우리얘기

KAIST 생명화학공학과 박현규 교수가 핵산중합효소의 비정상적인 활성을 금속이온을 통해 조절하고, 이를 이용해 바이오 컴퓨터를 포함하는 미래 바이오 전자 분야의 핵심기술인 로직 게이트를 구현하는 기술을 개발했습니다.

DNA를 새롭게 생성해 증폭시키는 효소인 핵산중합효소는 증폭 대상인 목적 DNA와 프라이머(primer)의 염기쌍이 서로 상보적인 짝(A와 T, C와 G)을 이룰 경우에만 가능하다고 알려졌습니다.

박현규 교수

이는 수은 및 은 이온과의 결합을 통해 안정화 된 비 상보적인 T-T와 C-C 염기쌍을 상보적인 염기쌍으로 인식하는 핵산중합효소의 착각 현상에 기인한 것으로, 박 교수는 이를 '중합효소 활성 착오(Illusionary polymerase activity)'로 묘사했습니다.

연구팀은 이 현상을 기반으로 바이오 컴퓨터 등 초고성능 메모리를 가능하게 하는 미래 바이오전자 구현을 위한 핵심기술인 로직게이트를 구현했습니다.

이번 연구는 기존에 연구되어온 금속 이온과 핵산의 상호작용연구에서 한 걸음 더 나아가 이를 효소활성 유도와 연관시킨 최초의 시도로써, 금속이온의 초고감도 검출 및 새로운 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism) 유전자 분석 기술로 적용할 수 있다는 것이 박 교수의 설명입니다.

특히 기존 핵산 기반 기술들과 비교해 비용이 저렴하고 간단한 시스템 디자인을 통해 정확한 로직 게이트 구현이 가능함으로써 분자 수준의 전자소자 연구에 큰 진보를 가져올 전망입니다.

금속이온에 의한 핵산중합효소 활성 유도 모식도 (앙게반테 케미 표지)

○ 상보성 : 두 가닥의 DNA가 서로 결합하여 이중나선의 DNA 구조를 형성할 때 한쪽 가닥의 A와 G가 다른쪽 가닥의 T와 C에 각각 결합하는 DNA 염기들간의 결합 규칙(A-T & G-C)

○ 핵산 증폭 : 소량의 DNA를 분석 가능한 충분한 양으로 만들기 위한 일련의 과정으로 핵산중합효소를 이용하여 짧은 시간에 10 억배 가량의 증폭된 산물을 생성

○ 핵산중합효소 : 증폭시킬 대상인 목적 DNA를 주형으로 해서 이에 상보적인 DNA 가닥을 생성함으로써 DNA를 증폭시키는 효소

○ 프라이머(primer) : 핵산중합효소가 목적 DNA를 주형으로 해서 새로운 DNA 가닥을 생성할 때 시발점 역할을 하는 짧은 DNA 가닥을 필요로 한다. 이러한 주형 DNA의 한쪽 끝에(3′말단) 상보적인 짧은 길이의 DNA 가닥

○ 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism) : 인종에 상관없이 인간은 99.9%  유전자가 일치하지만 0.1%는 다르다. 이 차이는 인간 게놈 (genome) 의 특정 위치에서 하나의 염기서열(A,T,G,C)의 차이 때문에 일어나며 이를 단일염기다형성이라 한다. 단일염기다형성은 질병의 발병 원인 및 특정 질병에 효과적인 약물이 무엇인지를 판단하는 근거로 사용될 수 있기 때문에 신약개발과 맞춤의약 분야에 있어서 그 중요성이 증대되고 있다.

○ 로직 게이트 : 논리연산을 실행 할 수 있는 디지털 회로의 기본적인 요소

심근비대증은 다양한 병인에 의해 심근세포가 비대해지는 병리학적 현상으로써, 심부전증과 부정맥 등을 수반하는 주요 심장질환입니다.

칼시뉴린-엔팻(calcineurin-NFAT) 신호전달경로는 이러한 심근비대증의 유발에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.

하지만 이 신호전달 경로의 주요 조절단백질로 알려진 알캔(RCAN1)의 기능에 대해 많은 논쟁이 이어져 왔고, 그 구체적인 조절메커니즘이 밝혀지지 않았습니다.

지금까지 많은 연구에서 알캔의 상반된 신호조절 역할이 보고돼, 학계에서는  과연 무엇이 진실인가에 관한 논쟁이 이어졌었습니다.

또 어떻게 동일한 분자가 그와 같이 서로 다른 기능을 보이는 것인지, 이를 유발하는 근본적인 메커니즘은 과연 무엇인지 등이 모두 수수께끼로 남아 있었습니다.

