우리얘기

미생물연료전지는 오·폐수 내에 존재하는 유기물의 화학에너지를 미생물의 촉매작용을 활용해 전기에너지로 직접 전환하는 생물전기화학 장치입니다.

미생물연료전지로 하·폐수 또는 폐기물을 처리한다면 쓸모없는 유기물 오염물질들을 전기에너지로 생산할 수 있는 지속가능한 원료로 활용할 수 있어 하·폐수 처리를 위한 비용 절감과 전기에너지 생산에 따른 경제적 이득이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있습니다.

최근 지구온난화, 일본 원전 사태 등을 겪으며 미생물연료전지에 대한 관심은 더욱 높아졌고, 우리나라 역시 이 기술이 한국과학기술기획평가원의 '2012 미래 유망 10대 신기술'에 선정되는 등 높은 관심을 받고 있습니다.

그러나 이 기술의 상용화를 위해서는 폐수 처리 공정의 현장적용성 등 난제를 해결해야 합니다.

■ 광주과기원(GIST) 장인섭 교수와 김대희 박사(제1저자)가 폐수를 처리하면서 동시에 전력도 생산할 수 있는 미생물연료전지 기술의 상용화 길을 열었습니다.

장인섭 교수팀은 지금까지 실험실 규모로 이루어진 연구를 실제 현장에서 적용할 수 있도록 미생물연료전지의 묘듈시스템과 직렬로 연결하여 실제 폐수처리공정에서 적용할 수 있도록 전력을 크게 향상시켰습니다.

장 교수팀은 기존의 연구팀이 보유하고 있는 기술(미생물을 이용해 합성가스를 전기에너지로 전환하는 기술-2007년)들을 바탕으로, 시스템의 구조적인 측면에서 접근해 모듈시스템과 직렬로 연결하는 방법을 도입했습니다.

이를 통해 폐수처리공정 현장에 적용할 수 있는 미생물연료전지 시스템을 개발하는 데 성공했습니다.

이번 연구결과는 '앙게반테 케미'의 자매지인 '켐서스켐(ChemSusChem)'지 5월 8일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Scaling-Up Microbial Fuel Cells: Configuration and Potential Drop Phenomenon at Series Connection of Unit Cells in Shared Anolyte)

관련 기술은 우리나라와 미국 등에 특허를 출원한 상태입니다.

<연 구 개 요> 미생물연료전지는 유기·무기물질을 흡수하고 분해해서 살아가는 미생물 중 세포 내에서 기질을 산화시켜 생성되는 전자를 전극으로 전달시킬 수 있는 미생물을 촉매로 사용하여 오·폐수 내에 존재하는 유기물의 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 시스템을 말한다. 미생물연료전지 시스템은 현재까지 실험실 규모로 연구되어 많은 발전을 이루었고, 이는 실제로 폐수처리를 함과 동시에 전력을 생산하는 수준에 이르렀다. 하지만 본 기술을 실제 현장에 적용하기 위한 연구는 부진한 실정이며, 그 이유는 실험실 규모의 연구를 실제현장에 적용했을 시에 발생하는 상당량의 성능저하 때문이다. Scale-up을 위한 미생물연료전지 묘듈시스템 (출처: ChemSusChem, DOI: 10.1002/cssc.201100678) 본 연구에서는 이를 극복하기 위한 방안으로 그림과 같이 단위셀의 모듈화를 통해 크기를 증가시키고 이를 직렬연결 함으로써 생산 전력의 향상을 도모하였다. 본 연구에서 제시하는 시스템은 미생물연료전지의 현장적용성을 상당부분 끌어올린 것으로, 미생물연료전지의 상용화에 있어 이바지하는 바가 크다고 할 수 있다.

 용  어  설  명

미생물연료전지 (Microbial fuel cell)
유기물 내에 존재하는 화학에너지를 미생물을 촉매로 사용하여 전기에너지로 전환하는 시스템을 말한다.

모듈시스템 (modulation)
구조적인 표현으로 각각의 단위 셀을 쌓아 하나의 셀 형태로 운전하는 시스템을 말한다.

Scale-up 
공학적 기술용어로 실험실 단계 및 파일럿 플랜트 규모에서의 실험 데이터를 바탕으로 공정의 규모를 크게 하는 것을 말한다.

<장인섭 교수>  1. 인적사항  ○ 소 속 : 광주과학기술원 환경공학부 부교수 ○ 전 화 : 062-715-3278 ○ e-mail : ischang@gist.ac.kr 2. 학력 ○ 1990 : 고려대학교 식품공학과 졸업 (학사) ○ 1992 : 고려대학교 식품공학과 졸업 (석사) ○ 2000 : University of Wales Swansea, Department of Chemical and Biological Process Engineering (박사)   3. 경력사항 ○ 2001 ~ 2002 : University of Oklahoma, Department of Botany and Microbiology (Post-Doc Associate) ○ 1992 ~ 2005 : 한국과학기술연구원 수질환경 및 복원연구센터 (연구원, 선임연구원) ○ 2005 ~ 현재 : 광주과학기술원 환경공학과 조교수, 부교수 재직 4. 기타 ○ 2003 : 특허기술상 (충무공상) ○ 2008 : 교과부?연구재단 중견연구자지원(도약연구, 국가지정연구실) 선정

<김대희 박사>  1. 학력 ○ 2005 : 연세대학교 환경공학과 졸업 (학사) ○ 2006 : 광주과학기술원 환경공학과 졸업 (석사) ○ 2011 : 광주과학기술원 환경공학과 졸업 (박사)   2 기타 ○ 2005 ~ 2010 : 교육과학기술부 장학금 수여 ○ 2007 : 우수연구 보도자료 선정, 107회 미국미생물학회 총회 ○ 2007 : 다산장학금 수여, 광주과학기술원

이달의 과학기술자상 6월 수상자로 고려대 이상훈 교수가 선정됐습니다.

