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김진우 교수, 발달과정 세포 간 정보전달 원리 규명
우리 대학 생명과학과 김진우 교수 연구팀이 호메오 단백질의 세포 간 이동으로 인해 세포와 세포 사이에서 정보가 전달될 수 있음을 규명했다.
호메오 단백질은 DNA에 결합하는 능력을 가진 전사인자로, 세포가 어떤 신체부위로 발달할지 운명을 결정하는 역할을 한다고 알려져 있다. 따라서 어떤 호메오 단백질을 가지고 있는지에 따라 동일한 DNA를 가진 세포들의 유전자 발현 양상이 달라져, 뇌·심장·피부 등 상이한 특징을 가지는 신체 기관으로의 발달이 가능해진다.
기존 학설에서는 친수성 물질은 소수성인 세포막을 통과하지 못하므로, 친수성인 호메오 단백질도 만들어진 세포 안에서만 작용한 뒤 소멸된다고 여겼다. 그러나 호메오 단백질이 세포막을 자유롭게 통과해 주변 세포로 이동한다는 주장도 있어, 약 30년간 학계의 논란이 되어 왔다.
이은정 박사가 제1 저자로 참여한 연구팀은 기존 세포생물학의 정설을 깨고, 호메오 단백질이 대부분 세포막 밖으로 분비될 수 있음을 입증했다. 연구팀이 인간의 160여 개 호메오 단백질을 분석한 결과 그 중 95%가 세포의 외부로 분비되어 주변 세포로 이동한 것을 확인했다.
그뿐만 아니라 연구팀은 세포의 외부로 분비되기 위한 조건으로써 호메오 단백질 내부에 소수성 아미노산 잔기가 필요하다는 것도 증명했다.
김진우 교수는 "이 연구를 통해 세포 간 이동이 호메오 단백질들이 가지는 일반적인 특성임이 증명됐다ˮ고 말하며, "이 연구가 30년 가까이 이어져 온 호메오 단백질의 세포 간 이동현상 논란에 종지부를 찍는 중요한 전환점이 될 것으로 본다ˮ라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터, 글로벌연구실) 등의 지원으로 수행되었으며 생명과학 분야의 세계적 학술지인 `셀 리포트(Cell Reports)'에 7월 16일 게재됐다.
□ 그림 설명
(그림 1) 호메오단백질의 세포 분비능 평가 결과
세포 외부로 분비된 호메오단백질을 검출하기 위해 세포 배양액의 호메오단백질 상대량을 조사했다(왼쪽 푸른색 바탕의 검은색 이미지). 3가지 다른 세포주를 이용해 검출하고, 각 결과를 병합해 오른쪽 모식도에 나타냈다(흰색: 3가지 세포주 모두에서 분비된 호메오단백질 / 회색: 3가지 세포주 모두에서 분비되지 않은 호메오단백질)
(그림 2) 호메오단백질의 세포간 이동 모델
호메오단백질의 분비 능력은 호메오도메인의 존재와 더불어 호메오단백질의 3차원 구조(호메오도메인 외부에 존재하는 소수성 아미노산잔기에 따라 정해짐)에 의해 결정된다. 세포 바깥 공간으로 분비된 호메오단백질는 세포 표면에 존재하는 프로테오클리칸의 당사슬과 결합을 통해 축적된 뒤 인접한 세포의 세포막을 침투해 세포 내부로 들어간다. 세포로 침투한 호메오단백질들은 해당세포에서 유전자 및 단백질 발현 등의 과정을 조절함으로써 세포의 발달과 유지에 관여한다.
2019.07.19
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박준성 연구원, 알츠하이머병의 새로운 원인 규명
〈 박준성 박사 〉
우리 대학 의과학대학원 박준성 박사(지도교수 : 이정호 교수), KISTI(한국과학기술정보연구원) 국가슈퍼컴퓨팅본부 유석종 박사 공동 연구팀이 노화 과정에서 발생하는 후천적 뇌 돌연변이가 알츠하이머병의 새 원인이 될 수 있다는 이론을 제시했다.
연구팀은 52명의 알츠하이머병 환자에게 얻은 사후 뇌 조직에서 전장 엑솜 유전체 서열(whole-exome sequencing) 데이터 분석을 통해 알츠하이머병에 존재하는 뇌 체성 유전변이를 찾아냈다. 또한, 뇌 체성 돌연변이가 알츠하이머병의 중요 원인으로 알려진 신경섬유다발 형성을 비정상적으로 증가시킴을 확인했다.
박준성 박사와 KISTI 이준학 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 7월 12일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Brain somatic mutations observed in Alzheimer's disease associated with aging and dysregulation of tau phosphorylation)
노인성 치매의 가장 흔한 원인으로 알려진 알츠하이머병은 전 세계 GDP의 1%를 차지할 정도로 사회, 경제적 소모비용이 큰 질환이다. 하지만 여전히 알츠하이머병을 일으키는 분자 유전학적 원인은 명확하게 규명되지 않고 있다.
기존의 알츠하이머병 유전체 연구는 주로 환자의 말초조직인 혈액에서 전장유전체 연관분석(Genome-wide association study)을 하거나, 이미 가족력이 있는 환자에서 발견된 일부 유전자들(e.g., APP, PSEN1/2)에 대한 유전자 패널 분석 등이 주를 이루었다.
