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조광현 교수, 뇌의 제어구조 규명
〈 조광현 교수 연구팀 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크에 내재된 뇌의 제어구조를 규명했다.
이번 연구를 통해 뇌의 동작 원리에 대한 이해를 높이고, 뇌의 제어구조 분석을 통해 뇌 질환 연구 및 치료에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 4차 산업혁명의 핵심기술로 주목받는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학을 통해 규명했다는 의의가 있다.
이병욱 박사, 강의룡, 장홍준 박사과정이 참여한 이번 연구는 셀(Cell) 출판사가 펴내는 융합과학 국제학술지 ‘아이사이언스(iScience)’ 3월 29일 자에 게재됐다.
뇌의 다양한 인지기능은 뇌 영역들 사이의 복잡한 연결을 통한 영역 간 상호작용으로 이뤄진다. 최근 뇌의 연결성에 대한 정보가 뇌의 동작 원리를 파악하는 핵심이라는 의견이 대두되면서 세계적으로 뇌 연결성을 파악하기 위한 커넥톰(Connectome) 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
이를 통해 뇌 영역 사이의 구체적 연결성이 파악되고 있지만 복잡한 연결성에 내재된 뇌의 동작 원리에 대한 이해는 아직 매우 부족한 상황이다. 특히 뇌의 강건하면서 효율적 정보처리 능력의 기반이 되는 뇌의 숨겨진 제어구조는 파악된 내용이 없다.
조 교수 연구팀은 뇌의 제어구조 분석을 위해 ‘미국국립보건원(NIH) 휴먼 커넥톰 프로젝트(Human Connectome Project)’에서 제공하는 정상인의 뇌 영상 이미지 데이터를 활용해 뇌 영영 간 네트워크를 구축했다.
이후 연구팀은 그래프 이론의 최소지배집합(minimum dominating set) 개념을 활용해 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크의 제어구조를 분석했다.
최소지배집합이란 네트워크의 각 노드(뇌의 각 영역)가 링크(뇌의 서로 다른 영역간의 연결)로 연결된 이웃 노드에 직접적 영향을 줘 기능을 제어할 수 있다고 가정할 때, 네트워크를 구성하는 모든 노드를 제어하는 데 필요한 최소한의 노드 집합을 말한다.
기존 여러 연구를 통해 다양한 생체 네트워크 및 통신망, 전력망 등의 복잡계 네트워크를 제어하는 데 있어서 최소지배집합이 핵심적인 역할을 한다는 것이 보고된 바 있다.
연구팀은 최소지배집합을 기반으로 ‘제어영역의 분포(distribution of control)’와 ‘제어영역의 중첩(overlap in control area)’이라는 두 가지 지표를 정의한 뒤 이를 기준으로 총 네 종류의 제어구조를 정의했다.
이후 연구팀은 브레인 네트워크를 비롯해 도로망, 통신망, 소셜 네트워크 등 실존하는 다양한 복잡계 네트워크가 어떤 제어구조를 갖는지 분석했다. 분석 결과 뇌는 다른 대부분 네트워크와는 달리 제어영역이 분산된 동시에 서로 중첩된 특이한 구조로 이뤄짐을 밝혀냈다.
뇌의 이러한 제어구조는 외부 섭동에 의한 네트워크의 높은 강건성을 유지하면서 동시에 여러 인지기능을 효율적으로 수행하기 위한 영역들의 상호 활성화를 다양하게 하기 위한 것임을 밝혔다.
IT와 BT가 융합된 시스템생물학 접근을 통한 브레인 네트워크의 구조분석은 인공지능의 발전에도 기여할 것으로 보인다. 브레인 네트워크의 진화적 설계원리에 대한 이해를 높인다면 컴퓨터 과학자들이 이를 이용해 새로운 인공지능 기술을 개발할 수 있다.
조 교수는 “지금껏 뇌의 제어구조가 밝혀진 바가 없었다”라며 “복잡한 연결성에 숨겨진 브레인 네트워크의 진화적 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작 원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 뇌의 제어구조 규명
그림2. 뇌 영역 간 네트워크 구축
2019.04.10
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조광현 교수, 암세포 유형별 최적 약물표적 발굴기술 개발
〈 최민수 박사, 조광현 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 암세포의 유형에 따라 최적의 약물 표적을 찾는 기술을 개발했다.
이는 시스템생물학을 이용해 암세포의 유전자변이가 반영된 분자네트워크의 다이나믹스(동역학)를 분석해 약물의 반응을 예측하는 기술로 향후 암 관련 신약 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
최민수, 시 주 (Shi Jue), 주 양팅 (Zhu Yanting), 양 루젠 (Yang Ruizhen)이 참여한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 12월 5일자 온라인 판에 게재됐다.
인간의 암세포는 유전자 돌연변이, 유전체 단위의 반복적 변이 등 여러 형태의 유전자 변이가 있다. 이러한 변이는 같은 암종에서도 암세포에 따라 많은 차이를 보이기 때문에 약물에 대한 반응도 다양하다.
암 연구자들은 암 환자에게서 빈번하게 발견되는 유전자변이를 파악하고 이 중 특정 약물의 지표로 사용될 수 있는 유전자변이를 찾기 위해 노력해 왔다. 이러한 연구는 단일 유전자변이의 발견 또는 유전자네트워크의 구조적 특징 분석에 초점이 맞춰져 있다.
하지만 이러한 접근 방법은 암세포 내 다양한 유전자 및 단백질의 상호작용에 의해 유발되는 암의 생물학적 특성과 이로 인한 약물반응의 차이를 설명하지 못하는 한계가 있다.
암세포의 유전자변이는 해당 유전자 기능 뿐 아니라 이 유전자와 상호작용하는 다른 유전자, 단백질에 영향을 미치기 때문에 결과적으로 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 특성에 변화를 일으킨다.
