'KIST STORY/K-Research town(보도자료)'에 해당되는 글 98건

  1. 2018.06.25 친환경 핵심소재 기술개발로 온실가스 저감 기술 실용화 앞당긴다(연료전지연구센터 장종현, 박현서 박사)
  2. 2018.06.20 음악에 맞춰 춤추는 접어서 만든 소프트 로봇(지능로봇연구단 임세혁 박사)
  3. 2018.06.18 암세포 잡아먹는 면역시스템 활성화로 기존 항암 면역 치료의 한계를 극복한다(테라그노시스연구단 김인산 박사) (2)
  4. 2018.06.11 종이 접듯 DNA를 접는 기술로 제작한 나노구조체, 세포 내 약물 전달 효과 높인다(테라그노시스연구단 류주희 박사)
  5. 2018.06.07 백금 대체할 이리듐 기반 합금 촉매 개발, 연료전지 내구성 향상시켜 수명 연장한다(연료전지연구센터 유성종 박사, 함형철 박사)
  6. 2018.06.05 자동차·선박에서 나오는 미세먼지 원인 물질, 저비용·고효율의 친환경성 전환 촉매로 잡는다(미래융합기술연구본부 하헌필 본부장)
  7. 2018.06.01 웨어러블 기기에 활용될 세계 최고 성능의 고신축 전극 개발(전북분원 홍재민 분원장)
  8. 2018.06.01 인간의 눈처럼 작동하는 인공 생체소재 개발(센서시스템연구센터 김재헌 센터장)
  9. 2018.05.17 스커미온을 자유롭게 쓰고 지우는 기술 개발(스핀융합연구단 우성훈 박사)
  10. 2018.05.17 뇌 속 비신경세포인 별세포가 소뇌의 운동능력 조절(신경교세포연구단 이창준 박사)

친환경 핵심소재 기술개발로

온실가스 저감기술 실용화 앞당긴다.
- 온실가스 저감 및 유용한 화합물 생산하는 고효율·고내구성의 촉매 제조기술
- 양산화 용이하여 신재생 전력에너지 활용한 이산화탄소 전환기술로 응용 기대

 

전 세계적으로 기후변화 문제의 해결 방안으로 이산화탄소(CO2)등 온실가스를 저감하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 전력에너지를 사용한 전기화학적 방법으로 이산화탄소를 저감하고, 동시에 일산화탄소 및 탄화수소 같은 산업에 유용한 화합물로 전환하는 친환경적인 기술이 크게 주목받고 있다. 최근 국내 연구진이 기후변화 문제를 해결할 수 있고, 유용한 화합물을 생산하는 친환경 이산화탄소 전환의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

<그림 1> (왼쪽)고분자 코팅된 금입자를 이용한 효율적 전기화학 이산화탄소 환원 반응 (오른쪽)기존 금입자를 이용한 비효율적 전기화학 이산화탄소 환원 반응을 비교한 개념도

 

장종현 박사박현서 박사

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 장종현, 박현서 박사팀은  특정 고분자로 코팅된 금 나노입자를 합성한 촉매 제조 기술을 개발하여 이산화탄소 전환 반응의 활성과 안정성이 크게 증대되는 것을 밝혔다. 이 기술은 고성능, 고내구성 촉매 소재를 친환경적인 방법으로 대량생산이 가능하여, 향후 온실 가스 저감 및 이산화탄소 전환 기술의 실용화 연계에 기여할 것으로 전망된다. 

<그림 2> 개발된 고분자 코팅 금입자의 전자현미경 사진(a,b) 기존 금입자 전자현미경 사진 (c,d)

 

최근 전 세계에서 일어나는 예측 불가능한 기후 변화는 온실가스 증가 및 지구 온난화에 따른 대기 불안정 현상 때문인 것으로 여겨진다. 이산화탄소 농도는 산업화 이전 시대와 비교하여 약 40%(2017년. 405ppm)정도 증가한 것으로 보고되고 있다. 이로 인해 지구의 대기 평균 온도 또한 약 1〬c 가량 증가하였으며, 해수면도 약 88mm 정도 증가한 것으로 알려져 있다. 과학계 전문가들에 따르면, 지구 온난화로 인한 기후 재앙에 대비하기 위해서는 대기 온도 증가를 3〬c 이하로 제한하고, 공기 중 이산화탄소 양은 1조 7천억 톤 이상을 저감해야 한다고 전망하고 있다.

 

<그림 3> - 개발된 고분자 코팅 금입자(빨간색) - 기존 금입자(검은색)의 이산화탄소 환원 선택도<그림 4> - 개발된 고분자 코팅 금입자(빨간색) - 기존 금입자(파란색)의 이산화탄소환원 운전 안정성 *시간이 지나도 성능이 유지됨을 알 수 있다.

 


이산화탄소를 저감하는 기술의 하나로 태양광 및 풍력발전 같은 신재생 청정에너지를 이용한 이산화탄소 전기 분해(환원)법이 주목 받고 있다. 이 방법은 온실가스를 저감하고, 동시에 일산화탄소와 탄화수소와 같은 유용한 화학물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이때, 반응 촉매로는 금, 은 등의 나노입자가 사용되는데, 상업적 경쟁력을 갖기 위해서는 소재 및 제조 공정 측면에서 비용 절감과 성능 증대를 동시에 구현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

 

KIST 연구진은 촉매로 사용되는 이산화탄소 환원용 금 입자를 제조할 때, 폴리에틸렌 고분자를 금 입자 표면에 코팅하여 기존 금 입자에 비해 활성과 선택성이 약 30%, 고분자 코팅에 의한 촉매의 내구성도 약 20% 이상 증가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 또한 금 입자 촉매 표면의 고분자 코팅은 촉매 보호막 역할을 하는 동시에 이산화탄소를 잘 흡착시키는 역할을 하여 금 입자의 반응성과 내구성을 향상시키는 것으로 나타났다. 연구진은 고분자 용액을 이용한 액체 스퍼터링 공정*을 개발, 고분자 코팅된 금 입자 생산을 용이하게 하여 향후 상업적인 촉매 제조 및 경제적인 온실가스 저감 기술을 위한 토대가 될 것으로 기대하고 있다.
*액체 스퍼터링 공정 : 증착법의 일종, 아르곤 등의 가스 입자를 강한 전기장으로 이온화시킨 후 가속시켜 금속판에 충돌시키고, 이때 충돌로 인해 금속판에서 탈출한 금속 원자를 액체 용매에 모아 작은 입자로 만드는 방법. 

