우리얘기

우리의 건강상태를 파악하기 위해서는 인간의 건강과 직결되어있는 단백질이 체내에 어떻게 분포되고 어떻게 작용하는가를 아는 것이 매우 중요하다.
그러나 현대의 과학기술은 우리 인간의 유전자 전체를 분석하는 기술은 갖고 있지만, 아직 우리 몸의 전체 단백질을 이해할 만큼 발전하지는 못했다.
인간은 약 2만~3만 개 정도의 유전자를 가지고 있는데, 유전자로부터 만들어지는 단백질은 수십 만 종류에 달하기 때문이다. 더욱이 우리 몸 구석구석에서 각각의 단백질은 생성과 변형, 소멸을 반복하고 있으므로, 우리 몸 안의 단백질 상태를 정확히 분석해 낸다는 것은 매우 어려운 일이다.

현재 단백질을 분석하는 방법은 분석목적에 따라 여러 가지가 있다.
분유 멜라민 사건 때의 단백질 함량검사와 같이 시료 안의 단백질 총량을 분석하기도 하고, 혈액 내에 알부민과 같은 특정 단백질의 농도를 조사하여 건강을 체크하기도 한다.

특히 프로테오믹스 (proteomics, 단백질체학) 분야에서는 첨단 질량분석기로 시료 내에 존재하는 다양한 단백질의 종합적인 분석을 실시한다.
단백질간의 양적 차이를 알아내는 정량분석은 특정 단백질로 인한 질병의 원인과 발생 경로를 분석하거나, 개발한 신약이 인체 내에서 효과적으로 작동하는지를 확인하는 등 질병 진단과 치료 목적에 사용된다.
또한 동물이나 식물의 원산지에 따라 단백질 분포가 다른 패턴을 보이는 것을 활용해 각종 동?식물의 원산지 추적에도 활용된다.

이러한 프로테오믹스 연구에서는 대량의 실험 데이터로부터 수많은 종류의 단백질 정보를 도출해내는 계산 작업이 수반된다. 대량의 단백질 데이터를 처리하고 해석하는 정보기술을 단백질 정보학이라 한다.

단백질체 정보학의 연구는 크게 세 가지로 구분할 수 있다.
첫째는 실험 데이터로부터 가능한 많은 단백질 정보를 얻어내는 방법에 관한 연구이다.
첨단 분석장비를 통해 얻은 데이터로부터 지금까지 발굴되지 않았던 새로운 단백질 정보를 찾아내기 위해서는 생물, 화학, 물리학, 수학, 전산학 등 여러 분야의 지식이 동원된다.
둘째로 실험에서 얻은 단백질 정보의 신뢰성을 판별하는 연구이다.
생명과학 분야의 첨단 장비 및 자동화 시스템으로 생산되는 대량의 실험 데이터는 연구자가 데이터를 하나하나 살펴보기에는 역부족이다.
생산되는 데이터에서 신뢰성있는 데이터만을 가려내기 위하여는 통계학, 전산학 등을 활용한 데이터 유의성 및 신뢰도 평가 작업이 필요하다.
셋째는 단백질 정보들을 다른 생물정보와 연결하여 생체 내에서의 단백질의 기능을 밝히는 방법에 대한 연구이다. 생물학 특히 분자생물학, 생화학 분야에서 오랜 기간 축적한 연구 결과물들을 서로 연결하면 새로운 생물학적 사실들이 모습을 드러낸다.

단백질체 정보학은 이처럼 여러 분야의 과학이 융합된 연구 분야이다.
인터넷과 데이터베이스의 발전으로 수많은 정보들이 우리 손 안에 쥐어져 있으며, 이들을 적절하게 활용하는 기술을 구사하면 생명현상의 새로운 세계를 탐험할 수 있다.
앞으로 국민의 건강과 안전한 먹거리를 위하여, 그리고 생명과학의 발전을 위하여, 많은 유능한 젊은이들이 단백질체 정보학에 관심을 갖고 도전해보기를 기대한다.

