우리얘기

최근 화학산업을 비롯한 생명공학산업의 지속적 발전과 한-미 FTA 체결, EU의 신화학물질관리제도(REACH) 시행 등으로 인해 국내·외 환경독성평가 수요가 급증하는 추세입니다.

게다가 유럽에 이어 중국(CHINA REACH)과 일본(화심법), 대만 등도 새로운 화학물질 관리 제도를 도입하면서 이에 대한 국내 산업계의 적극적인 대응이 필요해졌습니다.

이에 맞춰 우리나라도 'K- REACH'로 불리는 '화학물질 등록 및 평가에 관한 법률(화평법)' 도입을 서두르고 있습니다.

그러나 문제는 이 같은 추세에도 불구하고 국내의 경우 환경독성 평가를 위한 시험시설이 절대 부족하고, 특히 미국이나 유럽 등 선진국 수준의 시험 데이터를 인정받을 만한 국제적 수준의 GLP(우수실험실운영규정)시험기관이 전문하다시피하다는 것입니다.

때문에 본격적인 REACH 시행과 함께 화학물질에 대한 독성시험 수요 증가가 늘어날 경우 이들 시험수요를 충족시키지 못해 국내 기업들이 시험단가가 훨씬 높은 외국 시험기관의 시험 의뢰가 불가피한데고, 이 경우 경제적 부담은 물론 시험 물질의 정보 유출 등도 우려되는 상황입니다.

유럽 'REACH'를 비롯해 전 세계적으로 강화되고 있는 국제적 환경규제에 대응하기 위한 선진국 수준의 환경독성연구기관이 경남 진주에 자리잡았습니다.

■ 안전성평가연구소(KIT) 경남환경독성본부는 각종 화학물질을 포함한 바이오 산업 분야에서 국제적 수준의 안전성 평가 서비스를 수행하게 됩니다.

KIT 경남환경독성본부는 대전 대덕 연구소의 연구 및 시험 노하우를 바탕으로 국내에서 개발되는 각종 화학물질의 환경 독성 평가를 국제적 수준으로 수행해 전 세계적인 무역장벽으로까지 대두되고 있는 각종 국제 환경규제에 적극 대응할 예정입니다.

이를 위해 KIT 경남환경독성본부는 환경에 대한 독성 평가를 위한 어류와 물벼룩, 조류 등을 이용한 독성 평가는 물론 토양과 미생물 분해, 생물 농축성 시험 등을 포함하는 시험시설들을 갖추고 있습니다.

또 농약 등 화학물질의 성분과 잔류 농약 분석, 방사선 동위원소 시험 등을 수행할 수 있는 시설과 장비도 운영하게 됩니다.


 용  어  설  명

GLP(Good Laboratory Practice .우수실험실운영규정) :
GLP란 의약품 등의 개발과정에서 실시하는 시험의 신뢰성을 보증하기 위해 시험의 전 과정을 사항을 조직적, 체계적으로 관리하는 규정으로 국내는 물론 전 세계적으로 의약품 등의 안전성 시험결과에 대한 신뢰성 판단의 제반 기준이 돼 오고 있다.

EU 신화학물질관리제도(REACH) :
Registration(등록), Evaluation(평가), Authorization(인증) & Restriction(규정) of Chemicals(화학물질)의 약자로 지속가능한 화학물질관리의 기본 축이 되는 법령으로서 현재 및 미래 세대의 건강과 환경을 보존하는 동시에 화학 산업의 경쟁력을 높이기 위해 EU내 40여개 화학물질 관련 법령을 통합, 2007년 6월 본격 시행됐다.
특히 유럽에서 생산되거나 수입되는 화학물질의 등록, 평가, 승인에 관한 지침으로 등록되지 않은 물질은 시장에서 판매할 수 없게 되는 환경 규제 관련 법규 중 가장 강력한 법규로 손꼽힌다.

일반적으로 염료감응형 태양전지의 광전극은 이산화 타이타늄 나노입자들 간의 무질서한 연결을 통해 형성된 메조 다공구조를 형성하고 있습니다.

이는 나노입자 간의 전자 전달 효율이 낮추는 원인으로, 전체 태양광에너지 변환효율 향상을 위해 해결해야 할 문제 중 하나입니다.

이 같은 문제 해결을 위해 그동안 광전극 내 타이타늄 배향성을 증가시키거나, 나노선 또는 나노크기의 튜브형 구조를 적용한 고정렬도 광전극 구조를 적용하고자하는 연구들이 시도됐지만, 이러한 구조 자체가 불안정하고 큰 면적에 적용하기 어려운 한계가 있었습니다.

■ 건국대 글로컬캠퍼스 응용화학과 이재준 교수팀이 전도성이 높은 탄소계 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 차세대 염료감응형 태양전지(DSSC)의 광변환 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 차세대 태양전지 가운데 가장 유망한 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)의 효율 향상을 위해 광전극에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 적용해 염료감응형 태양전지의 개방전압 감소를 최소화함으로써 광변환 효율을 최대 6~7 % 정도 증가시켰습니다.
 
염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로 기존의 실리콘 태양전지보다 경제적이며 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지입니다.

이번 연구는 연료감응형 태양전지에서 아직 규명되지 않은 탄소나노튜브의 영향을 체계적으로 분석해 이론적으로 해석했을 뿐 아니라 이를 실험적으로 구현해 증명한 첫 연구입니다.