 

KIST 장종현 박사는 “본 연구로 개발된 촉매 기술은 활성과 내구성이 우수하며, 양산성이 높은 환경 친화적 기술이다. 향후 이산화탄소 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 절감에 기여할 것으로 전망된다. 또한 이를 통해 국가적 이슈인 온실가스 저감 및 기후변화 대응 기반 기술 구축에 기여할 것으로 기대한다.” 고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터(KCRC)의 KOREA CCS(Carbon Capture & Storage) 2020 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 분야 상위 1.02%) 최신호에 게재되었다.

 

 * (논문명) Enhanced CO2 reduction activity of polyethyleneglycol-modified Au nanoparticles prepared via liquid medium sputtering
   - (제1저자) 한국과학기술연구원 정민욱 박사(Post-Doc.), 차인영 박사 (Post-Doc.)
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 장종현 책임연구원, 박현서 선임연구원

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

음악에 맞춰 춤추는 접어서 만든 소프트 로봇
  - ‘적층형 자가접이’라는 새로운 방식으로 만들어진 소프트 로봇 개발
  - 영화 대사, 오페라에 맞춰 유연하게 동작, 문화·예술분야 활용 기대

 

저가의 종이보드나 필름 등을 자르고 접어서 만드는 소형 로봇은 짧은 제작시간과 적은 제작비용, 대량생산 가능성으로 학계에서 지속적으로 연구되고 있다. 이러한 소형 로봇은 최근에 열이나 자기장, 습도변화 등에 의해 스스로 접히는 이른바 4D 프린팅* 기술과 접목되면서 큰 주목을 받고 있다. 최근 국내연구진이 ‘적층형 자가접기(additive self-folding)’ 라는 새로운 기술로 만들어진 소프트 로봇**을 개발하고 문화·예술 산업 등에서의 활용 가능성을 선보여 주목받고 있다. 
*4D 프린팅 : 온도, 습도, 진동, 자기장 등으로부터 운동에너지를 얻어 미리 설계된 3차원 형상으로 스스로 변하는 지능형 구조를 만드는 기술
**소프트로봇(Soft robot) : 딱딱한 금속이 아닌 유연한 소재로 만들어져 있으며 변형하기 쉬운 구조를 가진 로봇. 외부환경에 탄력적으로 적응하고 유연하게 움직임일 수 있어 의료, 탐사, 재난, 제조 등 여러 분야에서 활용가능

 

임세혁 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 지능로봇연구단 임세혁 박사팀은 전산 알고리즘을 이용하여 설계된 종이전개도를 프린터로 출력하고, 이를 접어서 3차원 형상을 가진 로봇으로 활용하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 또한 KIST 임세혁 박사팀은 개발한 소프트 로봇을 이용해 영화대사를 따라하고, 음악에 유연하고 생동감 있게 움직이는 모습을 세계 최초로 시연하였다.

 

3D 프린터를 사용하는 분야에서 로봇을 구동장치까지 한 번에 제작하는 기술은 현재 선진국에서도 활발히 연구되고 있으나, 기본적으로 고가의 장비를 필요로 하고 로봇의 동작범위나 속도 등이 제한적이었다. 본 연구진은 원하는 로봇의 3차원 형상과 구현하고자 하는 동작을 사전에 설계하여, 자가조립에 의해 기존의 방식보다 더 저렴하고 용이하게 로봇을 구현할 수 있는 기술을 개발했다. 이렇게 연구진은 ‘적층형 자가접이’라는 새로운 방식으로 만들어진 소프트 로봇을 최초로 개발했다.

[그림 1] 평면재료를 적층형으로 접어만드는 3차원 소프트로봇의 설계/제작/구동 기술 (1) 원하는 3차원 형상(토끼) (2) 하부에서 상부까지 슬라이싱 (3) 슬라이스 의한 전개도, 각 슬라이스의 구멍에 실을 연결 (4) 적층형 자가접이 (아래에서부터 위까지 슬라이스가 쌓이면서 3차원 형상을 갖춤) (5) 완성된 3차원 소프트로봇을 구동

또한 이러한 기술로 만들어진 소프트 로봇은 부드러운 몸체와 외부충격에 유연한 특성을 가진다. 연구진은 개발된 소프트 로봇이 영화 대사를 따라하고, 오페라 등의 음악에 맞춰 유연하게 동작하는 ‘오디오-애니메트로닉스(audio-animatronics)’를 시연, 활용범위를 의료분야 뿐 아니라 영화·엔터테인먼트 산업 및 예술분야에까지 확장시킬 수 있다는 점에서 학계의 큰 관심을 받고 있다. 
 
KIST 임세혁 박사는 “로봇의 디자인과 기능에 따른 최적의 설계가 가능하다. 향후 본 연구를 통해 개발한 소프트로봇 기술에 최근 급격하게 발전하고 있는 대화형 인공지능기술을 융합하면 개인·서비스 로봇 관련 산업에도 광범위한 변화를 일으킬 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 로봇 분야 국제학술지인 ‘국제로봇연구 저널 (The International Journal of Robotics Research, IF : 5.30,  JCR 상위 : 5.76 %)’ 최신호에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Animatronic soft robots by additive folding
    - (제1저자) 한국과학기술연구원 임세혁 선임연구원  
    - (공저자) 신시아 성(Univ. Penn 조교수), 슈헤이 미야시타 (Univ. of Yort, 조교수)           

                  다니엘라 러스(MIT 전자컴퓨터동학과 교수), 김상배 (MIT 기계공학과 부교수)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 임세혁 선임연구원  

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

암세포 잡아먹는 면역시스템 활성화로

기존 항암 면역 치료의 한계를 극복한다

- 암세포를 박멸하는 면역세포를 활성화, 암세포만 인식하여 박멸

- 기존의 항암 치료제 사용 병행 가능, 차세대 항암 면역 치료로 활용 기대

 

최근 우리 몸의 면역 체계를 이용한 항암 면역치료가 임상에서 놀라운 효과를 보이면서 많은 의료진과 연구진에게 주목받고 있다. 하지만 기존의 항암 면역치료는 암의 복잡성으로 인해 평균 약 30% 미만의 환자에서만 효과를 보여 나머지 환자들이 치료 사각지대에 놓여있는 한계가 있다. 또한 항암 면역 치료제는 매우 고가로, 환자들의 의료비 부담이 사회적으로 큰 문제가 되고 있다. 국내 연구진이 암세포를 박멸하는 면역세포를 활성화시켜 암을 박멸하는 차세대 항암 면역 치료 전략을 개발하여 주목을 받고 있다.