연구팀은 산발성 알츠하이머병 환자들에게 내후각피질에서 신경섬유다발이 공통으로 나타나는 현상에 주목해 알츠하이머병 환자의 뇌 조직에서 직접 엑솜 유전체 데이터를 생성해 알츠하이머병 뇌-특이적 체성 유전변이를 발굴했다.
연구팀은 알츠하이머병 환자와 정상인의 해마 형성체 부위를 레이저 현미 해부법을 통해 정밀하게 오려냈고, 저빈도의 체성 유전변이(Somatic mutation)를 정확하게 찾아내기 위해 대용량 고심도 엑솜 시퀀싱 데이터를 생성하고 저빈도 체성 유전변이 분석에 특화된 분석 파이프라인을 독자적으로 구축했다.
이러한 새 방법론을 통해 실제로 알츠하이머병 환자의 뇌에 체성 유전변이가 실제로 존재함을 체계적으로 규명함과 동시에 체성 유전변이의 누적속도 및 신경섬유다발 형성과의 관련성도 함께 밝혀냈다.
연구팀의 발견은 알츠하이머병의 발병에 체성 유전변이가 주요한 역할을 할 수 있음을 강력하게 시사하는 것으로, 알츠하이머병 유전체 연구에 대한 새로운 틀을 제시함과 동시에 향후 다른 신경퇴행성뇌질환의 연구에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 교원 창업 기업(소바젠, 대표 김병태)을 통해 알츠하이머 질환의 진단과 치료제 개발에 나설 예정이다.
KISTI 유석종 박사는 연구팀이 구축한 저빈도 체성 유전변이 분석 파이프라인 및 빅데이터 분석을 위한 슈퍼컴퓨팅 기술을 통해 알츠하이머병의 새로운 발병 원리를 밝혀냈다라며 타 유전체 기반 연구에 활용할 수 있는 기반을 마련했다라고 말했다.
이번 연구는 서경배 과학재단, 보건복지부 및 한국과학기술정보연구원의 지원을 받아 수행됐고, 신속한 유전체 빅데이터 분석을 위해 KISTI의 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온 시스템이 활용됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구에서 사용된 체성 유전변이 분석 파이프라인
그림2. 신경섬유성다발 형성에 관여하는 체성 유전변이
그림3. PIN1 유전자에 발생한 병원성 뇌 체성유전변이와 신경섬유다발 형성과의 관계 규명
2019.07.17
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이상엽 특훈교수, 김현욱 교수, 인공지능 이용한 효소기능 예측 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 김현욱 교수의 초세대 협업연구실 공동연구팀이 딥러닝(deep learning) 기술을 이용해 효소의 기능을 신속하고 정확하게 예측할 수 있는 컴퓨터 방법론 DeepEC를 개발했다.
공동연구팀의 류재용 박사가 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS)’ 6월 20일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Deep learning enables high-quality and high-throughput prediction of enzyme commission numbers)
효소는 세포 내의 생화학반응들을 촉진하는 단백질 촉매로 이들의 기능을 정확히 이해하는 것은 세포의 대사(metabolism) 과정을 이해하는 데에 매우 중요하다.
특히 효소들은 다양한 질병 발생 원리 및 산업 생명공학과 밀접한 연관이 있어 방대한 게놈 정보에서 효소들의 기능을 빠르고 정확하게 예측하는 기술은 응용기술 측면에서도 중요하다.
효소의 기능을 표기하는 시스템 중 대표적인 것이 EC 번호(enzyme commission number)이다. EC 번호는 ‘EC 3.4.11.4’처럼 효소가 매개하는 생화학반응들의 종류에 따라 총 4개의 숫자로 구성돼 있다.
중요한 것은 특정 효소에 주어진 EC 번호를 통해서 해당 효소가 어떠한 종류의 생화학반응을 매개하는지 알 수 있다는 것이다. 따라서 게놈으로부터 얻을 수 있는 효소 단백질 서열의 EC 번호를 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 기술은 효소 및 대사 관련 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다.
작년까지 여러 해에 걸쳐 EC 번호를 예측해주는 컴퓨터 방법론들이 최소 10개 이상 개발됐다. 그러나 이들 모두 예측 속도, 예측 정확성 및 예측 가능 범위 측면에서 발전 필요성이 있었다. 특히 현대 생명과학 및 생명공학에서 이뤄지는 연구의 속도와 규모를 고려했을 때 이러한 방법론의 성능은 충분하지 않았다.
공동연구팀은 1,388,606개의 단백질 서열과 이들에게 신뢰성 있게 부여된 EC 번호를 담고 있는 바이오 빅데이터에 딥러닝 기술을 적용해 EC 번호를 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 DeepEC를 개발했다.
DeepEC는 주어진 단백질 서열의 EC 번호를 예측하기 위해서 3개의 합성곱 신경망(Convolutional neural network)을 주요 예측기술로 사용하며, 합성곱 신경망으로 EC 번호를 예측하지 못했을 경우 서열정렬(sequence alignment)을 통해서 EC 번호를 예측한다.
연구팀은 더 나아가 단백질 서열의 도메인(domain)과 기질 결합 부위 잔기(binding site residue)에 변이를 인위적으로 주었을 때, DeepEC가 가장 민감하게 해당 변이의 영향을 감지하는 것을 확인했다.
