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한국기계연구원은 자체 발간한 월간 정책분석지 '기계기술정책' 6월호에서 곽기호 선임연구원이 작성한  '대만 기계산업 동향 분석'을 분석한 결과, 대만 기계산업의 대중(對中) 수출 증가율이 지난 2011년 1월 중국과 대만 간의 경제협력기조협정(ECFA)이 EHP를 통해 조기 실시된 후 우리나라를 앞선 것으로 나타났습니다.

또 주요 품목에서의 수출경합도도 심화되고 있어, ECFA 후속 협상 타결 이전 우리나라 기계산업의 대응책 마련이 시급한 것으로 분석됐습니다.

보고서에 따르면 대만 기계산업 생산액은 2011년 기준 약 327.5억 달러로 우리나라의 약 1/3 수준이나, ECFA EHP 실시에 힘입어 對中 수출액은 2010년 대비 22.0% 증가한 71.5억 달러를 기록해 2004년 이후 최고 수준의 증가율을 보였습니다.

같은 기간 우리나라의 대중 수출액도 17% 증가하였으나 대만의 증가세에 뒤쳐졌으며, 2012년 상반기 중국의 경기 둔화 속에서도 대만의 對中 수출(1월~5월)은 24.8억 달러로 전년 동기 대비 19.5% 떨어졌습니다.

특히 기계산업 세부 품목 가운데 섬유기계, 공작기계류, 밸브, 동력 전달장치, 비전기식 기계류 부품 등은 이미 우리나라보다 對中 수출 규모가 크고 점차 수출 경합도가 심화되고 있어, 향후 ECFA 후속 협상 타결 시 국내 관련 업계가 어려움에 봉착할 가능성이 높은 것으로 나타났습니다.

이 보고서는 ECFA 후속 협상에 따른 관세 인하 효과가 더욱 커지기 전에 중국 현지화 전략 강화와 제품 서비스 통합 솔루션 제공을 통한 차별화, 고객선 유지 확보 노력 등이 강화되어야 함을 제시했습니다.

또 중국시장 진출 시 대만 기업을 활용하고, 풍력발전, 태양전지 등의 신재생에너지 분야에서 중국과 기술 협력을 하는 방안도 고려해야 할 것으로 분석했습니다.

 

 용 어 설 명

ECFA(Economic Cooperation Framework Agreement, 중국-대만 양안간 경제협력기조협의)
중국과 대만이 양안 간 경제협력 확대 및 통합을 목적으로 2010년 6월 29일 서명한 FTA 협정

EHP(Early Harvest Program, 조기수확프로그램)
협정 전체가 발효되기 전에 관세 양허가 가능한 일부 제품부터 조기에 무관세화    하는 조치

수출경합도(Export Similarity Index)
양국의 수출상품구조가 유사할수록 경쟁가능성이 높다는 가정 하에 특정시장에 대한 양국 수출상품구조의 유사성 정도를 계량화한 지수

 


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차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재나 사용목적, 효율 등에 따라 기술이 세분화됩니다.

그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 현재 상용화된 실리콘이나 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고, 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광 받고 있습니다. 

염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체 전해질을 주로 사용하는데, 액체 전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발하기 때문에 고체 전해질로 대체하기 위한 연구가 진행 중입니다.

■ 연세대 김은경, 김종학 교수팀이 나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기를 만드는 태양전지를 개발했습니다. 

이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수하여 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이 특징입니다.

연구팀은 나노미터 크기의 미세한 구멍을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했습니다.

이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입하여 빛 수확기술(Light Harvesting)을 활용했다는 점이 특징입니다.

빛 수확기술은  태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 핵심 기술로, 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증되었습니다.

그러나 연료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 어려움이 많았습니다.

전도성 고분자와 고분자 전해질은 전도도가 높고, 기존의 염료감응형 태양전지의 액체전해질 단점을 극복할 수 있는 장점이 있지만, 대부분의 고분자는 크기가 크기 때문에 햇빛이 태양전지의 무기나노입자 사이의 구멍으로 침투할 수 없어 효율이 높은 태양전지 개발에 어려움이 있었습니다.   

특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 나노크기로 작게 패터닝하여 광전극을 만들고, 흡수되지 못해 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확하여 광전변환효율을 극대화시켰습니다.

PDMS 탄성체 스탬프를 이용한 나노패터닝 프로세스 및 대면적 광전극. (왼쪽 세 개의 그림) 나노 스탬프를 이용하여 패터닝을 하여 좋은 빛 반사특성을 갖는 광전극 제조. 여러 개의 나노스탬프를 이용하여 대면적의 광전극(400 cm2)을 만든 실제 사진. 여러 개의 스탬프나 큰 면적의 스탬프를 이용하여 더 넓은 면적의 광전극과 태양전지 모듈을 만들 수 있는 가능성을 제시하였다.


■ 연구팀의 기술은 기존 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 패턴장비와 노광장비가 필요한 공정에 비해 매우 간단해졌습니다.

또 스탬프의 크기와 개수를 조절하여 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능합니다.

아울러 마이크로미터에서 수백 나노미터까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하고, 이 기술을 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있습니다. 

연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 보이고 있습니다.

또 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2~3%의 낮은 효율을 보이는 반면 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면 7.03%의 높은 광전효율을 나타내고 있습니다.

연구팀은 이번 연구에 앞서 지난해 처음으로 열에 의해 중합되는 전도성 고분자 단량체를 나노크기의 구멍에 넣은 후, 그 속에서 직접 전도성 고분자를 키워 그것을 전해질로 이용해 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발한바 있습니다.(Advanced Materials 지, 23, 1641-1646, 2011, 인용지수: 13.877) 

이번 연구는 연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사, 고종관, 김병관 박사과정생이 참여했습니다.

연구결과는 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed., IF=13.455)'지 7월 9일 온라인판에 속표지논문으로 게재되고, 'Hot Paper'로 선정되었습니다.     
(논문명 : Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells)

나노패턴이 형성된 광전극이 들어오는 빛을 흡수하여 전기로 변환시키고, 흡수되지 못하고 투과되는 빛을 반사시켜 다시 전기에너지로 바꾸는 그림 (왼쪽아래). 20 나노미터 크기의 티타늄 산화물을 300 나노미터 크기의 패턴으로 만든 주사전자현미경 사진 (돋보기 안). 결함 없이 대면적 패턴이 가능함을 보여주는 주사전자현미경 사진 (둥근 바탕화면). 전도도가 높은 전도성 고분자를 의미하는 그림 (화학구조)

 

<연 구 개 요>

Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light   Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells
Jeonghun Kim†, Jong Kwan Koh†, Byeonggwan Kim, Jong Hak Kim*, Eunkyoung Kim* 
(Angewandte Chemie International Edition, 51, 28, 6864-6869 (2012) 7월 9일 출판)

○ 전도성 고분자와 태양전지

전도성 고분자는 전기를 흐르게 하는 기능성 고분자로서 전기로 색이 변하는 디스플레이부터 높은 전도도를 이용한 전극제조, 정공 전달 특성을 통한 LED, 태양전지 등 다양한 응용분야에 사용되고 있는 스마트 재료이다.
화학적 구조 변화를 통하여 다양한 특성을 제어할 수 있으며, 연구가 활발히 진행되고 있다.
미래 에너지 생산 기술가운데, 무한한 태양 빛을 이용하는 태양전지는 자연으로부터 많은 에너지를 얻을 수 있는 기술로서, 다양한 소재, 사용 목적, 효율에 따라 많은 기술로 세분화 되며, 상용화 및 저가화를 위해 많은 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
이중, 염료감응형 태양전지는 실리콘, 고분자 태양전지에 비해 제조가 쉽고, 단가가 낮으며 상대적으로 높은 효율을 갖기 때문에 미래 태양전지중의 하나로 각광받고 있다.
염료감응형 태양전지는 요오드(I2)를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 이 액체전해질은 고온에서의 팽창으로 인한 누출 및 낮은 안정성을 갖고, 전극의 부식과 같은 심각한 문제를 유발하기 때문에, 이를 고체전해질로 대체하기위한 기술이 활발히 진행되고 있다.
본 연구진은 열에 의해 중합이 되는 높은 전도도를 갖는 전도성 고분자를 정공전달물질로 이용하여 고체태양전지를 개발하였으며, 높은 성능을 보여주었다.
본 논문에서도 전도도가 높은 전도성 고분자를 이용하여 고체전해질로 사용하였으며, 높은 효율을 보여주었다.     

○ 빛 수확기술

최근 들어 세계적으로 태양전지 개발은 동일 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하여더 많은 전기를 생산해 낼 수 있는 기술개발에 많은 연구가 진행되고 있다.
빛 수확기술에는 나노와이어, 나노튜브, 광결정과 같은 나노구조를 이용하거나 반사필름의 부착, 산란을 일으키는 전해질 등, 빛을 효과적으로 이용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.  
나노 패턴을 이용한 빛 수확기술은 실리콘 태양전지, 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과를 증명하였지만, 태양전지의 큰 주축인 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝 해야 하기 때문에 어려움이 있었다. 

(그림 1) 나노패턴이 형성된 광전극 제조 방법. (a) 나노스탬프의 전자현미경 사진 및 실제 사진 (b) TiO2 계면 코팅 (c) 산성 TiO2 페이스트를 이용한 TiO2 층 제조. (d) 중성 TiO2 페이스트를 코팅. (e-g) 나노스탬프를 이용한 패터닝 공정.

본 연구에서는 PDMS 탄성체 패턴 스탬프를 이용하여 기존의 광전극 위에 간단한 방법으로 무기산화물 나노입자의 패턴을 효과적으로 제조하였다.
[그림 1] 기존의 광전극 제조에 사용되는 나노입자 코팅액은 입자간의 밀집도를 높이기 위하여 산성 물질이 들어있다. 산성을 띄는 물질은 PDMS 탄성체의 표면을 -OH 작용기로 바꾸게 되고, 이 작용기는 TiO2 나노입자 표면에 존재하는 -OH와 반응하여 결합을 하게 되는데, 패터닝 공정에서 건조 후 나노스탬프를 떼어 내는 공정에서 소수성 성질을 갖는 PDMS가 뜯기어 TiO2 표면에 남게 된다.
이는 광전극 패턴 공정 후 친수성 염료용액을 이용하여 염료를 흡착할 때 친수성 용액이 소수성 TiO2 표면을 통해 들어갈 수 가 없고 염료가 흡착되지 않아 태양전지를 제조할 수 없게 된다.
[그림 2d-e] 반면에 중성을 띄는 TiO2 코팅액은 PDMS 표면과 반응하지 않아 PDMS 잔류물 없이 떼어진다. 따라서 염료가 효과적으로 흡착되게 된다.
[그림 2b-c] 이 후에 전도성 고분자를 투입시켜 중합한 후[그림2 f-h] 최종적으로 요오드가 들어가 있지 않은 고체상 염료감응태양전지를 제조한다.[그림 2a] 

(그림 2) (a) 제조된 태양전지 구조. (b-c) 중성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착실험. (d-e) 산성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착. (f-h) 광전극의 나노구멍에 전도성 고분자 투입. (i) 대면적 전극 위에 나노패턴 생성 후 바로 찍은 사진. (j) 고온에서 열처리 한 후 만든 광전극. (k-l) 염료가 흡착된 빛 반사특성을 가지는 대면적 광전극.

