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되돌아오지 못하는 세포의 비밀 풀었다
한번 암세포처럼 비정상적인 상태로 굳어진 세포를 다시 원래 상태로 되돌릴 수 있을까? 우리 대학 연구진이 세포를 한번 바뀐 상태에 붙잡아 두는 ‘잠금장치’를 찾아냈다. 이 잠금장치를 풀어 세포의 운명을 되돌릴 수 있는 새로운 길을 제시한 것이다.
우리 대학은 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 세포 내 분자 네트워크에서 한번 일어난 상태 변화를 되돌아가지 못하게 만드는 핵심 회로를 규명하고, 이를 제어해 세포를 이전 상태로 되돌릴 수 있는 원천 제어 기술 ‘루트(ROOT)’를 개발했다고 21일 밝혔다.
우리 몸의 세포는 외부 자극에 반응해 성질과 기능을 변화시킨다. 그런데 자극이 사라져도 변화된 상태가 그대로 유지되는 경우가 있다. 이를 ‘비가역성(Irreversibility)’이라고 한다.
이를 스위치에 비유하면, 외부 자극이 손을 떼면 원래 위치로 돌아오는 일반 스위치와 달리 한번 켜지면 손을 떼도 계속 켜져 있는 것과 같다. 세포 안에서도 처음 변화를 일으킨 자극이 사라졌는데도 특정 분자들이 서로를 계속 활성화하면서 바뀐 상태를 유지하는 경우가 있다.
이러한 비가역성은 세포가 특정 기능을 가진 세포로 분화하는 것처럼 정상적인 생명현상을 안정적으로 유지하는 데 반드시 필요하다. 반면 암세포가 주변 조직으로 쉽게 이동하고 침투할 수 있는 성질을 갖게 되는 상피-간엽 전이(EMT)처럼 질병의 진행을 촉진하는 원인이 되기도 한다.
문제는 세포 안에 이러한 상태 변화를 유지시키는 회로가 매우 복잡하게 얽혀 있다는 점이다. 특히 어떤 분자가 다른 분자를 활성화하고, 그 분자가 다시 처음 분자를 활성화하는 ‘양성 되먹임 회로(Positive feedback loop)’가 수천 개 이상 존재한다.
이는 마이크 두 개를 서로 가까이 댔을 때 작은 소리가 서로 증폭되면서 계속 커지는 것과 비슷하다. 처음에는 외부 자극으로 시작된 변화라도 세포 내부의 분자들이 서로를 계속 활성화하면 자극이 사라진 뒤에도 변화된 상태가 유지될 수 있다.
그동안에는 이처럼 수많은 회로 가운데 어떤 회로가 실제로 세포를 ‘돌아올 수 없는 상태’로 만드는지 가려내는 것이 어려웠다.
연구팀은 이를 해결하기 위해‘루트(ROOT, Revelation Of the Original circuit of irreversible Transition)’기술을 개발했다.
루트는 세포 안의 분자들이 서로 영향을 주고받는 관계를 컴퓨터 논리 모델로 구현하고, 외부 자극이 들어왔다가 사라지는 전 과정을 모사한다. 이를 통해 수많은 회로 가운데 세포를 변화된 상태에 계속 붙잡아 두는 핵심 회로들의 집합인 ‘비가역성 커널(Irreversibility kernel)’을 찾아낸다.
쉽게 말하면 복잡하게 얽힌 수천 개의 전선 가운데 문을 실제로 잠그고 있는 전선만 골라내는 것과 같다. 연구팀은 세포가 왜 원래 상태로 돌아오지 않는지 그 원인이 되는 일종의 ‘분자적 잠금장치’를 찾아낸 것이다.
연구팀은 잠금장치를 발견하는 데서 그치지 않고, 이를 이용해 세포 상태를 되돌리는 두 가지 제어 방법도 제시했다.
첫 번째 ‘리셋 제어(Resetting control)’는 세포의 비가역적인 성질 자체는 그대로 두면서 현재의 세포만 변화 이전 상태로 되돌리는 방법이다. 잠금장치는 그대로 두되, 잠긴 문을 열어 다시 출발점으로 돌려놓는 것과 비슷하다.
두 번째 ‘역전 제어(Reversing control)’는 비가역성을 만드는 원인 자체를 제거해 세포가 서로 다른 상태 사이를 보다 자유롭게 오갈 수 있도록 하는 방법이다. 문을 한번 닫으면 자동으로 잠기게 만드는 잠금장치 자체를 해제해, 이후에는 문을 다시 열고 닫을 수 있게 만드는 것과 같다.