이로 인해 항암제에 대한 암세포의 반응이 변화하게 된다. 따라서 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 특성을 무시하고 소수의 암 관련 유전자를 표적으로 하는 현재의 치료법은 일부 환자에게만 유용하고 약물저항성을 갖는 대다수 환자에게는 효과적으로 적용되지 못한다.
조 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 슈퍼컴퓨팅을 이용한 대규모 컴퓨터시뮬레이션과 세포 실험을 융합해 암세포 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 변화를 분석했다.
이를 통해 약물반응을 예측해 유형별 암세포의 최적 약물 표적을 발굴하는 기술을 개발했다. 이 기술은 대다수 암 발생에 관여하는 것으로 알려진 암 억제 유전자 p53의 분자조절네트워크에 시범적으로 적용됐다.
연구팀은 국제 컨소시엄인 암 세포주 백과사전(CCLE : The Cancer Cell Line Encyclopedia)에 공개된 대규모 암세포 유전체 데이터를 분자네트워크에 반영해 구축했으며 유전변이의 특성에 따라 서로 다른 분자네트워크를 생성했다.
각 분자네트워크에 대해 약물반응을 모사한 섭동분석을 수행해 약물반응을 나타내는 암세포의 변화를 정량화하고 군집화했다. 그 후 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 효능, 조합에 따른 시너지효과 등 약물반응정도를 예측했다.
이러한 컴퓨터시뮬레이션 결과를 토대로 폐암, 유방암, 골종양, 피부암, 신장암, 난소암 등 다양한 암세포주를 대상으로 약물반응 실험을 수행해 비교 검증했다.
이 기술은 임의의 분자네트워크에 대해서 동일한 방식으로 적용할 수 있고 최적의 약물 표적을 발굴해 개인 맞춤치료에 활용가능하다.
연구팀은 암세포의 이질성에 따른 다양한 약물반응의 원인을 특정 유전자나 단백질뿐만 아니라 상호조절작용을 종합적으로 고려해 분석할 수 있게 됐다고 밝혔다.
또한 약물저항성의 원인을 사전에 예측하고 이를 억제할 수 있는 최적의 약물 표적을 발굴할 수 있게 됐고 기존 약물의 새로운 적용대상을 찾는 약물재창출에 활용될 수 있는 핵심 원천기술을 확보하게 됐다고 말했다.
조 교수는 “암세포별 유전변이는 약물반응 다양성의 원인이지만 지금까지 이에 대한 총체적 분석이 이뤄지지 못했다”며 “시스템생물학을 통해 암세포 유형별 분자네트워크의 약물반응을 시뮬레이션으로 분석해 약물 반응의 근본적 원리를 파악하고 새로운 개념의 최적 약물 타겟을 발굴할 수 있게 됐다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 컴퓨터시뮬레이션을 통한 암세포 유형별 약물반응 예측 및 세포실험 비교 검증
그림2. 암세포별 분자네트워크의 동역학 분석에 기반한 약물반응 예측 및 군집화
그림3. 세포 분자네트워크 분석에 따른 암세포 유형별 약물타겟 발굴 및 암환자별 맞춤치료 전략 수립
2017.12.07
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이현주 교수, 백금 사용량 10분의1로 줄인 단일원자 촉매 개발
〈 이 현 주 교수, 김 지 환 학생 〉
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수와 서울시립대 한정우 교수 공동 연구팀이 기존 촉매의 백금 사용량을 10분의 1로 줄일 수 있는 백금 단일원자 촉매를 개발했다.
이는 매우 안정적인 고함량의 백금 단일원자 촉매로 연구팀은 ‘직접 포름산 연료전지(Direct formic acid fuel cells)’에 적용하는 데 성공했다.
김지환 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 과학분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 9월 11일자 온라인 판에 게재됐다.
백금 기반의 축매는 활성과 안정성이 높아 다양한 촉매 반응에 적용되지만 가격이 비싸고 희귀하기 때문에 백금의 사용량을 최대한 줄이는 것이 중요하다.
그 중 단일원자 촉매는 백금 입자 크기를 원자 단위로 줄여 모든 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 촉매의 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한 두 개 이상의 원자들이 붙어 있는 앙상블 자리(ensemble site)가 없기 때문에 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있다.
이러한 장점에도 불구하고 단일원자 촉매는 낮은 배위수(coordination number)와 높은 표면자유에너지로 인해 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어져 실제 장치에 적용이 어렵다는 한계를 갖는다.
연구팀은 백금 단일원자 촉매의 안정성을 높이기 위해 금속 원소인 안티몬이 첨가된 주석 산화물(Antimony-doped tin oxide, ATO) 위에 백금 단일원자가 주석과의 합금 형태로 존재하는 구조를 개발했다.
연구팀은 이러한 구조가 백금 단일원자가 안티몬-주석 합금 구조에서 안티몬의 자리를 대신해 열역학적으로 안정적인 형태로 존재함을 계산을 통해 증명했다.
연구팀이 개발한 촉매는 포름산 산화반응에서 일반적으로 사용되는 촉매인 상용백금촉매(Pt/C)보다 최대 50배 높은 활성을 보였고 장기안정성 또한 월등하게 높았다.
또한 연구팀은 이 촉매를 막과 전극으로 구성된 직접 포름산 연료전지에 적용했다. 단일원자 촉매를 완전지 형태의 연료전지에 적용한 것은 최초의 시도로, 기존 촉매에 비해 10분의 1 정도만의 백금을 사용해도 비슷한 출력을 얻을 수 있다.