○ 나노 패턴 및 광학적 성질

본 논문에서는 주기가 600nm 이고 패턴 사이즈가 300nm 인 나노패턴 형성을 목표로 하였으며, 최적 패턴사이즈를 빛 반사 성능을 수식으로 부터 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

(그림 3) (a) 산성페이스트로 만든 광전극 표면 전자현미경 사진. (b-c) 산성페이스트로 만들어진 광전극위에 중성 페이스트를 이용하여 만든 나노패턴 단면 및 표면 전자현미경 사진. (d-e) 그림 b-c의 확대 전자현미경 사진. (f) 나노스탬프를 재사용하여 만든 나노패턴 전자현미경 사진. (g-h) 나노스탬프의 원자현미경 사진. (i-j) 나노패턴이 형성된 광전극의 표면 원자현미경 사진.

그림 3과 같이 전자현미경과 원자 현미경을 이용하여 나노스탬프와 패턴이 형성된 나노입자를 확인하였다.
고온에서 열처리 중에 유기물이 타면서 패턴 사이즈가 원래 사이즈에서 조금 줄긴 하였지만, 주기는 600nm로 유지하고 있음을 확인하였으며, 결함 없이 나노 선 패턴이 성공적으로 형성되었음을 확인하였다.
본 연구진은 마이크로부터 수백 나노 크기의 패턴까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다는 것을 실험을 통해 밝혔다.
또한 사용한 스탬프는 계속 재사용할 수 있다는 것을 확인하였으며[그림 3f], 이를 통해 대량생산 공정에도 적용 가능함을 보여주었다.

(그림 4) (a) 빛의 반사를 이용한 빛 수확기술의 모식도. (b) 나노패턴이 있는 전극과 없는 전극의 반사율 측정. (c) 제조된 염료감응태양전지의 단면 전자현미경 사진. (d) 전도성 고분자의 효과적인 침투를 확인하기 위한 염료감응태양전지의 단면 SEM-EDS 사진 (원소분석). (e) 제조된 태양전지의 전압-전류 그래프. (f) 제조된 태양전지의 양자효율 측정 그래프.


그림 4a는 광전극의 투명한 성질 때문에 광전극에서 모두 흡수되어 사용되지 못하고 나가는 빛이 나노패턴에서 반사되어 다시 광전극으로 들어와 흡수되어 빛이 수확되는 "빛 수확 (light harvesting)" 현상을 보여준다.
그림 4b에서 보는 바와 같이 나노패턴이 형성된 광전극은 가시광선 전 영역에서 기존의 광전극 보다 2배 가까운 빛 반사특성을 보여 기존의 염료감응형 태양전지가 모든 빛을 다 사용하지 못하고 투과시켜 버려지는 빛을 수확할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 전도성 고분자가 메조포러스 기공에 효과적으로 침투된다는 것을 SEM-EDS를 통해 확인할 수 있었다.[그림 4c-d]

○ 태양전지의 효율 및 다양한 응용가능성

패턴이 형성된 태양전지는 패턴이 없는 태양전지보다 전류밀도가 40% 증가하였으며, 전체적으로 태양전지 광전변환효율은 33% 증가하였다.
[그림 4e-f] 나노패턴만을 이용하여 이정도의 효과는 보고된 바는 없다는 사실에서 효과적인 기술임이 입증되었다. 

이 기술은 나노입자를 효과적으로 마이크로사이즈로부터 나노사이즈까지 이르는 패터닝 공정을 제시한 것으로써, 다양한 염료, 전해질, 무기 나노입자, 재료를 사용하는 염료감응형 태양전지뿐만 아니라 하이브리드 태양전지 및 다양한 광전소자에도 응용될 수 있으며, 패턴의 사이즈와 개수를 늘려 대면적화가 가능하고 나노스탬프를 계속적으로 사용될 수 있기 때문에 대량생산 및 모듈화가 가능한 나노패터닝 공정을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다.

 

 용  어  설  명

염료감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)
염료(색소)를 이용하여 태양 빛을 전기로 바꾸는 태양전지

전도성 고분자 (Conductive Polymer)
전기를 흐를 수 있게 하는 고분자이며, 공액구조 길이와 단분자 구조에 따라 광전특성이 제어되는 가볍고 유연한 전자 소재임. 디스플레이, 투명전극, 태양전지, 발광소자 등에 두루 사용되고 있는 핵심 기능성 고분자.

광전변환 효율 
빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산할 수 있음

전도성 고분자 
전기를 흐를 수 있게 하는 고분자로서, 태양전지 개발에 핵심이 되는 기능성 고분자

패터닝(patterning)
일정한 크기와 형태를 갖도록 만드는 작업

빛 수확기술(Light Harvesting)
태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하고 이용하여 더 많은 전기를 생산하는 태양전지의 효율 증대를 위한 핵심기술

중합(polymerization)
단량체 화학반응으로 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응 

단량체(monomer)
고분자화합물을 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질

Angewandte Chemie International Ed. 
응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지 ,전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

Advanced Materials 
재료과학 연구분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 화학 (Chemistry)과 융합(Multidisciplinary)분야에서 3.9%(6위/152개) 이내 재료과학(Materials Science)과 융합(Multidisciplinary)분야 2.6%(6위/231개)안에 든다. (피인용지수: 13.877) 

Advanced Functional Materials
재료과학 연구분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 화학 (Chemistry)과 융합(Multidisciplinary)분야에서 6.5%(10위/152개) 이내  재료과학(Materials Science)과 융합(Multidisciplinary) 분야 4.3%(10위/231개)안에 든다. (피인용지수: 10.179)

 
<광전극 제조 프로세스 동영상>

1. 동영상 #1: 나노스탬프를 이용한 나노패터닝
링크:http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm 
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=YXZ0aTYrWVlQV3FBRlJ5WHd2VWtXQT09.avi

2. 동영상 #2: 결함 없는 탈착공정
링크 :http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=eWQ5clM2YUlsTzVrTUhjT0JSTXgxdz09.avi

3. 동영상 #3: 나노패턴이 형성된 대면적 광전극
링크:http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=S3NuMlBVN21weDlLb0FPSUEvOUVEdz09.avi

 

<김은경 교수>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과                   
 ○ home-page: http://web.yonsei.ac.kr/eunkim    http://web.yonsei.ac.kr/APCPI

2. 학력
 ○ 1978 - 1982  연세대학교 화학과 학사    
 ○ 1982 - 1984  서울대학교 화학과 석사   
 ○ 1985 - 1990  미국 University of Houston, 화학과 박사

3. 경력사항
 ○ 1990 - 1992  University of Houston, 화학과, Visiting Assistant Professor
 ○ 1992 - 2004  한국화학연구원, 화학소재부, 책임연구원
 ○ 2004 - 현재  연세대학교 화공생명공학과 교수   
 ○ 2004 - 현재  Adjunct Principal Research Scientist, KRICT
 ○ 2006, 2007, 2009  Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Cachan,   Paris-6 Univ., Rennes Univ., France 
 ○ 2006 - 2010 나노기술을 이용한 바이오 융합사업 혁신클러스터, 센터장
 ○ 2007 - 현재  ERC (패턴집적형 능동폴리머 소재연구센터) 센터장 
 ○ 2012 Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Lyon, France

4. 전문 분야 정보
 ○ 교육과학기술부?한국연구재단 선도연구센터(ERC) 센터장 (2007 - 현재)
 ○ 나노기술을 이용한 바이오 융합산업 혁신 클러스터, 센터장, (2006 - 2011)
 ○ SCI 논문 136편 및 특허 100 건 이상

5. 수상 경력
 ○ 2001 제1회 올해의 여성 과학기술자상, 과학기술부 
 ○ 2006 일본화상학회 회장특상
 ○ 2009 제4회 아모레퍼시픽(AMOREPACIFIC) 여성과학자상 대상 외 다수 

6. 주요 논문업적
- 유기합성을 기반으로 한 공액구조의 기능성고분자 합성 및 응용에 대한 연구를 지향하며, 특히 전도성고분자, 형광고분자를 이용한 디스플레이, 센서, 태양전지, 줄기세포 연구 등의 다양한 응용분야에 폭넓은 연구를 진행하고 있으며, 패터닝 공정을 이용한 광전기적 특성을 제어하는 연구를 활발히 진행하고 있다. Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS nano, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Macromolecules의 최상급 저널을 포함하여 136편 이상의 SCI 논문을 발표. 국내외 특허 출원 및 등록 100여건 이상.

<김종학 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과             
 ○ home-page: http://web.yonsei.ac.kr/EML

2. 학력
 ○ 1998   연세대학교 화학공학과 공학사 
 ○ 2000   연세대학교 화학공학과 공학석사
 ○ 2003   연세대학교 화학공학과 공학박사
 ○ 2005   MIT 재료공학과 박사후 연구원 

3. 경력사항 
 ○ 연세대학교 화학공학과 공학사 (1998)
 ○ 연세대학교 화학공학과 공학석사 (2000)
 ○ 연세대학교 화학공학과 공학박사 (2003)   
 ○ MIT 재료공학과 박사후 연구원 (2005)
 ○ 연세대학교 화공생명공학과 조교수, 부교수 (2005-현재)

4. 전문 분야 정보
 ○ 2006 - 현재: 한국 막학회 학술이사, 편집이사, 기획이사
 ○ 2007 - 현재: 한국 화학공학회 NICE지 편집위원
 ○ 2011 - 현재: 한국 광과학회 이사
 ○ 2012 - 현재: 한국 청정기술학회 이사
 ○ 2007년 연세대 우수강의 교수상 
 ○ 2009년, 2011년 연세대 우수업적 교수상 
 ○ 2011년 한국막학회 논문상 수상

 5. 주요 논문업적
- 신에너지 전기화학 소재 분야와 (태양전지, 연료전지, 리튬전지 등), 기능성 고분자, 유무기 나노소재, 나노 복합체, 고분자 전해질, 나노입자 그리고 나노 분리막 분야의 연구를 지향하며, Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Journal of Physical Chemistry, Macromolecules, Journal of Membrane Science 등 총 160여 편 게재. 국내외 특허 출원 및 등록 50여건. 

