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이상엽 특훈교수, 바이오 기반 화학물질 합성 지도 완성
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 바이오매스인 미생물로부터 화학제품을 생산하는 경로를 총정리한 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 개발, 완성했다.
연구팀은 화학물질을 생산하는데 필요한 바이오 및 화학 반응들에 대한 정보를 총망라해 생명공학자들이 쉽게 활용할 수 있게끔 지도 형태로 정리하고, 이에 대한 분석을 수행했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 표지논문으로 1월 15일 게재됐다.
석유로부터 화학제품을 생산하는 과정에서 온실가스를 배출하기 때문에 지구온난화 등 글로벌 기후변화를 유발하고 있다. 이에 세계는 친환경적 방법으로 화학제품을 생산하기 위해 미생물을 활용한 화학물질 생산기술 개발에 주력하고 있다.
미생물과 같은 바이오매스 원료에 생물공학적 또는 화학적 기술을 적용해 화학원료·연료 등 화학제품을 생산하는 공정을 ‘바이오 리파이너리(Bio-Refinery)’라 한다.
바이오 리파이너리의 생물공학적 방법 중 ‘시스템 대사공학’만을 100% 적용해 화학물질을 생산하는 사례가 점차 늘고 있지만, 생물공학적 방법과 화학반응의 통합공정이나 화학공정만을 활용하는 것이 더욱 효율적인 경우도 많다.
이번에 구축한 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’는 화학물질 생산을 위한 생물공학적·화학적 반응 전체에 대해 최적의 합성 경로를 구축한 것으로, 앞으로 바이오 기반 화학제품 생산 연구에 귀중한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
특히 중요성을 인정받아 네이처 카탈리시스는 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 포스터로 제작해 관련 분야의 산업계, 연구계에서 활용할 수 있도록 전 세계에 배포할 계획이다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 지도는 앞으로 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향과 아이디어의 청사진을 제시해 준다는 점에서 의미가 있다”라며, “이는 향후 친환경 화학은 물론 의료·식품·화장품 분야 등 다양한 산업에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과기정통부 ‘기후변화대응기술개발사업’의 ‘바이오 리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발’ 과제 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 바이오 기반 화학물질 합성 지도
그림2. 네이처 카탈리시스 표지논문 디자인
2019.01.15 조회수 11291 -
민남기 박사과정, 〈도전!K-스타트업 2018〉 국방부장관상 수상
〈 민남기 박사과정, 유은혜 장관 〉
우리 대학 생명화학공학과 민남기 박사과정(지도교수 김신현)이 지난 12월 10일 서울 영등포구 콘래드 호텔에서 열린 ‘도전! K-스타트업 2018’ 시상식에서 국방부 장관상과 상금 1억 원을 수상했다.
창업 잠재력을 가진 예비 또는 초기 창업자를 발굴해 성공적인 사업화 기회를 제공하는 이 상은 교육부, 과학기술정보통신부, 국방부, 중소벤처기업부가 주최하고 한국연구재단, 한국청년기업가정신재단, 사단법인 스파크, 정보통신산업진흥원, 창업진흥원, 창조경제혁신센터, 한국방송통신전파진흥원, 한국과학창의재단이 주관했다.
이번 대회는 총 108개국 5천 770개 팀이 참여했으며 부처별 예선을 통해 135개 팀이 본선에 진출했다. 이후 3개월에 거친 발표 심사를 통해 최종 수상 10개 팀을 선정했다. 선정 과정은 JTBC의 ‘창업 신들의 배틀 스타트업 빅뱅’ 프로그램을 통해 지난 10월 31일부터 12월 19일까지 총 8부작으로 방송됐다.
민남기 박사과정은 이번 대회에서 ‘오팔레트’ 예비 창업자로 출전해 최종 탑텐에 이름을 올렸다. 사업화 아이템으로는 나노구조체를 이용한 무색소 컬러 콘택트렌즈을 출품했다. 기존의 화학 색소로는 낼 수 없는 색감을 냈다는 점과 내부의 나노 구조체를 통해 렌즈의 산, 투과율을 높인 점을 인정받았다.
이날 행사에는 유은혜 부총리 겸 교육부장관, 홍종학 중소벤처기업부 장관, 이목희 일자리위원회 부위원장이 참석해 시상과 좌담회를 열었다.
민남기 박사과정은 “연구실에서 개발하던 기술이 외부 투자자 및 많은 사람들에게 인정받게 돼 매우 기쁘다”며 “앞으로 본격적인 사업화를 통해 시장을 선도하는 렌즈 회사로 거듭나고 싶다”라고 밝혔다.
