적으로 신체 내 표적 세포에 전달할 수 있는 약물전달시스템 개발이 활발히 이뤄지고 있다.
특히 나노입자는 그 특성 상 종양으로 더 많은 양이 침투할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 새로운 물리, 화학 및 광학적 특성을 갖는 나노소재의 입자를 이용해 단백질 등의 바이오 신약을 전달하려는 시도가 진행 중이다.
하지만 현재 기술은 표적 세포에 이르기까지 생체 단백질 활성을 유지시키기 어렵고 면역 반응의 발생을 억제시켜야 하는 문제 등의 한계를 갖는다. 또한 치료용 단백질은 그 크기가 매우 커 기존 방법으로는 실용화가 매우 어렵다. 무엇보다도 가장 큰 문제는 독성 발생 가능성 등 인체 안전성이 해결되지 않았다는 않다는 점이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 인간의 세포에서 자연적으로 발생하는 나노입자인 엑소솜(세포외 소낭)을 단백질 약물의 운송 수단으로 사용했고, 빛을 받으면 서로 결합하는 특징을 갖는 CRY2와 CIBN 단백질(CRY2, CIBN : 애기식물장대에서 유래한 서로 결합하는 특성을 갖는 단백질)을 이용했다.
엑소솜에는 CIBN을, 단백질 약물에는 CRY2를 융합시킨 뒤 450~490nm 파장의 푸른빛을 쏘면 CIBN과 CRY의 결합하는 특성으로 인해 자연스럽게 엑소솜에 단백질 약물의 탑재가 유도된다.
이 기술은 기존의 수동적인 탑재에 비해 두 가지 장점을 갖는다. 우선 세포 바깥에서 정제된 단백질을 엑소솜에 넣는 기술에 비해 치료용 단백질의 적재율이 천배 가까이 높아졌다. 그리고 단백질을 정제할 필요가 없어져 효율성, 성공률은 높아지고 비용은 적어진다.
연구팀은 기존보다 낮은 비용으로 보다 쉽게 치료용 단백질이 탑재된 엑소솜을 생산하면서 효율 및 안정성이 향상된 치료용 단백질 전달시스템을 개발했다.
이 기술은 기존 단백질 약물이 세포 외부에서만 작용한다는 한계를 극복함으로써 향후 바이오의약 분야의 새로운 패러다임을 제시하는 원천 기술이 될 것으로 기대된다.
연구팀은 현재 다양한 난치성 질환 치료를 위한 표적 단백질이 탑재된 치료용 엑소솜을 개발 중이며 효능 및 임상 적용 가능성을 검증하고 있다.
최철희 교수는 “이번 기술은 생체에서 만들어지는 나노입자인 엑소솜에 치료용 단백질을 효율적으로 탑재시켰다”며 “안전하고 기능이 우수한 단백질 약물을 대량 생산할 수 있는 획기적인 원천기술이다”고 말했다.
이 기술은 KAIST 교원창업기업인 ㈜셀렉스라이프사이언스 사에 기술이전 돼 엑소솜 약물 제조 기술의 최적화 및 전, 임상 시험을 위한 개발 단계 중이다.
□ 그림 설명
그림1. 엑소솜 내부에 치료용 단백질이 함유된 것을 묘사한 개념도
그림2. 개발한 기술의 개념도
2016.08.09 조회수 12707 -
전 세계 뇌 과학자 한자리에 모인다
전 세계 뇌 과학자가 모여‘뇌와 IT 융합연구의 미래’를 모색하는 자리가 마련된다.
우리 대학과 한국계산뇌과학회는 다음달 2-7일 제주도 서귀포시 국제컨벤션센터 제주(ICC Jeju)에서‘제25회 국제 계산뇌과학회 연례회의(25th Annual Computational Neuroscience Meeting)'를 연다.
아시아에서는 처음 열리는 이번 회의는 국제계산뇌과학회(CNS)가 주최하는 행사 중 가장 큰 국제행사로 33개국 350여 명의 학자와 연구자가 참여한다.
