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2012. 1. 10. 12:00 대덕밸리과학소식/KAIST
지금까지 배양된 세포를 관찰하기 위해서는 광학적 회절한계를 극복하는 초고해상도 현미경을 사용했습니다.

그러나 이 경우 매우 복잡하고 거대한 시스템이 필요하기 때문에 생체 내 불투명한 부위에 위치한 세포를 실시간 관찰하기에는 역부족이었습니다. 

□ KAIST 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수팀이 미세한 빛을 주고받을 수 있는 광학 나노와이어를 이용해 세포내에서 나오는 미세한 광학신호를 세계 최초로 검출했습니다.

나노내시경이 단일 암세포내를 탐지하는 사진


이번 연구를 통해 사람의 내장 장기를 직접 관찰하는 내시경처럼 세포의 손상 없이 고해상도로 세포 내부를 관찰할 수 있는 길이 열렸습니다.

이에 따라 세포 내에서 일어나는 미세한 생물학적 현상을 연구해 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 전망입니다.

박 교수팀이 개발한 광학 나노와이어는 지름이 100㎚(나노미터)로, 세포에 삽입해도 손상되지 않을 만큼 작게 만들수 있고, 재료는 빛이 잘 통과하는 주석산화물로 구성된 반도체가 사용됐습니다.

광학 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호도 검출할 수 있습니다.

나노내시경에서 나오는 미세한 가시광선 빛을 통하여 형광염색된 암세포내 단일 미토콘드리아를 관찰하는 사진 (a: 세포내 형광염색된 미토콘드리아들(흰색 점들)을 나타내는 사진, b: 나노내시경이 단일 미토콘드리아 부근에 위치한 사진, c: 나노내시경을 통하여 단일 미토콘드리아(흰색 점)를 형광 영상화하는 사진)

나노내시경 모식도와 사진 (a: 나노내시경 모식도. 식각된 광섬유 끝에 나노와이어를 접합하고 가시광선 빛을 전달하는 그림, b: 제조된 나노내시경 끝에서 빛(노란색 화살표)이 전달되어 나오는 사진, c: 텅스텐 바늘로 나노내시경을 구부려도 전달되는 빛(노란색 화살표)에 손상이 없는 사진. 눈금은 50 μm)


□ 
이와 함께 연구팀은 나노와이어에 세포가 손상되지 않는 것에 착안, 나노와이어의 끝에 빛에 반응하는 물질을 입히고 이를 세포에 삽입했습니다.

그런 다음 빛을 전달하면 그 물질이 빛에 반응해 세포 내로 침투하는 것을 확인함에 따라 약물을 세포 내 특정부위에 효과적으로 전달해 치료목적으로도 이용할 수 있는 가능성을 제시했습니다.


이번 연구는 다학제간 협력에 따라 KAIST 박지호 교수를 비롯해 생명화학공학과 양승만 교수와 허철준 박사, 고려대 생체의공학과 최연호 교수, UC 버클리대 화학과 페이동 양(Peidong Yang) 교수와 류슈에 얀(Ruoxue Yan) 박사, 바이오공학과 루크 리(Luke Lee) 교수 등이 참여했습니다. 

이번 연구 결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 12월 18일자 온라인 판에 게재됐습니다.

 <연 구 개 요>
 
반도체 나노와이어는 그들의 일차원적인 극미세 세계에서 일어나는 특이한 전기적 현상을 이용하여 초미세/고효율 전자기계부품으로 활용하기 위해서 현재 활발히 연구되고 있다. 
이러한 전기적 특성뿐만 아니라 특정 반도체 나노와이어에서는 기존의 일반 광학재료에서 볼 수 없는 특이한 광학적 현상도 일어난다. 
이번 연구에서는 이러한 미세 광학적 신호를 전달할 수 있는 나노와이어를 이용하여 세포 속을 최초로 관찰한 것이다.

연구팀은 백 나노미터 정도의 지름을 가지고 수십 마이크로 길이의 주석산화물 나노와이어를 합성하고 이를 식각(etching)된 광섬유 끝에 연결하여 광섬유로부터 나오는 가시광선 빛이 서브파장정도로 나노와이어를 통하여 전달되는 "나노와이어기반 세포내시경(나노내시경)"을 개발하였다. 
이러한 나노내시경은 미세한 지름 및 높은 종횡비에도 불구하고 유연하면서 튼튼하다. 
또한 일반적인 실리콘 나노와이어에 비교하여 본 연구에서 사용한 주석산화물 나노와이어는 그들의 높은 굴절률(refractive index) 때문에 공기 중뿐만 아니라 수용액 내에서 자외선 및 가시광선 빛을 나노와이어를 통하여 전달하는 능력이 훨씬 뛰어나다.