<권경훈 한국기초과학지원연구원 질량분석연구부장>

일반적으로 물질은 압력이 높아지면 더욱 빽빽하고 규칙적인 고체 결정질이 됩니다.

그런데 리튬은 초고온, 초고압 같은 극한 환경에서 기존에 알려지지 않았던 새로운 비결정질로 상전이(phase transition) 현상을 일으킬 수 있다는 새로운 사실이 규명됐습니다.
 
상전이는 물질의 상태가 온도, 압력, 전자기장 같은 외부 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 변하는 현상을 의미합니다.

김형준 박사

초고온, 초고압 조건 내에서 형성되는 리튬의 비결정질 구조의 원자 수준 구조 모형

 용 어 설 명

상전이(phase transition) :
물질의 상태가 온도, 압력, 혹은 전기장/자기장과 같은 외부 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상(phase)으로 변하는 현상을 말한다. 흔한 예로는 온도가 높아짐에 따라 얼음에서 물로(기체가 액체로 변하는 액화), 물에서 수증기로(액체가 기체로 변하는 기화) 변하는 현상을 들 수 있으며, 드라이아이스에서 일어나는 고체가 액체 과정을 거치지 않고 기체로 변하거나 기체가 바로 고체가 되는 승화도 상변이의 한 형태이다.

비결정질 고체(amorphous solid) :
원자들의 위치에 장거리 질서가 존재하지 않는 고체를 뜻한다. 액체와 고체의 중간적인 형태를 띠고 있으며, 비결정질 고체에 속하지 않는 고체를 결정질이라 한다. 일반적으로 대부분의 고체는 결정질 고체이지만, 비결정질 고체도 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 가장 흔한 예로는 유리창을 들 수 있고, 폴리스틸렌 등의 중합체도 이에 속한다.

전자전이 (electron excitation) :
원자와 분자에서, 전자가 가장 안정한 상태인 바닥 배치상태에서 에너지가 높은 들뜬 전자 배치상태로 변이하는 것을 일컫는다. 이러한 전이는 외부에서 에너지가 주어지는 경우에 일어나게 되는데, 주로 빛의 흡수에 따른 빛에너지의 주입이 한 예이고, 본 연구의 경우에는 고온/고압에 의해서 전자전이가 일어나게 되는 것이다. 물질 특성, 특히나 금속의 물질 특성은 전자에 의해서 좌우되는데, 전이 후에 들뜬 상태의 전자는 바닥상태의 전자와는 그 성격에 매우 다르기 때문에 특이한 성질을 보이는 주원인이 된다.

지금까지는 신약 후보물질을 몸속으로 투여하고 세포를 추출한 후 효과를 분석했습니다.

그러나 세포를 용해한 후 세포의 기능이 정지된 상태에서 분석하기 때문에 예상치 못했던 부작용으로 대부분의 후보물질이 탈락하게 되는 단점이 있습니다.

이 때문에 엄청난 비용과 노력을 들이더라도 신약개발을 성공하기가 매우 어려웠습니다.

신약 효능을 분석하는 새로운 기법의 기술을 개발됐습니다.

KAIST 생명과학과 이상규 교수는 생체나노입자를 사람세포에 적용해 살아있는 세포에서 신약의 효능을 실시간으로 모니터링 하는 기술을 개발했습니다.

이 기술을 이용하면 사람 몸속에서도 신약의 효능을 보다 정확하게 파악할 수 있을 것으로 기대됩니다.

약물타겟 A 또는 B가 발현되어 있는 사람세포에 약물을 처리하면 세포 내에서 약물과 약물타겟이 서서히 결합되면서 스마트 나노센서에 의해 이러한 스팟 (같은 나노클러스터) 형태로 실시간으로 센싱-감지된다. 따라서 살아 있는 사람세포 안에서 신약의 효능작용을 실시간으로 마치 비디오를 보는 것처럼 라이브로 모니터링 할 수 있는 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합된 차세대 원천기술이다

형성된 복합체는 나노센서 역할을 하게 돼 약물이 세포 내에 투여되는 과정에서 약물 타겟과의 결합을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

연구팀은 이 나노센서 기술을 '스마트한 눈(InCell SMART-i)'이라고 명명했습니다.

