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생명화학공학과 대학원생들, 시스템 대사공학 전략 발표
〈 양동수 박사과정, 박다현 석사과정, 최경록 박사과정, 조재성 박사과정, 장우대 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 대학원생 다섯 명이 대사공학과 시스템 생물학, 합성 생물학의 결합 시스템 등 대사공학 전반의 전략에 대한 논문을 발표했다.
생명화학공학과는 최근 박사학위를 마친 최경록 연구원과 장우대, 양동수, 조재성 박사과정, 박다현 석사과정이 친환경 화학물질 생산을 위해 필수적인 미생물 공장을 개발하는 전략을 총정리했다.
이 연구의 결과는 셀(Cell)지가 발행하는 생명공학 분야 권위 리뷰 저널인 ‘생명공학의 동향(Trends in Biotechnology)’ 8월호 표지논문 및 주 논문 (Feature review)에 게재됐다. (논문명 : Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering)
시스템 대사공학은 기존의 석유화학산업을 대체할 바이오산업의 핵심이 되는 미생물 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 KAIST 생명화학공학과의 이상엽 특훈교수가 창시한 연구 분야다.
전통적 대사공학에 시스템 생물학, 합성 생물학 및 진화 공학 기법을 접목한 시스템 대사공학은 직관적 전략이나 무작위 돌연변이 유발에 의존하는 기존의 대사공학과 비교해 적은 비용과 인력, 짧은 시간 내에 산업에서 이용 가능한 고성능 균주 개발을 가능하게 만든다.
연구 기획 단계에서부터 실제 공장에서 균주의 발효 공정 및 발효를 통해 생산된 물질의 분리/정제 공정까지 고려함으로써 산업 균주 개발 도중 불필요한 시행착오를 최소화할 수 있다.
본 논문에서는 시스템 대사공학 전략을 연구의 흐름에 따라 ▲프로젝트 디자인 ▲균주 선정 ▲대사회로 재구성 ▲표적 화합물에 대한 내성 향상 ▲대사 흐름 최적화 ▲산업 수준으로의 생산 규모 확대 등 일곱 단계로 나누고, 각 단계에서 활용할 수 있는 최신 도구 및 전략들을 총망라했다.
더불어 바이오 기반 화합물 생산의 최신 동향과 함께 고성능 생산 균주를 보다 효과적으로 개발하기 위해 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향도 함께 제시했다.
주저자인 최경록 연구원은 “기후 변화가 커지며 기존의 석유화학 산업을 친환경 바이오산업으로 대체하는 것이 불가피하다”라며 “시스템 대사공학은 산업에서 활용 가능한 고성능 생산 균주의 개발을 촉진해 바이오산업 시대의 도래를 앞당길 것이다”라고 말했다.
지도교수인 이상엽 특훈교수는 “그간 우리 연구실과 전 세계에서 수행한 수많은 대사공학연구를 우리가 제시한 시스템 대사공학 전략으로 통합해 체계적으로 분석 및 정리하고 앞으로의 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라며 “권위 있는 학술지에 주 논문이자 표지논문으로 게재된 훌륭한 연구를 수행한 학생들이 자랑스럽다”라고 말했다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 실제로 시스템 대사공학 전략을 이용해 천연물, 아미노산, 생분해성 플라스틱, 환경친화적 플라스틱 원료, 바이오 연료 등을 생산하는 고성능 균주들을 다수 개발한 바 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’ 및 한화케미칼이 지원하는 KAIST-한화 미래 기술 연구소의 지원을 받아 수행됐다.
2019.07.24
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심현철 교수 연구팀, AI 그랜드 챌린지 1위
우리 대학 전기및전자공학부 심현철 교수 연구팀이 지난 7월 12일(금) 과학기술정보통신부가 주최하고 정보통신기술평가원이 주관한 `2019 인공지능 연구개발 그랜드챌린지' 대회의 제어지능 분야에 출전해 1위를 차지했다.
지난 2017년 처음 개최된 `인공지능 연구개발 그랜드챌린지'는 높은 경제‧사회적 파급 효과가 기대되지만, 기술 난이도가 높아 해결되지 않은 문제를 발굴하고 인공지능 기술을 활용해 이를 해결하기 위한 대회다.