2018.12.24 조회수 7044 -
전상용, 이대엽, 임성갑 교수, 암 줄기세포 제작 원천기술 개발
우리 대학 생명과학과 전상용, 이대엽 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 특수 고분자박막을 이용해 3차원 암 줄기세포 스페로이드(spheroids)를 손쉽게 제작할 수 있는 세포배양 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법’을 이용한 고분자 박막을 형성해 암 줄기세포를 제작하는 데 성공했다. 이번 연구를 통해 암 줄기세포 기초 연구 및 약물 개발 플랫폼의 원천 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
최민석, 최윤정 박사, 유승정 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 미국 암학회(AACR) 대표 국제학술지인‘암 연구(Cancer Research)’ 10월 24일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명 : Polymer thin film-induced tumor spheroids acquire cancer stem cell-like properties)
암 줄기세포는 항암제에 대한 내재적 저항성을 가져 암의 전이와 재발에 깊이 관여하고 있다. 그러나 종양 안에 극히 일부 존재하기 때문에 지금까지는 다양한 암 줄기세포의 대량 확보가 어려워 암 연구 및 약물 개발에 제약이 있었다. 생체 내에서 암은 3차원 조직 덩어리 형태로 존재하므로 암 줄기세포를 스페로이드 형태로 배양하는 연구가 필요하다.
연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD : initiated chemical vapor deposition)’을 이용해 세포배양 기판 위에 특정 고분자 (pV4D4)박막을 형성했다.
그 위에 다양한 암세포를 배양한 결과 암세포들이 고분자박막 표면으로부터 자극을 받아 서로 뭉치면서 3차원 스페로이드 형태를 만들었고, 이와 동시에 항암제에 대한 저항성을 가진 종양 암 줄기세포로 변화하는 것을 확인했다.
연구팀은 이러한 ‘표면자극 유도 암 줄기세포(Surface stimuli-induced cancer stem cell-like cell)’를 고효율로 손쉽게 대량 배양하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 연구에서 특정 고분자 박막에서 배양된 표면 자극 유도 암 줄기세포 스페로이드가 약 24시간 안에 형성되며 분석결과 암 줄기세포 관련 유전자의 양이 배양시간에 따라 증가함을 발견했다.
연구팀이 개발한 플랫폼을 통해 형성된 암 줄기세포 스페로이드는 실제 항암제를 처리했을 때 뛰어난 약물저항성을 지니고 있음을 확인했다. 또한 종양 동물모델에서 비교그룹에서는 보이지 않았던 다른 장기로 암이 전이되는 것을 확인했다.
연구팀은 전체염기서열분석(Whole-genome sequencing)을 통해 표면 자극 유도 암 줄기세포와 실제 암 환자 암 줄기세포와의 유사성을 확인했다.
전상용 교수는 “이미 시판되고 있는 다양한 종류의 암 세포주들 뿐만 아니라 환자에서 유래한 생체 내 환경과 유사한 3차원 스페로이드 형태로 양질의 암 줄기세포를 고효율로 손쉽게 대량 배양할 수 있는 원천 기술을 개발했다”라며 “향후 암 줄기세포 기초 연구 및 약물 개발의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
또한 “나아가 암 줄기세포 제작용 플랫폼 소재에 대한 원천 기술 확보를 통해 거대한 암 관련 의료시장에서의 경제적인 부가가치 창출도 가능할 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다. 재단에서는 이 연구의 중요성을 높이 평가해 올해 9월부터 후속 과제 사업을 통해 3년 연장 지원을 결정했다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 암줄기세포 스페로이드 형성 모식도
그림2. 형성된 암줄기세포를 이용하여 약물 저항성 확인
2018.11.28 조회수 7138 -
이상엽 특훈교수, 세계경제포럼 생명공학미래위원회 의장 재선임
〈 이상엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 세계경제포럼 글로벌미래위원회(Global Future Council) 중 생명공학(biotech) 위원회의 제2대 공동의장으로 재선임됐다.
이 교수는 2016년부터 2년간 크리스퍼(CRISPR) 기술로 잘 알려진 MIT-하버드 브로드연구소의 펭 장(Feng Zhang) 교수와 함께 생명공학위원회 초대 공동의장을 역임했다.
11월 10일부터 3일간 아랍에미리트 두바이에서 세 번째 회담을 개최한 글로벌미래위원회는 4차 산업혁명과 새로운 사회계약, 혁신생태계, 디지털 경제와 사회 등 글로벌 의제, 한반도·중동 등 지역별 주요 의제 등을 다루기 위해 정부, 학계, 산업계, 시민사회등 다양한 분야에서 600여 명의 전문가, 리더들이 참여했다.