바이오및뇌공학과 정재승 교수가 아시아 지역 대표 주관자로 참여하는 이번 행사에는 기조강연자와 연구자 등 총 70여 명이 참여해 발표와 토론을 진행한다.
첫 기조강연자로 나선 미국 시카고대학교 니콜라스 브루넬 교수는‘외피회로에서 학습규칙 추론을 위한 피질 계산과정’을 주제로 강연할 예정이다.
이어 △ 미국 솔크연구소 탓티아나 샤피 교수의‘신경회로 내의 세포 타입 이종성의 기능적 이점’△ 프랑스 국립과학연구원(CNRS) 알랭 덱스텍 교수의‘시각피질 신호 전파의 중간 레벨 모델링’ △ 일본 고등통신연구소(ATR) 미쯔오 카와토 교수의‘정신질환의 동적 상태와 바이오 마커’등의 기조강연도 열린다.
이와 함께 6-7일에는 총 7개 분과에서 65명의 발표자들이 연사로 참여해 그룹별 워크숍을 개최한다. 그룹별 주제는 △ 계산 뇌과학의 정보이론 △ 뇌 커넥톰 △ 신경신호의 통계적 분석 △ 통합 피질 모델 △ 신경망의 동적 이론 △ 피질의 기능적 네트워크 분석 △ 실시간 뇌전도 등이다.
이번 행사의 상세정보는 홈페이지(http://www.cnsorg.org/cns-2016-jeju)에서 확인 할 수 있다. 끝.
□ 행사 포스터
2016.06.30 조회수 9969 -
KAIST-국립 대만대학교, 교육 • 연구 협력 MOU
우리 대학 바이오및뇌공학과(학과장 조광현)와 국립대만대학교 바이오의공학원은 16일(목) 국립 대만대학교에서‘교육 및 연구에 관한 포괄적 양해각서’를 체결했다.
이번 협정을 통해 양 기관은 바이오 분야에서 연구 시너지를 창출할 수 있도록 협력하기로 했다.
이와 함께 양 기관은 국립 대만대에서 양 대학 교수 20여 명이 참석한 가운데‘바이오 공학’을 주제로 공동 워크숍을 개최하고 최신 연구성과를 발표했다.
1998년 설립된 바이오의공학원은 임상에서 바로 활용이 가능한 응용연구에 초점을 맞춘 연구를 하고 있다. 기초부터 임상응용의 연구로 확대를 꾀하고 있는 우리 대학 바이오및뇌공학과와는 상호보완적이어서 향후 국제협력을 통한 시너지효과가 기대된다.
한편, 이번 행사는 공과대학이 지원하는 KAIST Bio-IT Healthcare Initiative 사업의 일환으로 진행됐다. 끝.
2016.06.21 조회수 7498 -
김필남 교수, 악성 뇌종양의 내성 발생 원리 밝혀
〈 김 필 남 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 김필남 교수 연구팀이 3차원 체외 종양 모델을 제작해 악성 뇌종양의 약물 저항성(내성) 발생 원리를 밝혔다.이번에 제작된 뇌종양 3차원 모델은 실제로 중요한 영향을 미치는 종양의 미세환경(tumor microenvironment)을 고려해 제작함으로써 실질적 암 치료에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4월 26일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Strategies of Mesenchymal Invasion of Patient-derived Brain Tumors: Microenvironmental Adaptation)
악성 뇌종양은 주변 조직으로 침윤하는 특성이 매우 강해 치료하기 힘든 질병 중 하나이다. 수술을 통해 종양을 절제해도 주변 조직에 넓게 침윤한 잔여 세포들이 재발하는 경우가 많다.
따라서 악성 뇌종양의 치료 효율 및 생존율을 높이기 위해서는 남아있는 침윤 세포를 표적으로 한 치료법을 개발해야 한다.
그러나 종양의 악성화 및 침윤 특성의 주요 원인인 주변 미세환경(tumor microenvironment)을 고려하지 않은 항암제 개발이 주로 이뤄졌기 때문에 종양의 침윤 및 약물 저항의 원리를 밝히기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 체외에서 종양 주변 미세환경의 특성을 반영한 3차원 암 모델을 구현했다. 이는 뇌종양 미세환경의 주요 구성요소인 과함유 히알루론산(hyaluronic acid) 기질과 백색질 경로(white matter tract)를 모사한 생체모방체외종양 모델이다.