올해 열린 3회 대회는 드론을 활용하여 다양한 복합재난에 대응할 수 있는 기본 인지지능 소프트웨어 기술 개발이 도전 과제로 제시되었으며 오는 2022년까지 4년에 걸쳐 소프트웨어와 하드웨어를 융합해 문제를 해결하고 최종 목표를 달성하는 `그랜드 챌린지' 형태로 확대되었다.
△시각지능(상황인지), △시각지능(문자인지), △청각지능(음향인지), △제어지능(로보틱스 제어) 등 총 4개 트랙으로 구성되어 각 분야별로 상위 3개 팀이 내년에 열리는 2단계 대회 출전권을 얻게 된다.
심 교수 연구팀이 출전한 제어지능 분야는 제시된 사양으로 제작된 드론을 활용해 미로·창문·나무·기둥·테니스 네트·강풍 등의 조합으로 구성된 장애물 세트를 완전 자율비행으로 통과하는 종목이다.
인터넷 연결 없이 드론에 탑재된 인공지능만으로 미션을 수행해야 하는 고난이도 과제로 8개의 출전팀 중 대부분의 팀이 3구간을 통과하지 못해 탈락했다. 심 교수팀은 유일하게 4구간인 파이프 통과 미션을 성공하는 드론 제어 기술을 선보여 1위를 차지했다.
우승을 차지한 심현철 교수 연구팀은 과학기술부 장관상을 수상할 예정이며 상금 3백만 원과 향후 연구비로 총 6억 원을 지원받게 된다. 트랙별로 입상한 상위 3개 팀은 대회 종료 후 후속 연구를 지속해 2020년 12월에 예정된 2단계 대회에서 연구 성과를 평가받게 된다.
한편, 이번 열린 1단계 대회에는 고등학생부터 대학생·기업·연구소 등의 다양한 배경의 참가자들이 출전했으며 18세 최연소 학생부터 최고령 68세 참가자까지 총 121개 팀 617명이 경쟁을 펼쳤다.
※ 관련 영상 보러가기 => https://www.youtube.com/watch?v=jbEjqu_WDAU&t=245s
2019.07.19
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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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이상엽 교수, 지방산∙바이오디젤 생산 가능한 미생물 개발
〈 이상엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 비식용 바이오매스 기반의 최고성능을 갖는 지방산과 지방산 유도체로 전환하는 미생물 균주 및 발효 공정을 개발했다.
김혜미, 채동언 연구원 등이 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)」 6월 17일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Engineering of an oleaginous bacterium for the production of fatty acids and fuels)
화석원료는 현대 산업의 기초 물질이자 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 원료 및 에너지원으로 필수적인 물질이다. 그러나 원유 매장량 고갈에 대한 우려와 원유 산업으로 인한 온난화 등의 환경문제가 세계적으로 매우 심각한 상황이다.
특히 우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에 국제 유가 변동에 매우 취약해 환경문제를 해결과 원유를 대체할 수 있는 지속 가능한 바이오 기반 재생에너지의 생산이 필수다.
따라서 재생 가능한 자원 기반의 바이오 연료 개발이 활발히 이뤄지고 있는데, 그중 경유를 대체할 수 있는 환경친화적 연료인 바이오 디젤이 있다. 바이오 디젤은 주로 식물성 기름이나 동물성 지방의 에스터교환(transesterification) 반응을 통해 만들어지고 있다.
이 특훈교수 연구팀은 바이오 디젤 생산을 위해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스 주성분인 포도당으로부터 지방산 및 바이오 디젤로 이용할 수 있는 지방산 유도체를 생산하는 균주를 개발했다.
연구팀은 자연적으로 세포 내 기름을 축적하는 것으로 알려진 미생물인 로도코커스(Rhodococcus)를 시스템 대사공학을 통해 대사 회로를 체계적으로 조작해 최고성능으로 지방산 및 바이오 디젤을 생산하는 균주를 개발했다.
먼저 로도코커스의 배양 조건을 최적화한 뒤 포도당을 섭취해 세포 내 과량의 기름(트리아실글리세롤, triacylglycerol)을 축적하게 했다. 이후 선별한 외부 효소를 도입해 효과적으로 기름을 지방산으로 전환해 최고 농도의 지방산 생산 균주를 개발했다. 또한, 지방산을 두 가지 형태의 바이오 디젤 연료 물질로 효율적으로 전환하는 추가적인 유전자 조작을 통해 바이오 디젤을 최고성능으로 생산하는 데 성공했다.