이상훈 교수는 화학적 성분과 모양의 조절이 가능한 100㎛ 이내의 극세사를 개발하고 의생물학적 활용 가능성을 보여준 공로를 인정받았습니다.

이상훈 교수는 지난 10년 간 자연에서 거미가 거미줄을 생산하는 원리를 모방하여 마이크로 유체 칩(Microfluidics Chip)으로 극세사를 생산하는 연구를 지난 수행해 기존 패러다임을 뛰어 넘는 획기적인 기능성 극세사 생산기술을 개발했습니다.

이상훈 교수는 마이크로 유체 칩과 극세사 생산기술을 응용한 연구결과를 관련 분야에서 세계적으로 권위있는 Nature Materials, Stem Cells, Lab on a Chip, Biomaterials, Analytical Chemistry, Small 등 영향력 있는 SCI(E) 저널에 100여 편의 논문을 게재함으로써 재료 및 바이오 장비분야에서 선도적인 역할을 하고 있습니다.

현재까지 발표한 논문들의 총 피인용 횟수는  1000회 이상 입니다.

이 같은 연구성과로 이 교수는 2001년 한국연구재단 주관 30대 우수 연구성과에 선정됐고, 2010년 보건복지부장관 표창 등을 수상한 바 있습니다.

또 2011 MRS, 2012 ISMM 등 다수의 국제 학회 연사로 초청 강연을 하는 등 국내외 연구자들의 주목을 받고 있습니다.

이 교수는 2010년 의료선진화 위원회 전문위원과 첨단의료 복합단지 의료기기 분야의 팀장을 역임했고, 지난해부터 'Biomedical Engineering Letters (Springer)'의 편집위원장 및 ISMM 대회장을 맡았습니다.

■ 곤충들은 자신의 생존에 필요한 알이나 실 등을 몸에서 쉽게 만들어내며, 이 과정에 최소한으로 에너지를 소모하고 환경에 아무런 해를 끼치지 않습니다.

이러한 기술을 모방한 물건을 생산한다면 현재 인류가 직면하고 있는 많은 환경 및 자원 등의 문제들을 한꺼번에 해결할 수 있는 매우 중요한 사안입니다.

이를 위해서는 곤충의 메커니즘과 유사한 새로운 개념의 생산 기술이 필요합니다.

이 교수는 마이크로 유체 칩을 이용하여 머리카락 굵기보다 3배 가는 극세사의 모양을 다양하게 만들거나, 물질 자체를 바꾸지 않고 마이크로 단위로 재배열함으로써 새로운 재료를 개발할 수 있는 가능성을 제시하였습니다.

이러한 기술들은 간 조직 및 신경재생과 같은 조직공학이나 재생의학 등의 분야에서 그 응용이 무한할 것으로 예상됩니다.

관련 연구 성과는 2011년 11월 네이처의 대표적 자매지인 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 발표되었습니다.

<이상훈 교수>  ▶소속 : 고려대학교 생체의공학과 ● 학    력 ▶1979.3 ~ 1983.2 서울대학교 학사 (전기공학) ▶1985.3 ~ 1987.3 서울대학교 제어계측 석사 (의공학) ▶1987.3 ~ 1992.3 서울대학교 제어계측 박사 (의공학) ● 경    력 ▶1985 - 1992   서울대학병원 의공학과 연구원 ▶1992 - 2006   단국대학교 의과대학 교수 ▶1992 - 2006   단국대학병원 의공학과 과장 ▶2006 - 2008   고려대학교 의과대학 교수 ▶2008 - 현재   고려대학교 보건과학대학 생체의공학과 교수 ● 주요업적 : 마이크로 유체 칩 개발 및 생물 및 의학적 응용 □ 생물 및 의학적 응용가능한 마이크로 유체칩 개발에 관한 연구를 지속적으로 진행하여 왔으며, 최근에는 이를 줄기세포의 분화 조절에 관한 연구에도 응용하는 기술을 개발하였다. □ 특히 마이크로 유체칩을 이용하여 다양한 기능을 갖는 극세사의 제작 및 이를 응용하는 분야에서 세계적인 선도 연구를 수행하여 왔으며, 이들의 의학적 활용 가능성을 보여 줌으로 질병 치료에 새로운 가능성을 제시하는데 기여해왔다.

교육과학기술부는 이달의 과학기술자상 5월 수상자로 방랑하는 구상성단으로 이루어진 우주의 거대구조를 세계 최초로 발견한 이명균 서울대 교수를 선정했습니다.

이 교수는 외부은하 천문학분야의 권위자로, 은하의 형성과 진화, 외부 은하에 있는 구상성단과 은하 거리 측정 연구로 학계의 큰 주목을 받았습니다.

최근에는 지금까지 이론적으로만 예측됐던 구상성단으로 이루어진 우주의 거대구조를 발견하고 검증함으로써 우주의 거대 구조 형성과 진화를 연구하는 데 매우 중요한 단서를 제공했습니다.

