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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
조회수 21897
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이효철 교수팀, 물에 녹은단백질 모양 변화 실시간 관찰 성공
- 관련 논문, 9월 22일(일)자 네이처 메서드(Nature Methods)誌 게재- 단백질의 작동메커니즘 규명에 중요한 도구 역할 및 신약개발에도 큰 도움 줄 것으로 기대
KAIST(총장 서남표) 화학과 이효철(李效澈, 36) 교수팀이 ‘물에서 변하는 단백질 분자구조를 실시간으로 규명’ 하는데 성공했다. 관련 논문은 네이처 자매지인 네이처 메서드(Nature Methods)誌 9월 22일자 온라인 판에 게재됐고 10월호에 출판될 예정이다.
논문의 제목은 “시간분해 엑스선 산란을 이용한 용액상의 단백질의 구조동역학 추적(Tracking the structural dynamics of proteins in solution using time-resolved wide-angle X-ray scattering)”으로 온라인에 게재되는 논문들 중에서도 특히 주목받는 하이라이트 논문으로 소개될 예정이다. 李 교수는 이 논문의 교신저자다.
이번 연구결과는 李 교수팀의 집념의 산물이라 할 수 있다. 李 교수팀은 지난 2005년 5월, 소금처럼 딱딱하게 고체상으로 굳어 있는 상태에서의 단백질의 안정적인 구조만을 볼 수 있는 기존의 방법을 시간분해 엑스선 결정법으로 발전시켜, 정지되어 있는 단백질의 구조뿐 만 아니라 움직이는 단백질의 동영상을 촬영하는데 성공했다. 관련 논문은 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Science)에 발표되었으며, 학계의 큰 주목을 받았다.
그러나 이 방법으로도 해결할 수 없는 치명적인 문제는 우리 몸에서 작용하는 일반적인 단백질은 고체상으로 있지 않고 물에 녹아있는 용액상태라는 점이다. 마치 고체 소금이 물에 녹아 소금물이 되는 것과 같은 원리다. 물은 인간의 몸의 약 70% 이상을 차지하고 있고 생명 유지에 필수적인 단백질들은 물에 녹아 있는 상태로 존재한다고 볼 수 있다. 따라서 단백질이 어떻게 기능을 발휘하는 지를 실시간으로 관측하기 위해서는 물에 녹아 있는 단백질 분자의 모양 변화를 실시간으로 추적할 수 있는 기술이 필요하다.
이러한 목표를 향한 첫 열매로 물에 녹아 있는 간단한 유기분자의 구조변화를 실시간 측정하는 데 성공하였으며, 관련 연구논문이 2005년 7월 사이언스(Science)誌에 발표된 바 있다. 당시 이 연구결과는 용액상에서 분자의 움직임을 실시간 추적할 수 있다는 점 때문에 많은 관심을 불러 일으켰는데, 李 교수는 그 기술을 더욱 발전시키면 단백질에도 응용 가능할 것으로 전망했다. 그러나 일반적으로 단백질은 그 당시 성공한 유기분자보다 적어도 1,000배 정도 크고 구조가 훨씬 더 복잡할 뿐 아니라 훨씬 적은 양으로 존재하기 때문에 물에 녹아 있는 단백질에서도 성공할 수 있다는 것에는 많은 과학자들이 회의적으로 생각했다.
이번 네이처 메서드誌에 발표한 연구결과는 그러한 부정적인 생각을 깨고 기존에 성공한 유기분자보다 ‘1,000배 더 큰 단백질 분자가 물에 녹아 있을 때에 이들의 3차원 구조변화를 실시간으로 관측하는데 성공’한 획기적인 연구성과다. 논문에서는 3가지 종류의 단백질에 대한 연구결과를 발표했는데, 우리 몸에서 산소를 이동하는데 중요한 헤모글로빈 단백질과, 근육에서의 산소공급에 관여하는 미오글로빈 단백질 등이다. 이 외에도 단백질은 주로 접혀있어 특정한 구조를 형성하는데 환경이 바뀌면 이 구조가 풀리게 된다. 풀려 있는 단백질은 일반적으로 제 역할을 할 수 없어 이러한 단백질의 접힘-풀림 현상을 이해하는 것은 매우 중요한데 씨토크롬씨라는 단백질이 풀린 상태에서 접히는 과정도 실시간으로 추적하는데 성공하였다.
