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매미와 개구리는 지휘자없이 어떻게 합창할까
나무위의 매미와 논두렁의 개구리는 지휘자 없이 어떻게 합창할까? 이와 관련해서, KAIST 바이오 및 뇌공학과의 조광현 교수는 생명체의 동기화된 주기적 진동신호의 생성원리를 최근 규명했다. 나무에 붙어있는 많은 반딧불들의 동시다발적인 깜빡임, 매미들의 조율된 울음소리, 뇌신경세포들간의 전기신호, 세포내 분자들의 농도변화에 이르기까지 생명체는 다양한 형태의 주기적 진동신호 교환을 통해 정보를 전달하는데, 이들은 놀랍게도 정확히 동일한 위상(phase)으로 동기화되곤 한다. 이는 마치 오케스트라에서 지휘자 없이도 모든 연주가 일정한 박자에 맞춰 이루어지는 것과 같다.
어떻게 생명체의 여러 주기적 진동신호들이 그러한 동기화를 이루는가?
우리학교 바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉) 교수 연구팀이 대규모 가상세포(virtual cell)실험을 통해 생명체의 다양한 주기적 진동(oscillation)신호들이 동기화(synchronization)되는 보편적인 원리를 규명했다.
曺교수팀은 이번 연구를 통해 여러 독립적인 주기적 진동신호들은 양성피드백(positive feedback)을 통해 서로의 위상에 영향을 줘 하나의 동일한 위상으로 수렴되는 현상을 밝혀냈다.
특히 양성피드백은 이중활성(double activation) 또는 이중억제(double inhibition)의 구조로 구현된다. 이중활성피드백은 연결시간지연이 짧을 때, 이중억제피드백은 연결시간지연이 길 때 보다 안정적인 신호동기화를 가능하게 했다.
또한, 노이즈(noise) 교란이 있을 때 이중활성피드백은 진동신호의 주기보다 진폭을 안정적으로 유지하는 반면 이중억제피드백은 연결강도에 불규칙한 변화가 주어졌을 때 일정한 주기와 진폭을 유지시켜줬다. 현존하는 대부분의 현상들이 이러한 원칙을 따르고 있었다.
이번에 규명된 원리는 생체내 주기적 진동신호의 동기화가 교란될 때 발생하는 뇌질환 등 여러 질병의 원인을 새롭게 조명하는 계기를 마련할 것으로 기대된다.
이번 연구는 기존 생명과학의 난제에 대해 IT융합기술인 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 해답을 제시할 수 있음을 보여줬으며, 향후 생명과학 연구에 있어서 가상세포실험의 무한한 가능성을 제시했다.
曺교수는 “생명체는 복잡하게 얽혀있는 것으로 보이는 네트워크속에 이와 같이 정교한 진화적 설계원리를 간직하고 있었다”며 “이러한 규칙들은 임의로 수많은 디지털 진동자들을 만들어 인공진화를 통해 신호의 동기화 현상을 관측하였을 때에도 마찬가지로 성립된다는 흥미로운 사실을 확인했다”고 말했다.
이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단 연구사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 세포생물학 분야 권위지인 세포과학저널(Journal of Cell Science) 2010년 1월 26일자 온라인판에 게재됐다.
세포생물학 실험결과만을 출판하는 이 저널에 순수 컴퓨터시뮬레이션만으로 수행된 가상세포실험 연구결과가 게재된 것은 매우 이례적인 일이다.
인터넷주소: http://jcs.biologists.org/cgi/content/abstract/jcs.060061v1
<용어설명>◯ 양성피드백(positive feedback): 서로 연결되어 있는 두 요소 사이에 어느 하나의 변화가 결과적으로 스스로를 동일한 방향으로 더욱 변화시키는 형태의 연결구조.
<사진설명>◯ 설명: A: 서로 상호작용하는 두 생체신호 진동자(oscillator)들의 예시. B: 이중활성 양성피드백으로 연결된 진동자들. C: 이중억제 양성피드백으로 연결된 진동자들. D: 연결강도에 따라 진동신호 동기화에 소요되는 시간. E: 연결강도 증가에 따라 점차 진동신호 동기화가 되어가는 모습의 예시 (좌측의 비동기화 진동신호들이 점차 우측의 동기화된 진동신호들로 변화되어 가는 과정을 나타냄).