올해 재구성된 글로벌미래위원회는 총 38개로 구성되고 그중 28개의 글로벌 및 지역 의제 위원회들과 10개의 4차산업혁명 위원회가 있다.
4차산업혁명 위원회 중 하나인 생명공학위원회 의장을 다시 맡게 된 이 교수는 미국 올라리스 테라퓨틱스(Olaris Therapeutics)사의 CEO인 엘리자베스 오데이(Elizabeth O’Day)를 포함한 14명의 위원과 함께 생명공학분야 주요 의제를 다룰 예정이다.
이 교수는 “4차 산업혁명 시대의 핵심 떠오르는 기술들이 융합돼 급격히 발전하고 있는 헬스케어 분야에서 세계가 함께 고민하고 추진할 다양한 정책들을 도출하도록 노력하겠다”라고 말했다.
대사공학 분야에서 세계적 연구 성과를 낸 이 교수는 올해 조지 워싱톤 카버상과 에너지 분야 노벨상이라 불리는 에니상을 수상한 바 있다.
2018.11.19 조회수 4858 -
김신현 교수, 달걀 속 살충제 성분, 현장 즉시 검출 기술 개발
〈 김신현 교수, 김동재 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀과 재료연구소(소장 이정환) 김동호 박사 공동 연구팀이 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했다.
연구팀은 개발한 센서를 통해 다양한 종류의 살충제 성분을 검출하는데 성공했다. 특히 국내 및 유럽에서 문제가 됐던 달걀 속 살충제 성분인 피프로닐 술폰(Fipronil sulfone)을 시료 전처리 없이 검출할 수 있음을 증명했다.
연구팀의 센서는 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 내부에 금 나노입자 응집체를 캡슐화한 형태로 생체 시료 내에 존재하는 분자를 직접 분석해야 하는 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
김동재 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 10월 4일자 내부표지 논문으로 게재됐다.(논문명 : SERS-Active Charged Microgels for Size- and Charge-Selective Molecular Analysis of Complex Biological Samples, 생체 시료의 분자 크기 및 전하 선택적 분석을 위한 표면증강라만산란용 마이크로젤)
분자가 레이저에 노출되면 ‘분자 지문’이라고 불리는 고유의 라만(Raman) 신호를 보인다. 하지만 일반적으로 라만 신호의 세기는 매우 낮아 실질적인 분자 감지에 사용이 어렵다.
연구팀은 금속 나노구조의 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 강한 세기의 기장을 형성하는 점을 이용해 라만신호를 현저히 증가시켰다. 이를 표면증강라만산란 현상이라고 한다.
이 표면증강라만산란 현상에 의해 금속 나노구조 표면에 존재하는 분자의 라만신호는 크게 증가시킬 수 있지만 이를 일반적인 생체 시료에 직접 적용하는 것은 어렵다. 생체 시료에 존재하는 다양한 크기의 단백질들이 금속 표면에 비가역적으로 흡착해 실제 분석이 필요한 분자의 접근을 막기 때문이다.
일반적으로 사용되는 생체 시료 분석법은 대형 장비를 이용한 시료 전처리 과정이 필수이다. 하지만 이로 인해 시료의 신속한 현장 분석이 어려워 시간과 비용을 증가시킨다.
연구팀은 시료의 정제 과정 없이 분자를 직접 검출하기 위해 하이드로젤에 주목했다. 하이드로젤은 친수성(親水性) 나노 그물 구조를 이루고 있어 단백질처럼 크기가 큰 분자는 배제하고 작은 크기의 분자만을 내부로 확산시킨다. 또한 하이드로젤이 전하를 띠는 경우 반대 전하를 띠고 있는 분자를 선택적으로 흡착시켜 농축할 수 있다.
연구팀은 이러한 원리를 센서 구현에 적용시키기 위해 미세유체기술을 이용했다. 이를 통해 금 나노입자 응집체를 형성하는 동시에 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 안에 캡슐화 하는데 성공했다.
하이드로젤 미세 입자는 생체 시료에 도입돼 단백질로부터 금 나노입자 응집체를 보호하고, 동시에 반대 전하를 띠는 표적 분자를 응집체 표면에 선택적으로 농축시킨다. 이를 통해 표적 분자의 라만 신호는 단백질의 방해 없이 증대되며 시료의 전처리 과정 없이 빠르고 정확한 분자 검출이 가능해진다.
김신현 교수는 “새롭게 개발한 라만 센서는 식품 내 살충제 성분 검출 뿐 아니라 혈액과 소변, 땀 등 인체 속 시료에 들어있는 약물, 마약 성분 등 다양한 바이오마커의 직접 검출에도 사용 가능하다”고 말했다.