이 새로운 기술을 사용하면 물에서 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수도 있어 단백질의 작동메커니즘을 밝히는 데에 중요한 도구가 될 것이며, 앞으로 신약개발을 하는 데에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 또한 이 기술은 단백질은 물론이고 나노물질에도 응용이 가능하므로 BT뿐만 아니라 NT분야에도 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
이 연구는 교육과학기술부의 창의적연구진흥사업의 연구비 지원으로 진행되었다. 연구결과는 유럽연합방사광가속기센터에서 측정되었으며, 李 교수의 주도하에 이뤄진 국제적인 공동연구의 성과다.
李 교수는 “현재 포항에 있는 제3세대 가속기에 이어 한국에서도 차세대 광원으로 건설이 논의되고 있는 제4세대 방사광가속기(XFEL)가 성공적으로 가동되면, 현재 발표된 데이터보다 적어도 1,000배정도 더 좋은 데이터를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다.
<이효철 교수 프로필>
■ 학 력
1990 경남과학고 2년 수료, KAIST 화학과 학사과정 입학
1994 KAIST 화학과 학사과정 졸업
1994 Caltech(California Institute of Technology) 박사과정 입학
2001 Caltech 졸업(박사)
2001 시카고 대학 박사 후 연구원(Post Doc.)
2003.8.1-2007.2.28 KAIST 화학과 조교수 2007.3.1-현재 KAIST 화학과 부교수
■ 수상경력
2006 젊은 과학자상(과학기술부/한국과학기술한림원)
2006 과학기술우수논문상(한국과학기술단체총연합회)
2006 KAIST 학술상 2001-2003 美國 대먼 러년 암재단(Damon Runyon Cancer Research Foundation)펠로우쉽
(설명) 시간분해 엑스선 산란의 개념을 예술적으로 표현한 그림
2008.09.22
조회수 25973
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김학성 교수, 한국바이오칩 학회지인 '바이오칩 저널' SCIE 등재
생명과학과 김학성(金學成, 51세) 교수가 학회장을 맡고 있는 한국바이오칩학회에서 발간하는 학술지인 "바이오칩 저널(Biochip Journal)"이 "과학기술논문색인(SCI, Science Citation Index)" 확장판인 "SCIE(Science Citation Index Expanded)"에 공식 등재됐다.
이 저널은 2007년 초에 창간, 1년 6개월 만에 "SCIE"에 등재됐다. 저널의 "SCIE" 등재는 발표된 논문의 중요성, 인용 횟수 및 저널 편집자들의 명성 등을 평가하여 등재 여부를 결정한다. 통상적으로 "SCIE" 등재를 위해서는 분야에 따라 다소 차이는 있지만 최소 3년 이상 걸리는 것으로 알려져 있다.
현재 이 학회에는 대학, 연구소 및 기업체에서 바이오칩과 관련된 400여 명의 연구자가 회원으로 참가하고 있으며, 바이오칩에 대한 관심이 높아지면서 회원 수가 급격하게 증가하고 있는 추세다.