연구팀은 이전에 대장균을 이용해 바이오 연료인 휘발유를 생산하는 미생물 세계 최초로 개발한 바 있다. (Nature 표지논문 게재) 그러나 해당 기술은 생산성이 리터당 약 0.58g 정도로 매우 낮다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 로도코커스 균주를 이용해 포도당으로부터 리터당 50.2 g의 지방산 및 리터당 21.3 g의 바이오 디젤 생산에 성공했다.
이러한 성과를 통해 향후 식물성이나 동물성 기름에 의존하지 않고 비식용 바이오매스로부터 미생물 기반 바이오 연료의 대량 생산까지 가능하게 할 것으로 기대된다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 고효율 미생물 기반 지방산과 바이오 디젤 생산 연구는 앞으로 환경문제 해결과 더불어 원유, 가스 등 화석연료에 의존해온 기존 석유 화학 산업에서 지속할 수 있고 환경친화적인 바이오 기반산업으로의 재편에 큰 역할을 할 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 미생물 내에 축적된 오일과 이를 기반으로 생산되는 지방산 및 바이오 디젤
2019.06.20
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KAIST-DTU 차세대 P4G 경연대회 개최
‘도료 기업이 가치사슬 전반에 적용할 수 있는 순환 경제적 신사업 모델을 제시하라’
‘에너지 서비스 기업이 청정에너지 솔루션 기업으로 도약할 수 있는 혁신적 비즈니스 모델을 제시하라’
‘창호 설비 기업이 환기 및 공기 정화 등의 순환적 기능을 추가한 미래형 유리 창호 시스템을 서비스할 수 있는 방법을 제시하라’
인류의 보편적 가치인 ‘지속 가능 개발 목표’에 대한 기업들의 고민을 대학생들의 혁신적 아이디어를 통해 풀어가는 경연 대회가 지난 5월 20일부터 22일까지 KAIST 서울 경영대 캠퍼스에서 열렸다.
‘KAIST-덴마크공대(이하, DTU) 차세대 P4G* 경연 대회’는 한국-덴마크 수교 60주년과 녹색성장 동맹 체결 8주년을 기념하는 행사의 일환으로 개최됐으며, 양국 젊은 학자들의 학술 교류와 학생들의 지속적인 협력을 위해 마련됐다. * P4G: Partnership for Green Growth and Global Goals, 녹색성장과 지속발전 파트너십)
이번 대회는 팀을 이룬 참가자들이 대회 기간 내내 숙식을 함께하며 문제를 해결하는 이노베이션 스프린트로 진행됐다. 대회 1일 차에 도전 과제를 풀어나갈 아이디어를 구상하고 2일 차에 확정한 아이디어를 발전시켜 대회 마지막 날 완성된 프레젠테이션으로 발표하는 방식이다.
우리 대학 학생 29명과 DTU 학생 5명을 포함한 10명의 덴마크 학생 등 총 39명이 6개의 팀에 고루 섞여 배치되었으며, 이들 6개 팀은 덴마크의 창호 설비 기업 벨룩스(VELUX)와 도료 기업 헴펠(HEMPEL), 한국의 SK그룹이 각각 출제한 기업 혁신에 관한 도전 과제를 한 가지씩 배분받아 2박 3일간 해법을 찾아 나섰다.
참가자들은 팀 구성원의 전공 분야 지식과 연구 경험을 토대로 다양한 관점의 전략을 구상하고 이와 더불어 새로운 기술적·재정적·조직적·사회적 기회들을 ‘지속 가능한 개발 목표’와 연계한 개념으로 정립해 구체적 방안을 제시하는 것에 주안점을 뒀다.
대회 마지막 날인 22일 오전에 치러진 1차 발표 평가를 통해 결승에 진출한 총 3개 팀은 이날 오후 심사위원과 평가 패널, 신성철 총장과 프레데릭 크리스티안 덴마크 왕세자가 참석한 가운데 최종 경연을 진행했다.