 

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<한국항공우주연구원 제공>

나로호 3차 발사가 오는 10월로 확정됐습니다.

교육과학기술부는 19일 제5차 ‘국가우주위원회’를 열고 한국항공우주연구원이 제출한 ‘나로호 3차 발사 계획서’에 대해 원안대로 심의·의결했습니다.

그동안 한국항공우주연구원은 지난 나로호 1, 2차 발사 실패 원인을 분석해 나로호 상단부의 보완 조치를 완료했습니다.

또 지난 5일 이송준비 검토회의를 갖고 나로호 상단부를 전남 고흥 나로우주센터로 이송하기 위한 최종 점검을 완료한 상태입니다.

나로우주센터의 발사대 시스템은 지난 5월부터 성능확인 시험을 수행 중입니다.

아래 사진은 지난 1차 발사 때 한 쪽 덮개가 전개되지 않았던 것을 보완한 페어링 분리 시험입니다.

<한국항공우주연구원 제공>

■ 이번 나로호 3차 발사에 탑재되는 위성은 '검증위성'입니다.

원래 나로호 실릴 위성은 과학기술위성 2호로, 만약의 경우에 대비해 동일한 규격의 2A호와 2B호가 함께 제작됐습니다.

그러나 두 차례의 발사 실패로 모두 사라졌고, 이후 3차 발사 준비까지 동일한 위성을 다시 만들 시간이 부족해 약간의 기능이 축소된 검증위성을 싣게 된 것입니다.

하지만 성능은 당초 계획된 과학기술위성 2호와 대부분 동일하다고 합니다.

현재 이 위성은 KAIST 인공위성연구센터에서 최종 조립을 마치고 성능 검증작업이 진행 중입니다.

<한국항공우주연구원 제공>

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[성명서]

연구현장 무시하는 출연연 통폐합 재추진을 강력히 규탄한다!

 

정부가 올해 초 일방적으로 추진하려다 노동조합과 연구현장 종사자들의 강력한 투쟁으로 무산되었던 출연연 통폐합을 재추진하고 있다.
정부는 7월 10일 국무회의에서 지난 18대 국회 임기 만료로 폐기된 정출연법 개정법률(안)을 다시 심의, 확정했다. 지난 2월에 정부가 일방적으로 추진했던 출연연 통폐합(단일법인화) 그대로 되살려낸 것이다.
지난 2월 이후 지금까지 연구현장의 의견 수렴과 노동조합과 소통하려는 노력 한번 제대로 하지 않고 무작정 폐기된 법률안을 되살리다니, 참으로 후안무치하고 막가파식 이명박 정부의 본색을 그대로 드러내고 있다. 
 

우리 양 노동조합, 그리고 출연연 종사자들은 지난 겨울 매서운 추위에도 불구하고 정부의 출연연 통폐합 방침에 맞서 국가과학기술위원회와 국회 앞 총력투쟁, 통폐합 반대서명, 길거리 천막농성 등 끈질기고 강력한 투쟁을 전개했다.
과학기술계에서도 반대 목소리가 드높았고, 18대 국회 여야 의원들도 정부 개정안의 내용과 섣부른 추진을 비판하고 논의 자체를 아예 하지 않았다.
그 결과 정부의 일방적인 출연연 통폐합은 사실상 일단락되었는데 정부는 불과 몇 달 전의 기억을 새까맣게 잊었단 말인가?
 

우리 양 노동조합이 누누이 주장했듯이 정부가 추진하려는 출연연 통폐합 안은 연구 현장의 의견을 무시한 채 국과위의 욕심과 지식경제부 등의 부처 이기주의가 야합한 결과물에 불과하다. 한나라당이 절대 다수를 차지했던 18대 국회에서 정부가 제출한 법률(안)을 심의조차 하지 않은 것은 정부안이 설득력을 전혀 갖추지 못하고 있으며 연구현장의 민심에 역행하고 있다는 증거이다.  

현재 출연연과 과학기술계는 올해 대선을 통하여 국가과학기술정책의 패러다임을 새롭게 할 것을 요구하고 있고, 여야 정치권에서는 과학기술 전담부처를 부활하겠다는 공약을 잇따라 제시하고 있다.
이러한 흐름은 이명박 정부의 과학기술정책 실패와 공공성 파괴에 대한 분노와 비판이 광범위하게 축적되고 있음을 의미한다.
지금은 출연연 통폐합을 다시금 추진할 때가 아니라 이명박 정부가 깊이 반성하고 출연연 종사자들에게 석고대죄할 때이다.
 

우리 양 노동조합은 정부의 출연연 통폐합 재추진을 강력히 규탄하며 즉각 중단할 것을 촉구한다.
정부가 일방적으로 강행할 경우에
우리 양 노동조합은 지난 1, 2월에 이어 다시 한번 출연연 모든 종사자들과 함께 연구현장을 망치는 정부의 획일적인 통제와 관료주의에 맞서 강력한 투쟁을 전개할 것이다.

                                                                             2012년 7월 16일

 

전국공공연구노동조합                   전국과학기술연구전문노동조합

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■ 대장균은 생명현상을 이해하기 위한 대표적인 모델로, 산업적으로도 매우 중요한 미생물입니다.

대장균 연구를 통해 의약용 단백질 등 다양한 유용 재조합단백질 생산과 석유화학을 이용해 만든 각종 화학물질을 대체하는 친환경 바이오화학제품을 개발합니다.

또 바이오에탄올 등 저탄소 신재생연료를 생산할 수 있기 때문에 대장균을 '작은 세포공장(cell factory)'이라 부르기도 합니다.

■ 최근 석유자원의 고갈과 석유화학제품의 대규모 사용에 따른 지구 환경오염 및 온난화의 문제가 심각해지면서  친환경 녹색기술 개발은 그 어느 때보다 중요합니다.

에너지원으로 이용되는 식물과 미생물 등 바이오매스를 활용해 바이오에너지와 바이오화학제품을 생산하는 고효율 맞춤형 미생물 바이오공장을 개발하기 위해서는 생체 네트워크에 대한 시스템 수준의 이해가 선행되어야 합니다.

지금까지는 대장균을 비롯한 세포공장의 유전자 정보는 물론 대사와 생리 및 기능에 대한 종합적인 정보가 부족해 무작위로 하나씩 맞춰보는 단순 시행착오 방식(trial and error)으로 연구개발이 진행됐습니다.

그러나 만일 모든 오믹스 정보를 확보한다면 산업미생물의 생체 네트워크를 이해할 수 있을 뿐만 아니라 맞춤형 유전체 설계가 가능해 각종 유용단백질, 바이오화학제품과 바이오에너지 생산에  가장 적합하고 효율적인 미생물을 개발할 수 있게 됩니다.

■ 연세대 김지현 교수, 한국생명공학연구원 윤성호 박사, KAIST 이상엽 교수 공동 연구팀이 '대장균'의 생명현상과 관련된 중요한 생체 정보, 즉 오믹스(Omics)를 규명했습니다.

오믹스 특정 세포 속에 들어 있는 생리현상과 관련된 대사에 대해 전사체와 단백질체, 형질체 등 대량의 정보를 통합적으로 분석하여 생명현상을 밝히는 학문입니다.

연구팀은 가장 많이 활용되는 대장균 B와 K-12의 각종 오믹스 정보를 확보하고, 인실리코 분석 및 검증 등 컴퓨터 모델링을 이용해 시스템 수준에서 대장균의 대사 네트워크를 재구성하고 대장균 2종을 비교 분석하는데 성공했습니다.

대장균 B 균주에 대해 유전자 암호가 mRNA로 전사되고 이로부터 단백질이 만들어져 여러 대사회로를 통해 형질로 나타나는 전 과정의 다중 생체 정보를 확보하고, 시스템 수준에서 통합적으로 분석하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 생체 네트워크를 재구성하여 확인한 것은 이번이 처음입니다.

연구결과  대장균 B 균주가 K-12에 비해 아미노산 생합성 능력이 뛰어나고 단백질분해효소가 적으며 편모가 없어, 인슐린, 섬유소분해효소(cellulase)와 같은 외래 재조합 단백질을 생산하는데 매우 적합한 특성을 가지고 있다는 사실을 밝혀냈습니다.

또한 대장균 B 균주는 단백질 분비 시스템을 2개나 보유하고 있고, 단백질 분비에 유리한 세포벽과 세포외막을 구성하고 있어 생산된 단백질을 세포 밖으로 배출하는데 유리하다는 것을 확인했습니다.

반면 K-12 균주는 고온에 노출되면 이에 대응하는 유전자를 더 많이 발현하고, 몇 가지 스트레스 조건에 덜 민감했습니다.

연구팀은 이번 연구에 활용된 대장균 B와 K-12의 유전자들이 어떻게 상호작용하는지를 분석하는 마이크로어레이 DNA칩을 제작해 국내외 연구자들에게 무상으로 제공했습니다.

이번 연구로 바이오의약, 바이오화학, 바이오에너지 등 친환경 녹색 바이오산업을 위한 기술 개발에 청신호가 켜질 전망입니다.

연구팀은 앞서 지난 2009년 다중 오믹스 정보를 이용한 시스템 수준의 분석 연구를 통해 대장균 유전체 지도 정보와 유전체 진화 양상을 국제 학술지에 게재한 바 있습니다.