바이오칩은 생물에서 유래된 생체 유기물질 (단백질, 효소, 항체, 동식물 세포 및 기관, 신경세포 등)과 반도체 같은 무기물을 조합하여 기존의 반도체칩 형태로 만든 소자(device)로, 중요한 인체 정보나 생체분자(Biomolecules)들을 정량적(Quantitative), 혹은 정성적(Qualitative)으로 측정하는 장치로 DNA 칩, 단백질 칩(Protein Chip), 셀 칩(Cell Chip), 등을 지칭한다. 바이오칩이 중요한 이유는 사회적 측면으로는 포스트 게놈(Post Genome) 시대의 도래로 바이오 정보를 이용한 새로운 보건의료기술의 개발이 선진국을 중심으로 활성화되고 있으며, 경제수준이 향상됨에 따라 건강에 대한 관심이 증가하고 보다 나은 질의 삶을 영위하고자 하는 욕구가 커짐에 따라 질병의 진단 및 예방, 신약개발, 그리고 의료 복지에 대한 요구가 커지고 있기 때문이다. 최근 전 세계적으로 과학 기술의 발전 추세는 한마디로 "컨버전스(Convergence)" 라고 말할 수 있다. 즉, 다른 영역간의 융합(Fusion)을 통해 새로운 학문이나 기술 개념이 창출되는 추세다. 이런 융합 학문 시대에 가장 대표적인 것이 생명공학기술(BT, Bio Technology)과 정보기술(IT, Information Technology), 그리고 나노기술(NT, Nano Technology)이 접목된 분야이고 BT-IT-NT 융합의 대표적 주자가 바이오칩 이다. 즉, 바이오칩은 생명과학, 화학, 물리학, 의학, 기계공학, 전자공학, 화학공학 등의 많은 분야가 접목되어야 새로운 기술이나 제품의 개발이 가능하다. 세계적으로 미국과 유럽, 일본 등 과학 선진국이 바이오칩 상용화 연구를 서두르고 있어 조만간 바이오칩이 질병진단, 신약개발 및 의료산업 등에 널리 이용되는 단계에 접어 들 것으로 전망된다. 세계적인 주요 IT기업들도 새로운 시장 돌파구로 BT를 선택하고 이 중에서도 BT-IT-NT가 융합된 바이오칩 개발에 많은 연구비를 투자 하고 있다.
金 교수는 "바이오칩 저널의 SCIE 등재를 통해 국내에서 수행된 우수한 연구 논문을 국제적으로 널리 알리고, 한국바이오칩학회의 위상을 높일 수 있는 좋은 기회를 갖게 되었다"고 말했다.
2008.09.04
조회수 19409
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조광현 교수, 인간프론티어 과학프로그램 연구과제평가위원 선임
우리학교 바이오뇌공학과 조광현(曺光鉉, 37세) 교수가 과학분야 국제기구인 인간프론티어과학프로그램(HFSP, Human Frontier Science Program)의 연구과제평가위원(Research Grant Review Committee Member)에 선임됐다.
인간프론티어과학프로그램은 1989년에 시작된 선진7개국(G7) 국가 간의 유일한 생명과학협력 프로그램으로 뇌과학 및 분자생물학 분야의 국제공동연구, 혁신적이고 다학제적인 기초연구, 펠로우쉽 등을 지원하는 국제프로그램이다. 우리나라는 2004년 이 프로그램에 가입했다. 현재 회원국은 우리나라를 포함 선진7개국(G7), 유럽연합(EU) 등 35개국이다. 이 프로그램의 연구과제평가위원은 이들 회원국 연구자 중 국가별 1명이내로 구성된다. 曺 교수는 앞으로 시스템생물학분야의 연구과제 평가를 맡게 된다.
2008.07.11
조회수 16563
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KAIST 학부생, ICISTS-KAIST 2007 개최
세계 대학생 학술 교류의 장 ICISTS-KAIST 2007 개최 - 전 세계 200여명의 학생 참가, 국제 교류 및 국내외 석학들과 토론 - KAIST 학부생들이 연사 초청에서 행사 기획과 진행 전 과정 준비 - 오는 24일(화)부터 4일간 KAIST에서 개최 KAIST 학생들이 주최하는 국제학술회의 ‘ICISTS-KAIST 2007’이 오는 24일(화)부터 4일간 KAIST에서 개최된다.
ICISTS-KAIST는 전 세계 대학생들과 국제 교류로 경험과 역량을 기르기 위해 지난 2005년 KAIST에서 시작되었다. 매년 200여명의 각국 대학생들과 세계적으로 유명한 연사들이 초청된다. ICISTS(International Conference for the Integration of Science and Technology into Society)는 과학기술의 사회통합을 목적으로 국가, 인종, 전공을 초월한 다양한 배경의 대학생들이 참여하는 국제학생회의다.