벨룩스가 제시한 ‘미래형 유리 창호 시스템’에 관한 과제를 수행한 팀은 태양의 전자기파가 미세먼지 입자를 밀어내는 원리를 이용한 미세먼지 차단 창호 아이디어를 제안해 패널들로부터 복잡한 문제를 간결하게 풀어냈다는 점을 높게 평가받았다.
헴펠의 ‘도료 기업의 순환 경제적 신사업 모델 제시’를 연구한 팀은 ‘박스형 와인’에서 영감을 얻은 알루미늄 소재의 용기 개발을 제안했다. 포장재 및 도료 폐기물로 인한 환경적·경제적 손실을 최소화하는 방식으로 패널들로부터 당장 상업화가 가능할 정도로 최적화된 아이디어라는 평가를 받았다.
마지막으로 SK 그룹의 ‘글로벌 청정에너지 솔루션 기업으로의 도약’에 관한 해법을 제시한 팀은 블록체인, AI 등 SK 그룹의 ICT 전문성과 인도네시아 소외 지역 내 주민 참여를 융합한 마이크로그리드 모델을 구상해, 지역 순환 경제에 알맞은 완성도 높은 사업 모델을 제시했다는 측면에서 패널들의 호응을 끌어냈다.
마리안느 톨레센(Marianne Thellersen) DTU 부총장, 김상협 KAIST 녹색성장 대학원 교수, 에스케 보 로젠버그(Eske Bo Rosenberg) 주한 덴마크 이노베이션 센터 참사관 등 3인의 심사위원은 각 팀이 제시한 솔루션의 현실성과 완결성, 발표 기술 등의 심사 기준을 반영해 헴펠의 신사업 모델을 제시한 참가팀을 최종 우승으로 선정했다.
우승을 차지한 CIRCOS팀은 니콜라이 토르발(Nicolai Thorball) DTU 학생을 포함한 덴마크 학생 2명과 이동은 학생을 포함한 4명의 우리 대학 학생으로 구성되어 있다.
CIRCOS팀의 이동은 학생(생명과학과 학사과정)은 “다양한 전공을 가진 학생들이 제시한 많은 아이디어를 하나로 모으는 과정이 흥미롭고도 어려웠다”며, “이번 경연을 통해 녹색성장과 관련된 새로운 분야를 접하게 된 점에 큰 보람을 느낀다”고 우승 소감을 밝혔다.
주한덴마크대사관 이노베이션센터 서울에서 공동 주최한 이번 행사에는 지난 20일부터 방한 중인 프레데릭 덴마크 왕세자가 입상 팀을 직접 시상했으며, 우승팀에게는 100만 원의 상금과 덴마크 현지 기업 탐방 등의 특전이 주어졌다. 공동 2위를 차지한 팀에겐 각각 50만 원의 상금이 수여됐다.
신성철 총장은 환영사를 통해 “기후 변화와 지속 가능성 발전에 관한 이슈에 대응하기 위해서는 각 전문 분야의 경계를 넘어서는 협력이 가장 중요하다”고 강조했다. 이어 신 총장은“ 이번 경연 대회는 다양한 전공을 가진 팀원이 함께 문제를 해결해 나가는 모범적인 사례로 공동의 노력으로 융합된 아이디어를 개발할 때, 우리는 더욱 혁신적인 길로 나아갈 수 있을 것”이라고 강조했다.
2019.05.22
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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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조광현 교수, 대장암 항암제 내성 극복할 병용 치료타겟 발굴
〈 조광현 교수 연구팀 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 대장암의 항암제 내성을 극복할 수 있는 새로운 병용치료 타겟을 발굴하는 데 성공했다.
연구팀은 암세포의 복잡한 생체데이터를 분자 네트워크 관점에서 분석하는 시스템생물학 접근법의 중요성을 제시했다. 이 방법을 통해 암세포가 가지는 약제 내성의 원리를 시스템 차원에서 파악하고, 새로운 약물 타겟을 체계적으로 발굴할 수 있을 것으로 기대된다.
박상민 박사과정, 황채영 박사 등이 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘유럽생화학회저널(FEBS Journal)’의 4월호 표지논문으로 게재됐다. (논문명 : Systems analysis identifies potential target genes to overcome cetuximab resistance in colorectal cancer cells)
암은 흔하게 발생하는 대표적인 난치병으로 특히 대장암은 전 세계적으로 환자 수가 100만 명을 넘어섰고, 국내의 경우 서구화된 식습관과 비만 등으로 인해 발병률 증가 속도가 10년간 가장 높게 나타났다. 최근 급격한 고령화에 따라 대장암 환자의 발생률 및 사망률이 가파르게 증가할 것으로 예상되고 있다.