김현욱 교수는 “DeepEC의 성능을 평가하기 위해서 이전에 발표된 5개의 대표적인 EC 번호 예측 방법론과 비교해보니 DeepEC가 가장 빠르고 정확하게 주어진 단백질의 EC 번호를 예측하는 것으로 나타났다”라며 “효소 기능 연구에 크게 이바지할 것으로 기대한다”라고 말했다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 DeepEC를 통해서 지속해서 재생되는 게놈 및 메타 게놈에 존재하는 방대한 효소 단백질 서열의 기능을 보다 효율적이고 정확하게 알아내는 것이 가능해졌다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제 및 바이오·의료기술 개발 Korea Bio Grand Challenge 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 인공지능 기반의 DeepEC를 이용한 효소 기능 EC 번호 예측
2019.07.03
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장석복 교수, 2019 대한민국최고과학기술인상 수상자 선정
〈 장석복 교수 〉
우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 과학기술정보통신부와 한국과학기술단체총연합회의 2019년 ‘대한민국최고과학기술인상’ 수상자로 선정됐다.
장석복 특훈교수는 기초과학 분야인 ‘탄소-수소 결합 활성화 촉매 반응개발’ 분야에서 선도적인 업적을 달성하고 그 연구결과를 사이언스(Science), 네이처 케미스트리(Nature Chemistry), 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 등에 발표해 전 세계적 연구 방향을 주도하는 등 우리나라 자연과학의 위상을 세계적으로 드높이는데 크게 기여했다.
장 교수는 탄소-수소 결합으로부터 탄소-탄소 결합을 형성하는 전이금속 촉매반응 개발을 선도했으며, 탄소-수소 결합의 활성화를 통해 탄소-질소 결합을 형성하는 독창적인 로듐 촉매반응 개발, 이를 바탕으로 거울상 선택적으로 락탐 구조를 합성하는 획기적인 비대칭화 이리듐 촉매 반응을 개발해 학계의 오랜 난제를 해결했다.
장 교수의 탄소-질소 결합 형성 촉매 반응개발에 관한 일련의 선도적인 연구는 전 세계 대학과 기업의 합성․의약․재료 연구실에서 벤치마킹하고 있으며, 후속연구를 통해 국가 산업발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 장 교수는 2015～18년 동안 4년 연속 세계 1% 최상위 피인용 연구자로 선정되기도 했다.
대한민국 최고과학기술인상은 우리나라를 대표할 수 있는 업적이 뛰어난 과학기술인을 발굴해 명예와 자긍심을 높이고 연구개발에 전념할 수 있는 환경을 조성하기 위해 2003년부터 시상해 온 명실상부한 우리나라 최고의 과학기술인을 위한 상이다.
그동안 수상한 과학기술인은 총 42명(‘19년 수상자 포함)으로 자연(이학) 15명(36%), 생명(의약학, 농수산) 14명(33%), 공학 13명(31%)이며, 수상을 통해 연구개발에 매진해 국가발전 및 국민 복지 향상에 크게 기여한 바 있다.
과학기술정보통신부는 오는 7월 4일(목) 한국과학기술단체총연합회가 주최하는 2019년 대한민국과학기술연차대회 개회식에서 수상자들에게 대통령 상장과 상금 3억 원을 수여할 계획이다.
2019.07.02
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윤동기 , 김형수 교수, DNA 마이크로패치 제작 기술 개발
〈 윤동기 교수, 김형수 교수, 박순모 연구원 〉
우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기, 기계공학과 김형수 교수 공동 연구팀이 마이크로 크기의 DNA 2차원 마이크로패치 구조체를 제작하고 이를 제어, 응용하는 기술을 개발했다.
윤 교수 연구팀은 커피가 종이에 떨어지고 물이 마르면 동그랗게 환 모양이 생기는 이른바 ‘커피링 효과’라 불리는 현상을 DNA 수용액에 적용해 세계 최초로 DNA 기반의 마이크로패치를 제작했다.
차윤정 박사, 박순모 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 7일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Microstructure arrays of DNA using topographic control)
유전 정보를 저장하는 기능을 하는 DNA는 이중나선 구조와 나노미터 주기의 규칙적인 모양을 가져 소재 분야에서 일반적인 합성방법으로는 구현하기 힘든 정밀한 구조재료이다. 정밀한 DNA 합성과 오리가미(Origami) 기술을 이용해 스마일 패치(smile patch) 등의 재미있는 모양을 구현해 왔지만, 재료의 가격이 높아 실제 응용에 어려움을 겪었다.
윤 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 1천 배 이상 저렴한 비용으로 잘 정렬된 뜨개질(knit) 혹은 아이스크림콘 모양의 기존에 없던 마이크로패치 구조체를 대면적에서 구현했다.
연구팀은 DNA가 물에 녹으면 마치 물풀과 끈적끈적해지면서 서로 적당한 힘으로 끌어당기며 일정한 방향으로 정렬하는 액정상(liquid crystal phase)을 보인다는 점에 주목했다.
액정 표시장치(LC display 혹은 LCD)에서 액정분자들이 전기장을 통해 방향성이 제어되는 것처럼 수용액 상태의 DNA 액정상이 두 기판 사이에서 문질러지며 물의 증발이 이뤄질 때 DNA 나노 구조체들이 원하는 방향으로 정렬하게 된다. 과일 잼을 식빵에 바르면 과일 알맹이(pulp)가 한 방향으로 잘 펴 발라지면서 마르는 현상과 유사하다.