이번 ICISTS-KAIST는 ▲미디어 혁명 ▲생명 연장의 꿈 ▲유토피아 실현 등 3개 주제의 워크샵으로 진행된다.
첫 번째 워크샵 ‘미디어 혁명(Media Revolution)’에서는 뉴미디어의 등장 배경과 영향, 현재 개발되고 있는 새로운 미디어 기술에 대해 토론하고, 이런 미디어 혁명이 가져오는 사회와 생활의 변화를 다룬다. 두 번째 워크샵 ‘생명 연장의 꿈(Life extension)’에서는 생명 연장을 위한 암과 비만 관련 질병 극복을 위한 방법에 대해 토론한다. 또한 줄기 세포의 현재 연구 진행 상황 및 한계점, 잠재력을 재생의학(regenerative medicine)이라는 새로운 학문을 통해 접할 수 있다. 세 번째 워크샵 ‘유토피아 실현(Utopia, Dreams come true)’은 환경 파괴라는 역설적인 결과를 가져온 과거의 과학 발전 방식에서 벗어나 지속적인 개발이 가능한 꿈의 도시 ‘유토피아’ 건설 실현에 대한 가능성을 논의한다. 미래 도시의 개념, 최첨단 친환경 기술, 도시공학 기술, 도시계획 정책에 대해 토론하고 유토피아 실현 후 유토피안 라이프스타일, 아키텍쳐, 경제적 파급효과에 대해 알아본다.
이 학술회의에는 존 스마트(John Smart) 美 가속변화연구재단 회장, 그레고리 클레먼트(Gregory Clement) 하버드대 교수, 알리 크하뎀호세이니(Ali Khademhosseini) MIT 교수, 레온 글릭스만(Leon R. Glicksman) MIT 교수, 피터 로저스(Peter Rogers) 하버드대 교수, 신이치로 오가키(Shinichiro Ohgaki) 동경대 교수, 조장희 가천의대 교수, 천진후 연세대 교수, 문수복 KAIST 교수 등 각 분야에 세계적인 석학들이 연사로 초빙되었다.
이외 워크샵에 배정되는 그룹끼리 사업계획을 세울 수 있는 ‘비즈니스 팀 프로젝트’, 다양한 사람들을 만날 수 있는 ‘레크레이션’이 진행된다. 지역주민을 위해 ‘대전시민과 청소년을 위한 공개 과학 강연’이 행사기간중인 24일(화)- 25일(수) 이틀간 오후 7시 KAIST 터만홀 1층에서 열린다. 중고생 이상 누구나 무료로 참가할 수 있다.
2007.07.24
조회수 20827
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한국원자력학회 국제저널 SCIE 등재
원자력 및 양자공학과 성풍현 교수가 편집장을 맡고 있는 한국원자력학회(회장 김시환) 국제저널 "nuclear Engineering and Technology"가 미국 Thomson Scientific에서 주관하는 SCIE(Science Citation Index Expanded)에 포함되었다.
Thomson사는 지난 4월 14일(토) 이 결정 사항을 통보하고, 실제 논문 제목 색인(Indexing)은 2007년내에 공식적으로 통보하게 된다고 밝혔다.
2007.04.17
조회수 18610
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김진우 교수, 유명국제기구 경력개발상 수상
- 인간프론티어과학프로그램에서 3년간 총 30만불 연구비 지원
생명과학과 김진우(金鎭佑, 36) 교수가 유명국제기구인 인간프론티어과학프로그램(HFSP, Human Frontier Science Program)에서 수여하는 “경력개발상(Career Development Award)”을 수상했다.
金 교수는 ‘동물의 신경발달 과정에 관여하는 외부의 신호와 내재적 유전인자들의 상호작용’에 대한 연구제안서를 제출, 금년 수상자 24명 중의 한명으로 선정됐다. 이 상의 수상으로 金 교수는 앞으로 3년간 총 30만불의 연구비를 지원받게 된다.