최근 암세포의 특정 분자만을 표적으로 하는 표적항암제가 개발돼 부작용을 크게 줄이고 효과를 높일 수 있지만, 여전히 약물에 반응하는 환자가 매우 제한적이며 그나마 반응을 보이더라도 표적 항암치료 후 약물에 대한 내성이 생겨 암이 재발하는 문제를 안고 있다.
또한, 환자별로 항암제에 대한 반응이 매우 달라 환자의 암 조직 내 유전자 변이의 특징에 따라 적합한 치료를 선택하는 정밀의학의 필요성이 커지고 있다. 대장암 역시 약물의 효과를 예측할 수 있는 유전자 바이오마커의 여부에 따라 적합한 표적항암제를 처방하는 시도가 이뤄지고 있다.
FDA 승인을 받은 대표적인 대장암 치료제인 세툭시맙(cetuximab)의 경우 약물 반응성을 예측하는 바이오마커로 KRAS 유전자 돌연변이의 유무가 활용되고 있는데 이 유전자 돌연변이가 없는 환자에게 처방을 권고하고 있다.
그러나 KRAS 돌연변이가 없는 환자도 세툭시맙 반응률은 절반 정도에 불과하고 기존 항암 화학요법 단독시행과 비교해도 평균 5개월의 수명을 연장하는 데 그치고 있다. 오히려 KRAS 돌연변이가 있는 환자에게서 반응성이 있는 경우가 보고되고 있다.
따라서 KRAS 돌연변이 유무 이외의 새 바이오마커가 요구되고 있으며 KRAS 돌연변이가 존재해도 내성을 극복할 수 있는 병용치료 타겟의 발굴이 필요하다.
조 교수 연구팀은 유전체 데이터 분석, 수학 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 분석과 암 세포주 실험을 융합한 시스템생물학 연구를 통해 세툭시맙 반응성에 대한 바이오마커로 다섯 개의 새로운 유전자(DUSP4, ETV5, GNB5, NT5E, PHLDA1)를 찾아냈다.
그리고 대장암세포에서 각 유전자를 실험적으로 억제한 결과 KRAS 정상 세포에서 발생하는 세툭시맙 내성을 모두 극복할 수 있었다.
특히 GNB5를 억제하면 KRAS 돌연변이가 있는 세포주에서도 세툭시맙 처리에 따른 약물내성을 극복할 수 있음을 밝혔다. 따라서 GNB5의 억제를 통해 대장암 환자의 KRAS 돌연변이 유무와 관계없이 세툭시맙에 대한 내성을 극복할 수 있어 GNB5가 효과적인 병용치료 분자 타겟이 될 수 있음을 증명했다.
연구팀이 제시한 유전자를 바이오마커로 활용하면 세툭시맙에 잘 반응할 수 있는 민감 환자군을 미리 선별해 치료할 수 있는 정밀의학의 실현을 앞당길 수 있다.
또한, 발굴된 유전자들을 표적화하는 신약개발을 통해 내성을 가지는 환자군에 대해서도 새로운 치료전략을 제시할 수 있다. 특히 세툭시맙 치료 대상에서 제외됐던 KRAS 돌연변이가 있는 환자군에 대해서도 GNB5의 억제를 통해 치료 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
조 교수는 “지금껏 GNB5 유전자 조절을 대장암의 조합치료에 활용한 예는 없었다”라며 “시스템생물학으로 암세포가 가지는 약제 내성의 원리를 밝히고, 내성 환자군에 대한 바이오마커 동정 및 내성 극복을 위한 병행치료 타겟 발굴을 통해 정밀의학을 실현할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 유럽생화학회저널 4월 표지
2019.05.07
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연구실 23년의 노하우로 제자와 공동 창업
〈기계공학과 권동수 교수와 8명의 공동 창업자를 포함한 이지엔도서지컬 기술개발팀(왼쪽부터 임창언, 김동규, 공덕유, 이동호, 김덕상, 양운제 연구원, 권동수 교수, 천병식, 김창균, 정덕균, 서현세 연구원)〉
지난 17일 대전 KAIST 문지캠퍼스 진리관에서는 의료 로봇 전문업체인 ‘이지엔도서지컬’의 창업식이 열렸다. 기계공학과 권동수 교수가 8명의 제자와 함께 창업한 이 회사는 KAIST의 66번째 교원 창업기업인데 권 교수가 연구실에서 쌓은 23년간의 노하우를 바탕으로 설립한 회사다.