이 교수는 고성능 망원경으로 하늘의 1/4를 관측한 슬로운 전천 탐사자료를 분석해 처녀자리 은하단에 있는 구상성단 지도를 최초로 완성했고, 구상성단이 은하단 중심부에서 멀리까지 퍼져있다는 점과 구상성단 대부분이 우주에서 최초로 태어난 천체라는 가능성을 제시했습니다.

이 같은 연구는 통상 공동연구를 수반하는 방대한 과제지만, 이 교수는 박사후연구원 1명과 대학원생 1명의 소규모 연구팀으로도 훨씬 우수한 장비를 보유한 해외 대규모 연구팀보다 먼저 성과를 얻었고, 이는 세계 최고 권위 과학전문지 사이언스 지 2010년 8월호에 게재되기도 했습니다.

또 이 교수는 지난 20년 간 구상성단, 은하 및 은하단의 연구 등을 수행하여 과학인용색인(SCI) 등재 국제학술지에 100여 편의 논문을 발표했습니다.

이에 대한 공로로 1998년 한국천문학회 학술상을 수상했고, 2009년에는 한국과학기술한림원 정회원으로 선임되었습니다.

(왼쪽) 처녀자리 은하단의 구상 성단 지도. 붉은 색일수록 구상 성단이 많이 있음을 나타낸다. 가로 폭은 1000만 광년에 해당한다. 구상 성단으로 이루어진 거대 구조가 여러 개 보인다. 붉은 색 영역의 중심부에는 무거운 은하들이 있다 (옆의 글자는 은하들의 이름을 나타낸다). 붉은 색 영역에 있는 구상 성단들은 무거운 은하에 묶여 있으나, 녹색 또는 밝은 하늘색에 있는 구상 성단들은 대부분이 은하와 은하 사이를 떠돌고 있는 방랑자 구상 성단들이다. 이 방랑자 구상 성단으로 이루어진 거대한 구조는 처음으로 발견되었다. 작은 네모(M49)를 확대하여 보면 오른쪽 위 사진처럼 보인다. (출처: 서울대학교 이명균 교수 연구진).

우리 은하에 있는 구상 성단(메시에 80, M80)을 허블 우주 망원경으로 찍은 사진. 구상 성단은 축구공처럼 둥글게 보이며 약 백만 개의 별을 포함하고 있다. 이 구상 성단은 3만 광년 떨어져 있어 많은 별들이 보이지만, 처녀자리 은하단의 거리에 놓이면 하나의 별처럼 작은 점으로 보인다. (출처: 미국 the Hubble Heritage Team/AURA/NASA/STScI/ESA).

(왼쪽) 처녀자리 은하단에 있는 거대 타원 은하(메시에 49, M49)의 사진. 본 연구진이 미국 국립천문대의 4미터 망원경으로 찍은 사진. 이 은하에는 1조개의 별이 있으나, 개개의 별은 어두워서 식별할 수 없고 뿌옇게만 보인다. 각 각 별처럼 보이는 작은 점들의 대부분은 별이 아니라, 구상 성단인데 멀리 있어서 작은 점으로 보인다. 작은 원을 가까이에서 보면 오른쪽 아래 사진처럼 보인다. (출처: 서울대학교 이명균 교수 연구진).

 용  어  설  명

구상성단 (globular clusters)
약 백만 개의 별이 축구공처럼 둥글게 모여 있으며, 크기는 40광년이나 되는 성단이다.
구상 성단은 평균 나이가 120억년으로서 우주에서 나이가 가장 많은 천체이므로, 우주의 나이를 측정하거나 우주 초기의 진화 상태를 연구할 때 매우 중요한 역할을 한다.
구상 성단은 일반적으로 은하에서 발견되었다.
우리 은하는 약 160개의 구상 성단을 거느리고 있다.
구상 성단은 은하의 중심부에서 바깥까지 널리 분포한다.
우리 은하에서 구상 성단은 대부분 13만 광년 안에 분포하며, 가장 멀리 있는 구상 성단은 30만 광년까지 떨어져 있다.

은하 (galaxies)
수백억 내지 수천억 개의 별이 모여 있는 거대한 천체이다.
태양도 우리 은하에 있는 별 중의 하나이다.
은하는 우주를 이루는 기본 단위이다.
은하는 소용돌이처럼 생긴 나선 은하, 럭비공 같은 타원 은하 등 그 종류가 매우 다양하다.

은하단 (the clusters of galaxies, 또는  the  galaxy clusters)
수백 내지 수천 개의 은하가 모여 있는 엄청나게 거대한 천체이다.
처녀 자리에 있는 은하단은 가장 가까이 있는 은하단(거리는 5400만 광년)으로서 2천 개 이상의 은하를 포함하고 있으며, 봄에 가장 잘 볼 수 있다.
영어 이름은 The Virgo cluster of galaxies인데 줄여서 The Virgo cluster로 쓴다.
이때 cluster를 성단으로 번역하는 오류가 종종 있는데, 은하단이 올바른 번역이다. 