■ 연구팀은 이번 연구에서 광전극의 메조 다공구조를 유지한 채 고전하 전도성 특성을 가지는 대표적인 탄소계 나노물질인 CNT를 도입함으로써 공정상의 어려움이라는 근본적 문제를 피하고, CNT의 고전도성을 활용함으로써 태양전지의 전하포집 효율이 증가되는 기술을 개발했습니다.

이 교수팀은 특히 계면에서의 전자전달 특성 변화 원인 규명에 대한 실험적, 이론적 연구결과를 설명하고, CNT를 첨가할 때 발생하는 개방전압의 감소를 최소화 할 수 있는 광전극 구조에 대한 연구 결과를 제시했습니다. 

일반적으로 CNT를 광전극에 도입할 경우 전자포집효율이 40% 이상까지 크게 증가하지만, 대부분의 경우 개방전압의 급격한 감소로 인해 실질적인 태양전지 효율의 향상을 이끌어 내지 못했습니다.

그러나 이번 연구를 통해 이 교수팀은 CNT가 광전극내에 도입될 경우 형성되는 다양한 계면들에서의 계면상태 에너지 분포와 변화가 개방전압의 감소와 밀접한 상관관계가 있음을 규명했고, 이러한 특성을 기반으로 개방전압의 감소에 직접적인 영향을 주는 계면상태의 분포를 최소화할 수 광전극의 구조를 제안했습니다.

이번 연구에서 제안하는 광전극 나노구조를 활용할 경우 CNT를 사용하지 않았을 때에 비해 6~7 % 정도 광효율이 증가하는 것으로 나타났습니다.

특히 일반적인 염료감응형 태양전지보다 수 마이크로미터 이하의 훨씬 얇은 박막상태인 광전극에 적용할 경우 그 효과가 극대화되기 때문에 향후 저온소성 공정을 필요로 하는 유연기판형 광전극 개발에 유용한 기술이 될 것으로 기대되고 있습니다.

■ 이 교수는 향후 그래핀을 적용하는 방법과 저온소성기반 염료감응형 태양전지용 광전극 제작에 활용하는 방안 등 다양한 연구를 구상 중입니다.

또 비액체형 전해질이 도입된 유연성 염료감응형 태양전지 개발에 적용할 수 있는 기반기술의 개발과 관련된 후속연구들을 진행 중입니다.

이번 연구결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 출간하는 SCI 급 국제 학술지인 PCCP(Physical Chemistry Chemical Physics) 2012년도 제 14호 표지논문으로 선정됐습니다.
(논문명 :  patial arrangement of carbon nanotubes in TiO2 photoelectrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells)

<이재준 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 글로컬캠퍼스 응용화학과                  2. 학력   1986-1990  서울대학교 이학사 (화학)   1990-1993  서울대학교 이학석사 (화학)   1995-2001 Case Western Reserve University 이학박사 (전기화학)       3. 경력사항 2008 ~ 현재  건국대학교 자연과학대학 응용화학과 (나노화학/전기화학 전공) 부교수  / 건국대학교 신기술융합학과 (대학원) 겸임교수  / 건국대-프라운호퍼 차세대 태양전지 연구소  부소장 (2008.12.1~) (Vice Director, KonkukUniversityMAT-FraunhoferISE Next Generation Solar CellResearchCenter(KFnSC)) 2004 ~ 2007   건국대학교 자연과학대학 응용화학과 (나노화학/전기화학 전공) 조교수  건국대학교 신기술융합학과 (대학원) 겸임교수 2000 ~ 2004    Post Doctoral Scholar (박사후 연구원),   Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California (캘리포니아 공과대학) 2012-  한국전기화학회 태양전지분과회장  (2012.1.1 ~ 2013.12.31) 2012-  한국전기화학회 학술위원장  (2012.1.1 ~ 2013.12.31) 2012-  대한화학회 전기화학분과 총무간사  (2012.1.1 ~ 2012.12.31) 2011-  충청권 태양광 테스트베드 운영위원 (2011.8. ~ )

뇌신경세포는 기억, 인지, 운동조절 등의 기능을 수행합니다.

이런 뇌신경세포가 기능을 수행하기 위해서는 다른 신경세포와의 교감이 필요한데, 이 때 사용하는 방법이 '신경전달물질'이라는 화학물질을 분비하는 것입니다.
 
이 화학물질 분비는 세포막 융합이라는 독특한 방법으로 이루어지는데, 이 현상이 어떠한 과정으로 조절되는지 지금까지 명확히 밝혀지지 않은 상태입니다.

■ 포스택 이남기 교수와 KIST 신연균 겸임연구원(아이오와주립대 교수) 공동 연구팀이 융합과학을 이용해 뇌신경세포에서 신호를 전달하는 과정을 단계별로 정확히 측정해 치매 등 질환에 뇌신경세포가 손상되는 원인을 규명하는 새로운 가능성을 열었습니다.

연구팀은 단일분자관측 방법으로 기존에 알려지지 않은 신경세포의 신경물질전달 과정을 단계별로 명확히 규명했습니다.

연구팀은 화학물질분비 과정에서 생체막 단백질(시냅토태그민)이 세포막의 특정 지질(PIP2) 및 세포막 융합 단백질(SNARE)과 단계적으로 결합하면서 세포막 융합을 조절한다는 사실을 밝혀냈습니다.

