연구
< 이효철 교수 (왼쪽), 김종구 박사 (오른쪽) >
우리 대학 화학과 이효철 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장) 연구팀은 원자가 결합하여 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했고 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 6월 25일 0시(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.
연구진은 펨토 초(1/1,000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스*)를 이용하여 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는데 성공했다.
* 펄스는 짧은 시간동안 만 빛이 방출되는 형태로, 펨토 초 엑스선 펄스는 X선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토 초 정도일 때를 말함
물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준만 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어려웠다.
연구진은 이전에 분자결합이 끊어지는 순간(Science, 2005)과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간(Nature, 2015) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측한 바 있으며, 이번에 세계 최초로 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정의 원자의 움직임을 관찰하는데 성공했다.
화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)의 경우 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다.
연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer)* 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 한 결합이 35펨토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토 초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성됨을 규명했다.
* 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물(화학식 : [Au(CN)2-]3)로, 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응하여 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
또한, 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
![[그림 1] 펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도 레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다.](/_prog/download/?editor_image=/images/000020/Figure_1_2.jpg "[그림 1] 펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도 레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다.")
< [그림 1] 펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도 레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. >
![[그림 2] 펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘 펨토초 엑스선 회절법 실험을 적용하여 금 삼합체의 들뜬 상태에서의 파동 다발의 시간에 따른 위치를 다차원 핵좌표계 상에서 얻어내었다. 이를 통해 금 삼합체 내의 화학결합 생성 반응이 ‘비동기화된 화학결합 생성 메커니즘(asynchronous bond formation mechanism)](/_prog/download/?editor_image=/images/000020/2.png "[그림 2] 펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘 펨토초 엑스선 회절법 실험을 적용하여 금 삼합체의 들뜬 상태에서의 파동 다발의 시간에 따른 위치를 다차원 핵좌표계 상에서 얻어내었다. 이를 통해 금 삼합체 내의 화학결합 생성 반응이 ‘비동기화된 화학결합 생성 메커니즘(asynchronous bond formation mechanism)")
< [그림 2] 펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘 펨토초 엑스선 회절법 실험을 적용하여 금 삼합체의 들뜬 상태에서의 파동 다발의 시간에 따른 위치를 다차원 핵좌표계 상에서 얻어내었다. 이를 통해 금 삼합체 내의 화학결합 생성 반응이 ‘비동기화된 화학결합 생성 메커니즘(asynchronous bond formation mechanism) >
![[그림 3] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착 공동연구진은 2015년 연구에서(위) 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측한 데 이어 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. 사진 속 노란색은 금, 회색은 탄소, 파란색은 질소 원자를 나타낸다. (자료제공: 일본 고에너지가속기연구소(KEK))](/_prog/download/?editor_image=/images/000020/Figure_3_1.jpg "[그림 3] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착 공동연구진은 2015년 연구에서(위) 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측한 데 이어 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. 사진 속 노란색은 금, 회색은 탄소, 파란색은 질소 원자를 나타낸다. (자료제공: 일본 고에너지가속기연구소(KEK))")