연구팀은 체내에 존재하는 악성 뇌종양의 특성을 체외에서도 유사하게 유지시켜 환자를 대체할 수 있는 종양 모델로 활용 가능함을 확인했다.
연구팀은 뇌종양 세포가 침윤하는 데 중요한 역할을 하는 히알루론산 합성 단백질을 억제하는 약물을 투입했다. 초기에는 뇌종양 침윤이 억제됐지만 시간이 흐르며 미세환경 적응(microenvironmental adaptation) 과정에서 뇌종양이 새 기전을 통해 약물에 대한 내성이 생기는 현상을 발견했다.
이 모든 과정을 체외 종양 모델을 통해 진행함으로써 동물실험을 대체하여 다양한 항암제를 조합하고 검증할 수 있어 실질적인 암 치료에 도움이 될 것으로 기대된다.
연구팀이 제시한 3차원 체외 암 모델은 기존 약물의 저항 원인을 규명하는 기반이 될 것으로 예상된다. 또한 추후 정밀 암 치료를 위한 핵심 기반 기술로 환자맞춤 약물 검증 및 신약 발굴 모델 등으로 다각적 활용이 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “뇌종양의 체외 종양모델로서 공학적 기술 기반의 3차원 미세환경 암 모델을 제시했다”며 “이를 바탕으로 뇌종양 환자 개별 치료의 가능성을 높여 생존율 개선에 힘이 되겠다”고 말했다.
바이오및뇌공학과 차정화 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업 및 보건복지부 중개중점 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 악성 뇌종양 주변 미세환경
그림2. 환자 대체치료용 3차원 체외뇌암모델의 모식도
그림3. 환자유래 뇌종양 세포의 미세환경 적응 과정에 의한 약물 저항 메커니즘
2016.05.11 조회수 13292 -
정기훈 교수, 반딧불이 구조 적용한 유기발광다이오드(OLED) 개발
〈 정 기 훈 교수 〉
우리 대학 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 반딧불이 발광기관 구조의 광학적 역할을 밝혀내고 이를 공학적으로 모사하는데 성공했다.
이를 통해 기존 유기발광다이오드(Organic Light-Emitting Diode: OLED) 보다 발광효율을 향상시킨 반딧불이 모사 유기발광다이오드를 개발했다.
김재준 박사가 주도한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5일자 온라인 판에 게재됐다.
반딧불이는 스스로 빛을 내는 대표적인 자연발광체이며 자연계 내에서 가장 높은 발광효율을 가져 예전부터 반딧불이에 대한 연구가 이뤄졌다.
이전 연구는 주로 발광 원리를 밝혀내는 과정에 집중됐고 상대적으로 반딧불이 발광기관의 광학적 구조에 대한 연구는 활발하지 않았다.
반딧불이의 발광기관은 외피층, 발광세포층, 반사층으로 구성된다. 발광세포층은 빛을 발생시키는 역할, 반사층은 외피층으로 향하지 않는 빛을 반사시키는 역할을 하고 최종적으로 발생된 빛은 외피층을 통해 밖으로 빠져나간다.
이 중 빛을 발생시키는 발광세포층에 대한 연구는 많이 이뤄졌지만 반사층 및 외피층이 어떤 광학 구조를 갖고 어떤 역할을 수행하는지는 명확하지 않았다.
연구팀은 반딧불이의 발광기관 외피에 마이크로 및 나노구조가 결합된 계층적 구조가 있음을 발견했다. 그리고 광학수치해석과 실험을 통해 이 계층적 구조의 역할은 발광세포층에서 발생되는 빛을 효과적으로 추출하면서 넓은 광 분포를 구현하는 것임을 밝혀냈다.
연구팀은 이러한 반딧불이의 광학구조를 OLED에 적용해 기존 OLED가 갖는 문제점을 해결하고자 했다.