단일분자측정방법을 이용한 세포막 융합 과정을 관측하는 것이 가능하다. (a) 단분자 측정 현미경의 간략도. (b~e) 단분자 현미경을 통한 여러 세포막융합단계의 측정

특히 이번 연구는 물리학에서 활용하는 단일분자 방법과 신경분자생물학에서 사용하는 세포막 융합 방법을 이용해 도출한 연구성과입니다.

이번 연구는 뇌세포의 신경전달과정을 명확히 규명한 성과로, 향후 이 방법을 통해 뇌신경세포가 손상되는 치매 등 뇌질환의 정확한 발병원인을 규명할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

연구결과는 분자생물학 분야의 권위 있는 학술지인 '유럽과학지(EMPO Journal)'에 온라인 속보(3월 10일)로 게재되었습니다.
(논문명: Solution single-vesicle assay reveals PIP2-mediated sequential actions of synaptotagmin-1 on SNAREs)

뇌신경 세포에서 중요한 역할을 하는 시냅토태그민 (노란색)이 세포막 융합 단백질과 특정 지질간의 연속적인 상호작용을 통해서 세포막 융합에 관여하는 과정을 모식도로 보여준다

(왼쪽부터) 이남기 포스텍 교수, 김재열 박사과정, 최봉규 박사과정

 용  어  설  명

시냅토태그민(Synaptotagmin-1) :
인체 신경세포 내에서 신경물질을 포함하는 신경소낭에 존재하는 막 단백질로서, 칼슘이온과 결합하고 막 융합 단백질과 상호작용하여 빠른 신경전달을 유도하는 것으로 그 기능이 알려져 있다.

단일분자 관측방법(single molecule technique) :
실험 시료를 매우 작은 분자 하나의 움직임 수준까지 관측할 수 있는 방법으로, 단일 분자에 형광표지를 하고 형광의 움직임 및 변화를 관찰한다. 최근 학제간 융합과학, 특히 생물과 물리학의 융합 과학 분야에서 급속도로 발전하는 최첨단 방법이다.

엠보 저널(EMBO journal)지 :
유럽분자생물학기구에서 발행하는 학술지로서, 분자생물학 분야에서 세계적으로 영향력 있는 학술지(피인용지수 10.124) 중 하나이다.

<연 구 개 요> 사람의 뇌와 같은 신경기관은 뉴런이라 불리는 수많은 단위체들의 연결로 이루어져 있다. 이러한 단위체 간의 정보교환에는 아세틸콜린, 세로토닌, 도파민과 같은 신경전달물질들이 관여하고 있으며, 이러한 신경전달물질은 세포막 융합이라는 독특한 방법을 이용하여 세포 밖으로 방출하게 된다. 학계에서는 이러한 세포막 융합은 수많은 막 단백질간의 상호작용으로 이루질 것으로 제시하는 연구 결과가 보고되고 있다. 하지만 구체적으로 어떠한 방법으로 세포막 융합이 일어나는지 밝혀내지 못하였다. 특히 신경전달물질을 함유하는 신경소낭의 생체막에 존재하는 시냅토태그민 단백질은 신경전달에서 매우 중요한 신호물질로 알려진 칼슘이온과 강하게 결합하는 특성을 가지고 있어서, 시냅토태그민의 정확한 역할에 대해 많은 과학자들의 활발한 연구대상이었으나, 그 기능이 명확히 밝혀지지 않은 실정에 있었다.   최근 분자 하나의 움직임을 정밀하게 관찰할 수 있는 단일분자 수준의 측정방법이 확립 되면서, 생물학과 물리학 간의 융합과학의 급격한 발전이 이뤄지고 있다. 이러한 발전은 세포 밖 시험관 내에서 인공적인 신경세포 환경을 최대한 뇌세포와 동일하게 만들어 줌으로써 좀 더 정밀한 신경전달을 연구할 수 있게 하였다. 포스텍 이남기 교수와 아이오와주립대 및 KIST 신연균 교수 연구팀은 수용액상에서 확산하고 있는 소낭간의 융합을 단일분자 측정법에 적용 하는데 처음으로 성공하였다. 이는 실제 뉴런세포 내에서 수용액 상태로 확산하는 환경을 조성하여 줌으로써, 좀 더 실제 세포에 가까운 조건에서의 실험을 가능하게 하였으며, 여러 반응들을 분류하고 정량분석 할 수 있게 한데, 큰 의의가 있다.   이 연구 방법을 통해 본 연구팀은 시냅토태그민이 세포막 융합 전에도 세포막 융합 단백질과 결합한다는 사실을 밝혀냈다. 그 이후 세포막 융합 단백질간의 결합이 이루어지고 칼슘의 유입에 의해 세포막 융합이 빠르게 촉진됨을 연속적으로 관찰하였다. 또 특정지질과 세포막 융합 단백질간의 적절한 비율이 시냅토태그민의 기능에 매우 중요하게 작용함을 처음으로 밝혀냈고, 나아가 정량적인 반응속도 분석을 통해 시냅토태그민이 세포막 간의 세포막 결합속도를 약 1000배 이상 빠르게 향상시킴을 밝혀내는 개가를 이루었다.