이현주 교수는 “귀금속 단일원자 촉매의 가장 큰 문제점인 낮은 함량과 낮은 안정성을 높일 수 있었고 최초로 직접 포름산 연료전지에 적용했다”며 “연료전지에 적용 가능한 고함량 및 고안정성 귀금속 단일원자 촉매의 개발에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 백금 단일 원자 촉매의 개념도
그림2. 관찰한 촉매 및 백금 단일 원자 (흰색 원으로 표시된 밝은 점)
2017.10.24
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배상민 교수, IDEA 디자인 어워드 4개상 수상
〈 배 상 민 교수 〉
우리 대학 산업디자인학과 배상민 교수 연구팀이 세계 3대 디자인 공모전 중 하나인 IDEA(International Design Excellence Awards) 2017에서 은상 1점, 본상 3점 등 총 네 작품을 수상했다.
IDEA는 미국 산업디자이너협회(IDSA)가 주관하는 국제적 권위의 디자인 공모전으로 독일의 레드닷 디자인 어워드, iF 디자인 어워드와 함께 세계 3대 디자인 공모전으로 꼽힌다. 올해는 전 세계 54개국에서 다양한 제품이 출품됐고 시상식은 지난 8월 19일 미국 애틀랜타에서 진행됐다.
은상 수상작인 ‘휴미코타(Humicotta)’는 3D 프린터로 제작할 수 있는 자연 기화식 가습기로 테라코타로 만들어진 필터와 송풍팬을 포함한 받침대로 구성된다.
사용자가 가습기에 물을 부으면 벌집 모양의 필터 구조와 다공질의 테라코타가 물의 증발을 극대화하는 동시에 하단부의 송풍 팬이 돌면서 증발량을 높인다.
벌집 모양 필터는 모양이 독특해 인테리어 용도로도 적합하고 테라코타 소재이기 때문에 박테리아가 번식하지 않아 위생적이며 반영구적으로 사용이 가능하다. 또한 연구팀은 3D 데이터를 오픈 플랫폼에 공개해 사용자가 자신이 원하는 형태의 다양한 필터를 직접 디자인하고 공유할 수 있다.
본상을 수상한 ‘빛깔대기(Light Funnel)’는 전기가 연결되지 않는 제3세계 등의 지역에서 사용할 수 있는 새로운 형태의 조명기구이다.
흙집 천장에 구멍을 뚫어 빛깔대기를 꽂으면 태양광이 깔대기를 통과하면서 내부의 물과 반사판에 의해 증폭돼 전기 없이도 흙집 내부를 환하게 비춘다. 구조가 단순해 누구나 간편하게 설치할 수 있고 한 번 설치하면 별도의 에너지원 없이 반영구적으로 사용 가능하다.
다른 본상 수상작인 ‘마사이 스마트 지팡이(Maasai Smart Cane)’는 아프리카 마사이 부족이 사자와 싸움을 할 때 사용하는 단단한 나무로 만든 스마트 지팡이다.
지팡이 내부에 GPS 장치가 내장돼 응급상황 발생 시 사용자가 지팡이 중앙의 SOS 버튼을 누르면 사전에 지정된 보호자와 응급구조대에게 신호를 전송하는 방식이다. 이 제품으로 발생한 수익은 마사이 부족에 기부돼 이를 기반으로 부족민이 일자리를 얻는 선순환 구조를 기대할 수 있다.
마지막 본상 수상작인 ‘에스콘(S.Cone)’은 삼성화재와의 산학협력을 통해 개발한 응급 키트 제품 시리즈이다. 트래픽 콘 모양과 유사해 인테리어 제품으로 사용 가능하며 주목도가 높기 때문에 응급 상황에서 빠르게 접근할 수 있다.
화재용, 차량사고용, 해상안전사고용 등 용도에 따라 구성이 다르다. 예를 들어 화재용 에스콘에는 소형 소화기, 방연 마스크, 방염포가 담겨 있다.
특히 화재용 에스콘의 뚜껑은 사물인터넷의 스테이션 역할도 가능해 집안의 화재 감지기, 가스 탐지기와 더불어 스마트폰을 연동시켜 항상 안전 상황을 확인할 수 있다.
배 교수는 “은상 수상작인 휴미코타는 3D 프린터로 출력 가능한 가습기로 데이터를 모두 공개했기 때문에 3D 프린터만 있으면 누구나 가습기를 디자인할 수 있는 대중과 호흡할 수 있는 디자인이다”고 말했다.
또한 “본상 수상작인 빛깔대기와 마사이 스마트 지팡이는 경제적으로 가난한 사람들과 노인을 위해 디자인한 제품이다. 앞으로도 세계 90%의 소외받는 사람들이 세계 최고의 디자인을 누릴 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.
배 교수 연구팀인 ID+IM 디자인 연구실은 2005년부터 사회공헌 디자인(Philanthropy Design)을 주제로 혁신적인 디자인을 통해 사회 전반의 다양한 문제 해결을 위한 노력을 지속하고 있으며, 세계적 권위의 디자인 상을 50여 차례 이상 수상했다.
□ 사진 설명
사진1. 은상 수상작 '휴미코타'
사진2. 본상 수상작 '빛깔대기'
사진3. 본상 수상작 '마사이 스마트 지팡이'
사진4. 본상 수상작 '에스콘'
2017.09.14
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신성철 총장, 글로벌 대학평가기관 THE의 Research Excellence Summit 기조연설
신성철 총장은 4일 오전 대만 타이중 밀레니엄호텔에서 열린 글로벌 대학평가기관인 THE(타임스고등교육) 주관의 ‘리서치 엑설런스 서밋(Research Excellence Summit)’ 기조연설에서 4차 산업혁명 시대를 특징짓는 초연결화, 초지능화, 융복합화의 3가지 메가트렌드를 설명하고 “향후 과학기술의 변화의 폭과 속도는 우리의 상상을 초월하며 인류사회에 엄청난 변화를 가져올 것”이라고 예측하면서 4차 산업혁명에 대비하기 위한 대학의 교육·연구·기술사업화 분야에서의 혁신적 방안을 제시해 세계 유수대학의 총장 및 대학 관계자들부터 큰 반향을 불러 일으켰다.