 

김인산 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산 박사팀과 동국대 의학과 박승윤 교수팀은 공동연구를 통해 인체 면역 세포인 ‘수지상세포’를 효과적으로 활성화해 항암 면역을 극대화하는 치료 전략 개발에 성공했다. 이 항암 면역 치료전략은 체내의 이물이나 세균들을 먹어치우는 식세포를 활성화시켜 암세포를 효과적으로 잡아먹게 하고, 나아가 증폭된 면역반응으로 인해 암세포만 인식하는 세포를 활성화시킴으로써 암을 선택적으로 공격할 수 있게 하는 전략이다.

 

<그림 1> 수지상 세포 활성화를 통한 항암 면역치료 모식도 면역원성 세포사멸 유도할 수 있는 독소루비신과 수지상세포의 탐식능을 항진시킬 수 있는 ROCK inhibitor의 병합 요법으로 종양 치료 시 암에 특이적으로 반응할 수 있는 체내 면역반응을 지속적으로 일으킬 수 있음을 나타낸 모식도이다.

 

연구진은 식세포 내부의 암 전이를 촉진시키는 ‘Rho kinase(ROCK)’ 신호를 억제할 수 있는 억제제(ROCK inhibitor)를 사용하면 식세포의 암세포 탐식 능력이 항진된다는 것을 증명하였다. 또한 이러한 식세포의 활성은 중요한 항암 면역 세포(CD8+ T 세포)를 활성화시키게 되어 암을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 규명하였다.

 

더 나아가 연구진은 암세포의 면역원성 사멸을 유도할 수 있는 기존 항암제인 ‘독소루비신’과 억제제(ROCK Inhibitor)를 함께 사용하면 암세포 특이적 항암 면역 효능이 극대화된다는 것을 규명하였다. 특히, 이 같은 항암 면역 치료 전략은 대장암, 흑색종 종양 실험 쥐 모델의 실험을 통해 성장한 암을 효과적으로 제거할 뿐만 아니라 암 성장을 억제하고, 암에 대한 면역력이 지속되어 2차 암에 대한 치료 효과까지 나타내는 것을 보였다.  

<그림 2> ROCK inhibitor 처리 시 식세포의 암세포 탐식 기능 항진 효과 Rho kinase inhibiton을 할 수 있는 ROCK inhibitor (Y27632) 처리 시 다양한 암세포에 대하여 대식세포, 수지상세포의 탐식 기능이 증가함을 확인하였다.

<그림 3> ROCK inhibitor의 종양 쥐 모델에서 항암 면역 효과 대장암, 흑색종 종양 쥐 모델에서 수지상세포의 탐식능을 항진시키는 ROCK inhibitor (Y27632) 혈관 주사를 통해 치료하였을 때 다른 대조군에 비해 암세포의 성장이 현저히 저해될 뿐 아니라 암 특이적인 T 세포 (CD8+ T cell) 면역 활성화됨을 확인하였다.

<그림 4> ROCK inhibitor와 독소루비신 병합 치료의 항암 면역 효과 유방암 종양 쥐 모델에서 ROCK inhibitor (Y27632)와 독소루비신 병합 치료 시 항암 면역 효과의 활성화로 인해 85% 이상 암이 완전히 사라지는 것을 확인하였고, 대조군에 비해 생존율을 증가시킴을 규명하였다.

KIST 김인산 박사는 “본 연구를 통해 인체가 원래 가지고 있는 면역시스템을 활성화시켜 인체의 면역세포로 하여금 암을 적으로 인식하게 함으로써, 암을 치료하는 ‘내재성 항암 백신’ 이라는 새로운 개념을 확립했다. 이는 기존 항암 면역 치료제의 한계를 극복할 수 있는 차세대 항암 면역 치료로 활용이 가능할 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 한국연구재단 리더연구자 지원사업과 보건복지부 암정복추진연구 개발사업으로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인

‘Nature Communications’(IF : 12.124, JCR 분야 상위 3.906 %)에 최신호에 게재되었다.

 

 * (논문명) Combined Rho-kinase inhibition and immunogenic cell death triggers and

                propagates immunity against cancer
     - (제1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 남기훈 (KU-KIST 융합대학원 박사과정)  

                      경북대학교 이은정 교수
     - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김인산 박사(책임연구원)
                        동국대학교 의과대학 박승윤 교수

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

  1. 김진호 2018.06.19 18:44 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    10살 소아암 아들을둔 아빠입니다. 몇번의 재발과 전이로 한가닥 희망을 찾고있습니다.임상이라도 받아볼수있는 기회가있을까요? 도와주세요

  2. Favicon of http://kiststory.tistory.com BlogIcon KIST PR 2018.06.20 14:45 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    "안녕하세요, KISTory 블로그 관계자입니다. 정말 안타깝게도 임상실험의 경우에는 연구성과가 보도된지 몇년정도 지나야 행해지고 있고, 현재에는 연구성과만 밝혀진 상태이지 어떠한 기술이전도 체결된것이 없기 때문에 시간이 다소 걸릴 예정입니다. 답변 드릴 수 있는 내용에 한계가 있는 점 다시한번 죄송합니다.

종이 접듯 DNA를 접는 기술로 제작한 나노구조체,
세포 내 약물 전달 효과 높인다. 
 - KIST-(Dana-Farber Cancer Institute) 공동연구진, DNA 접기 기술로 세포 내
   침투 효과 높이는 형태의 나노구조체 제작
 - 향후, 다양한 형태의 DNA 나노구조체로 약물전달체, 암 치료제 등에 활용

 

인류의 평균 수명이 늘어나면서 질병과 건강에 대한 관심이 높아지고 있다.  ‘암’(Cancer) 질환과 관련하여 국내 성인 3명 중 1명이 암을 겪는다는 통계에서 볼 수 있듯, 암은 흔한 질병이 되었으며 치료를 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 특히 나노구조체를 이용한 암 치료제가 암 세포에 효과적으로 전달되도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 국내 연구진이 DNA를 접는 기술을 개발, 원하는 형태의 DNA 나노구조체를 제작하여 효과적인 세포 암 치료의 가능성을 주목받고 있다. 

 

류주희 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 류주희 박사팀은 다나파버 암 연구소(Dana-Farber Cancer Institute) 윌리엄 시(William Shih) 교수 연구진과 공동연구를 통해 DNA 접기 기술을 개발하여 기존의 나노구조체 제조방법으로는 만들기 어려운 다양한 형태의 DNA 나노구조체를 제작했다. 또한 공동연구진은 이 기술로 정교하게 제작된 여러 형태의 나노구조체들의 세포 침투도를 분석했다고 밝혔다.