2010.02.02
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김성철 교수, 환태평양 고분자 연합 회장으로 추대
생명화학공학과 김성철(64)교수가 호주 케언스(Cairns)에서 개최된 환태평양 고분자연합(Pacific Polymer Federation, PPF) 집행위원회에서 제12대 회장으로 최근 선출됐다.
환태평양 고분자연합은 한국, 미국, 일본, 중국, 호주, 카나다, 멕시코, 대만, 싱가포르, 태국, 뉴질랜드, 칠레, 베트남, 인도네시아, 말레이시아 등 태평양 연안 15개국의 고분자학회의 연합체로 2년에 한번 국제 심포지엄을 개최한다.
김 교수는 이번 케언스(Cairns)에서 열린 제11차 국제 심포지엄에서 ‘메탄올 연료전지용 고분자 블렌드, IPN, 하이브리드 막(Polymer Blend, IPN, Hybrid Membranes for Direct Methanol Fuel Cell)’이란 제목으로 기조강연을 했다.
제12차 국제심포지엄은 2011년 11월 제주 신라호텔에서 개최되며, 김 교수가 조직위원장을 맡게 된다.
* IPN : 상호침투하는 고분자 망목(Interpenetrating Polymer Network)
2009.12.23
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산업디자인학과 4학년 김성준씨, 국제 디자인 공모전
우리대학 산업디자인학과 4학년 김성준(25, 지도교수 정경원)씨가 최근 독일서 열린 ‘iF 커뮤니케이션 디자인상’에서 ‘새로운 기부문화시스템’이란 출품작으로 최우수상을 수상했다.
‘새로운 기부문화시스템(1/2 PROJECT)’은 기부의 일상생활화를 목표로 진행됐다. 이 작품은 소비자가 전체 가격으로 절반만 들어있는 음료를 구매하면 나머지 절반에 해당하는 금전적 가치를 타인에게 기부하는 새로운 시스템을 표현한 것이다. 삼성 디자인 멤버십의 일환으로 이화여대를 졸업한 박지원씨가 공동 참여한 이 작품은 최근 미국 ‘IDEA’에서도 은상을 수상했다.
독일의 ‘iF 커뮤니케이션 디자인상(iF Communication Design Award)’은 세계 최대 규모와 권위를 자랑하는 디자인상으로 오는 8월 뮌헨 BMW 본사에서 시상식이 있을 예정이다. 또한 ‘IDEA(International Design Excellence Awards)’는 비즈니스 위크사의 후원으로 미국 산업디자인협회(IDSA)가 심사, 시상하는 세계 최대 규모의 디자인상으로 시상식은 오는 9월 마이애미에서 거행될 예정이다.
한 개의 작품으로 유럽과 미국의 권위있는 디자인공모전에서 수상을 하게 된 김씨는 “이 프로젝트가 단지 공모전 수상으로 끝나는 것이 아니라, 비영리 단체로서 대형 음료 업체들과 직접 계약을 맺어 기부 문화의 일상 생활화를 이끌어나가는 것이 궁극적인 목표”라고 밝혔다.한편 지난 3월 독일 ‘iF 국제디자인상(iF Lebens(t)räume 2009)’에서 최우수상을 수상했던 ‘휴대용 인명 구조 장비(Rescue Stick)’ 작품은 이번 IDEA에서 은상을 수상했다. 이로써 김성준 씨의 두개 작품(1/2 PROJECT, Rescue Stick)을 세계 3대 디자인 어워드(iF, IDEA, Red Dot)중 두 곳에서 수상함으로써 그의 탁월한 디자인 능력을 인정받게 됐다.
2009.06.02
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조광현 교수, 컴퓨터시뮬레이션 통해 세포 조절회로의 숨겨진 메커니즘 규명
바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉, 38) 교수 연구팀이 컴퓨터시뮬레이션을 통해 세포의 증식과 분화 조절회로에 숨겨진 동역학 메커니즘을 규명하였다. 연구결과는 세포생물학계의 권위지인 저널오브셀사이언스(Journal of Cell Science)지 21일자 온라인판에 표지논문(Cover Paper)으로 선정, 출판되었다.