신 총장은 우선 교육혁신의 경우 4차 산업혁명 시대에는 창의력과 협업능력·의사소통 능력을 겸비한 인재양성의 필요성과 중요성을 강조하면서 이 같은 인재양성을 위해서는 “기초과학․공학교육 및 인문사회교육 강화를 통한 전뇌교육이 필요하다”고 지적하고 이를 위해 학부 무학과 교육과정의 도입을 제안했다. 신 총장은 또 수업방식에도 근본적 변화가 필요하다며 “팀 기반학습·프로젝트 기반학습·플립(Flip) 학습방법 등을 통해 교수강의 중심교육에서 질문․토론 위주의 학생중심교육으로 패러다임이 전환돼야한다”고 강조했다.
신성철 총장은 특히 기능면에서 인간이 도저히 경쟁할 수 없는 로보사피엔스(인공지능 로봇)와 공생해야 할 다음세대 교육의 궁극적 목표는 통찰력·지혜·감동·배려 등 ‘가치 중심의 교육’이 돼야 한다고 역설했다.
한편, 연구혁신을 위해서는 초학제간 융·복합 연구, 학문의 세대를 초월한 협업연구, 인류난제 및 거대과학 분야에서의 국제 공동연구 중요성을 구체적인 사례를 들어가며 제시했다. 신 총장은 이와 함께 4차 산업혁명 시대의 핵심 분야인 인공지능 기반 융·복합 연구의 중요성을 강조하며 KAIST에서 진행 중인 ‘닥터 M 프로젝트’·‘휴보 프로젝트’·‘군집드론 조정 프로젝트’등 여러 융·복합 연구프로젝트 소개를 통해 타 대학 관계자들로부터 많은 주목을 받았고 강연 후에는 국제 공동연구 제안까지 받았다.
신 총장은 이밖에 “기술사업화가 미래 대학의 새로운 사명이 되어 대학이 R&DB 의 허브 역할을 해야 한다”고 강조한 뒤 KAIST의 사회적 기업가정신(Entrepreneurship) 교육, 교수와 학생들에 대한 창업지원 체제 및 창업 현황을 소개해 갈채를 받았다.
마지막으로 신 총장은 “지금 한국정부는 4차 산업혁명을 국가의 새로운 도전이자 기회로 인식하고 있다”며 “한국정부가 역점을 두고 추진 중인 4차 산업혁명의 성공을 위해서 한국 대학의 혁신적 변화가 중요하며 이를 위해 한국의 대표적 대학인 KAIST가 대한민국의 새로운 미래를 만들어 가기 위해 선도적 역할과 사명을 다할 것”이라고 강조하고서 기조연설을 마쳤다.
2017.07.06
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KAIST 외국인학생회, 26일 '2017 국제음식축제' 개최
우리대학 캠퍼스에 프랑스와 캐나다 등 세계 18개국의 식당이 단 하룻동안 차려진다. 우리대학 외국인 학생회(회장 산자르 케림벡 ․ 생명화학공학과 3학년)는 26일 오후 4시 창의학습관 앞 잔디밭에서 ‘2017 KAIST 국제음식축제’를 개최한다. 올해로 13회째를 맞는 이 행사는 우리대학에 재학 중인 외국인 학생들이 각국의 음식을 소개하면서 한국인 학생들과 교류를 강화하기 위해 시작됐다.
이번 음식축제에는 우리대학을 비롯해 충남대학교와 과학기술연합대학원 대학교에 재학 중인 프랑스, 캐나다, 싱가포르, 라틴아메리카, 베트남, 중국, 인도네시아, 에티오피아 등 18개국 외국인 학생들이 만든 60여 종류의 음식을 맛보고 즐길 수 있다. 학생들은 판매부스에서 음식을 만드는 법을 직접 보여주고 판매도 하는데 운영본부에서 티켓을 구매한 후 해당 국가의 부스를 찾아가 음식을 주문하면 된다.
우리대학에서 교환학생으로 수학중인 전산학부 석사과정 프랑스 출신 발렌틴 포셀리니(Valentin Porcellini)씨는 "한국인 뿐 만 아니라 다른 외국인 학생들에게 크레페를 소개할 수 있어서 기쁘다"라고 행사에 참여한 소감을 전했다. 이재형 국제협력처장은 “3개 대학에 재학 중인 외국인 학생들이 학업으로 바쁜 가운데도 자국 음식을 소개하고 교류하기 위해 이번 축제를 준비했다”며 “외국인 학생들과 한국인 학생들이 하나 되어 서로가 즐기는 축제가 되기를 바란다”라고 말했다.
행사를 주관하는 산자르 케림벡 우리대학 외국인 학생회장은 “이번 음식축제는 KAIST의 문화다양성을 가장 화려하고 다채롭게 보여주는 행사”라며 "음식을 통해 학생들의 문화교류가 더욱 증진되길 기대한다”고 말했다.
한편, 2017년 5월 현재 우리대학에는 86개국에서 온 학사과정 198명, 석․박사 과정 364명, 교환학생 148명 등 총 710명의 외국인 학생이 재학 중이다.
2017.05.26
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김호민 교수, 패혈증 원인 물질의 생체 내 메커니즘 최초 발견
우리 대학 의과학대학원 김호민 교수와 연세대학교 윤태영 교수 공동 연구팀이 우리 몸이 패혈증의 원인 물질인 박테리아 내독소를 어떻게 받아들이고 전달하는지 규명했다.