<이남기 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 포스텍 시스템생명공학부/물리학과 조교수   2. 학력   ○ 1998 :  서울대학교 화학과 학사   ○ 2000 :  서울대학교 화학과 석사   ○ 2005 :  서울대학교 박사 3. 경력사항 ○ 2006년 ~ 2008년 :  Harvard 대 Postdoctoral Fellow ○ 2009년 ~ 현재: 포스텍 시스템생명공학부/물리학과 조교수   4. 주요연구업적 1. J.Y. Kim, B. K. Choi, M. G. Choi, S. A. Kim, Y. Lai, Y. K. Shin, N. K. Lee, "Solution single-vesicle assay reveals PIP2-mediated sequential actions of synaptotagmin-1 on SNAREs", EMBO J. In press (2012). 2. C. H. Kim, J. Y. Kim, B. I. Lee, N. K. Lee, "Direct characterization of protein oligomers and their quaternary structures by single-molecule FRET", Chem. Comm. 48, 1138-1140 (2012). 3. N. K. Lee, H. R. Koh, K. Y. Han, and S. K. Kim, "Folding of 8-17 deoxyribozyme studied by three-color alternating-laser excitation of single-molecules", J. Am. Chem. Soc. 129, 15526 (2007). 4. N. K. Lee, A. N. Kapanidis, H. R. Koh, Y. Korlann, S. O. Ho, N. Gassman, S. K. Kim, and S. Weiss, "Three-Color Alternating-Laser Excitation of Single Molecules: Monitoring Multiple Interactions and Distances", Biophys. J. 92, 303 (2007). 5. A. N. Kapanidis*, N. K. Lee*, E. Margeat, T. Laurence, S. Doose, and S. Weiss, "Fluorescence-Aided Molecule Sorting: analysis of structure and interactions by alternating-laser excitation of single molecules", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 8936 (2004).

<신연균 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : KIST 겸임연구원, 아이오와주립대 교수   2. 학력   ○ 1982 :  서울대학교 화학과 학사   ○ 1990 :  Cornell 대학교 박사 3. 경력사항 ○ 1990년 ~ 1993년 :  UCLA의대 Postdoctoral Fellow ○ 1993년 ~ 2000년 :  University of California at Berkeley 조교수 (화학) ○ 2000년 ~ 2004년 :  Iowa State University 부교수 ○ 2004년 ~ 현재: Iowa State University, 생명과, 물리학과 교수 ○ 2008년 ~ 2011 :  포항공대 융합생명공학부 (WCU) 교수 ○ 2011년 ~현재 : KIST 겸임연구원   4. 주요연구업적 1. Dynamic Ca2+-dependent stimulation of vesicle fusion by membrane-anchored synaptotagmin 1. Lee HK, Yang Y, Su Z, Hyeon C, Lee TS, Lee HW, Kweon DH, Shin YK, Yoon TY. Science. 2010 May 7;328(5979):760-3. 2. A scissors mechanism for stimulation of SNARE-mediated lipid mixing by cholesterol. Tong J, Borbat PP, Freed JH, Shin YK. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Mar 31;106(13):5141-6. Epub 2009 Feb 27. 3.Supramolecular SNARE assembly precedes hemifusion in SNARE-mediated membrane fusion. Lu X, Zhang Y, Shin YK. Nat Struct Mol Biol. 2008 Jul;15(7):700-6. Epub 2008 Jun 15. 4. Complexin and Ca2+ stimulate SNARE-mediated membrane fusion. Yoon TY, Lu X, Diao J, Lee SM, Ha T, Shin YK. Nat Struct Mol Biol. 2008 Jul;15(7):707-13. Epub 2008 Jun 15. 5. A single-vesicle content mixing assay for SNARE-mediated membrane fusion. Diao J, Su Z, Ishitsuka Y, Lu B, Lee KS, Lai Y, Shin YK, Ha T. Nat Commun. 2010 Aug;1(5):1-6.

일반적으로 생체물질이나 약물 등은 자신만의 독특한 광학 이성질체 구조를 가지는데, 이러한 입체적 구조의 특이성은 생명유지를 위해 필수불가결한 요소 중 하나입니다.

따라서 생명 메커니즘 규명을 위해 생체분자의 입체구조에 대한 분석 연구는 반드시 필요합니다.

그러나 광학 이성질체가 발생시키는 광학활성 신호의 세기는 아주 미세하여 빛의 작은 요동에도 큰 영향을 받기 때문에 기존 방법에서는 이를 펨토초(1조 분의 1초 이하) 시간영역에서 측정하는 것이 매우 어려운 일입니다.

■ 한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 조민행 교수 공동 연구팀이 생체물질 등 광학 이성질체의 입체구조를 극히 짧은 시간영역에서 분석할 수 있는 초감도 광학활성 측정기술을 개발했습니다.

이번 연구결과는 오직 단 하나의 펨토초(1조 분의 1초 이하) 레이저 펄스만으로 물질의 입체구조에 대한 분석이 가능함을 실험적으로 증명한 것으로, 생체물질에 대한 기존 측정원리의 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것입니다.

이번 연구성과를 통해 연구팀은 단 하나의 펨토초 레이저 펄스만으로도 미세한 광학활성 신호를 획득하는 것이 가능하다는 것을 성공적으로 보여주었습니다

또한 기존의 측정 방식인 두 종류의 서로 다른 빛을 사용하는 방식이 갖는 빛의 요동과 신호 정밀도, 느린 시간 분해능 문제를 근본적으로 해결했습니다.

이번 연구결과는 단백질, DNA 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응과 비대칭 촉매의 화학 반응 메커니즘 규명연구에 활용될 전망입니다.