 

최근 학계의 연구결과에서는 나노구조체의 모양과 크기에 따라서 세포에 침투할 수 있는 성질이 크게 달라진다는 점이 대략적으로 밝혀졌으나, 이 나노구조체를 원하는 모양과 크기로 만들기가 매우 어려워서 정교한 연구를 수행하기는 어려운 실정이었다.

 

연구진이 개발한 DNA 접기 기술은 뼈대가 되는 하나의 긴 DNA에 상호보완적인 여러 개의 짧은 DNA들을 이용하여 종이접기 하듯이 접어서, 원하는 형태의 나노구조체를 만드는 것이다. DNA 가닥들이 결합을 통해 이중나선을 형성하면서 특정형태를 이루는데, 다양한 형태의 구조체를 수 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기로 정밀하게 만들 수 있다. 정교한 제어를 통해 만들어진 DNA 나노구조체는 뛰어난 생체 적합성 등으로 약물전달체로서 밝은 전망을 가지고 있다.

 

연구진은 11가지 종류의 서로 다른 크기와 모양을 가진 DNA 나노구조체를 제작하여 다양한 세포에 침투시키는 실험을 진행했다. 그 결과, 모든 세포에서 나노구조체의 조밀함*이 높을수록 세포로의 침투도가 높아지는 것을 확인하였다. 구조체의 내부가 채워져있는 조밀함이 높은 나노구조체(L-block, 그림 1 참조)의 경우 같은 무게의 대조군에 비해 15배 이상 향상된 세포 투과도를 나타내었다.
*조밀함(compactness) :  부피에 대한 표면적의 비율

KIST-다나파버 암연구소 공동연구진이 개발한 DNA 접기 기술로 만들어진 다양한 크기와 모양의 DNA 나노구조체. (대조군 2개를 제외한 9개의 구조체만 표현) - 세포 내 투과에 영향을 미치는 나노구조체의 영향을 분석하기 위해 크기와 모양을 비교할 수 있도록 각각 다양한 형태의 나노구조체를 제작 ※ 네모박스는 각각의 나노구조체를 투과전자현미경으로 관찰한 실제 투과 이미지 - 11가지 나노구조체의 조밀함(Compactness, 부피에 대한 표면적의 비율), 비율(Aspect ratio, 구조체의 가장 긴 길이/가장 짧은 길이, 원의 경우 1) 등을 계산해서 이러한 수치 중 어떤 수치가 세포내 침투도와 가장 큰 상관이 있는지 분석하였고, 그 결과 나노구조체의 조밀함(나노구조체의 내부가 비워져있느냐 or 채워져있느냐)이 세포 내 침투도와 가장 큰 상관이 있다는 것을 확인

KIST 류주희 박사는 “이번 연구 결과로 DNA 접기 기술을 통해 세포 침투 능력이 우수한 나노구조체를 제작하는 것이 가능해졌다. 향후 이 기술로 DNA 나노구조체가 암 치료제와 같은 약물 전달을 위한 전달체로 활용되는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

다나파버 암연구소(Dana-Farber Cancer Institute)는 하버드 의대 부속병원으로 세계적으로 유명한 암전문 병원이다. KIST는 DFCI와 지속적으로 공동연구를 해왔으며, KIST의 약물전달기술을 DFCI의 임상적으로 유용한 치료타겟에 적용해보는 것을 목표로 공동연구 확대 발전을 위해 KIST-DFCI 현지 랩을 3 년째 운영하고 있다.
 
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Nano Letters’ (IF : 12.712, JCR 분야 상위 3.45%) 최신호에 게재되었다.

 

 * (논문명) Modulation of cellular uptake of DNA origami through control over mass

               and shape
     - (제1저자) Maartje Bastings, Frances Anastassacos, Nandhini Ponnuswamy
                    (Dana-Farber Cancer Institute, Post-doc 및 박사과정 학생)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 류주희 선임연구원 
                     William Shih (Dana-Farber Cancer Institute, Professor)

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

  백금 대체할 이리듐 기반 합금 촉매 개발, 

연료전지 내구성 향상시켜 수명 연장한다.
- 양자역학계산과 나노촉매 합성 기술로 설계 및 성능 검증,

연료전지 수명 향상 기대
- 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 것으로 전망

 

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에도 이용되어 왔는데, 에너지 발생을 위한 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금기반의 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 양자역학 계산(Density Functional Theory)과 나노 촉매 합성 기술을 사용하여 백금을 대체할 수 있는 이리듐(Ir, Iridium) 기반 합금 촉매를 개발하여 연료전지 내구성을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.

유성종 박사함형철 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종, 함형철 박사팀은 양자역학 계산을 사용하여 소재를 구성하는 원자와 전자 구조의 물리·화학적 제어를 통해 촉매 내부에 크롬이 추가된 이리듐 표면 단층 촉매를 도출하였다. 또한 이를 나노 수준의 전기화학 실험을 통해 성공적으로 합성하여 기존 순수 이리듐에 비해 성능이 약 12배 이상 증가하고 안정성은 백금 수준 이상으로 증가했다는 것을 확인하였다.

 

일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서는 에너지 발생의 핵심 역할을 하는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 촉매를 사용해왔으나, 비싼 가격과 소재 자체의 안정성에 대한 단점이 있었다. 연료전지용 소재는 장시간 산성 환경에 노출되는데, 백금은 촉매 전체의 내구성을 감소시키므로 안정성 측면에서 한계를 가지고 있었다.

<그림 1> 촉매 표면 원자-원자 길이, 표면 원자의 d-오비탈 전자 점유율 엔지니어링을 통한 표면 단층 합금 촉매의 컴퓨터 설계, 나노 촉매 합성 기술을 통한 촉매 성능 검증

KIST 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 이리듐(Ir, Iridium)을 활용하여, 다양한 전이금속을 첨가하고 촉매 내부 및 표면의 원자 분포를 변화시켰다. 그리고, 촉매 성능과 내구성을 양자역학 계산을 사용하여 예측하여본 결과, 촉매 내부에 크롬이 주입된(Doping) 이리듐 표면 단층 촉매가 산소 친화력을 감소시키고 동시에 내구성을 향상시켜 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 연구진은 연료전지 촉매로는 거의 사용되지 않았던 이리듐을 원자 및 전자 레벨 수준에서의 표면 및 내부 전자 구조 제어 기술을 통해 크롬 합금 촉매에 사용하게 되면 안정성 및 활성이 증가하여 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것을 밝혔다.  
 