슬로운 전천 탐사 (The Sloan Digital Sky Survey)
미국 뉴멕시코 주에 있는 아파치 포인트(Apachepoint) 천문대의 2.5m 망원경과 CCD camera, 다중 천체 분광기 등으로 전 하늘의 1/4을 탐사 관측하는 과제로서, 2000년에 시작되어 현재까지 계속되고 있다.
미국 GM자동차의 사장을 지낸 알프레드 슬로운(Alfred Sloan)이 1934년에 세운 슬로운 재단의 지원을 받았다.
미국의 프린스턴 대학이 주축이 되어 미국, 영국, 일본, 중국, 한국 등이 참여하였다.
한국은 고등과학원, 서울대학교, 세종대학교, 경북대학교, 부산대학교 등에 있는 교수들로 구성된 한국과학자팀(the Korea Scientist Group)으로 이 과제에 참여하였다.
이 탐사를 통해 나온 관측 자료는 관측 후 일정한 시간이 지나면 전 세계에 공개되므로 누구나 사용할 수 있다.

처녀자리 : 
봄철에 잘 보이는 대표적인 별자리 중의 하나이다.
가장 밝은 별은 스피카(Spica)로서 1등성이라 맨 눈으로 쉽게 볼 수 있다.
북두칠성 손잡이의 연장선을 따라 가면 밝게 빛나는 별이 보인다.
이 별은 목동자리의 아크투루스(Acrturus)로서 0등성이며 밤하늘에서 세 번째로 밝은 별이다.
연장선을 따라 계속 가면 다시 밝은 별이 보이는데 이 별이 바로 스피카이다.
스피카의 오른 쪽 위로 약간 어두운 별이 있다.
이 별은 사자자리의 데네볼라(Denebola)로서 2등성이다.
처녀자리 은하단은 스피카와 데네볼라 사이에 있다. 그러나 이 은하단에 있는 은하들은 어두워서 맨눈으로는 볼 수 없다. 

<이명균 교수> ▶소속 : 서울대학교 물리천문학부 ● 학    력 ▶1976 ∼ 1980    서울대학교 천문학과 학사 ▶1980 ∼ 1984    서울대학교 천문학과 석사 ▶1984 ∼ 1990    University of Washington (미국, 시애틀) 천문학 박사 ● 경    력 ▶1990 ∼ 1993   카네기 천문대(미국, 파사데나) 연구원 ▶1993 ∼ 현재   서울대학교 물리천문학부 교수 ▶2002 ∼ 2004  Carnegie Institution of Washington (객원연구원) ▶2009 ∼ 현재  한국과학기술한림원 정회원 ● 주요업적 : 방랑하는 구상성단의 거대구조와 안드로메다 은하의 구상 성단 발견 □ 처녀자리 은하단 안에 방랑하는 구상성단을 세계 최초로 발견했음. 수십 년 전부터 이런 방랑 구상성단의 존재는 이론적으로 예측되었던 것이었으며, 이를 실제로 검증함으로써 은하와 은하단 형성에 대한 이해를 증진시켰음. 또한 안드로메다 은하에서 새로운 구상성단을 다수 발견하였음.

유전자가위(engineered nuclease)는 특정 염기서열(DNA 표적 자리)을 인식해 절단하거나 교정하도록 고안된 인공 제한효소로, 인간세포를 포함한 모든 동식물 세포에서 특정 유전자를 절단해 변이를 일으키거나 교정하여 다양한 질병을 치료하는데 사용되는 신기술입니다.

유전자가위 기술은 유전자의 염기서열을 교정하거나 뒤집어진 유전자를 원상 복구할 수도 있습니다.

서울대 김진수 교수가 주도적으로 개발·보급한 이 기술은 지난해 세계 최고 권위의 '네이처'지 자매지인 'Nature Methods (IF=20.7)'에서 '올해의 기술(Method of the Year 2011)'로 선정된 바 있습니다.

지금까지 유전자가위 기술은 이중나선 DNA 두 가닥을 모두 잘라내 독성을 일으키거나, 표적하지 않은 곳에서도 작동하여 원치 않는 돌연변이를 발생시키는 등의 문제점이 있었습니다.
 
이에 최근 미국 하버드대 의대 연구팀과 생명공학 회사가 각각 DNA 한 가닥만을 자르는 유전자가위 기술 개발에 성공했다고 발표하기도 했습니다.

그러나 이들은 유전자가위 기술로 표적 장소에만 변이를 일으키는지 여부를 확인하지 못하는 등 그 정확성을 입증하지 못했습니다.

■ 서울대 김진수 교수팀은 DNA 두 가닥 중 한 가닥만을 자르는 유전자 가위 기술을 개발해 세포 독성이나 돌연변이를 유발하는 부작용 없이 원하는 장소에만 변이를 일으키는데 성공하였습니다.

김 교수팀의 유전자가위 기술은 DNA 한 가닥만 자른 후 어떠한 부작용 없이 표적 장소에서만 유전자를 교정하는 첫 사례입니다.

이는 유전자와 줄기세포 치료의 정확성을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

김 교수팀은 기존의 유전자가위 기술과 마찬가지로 외부에서 넣은 유사 DNA를 이용해 유전자를 정교하게 교정할 수 있으면서도 표적 장소 외에는 변이를 일으키지 않는다는 사실을 처음으로 확인했습니다. 

향후 이 기술을 통해 유전자 또는 줄기세포 치료뿐만 아니라 에이즈나 혈우병과 같은 난치성 질환을 원천적으로 치료하는데도 활용될 수 있을 전망입니다.

이번 연구결과는 유전체 분야의 권위 있는 학술지인 '지놈 리서치(Genome Research, IF=13.588)'지에 온라인 속보(4월 21일)로 게재되었습다. 
(논문명 : Precision genome engineering with programmable DNA-nicking enzymes)

한편 김 교수팀은 지난해 1월 세포 내에 존재하는 유전자의 특정 위치를 선별해 절단하는 유전자가위 대량 합성기술 개발에 성공하였고(Nature Methods지, 2011년 1월호), 11월에는 유전자가위 기술을 이용해 특정 유전자에 돌연변이를 일으킨 동·식물 세포를 쉽게 선별하는 방법을 개발하기도 했습니다.(Nature Methods지, 2011년 11월호).