HFSP 측은 金 교수가 금번에 제출한 연구제안서의 우수성뿐만 아니라, 美 소크연구소(Salk Institute) 재직시 HFSP 연구펠로우상(Long-term Research Fellowship Award) 수상, 전문학술지인 ‘유전자와 발생(Genes and Development)’誌 두 차례의 표지논문 게재 등의 연구업적을 인정, 金 교수를 수상자로 선정케 됐다고 밝혔다.
‘HFSP경력개발상’은 젊은 과학자들이 대학 교수나 연구기관의 연구책임자로 독립적인 연구를 시작하는 것을 지원키 위해 지난 2002년에 제정됐다. 매년 전 세계 20여명의 신진 과학자들이 수상자로 선정된다.
2007.04.16
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서남표 총장, 美 플라스틱 공학회 "종신 업적상" 수상
- 고분자 가공분야 뛰어난 연구업적 인정, 오는 5월6일 시상식
서남표(徐南杓, 71) 총장이 美 플라스틱공학회(Society of Plastics Engineers)로부터‘종신 업적상(Lifetime Achievement Award)’을 수상케 됐다.
플라스틱공학회는 고분자 관련 연구개발 활성화를 목적으로 활동하는 최대 규모의 전문가 조직이다.
학회측은 徐 총장의 고분자 가공분야에서의 뛰어난 연구업적을 인정, 이 상을 수여하게 됐다고 밝혔다. 徐 총장은 美 MIT 기계공학과 교수로 재직할 당시 산학협력연구 프로그램인 ‘MIT-산업 고분자 가공 프로그램’을 미국 최초로 개설했는데, 미국 국립과학재단(National Science Foundation)은 이것을 모델로 다수의 대학에 유사한 프로그램을 개설하기도 했다. 관련 분야에서 그가 발명한 제품 및 제작기술로는 전 세계에 걸쳐 상업적으로 활용되고 있는 초미세 발포플라스틱(MuCell), 고압 폼 몰딩 기술, 고분자재료를 위한 정전기 전하부식 비파괴검사(NDE, Non-Destructive Examination)기술, 폼/직선 플라스틱 적층공정 등이 있다.
시상은 오는 5월 6일(일) 미국 신시내티에서 개최되는 2007 연례기술회의(ANTEC, Annual Technical Conference of SPE)에서 하게 된다.
2007.04.10
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김종환 교수 필리핀 대통령과 나란히 연설
전자전산학과 김종환(金鐘煥) 교수가 필리핀 마닐라에서 열린 "2007 국제 과학기술 컨퍼런스"(2007 INTERNATIONAL SCIENCE AND TECHNOLOGY CONFERENCE)에서 필리핀 글로리아 아로요 대통령의 기조연설에 이어 "초일류 과학기술 국가가 되기 위한 로드맵 A Roadmap to Becoming a First Class Science & Technology (S&T) Nation" 강연으로 참석자들과 현지 언론의 관심을 끌었다.
올해로 27회째를 맞는 이 학회에서 미국이 아닌 제3국 학자가 기조강연을 한 것은 金 교수가 처음이다. 필리핀-미국 과학기술학술원(PASSE)은 金 교수에게 감사패를 전달했다.
세계로봇축구연맹(FIRA)와 국제로봇올림피아드(IROC) 회장인 金 교수는 엔터테인먼트 로봇, 유비쿼터스로봇, 유전자로봇 등 새로운 로봇 분야를 개척하였다. 金 교수는 미국, 영국, 독일 등 21개국에서 49회의 국제학회 기조강연 및 초청강연과, 60여 회의 국내 초청강연을 해왔다.
2007.03.01
조회수 18845
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김종환 교수 필리핀 대통령과 나란히 연설
전자전산학과 김종환(金鐘煥) 교수가 필리핀 마닐라에서 열린 "2007 국제 과학기술 컨퍼런스"(2007 INTERNATIONAL SCIENCE AND TECHNOLOGY CONFERENCE)에서 필리핀 글로리아 아로요 대통령의 기조연설에 이어 "초일류 과학기술 국가가 되기 위한 로드맵 A Roadmap to Becoming a First Class Science & Technology (S&T) Nation" 강연으로 참석자들과 현지 언론의 관심을 끌었다.