살아있는 세포 안에서 일어나는 신약의 효능작용을 한 눈에 볼 수 있기 때문입니다.

이 기술은 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합된 차세대 원천기술로 신약개발에 효과적으로 적용 가능한 매우 중요한 기술로 평가받고 있습니다.

이 기술은 최근 세계적인 화학지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 지 9월호에 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정됐습니다.

사람 세포 내에 도입된 스마트 나노 센서가 약물과 약물 타겟 간의 결합에 따라 세포 내에 스팟(같은 나노클러스터)을 형성하고 이를 실시간으로 탐지해 낼 수 있는 원천기술의 모식도

<한국천문연구원 제공 동영상>

<사진>

우주환경 경보	R3
플레어 발생 시점					2011년 9월 7일 07:12 (KST)
플레어 종료 시점					2011년 9월 7일 07:24 (KST)
플레어 최대 세기					X2.1
프로톤 이벤트 발생 시점					해당없음
프로톤 이벤트 종료 시점 (예상치)					해당없음
프로톤 이벤트 최대 세기 (예상치)					해당없음
CME 속도 917km/sec			예상 지구 도달시간 9월9일 19시–9월10일 05시 (KST)
우주환경 3일예보 (UT)		9월 8일		9월 9일	9월 10일	9월 11일
		R2~R3 S1~S2 G0~G1		R1~R2 S1~S2 G0~G1	R0~R1 S0~S1 G1~G2	R0~R1 S0~S1 G0~G1
개 요
2011년 9월 7일 07:12 (KST) 에 X2.1급 플레어가 발생하였다. 플레어는 AR1283(N13W11) 지역에서 발생하였으며 CME를 동반하였다. 분석 결과 CME 속도는 약 900 km/sec이지만 진행방향이 지구를 비껴가기 때문에 지구에 미치는 영향이 미미할 것으로 예상된다.
작성자  조경석 / 작성일시 9월 7일 11:05

-역대 플레어와의 비교- 2011. 2/15  10시 44분   X2.2등급 지자기폭풍 발생 안함 2011. 3/8   05시 12분   M3.7등급 2011. 3/10  08시 23분   X1.5등급 2011. 8/9   16시 48분   X6.9등급 2011. 9/7   07시 12분   X2.1등급 (가장 큰 폭발 : 2003. 11. 4 X28 --> X45  최대규모)

<태양폭발에 대해 더 알아보기>

가상이 현실을 제어하고, 현실이 가상을 제어하는 세상이 펼쳐지고 있습니다.

ETRI(한국전자통신연구원)가 가상세계와 현실세계 간 소통을 위한 인터페이스 규격인 'ISO/IEC 23005'에 기고한 6종 기술이 최근 국제표준으로 승인됐습니다.

멀티미디어 콘텐츠 분야 대표적인 국제표준화 전문기구인 MPEG(Moving Picture Experts Group)에서는 2007년 10월부터 'MPEG-V' 프로젝트를 통하여 가상세계 간 또는 가상세계와 현실세계 간 연결을 위한 인터페이스 규격을 정의해 왔습니다.

이번에 국제표준으로 승인된 분야는 MPEG-V 6개 파트를 모두 포함한 것으로 ▲ 다양한 실감효과 정보 표현 기술 ▲ 다양한 센서들의 센싱 정보 표현 기술 ▲ 아바타 및 가상 오브젝트 표현 기술 ▲ 가상세계와 현실세계와의 연동을 위한 장치 제어 명령 ▲ 실감효과 및 센싱 정보에 대한 사용자 선호도 정보 표현 기술 등입니다.