연구진은 촉매 내부에 크롬 주입(Doping)으로 이리듐 기반 합금 촉매의 산소 친화력 감소 및 산소 환원 반응성과 내구성 증가로 이어지게 되는데, 연구진은 양자역학 계산을 통해 촉매의 성능 및 안정성의 증가를 확인하였고, 계산과학적인 관점에서 앞으로의 산소환원 반응용 촉매 설계원리를 제시하여 연료전지 촉매의 확장성에 기여할 수 있다는 점에서 큰 의의를 지닌다.  

 

KIST 함형철 박사는 “이번 연구는 연료전지 촉매 소재의 활성과 내구성 향상에 대한 원리 규명 및 초고속 후보 물질의 탐색에 있어서 양자 역학 계산의 중요성을 확인해주는 결과”라 말했다. 또한 KIST 유성종 박사는 “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구 의의를 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국에너지기술평가원, 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Computational and Experimental Design of Active and Durable Ir-based Nanoalloy for Electrochemical Oxygen Reduction Reaction
 - (제1저자)  한국과학기술연구원 조진원 연구원
 - (교신저자) 한국과학기술연구원 함형철 박사, 유성종 박사
    

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

자동차·선박에서 나오는 미세먼지 원인 물질,
 저비용∙고효율의 친환경성 전환 촉매로 잡는다.
- 미세먼지 생성원인인 질소산화물을 물과 질소로

고효율·지속적으로 바꾸는 촉매 개발
- 기존 대비 저비용 생산·독성 억제 효과 상승, 저온에서 향상된 성능∙안정성 구현

 

최근 디젤을 연료로 사용하는 발전소 및 주요 운송수단들(자동차, 선박)에서 배출되는 질소산화물*(nitrogen oxide, NOX)에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있는데, 이는 질소산화물이 미세먼지를 생성시키는 주요 원인물질 중 하나이기 때문이다. 미세먼지를 줄이기 위한 방법은 질소산화물을 환원제인 암모니아와 촉매 상에서 반응시켜 환경 친화적인 물 및 질소 등으로 전환시키는 화학적 처리방법이 가장 친환경적이고 효율적이다.
*질소산화물 : 연소과정에서 발생하는 질소와 산소의 화합물, 공해문제는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2)이다.

 

일반적으로 발전소 및 자동차 등에 적용되는 상용촉매의 경우, 300°C 이상의 고온에서는 질소산화물을 물로 바꾸는데 아주 높은 전환율을 나타낸다. 하지만 이 경우 사용온도가 300°C 이상의 고온 환경을 만들어야하는 등 막대한 비용이 든다. 또한 촉매가 고온에 노출될 때, 독성의 촉매성분이 증발되어 대기 중에 방출되는 문제점이 있어 일본을 비롯한 여러 국가에서는 고온에서 독성을 지닌 바나듐 등을 포함한 촉매의 사용을 제한하고 있다.

하헌필 본부장김종식 박사

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 하헌필, 김종식 박사팀은 기존 상용촉매의 단점을 극복한 촉매를 개발했다. 개발된 탈질촉매는 대기 중에 독성 방출을 억제하고, 300°C 이하의 상대적 저온 영역에서도 높은 효율을 유지한다. 이 촉매는 높은 안정성을 보이며, 저가로 제조 가능하여 대량 생산이 가능하다. 

 

KIST 하헌필, 김종식 박사팀이 개발한 촉매는 기존에 보고되지 않은 ‘구리바나듐 복합산화물’(Cu3V2O8)을 주촉매성분으로 사용하되, 촉매구조 개량을 통하여 독성의 촉매성분 증발이 억제되고, 자동차·선박 기준으로 상대적으로 저온인 230°C 에서도 상용촉매 대비 10~15% 향상된 질소산화물 전환율을 보이며, 배연가스에 포함되어 있는 이산화황이 존재하는 상황에서 촉매의 내구(안정)성이 약 4배 향상되었다. 특히, 연구진은 활성물질을 안정화시키는 재료설계 기법을 사용하여, 고온에서 대기 중으로 활성물질이 증발될 수 있는 가능성을 획기적으로 줄인 친환경 촉매를 개발했다고 밝혔다. 

<그림 1> 개발된 촉매 관련 key idea의 illustration: (a) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 화학반응식 도식, (b and c) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 촉매점들 위에서 NOX와 NH3의 변환과정 도식, (d) 주촉매점으로 적용 가능한 구리바나듐산염들 도식 (Cu1: Cu1V2O6; Cu2: Cu2V2O7; Cu3: Cu3V2O8; Cu5: Cu5V2O10), (e) 안티모니게 조촉매점 및 비바람직한 반응부산물 ((NH4)2SO4, (NH4)HSO4, H2SO4)의 형성 관련 화학반응식 도식

 

KIST 김종식 박사는 “이번 연구를 통해 촉매구조 개량을 통하여 저비용으로 대량생산이 가능한 촉매를 개발했다. 독성의 촉매성분 승화가 억제되었고, 상대적으로 저온인 250 °C 이하에서 기존의 상용촉매 대비 향상된 성능과 효율을 보이며, 촉매의 내구(안정)성 또한 향상되는 장점들이 있다.”고 밝혔다. 연구책임자인 하헌필 박사(본부장)는 “본 연구에서 개발된 촉매를 발전소·자동차 등에 실제 장착 및 상용화를 위해 노력할 것이며, 현재 촉매 성능의 향상을 위한 촉매성분 최적화 연구를 진행 중이다.”라고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 미래소재 디스커버리사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재되었다. 
  
* (논문명) Exploration of surface properties of Sb-promoted copper vanadate catalysts

               for selective catalytic reduction of NOX by NH3 
            - (제1저자) 한국과학기술연구원 김종식 선임연구원
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 하헌필 책임연구원

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요


웨어러블 기기에 활용될 세계 최고 성능의 고신축 전극 개발
- 하이드로겔-고무 복합소재와 은(Ag) 전극 결합, 최대 18.8배 늘어나도 작동
- 향후 전자 피부(e-skin), 부착형 의료기기 등

웨어러블 기기와 소프트 로봇 분야 활용 기대 
       
다가오는 4차 산업혁명시대에는 구부리거나 늘릴 수 있는 전자기기들이 쏟아져 나올 것으로 예상하고 있다. 이러한 차세대 웨어러블 전자장치의 기반이 될 전자피부(e-skin)는 피부에 부착되어 사용되기 때문에 유연성과 부착성, 착용감이 매우 중요하다. 이것을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로 변형이 자유자재로 가능한 유연성 전극(전도체)의 개발에 관심이 모아지고 있다. 