또 고감도 신호분석을 이용한 고속 약물 스크리닝 연구 및 차세대 분광기기 개발에 활용하여 바이오 관련 산업분야의 발전도 기여할 전망입니다.
 
이번 연구결과는 물리학 분야의 저명 학술지인 Physical Review Letters誌(IF=7.621)에 2012년 3월 9일자 온라인판으로 발표되었습니다.
(논문명 : Single-Shot Electronic Optical Activity Interferometry : Power and Phase Fluctuation-Free Measurement)

입사광을 한번은 원형 좌편광 또 한번은 원형 우편광된 빛으로 만들어 둘의 흡수세기의 차이를 측정함. 빛의 요동에 큰 영향을 받음.

(a) 단일 펨토초 레이저 펄스에 의한 광학활성 측정장치 개략도 및 (b) 광학 이성질체 유기 분자에 대한 실험결과

 용  어  설  영

광학 이성질체 / 광학 활성 :
사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상이다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없다.
분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 한다.
그 이유는 이들이 빛에 대해 서로 상이한 특성을 가지기 때문이다.
즉, 광학 이성질체는 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛(진행함에 따라 그 편광 방향이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 빛)과 서로 다른 상호작용을 하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는데 이러한 성질을 광학 활성이라 한다. 따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공한다.

펨토 초 레이저 :
펨토(femto)는 나노(nano), 피코(pico) 다음에 오는 단위로 펨토 초는 1000조 분의 1초를 말한다.
1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간이다.
분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어난다.
예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초다.
사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장한다. 
효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초, 수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초다.
펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저다.
펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있다.
깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있다.
바꿔 말해 펨토 초 만에 찍어 내는 카메라인 셈 이며 펄스를 연사하면 펨토 초라는 '찰나'의 시간 동안 분자가 어떻게 움직이는지를 담은 '동영상'도 만들 수 있다.

한국천문연구원이 일본국립천문대와 세계 최대 우주관측사업인 ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) 프로젝트 협력을 위한 MOU를 체결했습니다.

◆ ALMA란?

ALMA는 전세계 전파천문학계가 공동으로 건설하고 있는 밀리미터/서브밀리미터(84GHz~950GHz) 파장대역에서 운영될 초거대 전파간섭계(Radio Interferometer)입니다.

ALMA는 칠레 안데스 산맥에 위치한 고도 5000m의 자흐난또르 평원(Chajnantor Plain)에 건설되고 있습니다.

ALMA 프로젝트는 총 54기 직경 12m 전파망원경과 12기 직경 7m 전파망원경으로 구성됩니다.

이 중 주 어레이는 50기의 12m 전파망원경으로 구성되고, 콤팩트 어레이는 4기의 12m 전파망원경과 12기의 7m 전파망원경으로 구성됩니다.

완성된 ALMA 상상도. 54기의 직경 12m와 12기의 직경 7m 전파망원경으로 이루어지는 ALMA는 16km 범위에 설치된다.

◆ ALMA의 기획

ALMA 사업은 2001년에 시작됐습니다.

당초 미국, 유럽연합, 일본은 각각 서브밀리미터 파장 대에서 운영되는 거대 전파간섭계를 건설할 계획이었는데, 경제적인 이유 등으로 이들 계획이 통합되면서 ALMA가 탄생했습니다.

2004년 ALMA 건설이 시작됐고, 2009년에 ALMA 사이트에 도착한 세 기의 안테나를 이용해 우주전파신호 검출에 성공했습니다.

현재 계획으로는 2013년부터 66기 안테나로 구성된 ALMA의 정상운영이 시작될 예정입니다.

ALMA 건설에 투입되는 건설 비용이 약 12억 달러(1조 5000억 원)로 천문학 역사상 가장 큰 규모의 관측시스템입니다.

ALMA의 운영비도 매년 건설비의 1/10 정도가 될 것으로 예상됩니다.

ALMA 건설과 운영에는 유럽, 북아메리카, 동아시아 컨소시엄이 각각 37.5%, 37.5%, 25.0% 지분으로 참여하고 있습니다.


◆ ALMA 성능

ALMA는  현재 서브밀리미터 영역에서 운영되는 유일한 전파간섭계인 SMA(Sub Millimeter Array) 보다 100배 가량 감도가 좋을 것으로 예상됩니다.

간섭계의 분해능은 관측주파수와 최장기 선에 의해 결정되는데 ALMA의 최장기 선은 약 16km로, 900GHz에서 약 0.005호초의 분해능을 기대할 수 있는 수준입니다.

ALMA는 총 66기의 안테나로 구성되고 기선이 15m~16km의 범위에 분포하므로 우주의 미세한 구조와 큰 범위의 우주 구조를 동시에 관측할 수 있습니다.

2011년 10월 ALMA 사이트 모습. 16기의 안테나가 설치되어 관측을 수행하고 있다.

◆ ALMA를 활용한 연구

ALMA는 같은 주파수 대역에서 운영되는 전파 망원경이나 간섭계에 비해 그 성능이 월등하므로 다양한 연구 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

우선 우주의 암흑시기(dark age) 직후 처음으로 생성된 별과 은하를 연구할 수 있습니다.

이들은 현재 우리로 부터 무척 먼 거리에 떨어져 있기 때문에 이들로부터 방출된 빛은 우주팽창에 의한 적색편이로(서브)밀리미터 파장영역에서 관측될 것입니다.