연구팀은 DNA가 한 방향으로 문질러져서 마를 때 바닥에 평평한 기판 대신 일정한 모양을 갖는 수 마이크론 크기의 기둥(혹은 요철)들이 있는 기판을 사용하면 2차원의 뜨개질 모양, 아이스크림콘 모양 등 좀 더 흥미로운 들을 제작할 수 있음을 확인했다.
또한, 금 나노막대와 같은 플라즈몬 공명(plasmon resonance)을 나타내는 소재와 결합해 디스플레이 소자에 응용을 시도했다. 플라스몬 공명은 금속으로 만들어진 기판에 빛을 쪼일 때 그 표면 위에서 전자가 일정하게 진동하면서 자신의 에너지와 일치하는 빛에만 반응하는 현상으로 특정한 색만 반사하여 선명도와 표현력을 높이는 데 사용된다.
이 방식에서 가장 중요한 점은 어떤 방향으로 금 나노막대가 정렬하는지를 나타내는 배향(orientation)이다. 즉 막대들이 한 방향으로 나란히 정렬될 때 광학·전기 특성이 극대화된다. 윤 교수 연구팀은 이러한 점에 착안해 DNA 마이크로패치를 일종의 틀로 삼아 금 나노막대들을 독특한 형태로 배향하고 플라즈몬 컬러 기판을 제작하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 DNA 2차원 마이크로패치 제작 기술은 DNA를 구조재료 및 전자소재로써 활용할 수 있는 단서를 마련했을 뿐 아니라 증발 현상과 DNA 액정물질이 접목될 때 나타나는 독특한 형태의 복잡한 분자 거동 해석에 대한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
윤 교수는 “연구를 통해 밝힌 것처럼 DNA가 금 나노막대와 같은 광학 소재와 복합체를 쉽게 만들 수 있는 만큼, 자연계에 무한히 존재하는 DNA를 디스플레이 관련 분야의 신소재로서 응용할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 전략과제, 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 신진연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. DNA 분자 배향 모식도
그림2. DNA-금 막대 입자 복합체의 배향 양상과 나타나는 플라즈모닉 광학 현상
2019.06.18
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임성갑 교수, 새로운 다층 금속 상호연결 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 임성갑 교수와 POSTECH(총장 김도연) 창의IT융합공학과 김재준 교수 공동 연구팀이 비아홀(via-hole, vertical interconnect access hole) 공정 없이도 금속을 다중으로 상호 연결할 수 있는 기술을 개발했고, 이를 통해 5층 이상의 3차원 고성능 유기 집적회로를 구현했다.
이번 기술은 금속의 수직 상호 연결을 위해 공간을 뚫는 작업인 비아홀 공정 대신 패턴된 절연막을 직접 쌓는 방식으로, 유기 반도체 집적회로를 형성하는데 적용할 수 있는 신개념의 공정이다.
유호천 박사와 박홍근 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 6월 3일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Highly stacked 3D organic integrated circuits with via-hole-less multilevel metal interconnects)
유기 트랜지스터는 구부리거나 접어도 그 특성을 그대로 유지할 수 있는 장점 덕분에 유연(flexible) 디스플레이 및 웨어러블 센서 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
그러나 이러한 유기물 반도체는 화학적 용매, 플라즈마, 고온 등에 의해 쉽게 손상되는 문제점 때문에 일반적인 식각 공정을 적용할 수 없어 유기 트랜지스터 기반 집적회로 구현의 걸림돌로 여겨졌다.
공동 연구팀은 유기물 반도체의 손상 없이 안정적인 금속 전극 접속을 위해 절연막에 비아홀을 뚫는 기존 방식에서 벗어나 패턴된 절연막을 직접 쌓는 방식을 택했다. 패턴된 절연막은 패턴 구조에 따라 반도체소자를 선택적으로 연결할 수 있도록 했다.
특히 연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD: initiated chemical vapor deposition)’을 통해 얇고 균일한 절연막 패턴을 활용해 안정적인 트랜지스터 및 집적회로를 구현하는 데 성공했다.
공동 연구팀은 긴밀한 협력을 통해 개발한 금속 상호 연결 방법이 유기물 손상 없이 100%에 가까운 소자 수율로 유기 트랜지스터를 제작할 수 있음을 확인했다. 제작된 트랜지스터는 탁월한 소자 신뢰성 및 균일성을 보여 유기 집적회로 제작에 큰 역할을 했다.
연구팀은 수직적으로 분포된 트랜지스터들을 상호 연결해 인버터, 낸드, 노어 등 다양한 디지털 논리 회로를 구현하는 데 성공했다. 또한, 효과적인 금속 상호 연결을 위한 레이아웃 디자인 규칙을 제안했다. 이러한 성과는 향후 유기 반도체 기반 집적회로 구현 연구에 유용한 지침이 될 것으로 기대된다.
연구책임자인 POSTECH 김재준 교수는 “패턴된 절연막을 이용하는 발상의 전환이 유기 집적회로로 가기 위한 핵심 기술의 원천이 됐다”라며 “향후 유기 반도체 뿐 아니라 다양한 반도체 집적회로 구현의 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단과 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 제안된 금속 상호 연결 기술 모식도
그림2. 수직 집적된 디지털 회로 공정 모식도 및 이미지
2019.06.11
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강정구 교수, 금속유기골격체의 흡착 거동 실시간 분석 성공
〈 강정구 교수 〉
우리 대학 EEWS대학원 강정구 교수 연구팀이 금속유기골격체(MOF, metal organic framework)의 각 세부 기공에서 분자의 흡착 거동을 실시간 분석할 수 있는 기술을 개발했다.