이를 통해 박테리아 내독소가 생체 내 단백질로 전달되는 분자 원리를 밝혀냄으로써 내독소가 전달되는 길목을 차단해 패혈증을 치료할 수 있는 새로운 가능성이 제시됐다.
패혈증은 감염에 의해서 과도하게 활성화된 면역반응에 따른 전신성 염증반응 증후군이다.
이 연구는 면역학 분야 국제 학술지이며, 셀(Cell) 자매지인‘이뮤니티 (Immunity)’12월 13일자에 게재되었다.
그람 음성균 세포외막에 존재하는 내독소는 생체 내 단백질을 통해 면역세포 표면의 세포수용체로 전달돼 선천성 면역 반응을 활성화시킨다.
감염에 의한 혈액 내 내독소 다량 유입은 고열, 혈압저하, 장기손상 등 과도한 염증반응의 결과인 패혈증으로 이어질 수 있지만, 내독소 인식 및 전달 관련 구체적인 분자 원리가 밝혀져 있지 않아 패혈증 치료제 개발에 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 단분자 형광기법과 바이오 투과전자현미경을 활용했다. 마이셀(Micelle) 형태로 존재하는 내독소 표면에 막대 모양의 LBP가 결합하여 내독소를 인식하고, 여기에 CD14가 빠르게 결합해 내독소 한 분자를 가져간 후 면역세포 수용체인 TLR4-MD2와의 상호결합을 통해 건네주는 내독소 인식 및 전달 원리를 확인했다.
박테리아 내독소와 정제된 LBP 단백질을 혼합해 바이오투과전자현미경으로 사진을 찍은 후 각각의 분자의 모양을 컴퓨터를 활용한 이미지 프로세싱을 통해 분석함으로써 내독소와 결합한 LBP 단백질 구조를 최초로 규명했다.
특히 막대모양의 LBP 단백질이 그들의 N-도메인 끝을 통해 내독소 마이셀 표면에 결합함으로써 박테리아 내독소만을 특이적으로 인식하는 것을 발견했다.
연구팀은 박테리아 내독소에 형광을 부착시킨 후 내독소 항체를 활용해 유리슬라이드 표면에 코팅시키고, LBP, CD14, TLR4-MD2 단백질들을 흘려주면서 박테리아 내독소, LBP, CD14, TLR4-MD2 분자 하나하나의 동적인 움직임을 실시간으로 관찰하는 단분자 형광 시스템을 최초로 구축했다.
이를 통해 박테리아 내독소 표면에 결합한 LBP 단백질로부터 CD14 단백질이 내독소 한 분자만을 반복적으로 가져간 후 빠르게 TLR4-MD2로 전달함으로써 선천성 면역의 세포신호전달을 활성화 시키는 분자메커니즘을 최초로 규명했다.
또한 마우스 면역세포인 수지상세포를 활용하여 첨단 생물물리학적인 기법을 통해 제시한 분자메커니즘이 생체 내에서 내독소를 인식하여 면역반응을 유발하는 핵심 메커니즘을 검증했다.
기존의 실험방법으로 접근이 어려웠던 LBP, CD14, TLR4-MD2 단백질들 간의 동적인 상호작용을 최신 첨단 실험기법을 통하여 분자수준에서 규명함으로써 생체 내 내독소 인식 및 전달메커니즘을 규명했다.
연구 방법 및 결과는 박테리아 감염에 의한 선천성 면역 연구에 새로운 방향을 제시할 것이며 특히 이 연구에서 규명한 분자적, 구조적 지식들은 패혈증 발병메커니즘 연구 및 치료제 개발에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김호민 교수는“박테리아 내독소가 생체 내 단백질들의 동적인 상호작용에 의해 면역세포로 전달되는 일련의 과정들을 분자수준에서 최초로 밝힌 것이다”며 “박테리아 내독소 인식 및 전달메커니즘 이해를 통하여 선천성 면역 유발 메커니즘 이해뿐만 아니라 패혈증 예방 및 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부, 한국연구재단 기초연구사업(개인연구, 집단연구), IBS 나노의학연구단의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 생체 내 박테리아 내독소 전달 메커니즘
2016.12.27
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최광욱 교수, 기관의 크기를 조절하는 유전자 발견
〈최 광 욱 교수〉
우리 대학 생명과학과 최광욱 교수 연구팀이 돌연변이 유전자의 세포분열이 증가하고 기관이 비정상적으로 커지는 현상의 원인을 밝혔다.
연구팀은 우리 몸의 각 기관이 정상적인 크기로 자라게 하는 히포네트워크(Hippo Network) 내에서 쉽원(Schip1)이라는 새로운 단백질을 발견하고 기능 원리를 규명했다.
이번 연구는 셀(Cell) 자매지인 ‘디벨롭멘탈 셀(Developmental Cell) 7일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Drospohila Schip1 links Expanded to Tao-1 to regulate Hippo signaling)
생명체에는 각 기관들이 적절한 크기가 되도록 스스로 조절하는 능력이 있다. 이것을 가능하게 만드는 각 요소들은 서로 네트워크를 이뤄 작동하고, 그 네트워크를 히포 네트워크라 부른다.
이 히포네트워크에 유전적 혹은 후천적으로 문제가 발생하면 조절능력을 상실해 기관에서 종양을 만들게 되고 생명을 위협하는 요소가 된다. 따라서 네트워크를 구성하는 요소를 밝히고 완성시키는 것은 불확실한 종양의 발생원인 규명에 필수적이다.
과학계는 지속적 연구를 통해 히포네트워크의 구성요소들과 기능 및 역할을 발견했다. 하지만 이 네트워크에서 중심적으로 작동하는 두 요소인 ‘타오 원(Tao-1)’과 ‘익스팬디드(Expanded)’ 사이의 기작은 밝혀지지 않았다.