이번 연구에서는 이러한 나노내시경을 이용하여 세포내 특정부위로 빠르게 형광나노물질인 양자점(quantum dot)을 전달하고 이렇게 전달된 양자점을 나노내시경으로 전달되는 미세한 빛으로 고해상도로 영상화할 수 있었다. 
또한 세포내에 위치한 양자점에서 나오는 미세한 형광신호를 세포내 삽입된 나노내시경을 통하여 실시간 정밀하게 검출할 수 있었다.
또 나노내시경을 이용하여 세포내 중요한 소기관인 단일 미토콘드리아를 영상화하는데 성공하였다.
이러한 나노내시경은 세포내 삽입 및 조명시 세포막 및 세포기능에 손상을 주지 않는 것으로 밝혀졌다.


 <박지호 교수 프로필>

1. 인적사항
○ 소  속 : 카이스트 생명과학기술대학 바이오및뇌공학과
 http://biomaterial.kaist.ac.kr

2. 학    력
○ 연세대학교 금속공학과 학사 2002
○ 연세대학교 의과학과 석사 2004
○ UC San Diego 재료공학과 박사 2009

3. 경력사항
○ 2009. 11. ~ 현재 카이스트 이원조교수
○ 2009. 10. ~ 현재 카이스트 조교수
○ 2009. 8. ~ 2010. 8. UC Berkeley 화학과 박사후과정 연구원

4. 주요연구실적 (최근 3년간)

○ "Nanowire-Based Single Cell Endoscopy" Ji-Ho Park*, Ruoxue Yan*, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang, Luke P. Lee, and Peidong Yang. Nature Nanotech. in press (*equal contribution).
○ "Nanoparticles that Communicate In Vivo to Amplify Tumour Targeting" Geoffrey von Maltzahn, Ji-Ho Park, Kevin Y. Lin, Neetu Singh, Christian Schw?ppe, Rolf Mesters, Wolfgang E. Berdel, Erkki Ruoslahti, Michael J. Sailor, and Sangeeta N. Bhatia, Nature Mater. 10 (2011) 545-552.
○ "Cooperative Nanoparticles for Tumor Detection and Photothermally Triggered Drug Delivery" Ji-Ho Park, Geoffrey von Maltzahn, Luvena Ong, Andrea Centrone, T. Alan Hatton, Erkki Ruoslahti, Sangeeta N. Bhatia, and Michael J. Sailor. Adv. Mater. 22 (2010) 880-885.
○ "Cooperative Nanomaterial System to Sensitize, Target, and Treat Tumors" Ji-Ho Park, Geoffrey von Maltzahn, Mary Jue Xu, Valentina Fogal, Venkata Ramana Kotamraju, Erkki Ruoslahti, Sangeeta N. Bhatia, & Michael J. Sailor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107 (2010) 981-986.
○ "Biodegradable Luminescent Porous Silicon Nanoparticles for in vivo Applications" Ji-Ho Park, Luo Gu, Geoffrey von Maltzahn, Erkki Ruoslahti, Sangeeta N. Bhatia, and Michael J. Sailor, Nature Mater. 8 (2009) 331-336.
○ "Systematic Surface Engineering of Magnetic Nanoworms for in vivo Tumor Targeting" Ji-Ho Park, Geoffrey von Maltzahn, Lianglin Zhang, Austin M. Derfus, Dmitri Simberg, Todd J. Harris, Sangeeta N. Bhatia, Erkki Ruoslahti, and Michael J. Sailor, Small, 5 (2009) 694-700.
posted by 글쓴이 과학이야기

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2011년 11월 9일 화성의 위성 중 하나인 'Phobos'의 토양샘플 채취를 목적으로 발사된 러시아 화성 위성탐사선 포보스-그룬트(Phobos-Grunt)가 정상궤도 진입에 실패한 바 있습니다.

포보스-그룬트는 총 중량이 13.2t으로, 착륙선, 지구귀환모듈, 중국의 잉훠 1호 탐사선 등으로 구성됐습니다.

2012년 1월 6일 현재 포보스-그룬트는 183×224km의 타원궤도를 선회하면서 지구중력과 대기마찰 등으로 매일 약 1~2km씩 고도가 낮아져 1월 15일 경 지구 대기권에 진입할 것으로 예상됩니다.