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 홍재민) 홍재민 박사팀은 하이드로겔-고무 복합소재와 은(Ag) 전극을 결합하여 고신축 전극을 개발하였다고 밝혔다. 최대 18.8배까지 늘어나도 성능을 유지하는 이 전극은 세계 최고 성능을 기록하여 복합소재 연구계의 주목을 받고 있다.

<그림1> (왼쪽) 1780%까지 늘어난 유연전극 (오른쪽) 유연전극을 이용한 전자 패치 (아래) KIST 패턴의 전극을 LED에 적용

유연성 전극은 변형됨에 따라 전기적 특성을 얼마나 유지하느냐가 중요한 관건이며, 이러한 전기적 특성에 유리한 금속 물질을 유연하게 만들기 위한 연구가 많이 보고되고 있다. 유연소자의 기본 핵심인 유연전극을 만드는 방법 중에서 프린팅 기법은 비용적인 측면에서 각광받는 기술이다. 프린팅 기법에 사용되는 잉크는 유연 전극을 형성하여 늘어나게 되어도 성능을 유지해야 하므로, 금속 마이크로 입자에 잘 늘어나는 고분자를 섞어서 잉크 형태로 만든다. 또한, 전기 전도성을 유지하기 위해 은(Ag), 금(Au) 같은 금속물질을 이용한 복합체를 함께 사용하게 된다.

 

일반적으로 프린팅이 가능한 유연성 전극들은 PDMS(polydimethylsiloxane), ECOFLEX*과 같은 실리콘 계열의 신축성 고무 기반 위에서 만들어진다. 그러나 이러한 경우, 피부나 여러 인체 조직들보다는 변형률이 낮아 착용감이 좋지 않은 단점을 가지고 있었다.
* PDMS, ECOFLEX : 기존에 쓰이는 실리콘 계열의 신축성 고무

 

기존에 일반적인 방식으로는 하이드로겔 위에 은(Ag)과 같은 금속기반의 물질을 프린팅하는 것이 불가능했다. 본 연구진은 피부‧인체조직과 변형률이 유사하면서도 매우 잘 늘어나는 하이드로겔** 위에 고무를 얇게 코팅하여 은(Ag) 잉크를 결합하는 방법을 개발하였다. 본 연구진은 표면처리 기법을 이용하여 고무(ECOFLEX)를 머리카락 두께의 반 정도인 30 μm(마이크로미터, 십만분의 1(100000/1)cm)의 두께로 만든 하이드로겔-고무 복합체 위에 프린팅 기술을 적용하여 고신축 전극을 제작하였다.
**하이드로겔 : 일반적으로 기저귀, 콘택트렌즈, 의료용 전극에 많이 쓰이고, 특수한 용도로는 성형재료나 토양 수분 저장용, 화상 상처용 붕대류에 쓰임

 

이번에 개발된 고신축 전극은 사용자가 원하는 패턴으로 프린팅 할 수 있기 때문에 대면적 회로형성에도 유리한 점이 있으며, 기존과 다르게 변형률이 매우 높은 고신축 기판 위에 만들어졌기 때문에 인체에 부착하는 전자 피부로 사용할 경우 훨씬 더 편안한 착용감을 줄 수 있다는 장점이 있다. 또한 기존 유연 전극들의 세계 최고 기록은 5~6배 정도였으나, 연구진이 개발한 은(Ag) 잉크 고신축 전극은 기존 대비 18.8배 늘어나는 성능을 보였으며, 이는 현재까지 보고된 유연전극 중 세계 최고 기록이다.

 

KIST 홍재민 박사(전북분원장)은 “향후 이 기술은 전자 피부와 부착형 의료기기 등 다양한 분야에 접목돼 웨어러블 기기와 소프트 로봇 혁신에 기여할 것으로 전망된다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 산업통상자원부(장관 백운규)가 지원한 산업핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부(장관 유영민)가 지원한 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료 과학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF: 19.791, JCR 랭킹 상위 1.027%)에 게재되었다.

 

  * (논문명) ‘Ultra-stretchable conductor fabricated on skin-like hydrogel-elastomer hybrid

                  substrates for skin electronics’
                - (제1저자)  한국과학기술연구원 김선홍 (연구원)
                - (교신저자) 한국과학기술연구원 홍재민 박사(책임연구원, 전북분원장)

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

인간의 눈처럼 작동하는 인공 생체소재 개발


  - 인간의 시각과 유사한 빛 감지 능력을 갖는 ’인공 광수용체’ 최초 구현
  - 향후 광수용체 손상 망막 질환치료의 첫 걸음을 내딛는 연구에 기여

 

인간의 눈은 신체 오감 중 가장 중요한 기관 중 하나로, 손상 시 치명적인 영향을 주는 감각 기관이다. 사고를 통한 장애나, 황반변성, 당뇨성 망막증 등의 질환에 의해 의학적으로 시력의 회복이나 복원이 불가능한 상태가 될 수 있다. 손상된 망막을 대체하기 위한 기술로 ‘인공망막’ 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 시각 질환자에게 이식하여 시력을 일부 회복시키기 위한 노력이 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 망막 내에 구성 단백질인 광수용체를 인공적으로 제작하여 일반인의 시각 기능과 유사하게 빛을 인지할 수 있는 소재를 개발했다고 밝혔다.

김재헌 센터장박태현 박사송현석 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 김재헌 박사(센터장)팀은 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 이광식) 송현석 박사 및 서울대 박태현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 빛 인지 뿐 아니라 색까지 구분 할 수 있는 인공 생체 소재 개발 및 특성 분석에 성공했다. 망막에서 빛을 인지하는 단백질인 광수용체 단백질을 생산하고 그래핀 소재와의 결합을 통해 인공 광수용체가 인지하는 광학적 신호를 전기화학 신호로 측정 및 분석 하였다. 
 

(좌) 인간 광수용체 (녹색)를 생산하는 세포 (중) 위 세포를 이용하여 나노 크기 소포 (vesicle) 형태로 생산한 인간 광수용체 (우) 그래핀 표면에 인간 광수용체를 적층하여 제작한 신소재


인간의 눈에 있는 망막은 원추세포와 간상세포로 구성되어 있다. 원추세포는 빛의 3원색인 빨강, 초록, 파란색의 빛을 각각 흡수하는 광수용체 단백질을 이용하여 가시광선을 흡수하고, 간상세포는 광수용체 단백질을 이용하여 주로 명암을 구분하는 기능을 하여 사물 인지와 색 인지 기능을 수행한다.