조해성 박사가 주도한 이번 연구는 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 5월 13일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Isotherms of Individual Pores by Gas Adsorption Crystallography)
현재 직면한 에너지와 환경문제를 극복하기 위해서는 온실가스인 이산화탄소, 고용량 에너지 전달체인 메탄, 수소 분자 등을 고용량으로 저장할 수 있는 새로운 기공구조의 개발이 필수적이다.
이에 따라 기체 분자들의 흡착 거동을 실시간 분석해 새로운 소재를 개발하는 방식이 주목받고 있다. 그러나 기존 기술로는 소재 내에서 흡착된 기체 분자의 양만 파악할 수 있어 흡착 거동을 직접 관찰할 수 없었다. 또한, 소재를 구성하는 기공별 가스의 흡착 거동을 분석할 수 없다.
본 연구팀은 문제 해결을 위해 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합한 실시간 기체흡착 X-선 회절 시스템을 개발했다.
이 시스템은 넓은 비표면적을 갖고 있어 이산화탄소, 수소나 메탄 등의 저장에 매우 용이한 신규소재인 금속 유기골격체의 흡착과정을 실시간 관찰할 수 있다. 특히 단일기공구조가 아닌 여러 기공이 존재하는 금속 유기골격체의 흡착 거동에 대해 분석할 수 있었다.
연구팀은 금속 유기골격체 분자들의 흡착 거동을 기공별로 분리해 관찰 및 측정함으로써 기존에 분석할 수 없었던 분자들의 순차적 흡착과정을 확인했다. 나아가 기공의 구조 및 흡착 분자의 종류가 흡착 거동에 어떤 영향을 미치는지 체계적, 정량적으로 분석해 각각의 흡착에 어떤 구조의 금속 유기골격체가 저장 소재로 가장 적합한지에 대한 방안도 제시했다.
강 교수는 “각 기공 분자의 실시간 흡착 거동을 정량적으로 분석해 기공의 화학적 성질과 구조적 특성이 흡착 거동에 미치는 영향을 밝혔다”라며 “분자의 실시간 흡착 거동을 물질 전체가 아닌 물질을 구성하는 세부 기공 수준에서 이해함으로써 새 고용량 저장 물질을 세밀하게 개발하는 데 활용할 예정이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 다양한 구조의 세부 기공을 갖는 금속유기골격체에 흡착된 분자들의 도식화 그림
그림2. 세 가지 다른 세부기공을 갖는 금속유기골격체에서의 분자의 흡착 거동
2019.06.10
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한동수 교수, 크라우드소싱 기반의 실내 위치인식 기술 개발
〈 한동수 교수 〉
우리 대학 전산학부 한동수 교수 연구팀(지능형서비스통합 연구실)이 크라우드소싱 기반의 실내 위치 인식 기술을 개발했다.
이번 기술은 스마트폰에 탑재된 다양한 센서를 통해 수집된 신호를 기반으로 무선랜 신호(일명 핑거프린트)의 수집 위치를 자동으로 라벨링하는 인공지능 기법이다.
무선랜 신호가 존재하고 스마트폰이 사용되는 건물이면 어디든 적용할 수 있고 정확도가 높아 도심의 실내 위치 인식 시스템 구축비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
세계적인 주요 IT 기업들은 실내 환경에서 정확도 높은 위치정보를 제공하기 위해 다양한 노력을 해 왔지만, 정확도 높은 라디오맵(특정 지역이나 건물의 신호 특성) 구축에 많은 어려움을 겪고 있다. 주로 활용되는 와이파이 포지셔닝 시스템(WPS)는 건물의 층을 구분하지 못한다는 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 우선 불특정 다수의 스마트폰을 통해 수집된 무선신호를 클러스터링을 통해 건물별로 분류한 뒤 기압 정보를 통해 다시 층별로 분류했다. 연구팀은 날씨 변화로 인한 기압 정보 측정에 어려움을 겪던 기존 기술의 한계를 극복하고 수집된 무선신호를 층별로 구분하는 기법을 새롭게 개발했다.
연구팀은 새로 개발한 반자율학습 위치 라벨링 AI 기법을 통해 무선신호의 수집 위치를 라벨링했다. 관성 센서 기반의 관성항법(Pedestrian Dead Reckoning) 기법을 접목해 초기 라디오맵을 구축했고, 관성 센서로부터 얻어지는 신호 정보 없이 수집된 무선신호는 지역 탐색과 전역 탐색을 반복적으로 수행하는 최적화 기계학습 알고리즘을 통해 수집 위치를 최적화했다.
연구팀은 지하 2층, 지상 6층의 12만 평 규모의 실내 쇼핑몰을 대상으로 정확도를 측정한 결과 3~6미터 수준의 정확도를 보임을 확인했다. 층 구분 정확도도 95% 이상 가능해 수작업을 통한 정확도를 넘어서는 결과를 보였고, 도시 전체 건물에 적용했을 때도 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상했다.
이번에 개발한 기술을 주요 IT 기업, 통신사, 온라인 쇼핑사의 앱을 통해서 수집된 신호에 적용하면 도시 및 국가 규모의 실내 위치 인프라를 손쉽게 구축할 수 있을 것으로 예상된다.