KAIST 바이오및뇌공학과 조광현 교수팀과 생명과학과 허원도 교수팀이 시스템생물학 융합연구를 통해 심장질환 원인신호전달 경로의 숨겨진 메커니즘을 규명했습니다.

조광현 교수

허원도 교수

KAIST 조광현 교수 융합연구팀은 이러한 복잡한 현상에 대해 수학 모델링과 대규모 컴퓨터시뮬레이션, 그리고 단일세포 분자 이미징 기술을 동원한 시스템생물학 융합연구를 통해 어크(ERK)와 지에스케이(GSK3)로 구성된 스위칭 회로가 칼시뉴린-엔팻 신호전달경로를 조절한다는 것을 새롭게 규명했습니다.

특히 이번 연구에서는 알캔이 세포내 농도가 낮을 때 칼시뉴린(calcineurin)의 기능을 저해하는 억제자로서 기능하지만, 그 농도가 증가하면 어크와 지에스케이에 의한 크로스토크를 통해 칼시뉴린 신호를 오히려 증가시키는 촉진자로서 기능 하도록 세포내 조절회로가 진화적으로 설계되어 있음을 최초로 밝혀냈습니다.

이번 연구를 통해 학계의 이러한 오랜 질문에 대한 해답이 제시됐으며, 알캔과 칼시뉴린-엔팻 신호전달경로의 근원적인 조절메커니즘이 시스템차원에서 최초로 규명됨으로써, 앞으로 이를 표적으로 하는 신약개발 및 관련 심장질환 응용연구의 중요한 발판을 마련하게 되었습니다.

또 기존의 실험적 접근만으로는 해결할 수 없는 복잡한 생명현상을 대상으로 IT와 BT의 융합연구인 생체시스템모델링 및 바이오시뮬레이션 연구를 통해 새로운 해결책을 찾을 수 있는 가능성을 제시했습니다.

단일세포 분자이미징 실험을 통해 피아이쓰리케이(PI3K)에 의해 지에스케이가 핵 밖으로 방출되고, 이로 인해 알캔의 조절역할은 신호의 억제자에서 촉진자로 전환됨.

칼시뉴린-엔팻 신호전달네트워크에 대한 미분방정식 모형.

대규모 컴퓨터시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 알캔의 조절기능이 반응시간과 농도에 따라 변화됨을 규명.

어크와 지에스케이로 구성된 스위칭 회로가 칼시뉴린-엔팻 신호전달경로를 조절한다는 것을 규명.

뼈는 자연계에 존재하는 대표적인 나노복합소재로써 콜라겐이라는 단백질 섬유를 따라 칼슘인산염 나노결정이 생성, 성장합니다.

KAIST 연구팀은 이러한 자연현상을 모방해 차세대 고안전성 리튬전지용 양극소재인 철인산염을 나노튜브 형태로 합성하는 데 성공했습니다.

KAIST 신소재공학과 강기석 교수팀과 박찬범 교수팀이 뼈의 형성 과정을 모방해 우수한 나노구조를 갖는 '리튬이차전지용 전극소재 합성을 위한 원천기술'개발에 성공했습니다.

박찬범 교수

강기석 교수

리튬이차전지의 성능을 향상시키기 위해서는 에너지를 저장하거나 방출하기 위한 리튬의 빠른 이동이 필수적입니다.

이를 위해 전극소재의 구조를 나노화하게 되면 표면적이 넓어지고 리튬의 확산에 필요한 거리가 짧아지기 때문에 보다 효과적으로 에너지를 저장하거나 방출할 수 있습니다.

이 기술의 핵심은 3차원 나노 구조를 갖는 생체재료 위에 철인산염을 균일하게 성장시킨 후 생체재료를 효과적 제거해 나노튜브구조를 얻는 것입니다.

연구팀은 간단한 단백질의 일종인 펩타이드의 자기조립공정을 이용해 콜라겐 섬유와 유사한 구조 및 물성을 지니는 단백질 나노섬유를 합성한 뒤, 철 이온과 인산이온의 수용액상 침착반응을 이용해 단백질 나노섬유를 철인산염으로 균일하게 코팅했습니다.

이후 열처리를 통해 펩타이드 나노섬유를 탄화시키면, 내벽이 전도성 탄소층으로 코팅된 철인산염 나노튜브를 얻을 수 있었습니다.

이번 연구는 생체재료분야와 리튬전지분야의 융합연구를 통해 이뤄진 것으로, 기술적인 돌파구가 필요한 리튬전지개발에 이러한 접근방식이 새로운 해결방안이 될 수 있다는 가능성을 제시한 우수한 연구사례로 평가받고 있습니다.