회사가 실제로 문을 연 것은 2018년 2월이지만, 권 교수는 1년이 훨씬 지난 시점에서야 늦은 창업식을 개최했다. 설립 이후 수술 로봇 전문기업이라는 정체성 증명을 위해 우선 3개의 상용화 모델을 제작하는데 매진하는 등 가시적인 R&D 성과를 완성하고 나서야 사업 파트너와 투자자 등에게 확실한 사업 비전을 제시한 것이다.
식약처가 작년 발간한 보고서에 따르면 전 세계 수술 로봇시장은 매년 13.2%의 성장세를 보여 2021년에는 약 9조6천4백억 원 규모에 이를 것으로 예상된다. 그러나 이런 성장세와는 달리 국내 수술 로봇업계는 원천기술을 자력으로 연구해 확보하거나 상용화한 경험이 부족한 실정이다.
KAIST에서 시작한 글로벌 의료 로봇 기업으로의 성장을 비전으로 삼은 ‘이지엔도서지컬’은 순수 국내 연구진의 노하우로 세계적인 기술을 개발하고 체계적인 인·허가 시스템 정립과 상용화 등을 통해 로봇 수술 시장에서 국내 기술의 영향력을 확장해 가는 것을 목표로 삼고 있다.
신성철 총장은 이날 창업식 축사를 통해 “19세기 대학의 사명은 교육이었고, 20세기엔 지식 창출로 기관으로서 역할을 해왔다. 그러나 21세기에는 R&D를 비즈니스와 연결하는 R&BD를 통해 인류에 기여하는 방향으로 발전해야 한다”고 강조했다.
대학의 연구개발 성과를 경제적 가치로 창출하는 ‘기술사업화 혁신’은 신 총장이 취임 전부터 강조해온 가치인데, KAIST는 지난해 3월 발표한 ‘비전 2031’을 통해 구체적 혁신전략을 수립해 이를 추진 중이다.
우리 대학은 1971년 개교 이후 현재까지 대한민국 창업 산실로서 중추적인 역할을 담당해왔다. 지난‘80년대에는 메디슨·큐닉스·퓨처시스템 등 1세대 벤처를 탄생시키며 기틀을 닦았고, 네이버·넥슨·네오위즈 등‘90년대 IT 창업을 이끈 핵심 인재를 배출했다.
2000년대 들어서는 첨단소재·바이오·나노·IoT 등의 혁신 기술을 바탕으로 하는 기술 집약적인 창업을 선도하고 있다.
특히 과학기술에 바탕을 둔 기업가 정신을 캠퍼스 문화를 조성하고 체계적인 창업 지원 시스템 마련을 위해 2014년에 ‘KAIST 창업원’을 설치, 운영 중인데 창업원 출범 이후 약 4년간 30건의 교원 창업과 82건의 학생 창업기업을 각각 탄생시켰다.
1945년 하버드대에 창업 과정을 개설하며 대학의 R&BD를 일찍부터 강조해온 미국은 실리콘밸리를 통해 창업의 성공 신화를 구축했다. 미국은 여기에 만족하지 않고 오바마 정부 당시 성장 가능성이 높은 기업을 발굴해 경제 성장과 일자리 창출을 동시에 노리는‘스타트업 아메리카(Startup America)’정책을 추진한 데 이어 기존 기업을 성장시켜 경제 효과를 얻는‘스케일업 아메리카(ScaleUp America)’정책을 연이어 내놨다. 그 결과 미국은 2010년 이후 1천 550여만 개의 일자리가 창출된 것으로 발표했다.
이처럼 혁신 기술을 바탕으로 한 창업은 기존에 없던 고부가가치 시장을 새롭게 개척하고 경제적 가치를 창출해내는 대표적인 국가 성장의 원동력으로 자리를 잡아가고 있다.