ETRI는 지난 2007년 10월 시청각 효과 이외에도 바람, 향기, 진동 등의 실감효과를 팬과 발향기, 진동의자 등의 다양한 디바이스와 연동시켜 실감효과를 극대화하는 'RoSE(Representation of Sensory Effects)'를 표준화 했고,  MPEG-V 표준과의 통합 절차를 거쳐, 지난 4년간 총 23건의 기술을 기고했습니다.

이 중 22건이 이번에 6개 파트로 통합 분류되어 국제표준으로 승인된 것입니다.

또 ETRI는 MPEG-V 분야 내에서도 실감효과 정보 표현 기술 및 실감효과 기반의 디바이스 제어 분야를 선도하고 있있다는 평을 받고 있습니다.

이 기술은 가상세계 안에서의 실감효과를 현실세계 디바이스를 통해 재현함으로써 미디어의 효과를 극대화시킬 수 있고, 현실세계의 온도, 조명 등의 환경정보를 가상세계에 반영하는 등의 다양한 응용서비스들을 가능케 해 향후 새로운 미디어 시장을 창출하는 핵심기술이 될 것으로 전망됩니다.

ETRI는 이번 MPEG-V 관련 기술의 국제표준 승인으로 미래 고부가가치 산업인 실감미디어 산업을 우리나라가 주도할 수 있을 것으로 전망했습니다.

실감미디어 산업은 방송, 영화, 콘텐츠, 기기제조업체와의 연계를 통한 서비스 창출로 관련 산업과의 고부가가치 실현을 통한 동반 성장이 가능합니다.

특히 차세대 성장동력과 연계한 산업간 파급효과가 매우 클 것으로 예측되고 있습니다.

ETRI에서 발간한 '전자통신동향분석(2009년 4월)' 자료에 따르면 국내 실감미디어 산업의 경제적 기대효과는 2013년부터 2017년까지 약 14조 1000억 원의 생산 유발효과와 약 5조 1000억 원의 부가가치 유발효과를 가져올 것으로 전망됩니다.

“과학기술이 지향해야 할 정말 중요한 포인트, 그것은 따뜻한 과학입니다.”
강대임 박사(한국표준과학연구원(KRISS) 휴먼인지환경사업본부장)는 지난 2009년 국책 과제인 '신경모방소자 및 인지시스템 융합연구단 사업'을 시작하면서 그동안 갖고 있었던 그의 생각에 큰 변화를 맞는다.

바로 ‘따뜻한 과학’이다.

“이전까지는 과학기술을 비즈니스라고 생각했었습니다. 그러나 인지시스템 융합연구단을 맡으면서 과학이 세상을 얼마나 따뜻하게 할 수 있고, 또 필요로 하는 사람들이 많다는 사실을 깨달았지요.”

제1회 TEDxDaedeokValley에서 따뜻한 과학을 주제로 강연하고 있는 강대임 박사.

그의 과학자 인생은 1982년 KRISS에 입사하면서 시작됐다.

화석연료의 사용은 필연적으로 이산화탄소의 증가를 가지고 오며, 이는 지구온난화 등 심각한 기후변화를 초래하게 되는 것으로 알려지고 있습니다.

그런데 IEA 보고서에 따르면 2050년까지도 화석연료의 비중이 70% 이상을  유지할 것으로 전망됩니다.

CCS(이산화탄소 포집 및 저장) 설비의 세계 시장 규모는 2025년에 약 26조원에 이를 것으로 예측되고 있으며, 시장 선점을 위한 주요 선진국들의 기술 경쟁이 치열해지고 있습니다.

이런 가운데 한국에너지기술연구원이 석탄에서 이산화탄소를 원천적으로 제거하는 동시에 미래 청정에너지인 수소를 대량 생산할 수 있는 '분리막을 이용한 이산화탄소 포집 통합 공정 기술'을 개발했습니다, 
 
이는 기존 분리막보다 투과 성능을 혁신적으로 개선한 것으로, 수소 분리와 동시에 이뤄지는 이산화탄소 포집률이 기존 공정보다 4%~25% 향상된 90%이상으로 세계 최고 수준입니다.