OLED는 발생된 빛이 내부에 갇혀 약 20%의 빛만 외부로 추출되는 문제를 갖는다. 연구팀은 반도체공정 및 미세몰딩공정을 이용해 반딧불이의 광학구조를 모사하는데 성공했고, 이를 OLED에 적용해 광 추출 효율을 최대 61%까지 향상시켰다. 또한 계층적 구조를 이용해 기존 OLED보다 넓은 광 분포도를 구현했다.
향후에는 광학구조의 설계 변경을 통한 다양한 광 분포 조절로 OLED 기반 조명 및 디스플레이에 적용이 가능하고 이를 통해 OLED의 발광 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 “반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 광학구조를 성공적으로 모사했고 이를 통해 OLED의 발광효율을 효과적으로 향상시켰다”며 “이 연구를 기점으로 생물발광기관 모사 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다”고 말했다.
정 교수는 “이번 연구는 자연의 신비를 밝힘과 동시에 OLED의 광추출 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 연구가 생물발광체 관련 생체모사연구에 대한 연구자들의 관심을 불러일으킬 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 기존 OLED(좌)와 반딧불이 모사 OLED의 발광 사진(우)
그림2. 반딧불이 사진
그림3. 반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 구조의 전자현미경 사진(비대칭 마이크로구조 위에 나노구조가 형성되어 있음)
그림4. 반딧불이 모사 OLED의 구조
2016.04.26 조회수 13359 -
조영호 교수, 정신건강 측정 기술 개발
〈 조 영 호 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 스트레스 등인간의 정신 건강 상태를 측정할 수 있는 피부 부착형 패치를 개발했다.
미래 사회에서 인간의 감성 증진 및 정신건강 관리의 중요성을 일깨워주는 과학적 연구가 될 것으로 예상된다.
이번 연구는 네이처의 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 3월 23일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: A Flexible and Wearable Human Stress Monitoring Patch)
최근 인공지능과 신체 건강 등의 모니터링에 대한 관심이 고조되고 있지만 감성 관리와 정신건강 향상에 대한 기술은 많이 부족했다.
기존 스트레스 측정을 위한 데이터 분석은 맥파 등 하나의 생리적 데이터만을 분석하기 때문에 스트레스 이외의 생리적 상태(운동, 더위, 추위, 심혈관 질환 등)에 의한 영향을 구분하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 피부에 나타나는 세 가지 감정 징후인 피부온도, 땀 분비량, 맥파 등 다중 생리적 데이터의 변화를 측정해 이를 피부에 부착 가능한 패치로 제작했다.
이 우표크기(25mm*15mm*72µm)의 피부 부착형 스트레스 패치는 맥박이 뛸 때 생기는 압력으로 스스로 전기를 만들어 공급하는 방식으로 외부 전원 및 배터리 없이 사용이 가능하다.
또한 모든 센서를 하나의 극소형 패치로 집적해 기존의 패치에 비해 피부 접촉면적을 1/125로 줄이고 유연성을 6.6% 높여 착용감을 극대화했다.
이를 통해 감정과 스트레스 징후를 연속적으로 측정해 개인의 감정 관리 및 정신건강 증진에 도움이 될 것으로 보인다.
연구팀은 “기존 웨어러블 기기에 쉽게 연결 가능하고 전원이 필요 없어 산업적 응용가치가 크다”며 “급격히 성장 중인 인공지능 기술과 접목할 경우 인간의 이성적 지능과 함께 감성적 부분까지 교감할 수 있을 것이다”고 말했다.
조 교수는 “미래사회에서는 인간의 지능과 신체 건강 뿐 아니라 고차원적 감정 조절과 정신 건강 관리의 중요성이 크게 부각될 것이다”며 “인간-기계 간 교감을 통해 정신적 만족감을 더해 삶의 질을 향상시키려는 감성 교감 기술이다”고 말했다.
윤성현, 심재경 박사과정 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부 신기술융합형 성장동력사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 피부부착형 유연 스트레스 패치 소자 부착 사진
그림2. 피부부착형 유연 스트레스 패치의 다층 구조
그림3. 피부부착형 유연 스트레스 패치 실제 크기
2016.04.19 조회수 12083