< [그림 3] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착 공동연구진은 2015년 연구에서(위) 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측한 데 이어 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. 사진 속 노란색은 금, 회색은 탄소, 파란색은 질소 원자를 나타낸다. (자료제공: 일본 고에너지가속기연구소(KEK)) >
연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 IBS 선임연구원(우리 대학 화학과 박사과정 졸업생)은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”며 “앞으로 다양한 유‧무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 포부를 밝혔다.
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행사 우리 대학, 국내 최초 스프링거 네이처와 오픈액세스 계약 체결
우리 대학은 스프링거 네이처(Springer Nature)와 오픈액세스(OA) 전환계약(Transformative Agreement, TA)을 체결함으로써 스프링거 하이브리드 저널에 대해 KAIST 연구자들이 출판비용을 지불하지 않고, 자유롭게 오픈액세스 논문을 출판하는 것이 가능해졌다고 20일 밝혔다. 출판사 스프링거 네이처는 과학기술을 비롯하여 전 학술 분야를 망라하는 글로벌 학술 출판사이며, 오픈액세스란 인터넷상에서 무료로 논문을 볼 수 있게 공개하여 자유롭게 학술정보에 접근할 수 있는 것을 말한다. 구독 액세스와 OA 출판을 하나로 통합하는 전환계약은 읽기 및 출판 권한을 동시에 갖게 되어 KAIST 연구자들이 자유로운 논문 접근과 함께 자신의 연구 논문을 공개하여 모든 사람이 즉시 사용할 수 있게 된다. 연구자들은 2024년부터 2026년까지 3년 동안 약 2,350개의 스프링거 네이처 저널에 접근할 수 있으며 논문 출판비에 대한 부담도 함께 덜게 되었다. 학
2023-10-20 -
인물 6월 ‘이달의 과학기술인상’ 생명과학과 김찬혁 교수
과학기술정보통신부와 한국연구재단은 '이달의 과학기술인상' 6월 수상자로 우리 대학 생명과학과 김찬혁 교수를 선정했다고 7일 밝혔다. 김 교수는 환자 면역체계를 이용한 새로운 방식의 알츠하이머 치료제를 개발해 퇴행성 뇌 질환 치료 실마리를 마련한 공로를 인정받았다.치매의 가장 큰 원인인 알츠하이머병은 뇌 안에서 비정상적으로 발생한 베타아밀로이드 펩타이드가 이상 축적되는 현상과 타우 단백질의 엉킴으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 최근 베타 아밀로이드를 제거하는 항체 치료제가 미국식품의약국(FDA) 허가를 받았지만, 항체 특성상 뇌 안에 염증반응 부작용을 일으켜 인지기능 회복에 악영향을 줄 수 있다는 한계가 있었다. 김 교수팀은 몸속 세포가 사멸하고 생성하는 과정에서 죽은 세포를 제거하는 포식작용을 활용하는 새 치료제를 개발했다. 포식작용에 관여하는 단백질인 'Gas6'을 변형시켜, 이 단백질이 세포 대신 베타 아밀로이드를 제거하도록 한 것이다. 이 방식
2023-06-08 -
연구 정크 DNA가 노화와 발암에 관여한다
인간 유전체 중 일반적인 단백질 생성 유전자는 전체 염기서열의 1% 정도에 불과하며 나머지 99%의 유전체 영역은 그 기능이 뚜렷하게 알려지지 않아 ‘쓸모없는 DNA’라는 뜻으로 ‘정크 DNA’라고 불리고 있다. 정크 DNA 가운데 약 1/6을 차지하는 L1 점핑 유전자는 활성화될 경우 세포의 유전정보를 파괴하거나 교란하는 역할을 할 수 있어 사람의 진화 과정에서 불활성화(화석화) 됐다고 알려져 있었다. 하지만 이번 연구에서 L1 점핑 유전자가 활성화되며, 노화와 발암 과정에 연관이 있음을 처음 확인하였다. 우리 대학 의과학대학원 주영석 교수 연구팀이 서울대학교병원 외과 김민정 교수, 고려대학교 의과대학 권현우 교수팀과의 공동연구로 ‘L1 점핑 유전자’의 활성화에 의한 사람 대장 상피 세포의 유전체 파괴 현상을 규명했다고 15일 밝혔다. 의과학대학원 남창현 박사과정과 육정환 박사(現 서울대병원 내과 임상조교수)
2023-05-15 -
연구 인간 근육보다 17배 강한 헤라클래스 인공 근육 개발
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 부산대 안석균 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 그래핀-액정 복합섬유를 이용한 새로운 인공 근육을 개발하는 데 성공했다고 5일 밝혔다. 이 인공 근육은 현재까지 과학계에 보고된 것 중에서 인간 근육과 가장 유사하면서도 최대 17배 강한 힘을 보이는 것으로 밝혀졌다. 동물의 근육은 신경 자극에 의해 그 형태가 변하면서 기계적인 운동을 일으키는 것으로 알려져 있다. 로봇이나 인공장기 등 다양한 분야에서 동물근육과 유사한 운동을 일으키기 위한 기술들이 개발돼왔으나, 지금까지는 주로 기계장치에 의존한 것들이 대부분이다. 최근에는 유연성을 가지는 신소재를 이용해 생명체의 근육같이 유연하면서도 기계적 운동을 일으킬 수 있는 인공 근육들이 연구되고 있다. 그러나 이들 대부분이 일으키는 운동의 범위가 동물 근육보다 제한되고 강한 운동을 일으키기 위해서는 마치 시계태엽을 감듯이 부가적인 에너지 저장과정을 거쳐야만 하는 문제점이 있다. 김교수
2022-12-05 -
연구 노화된 뇌에서 생겨난 비정상적 별아교세포 '아프다(APDA)' 발견
우리 연구진이 노화 및 치매 뇌에서 기억 중추인 해마 특이적으로 비정상적 별아교세포가 생겨나는 것을 최초로 관찰하고 그 원인을 규명했으며 이들은 신경 세포의 연결점인 시냅스의 숫자 및 기능 유지에 악영향을 줄 수 있음을 밝혔다. 이는 노화에 따른 인지 기능 저하를 일으키는 새로운 원인을 제시해 뇌 기능 회복에 활용이 기대된다. 우리 대학 생명과학과 정원석 교수와 이은별 박사, 정연주 박사 연구팀이 노화된 뇌에서 기존에 알려지지 않은 새로운 종류의 별아교세포를 발견했고, 이들이 세포 내 단백질 항상성이 손상돼 시냅스 생성 및 제거와 같은 기본적 능력이 결여돼있음을 밝혀 노화 관련 네이처 자매지인 `네이처 에이징(Nature Aging)'에 공개했다고 8일 밝혔다. 정원석 교수 연구팀은 이전 연구를 통해 비신경세포인 별아교세포가 신경세포의 시냅스를 만들 수도 또는 제거할 수도 있음을 밝힌 바 있다. 하지만, 이 같은 별아교세포의 기능이 노화 과정에서 어떻게 변화하는지는 알려지
2022-08-08