한동수 교수는 “대규모 무선신호를 수집할 수 있는 기업이 해당 기술을 도입하면 가까운 미래에 대부분의 실내 공간에서도 5~10미터 수준의 정확도 높은 위치 인식 서비스가 제공될 수 있을 것이다”라며 “실내외 통합 내비게이션, 응급 호출 서비스 등 스마트시티를 구현하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것이다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1.KAILOS 개념도
2019.06.10
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정보보호대학원, 지역 융합보안 전공 개설
우리 대학 전산학부 정보보호대학원(책임교수 신인식)이 대전권 전략사업인 스마트시티에 특화된 융합보안 전공을 개설한다.
과학기술정보통신부는 지난 3월 5G시대에 대비한 지역 융합보안 대학원 선정을 위한 공모를 진행했다. 총 14개의 국내 대학이 지원한 결과 교육･연구·산학협력 등 대학원 운영 계획 및 사업 수행 능력 등을 종합 평가해 우리 대학을 포함한 3개 대학이 최종 선정됐다.
선정된 각 대학에는 올해 5억 원(2020년부터 7억 원)의 예산이 투입되고 연차 평가를 통해 최대 6년간 40억 원이 지원될 예정이다.
우리 대학은 이번 융합보안 대학원 개설을 통해 도시 스케일 혁신 연구를 수행하는 글로벌 수준의 연구 및 교육 역량을 확보하고 4차 산업 혁명과 ICT 융합산업을 선도하는 고급 융합보안 인재 양성의 기틀을 마련할 계획이다.
스마트시티는 ICT 기술 융합의 대표적인 결과물로 정보통신 인프라·빅데이터·인공지능·통신 등 다방면의 고도화된 ICT 기술을 바탕으로 현실화된다. 새로운 도시 서비스를 제공하는 스마트시티 거버넌스 플랫폼 실현을 위해서는 5G 통신, 블록체인, 자율 주행 등 4차 산업 혁명의 근간을 이루는 핵심 기반 기술들 간의 밀접한 융합이 필수적으로 수반된다.
그러나 개별 ICT 기술의 보안이 취약할 경우 스마트시티 서비스의 신뢰성을 심각하게 위협할 수 있으므로, 이를 파악하고 극복하는 것이 스마트시티 실현의 최우선 과제다. 관련하여 융합보안은 최근 새롭게 떠오르는 초기 단계의 학문 분야로 다른 전통적인 분야에 비해 아직 학문적 정립이 이루어지지 않은 상태다.
이런 환경 속에서 우리 대학 정보보호대학원은 Security+X 교과과정, Security@KAIST 컨소시엄 등을 통해 적시에 필요한 글로벌 수준의 융합보안 핵심인재를 제공할 수 있는 환경을 조성할 계획이다.
Security + X 교과과정은 크게 핵심보안 개념과 기술의 심층적 이해를 위한 '핵심보안 교육'과 창의적 적용 및 응용을 위한 '융합 응용보안 교육'으로 구성된다.
핵심보안 교육(Security Core)은 스마트시티 융합보안의 기반이 되는 핵심보안 기술을 중심으로 구성해 이후 새로운 미래 융합 응용 분야가 등장하더라도 유연하게 적용해나갈 수 있는 능력을 배양하는 것이 목표다.
또한, 응용보안 교육(Security + X)을 통해 스마트시티 핵심 서비스 및 기반 기술에 대한 체계적인 고찰을 통해 인공지능·사물인터넷·블록체인·감시(Surveillance) 등의 응용보안 영역을 확립하고, 영역별 보안 교육 과정을 구성해 실전 인재를 양성할 계획이다.
그뿐만 아니라 LG전자, 네이버, 대전·세종시 등 16개 유수 기업·기관이 참여하는 ‘Security@KAIST' 컨소시엄도 구축한다. 융합보안 관련하여 주기적 세미나, 기술 설명회, 특강 등을 개최하고 스마트시티의 라이프 사이클(설계, 구현, 융합, 운영)에서 요구되는 산업 현장의 보안 수요와 실무적 난제를 해결하는 산학연계 협업형 프로젝트도 추진한다.
우리 대학 내부적으로는 융합보안 관련 원천기술 확보와 ICT 보안 및 관련 서비스‧기술에 대한 응용 지식 함양을 위해 AI·자율주행차·스마트시티 대학원 및 관련 연구센터 등과 협업할 방침이다.
또한, 우리 대학 캠퍼스 전체를 스마트시티 테스트베드로 구현해 발생할 가능성이 있는 다양한 보안 위협에 대한 예방·대응 기술을 터득 할 수 있는 실습 환경을 마련할 계획이다. CCTV 네트워크 기반 모니터링 체계와 교통·방범·가로등·교내버스 등 인프라 통합 관제 및 보안 실습실을 구축하고 교내 자율주행 기술 연구진과 실습을 통해 협력할 수 있도록 추진할 예정이다.
정보보호대학원은 올해 안에 컨소시엄 기업과 협력해 스마트시티 분야에 특화된 약 40여 개의 융합보안 교육과정을 개발하고 실습･연구실 구축, 산업협력 중점교수 채용 등 대학원 개설을 위한 준비에 돌입했다.
신입생 모집을 위한 원서 접수는 오는 7월 5일부터 16일까지 진행되며, 2020년부터 석사과정 최소 12명씩을 전원 장학생으로 선발해 교육과정을 시작할 예정이다.