또 우리 은하나 가까운 외부 은하에서 생성중인 별과 행성을 0.01호초 이하의 고분해능으로 관측해 이들의 생성원리와 과정을 자세히 연구할 수 있습니다.

ALMA는 넓은 대역폭으로 다수의 스펙트럼선을 동시에 관측하므로 별과 행성을 형성하는 분자운에서 일어나는 복잡한 성간화학 현상을 연구하는데도 크게 기여할 전망입니다.

이 밖에도 우리 은하와 외부 은하의 가스와 먼지의 분포 및 물리, 화학, 동역학 성질을 규명하고, 별의 물리량 및 물질 방출현상을 연구하고, 태양풍의 기원을 연구하는 등 다양한 연구주제를 수행할 예정입니다.


◆ 한국 천문학계의 ALMA 관련 활동

한국 천문학계에서는 아직 초기단계이긴 하지만 한국천문연구원 중심으로 동아시아 ALMA 컨소시엄에 참여하려는 노력이 진행 중입니다.

ALMA는 한국천문연구원에서 운영하고 있는 한국우주전파관측망(KVN)과 상호보완적인 관계에 있기 때문에 한국의 ALMA 참여는 국내 천문학자들이 KVN을 활용해서 우수한 연구성과를 창출하는데도 크게 기여할 전망입니다.

KVN을 활용하면 0.001호초대 분해능의 관측자료를 얻을 수 있지만 우리은하의 메이저원이나 활동성 은하핵(AGNs) 등 초고밀도 구조에서 방출되는 강한 메이저선이나 연속파만 관측할 수 있습니다.

ALMA는 분해능이 0.01호초으로 KVN 보다 낮지만 높은 주파수대역에서 다양한 크기의 구조에서 방출되는 메이저선과 연속파는 물론 수많은 분자선을 관측할 수 있습니다.

따라서 KVN과 ALMA를 함께 이용해서 특정 천체를 관측하면 그 천체의 다양한 면을 통합적으로 연구할 수 있습니다.

예를 들면 별 생성 연구 분야의 경우 별 생성 과정의 핵심 구성원인 강착원반과 제트의 구조나 성질을 이해하는 것이 중요한 연구 주제인데, ALMA을 이용한 분자선과 연속파 관측자료와 KVN으로 얻어진 메이저 관측 자료를 결합하면 강착원반과 제트의 구조 및 물리, 화학, 동역학 성질을 규명하는데 시너지효과가 클 것으로 기대됩니다.

태양으로부터 지구에 도달하는 태양광은 자외선에서 가시광선 및 적외선을 포함하고 있으며, 현재 무-유기 하이브리드 태양전지는 주로 가시광선까지의 태양광을 활용하므로 효율 향상의 한계를 이번 연구 성과를 통해 기존보다 넓은 파장대 영역의 태양광을 활용할 수 있는 기술을 개발함


한국화학연구원 석상일 박사팀이 기존 태양전지 기술과 무기 및 유기 소재의 장점을 융합한 무-유기 하이브리드 태양전지 제조기술의 고효율화를 위한 방법론을 제시했습니다.

무-유기 이종접합 하이브리드 태양전지 제조기술은 2010년 석상일 박사팀이 세계 최초로 개발한 신개념 태양전지 제조 원천기술입니다.

당시 석 박사팀은 고효율의 무기반도체박막태양전지와 저가의 유기태양전지를 염료감응태양전지 구조에 적용한 융합기술로 효율성과 가격경쟁력의 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 원천기술을 발표해 주목을 받았습니다.
     
이번에 석 박사팀은 태양전지의 효율을 획기적으로 올리기 위한 다중구조(panchromatic)의 태양전지를 제조하는데 성공해 태양전지의 고효율화를 위한 새로운 길을 제시했습니다.

이번 연구는 그 동안 제대로 활용하지 못했던 태양광의 장파장 영역에 있는 빛을 효율적으로 흡수하고 광전자-홀로 분리하여 기존보다 넓은 파장대의 태양광을 활용할 수 있는 기술입니다.

이번 연구성과는 세계적 권위의 나노분야 학술지 나노레터스(Nano Letters) 온라인판(2012년3월8일)에 게재되었습니다.
(논문제목 : Panchromatic Photon-Harvesting by Hole-Conducting Materials in Inorganic-Organic Heterojunction Sensitized-Solar Cell through the Formation of Nanostructured Electron Channels)

다중구조 (panchromatic)의 무-유기 하이브리드 KRICT 태양전지 구조

광전극 골격에 가시광 영역의 빛을 흡수하는 무기반도체 나노입자와 근적외선 영역의 빛을 흡수하는 공액 고분자를 이용한 다중구조에서 광으로부터 전자를 생성하는 개념도

 용  어  설  명

무기반도체박막태양전지 :
전자(n)-정공(p)의 무기반도체 박막을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지.
효율은 높지만 제조 비용이 고가인 단점이 있음.

염료감응태양전지 :
식물의 광합성 원리를 모방한 태양전지로, 전자(n) 전도성 지지체 위에 태양광을 흡수하는 염료를 부착하여 태양광 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 전자전도체-홀전도체 계면에서 분리되어 전자와 홀이 외부 회로로 흐르게 하여 동작하는 태양전지.
효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용으로 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음.