이번 연구결과는  'Genome Biology(IF = 9.036)'에 온라인으로(6월 29일) 게시되었습니다.
(논문명 : Comparative multi-omics systems analysis of Escherichia coli strains B and K-12)

대장균 B와 K-12 균주의 전사체, 단백체 및 형질체 비교

대장균 B와 K-12 균주의 각종 오믹스 정보를 시스템 수준에서 통합적으로 분석하였으며 그 결과, B 균주가 우수한 아미노산 생합성 능력과 적은 수의 단백질분해효소, 그리고 편모 부재 등 재조합 단백질을 생산하는데 적합한 특성을 가지고 있다는 것과 단백질을 세포 밖으로 분비하는 시스템을 2개나 보유하고 있고 단백질 분비에 유리한 세포벽과 세포외막 구성을 가지고 있다는 것을 밝힘. 이에 비해 K-12 균주는 고온에 노출되었을 때 이에 대응하는 유전자를 더 많이 발현하고 몇몇 스트레스 조건에 덜 민감하였음

 

<연 구  개 요>

Comparative multi-omics systems analysis of Escherichia coli strains B and K-12
Sung Ho Yoon, Mee-Jung Han, Haeyoung Jeong, Choong Hoon Lee, Xiao-Xia Xia, Dae-Hee Lee, Ji Hoon Shim, Sang Yup Lee, Tae Kwang Oh and Jihyun F Kim*
*Corresponding author: Jihyun F. Kim jfk1@yonsei.ac.kr
http://genomebiology.com/2012/13/5/R37

1. 연구 배경
대장균(Escherichia coli)은 가장 집중적으로 연구된 모델 미생물의 하나로서 과학적 연구뿐만 아니라 산업적 응용을 위해 널리 사용되고 있다. 가장 많이 사용되는 대장균은 K-12와 B로서 유전적, 생화학적 연구와 더불어 바이러스(박테리오파지), 제한효소, 돌연변이, 진화 연구에 활용되어왔다.
김지현 박사 연구팀에서는 지난 2009년 장기 실험진화(experimental evolution) 모델인 REL606 균주와 재조합 단백질, 바이오연료, 바이오소재 등을 대량 생산하는데 쓰이는 세포공장(cell factory)인 BL21(DE3)의 유전체 서열을 해독하여 'Journal of Molecular Biology'에 표지논문으로 발표하였고, 장기 실험진화에서의 유전체 진화 양상을 규명하여 'Nature'지에 아티클 논문으로 게재하였다.
유전형(genotype)과 표현형(phenotype)의 관계를 밝히는 것은 생명체를 시스템 수준에서 이해하는데 필수적이다. 하지만 유전체 서열 비교만으로는 유전형과 표현형 사이의 관계에 대해 제한적인 정보밖에 제공할 수 없다. 연구팀은 이 논문을 통해 컴퓨터 모델링 기법과 접목한 다중 오믹스 데이터의 비교 분석이 유전체 서열 정보가 해독된 생명체의 형질적 특징을 파악하는 새로운 접근 방식임을 전거하였다.

2. 연구 결과
본 연구에서는 대장균(E. coli) B와 K-12 균주의 차이점을 알아내기 위해 유전체(genome), 전사체(transcriptome), 단백체(proteome), 형질체(phenome)와 같은 시스템 전체 수준에서 여러 측면으로 측정한 지표들의 총체적인 정보를 종합하여 분석한 결과를 정리하였다. 또한 대장균 B 균주의 대사 네트워크(metabolic network)를 유전체 수준에서 재구성하였고, K-12 균주와 비교할 때 B 균주에 특징적인 형질들의 유전적 근거를 in solico complementation test를 통해 동정하였다.
이 시스템 분석(systems analysis)을 통해 밝혀낸 K-12 균주와의 차이점은 B 균주가 우수한 아미노산 생합성 능력과 적은 수의 단백질분해효소, 그리고 편모 부재 등 재조합 단백질을 생산하는데 적합한 특성을 가지고 있다는 것과 단백질 분비 시스템을 두 개나 보유하고 있고 단백질 분비에 유리한 세포벽과 세포외막 구성을 가지고 있는 등 생산된 단백질을 세포 밖으로 배출하는데 유리하다는 것이다. 이에 반해 K-12 균주는 고온에 노출되었을 때 이에 대응하는 유전자를 더 많이 발현하고 몇몇 스트레스 조건에 덜 민감하였다.

3. 연구 결론
초고속 대용량 분석 기술의 발전에도 불구하고, 성격이 다른 여러 오믹스 데이터 세트에서 의미 있는 생물학적 지식을 도출하는 것은 여전히 풀기 힘든 과제이다. 이 연구에서는 다중 오믹스 정보를 통합하고 총체적으로 분석하여 대장균 B와 K-12 균주 사이의 세포 대사와 생리상의 차이점을 밝혔다.
이러한 통합적 시스템 분석 방식은 고해상도의 시스템 전체 수준 정보 및 분석 능력과 더불어 대장균 B와 K-12와 같이 매우 유사한 균주가 어떻게 뚜렷이 구별되는 형질을 보여주는지에 대한 통찰을 가능케 한다. 따라서 생명체의 생리와 대사에 대한 체계적인 이해는 이들의 배양 조건과 재조합 균주를 디자인하는데 필수적이다. 

유전체, 전사체, 단백체 정보를 통합 분석하여 도출한 B 균주의 형질

4. 기타사항
□ 연세대는 생명현상을 본질적으로 이해하기 위해서는 분자생물학, 생화학, 생명공학 등이 함께 어우러지고 나아가 NT, IT, MT 등과 융합된 시스템생물학 연구와 교육이 필요하다는 인식 아래 21세기 생명과학 시대를 주도할 우수한 인재를 양성하기 위해 지난 2008년 이과대학 생물학과와 생화학과 그리고 공과대학 생명공학과를 통합하여 생명과학기술과 의생명 분야가 융합된 생명시스템대학(http://bio.yonsei.ac.kr/)을 설립하였다.
□ 우리나라 생명공학의 메카로도 불리는 생명연(http://www.kribb.re.kr/)은 국내 유일의 바이오전문 정부출연 연구기관으로서 생명현상의 이해와 더불어 보건의료, 농업생명, 바이오소재, 환경에너지 분야의 연구개발을 통해 국민보건 향상 및 바이오산업 발전에 기여하고 있다. 또한 생명연은 국내 최고의 유전체 및 생물정보 연구 전문기관으로서 BT와 IT, NT, CT 등 융합기술 연구개발에도 선도적인 역할을 수행하고 있다.
□ 연구팀 홈페이지
 ○ 미생물유전체정보기지(Genome Encyclopedia of Microbes; GEM) https://www.gem.re.kr
 ○ 시스템생명공학연구그룹(Systems Biotechnology Research Group; SyBiRG) http:// sybirg.kribb.re.kr

 


 용  어  설  명

오믹스(omics)
세포 또는 개체 내에서 발현되는 RNA, 단백질 등 생명현상과 관련된 중요한 물질에 대하여 대사체, 단백체 등 개개의 성격이 아닌 각 통합적으로 분석하여 생명현상을 밝히기 위한 학문
 * 대사체 : 생체 내 특정한 대사작용에 의하여 생성되는 대사물질 전체
 * 단백체 : 세포 또는 개체 내에서 발현되는 단백질의 총합

인실리코(in silico)
컴퓨터 모의실험 혹은 가상실험을 이용하여 생명현상을 연구하거나 설계하는 기술. 미생물의 경우 사이버 생명체인 가상세포 실험을 통하여 연구실에서 수행하는 실험과 동일한 결과를 얻을 수 있음

바이오리파이너리(biorefinery)
식물, 미생물 등 태양에너지를 받는 생명체로부터 생물공학적, 화학적 기술을 이용하여 석유기반제품을 대체할 수 있는 바이오 기반의 화학제품, 바이오연료 등의 물질을 생산하는 기술

시스템생물학(systems biology) 및 합성생물학(synthetic biology)
세포, 조직, 신호전달체계 등 생물학적 시스템들 간의 관계 및 상호 작용을 연구하고 이러한 정보의 통합을 통하여 생물학적 시스템의 작용을 이해하고자 하는 학문 분야를 일컬어 시스템생물학이라고 하며, 기존에 자연 상태에서 존재하는 생물학적 시스템을 새로운 생물학적 시스템을 통하여 설계?제작하거나 인공생명체를 만드는 특정 목적으로 재설계하기 위하여 사용되는 과학기술을 합성생물학이라고 함

mRNA(messenger RNA)
DNA의 유전정보를 리보솜에 전달하는 RNA

 

<논문 원문 보기> 



<김지현 교수> 

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 김지현 (45세) 
 ○ 소 속 : 연세대학교 생명시스템대학 시스템생물학과

2. 학력
 ○ 1985~1989  서울대학교 농생물학과 식물병리학전공 학사
 ○ 1989~1991  서울대학교 농생물학과 식물병리학전공 석사
 ○ 1993~1997  Mol. Plant Pathol. Program, Cornell Univ. 박사

3. 주요경력
 ○ 1992~1997  농촌진흥청 경제작물과 농업연구사
 ○ 1993~1996  교육부 국비유학 장학생 (1991 선발)
 ○ 1997~2000  Postdoc. Assoc., Dept. Plant Pathol., Cornell Univ.
 ○ 2000~2012  한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원, 책임연구원, 센터장
 ○ 2004~2012  과학기술연합대학원대학교(UST) 부교수(겸임), 교수(겸임)
 ○ 2012~현재  연세대학교 생명시스템대학 시스템생물학과 부교수

4. 수상경력 및 주요업적
 ○ UST 2011 우수연구지도상, 2009 우수강의상; 2009 한국생물정보시스템생물학회 온빛상
 ○ 2011 교과부장관상; 2010 KRIBB상 대상; 2009 기초기술연구회 다빈치상 등
 ○ Nature 아티클 논문, Faculty of 1000에서 FFa 19(최상위인 Exceptional)로 평가; 포항공대 생물학연구정보센터 "한국을 빛내는 사람들" 상위피인용논문 선정
 ○ 연구 및 리뷰 논문 70여 편; 국내외 특허 및 프로그램 등록 30여 건 등

<윤성호 박사>

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 윤성호 (40세) 
 ○ 소 속 : 한국생명공학연구원  바이오합성연구센터

2. 학력
 ○ 1996  KAIST 화학공학과 학사
 ○ 1998  KAIST 화학공학과 석사
 ○ 2002  KAIST 생명화학공학과 박사

3. 주요경력
 ○ 2003~현재  한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원
 ○ 2006~2010  과학기술연합대학원대학교(UST) 강사
 ○ 2009~2011  Institute for Systems Biology 박사후연구원 (동기간 KRIBB 무급휴직)

4. 주요업적
Yoon SH, Han MJ, Jeong H, Lee CH, Xia XX, Lee DH, Shim JH, Lee SY, Oh TK, Kim JF. 2012. Comparative multi-omics systems analysis of Escherichia coli strains B and K-12. Genome Biol. 13:R37.
Yoon SH, Reiss DJ, Bare JC, Tenenbaum D, Pan M, Slagel J, Moritz RL, Lim S, Hackett M, Menon AL, Adams MW, Barnebey A, Yannone SM, Leigh JA, Baliga NS. 2011. Parallel evolution of transcriptome architecture during genome reorganization. Genome Res. 21:1892-1904.
Hong JW, Kim JF, Oh TK, Yoon SH. 2011. Microfluidic system for biological, chemical, and biochemical assessments. United States Patent 7,906,074.
Barrick JE, Yu D-S, Yoon SH, Jeong H, Oh TK, Schneider D, Lenski RE, Kim JF. 2009. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature 461:1243-1247.
Nam D, Yoon SH, Kim JF. 2007. Ensemble learning of genetic networks from time-series expression data. Bioinformatics 23:3225-3231.
Yoon SH, Park YK, Lee S, Choi D, Oh TK, Hur C-G, Kim JF. 2007. Towards pathogenomics: a web-based resource for pathogenicity islands. Nucleic Acids Res. 35:D395-D400.
Yoon SH, Hur C-G, Kang HY, Kim YH, Oh TK, Kim JF. 2005. A computational approach for identifying pathogenicity islands in prokaryotic genomes. BMC Bioinformatics 6:184.