이 같은 이산화탄소 포집률은 2011년 미국 에너지부(DOE)의 목표를 초과 달성한 것이며, 수소 투과 성능도 현재 142㎖/min.㎠로 미국 DOE의 목표치인 110㎖/min.㎠를 앞섰습니다.

또 이를 통해 CO2 포집비용을 톤당 10달러까지 줄일 수 있는 기반을 마련했습니다.

2015년 탄소세와 이산화탄소 포집 비용 또한 거의 동일해져 시장이 확대될 것으로 예측되고 있으며, 현재 이산화탄소포집 비용은 톤 당 40~60달러에 이릅니다.

이번에 개발된 기술은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등 품질이 낮은 탄화수소 연료를 이용할 수 있고, 값 싼 석탄을 오염물질 배출 없이 깨끗하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소생산까지 가능한 기술입니다.

석탄가스화복합발전(IGCC)에 적용되는 이 공정은 가스화기에서 배출된 수소와 일산화탄소로 이뤄진 합성가스를 이산화탄소와 수소로 전환하고 분리막을 통해 선택적으로 수소를 분리하는 동시에 이산화탄소를 포집합니다.

저장된 수소는 연료전지 발전이나 수송용으로 활용될 수 있게 됩니다.

연소 전 이산화탄소 포집 시스템 공정도

연구팀이 자체 개발한 '팔라듐계(Pd-Cu계) 분리막'은 공정의 효율성과 우수한 성능, 저가의 포집비용을 가능하게 한 핵심원천기술로, 기존 분리막보다 합성가스 처리량이 7배 이상 향상됐으며 초박막화 기술을 통해 고가 소재의 사용량을 획기적으로 줄였습니다.

분리막 모듈

기존 분리막은 30㎛ 두께의 팔라듐 박(箔, foil)을 코팅해 제조했으나, 자체 개발한 분리막에는 신기술을 적용, 팔라듐 박을 3㎛ 두께로 초박막화하여 소재 사용량을 1/10까지 줄였으며 기존 투과도의 한계를 극복했습니다.     

500MW 규모의 발전소에 적용할 경우 기존 분리막은 1200억 원의 비용이 들어가지만, 이번에 개발된 분리막은 60억 원으로, 기존 분리막의 5% 수준에 불과해 높은 수준의 기술 경제성을 확보했습니다. 

또한 각각의 분리막을 적층한 모듈은 30기압 이상 고압에서 견딜 수 있도록 설계·제작 됐으며, 이를 통해 고압 분리막 모듈화 기술도 달성했습니다.

이는 가스화기에서 발생한 압력을 그대로 사용, 투과성능 향상은 물론 압력차로 인해 에너지 손실이 발생하는 다른 포집기술에 비해 효율적이며 공정을 단순하게 합니다.

이렇게 개발된 통합공정은 분당 2리터의 가스처리 능력을 가진 실험실 규모의 공정과 시간당 1000리터의 탄화수소를 처리할 수 있는 파일럿 설비를 이용한 실증에 모두 성공했습니다.

연구책임자인 백일현 박사는 이 기술이 저비용 이산화탄소 포집 기술 개발을 위한 기폭제 역할을 할 것으로 내다보고 향후 석탄가스화 시스템과 연계한 2단계 사업을 통해 상용화를 앞당길 예정입니다.

 CCS 설비 시장이 활성화 되는 2025년 경 이를 상용화해  국내 발전소에 적용될 경우, 연간 220만 톤의 이산화탄소 저감효과와 7400억 원의 국내 시장, 2조 6000억 원의 수출시장을 선점하는 경제적 파급효과가 있을 전망입니다.

2l/min 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정

1Nm3/h 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정