이번 연구는 특히 수학 모델과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 세포내 복잡한 메커니즘을 해석해 내고 이를 생화학실험을 통해 재차 검증함으로서 완성되었다. 이는 IT를 BT에 접목시킨 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 기존 생명과학의 한계를 극복한 중요한 BIT 융합 연구사례로 평가된다.
세포내 어크(ERK) 신호전달경로는 세포의 증식과 분화를 조절하는 주요 회로로 알려져 왔으며, 최종단의 인산화된 어크 단백질의 시간에 따른 농도변화 프로화일은 세포의 운명을 결정하는 핵심인자로 여겨져 왔다. 그러나 이 회로의 복잡한 동역학적 특성으로 인해 조절메커니즘은 아직껏 잘 밝혀지지 않았다. 曺 교수 연구팀은 어크 신호전달경로 가운데 라프(Raf) 단백질의 신호를 선택적으로 차단하는 알킵(RKIP) 단백질이 매개하여 형성하는 양성피드백과 어크에서 에스오에스(SOS)로 이어지는 신호에 의해 형성되는 음성피드백이 최종 어크 단백질의 동역학 패턴을 결정짓는 주요 조절회로임을 규명해 냈다. 특히 양성피드백은 이 신호전달과정이 외부노이즈에 둔감하도록 스위칭동작을 유발하고 음성피드백은 어크 프로파일의 진동현상을 유발함으로써 다이나믹한 동역학 특성이 결정됨을 밝혀냈다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션 분석결과는 공동연구팀인 영국 글라스고우 암연구소에서 생화학실험을 통해 증명되었다.
이번 연구는 인간의 주요 질환과 관련된 세포내의 근원적인 조절메커니즘을 규명함으로써 차후 생명과학 응용연구의 중요한 발판을 마련하였으며, 또한 BIT 융합연구로서 시스템생물학의 새로운 가능성을 제시하게 됐다. 이번 연구는 교육과학기술부지원 연구사업의 일환으로 수행되었다.
<2009년 1월 21일자 온라인판, 인터넷주소>
http://jcs.biologists.org/content/vol122/issue3/cover.shtml
2009.01.29
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KAIST, 삼성전기 삼성서울병원과 공동으로 세포벤치 연구센터 설립
- 삼성서울병원과 생체모사 세포 칩 공동연구
- 개인별 맞춤형 최적 항암제 발굴 및 임상적용 기술 개발
- 전자산업-의학 간 기술 융복합으로 의료 바이오 신 사업 창출
- 원천기술 조기 확보로 시장 선점, 암 환자들에게도 희소식
우리학교는 차세대 바이오(Bio) 분야에서 원천 기술과 우수 인력을 확보하기 위해 세포벤치(Bench)연구센터를 설립, 지난 17일 개소식을 가졌다.
정문술 빌딩에서 열린 이날 개소식에는 서남표 총장을 비롯해 삼성전기 기술총괄(CTO) 고병천 부사장, 삼성서울병원 임효근 진료부원장 등 관계자 100여 명이 참석했다.
KAIST-삼성전기-삼성서울병원 등 3개 기관이 협력하여 구성된 세포벤치연구센터는 우리학교 바이오 및 뇌공학과 조영호 교수가 센터장을 맡아, 생체모사 세포칩((Bio-inspired Cell Chip)을 이용한 개인별 맞춤형 항암제 발굴 및 임상적용 기술을 개발한다.
국내에서만 약 40 만 명에 달하고, 개인별로 큰 편차를 보이는 암에 대한 치료효과를 극대화하기 위해, 삼성전기의 첨단 소재 및 장비기술, KAIST의 바이오 소자 기술, 삼성서울병원의 임상 적용 기술 등을 결합, 의료 바이오의 새로운 분야를 개척할 계획이다.