익스팬디드와 타오원이 네트워크 내에서 관련이 있다는 점은 밝혀졌지만 어떤 방식으로 연결됐는지, 직접적인 연관은 무엇인지에 대한 부분은 밝혀내야 할 숙제로 남아 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 히포 네트워크 유전자가 처음 발견된 초파리를 이용했다. 히포 네트워크는 초파리부터 인간까지 거의 동일한 유전자에 의해 조절되고 있기 때문이다.
연구팀은 초파리 히포네트워크 내 쉽원(Schip1) 요소가 익스팬디드와 타오원 사이의 매개체라는 사실을 규명했다. 쉽원은 타오원을 세포막으로 끌어들이는 역할을 하고 익스팬디드는 쉽원이 적절한 위치를 잡게 해 준다.
이 쉽원 유전자에 돌연변이가 생길 경우 세포분열이 크게 증가하고 결과적으로 기관의 크기가 비정상적으로 커지는 등 암 조직에서 나타나는 여러 형질이 발생한다.
연구팀은 쉽원 유전자가 초파리 뿐 아니라 인체에도 잘 보존돼 있기 때문에 종양의 원인 규명 및 치료법 개발에도 중요한 역할을 할 것이라고 밝혔다. 향후 고등 생명체를 이용한 추가적 연구가 진행될 것으로 기대된다.
최 교수는 “지금까지 단절됐던 상류와 하류 요소를 이어주는 중요한 고리를 찾았다”며 “이는 매우 의미있는 발견이다”고 말했다.
정형록 박사과정이 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 글로벌 연구실지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 쉽원이 없을 때 초파리 눈 크기 변화
그림2. 이전의 완성되지 않았던 히포네트워크와 현재 본 논문을 통해 완성된 히포 네트워크
그림3. 쉽원 돌연변이에서 히포의 양이 급격하게 늘어나는 모습
2016.03.18
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연성물질의 메조포러스 준결정 개발・분석 성공
오사무 테라사키 교수
- 네이처(Nature)지 7월 19일자 실려 -
메조포러스(mesoporous) 준결정(quaicrystal) 구조에 대한 의문이 우리 대학 연구진에 의해 보다 명확하게 풀렸다.
우리 학교 EEWS(책임교수 강정구) 대학원 소속 오사무 테라사키(Osamu Terasaki) 교수 연구팀이 불규칙적인 입자구조를 가지고 있는 준결정 메조포러스 실리카(quasicrystalline mesoporous silica) 합성에 성공하고 준결정 성장 과정을 분석하는 새로운 방법을 개발했다.
연구팀이 제시한 이론은 연성물질인 교질(micelles) 입자 형성 시 불규칙하게 나타나는 준결정 현상을 과학적으로 규명하는 토대를 만들었다. 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature)’는 7월호(19일자)에 테라사키(Terasaki) 교수 연구팀의 논문을 게재했다.
과학자들은 그 동안 연성물질(solidified version of soft matter systems)에서 발견되는 메조포러스 준결정 구조를 체계적으로 설명하는데 많은 어려움을 겪어왔다. 하지만, 이번 연구를 통해 얻은 연성물질 내 준결정 성장에 대한 이론적인 근거는 앞으로 이 분야에 대한 연구를 촉진시켜 나노 구조를 가진 신소재 물질 개발에 박차를 가할 것으로 예측된다.
연성물질의 메조포러스 준결정은 높은 대칭균형(high symmetry)과 나노 스케일(nano scale)보다 더 큰 특성적 크기(large characteristic length scale)를 가지고 있어 광학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 물질을 구현할 수 있다.
이를 활용하면 태양광을 사용하는 친환경적 에너지 저장 및 변환 기술 개발에 응용되어 지속가능한 에너지의 저장, 사용 및 재생산 기술 발전에 큰 도움을 줄 것으로 예상된다.
테라사키 교수 연구팀은 메조포러스 준결정 실리카 합성에 성공하고 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy)을 통해 실리카 입자 중앙에 12각형 기둥 모양의 순결정이 형성되어 있으며, 전자회절 무늬에서(electron diffraction pattern) 12각형의 회전대칭 무늬(rotational symmetry)가 순결정 주위에 형성되는 것을 증명하였다.
준결정(quasicrystal)은 준주기적 결정(quasiperiodic crystal)의 줄임말로서 금속 같은 일정한 규칙으로 배열된 결정 물질과 유리와 같은 비결정 물질의 중간 성질을 가지는 제 3의 고체(solid)로 최근 발견되었으며 2011년에는 노벨화학상이 이 분야 연구에 수여되기도 했다.
많은 양의 기공(porous)을 지닌 다공성 물질을 준결정으로 제조 하게 되면 기공들의 결정 구조를 ‘타일을 붙이듯(tiling)’ 원하는 방식대로 디자인 하고 성질을 조절하게 되어 다양한 분야에 필요한 새로운 소재를 개발하고 생산할 수 있게 된다.
테라사키 교수는 “높은 대칭성(high symmetry)을 가지는 준결정의 발견은 물질의 광학적 성질을 쉽게 조절해 가시광 영역대의 포토닉 크리스탈을 구현할 수 있다”며 “물질의 광학적 에너지 흡수를 조절 할 수 있는 이 기술은 향후 에너지 저장(energy harvesting)의 핵심기술이 될 수도 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원의 오사무 테라사키 교수와 스웨덴 스톡홀름(Stockholm University) 대학과 공동으로 수행되었다.(끝)
그림 1. 물질에서의 원자 배열 방법에 따라 구분되는 결정, 준결정과 비결정을 나타낸 모식도. 일반적으로는 원자가 일정한 패턴을 가지고 배열되어 있는 것을 결정, 그렇지 않은 것을 비결정이라고 하였으나, 준결정은 결정에서의 원자배열을 가지지는 않지만 정돈 되어 있는 구조이다. 투과전자현미경에서의 회절무늬를 보고 준결정을 판단할 수 있다.