신인식 정보보호대학원 책임교수는 “보안 분야에 세계 최대 보안학회 논문 기준(IEEE S&P, ACM CCS, USENIX Security, NDSS)으로 현재 KAIST 정보보호대학원은 약 30위권에 이른 것으로 파악된다”고 밝히며, 이어 신 교수는 “향후 세계 10위권, 아시아 1위권에 진입하는 것을 목표로 융합보안 대학원을 운영하겠다”고 포부를 밝혔다.
2019.06.07
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과학기술원 공동사무국 출범
〈(왼쪽부터) 한상철 DGIST 기획처장, 정무영 UNIST 총장, 국양 DGIST 총장, 신성철 KAIST 총장, 김기선 GIST 총장,구혁채 과기부 미래인재정책국장, 김보원 KAIST기획처장, 김준하 GIST기획처장〉
대한민국 4대 과학기술원이 공동사무국을 꾸리고 과기원의 혁신적 비전 재설정에 나선다.
KAIST(총장 신성철)‧GIST(총장 김기선)‧DGIST(총장 국양)‧UNIST(총장 정무영)는 24일(금) 오후 2시 KAIST에서 ‘과학기술원 공동사무국(이하 과기원 공동사무국)’ 출범식을 개최했다. 4대 과학기술원의 창의적 협업과 비전 설정을 추진하고, 긴밀한 협력체계를 구축하는 구심점이 마련된 것이다.
과학기술원은 국가 발전에 필요한 고급 과학기술 인력을 양성하고, 이공계 연구중심대학의 본보기를 제시하기 위해 1971년 설립됐다(KAIST). 이후 광주(GIST, 1993년 설립)와 대구(DGIST, 2004년 설립), 울산(UNIST, 2015년 전환)에서도 과학기술원이 만들어지면서 대한민국 이공계 대학교육과 연구에 획기적인 변화와 발전을 가져왔다. 그러나 급변하는 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 과기원은 대내외적인 도전과 위기를 맞고 있다.
김보원 과기원 공동사무국장(KAIST 기획처장 겸임)은 “4대 과기원이 ‘글로벌 가치창출 선도 대학’으로 거듭나기 위해 새로운 비전 설정이 필요한 시점”이라며 “공동사무국을 중심으로 4대 과기원의 공동 발전에 필수적인 다양한 과제를 수행해나갈 계획”이라고 과기원 공동사무국의 설치 배경을 밝혔다.
과기원 공동사무국은 지역별로 흩어져 있는 과기원의 역량을 결집해 ‘규모의 경제’와 ‘시너지(Synergy)’ 효과를 구현하는 데 목표를 두고 있다. 과기원 간 긴밀한 업무협력 체계를 구축하고, 과기원의 역할‧책무‧혁신방안을 발굴해 교육‧연구‧산학협력 등 혁신의 구심점 역할을 하려는 것이다. 또 공동사무국 설치를 계기로 과기원 발전모델을 확산하는 전략도 추진할 예정이다.
이를 위해 4대 과기원은 지난 3월 8일 과기원 공동사무국 설치를 위한 업무협약을 체결했다. 이 조직은 KAIST 기획처 산하 잠정조직으로 4월 4일 설치됐으며, 5월 초부터 각 과기원에서 대표를 한 명씩 파견해 업무를 개시했다.
김보원 사무국장은 “과기원 공동사무국은 각 과기원의 개별적이고 독립적인 발전과 전체 과기원 공동의 유기적인 발전을 동시에 추구하면서, 다차원적인 관점에서 사업을 기획하고 방향성을 제시할 것”이라며 “앞으로도 과학기술정보통신부, 4대 과기원과의 긴밀한 소통과 협업을 통해 모든 과기원이 과학기술 혁신을 선도하는 역할을 지속하는 데 기여하겠다”고 전했다.
이번 출범식 행사에는 과학기술정보통신부 미래인재정책국 구혁채 국장과 신성철 KAIST 총장, 김기선 GIST 총장, 국양 DGIST 총장, 정무영 UNIST 총장과 각 과기원 기획처장 등 관계자 20여 명이 참석했다.
2019.05.27
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이상엽 교수, 포도향 생산하는 미생물 개발
〈 이상엽 특훈교수 〉
〈 1저자 루오 쯔 웨(Zi Wei Luo) 박사후 연구원, 조재성 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대사공학 기법을 이용해 재조합 미생물 기반의 포도향을 생산하는 공정을 개발했다.
연구팀의 기술은 재생 가능한 탄소 순환형 바이오매스를 통해 화학적 촉매 반응 없이 순수한 생물학적 공정만으로 메틸안트라닐산을 제조하는 기술이다. 생산 공정이 단순하고 친환경적이기 때문에 경제적인 방식으로 고부가가치 물질인 메틸안트라닐산을 생산할 수 있다는 의의가 있다.
루오 쯔 웨(Zi Wei Luo) 박사후연구원, 조재성 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 5월 13일 자 온라인판에 게재됐고 하이라이트 논문으로 소개됐다. (논문명 : Microbial production of methyl anthranilate, a grape flavor compound)
석유 자원의 고갈과 기후 변화 및 환경 문제 우려가 커지면서 여러 유용한 화학물질 생산을 위한 친환경적이고 지속 가능 공정의 중요성과 관심이 날로 커지고 있다. 특히 대사공학은 재생 가능한 비식용 바이오매스로부터 다양한 천연 및 비천연 화합물 생산을 가능하게 해 지속 가능한 발전을 위한 해결책을 제공해 왔다.