 

이번 연구는 인간 광수용체 단백질 4종을 인공적으로 생산한 후, 생체물질과의 결합 친화성이 높고 전기화학적으로 예민한 특성을 지닌 그래핀과 결합하여 이 소재가 빛을 흡수하여 일으키는 생화학적 변화를 전기화학적 신호로 포착하여 특성을 분석하는 내용이다. 

[그림 2] 빛의 3원색인 파란색 (1SW), 녹색 (1 MW), 붉은색 (!LW) 빛을 흡수하고 주로 명암을 구분 (Rho)하는 인간 광수용체 단백질 4종을 각각 활용하여 제작한 인공 생체 소재가 인간의 망막과 유사하게 빛을 인지하여 색을 구분하는 것을 보여주는 가시광선 영역 빛 감지 스펙트럼 결과

연구진은 인간 광수용체를 인공적으로 세포내에서 생산하였고, 그래핀 소재 표면에 적층을 성공하여 인간 광수용체 단백질 기반 인공 생체 소재를 세계 최초로 구현하였다. 본 연구진이 개발한 생체 소재는 가시광선 빛에 대해 인간의 빛 감지 스펙트럼과 매우 유사한 스펙트럼으로 반응하는 모습을 보였고, 따라서 이 소재는 빛의 3원색인 붉은색, 초록색, 파란색 빛과 명암을 인지하는 인간 눈 특성과 유사하게 가시광선의 빛을 색깔별로 구분할 수 있는 것이다.

 

본 연구는 순수 국내 연구진의 연구에 의한 원천 기술로 향후 망막 질환으로 고통 받는 환자들의 치료를 돕기 위해 활용 될 수 있으며 장기적인 연구를 기획하고 진행하고 있다.


KIST 김재헌 박사(센서시스템연구센터장)는 “이번에 개발한 인공 생체 소재는 순수 국내 연구진에 의해서 개발된 생명공학과 광학 분야의 융합 원천 기술로 향후 망막 질환 해소를 위한 소재로 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.


KBSI 송현석 박사는 “이번에 개발된 생체 소재는 인간 시각을 가장 가깝게 모방할 수 있는 소재로, 향후 시각 질환 환자에 적용 가능한 인공 망막으로 개발될 경우 인간의 망막과 비슷하게 작동하여 기존 인공 망막 기기보다 훨씬 효율적일 것으로 전망한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부지원(장관 유영민)으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’ (IF: 19.791,  JCR 분야 상위 1.027%) 최신호에 게재되었다.
  

 * (논문명) Artificial Rod and Cone Photoreceptors with Human-like Spectral Sensitivities
          - (제1저자) 연세대학교 박병호 박사과정
          - (공동 제1저자) 서울대학교 양희홍 박사
          - (교신저자) KIST 김재헌 박사, KBSI 송현석 박사, 서울대학교 박태현 교수

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

‘스커미온’을 자유롭게 쓰고 지우는 기술,
차세대 초저전력 스핀 메모리 구현의 열쇠 찾았다. 


 - KIST 연구진, 전류 이용한 ‘스커미온’의 쓰기/지우기 기술 세계 최초 개발
 - 삼성미래기술육성사업 선정과제 수행, 향후 초저전력 스핀 메모리 구현 및  
   상용화에 기여

 

<그림 1> 전기적인 방법으로 생성된 스커미온의 모식도

 

2009년 처음 발견된 소용돌이 모양의 스핀 구조체인 ‘스커미온(Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 기존 연구에서는 스커미온 상태를 형성하고 없애기 위해서 외부 자석을 이용한 자기장 인가가  필요했다. 따라서 외부 자기장 없이 전기적인 방법으로 개개의 스커미온을 쓰고 지우는 기술 개발이 가장 필수적으로 요구되어왔으며, 이것은 향후 실제 스커미온 기반의 메모리, 논리소자 등의 전자 소자 구현을 위한 열쇠가 될 것으로 예상해왔다. 
*스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 전기적인 방법으로 개개의 스커미온을 쓰고(Creation) 지우는(Deletion), 스커미온 기반 전자소자 구현의 핵심기술을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 특히 스커미온이 형성되고 사라지는 과정에서 나타나는 독특한 물리학적 거동을 밝혀냄으로서, 스커미온의 위상학적 특성을 외부 전류를 이용하여 자유롭게 조절 가능하다는 것을 최초로 증명하였다고 밝혔다.

 

실제 스커미온을 사용하여 전자 소자를 구동하기 위해서는 정보의 가장 기본단위가 되는 개개의 스커미온을 원하는 위치에 원하는 개수만큼 쓰고 지울 수 있어야 한다. 현재까지의 보고된 연구에서는 외부 자석을 이용하여 자기장을 인가하는 방법으로만 스커미온 상태를 형성하고 변화시킬 수 있었고, 이러한 방법은 전자 소자에 적용이 불가능해 명확한 한계를 가지고 있었다.

 

우성훈 박사송경미 박사과정

 

KIST 우성훈 박사팀의 이번 연구는 현재 학계에서 매우 큰 관심을 받고 있는 스커미온을 쓰고/지우는 기술을 세계최초로 개발함으로서 실제 메모리, 논리소자 등의 전자소자에 적용되기 위한 가장 큰 기술적인 난제 중 하나를 해결한 중요한 결과이다. 향후 이 기술을 발판 삼아 스커미온 기반의 초저전력 전자소자 구현을 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 평가받고 있다.

 

KIST 우성훈 박사는 “이번 연구로 스커미온의 기술적 난제 중 하나를 해결하여 기쁘다.”라고 소감을 밝히며, “연구팀이 기존에 발표한 ‘상온 스커미온 형성기술’, ‘스커미온 고효율 이동 기술’ 등에 본 기술을 접목하여 실제 스커미온 기반의 초저전력 스핀 메모리 소자 구현을 빠른 시일에 이룰 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

 * (논문명) Deterministic creation and deletion of a single magnetic skyrmion observed by

               direct time-resolved X-ray microscopy
          - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원  
          - (공동 제1저자) 숙명여자대학교 송경미 박사과정

 

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

우리 몸 운동능력 조절하는 소뇌, 
비신경세포가 소뇌에 관여하는 매커니즘 밝혔다.     
 