재료연구소 김동호 박사는 “시료 전처리가 필요없기 때문에 현장에서 시료의 직접 분석이 가능해 시간과 비용의 혁신적 절감이 가능해질 것이다”고 말했다.
이번 연구결과는 재료연구소의 기관 주요사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 글로벌연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. small 저널 내부표지
그림2. 시료 전처리 없이 분자 선택적 라만 분석이 가능한 하이드로젤 기반 라만 센서의 원리
그림3. 분자 전하 선택적 농축 및 배제를 보여주는 현미경 사진
2018.10.18 조회수 8251 -
김도현 교수, 2차원 나노소재 분산용액 양산 기술 개발
〈 김도현 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합특성을 이용해 2차원 나노소재 분산용액을 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
2차원 나노소재 분산용액은 전자, 에너지 저장 및 전환 소자 개발에 사용되는 용액기반 공정에 직접 적용 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
동국대학교 한영규 교수(제일원리 계산), 강원대학교 최봉길 교수(용액 특성 평가), 한국화학연구원 황성연 박사(물질 특성 평가) 연구팀과 공동으로 진행하고 정재민 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문에 선정됐다. (논문명 : Hydraulic Power Manufacturing for Highly Scalable and Stable 2D Nanosheet Dispersions and Their Film Electrode Application)
2차원 소재는 나노사이즈의 두께로 박리됐을 때 새롭고 우수한 물리, 화학적 특성이 나타나는 장점이 있어, 다양한 2차원 나노소재의 대량생산연구가 진행되고 있다.
그러나 높은 물리적 힘이나 화학적 반응성만을 이용하는 기존 박리기술들은 용량이 증가함에 따라 2차원 소재에 균일한 에너지를 주는 것이 힘들고 고비용과 많은 시간이 소요된다는 한계가 있다.
또한 나노두께로 박리된 2차원 나노시트들은 표면에너지의 증가로 다시 원래 두께로 돌아가려는 성질이 있어 유기용매나 계면활성제 등의 사용이 필수 조건이기 때문에 농도 제어나 응용성에 한계가 있다.
연구팀은 최근 2년간의 연구를 통해 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합효율이 2차원 소재의 박리에 가장 효율적임을 규명했다. 연구팀은 증가된 반응기 용량에서도 이를 균일하게 유지할 수 있는 유동 모델과 응용 분야에 유용한 분산제를 선택해 수용액의 물리적 박리를 통한 고농도 2차원 나노소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.
연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다. 테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노소재가 박리될 수 있다는 장점을 갖는다.
연구팀은 2차원 나노소재를 소량으로도 수용액상 안정화 및 분산시킬 수 있는 이온성 액체를 동국대 한영규 교수팀의 제일원리 계산을 통해 분산제로 선정하여 박리효율과 분산농도를 극대화했다.
연구팀은 개발한 분산용액의 성능을 확인하기 위해 막 여과 공정 (membrane filtration process)과 잉크젯 프린터의 잉크에 용액을 적용했다.
막 여과 공정은 매우 빠르고 간단하게 다양한 두께의 필름을 형성할 수 있는 방법으로 최근 각광받는 제한된 공간 내 높은 용량을 갖는 부피 대비 고용량 전극의 제조방법으로 응용되고 있다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀 분산용액을 막 여과 공정에 적용해 유연하고 높은 전도성의 마이크로 전극 필름을 만들었고, 슈퍼캐패시터 소자의 전극으로 적용했을 때 안정적이고 고성능 용량을 보임을 확인했다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노소재 분산용액을 잉크로 사용해 A4용지에 수 마이크로 두께의 나노소재 패턴을 만들었다. 그 중 그래핀 나노소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.
김 교수는 “연구팀의 수용액상 나노소재 고속, 대량 생산기술은 다양한 종류의 2차원 소재들도 쉽게 적용 가능하다”며 “전자, 바이오센서, 에너지 저장/전환 시스템의 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 한국화학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지
2018.10.11 조회수 6177 -
이상엽 특훈교수, 에니(Eni) 상 수상자 선정
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 환경, 에너지 분야의 노벨상으로 불리는 에니 상(Eni Awards) 수상자로 선정됐다.
시상식은 10월 22일 이탈리아의 퀴리날레 궁전에서 세르지오 마타렐라 이탈리아 대통령 참석 하에 개최된다.
이탈리아의 다국적 국영 에너지 기업인 에니(Eni) 사는 원유, 천연가스, 전기 등을 생산하는 세계적 에너지 기업으로, 2008년부터 에니 상을 제정해 매년 에너지와 환경 분야에 혁신적인 연구 개발을 이룬 과학자들을 시상하고 있다.