그러나 식물 유래의 천연화합물 생산을 위한 미생물 개발은 여전히 부족해 계속 도전해야 할 분야로 남아있다.
메틸안트라닐산은 콩코드 포도 특유의 향과 맛을 내는 주요 천연화합물로 여러 과일 및 식물에 함유돼 있다. 화장품이나 의약품 등에 향미 증진제로 광범위하게 사용되는 물질로 다방면으로 활용할 수 있다.
그러나 식물에서 메틸안트라닐산을 추출하는 방식은 경제성이 낮아 지난 100여 년간 유기용매를 사용하는 석유 화학적 방법으로 제조돼 인공착향료로 분류됐다.
이 특훈교수 연구팀은 대사공학 기법으로 미생물의 대사 회로를 설계해 포도당과 같이 재생 가능한 바이오매스로부터 100% 천연 메틸안트라닐산을 화학 촉매 없이 효율적으로 생산하는 공정을 최초로 개발했다.
연구팀은 이상(二相) 추출 발효 과정을 이용해 생산되는 메틸안트라닐산 메틸을 정제하는 방법도 개발했다.
이 특훈교수는 “지난 100년 동안 석유화학 기반으로만 생산된 메틸안트라닐산을 100% 바이오 기반의 친환경 방식으로 생산할 수 있게 된 기술이다”라며 “천연 메틸안트라닐산은 향후 식품, 의약품 및 화장품 산업에 다방면으로 이용할 수 있을 것이다”라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 메틸안트라닐산 생산 과정
2019.05.20
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4차산업혁명지능정보센터(FIRIC), Tech & Talk 콘서트 개최
우리 대학 4차산업혁명지능정보센터(센터장 이상엽)가 지난 5월 10일(금) 서을 블루스퀘어 카오스홀에서 테크 앤 토크(Tech&Talk) 콘서트를 열었다.
테크 앤 토크는 ‘혁신적 미래, 도전, 공유’라는 주제로 이공계 및 인문사회 각 분야의 학자와 정부 인사, 기업인이 모여서 토론하는 자리로 마련됐으며, ㈜뷰로, ㈜데일리토큰, 씨비에이 벤처스(CBA Ventures) 등이 공동 주관사로 참여했다.
이날 인사들은 4차 산업혁명 핵심기술인 인공지능·로봇·블록체인 등의 기술 발전이 사람의 가치 및 법과 제도적 기준에 어떻게 상호작용을 하며 발전해나갈 수 있는지를 논의했다.
특히, ‘대한민국 4차 산업혁명! 스마트 시티로 그 해답을 찾다’를 주제로 한 세션에서는, 김명자 회장(한국과학기술단체총연합회), 원희룡 도지사(제주특별자치도), 정재승 학과장(KAIST 문술미래전략대학원)이 스마트 시대에 도시가 나아갈 방향을 논의했다.
전통적 의미의 도시 시스템에서는 주어진 기반 시설과 서비스에 사람이 적응해야 했지만, 네트워크로 연결된 미래 도시는 사람을 중심에 두고 맞춤형 서비스를 제공해야 한다는 점을 강조했다. 이를 위해, 개인정보의 활용성과 보안성을 동시에 보장하는 블록체인 기술 개발과 관련 제도 정비의 중요성을 지적했다.
또한, 전치형 교수(KAIST 인공지능연구소)는 ‘인공지능과 로봇 사이 사람의 자리는 어디인가?’라는 주제로 인공지능과 로봇의 현재 기술 수준과 사회적 지위에 대해 특강을 했다.
전 교수는 로봇 기술은 아직 인간의 보조가 필요한 수준이라는 점을 들어 지속적인 연구의 필요성을 제기했다. 그 과정에서 사회가 인공지능에게 필요로 하는 역할을 이해하고 수요를 파악하는 등의 시대상을 반영해야하며, 노트르담 화재에서 활약한 로봇의 예시를 들어 인간과 로봇의 협력과 공존의 길을 모색해야 한다는 점을 강조했다.
이어, ‘4차 산업혁명 기술과 거버넌스의 공진화’ 특별 세션에서는 김기배 책임연구원(KAIST 4차산업혁명지능정보센터)은 빅데이터와 기계학습 기반의 인공지능이 편향된 판단을 할 여지가 있으므로 데이터와 알고리즘의 투명성 확보에 관해 발제했다.
이에 관해 패널로 참석한 최은창 박사(Free Internet Project)와 이호영 박사(정보통신정책연구원)는 알고리즘 접근성이 권력을 형성하고 사회 비효율성을 유발한다는 점을 지적했고 양종모 교수(영남대학교)는 지적재산권 문제와 불분명한 책임소재가 인공지능에 대한 법적용을 어렵게 한다는 점을 역설했다.
4차산업혁명지능정보센터 관계자는 “이번 행사를 통해 한국 사회의 4차 산업 혁명 시대 진입을 준비하기 위해 학계와 산업계, 정부의 미래 의제를 설정하고, 이에 대한 학술 연구는 물론 정부와 민간이 나아갈 방향을 제시하는 선도적 역할을 수행하겠다”고 밝혔다.
2019.05.17
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