 



 


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무한청정한 태양광 에너지를 이용하여 고부가가치 정밀화학제품을 마음대로 주문 생산할 수 있다면?

태양광 이용 화합물 제조용 광-바이오 공장 개념도

광-바이오 인공광합성시스템은 태양광을 이용하여 시스템 내에 원료 물질과 그에 합당한 효소만 넣어주면 화석연료 등 추가 에너지 투입없이 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 생산할 수 있는 개념입니다.

즉 원료 물질과 효소를 교체하면 원하는 물질을 선택적으로 얻을 수 있습니다.

이 시스템은 크게 광촉매를 활용해 태양광에너지를 전환시켜주는 '광에너지 전환부(I)'와 전자전달시스템(II), 그리고 산화 환원 효소의 도움을 받아 정밀화학제품을 생성하는 '바이오촉매 반응부(III)'가 일체형으로 구성됩니다.

2008년 이후 지금까지의 광-바이오 인공광합성시스템에 대한 연구는 다양한 광촉매가 본 시스템에 작동하는지 테스트하는 기초적인 개념정립에 불과했습니다.

즉 태양광을 이용하여 L-글루타민을 생성하는데 국한됐다고 볼 수 있습니다.

한국화학연구원 백진욱 박사팀이 태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산(HCOOH)을 선택적으로 제조하는 인공광합성 원천 기술을 개발했습니다.

백진욱 박사팀은 2008년에도 신개념 화합물 제조용 인공광합성 원천기술인 '광-바이오(Photo-bio) 인공광합성 시스템'을 최초로 개발한 바 있습니다.

이는 에너지를 이용하여 화합물, 즉 α-케토글루타르산에서 아미노산의 일종인 L-글루타민을 제조할 수 있음을 입증한 것으로, 연구결과는 원천특허 등록과 함께 Chemical Communication 誌에 게재되기도 했습니다.

광-바이오 인공광합성시스템은 지구온난화 및 자원 고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 미래형 녹색 원천 기술로, 향후 입고 먹고 자는 문제를 모두 해결할 수 있는 태양광 공장 시스템을 만드는 데 이용됩니다.

특히 이번 연구 성과는 새로운 그래핀계 광촉매를 개발하여 태양광 에너지로부터 이산화탄소를 직접적으로 전환하여 고부가 화합물을 제조할 수 있는 획기적 인공광합성의 새로운 길을 제시한 것으로 평가받고 있습니다.

태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조

이 시스템을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산이나 메탄올 뿐만 아니라 의약품 등 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 제조할 수 있는 방법도 이미 개발하여 원천특허가 출원된 상태입니다.

이번 연구결과는 화학분야 세계최고 권위의 학술지 Journal of the American Chemical Society 온라인판(7월 6일)에 게재되었습니다.
(논문명 : A Photocatalyst-Enzyme Coupled Artificial Photosynthesis System for Solar Energy in Production of Formic Acid from CO2)

광-바이오 인공광합성 시스템 미래 목표 개념도

 

<자연광합성원리를 이용한 광-바이오 인공광합성시스템>

인공광합성(Artificial Photosynthesis)이란 자연의 광합성과 비슷하게 햇빛을 이용해 물, 이산화탄소로부터 유기화합물을 만드는 과정이다.

광-바이오(Photo-bio) 인공광합성시스템은 식물이 에너지를 얻는 자연의 광합성 작용에 착안한 것으로, 둘의 가장 큰 차이점은 식물은 포도당을 만드는 반면, 인공광합성 시스템은 무한 청정한 태양광 에너지를 이용하여, 다양한 고부가가치의 화합물을 선택적으로 생산할 수 있다.

시스템은 크게 광촉매를 활용해 태양광에너지를 전환시켜주는 '광에너지 전환부(I)'와 전자전달시스템(II), 그리고 산화 환원 효소의 도움을 받아 정밀화학제품을 생성하는 '바이오촉매(효소) 반응부(III)'가 일체형으로 구성돼 있음. 따라서 "시스템 내에 원료물질과 그에 합당한 효소만 넣어주면 태양광 이외의 아무런 추가에너지 투입 없이 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 생산할 수 있으며, 원료물질과 효소를 교체하면 촉매반응을 거쳐 다른 물질도 선택적으로 얻을 수 있다.

 

<백진욱 박사>
 
 
○ 학 력

  1983 - 1987 경북대학교 공업화학과 학사    
  1989 - 1995 University of Ottawa (Canada)
                  무기화학 박사    
  1995 - 1997 Harvard University,
                  화학과 박사후 연구원 (PostDoc)      
 ○ 경력사항
  1997-2006    한국화학연구원 선임연구원
  2006-현재    한국화학연구원 책임연구원

 ○ 전문 분야 정보
  인공광합성 기술 개발, 광촉매를 이용한 태양광 수소제조기술 개발

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대전 유성구 신성동 금강산식당 입니다.

건물 정면에 이렇게 '게장'이라고 큼직하게 붙어있습니다.

몇 년 전 간장게장이란 음식을 이 곳에서 처음 먹어보게 됐습니다.
아주 괜찮더라고요.
그래서 간장게장 맛이 다 그런 것인 줄 알았는데...
나중에 다른 식당에 가서 간장게장을 주문했다가 먹을 만한 살은 없고 뭔 냄세가 그리 많은지.
그제서야 금강산식당이 간장게장을 잘한다는 것 뒤늦게 알게 됐네요.

이 곳은 대덕특구에 오래 계신 분들에게는 꽤나 유명한 집입니다.
기본 상차림은 이렇습니다.
가격에 비해 밑반찬이 많다고나 특별나다거나 그런 느낌은 안듭니다.

그러나 간장게장은 확실합니다.


다리살입니다.
쪽~쪽~ 빨아먹게 되는데, 짜지도 않으면서 먹을게 푸짐합니다.

다리를 먹다보면 간혹 눈치를 보며 쟁탈전을 벌이게 되는 등껍질입니다.

이렇게 밥을 넣어 비벼먹는 것이라고 하는데, 반대로 속을 숟가락으로 긁어 밥에 넣어 비벼먹기도 합니다.

그리고 금강산식당 또 하나의 주력 메뉴, 갈치조림 입니다.

메뉴는 이렇습니다. 가격이 어떤가요?

제 맛집 사진은 대부분 아이폰3g 입니다. 그래서 사진이 션찮습니다. ㅎㅎ;

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대칭이 깨진 금속 나노구조는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능에 꼭 필요한 메타물질의 소재가 되고 , 우수한 광학특성을 이용한 질병의 조기진단과 빛을 이용한 암세포 치료 등 의학 분야에서도 활용될 수 있는 중요한 물질입니다.

3차원의 대칭이 깨진 금속 나노입자는 입자 주변의 근접한 장을 강화하거나 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질을 지녀 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있습니다.

특히 이 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야뿐만 아니라 메타물질의 소재로 활용될 수 있어 응용가치가 무궁무진합니다.

용액 내에서 금속 나노입자를 합성할 때 필연적으로 대칭점이 생기는 것을 보여주는 모식도. 왼쪽 작은 핵이 합성과정에 생성이 되고 그 후에 어떤 모양으로 분화하든지 초기의 작은 핵이 전체구조의 대칭점으로 작용하게 된다.

그런데 지금까지 대칭이 깨진 금속 나노구조를 합성하기 위한 방법은 평평한 기판 위에서 복잡한 식각공정을 거치는 등 매우 제한적이었습니다.

또한 만들어진 입자 혹은 나노구조의 수가 매우 적어 실용화할 수 없기 때문에 기본적인 광학특성 등을 연구하는 데에만 주로 사용되었습니다.

따라서 2차원 식각공정과 같이 평면 위에서 입자를 만들면 얻을 수 있는 입자의 수가 적기 때문에 입자를 대량생산하기 위해서는 반드시 3차원 용액 속에서 합성해야 합니다.

그러나 용액에서 합성해도 합성할 때 생겨나는 작은 핵이 최종 나노입자의 대칭점으로 작용해 대칭점이 없는 비대칭 금속 나노구조를 자연적으로 만들 수 없는 문제점이 발생하게 됩니다.

서강대 강태욱 교수팀이 유럽 전통요리인 '퐁듀(fondue)'를 먹는 방법에서 착안해 용액 속에서 대칭이 깨진 비대칭 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했습니다.

이번 연구는 질병의 진단이나 치료 등 의학 분야나 몸을 가릴 수 있는 투명망토, 상대방의 레이더와 적외선 탐지기에 맞서는 군사적 스텔스 기술 등에 활용될 수 있어 응용성이 매우 큽니다.

강 교수팀은 먼저 용액 속에서 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 선택적으로 과성장시켜 대칭이 깨진 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했습니다.

수용액 상에서 비대칭 금 나노입자 합성의 모식도. 금 나노입자에 폴리스타이렌나노입자를 붙인 후에 금을 다시 성장시키는 방법임.

강 교수팀은 퐁듀가 한쪽 면에 치즈 등을 묻혀서 먹는 방식인 점에 착안하여, 먼저 용액 속에서 금과 폴리스타이렌 나노입자를 각각 하나씩 한 쌍으로 붙여 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 과성장시킨 용액을 찍어서 금속 나노입자의 대칭을 깨뜨렸습니다.

특히 강 교수팀이 개발한 합성법은 금 이온의 양과 환원제의 종류 및 나노입자의 크기 등을 조절하여 간단하게 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 자유자재로 합성할 수 있습니다.

또 다른 조합의 금속 나노입자, 예를들어 금과 실리카, 은과 산화철, 금과 산화철 등에도 적용하여 각종 다기능 금속 나노입자를 만들 수 있고, 용액 속에서 합성하기 때문에 대량생산할 수도 있습니다.

이번 연구성과는 지금까지 과학자들이 풀지 못했던 비대칭 금속 나노입자 대량 합성에 성공한 것으로, 향후 몸을 가릴 수 있는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능을 갖는 물질에 응용하거나, 질병 진단과 치료에도 적극 활용될 전망입니다.