올해로 11회째를 맞는 에니 상은 에너지 트랜지션(The Energy Transition), 에너지 프론티어(The Energy Frontiers), 그리고 어드밴스드 인바이런멘탈 솔루션(The award for Advanced Environmental Solutions) 등 3개 분야로 나눠져 있다. 이 중 이상엽 특훈교수는 어드밴스드 인바이런멘탈 솔루션 상을 수상했다.
에니 상 위원회는 이 특훈교수의 혁신적 연구 성과가 지속가능한 에너지 개발에 새로운 장을 열었고, 기술적 완성도와 경제적 가치 측면에서 매우 선도적이라는 점에서 수상자로 선정하게 됐다고 밝혔다.
또한 이 특훈교수는 친환경 화학제품, 연료 및 비식용 바이오매스를 생산할 수 있는 시스템 대사공학의 선구자이자 세계적인 연구자라고 설명했다.
이상엽 교수는 미생물 대사공학을 통해 재생 가능한 자원으로부터 다양한 화학 물질, 연료 및 재료들을 생산하는 지속한 가능한 미생물 공정을 개발해 인류가 직면한 환경문제를 해결하기 위한 획기적인 해결책들을 제안하고 있다.
이 특훈교수의 연구는 수많은 특허와 기술이전을 통해 알 수 있듯이 기초 연구 뿐 아니라 산업 응용 분야 모두 탁월한 성과를 내고 있다. 미생물로 만들기 어려웠던 화합물을 효율적으로 생산하는 ‘시스템 대사공학’의 창시자로 다양한 유기산, 고분자 단량체, 산업적 용매, 연료, 천연물과 같은 다양한 화학물질들을 미생물 기반으로 생산했다.
또한 천연 고분자와 비 천연 고분자를 직접 발효를 통해 생산하는 많은 균주와 공정들을 개발했다.
조지워싱턴 카버 상, 덴쿼츠 기념강연 상 등 올해에만 세계적이고 권위 있는 상을 여러 차례 수상한 이 특훈교수는 “우리 연구실에서 학생 연구원들과 함께 노력해 얻은 시스템 대사공학 연구결과들이 세계 학계와 기업에서 환경 친화적인 기여도가 큰 성과들로 인정받게 돼 기쁘다”며 “바이오 기반의 친환경 물질을 개발을 통해 환경 분야 및 차세대 에너지 발전에 공헌하겠다”고 말했다.
2018.09.12 조회수 7413 -
이상엽 교수, 미생물 발효한 친환경 기술로 햄(haem) 생산 기술 개발
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균을 발효시켜 바이오매스로부터 헴(haem)을 생산하고 세포 밖으로 분비할 수 있는 기술을 개발했다.
이는 대사공학 전략을 통해 헴의 생산량을 대폭 높이고 생산된 헴을 효과적으로 세포 바깥에 분비하는 데 성공한 친환경적, 효율적 원천기술로 생산한 헴을 이용해 각종 산업의 확장에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
자오신루이, 최경록 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 8월 28일자 온라인 판에 게재됐다.
헴은 생명 유지에 필수적인 철분으로 혈액에서 산소를 운반하는 헤모글로빈이나 세포 호흡에 필수적인 사이토크롬을 비롯한 여러 중요한 단백질 기능에 핵심적 역할을 한다. 특히 인체 흡수율이 높기 때문에 고급 철분제나 약물로 이용된다.
무분별한 가축의 사육이 여러 사회 이슈를 불러일으키는 상황에서 최근 헴이 고기 맛을 내는 핵심 요소로 밝혀지며 콩고기에 미생물이나 식물에서 추출한 헴을 넣어 맛과 영양, 환경 등을 고려한 콩고기 조리법이 주목받기도 했다.
그러나 기존의 헴 생산 방식은 유기 용매를 이용한 동물의 혈액과 일부 식물 조직으로부터의 추출에 의존하고 있기 때문에 비효율적일 뿐 아니라 친환경적이지 않다는 한계가 있다.
대장균을 이용한 헴 생산 기술이 개발된 바 있지만 생산량이 수 밀리그램(mg)에 그치고 생산된 헴이 세포 내에 축적되기 때문에 헴 추출 등의 문제를 해결하지 못했다. 따라서 고농도로 헴을 생산하면서도 세포 바깥으로 헴을 분비해 정제를 용이하게 하는 친환경 생산 시스템 개발이 필요했다.
연구팀은 바이오매스를 이용한 고효율 헴 생산 미생물을 제작하기 위해 대장균 고유의 헴 생합성 회로를 구성했다. 또한 기존에 사용되지 않았던 C5 대사회로를 사용해 헴 생산의 전구체인 5-아미노레불린산을 생합성했다.