그림 2. 메조포러스 실리카 준결정의 실제 모양과 원자 배열을 나타내는 투과전자현미경 이미지. 투과전자현미경으로부터 메조포러스 실리카가 12각형 기둥 모양을 하고 있음을 알 수 있으며(왼쪽 위의 이미지), 이는 투과전자현미경의 회절무늬에서도 나타난다(왼쪽 아래 이미지). 고배율의 투과전자현미경은 메조포러스 실리카의 실제 구조를 나타내고 있다(오른쪽).
그림 3. 메조포러스 실리카 준결정의 결정구조를 3차원 모델로 나타낸 모식도. 각각 다른 세 가지 다각형이 서로 정돈되어 결합해 메조포러스 준결정을 구성한다.
2012.07.24
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단백질 분해조절 효소 정보 담은 바이오마커 발굴 시스템 개발
- Mol Cell Proteomics지 게재, “바이오마커 개발의 새로운 패러다임 제시” -
단백질의 분해를 조절하는 효소와 기질에 대한 관계정보를 담은 바이오마커* 발굴 시스템(E3Net)이 국내 연구진에 의해 개발되어, 고부가가치의 새로운 바이오마커 개발에 가능성이 열렸다.
※ 바이오마커(Biomarker) : 유전자, 단백질 등에서 유래된 특이한 패턴의 분자적 정보로, 유전적․후천적 영향으로 발생한 신체의 변화를 감지할 수 있는 생물표지인자
우리학교 바이오및뇍 이관수 교수(49세)가 주도하고, 한영웅 박사과정생, 이호동 박사 및 박종철 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원사업(NCRC), 신기술융합형성장동력사업 및 교육과학기술부의 KAIST 미래형 시스템 헬스케어 연구개발사업의 지원으로 수행되었고, 단백질체 연구 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Molecular and Cellular Proteomics"지 4월호(4월 1일자)에 게재되었다. (논문명: A system for exploring E3-mediated regulatory networks of cellular functions)이관수 교수 연구팀은 전 세계 바이오 관련 DB(데이터베이스)와 논문(약 2만 편)으로부터 정보를 추출해 단백질 분해를 조절하는 효소(E3 효소)와 기질*들 간의 네트워크를 집대성하여, 이와 관련된 세포의 기능과 질병을 분석하는 ‘E3Net’ 시스템을 개발하였다.
※ 기질(substrate) : 효소와 특이적으로 결합하여 화학반응을 일으키는 분자로, 소화작용은 우리의 몸속에서 일어나는 효소와 기질간의 반응의 대표적인 사례
세포는 시시각각 변하는 환경에 대응하여 필요한 단백질들을 생산, 폐기 및 재활용하는 정교한 시스템을 가지고 있는데, 만일 이 과정에서 오류가 생기면 ‘질병’으로 이어질 수 있다.
따라서 단백질 분해를 조절하는 E3 효소와 기질 간의 관계를 파악하면 관련 질병을 치료하거나 예방할 수 있게 된다. 특히 E3 효소는 단백질 분해의 80%를 담당하는 것으로 알려져 수많은 질병이 관련되어 있을 것으로 예측되고 있다.
그러나 E3 효소와 기질 간의 정보들이 개별 논문과 DB에 흩어져 있어, 단백질 분해 조절과 관련된 세포의 기능과 질병의 특성을 종합적․체계적으로 분석할 수 없었다.
이 교수팀은 모든 E3 효소(2,201개)와 기질(4,896개) 및 그 조절관계(1,671개)에 대한 정보를 통합하여 E3 효소 조절 네트워크 내에 존재하는 관련된 세포의 기능과 질병을 시스템적으로 분석할 수 있는 E3Net을 구축하는데 성공하였다.
이 네트워크는 지금까지 구축된 조절정보를 모두 합친 것보다 무려 10배에 이르는 방대한 양으로, E3 효소가 독자적으로 또는 협력해서 조절하는 세포의 기능과 관련 질병을 정확히 파악할 수 있는 토대가 마련된 첫 사례로서 의미가 크다.
연구팀은 E3Net을 이용하면 각각의 질병과 관련된 단백질들의 분해조절을 담당하는 E3 효소들을 찾을 수 있고, 분해조절 원리와 세포기능 네트워크를 함께 파악하여 질병의 발생 원인이나 환자에 적합한 맞춤형 치료방법을 제공할 수 있는 바이오마커를 발굴할 수 있을 것으로 기대한다.
실제 연구팀은 E3Net을 활용해 암, 뇌심혈관 질환 및 당뇨병 등 현대인의 대표적 질환과 관련된 E3 바이오마커 후보 수십 개를 새롭게 발견하는 등 눈에 띄는 성과를 거두었고, 현재 이를 검증할 후속 연구를 계획하고 있다. 이관수 교수는 “이번 연구결과로 E3 효소와 관련된 단백질 분해조절의 네트워크가 구축되고, 이 네트워크에 존재하는 세포의 기능과 질병의 특이성을 시스템적으로 분석할 수 있게 됨에 따라, E3 효소와 관련된 세포의 기능 연구와 질병 연구에 새로운 전기가 마련되었다”고 연구의의를 밝혔다.
2012.05.01
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임용택 교수, GCMM 2010 학회 연구업적상 수상
지난 11월 22일부터 24일까지 태국 방콕에서 개최된 "제10차 제조업 및 경영 글로벌학회(Global Congress of Manufacturing and Management, GCMM 2010)"에서 기계공학과 임용택 교수가 소성가공(塑性加工)공정 및 제조업 분야에서의 연구 활동을 인정받아 연구 업적상 (Excellence for Research and Scholarship in the Area of Metal Forming and Manufacturing)을 수상했다.