금(까만색)-폴리스타일렌 혼성 나노입자에 금 용액을 이용하여 금 입자를 성장시키면 조건에 따라 다양한 종류의 비대칭 금 나노입자를 만들 수 있다. 가운데 그림은 ‘퐁듀’처럼 혼성입자를 한쪽면만 금을 묻혀 비대칭입자를 만든다는 모식도임.

이번 연구결과는 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지(IF=12.219)에 온라인(4월 16일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Three-dimensional Reduced-symmetry of Colloidal Plasmonic Nanoparticles)


 

 <연 구 개 요>

3차원 적으로 대칭성이 깨진 금속나노입자는 미시적으로는 입자 주변의 근접 장 (near-field)의 강화 효과나 거시적으로 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질 측면에서 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지닌다고 알려져 있다.
특히 이 모양의 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야와 아울러 메타물질 (metamaterial)과 같은 분야 큰 응용가능성을 지니고 있다.   
기존에는 이러한 비대칭 모양의 금속나노입자를 합성하기위해서 평면 기판위에 구형태의 나노 입자 위에, 금속 증착시키는 방법을 이용하거나 속이 빈 금속 나노구체를 물리적으로 ion milling과 같은 기술을 이용하여 식각함으로써 만들 수 있다고 알려져 있다.
하지만 이러한 방법을 이용하여 비대칭 나노입자를 합성할 시에는 공정이 복잡 할 뿐 만 아니라 입자의 대량생산이 어려우며, 또한 합성된 나노입자를 바이오의학 분야에서 생체 내 투여물질로 사용할 수 없다는 한계점이 있었다.
반면, 이러한 평면 위에서 합성하는 방법의 단점을 극복할 수 있는 대안으로 용액 상에서 합성하는 방법을 들 수 있다. 하지만 비록 용액 상에서 다양한 모양의 나노입자를 합성하는 법이 많이 연구되어왔지만 용액 상에서 금속나노입자의 합성은 금속 결정의 seed를 성장시킴으로써 원하는 모양의 금속 나노입자를 합성하는 방법에 기반 하기 때문에 현재까지는 대칭적 나노입자만 합성되어왔다. 
이러한 기존의 한계를 극복하고 강태욱 교수 연구팀 주도 하의 공동연구팀은 유럽 음식인 '퐁듀(fondue)'에 착안하여 용액 상에서 금과, 폴리스타이렌 (Poly-styrene) 나노 입자가 하나 씩 한 쌍을 이루는 혼성 나노입자를 합성 한 후, 금만 선택적으로 성장시킴으로써 용액 상에서도 비대칭 금 나노입자를 합성하는데 성공하였다.

합성 시에 첨가하는 금 이온의 양과 환원제의 종류, 그리고 폴리스타이렌 나노입자의 크기를 조절함으로써 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 합성할 수 있었다. 
이번 연구팀이 제안한 합성 방법은 기존에 있던 다른 합성 방법보다 간편할 뿐 만 아니라 입자의 용액 상에서 합성이 이루어지기 때문에 비대칭 금속 나노 입자를 대량생산할 수 있고, 이를 통해 군사적으로 중요한 스텔스기능이 필요한 분야나 질병진단 및 치료 등의 바이오의학 분야에도 활발하게 응용될 것으로 기대된다.  


 용  어  설  명


메타물질(Metamaterials)
기존의 소재가 갖고 있는 전자기 특성과 달리 유전율, 투자율, 도전율이 음(-)의 값을 갖는 소재로 기존의 소재로는 불가능했던 주파수 독립적인 파장, 위상, 굴절률 제어가 가능한 차세대 소재로 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등의 차세대 원천기술의 구현이 가능한 소재

메타물질(metamaterials) :
기존의 소재로는 불가능한 특징을 지닌 차세대 소재로, 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등 차세대 원천기술 구현이 가능한 소재

폴리스타이렌 (Poly-styrene)
열가소성 플라스틱의 하나로 가볍고, 맛과 냄새가 없다. 생활용품·장난감·전기절연체·라디오와 텔레비전 케이스, 포장재에 사용한다.

식각공정(에칭, etching) :
접촉되는 부분을 화학적으로 녹여 제거하는 공정으로, 에칭 후에는 표면이 비교적 깨끗해짐

Nano Letters 誌
재료, 화학, 공학 등의 융합 영역의 학문분야에서 나노기술 관련 논문들을 출판하는 세계적으로 권위 있는 학술지. 피인용 지수(Impact Factor)가 2011년 기준 12.219로, 전 과학 분야에서 상위 5% 이내에 랭크되는 학술지이며, 2001년 1월부터 발간되었다.

<강태욱 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 서강대학교 화공생명공학부
 
2. 학력
  1994 - 2001    서울대학교 화학공학과 학사
  2001 - 2006    서울대학교 화학공학과 박사
  
3. 경력사항
  2006 - 2008    University of California at Berkeley 박사후연구원
  2008 - 현재    서강대학교 화공생명공학부 부교수


그림 2. 수용액 상에서 비대칭 금 나노입자 합성의 모식도. 금 나노입자에 폴리스타이렌나노입자를 붙인 후에 금을 다시 성장시키는 방법임.
그림 1. 용액 내에서 금속 나노입자를 합성할 때 필연적으로 대칭점이 생기는 것을 보여주는 모식도. 왼쪽 작은 핵이 합성과정에 생성이 되고 그 후에 어떤 모양으로 분화하든지 초기의 작은 핵이 전체구조의 대칭점으로 작용하게 된다.


그림 3. 본 연구의 주요 연구 결과 그림.

[그림 설명] 금(까만색)-폴리스타일렌 혼성 나노입자에 금 용액을 이용하여 금 입자를 성장시키면 조건에 따라 다양한 종류의 비대칭 금 나노입자를 만들 수 있다. 가운데 그림은 '퐁듀'처럼 혼성입자를 한쪽면만 금을 묻혀 비대칭입자를 만든다는 모식도임.


[사진 설명] 강태욱 교수 연구팀의 이치원 석사과정생(왼쪽)과 신용희 석사과정생(오른쪽)이 비대칭 금속나노입자를 합성하고 있다.

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☞ 소개팅 자리에서 처음 만난 그녀는 내 선호도와 얼마나 일치할까?
☞ 오랜만에 간 제주도 여행, 내 취향에 맞게 벌써 계획이 세워져 있다면?
☞ 오늘 점심은 무엇이 좋을까?

이런 것들을 과거 나의 경험을 토대로 최적의 해답을 미리 알려주는 안경장치와 프로그램이 현실화됩니다.

이를 이용하면 해외출장을 갈 때 사용자의 출장목적만 알려줘도 네트워크상의 아바타가 알아서 과거 경험과 선호도를 기반으로 내 스케쥴을 짜주게 됩니다.

이를 통해 사용자는 아바타가 제공해주는 계획을 보며 수정하거나 재구성을 통해 보다 쉽게 출장목적에 맞는 스케쥴링을 할 수 있습니다.

개인 지식 다이제스트 기술’ 개요도

사용자의 실세계, 인터넷, 가상세계 액티비티를 퍼스널 빅데이터로 고려하고 사용자 지식 다이제스트 중추에서 이를 분석하여 사용자 모델을 구축하고 사용자 행동을 예측함으로써 적절한 정보를 적절한 장소에서 적절한 시간에 제공할 수 있다.

■ ETRI(한국전자통신연구원)가 시각과 뇌파를 기반으로 하는 새로운 방식의 인터렉션 기술, 즉 가상과 현실세계가 혼재하는 '개인지식 다이제스트'기술을 개발 중입니다.

이 기술은 사람이 어디를 집중해서 보는지를 파악하는 시선의 패턴분석과, 무엇을 관심있게 보는지를 파악하는 뇌파의 신호분석을 분석해 내가 원하는 미래의 정보를 제공하는 기술입니다.

이를 위해 사용자의 동공과 시선이 향하는 곳을 보는 두 대의 카메라와 뇌파 수신 장치도 가 내장된 특수안경이 이용됩니다.

이는 IT 기술의 발전과 빅 데이터 개념의 등장으로 과거 경험으로 향후 내가 어떤 행동을 보일지를 미리 파악하는 것입니다.

이와 유사한 기술로는 구글의 '스마트 안경'이나 애플의 음성인식 서비스 '시리(Siri)', 삼성전자의 'S 보이스' 등이 있습니다.

이중 최근 구글 I/O 컨퍼런스에서 소개된 '스마트 안경'은 현실과 원격현실, 그리고 가상 세계를 하나로 연결해 줄 수 있는 디바이스로 스마트폰의 일부 기능이 탑재된 안경입니다.

지식다이제스트 플랫폼


■ ETRI는
사람의 행동을 유발하는 요소들을 찾아낸 뒤 각 요소별 연관성을 분석해 행동까지 예측하는 기술을 구상하고 있습니다.

이는 사용자의 모든 행동을 유기적으로 집적한 퍼스널 '빅 데이터가' 있어야 가능하기 때문에 ETRI는 오는 2019년까지 사람의 생활 패턴을 수집하고 분석해 예측 가능한 알고리즘을 완성시킨다는 계획입니다.

현재 최근 3개월 간의 연구에서 실제 구매 및 식사 패턴, 웹 로그 및 소셜 로그를 수집 분석하여 예측 실험 결과, 80% 이상의 정확도를 얻었다고 합니다.

ETR가 개발중인 안경은 실제 세계와 가상 세계에서 사용자가 보고, 듣고, 말하고, 행동하는 경험으로부터 얻은 사용자 개인에 대한 지식 정보를 바탕으로 사용자의 행동을 예측해 적절한 시간과 장소에서 정보를 제공해 주는 '사용자 맞춤형 안경'입니다.

이는 사용자 행동의 복합 분석을 통해 사용자의 행동을 유발하는 요소들 간의 연관성을 분석하여 사용자의 행동을 예측하는 알고리즘을 바탕으로 합니다.

사용자의 과거 행동을 복합적으로 축적하여 이를 개인의 퍼스널 빅 데이터로 분석함으로써 보다 정확한 행동예측이 가능해집니다.

이 기술의 응용은 사람들의 시선이 집중되는 곳을 파악해 광고 전광판이나 CCTV 등의 최적위치를 찾거나, 사용자의 과거 이동 패턴을 고려해 미래 어느 시점 어디에 있을 것이라고 예측이 가능하거나, 구매 패턴을 고려해 미래 어느 시점에 무엇을 구매할 것을 예측하는 등  다양한 분야에서 사용이 예상됩니다.

지난 2010년부터 시작된 이 연구는 오는 2019년까지 개발을 목표로 진행 중입니다.