우리대학이 주력하는 신기술 기반의 창업은 일반적인 아이디어 창업에 반해 고용 창출효과가 크고 기업 생존율이 우수하다는 특징이 있다. ‘이지엔도서지컬’도 학교로부터 26건의 특허를 이전받아 교수와 학생이 공동 창업한 케이스다.
수술 로봇은 인간의 한계를 넘어서는 고정밀도·고난이도의 기술이 요구되는 분야로 만성질환 발병 증가, 인구 고령화, 수술 절차의 복잡성 등에 따라 자동화에 대한 필요성이 증가하고 있다.
‘이지엔도서지컬’은 유연 수술 도구 제작과 제어 핵심 기술을 기반으로 안전하고 효과적이며 정확한 유연 내시경 수술로봇 개발에 집중할 계획이다.
권 교수는 “신생 벤처 기업 중 기업가치가 10억 달러 이상인‘유니콘(unicorn) 기업’이 전 세계에 311개가 있는데 그 중 우버·에어비앤비·샤오미 등의 기업은 100억 달러 이상의 가치를 ‘데카콘(decacorn) 기업’ 반열에 올라섰다”면서“대학이 연구실 창업을 적극적으로 지원, 이를 활성화할 경우 짧은 사업 기간 안에 높은 부가가치를 생산해 낼 수 있는 국내 유니콘 기업 수도 대폭 늘어날 것”이라고 강조했다.
2019.04.25
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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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KAIST-UAE 칼리파대학, 4차 산업혁명 공동연구센터 개소
한국과 아랍에미리트(이하 UAE)가 4차 산업혁명 분야에서 협력을 대폭 강화한다.
우리 대학이 UAE 칼리파대학(KU)과 4차 산업혁명 관련 공동연구를 목적으로 KAIST-KU 공동연구센터(KAIST-KU Joint Research Center)를 지난 8일 UAE 현지에 개소했다.
칼리파대학(KU)은 UAE 국왕이 미래 국가 발전을 이끌어 갈 고급 연구개발 인력 양성을 위해 2007년 UAE 아부다비에 설립한 국립대학이다. 지난 2017년 칼리파대학 등 3개 이공계 대학·대학원이 통합해 교명을 KU(Khalifa University of Science and Technology)로 개칭했으며 올 4월 기준으로 학부생 3,500여 명과 대학원생 900여 명, 교원 500여 명 규모로 자리 잡은 연구중심대학이다.
2009년 12월 UAE 원전 수주 시 맺은 한-UAE 양국정부의 협약으로 KAIST가 칼리파대학에 원자력공학과 개설과 교과과정 개발 등의 지원을 통해 시작된 양 대학 간 국제공동연구 협력은 2011년 이후 지금까지 원자력·ICT·전기·기계·재료·바이오·에너지 등 다양한 분야에 걸쳐 200여 과제에 달하고 있다.
특히 지난 2월 방한한 모하메드 빈 자이드 알 나흐얀 UAE 아부다비 왕세제(General H.H. Sheikh Mohammed bin Zayed Al Nahyan)는 KAIST로부터 2010년 5월 명예 과학기술학 박사학위를 받을 정도로 KAIST와는 인연이 깊다.
KAIST-KU 공동연구센터 개소식은 8일 오전 11시(현지 시간) UAE 아부다비 칼리파대학에서 진행됐다.
이에 앞서 신성철 총장은 작년 2월 스위스 다보스에서 열린 WEF 연차총회(다보스 포럼)에서 사라 알 아미리(Sarah Al Amiri) UAE 첨단과학기술부 장관과 만나 양국 간 4차 산업혁명 관련 협력 확대를 원하는 UAE 정부의 의지를 확인하고 같은 해 3월 양 대학 간에 양해각서(MOU)를 체결한 바 있다.
양교는 이날 공동연구센터 개소를 계기로 올해부터 스마트 헬스케어와 스마트 교통플랫폼 등 미래 먹거리 창출을 위한 4차 산업혁명 관련 공동연구와 교육협력을 적극적으로 수행할 방침이다.