또 최근에는 뒤집어진 혈우병 유전자를 다시 뒤집어서 원상 복구하는 기술을 개발한 바 있습니다(Genome Research지, 2011. 12. 19). 

오른쪽그림: 본 연구에서 개발한 유전자 가위인 Zinc finger nickase를 세포에 도입할 경우 DNA 한 가닥만을 자르는 것이 확인되었고, 외부에서 도입한 유사 염기서열 DNA를 주형으로 하여 HR에 의한 교정을 유도함은 물론, 잘린 DNA 말단의 거의 대부분이 오류 없이 다시 연결되는 것을 확인했다. 이 방법을 통해 NHEJ에 의한 오류를 제어함으로써 기존 방법의 부작용을 줄일 수 있음을 보였다.

 용  어  설  명

Non-Homologous End Joining (NHEJ) :
세포내 두 가닥 이중나선 DNA 손상이 발생할 때 교정할 수 있는 메커니즘의 하나로, 잘려진 DNA 가닥이 유사염기서열을 이용하지 않고 잘린 말단을 바로 연결하거나 변이를 수반하여 교정하는 수리 기작이다.

Homologous recombination (HR):
세포 내 두 가닥  이중나선 DNA 손상이 발생할 때 오류 없이 교정할 수 있는 메커니즘의 하나로, NHEJ와는 달리 유사한 염기서열을 주형으로 하여 DNA 말단이 연결되는 세포내 수리 기작이다.

DNA(deoxyribonucleid acid) :
유전정보를 담은 화학물질로 두 가닥의 사슬이 서로 꼬여 있는 이중나선 모양임

<김진수 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 서울대학교 화학부   2. 학력   1983 - 1987    서울대학교 이학사   1987 - 1989    서울대학교 이학석사   1990 - 1994    University of Wisconsin-Madison, Ph.D.   3. 경력사항   1994 - 1997  美 MIT/Howard Hughes Medical Institute, Associate   1997 - 1999 삼성생명과학연구소, 연구책임자   1999 - 2005   (주)툴젠 대표이사/연구소장   2005 - 현재     서울대학교 화학부 조교수/부교수   2010 - 현재     교과부?연구재단 지정 창의연구단장 4. 전문 분야 정보 수상실적 - 서울대 자연과학대학 연구상 (2010) - 교육과학기술부/과학재단 이달의 과학자상 (2004) - Best Poster Award, Drug Discovery Technology (2001) 대표 연구논문 1) Kim E et al. and Kim JS (2012) Precision genome engineering with programmble DNA-nicking enzymes. Genome Research, in press. 2) Kim HJ, Kweon J. et al. and Kim JS (2012) Targeted chromosomal duplications and inversions in the human genome using zinc finger nucleases. Genome Research 22, 539-548. (Featured in News of the Week, Chemical & Engineering News 90, 11.) 3) Kim H et al. and Kim JS (2011) Surrogate reporters for enrichment of cells with nuclease-induced mutations. Nature Methods 8, 941-943. (Featured in News of the Week, Chemical & Engineering News 89, 11.) 4) Kim S et al. and Kim JS (2011) Preassembled zinc-finger arrays for rapid construction of ZFNs. Nature Methods 8, 7. (Featured in News and Views, Nature Methods 8, 53.) 5) Kim JS, Lee HJ, Carroll D (2010) Genome editing with modularly assembled zinc finger nucleases. Nature Methods 7, 91. 6) Lee HJ, Kim E and Kim JS (2010) Site-specific DNA excision via engineered zinc finger nucleases. Trends Biotechnol. 28, 445-446. 7) Lee HJ, Kim E and Kim JS (2010) Targeted chromosomal deletions in human cells using zinc finger nucleases. Genome Res. 20, 81-89. 8) Kim HJ, Lee HJ, Kim H, Cho SW and Kim JS (2009) Targeted genome editing with zinc finger nucleases constructed via modular assembly. Genome Res. 19, 1279-1288. 9) Bae, KH et al. and Kim JS (2003) Human zinc fingers as building blocks in the construction of artificial transcription factors. Nature Biotechnol. 21, 275-280. (Featured in News and Views, Nature Biotechnol. 21, 242.) 10) Park, KS et al. and Kim JS (2003) Phenotypic alteration of eukaryotic cells using randomized libraries of artificial transcription factors. Nature Biotechnol. 21, 1208-1214.