ETRI는 지난 2년 동안의 연구를 통해 SCI급 3편의 저널을 포함 총 20여 편의 논문과 5건의 특허를 출원했고, 내년 하반기 기술이전을 목표로 하고 있습니다.


 

 

 용  어  설  명

 라이프 로그(Life Log) :
지난 2008년 등장한 용어로 동영상과 음성 등 다양한 멀티미디어로 개인의 하루를 일일이 기록한 뒤, 이를 바탕으로 사람의 행동을 예측하는 분야

증강현실(AR, Augmented Reality) :
현실을 증강한다는 단어로 가상현실과 현실 사이의 개념으로 보면 된다. 현실세계를 배경으로 가상의 물체, 문자 등을 보여 줌으로 현실을 보완해 주는 역할을 하게 된다.

UI / UX (User Interface, User eXperience) :
사용자와 기기 간의 소통 방식을 UI라 함. UI의 좋고 나쁨은, 사용자와 기기 사이의 소통이 얼마나 편한지에 달려 있다. UI 또는 서비스, 시스템에 대한 사용자의 생각을 UX라 한다. UX가 좋다 나쁘다 라는 것은 사용자가 그 서비스, 시스템에 대한 생각이 좋다 나쁘다로 결정되며, UX의 속성으로는 서비스가 실제 제시된 대로 작동 되는지, 서비스가 사용하기 편한지, 시스템이 얼마나 효율적인지 등이 있다.

구글 I/O 컨퍼런스 :
지난달 27일 미국 샌프란시스코 모스콘 컨벤션센터에서 개최된 구글 연례 개발자 컨퍼런스

Web bot :
웹봇은 1997년도에 개발된 시스템으로, 인터넷을 돌아다니며 키워드 들을 찾고, 키워드 주변의 단어들을 가져와 키워드의 긍정/부정도를 측정하게 된다. 기본 개념은 "집단 지성"을 이용한 주식 예측을 위한 시스템 이다. 많은 웹페이지들에서 가져온 데이터를 분석하면 여러 사람의 그 키워드 들에 대한 긍정/부정도를 알 수 있게 되고, "집단 지성"을 이용하여 주식을 예측해 보는 시스템이다.

구글 글래스(Project Glass) :
구글에서 만들 예정인 안경형 증강현실 기기. 2012년 시제품을 선보였으며 2013년 판매 예정($1,500)이고, 안경형으로 증강현실을 보여 주며 제스쳐와 음성 인식 등을 통하여 기기와 상호작용하게 된다.

 

 

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대장암은 세계적으로 가장 많이 발병하는 암 중 하나로, 우리나라도 대장암 발병률이 세계 4위, 아시아 1위로 매우 높습니다.

대장암의 주요 사망원인은 암세포의 간 전이로, 대장암 환자 10명 중 2~7명에서 간전이가 발생합니다.

암이 간으로 전이되면 수술이나 화학적 항암요법 등의 치료가 매우 제한적이고, 치료되었다 해도 재발되기 쉽기 때문에 대장암 환자의 간 전이를 근본적으로 억제하는 것은 매우 시급한 사항입니다.

지금까지는 암 표지인자 중 하나인 암태아성항원(CEA)이 과도하게 발현되면 대장암 세포의 간전이를 촉진하는 것으로 알려졌습니다.

그러나 CEA가 어떻게 간전이에 관여하는지 그 원리는 명확히 규명되지 못했고, CEA를 표적으로 한 효과적인 간전이 억제제도 없는 상황입니다.

- CEA 표적 핵산 앱타머에 의한 대장암의 간전이 억제화 기전 -

대장암 세포로부터 발현되는 CEA는 Kupffer 세포 표면의 CEA 수용체인 hnRNP M4와 결합하여 여러 싸이토카인의 분비를 유도, 간조직 내 혈관내피세포에 염증반응을 유발하고 다양한 세포접합 단백질 발현을 증가시켜 암전이 과정이 촉진된다. 또한 CEA는 대장암 세포 표면의 DR5와 직접적으로 결합함으로써, 대장암 세포의 anoikis 과정을 저해하여 혈액 상에 돌아다니는 대장암 세포의 생존률을 증가, 암세포가 전이화 될 수 있는 세포로의 전환을 유도한다.
 본 연구로부터 개발한 핵산 앱타머는 CEA의 'PELPK' 부위와 결합하여 CEA의 기능을 blocking 함으로써 CEA에 의한 암전이 과정의 개시단계를 저해하고, 암세포의 전이화되는 환경을 원천적으로 봉쇄함으로써 효과적으로 암전이를 억제한다. 

단국대 이성욱 교수팀이 대장암 환자의 주요 사망원인인 암세포의 간 전이를 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 물질 '핵산 앱타머'를 개발했습니다.

핵산 앱타머는 새로운 개념의 생고분자 물질로, 항체와 같이 표적분자에 높은 친화력과 특이성을 갖고 결합할 수 있는 단선으로 구성된 핵산입니다.

이성욱 교수팀은 CEA의 특정부위(N 말단 부위의 PELPK 아미노산 서열)가 대장암의 간 전이에 중요한 역할을 하는 것에 주목하고 이 부위에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머(aptamer)를 개발, 쥐 실험을 통해 대장암 세포가 간으로 전이되는 첫 단계에서 효과적으로 억제할 수 있음을 규명했습니다.

또 이 앱타머가 대장암 세포의 생존력에 관여하는 CEA와 세포사멸 수용체간의 결합을 방해하여 효과적으로 대장암세포의 사멸을 유도한다는 사실을 밝혔습니다.

개발된 앱타머는 CEA 단백질뿐만 아니라 CEA 발현 대장암 세포표면에 특이하게 결합하는 것을 확인함으로써, 앱타머를 활용해 대장암 세포의 간전이를 진단 추적하며 동시에 치료할 수 있는 가능성도 제시했습니다.

이 교수팀이 발굴한 핵산 앱타머는 저분자 화학약품과 같이 화학적으로 균일하게 대량 합성할 수 있고, 여러 목적에 맞게 변형할 수 있으며, 염증유발이나 독성도 거의 없습니다.

특히 암조직에 쉽게 침투하여 기존 의약품의 한계를 극복할 수 있는 새로운 차세대 의약제제로 평가 받고 있습니다. 

이번 연구성과는 CEA의 특정부위가 대장암의 간전이를 촉진하는 주요인자임을 규명하고, 이 CEA 특정부위를 표적으로 하는 핵산앱타머 개발을 통해 대장암 세포가 간으로 전이되는 과정을 원천봉쇄하여 이에 따른 사망률을 낮출 수 있는 계기가 될 전망입니다.

이번 연구는 단국대 이성욱 교수가 주도하고, 이영주 박사, 한승렬 박사과정생, 김남연 연구원과  아산병원 이수한 박사, 동아의대 정진숙 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 소화기학 분야의 권위 있는 학술지인 '소화기병학(Gastroenterology)'지 7월 1일자에 게재되었습니다.
(논문명: An RNA aptamer that binds carcinoembryonic antigen inhibits hepatic metastasis of colon cancer cells in mice)

<연 구 개 요>

An RNA aptamer that binds carcinoembryonic antigen inhibits hepatic metastasis of colon cancer cells in mice
Lee, Y.J., Han, S.R., Kim, N.Y., Lee, S.H., Jeong, J.S., and Lee, S.W. 
(Gastroenterology 2012; 143: 155-165 - 2012. 7. 1 출판)

○ 암태아성 항원과 대장암의 간전이
 암태아성 항원 (Carcinoembryonic antigen, CEA, CEACAM5, 또는 CD66e)은 약 180-200 kD의 분자량을 가진 당단백질로서 GPI를 통해 세포 표면에 부착되거나 또는 phospho-inositol 특이적인 phospholipases C/D에 의해 탈착되어 세포 밖으로 분비된다. 대장암세포에서의 CEA 과발현은 암세포간의 이동, 세포접합 및 침윤과정과 간으로의 암전이 촉진과 연관되어 있다.
 특히 CEA의 N 말단 부위의 N과 A1 도메인 사이에 존재하는 'PELPK' 아미노산 서열이 간조직에 존재하는 macrophage인 Kupffer 세포 표면에 존재하는 수용체인 hnRNP M4에 인식된 후 Kupffer cell을 활성화함으로써, IL-1, IL-6, IL-10 및 TNF-a 등 여러 cytokine의 분비를 유발, 염증반응을 유도한다. 또한 간조직 내 혈관내피세포 (hepatic sinusoidal endothelial cell) 표면에 E-selectin, VCAM-1 및 ICAM-1 등의 여러 세포 접합단백질들의 발현을 유도함으로써 간전이의 환경이 조성될 것으로 제시되고 있다. 이러한 세포 접합물질과 CEA를 과발현하는 대장암세포 간의 접합 후 암세포는 내피세포를 투과하여 간조직 내로 침윤과정을 수행할 것이다.

대장암의 간 전이과정 모식도. CEA의 붉은 색 부위가 ‘PELPK' 서열이다


또한 활성화된 Kupffer cell로부터의 cytokine은 iNOS를 방해하여 toxic한 NO와 ROS 생성을 저해함으로써 간조직에 포착된 암세포의 생존률을 높여준다. 즉 CEA와 hnRNP M4 간의 결합을 통한 kupffer cell의 활성화가 CEA의 간전이에서의 주요 기능이라 할 수 있다.
 정상 세포는 조직으로부터 이탈되는 경우 'anoikis'라는 세포사멸 과정을 겪는다. 그러나 대장암 세포 표면에 CEA가 과발현시에는 anoikis가 억제되어 암세포가 원조직으로부터 이탈이 되어도 살아남으로써 간 등의 타 조직으로의 이동이 가능한 세포로 전환되는데, 이는 CEA의 'PELPK' 서열이 TRAIL 수용체인 death receptor 5 (DR5)와 직접적인 결합을 통해 TRAIL 신호전달 체계를 방해함으로써 유발될 것으로 예상되고 있다.

○ 암태아성 항원의 'PELPK' 특이적 핵산 앱타머 발굴
 CEA에 대한 항체 연구는 이미 많은 그룹에서 진행되었으나 CEA의 'PELPK' 부위를 특이적으로 인식하는 리간드의 발굴은 되어 있지 않으며, 이에 상기 부위가 과연 간전이 유도의 주요인자인지 개체 수준에서의 검증연구는 되어 있지 않았다. 본 연구에서는 처음으로 CEA의 'PELPK' 부위만을 특이적으로 표적하는 리간드를 개발함으로써, 상기 부위가 간전이의 주요 인자임을 밝혀내고자 하였으며 더불어 간전이를 효과적으로 저해할 수 있는 제제를 개발하고자 하였다.
  CEA 항체의 경우 암조직으로의 침윤도가 좋지 않으며, 특히 고친화도의 항체의 경우는 오히려 생체 내의 혈관을 따라 떠돌아다니는 항원에 의해 빠르게 clear 되기에 치료제/진단제로서 한계점을 갖고 있다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위하여, 화학적 대량합성 및 유도체 개발이 용이하며 암조직 내로의 침윤성이 뛰어나 차세대 항암제로서의 잠재력이 큰 핵산 앱타머(aptamer)를 발굴하였다.