임만성 KUSTAR-KAIST 교육연구원장은 “원자력 및 에너지 분야 등 기존 교육·연구 분야에서의 협력을 더욱 공고히 할 방침”이라며 “미래 먹거리 창출을 위한 4차 산업혁명 분야에서도 협력을 대폭 강화해서 한-UAE 양국이 지속 가능한 발전을 이뤄 가는데 가교역할을 충실히 해나갈 것”이라고 밝혔다.
임 원장은 또 “이번 KAIST-KU 공동연구센터 개소식에 관해 현지 언론들의 취재 열기 또한 뜨거워 짧은 방문 기간 중임에도 에미레이츠 뉴스 에이전시(Emirates News Agency)를 비롯해 알 이티하드 신문(Al-Ittihad Newspaper), 알 칼리지 신문(AL Khaleej Newspaper), 바이얀 신문(Bayan Newspaper) 등 주요 매체들의 취재와 함께 신성철 총장에 대한 인터뷰가 이어지기도 했다”고 UAE 방문 일화를 소개했다.
이날 개소식에는 KAIST 신성철 총장과 임만성 KUSTAR-KAIST 교육연구원장, KUSTAR-KAIST 교육연구원 김종현 원자력협력센터장 등이 참석했다. UAE 측에서는 칼리파대학(KU) 아리프 술탄 알 하마디(Arif Al Hammadi) 총장대행을 비롯해 스티브 그리피스(Steve Griffiths) 연구부총장, 아흐메드 알 쇼아비(Ahmed Al Shoaibi) 교학부총장과 KU 한국인 교수 등 학교 관계자와 학생 등 30여 명이 자리를 함께해 축하했다.
이날 행사는 양교 총장의 축사에 이어 KAIST-KU 공동연구센터 소개, 현판식 등의 순서로 진행됐다.
신성철 총장은 “KAIST-KU 공동연구센터 개소는 지난 10년간 KAIST와 칼리파대학이 지속해온 교육·연구 협력의 큰 결실이며 한-UAE 협력의 새로운 이정표”라고 말했다.
신 총장은 이어 “공동연구센터 설립을 바탕으로 혁신적인 연구를 수행해 4차 산업혁명 시대에 양국을 이끌어갈 기술을 개발하고 인재발굴을 위해 최선을 다할 것”이라고 강조했다.
2019.04.09
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이흥규 교수, 수지상세포 자식작용의 역할 규명
〈 이흥규 교수 〉
세포 항상성을 유지해주는 ‘자식작용’의 또 다른 기능이 보고됐다. 우리 대학 의과학대학원 이흥규 교수 연구팀이 T세포의 항암 활성이 유도되는 과정에서 수지상세포 자식작용이 기여함을 규명했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘오토파지(Autophagy)’ 3월 22일 자에 게재됐다.
자식작용은 세포 내 노폐물 및 손상된 세포 소기관을 제거해 세포의 항상성을 유지하는 과정이다.
수지상세포는 병원균이나 암 항원을 인지해 T세포의 면역반응을 유도하는 세포이다. 방사선이나 항암제에 의해 암세포가 사멸하면 수지상세포가 이를 흡수‧제거하고, 자신의 표면에 항원을 제시해 T세포에 전달해주는 기능을 한다.
연구팀은 수지상세포의 자식작용이 T세포 활성화에서 핵심 역할을 한다는 것을 밝히고 항암 효과를 높일 수 있는 원리를 제시했다.
실험결과 자식작용을 일으키는 Atg5 유전자가 결손될 때 수지상세포의 T세포 활성화 기능이 떨어지고 항암 면역반응이 감소했다.
Atg5가 결손되면 수지상세포 표면의 CD36 수용체가 월등히 증가하는데, 이로 인해 식세포작용(암 항원의 흡수)만 과활성되고 항원 제시를 통한 T세포 활성화가 정상적으로 이뤄지지 않는다.
이때 항체를 도입해 CD36 수용체를 다시 억제하면 T세포 면역반응이 많이 증가하고 암의 성장이 억제됐다.
이흥규 교수는 “이번 연구를 통해 자식작용이 T세포의 항암 면역반응에 관여하는 기능을 새롭게 규명했다”라 “향후 CD36 수용체를 활용한 표적 항암치료제 개발의 단초가 되길 기대한다”라고 밝혔다.
이 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 수지상세포 자식작용의 기전
그림2. 항원제시에서 수지상세포 자식작용의 기능
2019.04.02
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