<김은지 박사> 1. 인적사항 ○ 소 속: 서울대학교 화학부                        2. 학력   2001 - 2006    세종대학교 이학사   2006 - 2011    서울대학교 이학박사   3. 경력사항   2011~현재     서울대학교 Post-doc. 4. 전문 분야 정보 수상실적 - 롯데 장학생, 롯데 장학재단 (2002) - 수인장학생, 수인 장학재단 (2007) 논문실적 1) Kim E et al. and Kim JS (2012) Precision genome engineering with programmble DNA-nicking enzymes. Genome Research, in press. 2) Lee, H.J., Kweon, J.,Kim, E.,Kim, S., Kim, J.-S. (2012) Targeted chromosomal duplications and inversions in the human genome using zinc finger nucleases .Genome Res. 22,539-548. 3) Kim, S., Kim, E.J. and Kim, J.-S. (2010) Construction of combinatorial libraries that encode zinc finger-based transcription factors. Methods Mol Biol. 649,133-147. 4) Lee, H.J., Kim, E., and Kim, J.-S. (2010) Site-specific DNA excision via engineered zinc finger nucleases. Trends Biotechnol. 28,445-446 5) Kim, S., Lee, H.J., Kim, E., and Kim, J.-S. (2010) Analysis of Targeted Chromosomal Deletions Induced by Zinc Finger Nucleases. Cold Spring Harb Protoc. pdb.prot5477 6) Lee, H.J.*, Kim, E.*, and Kim, J.-S. (2010) Targeted chromosomal deletions in human cells using zinc finger nucleases. Genome Res. 20, 81-89. (*: equal contribution)

홍합은 거친 파도를 맞으면서도 바위나 방파제에 달라붙어 생존하는데, 이는 홍합이 만들어내는 특별한 접착성분때문입니다.

홍합접착단백질은 현재 알려진 어떠한 화학 접착제보다도 강력한 접착력과, 수중에서도 접착이 가능하고, 에폭시 수지보다 두 배나 뛰어난 인장강도를 지니고 있으면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있고, 플라스틱이나 유리, 금속, 테플론, 생체물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 갖고 있습니다.

게다가 생체 내에서 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않아 생체친화적인 접착재료로 다양한 응용 잠재력을 가지고 있습니다.

과학자들은 이를 이용해 손상된 뼈나 피부 등의 치료에 이용하려는 연구를 진행하고 있는데요.

여기에 사용되는 지지체는 이식된 세포가 조직에 효과적으로 자리 잡을 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 세포가 효율적으로 조직을 재생할 수 있도록 유도하는 중요한 역할을 담당합니다.

대표적으로 지지체는 손상된 연골, 피부, 혈관과 같은 조직 치료를 위해 광범위하게 활용되고 있습니다.

특히 3차원 지지체는 조직재생에 적합한 구조적인 이점 때문에 최근들어 각광 받고 있지만, 고분자로 이루어진 지지체 표면에 특정 기능을 부여하는 것이 쉽지 않고 효율적이지 못하기 때문에 세계 연구팀들은 이보다 쉽고 효율적인 표면개질 방법을 개발하려고 노력 중입니다.

■ 포스텍 차형준 교수 연구팀이 안전하면서도 접착력과 코팅력이 뛰어난 홍합접착단백질을 이용해 손상된 뼈 조직을 효과적으로 재생하는 '기능성 3차원 지지체'을 개발했습니다.

연구팀은 손상된 뼈 조직을 재생하기 위해 3차원 지지체에 줄기세포를 표면에 부착했습니다.

이 때 지지체 표면에 줄기세포의 견고한 접착을 위해 홍합접착단백질을 사용했고, 여기에 줄기세포가 뼈로 분화가 잘 되도록 기능성 펩타이드를 첨가했습니다.

이 같은 방법을 쥐 실험에 적용한 결과 뼈 재생 효과가 기존보다 4배 이상 향상되는 것으로 나타났습니다.

차 교수팀은 지난 2010년에도 교과부와 연구재단의 지원으로 홍합접착단백질에 세포를 활성화시키는 생체기능성 펩타이드를 결합해, 세포의 특성을 그대로 살리면서도 접착력이 뛰어난 기능성 세포접착제를 개발한 바 있습니다.
(Biomaterials지, 2010년 9월)

연구팀은 이를 기반으로 손쉬운 표면개질방법을 이용해 뼈 세포를 활성화시키는 펩타이드가 표면에 효율적으로 노출되도록 유도하여 효과적으로 뼈 조직을 재생하는 3차원 지지체를 구현했습니다.

특히 이번에 개발된 3차원 지지체는 사람의 지방으로부터 추출한 줄기세포가 잘 붙고 성장하며, 뼈 조직으로 분화되도록 도와준다는 사실을 확인했습니다.

또한 연구팀은 파손된 쥐의 두개골에 3차원 지지체를 이식할 경우 아무 것도 이식하지 않은 쥐에 비해 4배 이상 높은 뼈 재생효과가 있으면서도 어떠한 부작용도 없음을 확인했습니다.

이번 연구는 연구팀이 자체 개발한 재조합 홍합접착단백질이 조직공학용 생체소재로서 실제 활용될 수 있음을 동물실험을 통해 확인한 첫 번째 사례로, 향후 다양한 인체 조직재생을 위한 기능성 지지체 코팅소재로 활용될 전망입니다.

이번 연구는 포스텍 차형준 교수와 조동우 교수, 가톨릭대 이종원 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 생체소재 분야의 권위 있는 학술지인 'Acta Biomaterialia'지 온라인판(4월 2일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Enhancement of bone regeneration through facile surface functionalization of solid freeform fabrication-based three-dimensional scaffolds using mussel adhesive proteins)