유기태양전지 :
태양광을 흡수하여 전자-정공을 생성하는 고분자 재료에 전자흡수능력을 가진 물질을 결합하여 제조되는 태양전지.
저가로 제조가 가능하지만, 광안정성이 낮은 단점이 있음.

공액 고분자 :
폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리사이오펜과 같이 탄소와 탄소사이가 이중결합 (π 결합)과 단일결합 (σ결합)이 교대로 형성된 구조를 가지는 고분자로써 전기 전도성 및 반도체적인 성질을 가져 발광 다이오드, 태양전지, 트랜지스터 등에 사용됨.

Nano Letters誌 :
나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 미국 화학회에서 발행하는 학술지 (2010년도 SCI 피인용지수 : 12.219)

유압 플랜트용 비례압력 제어 밸브는 제철, 제강, 자동차 생산 라인 등에 필요한 핵심 장치로 유압 시스템의 압력을 일정하게 제어하는 역할을 합니다.

한국기계연구원 극한에너지기계연구실 윤소남 박사팀이 세원셀론텍㈜과 공동으로 일본, 독일 등 첨단 기술을 보유한 외국 기업의 전유물이었던 중^대형 유압플랜트용 핵심 비례압력제어 밸브 설계 제작 기술이 국내 처음으로 개발했습니다.

비례압력제어 밸브 외관

게다가 이를 파이로트로 사용해 2단으로 설치하면 유량제어 면적이 넓어져 최대 400 lpm의 유량 범위에서 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

비례압력제어 밸브를 파이로트로 한 2단 제어밸브

또한 디지털 PWM(펄스폭 변조법) 신호를 빠르게 인지하는 방식을 채택해 응답 성능이 기존 밸브보다 50% 이상 높아졌고, 이에 따라 20% 이상의 에너지 절감 효과도 기대되고 있습니다.

연구팀은 이번 기술을 향후 사출기나 프레스, 모바일 건설 장비, 해양 플랜트 등의 압력제어 분야에 적용할 방침입니다.

개발된 밸브 성능측정 장비 및 시험입력신호

유방암, 자궁암, 폐암 등 고형암 뿐만 아니라 림프성, 골수성 혈액암의 발병과 암세포 확산에 공통적으로 관여하는 효소(Akt)가 있다는 사실은 이미 1990년대 말에 밝혀졌습니다.

특히 정상세포와 달리 암세포에는 Akt가 비정상적으로 활성화되어 있는데, Akt의 활성화는 곧 암세포의 성장, 전이, 항암제 내성 및 재발과 관련된 모든 질병을 촉진하는 것으로 알려지고 있습니다.

따라서 전 세계 연구자들은 지난 수십 년간 Akt의 분해를 유발하는 효소를 발굴해 암을 정복하고자 노력하였지만, 애석하게도 가시적인 성과를 거두지 못했습니다.

□ 건국대 안성관 교수와 배승희 박사(제1저자) 연구팀은 '뮬란'이라는 효소가 Akt를 매우 강력하게 분해시켜, Akt와 관련된 모든 암세포의 진행을 억제한다는 사실을 규명했습니다.

또한 뮬란이 세포 내에 에너지 합성 및 세포의 생존과 사멸에 필수적인 미토콘드리아를 통해 Akt의 분해를 촉진한다는 세부 메커니즘도 밝혀냈습니다.

'뮬란(MULAN)'이라는 효소가 폐암 등의 고형암과 골수성 백혈병 등 혈액암의 진행단계를 억제하여 암세포의 사멸을 촉진하는 것입니다.

안 교수팀은 '뮬란'을 통해 향후 신개념 항암 치료제 개발에 새로운 돌파구를 마련할 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구결과는 네이처(Nature)에서 발간하는 생명과학 분야의 권위 있는 학술지인 '세포연구(Cell Research)'지에 온라인 속보(3월 13일자)로 게재되었습니다.
(논문명 : Akt is negatively regulated by the MULAN E3 ligase)

Akt는 암세포 성장, 전이, 내성 및 재발에 모두 관여 하고 있으며 (따라서 '마스터 스위치' 라고 불림), 특히 암세포에서는 Akt 효소가 비정상적인 수준으로 높게 활성화(Activation) 되어 있다. 이 활성화된 Akt를 뮬란(MULAN)이 유비퀴틴(Ubiquitin, Ub)화시켜, Akt 분해를 유도하여 암 발달 관련 모든 과정이 억제된다.

안성관 교수(가운데), 배승희 박사(왼쪽) 및 김가람 학생이 암세포에 인위적으로 뮬란을 넣은 후 나타나는 항암효과에 대한 실험을 하고 있다.