대기권 진입 시 공기 분자와의 마찰로 대부분 연소되지만 지구귀환모듈 등 열에 강한 일부 파편은 전소되지 않고 지표에 떨어질 것으로 예상되고 있습니다.

러시아우주청(ROSCOSMOS)은 이번 추락으로 약 30조각의 파편(총 중량 200kg 이하)이 지표면에 도달할 것으로 분석했습니다.

정확한 낙하 시각과 장소는 추락 1~2시간 전에야 분석이 가능합니다.

이에 따라 교육과학기술부와 국방부, 한국천문연구원과 한국항공우주연구원은 최근 러시아가 발사했던 화성위성탐사선 포보스-그룬트의 추락에 대비해 한국천문연구원 내에 상황실을 설치하고 추락상황 분석 및 대국민 알림서비스를 실시합니다.

한국항공우주연구원과 공군은 국제 협력체계를 활용하여 관련정보를 수집하고, 한국천문연구원은 수집된 정보를 바탕으로 포보스-그룬트의 궤도와 한반도 통과시각, 추락시각 및 장소 등 위성추락상황을 종합분석해 관계부처 및 기관에 전파합니다.

위성추락상황은 상황이 종료될 때까지 인터넷과 트위터를 통해 실시간 공개됩니다.
     ※ 인터넷 : event.kasi.re.kr(천문연), www.kari.re.kr(항우연)
     ※ 트위터 : @kasi_news(천문연), @mest4u(교과부)

또 당국은 유사시에 대비하여 민-군 재해재난 대응 유관기관과 비상연락체제를 구축하고, 위성이 우리나라 인근에 추락할 것으로 예측될 경우 뉴스, 주요 포털사이트, 민방위본부 전파체계 등을 활용하여 추락상황 등을 전파할 예정입니다.

한편 교육과학기술부는 최근 우주물체의 지구 대기권 진입사례가 증가함에 따라 우주물체 감시 및 피해예방을 위한 연구개발을 강화하고 종합적인 위기대응체제를 구축할 예정입니다.

지난 2010년에는 41개의 우주물체가 지구 대기권에 재진입했고, 최근에도 미국 UARS위성(2011.9), 독일 ROSAT 위성(2011.11) 등이 지구로 추락한바 있습니다.

한국천문연구원은 '우주물체 전자광학 감시체계 기술개발사업'을 추진 중이며, 한국항공우주연구원에서는 국가위성을 우주파편으로부터 보호하기 위한 시스템을 개발 중입니다.

<포보스-그룬트 탐사선>

□ 탐사선 개요

○ 탐사선명 : 포보스-그룬트(Phobos-Grunt=Фобос-Грунт)
     ※ 포보스 : 화성의 2개 위성(포보스=Phobos, 데이모스=Deimos) 중 하나
     ※ 그룬트 : 러시아어로 땅 혹은 흙을 의미
 
○ 주요임무 : 포보스 토양샘플 채취 및 귀환, 포보스 원격탐사, 화성대기 감시, 화성 복사환경 감시, 화성 위성의 기원연구, 소행성 충돌이 지구형 행성에 미친 영향 및 생명체 연구 등

○ 참여기관
   - 러시아연방우주청(Russian Federation Space Agency, ROSCOSMOS)
   - 중국항천국(China Nat'l Space Administration, CNSA), 홍콩기술대학(Hong Kong Polytechnic Univ.), 미 행성협회(Planetary Society), 핀란드 대기과학연구소(Finish Meteorological Institute), 불가리아 과학원(Bugarian Academy of Sciences) 등

○ 무   게 : 연료 포함 13.2톤(착륙선 중량 730kg)
○ 발사일 : '11.11.9
○ 발사장/발사체 : 바이코누르(Baikonur) 기지 / 제니트발사체(Zenit-2SB)
○ 임무형태 : 궤도선, 착륙선, 지구귀환 모듈
○ 특이사항 : 중국 화성탐사선 잉훠-1호 탑재


posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 한반도로 떨어지기전에 위성은 불타 없어 지는가요?아니면 그대로 추락하는가요?
    갑자기 궁금해집니다.ㅎㅎ

    • 글쓴이 과학이야기 2012.01.11 17:42 신고  Addr Edit/Del

      위성이 지구 대기권으로 재진입할 때는 대체로 마찰열로 인해 불탑니다. 그러나 이번 위성은 일부 부분이 재진입에 견디도록 설계돼 낙하물이 있을 것이라고 합니다.

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