올해로 27회째를 맞는 이 학회에서 미국이 아닌 제3국 학자가 기조강연을 한 것은 金 교수가 처음이다. 필리핀-미국 과학기술학술원(PASSE)은 金 교수에게 감사패를 전달했다.
세계로봇축구연맹(FIRA)와 국제로봇올림피아드(IROC) 회장인 金 교수는 엔터테인먼트 로봇, 유비쿼터스로봇, 유전자로봇 등 새로운 로봇 분야를 개척하였다. 金 교수는 미국, 영국, 독일 등 21개국에서 49회의 국제학회 기조강연 및 초청강연과, 60여 회의 국내 초청강연을 해왔다.
2007.03.01
조회수 19510
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수면부족이 뇌의 기억능력을 심각하게 저하시킨다.
- 유승식(兪勝植) KAIST 바이오시스템학과 겸직교수 겸 하바드의대 교수, MRI를 통한 관련 실험결과 논문이 네이처 뉴로사이언스 온라인판에 게재
- 성장기 아동의 무리한 과외 스케줄에 의한 수면 부족은 생물학적인 학습능력 저하 낳을 수 있어 사람이 잠을 잘 못 자고 나거나, 밤을 샌 다음날에 일어난 일은 왜 잘 기억이 나지 않을까? MRI를 통한 실험결과, 수면부족이 뇌의 기억능력을 심각하게 떨어뜨린다는 내용의 논문이 美 유명잡지에 게재됐다.
KAIST(총장 서남표)는 KAIST 바이오시스템학과 겸직교수이자 美 하바드 의대 교수인 유승식(兪勝植, 37) 교수의 관련 논문이 네이처(Nature) 자매지인 네이처 뉴로사이언스(Neuroscience)의 2월12일자 온라인판에 게재되었다고 밝혔다.
兪 교수는 “수면부족 상태에서의 인간 기억능력 저하(A deficit in the ability to form new human memories without sleep)“라는 제목의 발표논문에서 기능 MRI(fMRI, Functional MRI)를 통한 연구결과,"잠을 잘 못 자고 나거나, 밤을 샌 다음날에 일어난 일은 왜 잘 기억이 나지 않을까?"라는 단순하면서도, 충분히 이해가 갈 만한 현상에 대하여, 부족한 수면은 새로운 기억의 생성/유지에 필요한 뇌의 마(Hippocampus)의 기능을 일시적으로 저하시킨다는 현상을 발견했다. 수면이 기억과 학습에 있어 필요한 기억강화(Consolidation)에 중요한 역할을 한다는 사실은 알려져 있었지만, 지금까지 새로운 정보(일화적 기억: Episodic Memory)를 습득함에 있어서의 수면의 역할에 대한 연구는 없었다.
兪 교수팀은 18세에서 30세사이의 건강한 피험자 28명을 14명씩 2개의 집단으로 나눈 후, 한 집단은 35시간 이상 수면을 취하지 못하게 하고 여러 개의 영상(사진)을 보여주며, 뇌기능을 fMRI를 통하여 관찰했다.
또 다른 대조 집단은 평상시대로 7시간에서 9시간의 충분한 수면을 취하게 한 후, fMRI실험에 참가시켰다. 이틀 후 이들은 다른 사진이 섞인 영상에서 자신이 보았던 사진을 구별할 수 있는 지를 검사했는데, 수면이 부족한 피험자들은 수면부족 상태에서 본 사진을 잘 기억하지 못했다. 정상 수면자에 비해 기억능력이 19%나 떨어지는 것으로 나타났다. 기억 습득 당시에 실시된 fMRI 결과는 수면부족이 해마의 기능을 일시적
으로 저하시킴을 보여줬다. 아울러 뇌의 시상(Thalamus)과 뇌줄기(brain stem, 뇌간)가 저하된 해마의 기능을 보조하는 현상도 목격됐다.