 용  어  설  명

단백질 분해(Protein degradation/Ubiqutination) :
우리 인간 세포 내 기능을 수행하는 것은 단백질이다.
이러한 단백질들은 각기 다른 수명을 가지고 있다.
하지만 그 단백질들의 수명이 달라진다면 세포의 행동 양식 및 증식력이 변화되며, 이러한 세포들이 체내에 많아진다면 질병으로 나타날 수 있다.
따라서 단백질의 분해는 세포의 정상적인 기능 유지에 매우 필수적이다. 세포 내에는 수많은 단백질들이 존재한다.
이러한 단백질들은 모두 개인이 가지고 있는 수명이 다르게 되는데, 이러한 수명을 조절하는데 가장 핵심적인 메커니즘이 '유비퀴틴화(Ubiquitination)'이다.
유비퀴틴은 매우 작은 크기의 단백질이며 특정 단백질에 유비퀴틴이 붙게 되면 세포내 단백질 분해 장소인 프로테아좀(proteasome)으로 이동하게 되어 그 단백질들이 분해되게 된다.
유비퀴틴화는 E1-E2-E3의 단계를 거쳐, 최종적으로 수명이 다한 단백질에 붙게 된다.
세포 내 수많은 단백질들의 수명을 일일이 계산하여 유비퀴틴을 붙이기는 여간 어려운 게 아니다.
하지만 세포내에는 특정 단백질에 해당하는 특정 유비퀴틴 접합효소가 존재하여서 이를 가능하게 한다.
이를 E3 ligase라 한다.
따라서 특정 단백질과 그 단백질에 유비퀴틴을 붙이는 E3 ligase를 발굴해 관련 메커니즘을 규명하는 것은 현대 분자세포생물학에 있어 큰 화두가 되고 있다.

Akt 효소 :
여기서 언급한 Akt는 세포의 성장, 발달 및 혈관신생 등 거의 모든 세포 과정을 조절할 수 있는 마스터(Master) 효소이다.
따라서 Akt 효소 활성의 적절한 조절은 정상적인 상태 유지를 위해 반드시 필요하다.
Akt 효소의 활성이 저하되면, 세포의 정상적인 기능 유지가 안 됨에 따라, 세포 사멸이 야기되며, 이로 인해 인한 수많은 질병 등이 나타난다.
반대로, 종양세포에서 Akt 효소 활성은 정상세포에 비해서 지나치게 활성화되어 있으며, 이로 인해, 암세포의 진행이 빨라지며, 암 전이를 가능케 하는 것으로 보고되어 있다.
거의 모든 암에서 정상세포와 비교해 높은 Akt 효소 활성을 보였으며, 이는 암세포가 정상세포와 달리 Akt 효소를 유전자 수준에서 많이 만들어내는 것이 아니라, 단백질 수준에서의 비정상적인 조절로 인해 Akt 효소 활성이 지나치게 높아진다는 것임을 알아냈다.
따라서 Akt의 활성을 조절하는 세포 내 메커니즘에 대한 연구가 핫 이슈로 현재까지 부각 받고 있다.
현재까지의 과학자들은 Akt의 활성을 조절할 수 있는 물질들을 발굴했지만, 지속적으로 Akt의 활성을 억제하지는 못한 가역적인 조절이 대부분 이였다.
따라서 Akt의 효소를 직접적으로 분해시켜 지속적으로 Akt의 활성을 억제하여 암을 비롯하여 여러 질병을 직접적으로 치료할 수 있는 물질 발굴에 대한 연구가 필요했다.
이러한 문제점의 해결로 본 연구는 Akt 효소를 직접적으로 분해할 수 있는 뮬란이라는 물질을 발굴한데 그 의의가 있다.
암 세포 내 뮬란의 양이 많아진다면 Akt 효소 자체가 계속적으로 분해되기 때문에, 암세포의 발달을 지속적으로 억제할 수 있게 되는 것이다.
 
세포연구(Cell Research)지 :
기초의학분야에서 인간의 질병에 관한 주제로 그 원인을 분자세포생물학적으로 접근하여 연구하는 세계적으로 권위 있는 학술지.
특히 아시아에서 발간되는 학술지 중에서 최상위에 있고, 피인용지수(Impact Factor)가 2010년 기준 9.417이다.
전 과학 분야에서 상위 6% 이내에 랭크되는 학술지로, 세포생물학(Cell Biology) 분야에서 8.4%(21위/177개) 이내에 든다.

<안성관 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 미생물공학과·향장학과   2.. 학력   1988 - 1995    건국대학교 미생물공학과 학사   1995 - 1998    영국 옥스퍼드대학교 생화학과 이학박사                   (분자세포생물학 전공)   3. 경력사항   1998 - 2000 미국 유타주립의과대학 박사후연구원   2000 - 2003 미국 하버드의과대학 박사후연구원   2003 - 현재 건국대학교 미생물공학과·향장학과 교수   2003 - 현재 건국대학교 유전단백체 기능제어연구센터 센터장   2007 - 현재 방사선생명과학회, 대한화장품학회 등 편집위원   2010 - 현재 KISTEP 생명농림수산분야 자문위원   2011 - 현재 방송통신심의위원회 광고특별위원회 위원   2012 - 현재 대한피부미용학회 편집위원장

<배승희 박사> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 미생물공학과·생물공학과   2. 학력   2000 - 2005    건국대학교 미생물공학과 학사   2005 - 2007    건국대학교 생물공학과 석사   2007 - 2012    건국대학교 생물공학과 공학박사                    3. 경력사항   2003 - 2005  건국대학교 유전단백체 기능제어연구센터 연구원   2005 - 현재  건국대학교 유전단백체 기능제어연구센터 연구실장   2007 - 2012 건국대학교 병역특례 전문연구요원   2012 - 현재    건국대학교 미생물공학과·생물공학과 박사후연구원   2012 - 현재 건국대학교 생물공학과 시간강사   2012 - 현재  대한피부미용학회 상임이사   4. 수상실적   2007. 11. 15  방사선생명과학회, 우수논문상 수상   2009. 12. 01  대한암연구재단 '암연구 박사학위논문 저술지원사업' 수상