이를 통해 원가가 비싸고 세포 독성을 일으키는 물질인 글리신을 사용하지 않고도 헴 생산량을 대폭 높였다. 이 과정에서 연구팀은 헴 생산량이 향상됨에 따라 생산된 헴이 상당 비율로 세포 바깥으로 분비되는 것을 발견했다.
연구팀은 구성한 대장균의 헴 분비량을 더욱 높이기 위해 사이토크롬 생합성에 관여한다고 알려진 단백질인 헴 엑스포터를 과발현함으로써 헴 생산량과 세포외 분비량 모두가 향상된 헴 분비생산 균주를 개발했다. 이를 통해 헴 엑스포터와 헴의 세포외 분비 사이의 연관성을 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 기술을 활용하면 환경, 위생, 윤리적 문제없이 재생 가능한 자원을 통해 헴 생산을 할 수 있다. 향후 의료 및 식품 산업 등 헴을 이용하는 다양한 분야에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.
이 특훈교수는 “건강 보조제, 의약품, 식품 첨가물 등 다양한 활용이 가능한 헴을 미생물발효를 통해 고효율로 생산했다”며 “생산된 헴의 3분의 2 가량을 세포 바깥으로 분비하는 시스템을 개발함으로써 산업적 활용을 위한 헴의 생산 및 정제를 용이하게 했다는 의의를 갖는다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’ 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 대장균을 이용한 헴 생산 및 세포외 분비 전체 개념도
2018.09.06 조회수 9029 -
이현주 교수, 배기가스 정화용 로듐 앙상블 촉매 개발
〈 정호진 박사과정, 이현주 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수가 포항공대 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 자동차 배기가스 정화에 사용할 수 있는 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매를 개발했다.
연구팀의 촉매는 자동차 배기가스 정화 반응에서 시중의 디젤 산화 촉매에 비해 50도 낮은 온도에서 100%의 전환율을 달성하는 성능을 보였다. 연구팀의 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매, 나노입자 촉매와는 다른 개념으로 금속 앙상블 자리(ensemble site)가 필요한 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
정호진 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국 화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’ 7월 5일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Fully Dispersed Rh Ensemble Catalyst to Enhance Low-Temperature Activity, 저온 활성 향상을 위한 완전히 분산된 로듐 앙상블 촉매)
다양한 불균일계 촉매 중 귀금속 촉매는 높은 활성을 보이기 때문에 널리 사용된다. 하지만 귀금속의 희소가치 때문에 귀금속 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요하다.
단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있기 때문에 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.
한편 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 등의 탄화수소는 대표적인 자동차 배기가스 오염물질로 반드시 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 전환한 뒤 배출돼야 한다. 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야만 탄화수소 산화반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해서는 금속 앙상블 자리를 확보하는 것이 필수적이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 로듐 앙상블 촉매를 개발해 자동차 배기가스 정화반응에 적용했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있기 때문에 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미이다.
이는 단일원자 촉매도 동일하게 갖는 특징이지만, 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점 또한 갖고 있다.
그 결과 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 프로필렌, 프로판 산화 반응에서 모두 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없는 단일원자 촉매나 낮은 금속 분산도로 인해 저온 촉매 성능이 떨어지는 나노입자 촉매의 단점을 보완한 것이다.
특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매는 상용화된 디젤 산화 촉매(DOC, diesel oxidation catalysts)보다 높은 활성과 내구성을 가져 실제 자동차 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존의 단일원자, 나노입자 촉매와는 다른 새로운 금속 촉매 개념으로 학술적으로 기여하는 바가 크다”며 “자동차 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 가치가 큰 연구이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업 초저에너지 자동차 초저배출 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 분산도 100% 로듐 앙상블 촉매를 이용한 자동차 배기가스 정화 반응 개념도
그림2. 단일 원자 촉매와 앙상블 촉매의 촉매 구조와 성능 비교 모식도
그림3. EDS-mapping 분석법을 통해 관찰한 단일 원자 촉매, 앙상블 촉매, 나노입자 촉매 구조 사진
2018.07.23 조회수 8795 -
이상엽 특훈교수, 조지 워싱턴 카버 상 수상
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 제11회 ‘조지 워싱턴 카버 상’ 산업생명공학 혁신상 수상자로 선정됐다.
시상식은 오는 18일 미국 필라델피아에서 열리는 ‘2018 생명공학산업협회(Biotechnology Innovation Organization, BIO) 세계 산업바이오 공학 대회’의 기조 강연 세션에서 열릴 예정이다.
이번 대회는 세계 최대 규모의 산업 생명공학 및 파트너십 행사로 16일부터 19일까지 필라델피아의 펜실베니아 컨벤션 센터에서 개최된다.