CEA ‘PELPK' 특이적인 앱타머 발굴 및 특성. Counter SELEX 방법 개요(A) 및 선별된 앱타머의 2차 및 3차 구조 예측도(B). 앱타머에 의한 CEA와 CEA 세포 표면 수용체인 hnRNP M4의 결합 억제 모식도(C) 및 결합 억제율(D). 앱타머를 이용한 CEA 발현세포 표면 특이적 면역염색(E).


 Counter-SELEX 기법을 활용, CEA의 'PELPK' 부위에 특이적으로 결합하는 핵산 앱타머 (pyrimidine nucleotide의 2'이 fluoro로 치환된 RNA로 구성)를 발굴하였다. 앱타머의 화학합성을 위해, 그 size를 소형화하였으며 stem-loop 형태의 구조를 갖고 있어 loop 부위가 CEA와 결합하는 부위임을 밝혔다 (그림 2B). 소형화한 앱타머는 예상과 같이 CEA와 CEA 수용체인 hnRNP M4 간의 결합을 억제하였으며 (그림 2C, 2D), CEA를 발현하는 세포 표면에 특이적으로 결합할 수 있었다.

○ 핵산 앱타머에 의한 효과적인 대장암의 간전이 억제
 발굴한 앱타머는 암세포간의 이동 (migration), 동종세포 응집 (homotypic cell aggregation) 및 암 침윤과정 (invasion) 등 간으로의 전이와 관련 있는 여러 세포 현상을 억제하였다.

앱타머에 의한 CEA+ 세포 특이적 세포 이동(migration)(A), 동종세포응집(homotypic cell aggregation) 반응(B) 및 침윤(invasion) 과정(C) 저해.


이는 곧 상기 세포 현상에 CEA의 'PELPK' 부위가 관여함을 시사한다. 주목할 점은 앱타머에 의해 CEA를 발현하는 대장암 세포의 anoikis가 효과적으로 유도되는데, 이는 앱타머가 CEA와 DR5 단백질간의 결합을 직접적으로 저해함으로써 기인한다는 것을 확인하였다.

앱타머에 의한 대장암 세포의 anoikis 유도. CEA에 의한 anoikis 저항 기전과 앱타머의 작용 기전 모식도(A) 및 앱타머에 의한 anoikis 신호전달 과정의 중간 매개체인 caspase 8의 활성 증가(B). 앱타머에 의한 세포 내(C,E) 및 실험관(D)에서의 CEA와 DR5 간의 직접적 상호작용 억제.


따라서 CEA의 'PELPK' 부위가 DR5와 직접 결합하는 부위임이 검증되었고 이러한 두 단백질 간의 결합이 CEA 발현 대장암세포의 anoikis를 방해하는 주요 인자임이 확인되었다.
 상기 연구 결과들은 발굴한 앱타머가 CEA와 hnRNP M4 및 CEA와 DR5 간의 결합을 모두 방해함으로써 CEA에 의한 간전이 개시과정을 방해하고, CEA 암세포의 세포 사멸을 유도하여 대장암의 간전이 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 가능성을 시사한다. 이를 검증하기 위해 대장암의 간전이 동물모델(마우스)에서의 개체 실험을 수행하였다. 우선 앱타머의 약물로서의 안정성 및 생체 내의 효용성을 증대시키기 위해 앱타머의 5' 말단에 polyethylene glycol이 부착된 유도체를 합성하였고, 생동성 분석을 통해 앱타머의 생체 내 안정성이 증가됨을 확인하였다.

Polyethylene glycol을 부착한 앱타머의 생동성 분석(A) 및 간전이 동물모델에서의 앱타머에 의한 대장암 세포의 간전이 억제(B).


CEA 발현 대장암세포를 마우스의 비장 내로 투입함으로써 간으로 전이된 동물모델을 구축하였고, 이러한 동물모델에 합성한 앱타머 유도체를 투입한 결과 대조군 대비 91% 이상 대장암의 간으로의 전이가 특이적이며 효율적으로 간독성 없이 억제됨을 확인하였다 (그림 5B).
 본 연구를 통해 CEA의 'PELPK' 부위가 대장암의 간전이를 촉진하는 주요인자임을 개체 내에서 증명하였으며, 개발한 핵산 앱타머는 CEA의 'PELPK' 서열이 포함된 특정영역에 특이적으로 결합하여 대장암의 가장 큰 사망원인인 간전이 과정을 원천적으로 봉쇄함으로써, 효율적이며 특이적인 전이억제제 나아가 항암치료제로서 활용될 수 있을 것이다. 동시에 발굴된 앱타머는 혈중의 항원의 변화 및 간전이화 가능성 있는 암세포를 측정하고 추적할 수 있는 진단소자 및 CEA에 의한 암전이 과정을 이해하는 도구로서도 활용될 수 있다는 데에 큰 의미가 있다.

 

 용  어  설  명

암태아성항원(Carcinoembryonic antigen, CEA) :
약 180-200 kD의 분자량을 가진 당단백질로 대장암 수술 후 예후 판단인자로 활용되고 있음.

핵산 앱타머(aptamer) 
마치 항체와 같이 표적분자에 높은 친화력과 특이성을 갖고 결합할 수 있는 단선으로 구성된 핵산 (DNA, RNA, 변형핵산)으로, 라이브러리 스크리닝을 통하여 발굴될 수 있는 새로운 개념의 생고분자 물질이다. 다양한 표적분자에 결합할 수 있는 앱타머 발굴이 가능하고, 저분자 화학약품과 같이 화학적으로 균질의 대량 합성이 가능하고 여러 목적에 맞게 변형이 용이하며, 염증유발이나 독성이 거의 없으며, 암조직으로의 침윤성이 뛰어나 기존 의약품의 한계를 극복할 수 있는 새로운 차세대 의약제제로서 각광을 받고 있다.

암태아성항원(CEA)
약 180-200 kD의 분자량을 가진 당단백질로서 GPI (glycosyl-phosphatidylinositol)를 통해 세포 표면에 부착되거나 또는 phospho-inositol 특이적인 phospholipases C/D에 의해 탈착되어 세포 밖으로 분비된다. 암표지인자 특히 대장암 수술 후 예후 판단 인자로 활용되고 있으며, 대장암세포에서의 CEA 과발현은 암세포간의 이동, 세포접합 및 침윤과정과 간으로의 암전이 촉진과 연관되어 있다고 알려져 있다.
 
PELPK
CEA의 N 말단 부위의 N과 A1 도메인 사이에 존재하는 Proline-lutamate- eucine-Proline-Lysine 아미노산 서열을 지칭한다.

SELEX (Systematic Evolution of Ligand by EXponential enrichment)
단선의 DNA, RNA 또는 변형 nucleotide로 구성된 핵산 앱타머를 선별하는 방법으로 1990년 Colorado 대학의 Larry Gold 박사가 처음 개발하였다. 무작위의 염기서열로 구성된 핵산 라이브러리부터 표적 분자와 결합할 수 있는 핵산 서열을 선별하는 방법으로서, 초기에는 RNA 결합 단백질에 결합하는 특정 RNA 서열을 찾기 위한 방법으로 제안되었다. 그러나 앱타머가 서열에 따른 특정 3차 구조 형성에 의해 다양한 분자와 결합할 수 있다는 사실이 밝혀진 이후, 현재는 핵산과 결합하는 단백질 이외에도 자연상태에서는 핵산과 결합하지 않는 단백질, 탄수화물, 지질, 당단백질 더 나아가서는 호르몬, 펩타이드, 소분자 화합물질, 이온 등 다양한 표적에 결합할 수 있는 핵산 앱타머를 찾을 수 있다. 특히 핵산은 실험관에서 증폭될 수 있다는 특성을 이용함으로써, 단기간 내에 몇 번의 반복 cycle을 통해 우리가 원하는 특정 표적에 대한 앱타머를 실험관 내에서 발굴할 수 있다.  최근에는 정제된 표적 분자가 아닌 세포 자체 또는 생체 내의 조직 자체를 표적으로 한 핵산 앱타머 발굴, 세포 및 조직 내로 투과될 수 있는 앱타머 발굴 등 다양한 목적과 기능을 가진 앱타머 개발로 적용되고 있다.

소화기병학(Gastroenterology)지
소화기질환 및 간질환 분야의 기초부터 중개연구 및 임상 연구 관련 논문 등 관련 전 분야를 출판하며, 미국소화기학회 (American Gastroenterological Association)에서 공식 발간하는 세계적으로 권위 있는 학술지이다. 특히 피인용지수(Impact Factor)가 2010년 기준 12.032로서, 과학 분야에서 상위 1.3% 이내에 랭크되며 소화기학 및 간장학 (gastroenterology 및 hepatology) 분야의 72개 SCI 급 저널 중 1위에 랭크되는 학술지이다.
 

이성욱 교수 이력사항


1. 인적사항                          
 ○ 성 명 : 이성욱 (49세) 
 ○ 소 속 : 단국대학교 분자생물학과
 ○ 전 화 : 031-8005-3195
 ○ e-mail : SWL0208@dankook.ac.kr

2. 학력사항
  1981.3 - 1985.2   서울대학교 미생물학과 학사   
  1985.3 - 1987.2  서울대학교 미생물학과 석사  
  1989.9 - 1995.1  Cornell 대학교 박사 
    
3. 경력사항 
  1994.10 - 1997.1 Duke University Medical Center, Research Associate
  1997.3 - 현재  단국대학교 분자생물학과, 교수
  2004.3 - 2009.6 단국대학교 부설 나오센서바이오텍연구소, 소장
  2009.5 - 현재 (재)차세대융합기술원, 겸임연구원
  2011.6 - 현재 한국핵산학회, 회장
  2011.6 - 현재  Nucleic Acid Therapeutics (Official Journal of      Oligonucleotides Therapeutics Society), Editorial Board     Member
  2012.1 - 현재  Molecular Therapy-Nucleic Acids (Published by American    Society of Gene & Cell Therapy, Nature Publishing     Group), Editorial Board Member

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