자유 형상 가공법을 이용해 제조한 3차원 고분자 지지체 및 재조합 홍합접착단백질의 표면 코팅 형상

홍합접착단백질이 표면 코팅된 3차원 기능성 지지체의 세포활성화 효과

홍합접착단백질이 표면 코팅된 3차원 기능성 지지체의 동물모델에서의 뼈 조직 재생효과 확인

 용  어  설  명

재조합 홍합접착단백질 (recombinant mussel adhesive protein) :
해양생명체인 홍합은 접착단백질을 생산, 분비함으로써 홍합 자신을 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착할 수 있도록 하여 강한 파도의 충격이나 바다 속의 부력 효과에도 저항할 수 있다.
접착을 위해 홍합에서 만들어져 분비되는 홍합접착단백질은 종류와 성질을 구분하기 위하여 foot protein의 약자인 fp라는 단어를 사용하여 분류한다.
이는 홍합접착단백질이 홍합의 발에서만 분비되기 때문에 붙여진 이름이다. 현재까지 발견된 홍합접착단백질은 총 6가지로, 각각의 홍합접착단백질은 fp-1에서 fp-6까지 이름이 붙어져 있다.
홍합접착단백질은 다양한 장점을 가지고 있는데, 현재 알려진 어떠한 화학합성 접착제보다도 강력한 접착력과 수중에서의 접착이 가능한 접착능력을 가지는 것으로 알려져 있고, 대부분의 에폭시 수지보다 두 배 정도의 향상된 인장강도를 지니고 있으면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있으며, 플라스틱, 유리, 금속, 테플론 및 생체물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 생체 내에서 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않아 생체친화적인 재료로 알려져 있어서 생체접착제 및 생체재료로의 다양한 응용 잠재력을 가지고 있다.
하지만 현재까지 상용화되어 있는 것은 홍합에서 자연 추출한 제품이 유일하며 1g의 접착단백질을 얻기 위하여 1만 마리의 홍합이 필요하기 때문에 현재 1g에 7만 5000달러의 높은 가격으로 판매되고 있다.
이에 현재로는 세포접착제로만이 용도 개발되어 있다.
그러므로 홍합접착 단백질의 유전공학적 생산기술에 많은 연구들이 이루어져 왔지만 현재까지 본 연구팀이 전세계적에서 유일하게 우수한 접착능력을 가지는 재조합 홍합접착제의 대량생산기술을 보유하고 있다.

조직공학 지지체 (tissue engineering scaffold) :
조직공학은 세포와 지지체, 생리활성물질을 조합한 형태로 인체의 손상된 조직 부위에 이식하여 조직을 재생 및 회복시키는데 활용하기 위한 분야로서, 지금까지 대표적으로 손상된 연골, 피부, 혈관 등과 같은 조직에 대한 치료를 위하여 활용되고 있으며 다양한 조직으로 확대 및 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.
조직공학의 세 가지 요소인 세포, 지지체, 생리활성물질 중에 지지체는 이식된 세포가 조직 부위에 효과적으로 자리를 잡도록 도와줄 뿐만 아니라 세포가 조직 재생을 위한 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록 유도해주는 중요한 역할을 담당한다.

자유 형상 가공 기술 (solid freeform fabrication technology) :
자유 형상 가공 기술은 조직공학 지지체를 제조하는 다양한 방법 중 하나로서, 컴퓨터의 프로그램에 따라 원하는 단면 형상을 제작하고 이를 적층시킴으로써 원하는 형태 그대로 제작이 가능하며, 내부 구조의 높은 상호연결성을 가져 종래의 방법의 단점을 보완하는 새로운 인공지지체 제작 방식이라고 할 수 있다.   

기능성 펩타이드 (bioactive peptides) :
실제 인체의 조직 내의 세포 주변에는 세포가 자랄 수 있도록 도와주는 기질 역할을 하는 세포외기질이 존재하는데, 세포외기질에는 세포의 기능을 활성화시켜줄 수 있는 기능성 생체분자물질들이 존재하며, 주로 당과 단백질 성분으로 구성되어있다.
특히 이러한 세포외기질에 존재하는 기능성 단백질은 크기가 비교적 큰데, 전체 단백질 중에 세포와 상호작용을 하는 특정 짧은 아미노산 (2~20개) 서열 부위만을 기능성 펩타이드라고 부르며, 크기가 작으면서도 해당 단백질의 기능을 수행할 수 있기 때문에 공학적으로 광범위하게 이용되고 있다.

인간지방조직유래 줄기세포 (human adipose tissue-derived stem cells) :
환자의 복부, 엉덩이, 옆구리 등에서 지방을 뽑아낸 후, 그 지방 조직으로부터 추출한 성체줄기세포를 의미한다. 상대적으로 풍부한 공급원으로부터 많은 세포 양을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있고, 뼈나 연골, 신경 등 다양한 조직으로 분화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 뼈 조직 재생에 큰 역할을 한다는 것으로 알려져 조직공학 연구를 위한 줄기세포공급원으로서 주목받고 있다.

쥐 두개골 결손모델 (rat calvarial defect model) :
뼈 조직 재생의 정도를 알아보기 위한 동물실험모델의 한 종류로서, 쥐의 두개골에 약 8 mm 지름의 원형의 결손부를 형성시키고 그곳에 실험하고자 하는 지지체를 이식하고 두개골을 덮은 후에, 일정한 시간이 지난 후 두개골의 뼈 조직 재생이 얼마나 이루어졌는지 알아보는 방식으로 실험이 진행된다.