조지 워싱턴 카버 상은 매년 산업 생명공학을 통해 바이오 기반 경제를 구축하고 친환경적, 지속 가능한 제품을 생산하는 데 큰 공헌을 한 사람에게 수여된다. 이 상은 100여 년 전 재생 가능한 농작물을 원료로 바이오 기반 제품과 에너지를 생산한 선구자 조지 워싱턴 카버의 뜻을 기리기 위해 제정됐다.
이 특훈교수는 조지 워싱턴 카버상의 11번째 수상자로, 듀폰(Dupont) 사의 CEO 엘렌 쿨만(Ellen Kullman), MIT 공대의 그레고리 스테파노폴로스(Gregory Stephanopoulos) 교수 등이 이 상을 수상한 바 있다.
이 특훈교수는 시스템대사공학이라는 분야를 개척해 비식용 바이오매스로부터 화학물질, 연료, 재료를 생산하는 환경 친화적이며 지속 가능한 미생물 공정을 개발해 국제적 성과를 내고 있다.
이러한 공을 인정받아 미국 국립과학원 외국회원과 미국 공학한림원 외국회원으로 선임되기도 했다. 양대 한림원 모두 선임된 외국 회원은 전 세계에 13명뿐이고, 국내에서는 이 특훈교수가 유일하다.
BIO의 산업및환경 부문 브렌트 에릭손(Brent Erickson) 부회장은 “이상엽 교수는 지속 가능하고 환경 친화적인 여러 혁신적 제품과 공정을 개발해 바이오 기반의 경제를 발전시키고 전 세계 대중과 정책 및 의사결정자에게 산업 생명공학의 중요성을 알리는 데 앞장서 왔다. 산업 발전에 대한 이 교수의 공헌은 조지 워싱턴 카버의 정신을 잇고 있다”고 말했다.
조지 워싱턴 카버 상을 후원하는 아이오와 생명공학 협회의 조 흐들리카(Joe Hrdlicka) 대표는 “이상엽 교수는 조지 워싱턴 카버상을 수상하기에 완벽한 조건을 갖췄다. 이 교수의 575편이 넘는 논문, 82권의 저서, 636건의 특허는 산업 생명공학의 진보에 아주 중요한 기여를 해 우리 삶의 질을 향상시키고 있다”고 말했다.
이상엽 특훈교수는 “수상하게 돼 매우 영광이며 지난 수십 년 간 함께 해온 연구팀에게 영광을 돌린다”며 “UN의 지속가능 개발목표 달성을 위해 산업 생명공학이 중요해지고 있다. 지속 가능한 미래의 기반을 다지기 위해 함께 협력해야 한다”고 말했다.
2018.07.12 조회수 7461 -
김신현 교수, 풍뎅이 외피 본뜬 머리카락 굵기 레이저 공진기 개발
〈 이상석 박사과정, 김신현 교수, 김종빈 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 한국화학연구원 김윤호 박사와의 공동 연구를 통해 머리카락 굵기 수준의 캡슐형 레이저 공진기를 개발했다.
연구팀의 캡슐형 레이저 공진기는 크리슈나 글로리오사 풍뎅이(Chrysina gloriosa, 이하 글로리오사 풍뎅이)의 외피와 동일한 구조를 미세 캡슐에 탑재한 기술로 치료용 레이저 등 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이상석 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 사이언스 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 6월 22일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Wavelength-tunable and shape-reconfigurable photonic capsule resonators containing cholesteric liquid crystals , 파장 가변성과 모양 재구성성을 갖는 콜레스테릭 액정 기반의 캡슐형 레이저 공진기)
글로리오사 풍뎅이는 좌측으로 원편광된 빛을 비추면 나뭇잎과 비슷한 초록색을 띠고, 우측으로 원편광된 빛을 비추면 아무 색도 보이지 않는다. 이러한 독특한 광학 특성은 포식자들을 피해 글로리오사 풍뎅이 간의 통신 수단으로 활용된다고 알려져 있다.
글로리오사 풍뎅이가 편광 방향에 따라 다른 색을 보이는 이유는 외피에 왼쪽 방향으로 휘감아 도는 나선구조가 존재하기 때문이다. 이러한 나선구조는 동일한 방향의 원편광 빛만을 선택적으로 반사해 반사색을 보인다.
글로리오사 풍뎅이가 가진 나선구조를 활용하면 인공적으로 액정을 구현하는 것이 가능하다. 이러한 액정 나선구조는 글로리오사 풍뎅이의 외피처럼 편광 방향에 따른 반사 특성을 보이며 특정 파장의 빛을 제어할 수 있기 때문에 보통의 레이저와 달리 거울 없이도 레이저 공진기를 구현할 수 있다.