연구결과는 35시간 동안이라는 일시적 수면부족과 기억의 상관관계를 도출했지만, 장기간에 축적된 수면부족도, 인간의 기억(memory),그리고 전반적인 학습 (Learning)에 영향을 줄 수 있다는 가능성을 보여 주고 있다. 인간은 사회적 환경에 의해 수면을 줄일 수 밖에 없는 형편에 처해 있으므로, 연구결과가 내포하고 있는 잠재적 의미는 되새겨 볼만하다. 예로써, 성장기에 있는 아동들의 무리한 과외 스케줄에 의한 수면 부족은 바로 생물학적인 학습능력 저하를 낳을 수 있다는 것이다. 또한, 고령화 사회에서 수면장애에 기인하는 기억능력 감퇴 문제의 해결을 위해서도 수면에 관한 과학적이고 체계적인 연구와 능동적 대책을 필요하게 한다.
兪 교수는 “지난 2003년, KAIST 바이오시스템학과와 KAIST 뇌과학연구 센터의 협력하에 공동실험에 참가한 바 있다“며, ”KAIST가 보유하고 있는 MRI 환경하의 뇌파실험(EEG)가동 기술은 진보된 수면연구에 절대적으로 필요한 기술이다. 국제적 공동연구 환경 조성과 연구기금의 확보가 KAIST의 관련 연구역량을 널리 알릴 수 있는 초석이 될 것이다“라고 밝혔다.
뇌과학분야 연구는 그 중요성에도 불구하고 지금껏 한국에서는 관련 논문을 접하기가 쉽지 않았다. KAIST 겸직교수로 있는 兪 교수의 이번 네이처 자매지 논문발표는 KAIST가 국내 뇌과학 연구분야에서 중요한 역할을 하게 되는 계기가 될 것으로 보인다. 兪 교수는 매년 여름학기에는 KAIST에 머물면서 강의를 하고 있으며, 학생들과 같이 연구업무를 수행하고 있다. 현재 KAIST 바이오시스템학과 박사과정 학생의 지도교수도 맡고 있다.
용어설명
1) 해마 : 뇌의 밑부분에 위치하며, 인간의 기억과 학습에 있어 외부자극을 기억과 관련된 정보로 바꿔주고, 다른 중요한 뇌부분(뇌전엽)에 연결해 주는 중요한 역할을 한다.
2) 일화적 기억(Episodic Memory) : 개인의 경험과 밀착된 기억, 누구를 보았다든지, 무슨 소리를 들었다는 등의 기억. 의미기억(Semantic memory, 대상의 관계나 단어의 의미기억)과는 구별되지만, 해마는 일반적으로 모든 장기적 기억에 관련된다.
3) 시상(THAlamus) : 뇌 회로연결에서의 스위치보드로서, 뇌의 전반적 회로 연결체계를 통제한다.
4) 뇌 줄기(Brain stem): 말그대로 척추와 뇌를 연결하여주며, 소뇌(cerebellum)와 연결되어 인간의 기본적이고 원초적인 기능을 수행하게 도와준다.
2007.03.01
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이달의 과기인상 2월 수상자에 이용희교수
이달의 과학기술자상 2월 수상자, KAIST 물리학과 이용희 교수 선정
= 전류구동 단세포 광결정 레이저 개발 =
과학기술부(부총리 吳明)와 한국과학재단(KOSEF, 이사장 權五甲)은 최첨단 극미세 반도체 레이저 분야에서 ‘광결정 단세포 레이저 공진기’의 세계적 권위자로 인정받고 있는 KAIST 자연과학부 물리학과의 이용희 교수를 ‘이달의 과학기술자상’ 2005년 2월 수상자로 선정했다.
KAIST 물리학과 이용희 교수가 이끄는 과기부지원 나노레이저 국가지정연구실은 세상에서 가장 작은 100만분의 1m 크기의 광결정 레이저를 개발하였다. 이 레이저는 특수한 구조로 된 반도체 기판에 아주 작은 양의 전류를 흘려주면 빛이 증폭돼 발생하는 것으로, ‘전기만 연결하면’ 레이저를 구동할 수 있게 돼 관련 학계로부터 ‘실용화의 첫걸음’이라는 평가를 받고 있다.