연구팀은 개발한 기술을 B세포 분화와 폐암의 상피-간엽 전이, 단일세포 전사체 데이터를 기반으로 한 장세포(Enterocyte) 및 베타세포 분화 등 다양한 생물학적 모델에 적용했다.
그 결과 기존 연구에서 알려진 세포의 상태와 분화를 결정하는 주요 인자들과 일치하는 원인 회로를 정확하게 찾아냈다. 또한 실제 실험데이터를 기반으로 구축한 분자 네트워크에서도 세포 상태를 효과적으로 되돌릴 수 있는 제어 방법을 제시해 기술의 폭넓은 활용 가능성을 확인했다.
이번 연구의 중요한 의미는 ‘세포를 어떻게 되돌릴 것인가’를 넘어 ‘세포는 왜 스스로 돌아오지 못하는가’라는 보다 근본적인 질문에 답했다는 데 있다. 지금까지가 잠긴 문을 열 방법을 찾는 연구였다면, 이번에는 수많은 장치 가운데 실제로 문을 잠그는 핵심 잠금장치가 무엇인지 찾아낸 셈이다.
향후에는 암이나 노화 등에서 비정상적인 상태로 고착된 세포를 제거하는 기존 접근에서 나아가, 세포를 비정상적인 상태에 붙잡아 두는 핵심 회로를 찾아 이를 제어함으로써 정상적인 상태로 되돌리는 새로운 치료전략을 설계하는 데 활용될 가능성이 기대된다.
조광현 교수는 “이번 연구는 한번 변하면 되돌아가지 않는 세포의 원인 회로를 찾아내고, 이를 제어해 세포를 이전 상태로 되돌릴 수 있는 기술을 개발한 것이 핵심”이라며 “향후 암과 노화 등에서 비정상적으로 굳어진 세포 상태를 정상으로 되돌리는 새로운 치료전략 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 바이오및뇌공학과 김종완 박사와 장성훈 박사가 공동 제1저자로, 이종훈 박사와 코빈 호퍼(Corbin Hopper) 박사과정 학생이 공저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) 온라인판 8월 18일 자에 게재됐다.
※ 논문명: The structural origin of irreversible transitions in biological networks, DOI: 10.1073/pnas.2600800123
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구사업과 기초연구실 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2026.08.21 조회수 3462 -
김희탁 교수, 도넛모양 황화리튬 이용 리튬황이온전지 개발
〈 팽민 예 연구교수, 김희탁 교수 〉
우리대학 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 가지면서 저렴하고 600사이클 이상의 수명을 갖는 도넛 모양 활물질 구조의 리튬황이온전지를 개발하는데 성공했다.
전기자동차의 배터리로 사용되는 리튬이온전지는 낮은 에너지 밀도 때문에 1회 충전시 가능 주행 거리가 짧아 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬황전지의 개발이 10여 년 간 경쟁적으로 이뤄져 왔지만 리튬황전지는 음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성으로 인해 전지의 사이클 수명을 확보하는데 어려움이 많았다.
이러한 문제 해결을 위해 연구팀은 리튬금속음극 대신 리튬이온전지에 사용되는 사이클 수명이 우수한 흑연음극 이용과 함께 용량이 높은 황화리튬(Li2S) 양극을 결합해 에너지 밀도와 수명 향상에 힘썼다. 그러나 황화리튬이 고가이고, 흑연음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.
이에 연구팀은 저가의 황산리튬(Li2SO4)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 제조했다. 그러면서 고농도 염 전해액을 이용해 흑연음극과 황화리튬 양극을 이용한 리튬황이온 전지를 구현했다. 내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 리튬이온의 전달력을 향상시켜 높은 충, 방전 가역성을 보였고, 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다.
연구팀은 이 기술을 통해 기존 리튬이온전지보다 30% 높은 에너지 밀도를 구현함과 동시에 600사이클 이상의 수명을 확보하는 데 성공했다. 연구팀의 도넛모양 황화리튬 전극은 저가의 원재료를 이용하면서 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있고, 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “저가 황 화합물을 리튬이온전지에 적용해 에너지 밀도와 수명을 동시에 향상시킬 수 있음을 증명했다”고 말했다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원 및 한국연구재단 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
팽민 예(Fangmin Ye) 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 지난 7일자 온라인 판 논문에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도넛 모양 황화리튬 활물질 구조 및 제조 원리
2018.05.24 조회수 24875