세포벤치 연구센터 조영호 센터장(KAIST 바이오 및 뇌공학과 교수)은 초기에는 한국인 사망원인 1위인 폐암용 항암제 세포 칩 개발을 목표로 하고, 이를 기반으로 5대 고형암으로 확대해갈 계획이라고 밝혔다
이날 KAIST 서남표 총장은 환영사에서 “전자산업 및 학계, 의료계의 최고 전문가들이 세포벤치연구센터에서 서로의 강점 기술을 융/복합하여, 혁신적인 맞춤형 항암 치료 기술을 발굴, 과학기술의 새로운 장을 개척하기를 바란다”고 당부했다
삼성전기 기술총괄 고병천 부사장은 “바이오 세포칩 기술 개발은 그 동안 IT분야에 주력해 온 삼성전기에게도 새로운 사업 분야로 진입하는 의미 있는 도전이다”며 “삼성전기, KAIST, 삼성서울병원 등 최고 인력들의 공동연구를 통해 세포칩 분야의 원천기술을 확보해 새로운 비즈니스 모델을 창출하고, 질병으로 고통 받는 환자들에게도 간편하고도 효과적인 치료방법을 제시할 것”이라고 말했다.
<<용어해설>>
- 개인별 맞춤형 항암제: 환자의 유전적, 후천적 특성과 암의 종류 및 부위에 따라 항암제의 효능이 달라지므로, 개인별 항암제 치료의 특이성과 부작용을 고려한 최적의 항암제를 단기간에 선별하여 항암치료의 시기, 효과 및 신뢰성을 극대화 할 수 있는 약물치료 기술
- 생체모사 세포칩: 인간의 몸 속에서 세포가 분화 성장하는 환경과 과정을 인공적으로 모사하여 체외에서 세포를 성장시킬 수 있는 환경을 조성하고 극미량의 약물에 대한 반응(BT) 등 관련 정보(IT)를 고속으로 감지하고 분석할 수 있도록 나노/마이크로가공기술(NT)로 제작된 극미세세포배양 및 분석 칩(Chip)
- 세포벤치: 세포의 배양과 분석을 위한 세포칩과 이에 필요한 세포의 분리, 계수, 처리와 극미량배양액 및 약물의 고속 공급과 순환제어를 위한 전처리 과정과 세포의 추출, 파괴, 관찰을 위한 후처리 과정을 함께 결합한 바이오 벤치(Bench)
2008.11.17
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올해의 KAIST인 상에 이지오 교수
세계적인 학술지, Cell誌에 두편의 논문 잇따라 발표하는 등 뛰어난 학술연구실적 인정 우리 학교는 2007년 ‘올해의 KAIST인 賞’에 화학과 이지오(李志五, 42) 교수를 선정했다. 시상식은 2일(수) 학내 대강당에서 열린 2008년도 시무식에서 있었다.
李 교수는 2007년 패혈증을 유도하는 단백질 복합체인 ‘TLR4-MD-2’와 ‘TLR1-TLR2’의 구조 및 작용 메커니즘을 규명해 세계적인 학술지인 셀(Cell)誌에 잇따라 발표, 패혈증 치료제 개발과 선천성 면역연구 발전에 크게 기여했다.
李 교수는 2001년 이후 국제우수논문 18편을 발표하는 등 뛰어난 학술연구 활동으로 학계의 주목을 받고 있다. 2007년 과학기술부 ‘미래를 만드는 우수과학자"에 선정됐으며, 한국과학기자협회가 뽑은 ‘올해의 과학인상’을 수상했다.
2008.01.10
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손영석,전용준씨 산업자원부장관상 수상
전기및전자공학전공 회로설계및시스템응용연구실 박사과정에 재학중인 손영석,전용준씨가 특허청 주관‘제7회 반도체 설계 공모전’에서 산업자원부장관상(은상)을 수상했다.
이번 공모전에 제출된 작품은 "AMOLED 디스플레이 화질 개선을 위한 구동 회로"이다.
AMOLED 디스플레이는 AMLCD및 PDP와 같은 디스플레이에 비해 많은 장점을 가진 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있으나, 디스플레이 화질 및 수명문제로 큰 발전을 이루지 못했다. 이번 작품은 AMOLED 디스플레이의 화질 및 수명 개선을 위한 구동 방식 및 구동 회로를 제안하고 설계하여 전기적 특성을 검증했다. 발표된 구동 방식은 Transient Cancellation Feedback (TCF)으로 명명했으며, SID 2006에 구동 개념을 publish 했다. 기존의 구동 방식과는 달리 고유의 Active Matrix 구조를 제공하여 기존의 구동 방식이 가진 한계를 뛰어넘었다는 평을 받았다.