이 기술을 이용하면 철인산염 외에 각종 다른 기능성 소재 개발에 응용이 가능해 리튬이차전지 뿐만 아니라 차세대 유-무기 나노복합소재 개발에 기여할 전망입니다.

 용  어  설  명

리튬이차전지: 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 정보통신 장비의 전원장치로 가장 널리 사용되는 이차전지의 일종으로, 가벼우면서도 많은 양의 전기를 저장할 수 있다는 장점이 있어, 차세대 전기자동차의 전원공급장치로의 활용이 기대되고 있다. 리튬이차전지는 리튬이온을 저장/방출할 수 있는 전극물질과 리튬이온의 이동을 돕는 전해질로 구성되어 있으며, 전극간의 리튬이온이동을 제어함으로써 전기를 사용/저장할 수 있다.

칼슘인산염: 칼슘 이온 (Ca2+)과 인산이온 (PO43-)이 특정 조건하에서 화학적인 반응을 통해 Ca10(PO4)6(OH)2와 같은 형태로 형성되는 무기물로, 동물의 뼈를 구성하는 주요성분의 하나이다.

철인산염: 철 이온 (Fe3+)과 인산이온의 (PO43-)의 침착반응으로 형성되는 무기물로, 차세대 저비용/고안정/고용량 리튬이차전지 전극물질로 널리 연구되고 있다.

나노복합소재: 서로 다른 물리/화학적 물성을 지니는 재료들을 수십/수백 나노미터 수준에서 정교하게 배열/결합시켜 개개소재의 장점만을 극대화시켜 하나의 소재로 구현한 것을 나노복합소재라고 한다.

자기조립공정: 자기조립은 화학물질들이 레고(Lego) 장난감처럼 스스로 조립하여 3차원 구조체를 만드는 현상으로, 모든 생명현상의 근간이 될 뿐만 아니라, 최근 들어서는 나노소재를 개발하는 주요기술들 중의 하나로 각광받고 있다

나노튜브: 직경이 수~수십 나노미터인 튜브

침착반응: 용액에 녹아있는 물질간의 물리화학적인 반응을 통해 새로운 고체상의 물질이 석출되는 반응

유기태양전지는 반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하면서도 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴합니다.
또 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원입니다.

유기태양전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.

그런데 효율이 문제였습니다.

유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮기 때문에 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송 특성을 향상시키려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔습니다.

이 가운데 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구됐는데요.

그러나 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했습니다.

이 같은 문제를 포함해 유기태양전지의 낮은 광변환 효율 등이 상용화에 걸림돌이 돼 이에 대한 성능향상이 시급히 요구돼 왔습니다.

이 같은 문제점을 우리나라 KAIST에서 해결했습니다.

김상욱 교수

 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써, 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%나 향상시켰습니다.

도핑된 탄소나노튜브가 적용된 유기태양전지의 구조 도식.(탄소나노튜브(까만 실같은 것)가 적용된 빨간 부분에서 광반응이 일어나서 전기에너지를 생산 할 수 있습니다.)

또 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여, 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했습니다.

이번 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대되고 있습니다.

이주민 연구원

유승협 교수

휴대폰이나 심장에 이식한 미세 로봇이 배터리 충전 없이 영구적으로 작동할 수 있을까요?

공상과학 영화에나 나올 법한 이런 일들이 머지않아 가능해 질수도 있습니다.

KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀은 압전특성이 우수한

이건재 교수

구부러지는 유연한 나노박막물질에서 전기가 발생되는 모습.

나노기술과 압전체가 만나서 만들어지는 나노 발전기술은 전선과 배터리 없이도 발전이 가능하기 때문에, 휴대용 전자제품 뿐만 아니라 몸속에 집어넣는 센서나 로봇의 에너지원으로도 사용될 수 있습니다.
게다가 다른 응용기술 여하에 따라 적용 범위가 얼마든지 넓어질 수 있을 전망입니다.

이를 통해 미세한 바람, 진동, 소리와 같이 자연에서 발생되는 에너지원이나 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 수축·이완과 같이 사람 몸에서 발생되는 생체역학적 힘으로 전기에너지를 생산할 수 있습니다.


이번에 개발한 나노 발전기술은 이 교수가 2004년 세계 최초로 공동 발명한 ‘고성능 단결정 휘어지는 전자소자’를 토대로 한 것으로, 세라믹 나노박막물질을 유연한 플라스틱 기판 위에 옮겨서 외적인 힘이 주어질 때마다 신소재 압전물질로부터 전기를 얻는 것입니다.

이 나노 발전기술의 회로구조를 변형하면 LED발광도 가능하다고 합니다.