‘자연의 기발한 발명품"으로만 여겨졌던 광구조, 특히 광결정은 통제하기 어려운 빛을 길들이는 데 적격이어서 최근 과학자들의 주목을 받아 왔다. 광결정은 두 가지 물질이 주기적으로 배열돼 특정 파장의 빛을 100% 반사되게 할 수 있는 특이한 성질을 가지고 있다. 이런 특성을 잘 이용하면 작은 공간에 빛을 교묘하게 구속시켜서 신개념의 레이저를 만들 수 있다.
이런 아이디어를 갖고 2004년 9월, KAIST 물리학과 이용희 교수와 박홍규 박사팀은 광결정을 기반으로 하는 물리적으로 구현 가능한 가장 작은 레이저인 극미세 단세포 레이저를 세계최초로 구현시켰으며 미국 과학저널지인 사이언스(SCIENCE)에 "전기로 구동되는 단세포 광결정 레이저의 실험적 구현" 이란 제목의 논문을 발표하였다. 광결정 레이저는 빛이 생성되는 공간을 매우 작게 만들 수 있기 때문에 매우 적은 에너지만으로도 작동할 수 있는 장점이 있다. 광결정 레이저는 크기가 대략 100만분의 1m (머리카락 굵기의 1/100 정도)에 지나지 않아서 빛의 파장보다도 작을 뿐 아니라, 전기로 직접 구동되기 때문에 그 동안 적용이 어려웠던 초고속, 고효율의 광통신과 광컴퓨터 등 광전자 기반 기술에 활용이 가능한 차세대 레이저로 각광 받고 있다.
현재까지 알려진 바로는 광결정 안에 있는 발광물질이 빛을 내도록 하기 위해서는 다른 레이저로 발광물질에 빛을 쏘는 광펌핑 과정이 필요했다. 그러나 광펌핑 과정을 거치게 되면 복잡한 이중 장치가 들어가게 되어서 실제적으로 상업적 응용이 불가능하다. 전기로 구동되는 광결정 레이저 구현의 핵심기술은 작은 전류가 통하는 길이다. 이 길은 광결정의 특징을 훼손시키지 않고 단지 전류만 흐를 수 있도록 구조의 대칭점에 매우 작게 제작돼 있다. 전기로 구동되는 광결정 레이저는 하나의 광자만을 만들 수 있는 ‘단일 광자원’의 가능성을 열어주고 있다. 단일 광자원은 빛 입자, 즉 빛 알갱이를 하나씩 만들어 통신에 활용할 경우 절대 도청이 불가능하다.
이용희 교수는 “이 극미세 레이저를 바탕으로 전류를 아주 약하게 흘려 빛 알갱이인 광자가 하나씩 나오는 레이저 총이 등장하면 비밀 광통신이 가능해질 것”이라며 “광자를 하나씩 보내면 도청을 시도할 때 광자의 상태가 바뀌기 때문에 도청이 불가능하다”고 말한다. 비유적으로 설명하면 처음에 구슬 상태의 광자를 하나씩 보냈을 때 누군가가 도청을 시도하면 구슬 상태가 깨지면서 전혀 다르게 바뀐다. 도청하는 사람은 잘못된 정보를 얻을 뿐 아니라 도청 여부도 금방 들통이 난다. 현재의 통신은 전파든 빛이든 다발 형태로 신호가 전달된다. 예를 들어 신호의 크기로 정보를 보낸다고 할 때 신호의 일부만 빼내면 도청이 가능하다. 또 도청된 신호는 진폭이 다소 줄어들지만 도청 여부를 판단하기가 쉽지 않다. 따라서 광결정 레이저는 앞으로 도청이 불가능한 초고속 광통신 구현에 핵심 소자로 대두될 것으로 예상된다.
2005.02.07
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