이러한 액정을 활용한 레이저 공진기는 필름 형태로 구현되곤 했는데 필름 형태의 공진기는 레이저의 발광 방향이 고정돼 있고 크기가 커 미세한 부분에 사용하기에는 한계가 있었다.
연구팀은 액정 레이저 공진기를 머리카락 크기 수준의 캡슐 내부에 제작해 목표 지점에 주사하거나 이식할 수 있는 새로운 형태의 레이저 공진기를 개발했다.
캡슐형 레이저 공진기는 삼중 구조로 구성된다. 코어의 액정 분자와 발광 분자의 혼합물을 액체 상태의 배향층과 고체 상태의 탄성층이 겹으로 감싸는 형태이다.
배향층은 코어의 액정 분자가 높은 배향 수준을 갖게 하는 역할을 통해 레이저 공진기의 성능을 향상시키고, 탄성층은 캡슐의 기계적 안정성을 높인다. 연구팀은 미세유체기술을 이용해 복잡한 삼중 구조를 제어된 방식으로 설계했다.
캡슐형 레이저 공진기는 공기 중에서도 안정적으로 구형을 유지하며 레이저 발광이 캡슐 표면을 따라 수직 발생해 3차원의 전방향(omnidirectional) 레이저 발광이 가능하다.
또한 캡슐형 공진기를 기계적으로 변형시켜 발광 방향과 레이저의 세기를 조절할 수 있고 온도 조절을 통해 액정의 나선구조 간격을 변화시키면 레이저 발광의 파장도 조절이 가능하다.
김 교수는 “개발한 새로운 형태의 캡슐형 레이저는 작은 크기와 높은 기계적 안정성을 가져 주사 및 이식이 가능하며 국부적인 영역에만 조사할 수 있는 치료용 레이저로 사용 가능하다”며 “자연에 존재하는 C.글로리오사 풍뎅이의 외피 구조를 모방해 발전시킨 것으로 인간은 자연에서부터 배우고 공학적으로 창조하게 됨을 증명한 연구이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 X-project 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 좌원편광 빛과 우원편광 빛에 노출된 C. gloriosa 풍뎅이의 사진
그림2. 캡슐형 레이저 공진기의 구성 (좌) 및 광학 현미경 사진 (우)
2018.07.03 조회수 6710 -
이상엽 특훈교수, 덴쿼츠 기념강연 상 수상
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(KI연구원장)가 덴쿼츠 기념 강연(P.V. Danckwert’s Memorial Lecture) 2018년도 수상자로 선정됐다.
1985년 제정된 덴쿼츠 기념강연 상은 화학공학과학(Chemical Engineering Science)지, 국제 화학공학원(Institution of Chemical Engineers), 미국 화학공학회(American Institute of Chemical Engineers), 유럽 화학공학연합(European Federation of Chemical Engineering)이 공동으로 주관한다.
전 세계 화학공학 연구자 중 화학공학의 발전에 크게 기여한 사람을 선정해 유럽 화학공학연합회와 미국 화학공학회에서 격년으로 시상하고 수상자는 기념 강연을 한다.
덴쿼츠 기념강연 상은 제정 이후 닐 아문슨(Neal Amundson), 옥타브 레벤스필(Octave Levenspiel), 러더포드 아리스(Rutherford Aris) 등 화학공학의 아버지로 불리는 연구자들이 수상해 왔다. 1989년 중국의 곽무손(Mooson Kwauk) 박사를 제외하고는 모두 미국과 유럽의 화학공학자들이 기념강연자로 선정됐다.
이 교수의 기념강연 상 선정을 통해 우리나라도 수상자를 배출함으로써 화학공학의 위상을 높이는 계기가 됐다.
시상식과 기념강연은 오는 10월 말 미국 피츠버그에서 열리는 미국화학공학과 연례총회에서 있을 예정이며, 이 교수는 ‘UN의 지속가능개발목표를 달성하기 위한 바이오테크놀로지’를 주제로 강연을 할 예정이다.
이 교수는 생명공학 분야의 권위자로 특히 대사공학을 이용한 환경친화적이고 지속 가능한 화학물질 생산기술 개발에서 세계적 업적을 이룩한 공을 인정받았다.
이 교수는 최근에도 생분해성 방향족고분자의 발효 생산 기술, 인공지능을 이용한 약물 대 약물, 약물 대 음식 간 상호작용 규명기술, 경북대 연구진과 공동으로 PET 분해효소 구조 규명 기술 개발 등 바이오테크놀로지를 이용해 지속 가능한 화학공학과 미래 헬스케어 관련 연구에서 세계적으로 주목받는 연구 결과를 내고 있다.
2018.06.18 조회수 6306