GCMM(http://www.gcmm2010.org)은 정보통신기술(IT)을 제조업 시스템과 운영에 적용, 제조업계 발전을 도모하는 국제학회로, 호주 퀸즈랜드 공대(Queensland University of Technology)와 인도 벨로어 공대(Vellore Institute of Technology)의 공동 주최로 지난 2002년 태국 방콕에서 처음으로 개최된 후 격년제로 열리고 있다.
이번 학회에서 연구업적상을 수상한 임용택 교수는 소성가공 공정을 위한 유한요소 해석 프로그램을 개발했으며, 해석결과를 공정설계와 연계하는 자동설계시스템을 만들기도 했다. 최근에는 금속성형 공정에서 중요한 마찰계수를 측정하는 팁시험방법을 고안했고, 현재는 나노 벌크재 개발 및 이를 응용한 고강도 부품 개발에 매진하고 있다. 10여 개의 국내·외 특허를 보유하고 있는 임 교수는 170여 편의 논문을 국내·외 논문집에 게재하였으며, 지난 2007년부터는 선재분야 POSCO 철강 전문교수로 활동하고 있다.
아울러 이번 학회에는 태국 정부 국무총리실 산하 개혁정책처(Innovative Policy Office)의 녹색성장위원회 사무총장인 피쳇 두롱카베로이(Pichet Durongkaveroj) 박사가 참석했는데, 그는 3년 전부터 KAIST를 벤치마킹하여 태국에 국립과학기술원(Thailand Advanced Institute of Science and Technology, THAIST)를 설립하기로 결정했다고 밝혔다. 태국 정부는 메콩강 주변지역을 글로벌 지식경제 산업을 선도하는 거점지역으로 발전시키는 계획을 세워두고 있으며, 이를 위해 THAIST를 현존하는 9개의 연구중심대학과 연계시켜 키워나갈 것이라고 피쳇 박사는 부연했다.
이밖에도 태국 정부는 전기기차 (Electric Train) 개발을 주도하기 위해 우리 돈 38조원에 이르는 1조 바트(Bhat)를 철도 시스템 개선에 투자하고, 기술개발주도형 인프라시스템을 구축하기 위해 고급연구인력 수입에 대한 세제지원을 강화하고, 전체 연구비의 70%까지를 기업연구에 확대 투자해 기업의 연구 활동을 장려하는 정책을 입안 중이라고, 피쳇 박사는 밝혔다.
이로써 KAIST는 일본 과학기술연구원(Japan Advanced Institute of Science and Technology, JAIST), 홍콩 과학기술대학(Hongkong University of Science and Technology, HKUST)에 이어 연구중심대학으로서의 롤 모델 역할을 수행함은 물론 각 국의 성장동력원의 주력으로 자리매김하고 있다.
2010.11.26
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국제 생물공정학술지, 장호남교수 정년퇴임 특집호 헌정
생물공정 및 배양기술의 세계적인 리더로 인정받아, 세계적인 학자에게만 드물게 주어지는 국제학술지 특집호 헌정 영예
KAIST(총장 서남표)는 세계적 생물공정 학술지인 독일 스프링거사 발간하는 생물공정 바이오시스템공학(Bioprocess and Biosystems Engineering; BPBSE)지가 오는 2월말 정년퇴임하는 생명화학공학과 장호남(66세) 교수의 업적을 높이 평가해 기념 특집호를 발간했다고 26일 밝혔다. BPBSE지는 1986년 3월 창간한 24년 전통의 생물공정분야 전문 SCI학술지이다.
세계적인 학술지의 전체 내용을 1인 학자를 위한 기념특집호로 발간한 경우는 매우 드문 사례로 장 교수의 지난 34년간의 생물공정, 생물배양 관련 연구가 세계적으로 인정받고 있으며, 그 탁월한 업적을 세계적으로 인정했다는데 의미가 있다.
2010년 신년호로 발간된 특집호는 ‘장호남: 위대한 생물화학공학자와 그의 고농도배양에 관한 평생의 기여(Ho Nam Chang: Life of a great biochemical engineer and his life-time contribution to high cell density culture)’라는 표지제목으로 발간됐다.
장 교수의 생물공학분야 기여에 감사하고 정년퇴임을 기념하고자 하는 미국, 일본의 동 분야 최고의 전문가들과 장 교수 제자들의 논문 20편이 실렸다.
이번 특집호의 초청편집자인 이상엽 특훈교수는 ”장 교수님은 생물공학, 생물공정 분야의 세계적인 거목이다. 세계적으로도 관련 분야에서 모르는 사람이 없다. 2년 전 독일에서 개최된 학술지 편집회의에서 편집장, 부편집인들, 편집위원들이 장호남 교수의 정년기념 특집호 발간을 만장일치로 찬성했다“고 밝혔다.
장 교수는 1944년 남해생으로 1976년 KAIST에 교수로 부임해 지난 34년간 국제학술지 논문 235편, 국내학술지 논문 153편, 3권의 저서, 51건의 특허를 낸 업적이 있으며, 논문의 총 피인용 횟수는 4190여회에 달하는 세계적인 석학이다.
현재도 9개의 국내외학술지 편집위원으로 활동 중이다. 우수연구센터인 생물공정연구센터의 소장, 기초기술연구회 이사, KAIST 교무처장 및 학장, 한국생물공학회 회장, 한국공학한림원 부회장 등을 역임했으며 국민훈장 목련장, 한국공학상, 아시아태평양 생물화학공학상 등 다수의 상을 수상했다.
2010.02.26
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