TCF 구동에 의하여 데이터 전류 구동 속도 및 구동의 정확성을 획기적으로 높였으며 달성된 전기적 성능은 상용 적용 가능한 수준으로 평가되고 있다. TCF 구동을 적용하여 AMOLED 디스플레이의 화질 및 수명은 상당한 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2006.11.23
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웹 기반 가상세포 분석시스템 WebCell 개발 공개
-생물정보학 관련 전문 학술지인 바이오인포메틱스지 5월호에 게재 -
과학기술부 특정연구개발사업『시스템생물학연구사업』에 참여하고 있는 KAIST 이상엽, 박선원 교수팀은 생명체의 대사 및 신호전달 기능과 특성의 동적 분석을 위한 웹 기반 소프트웨어 ‘WebCell 시스템’을 개발하여 공개했다.
이 시스템은 현재까지 전 세계적으로 개발된 생체 및 세포 동적 모사 시스템 중 가장 다양한 기능을 제공하는 것으로 시스템 생물학 연구의 국제 공동체인 SBML에 등록되어 공개되며, 연구결과는 영국 옥스퍼드대학 출판사 발간 생물정보학 관련 전문 학술지인 바이오인포메틱스 (Bioinformatics)지 5월호에 게재되었다.
KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 42, LG화학 석좌교수, 생물정보연구센터 소장), 박선원(朴善遠, 58)교수팀은 과학기술부 특정연구개발사업의『시스템생물학연구개발사업』지원을 받아 다양한 생명현상의 정성 정량적 동적모사가 가능한 웹기반 가상세포 “WebCell”을 개발하여 전 세계에 공개했다.
WebCell은 세포 내에서 일어나는 반응들에 대한 결과 예측 뿐 만아니라, 시간에 따른 변화들을 보여주는 동적 분석을 상세한 설명을 따라 인터넷 상에서 쉽게 수행할 수 있다. 또한, 기존 가상세포 소프트웨어의 프로그램마다 다른 형식으로 이루어져 사용에 어려움이 많던 파일들도 자유롭게 원하는 양식으로 변환이 가능하도록 하여, 연구 과정과 결과를 공유하여 더 빠르고 효율적인 연구가 가능해졌다.
또한, 인터넷 상에서 생물학적 네트워크를 모델링하고 만들어진 모델을 저장 및 교환할 수 있으며, 열역학 정보를 이용한 모델 검증, 변수 추정, 구조적 경로 분석 및 대사 조절 분석, 동적 시각화 등을 통한 네트워크의 체계적인 분석 기능을 통합적으로 제공한다.
그리고 기존에 발표된 모델들의 라이브러리도 제공하며 이용자가 자신의 ID로 접속할 수 있는 개인 라이브러리도 가질 수 있으므로, 가상세포 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
WebCell이 발표되자마자 시스템 생물학 연구 국제공동체인 SBML(http://sbml.org)에 등록되어 공개되었으며, 연구결과는생물정보학 분야 전문 국제 학술지인 영국 옥스퍼드대학 출판사 발간 바이오인포메틱스(Bioinformatics)지 5월호에 게재되었다.
이상엽 교수는 “향후 대사 흐름 분석 프로그램인 MetaFluxNet, 대사흐름분석 언어인 MFAML, 대사네트워크 전문 데이터베이스인 BioSilico와 연동하여 업그레이드 된 버전의 WebCell을 개발할 예정이며, 궁극적으로 이 모두가 통합된 가상세포를 개발할 예정이다”라고 밝혔다.
WebCell 시스템은 웹브라우저를 통해 http://webcell.kaist.ac.kr 이나 http://www.webcell.org로 접속하여 사용자 계정을 획득한 뒤 이용할 수 있다.
<용어설명>
* SBML(Systems Biology Markup Language): XML을 기반으로 한 언어의 일종으로, 각기 다른 시스템 생물학 소프트웨어간의 가상 세포 모델의 교환을 용이하게 하기 위해 제안된 표준이다. 현재는 국제 공동 프로젝트로 발전하여, 전 세계 60여개 프로젝트가 이 사업에 공동으로 참여하고 있다.
<< WebCell 사용 샘플그림>>
2006.04.28
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