 - KIST-단국대 공동연구팀, 비신경세포(별세포) 속 전달물질의 신경활성 조절기능 규명
 - 소뇌 운동능력에 직접적 관여, 향후 뇌 손상으로 인한 운동 장애 및 질병 치료 기대

 

소뇌(Cerebellum)는 우리 몸의 평형유지 등에 관여하는 정밀한 제어기관으로, 운동 능력과 밀접하게 관련이 있다. 따라서 소뇌의 기능저하는 보행, 운동, 손의 움직임 등에 장애를 가져올 수 있고, 안구운동, 언어구사의 문제와도 연결되어있다고 알려져 있다. 이렇듯 소뇌의 신경세포가 손상되거나 신호전달이 이루어지지 않으면 운동신경 및 인지기능에 장애가 올 수 있다. 최근 국내연구진이 소뇌의 운동능력에 관여하는 신경세포의 역할 외에도, 비신경세포에서 나온 억제성 전달물질이 신경세포의 활성을 조절하여 운동 능력에 관여한다고 밝혔다. 

 

이창준 박사윤보은 교수

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 신경교세포연구단 이창준 박사 연구팀은 단국대학교 윤보은 교수팀과의 공동연구를 통해 뇌의 비신경세포인 ‘별세포’*에서 합성되어 지속적으로 분비되는 ‘가바’**라는 물질이 신경세포의 활성을 조절하고 나아가 운동 능력에 관여하는 것을 세계 최초로 밝혔다. 
*별세포(Astrocyte) : 신경세포 주변의 비신경세포. 비신경세포(Glia)에서 가장 큰 비중을 차지하는 세포로 뇌와 척수에 존재하는데, 별모양을 하고 있어 별세포라 일컬어진다. 신경세포의 이온농도 조절, 노페물 제거, 식세포작용 역할
 **지속적 가바(Tonic GABA) : 신경계의 균형을 유지하는데 중요한 물질. 신호를 전달하는 물질 중 억제성 물질인 가바는 다양한 작용방식으로 분출되는데 그 중 지속적 가바는 비신경세포에서 지속적으로 분비되어 지속적 가바로 불린다.  
 

<그림 1> 소뇌에서 지속적 가바의 증가와 감소 지속적 가바의 분비의 채널을 담당하는 Best1이 결손된 마우스에서 지속적 가바가 현저히 감소됨을 확인하였고 (좌), 지속적 가바의 합성을 담당하는 효소인 MAOB가 별세포에서는 특이적으로 과발현되게 유도한 마우스에서는 지속적 가바가 증가함을 확인하였다 (우).<그림 2> 지속적 가바의 증가와 감소에 따라 조절되는 소뇌의 시냅스 전달 지속적 가바의 분비가 저해된 Best1 KO 마우스에서는 소뇌 신경세포의 발화 빈도가 증가해(붉은색 라인 증가) 신경전달이 원활하게 이루어졌고, 지속적 가바가 증가한 GFAP-MAOB 마우스에서는 반대현상이 나타나는 것을 소뇌의 MF-PC 시냅스 (좌) 및 PF-PC 시냅스에서 확인하였다.

   
KIST 이창준 박사팀은 소뇌 속의 비신경세포인 별세포가 억제성 신호전달 물질인 가바를 생산하고 분비하는 역할을 하며, 비신경세포에 항상 존재하는 ‘지속적 가바’는 뇌 내 흥분과 억제의 균형 유지에 필수적인 기작으로 소뇌 신경세포의 흥분 정도, 신호전달, 시냅스의 환경에 따른 구조 ·기능적 변화 등을 조절한다는 것을 확인하였다. 또한 동물 행동실험을 통해 이것이 소뇌의 주기능인 운동조절기능에 기여한다는 것을 밝혔다.

 

 

<그림 3> 비신경세포 유래 지속적 가바의 소뇌의 운동능력 조절 양상 생쥐의 행동실험 장치 모형으로 원형의 회전하는 장치위에서 생쥐가 떨어지는 시간을 측정, 시간이 길수록 운동능력이 향상되는 것을 의미한다. 지속적 가바 분비가 저해된 Best1 KO 마우스와 지속적 가바의 합성이 저해된 MAOB KO 마우스에서 운동조절능력이 향상됨을 확인하였고, 별세포 특이적으로 MAOB의 과발현을 유도하여 지속적 가바 분비가 비정상적으로 늘어난 GFAP-MAOB 마우스에서는 운동조절능력이 감소됨(네번째 그래프)을 확인하였다.

 

연구진은 실험을 통해 실험쥐에게 저해제를 먹여 ‘지속적 가바’의 생산을 감소시킨 쥐와 유전자 변이를 통해 ‘지속적 가바’를 분비하는데 문제가 생긴 쥐는 운동조절이 향상된 반면, ‘지속적 가바’의 생산을 비정상적으로 증가(활성화)시킨 쥐는 운동능력 감소 및 조절기능이 떨어진 것을 확인했다. 또한, ‘지속적 가바’의 생산이 감소된 쥐의 경우 대조군에 비하여 30~60% 까지 운동 능력이 향상되었으며, ‘지속적 가바’가 과잉 증가된 경우에는 대조군에 비하여 운동능력이 40%정도 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

 

본 연구는 KIST 연구진이 사이언스지(2010년), 세계생리학회지(2014년)에 발표한 연구결과에 대한 후속연구로, 선행 연구들을 통해 비신경세포에서 억제성 신경전달물질인 가바가 분비되고, 합성된다는 연구 결과를 발표한바 있다. 연구진은 이를 바탕으로 기존 연구 결과에서 생리적 기능에 대해 보고된 것이 없는 ‘지속적 가바’가 뇌에서 신경세포의 활성과 신호전달에 미치는 영향을 밝혔고, 그것이 운동조절이라는 생리적 역할과 직접적 연관이 있다는 것을 규명하여 비신경세포가 뇌 기능 조절에 중요하게 작용함을 밝혔다.

 

KIST 이창준 박사는 “현재 소뇌의 손상 및 퇴화와 관련된 운동장애는 추가적인 손상을 늦추거나 장애의 진행을 막는 정도의 치료가 이루어지고 있다. 본 연구를 바탕으로 소뇌 운동실조증으로 인한 운동질환(보행장애, 균형장애)과 흥분·억제 균형 이상으로 발생한 질환(안구운동 장애 등)에 대해 보다 적극적이고 근본적인 치료가 가능할 것으로 전망한다”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 뇌과학원천기술개발사업, 리더연구자사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.) (IF : 10.4, JCR 상위 : 5.469 % ) 최신호에 게재되었다.

 

* (논문명) Control of motor coordination by astrocytic tonic GABA release through modulation of excitation/inhibition balance in cerebellum
        - (제 1 저자) 한국과학기술연구원 우준성 박사
        - (교신 저자) 한국과학기술연구원 이창준 박사, 단국대학교 윤보은 교수

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요