생체기능성 펩타이드 :
2~20개의 짧은 특정 아미노산 서열로, 인체의 조직을 구성하는 세포의 활성을 도와 공학적으로 광범위하게 이용되고 있음

<차형준 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 포항공과대학교 화학공학과                                   2. 학력   1986 - 1990  서울대학교 화학공학과 학사      1990 - 1992  서울대학교 화학공학과 석사     1992 - 1995  서울대학교 화학공학과 박사   3. 경력사항   1995 - 1996  한국생명공학연구원 박사후연구원     1996 - 1999  미국 University of Maryland 박사후연구원, 연구교수   1999 - 현재  포항공과대학교 화학공학과 조교수, 부교수, 교수   2010 - 현재  포항공과대학교 해양대학원 SA교수     2010 - 현재  국토해양부 해양바이오산업신소재연구단 단장    2012 - 현재  포항공과대학교 세아젊은석좌교수  4. 전문 분야 정보 - Associate editor (SCI Journal): BMC Biotechnology (2010~), Applied Biochemistry and Biotechnology (2010~), Korean Journal of Chemical Engineering (2009~) - Editorial board member (SCI Journal): Enzyme and Microbial Technology (2007~), Process Biochemistry (2005~), Microbial Cell Factories (2004~) - SCI 논문 100여 편, 국내외 특허 출원/등록 50여건 5. 수상 경력 2011 포스텍 차세대 과학자 2010 바다의날 국무총리상 2010 12회 송곡과학기술상 2008 국가연구개발 우수성과 100선 교육과학부장관상 2008 범석논문상 (한국화학공학회) 2007 담연학술상 (한국생물공학회)

<조동우 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과                         2. 학력   1976 - 1980  서울대학교 기계설계학과 학사      1980 - 1982  서울대학교 기계설계학과 석사     1983 - 1986  University of Wisconsin-Madison 기계공학과 박사 3. 경력사항   1987 - 1988  Robotics Institute, Carnegie Mellon University 교환교수   1996 - 1996  University of British Columbia 기계공학과 교환교수       2007 - 2008  University of Toronto, Mount Sinai Hospital, Pathology and     Laboratory Medicine, 교환교수   2011 - 2011  대한기계학회 바이오공학부문 회장   2006 - 2009  포항공과대학교 초소형기계기술연구소 소장     1986 - 현재   포항공과대학교 기계공학과 조교수, 부교수, 정교수 4. 전문 분야 정보 - Associate editor: ASME Journal of Manufacturing Science and　Engineering (2002~2008) - Editorial board member: International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems (2006~), International Journal of Precision Engineering and Manufacturing (2006~), Biofabrication (2008~) - SCI 논문 150여 편, 국내외 특허 출원/등록 40여건 5. 수상 경력 1994 Outstanding Young Manufacturing Engineer Award 2002 백암논문상 2003 가헌학술상 2010 국가지정연구과제(NRL) 우수성과 100선 입상

<이종원 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 가톨릭대학교 의과대학 성형외과학교실                                    2. 학력   1975 - 1981  가톨릭대학교 의과대학 의학과 의학사      1986 - 1988  가톨릭대학교 대학원 외과학 의학석사     1990 - 1993  가톨릭대학교 대학원 성형외과학 의학박사   3. 경력사항   1996 - 1997  미국 듀크대 성형외과 연수, 교환교수     2009 - 2011  가톨릭의대 서울성모병원 수련교육실장   1999 - 현재   가톨릭의대 성모병원 성형외과 조교수, 부교수, 정교수, 과장   2006 - 현재   가톨릭의대 의과대학 성형외과학교실 주임교수 4. 전문 분야 정보 - 대한성형외과학회 편집위원 (2004~) - 한국조직공학재생의학회(KTERMIS) 부회장 겸 학술위원장 (2011~) - 국내외 학술논문 180여 편, 다수의 임상시험연구 경험 5. 수상 경력 2000-2003, 2005, 2006 대한성형외과학회 기초논문학술상 2010 가톨릭 이념구현 개인상

일반적으로 반도체 소자는 누설전류로 인해 물에 취약하기 때문에 소자를 방수처리하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있습니다.

나노선 구조를 이용해 물속에서도 젖지 않는 차세대 메모리 소자의 원천기술이 개발됐습니다.

이는 방수 컴퓨터나 스마트폰 개발을 가능하게 하는 기술입니다.

■ 포스텍 용기중 교수팀은 생체모방기술 중 연잎효과를 이용해 물속에서도 젖지 않으면서 전원 없이도 저장된 정보를 유지할 수 있는 차세대 비휘발성 저항메모리 소자(RRAM)를 개발했습니다.

연구팀은 물방울이 연잎 표면을 적시지 않으면서 먼지 등을 씻어내는 자가세정, 방수효과, 결빙방지 등의 특성을 갖는 연잎효과(Lotus Effect)를 이용해 텅스텐 산화물 반도체 나노선을 합성한 후, 표면을 단분자막으로 화학코팅하여 물속에서도 젖지 않으면서 자가세정 효과가 있는 초발수(超撥水) 저항메모리 소자를 만들었습니다.

(위) 텅스텐산화물 나노선을 이용한 저항메모리 소자의 모식도, (아래 왼쪽) 소자 저항 변화 특성, (아래 오른쪽) 물에 젖지 않는 초발수 특성 사진.

특히 이번 연구는 기존의 저항메모리 소자 개발에 추가적인 공정 없이도 초발수 특성을 유지하여, 물에 젖지 않으면서도 안정적으로 소자가 작동되는 것이 특징입니다.

이번 연구는 나노소자와 생체모방기술을 접목하여 반도체 소자의 방수특성을 더욱 향상시켰다는데 의미가 있는 것으로, 향후 방수되는 컴퓨터와 스마트폰 개발에 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 신소재분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials'지에 온라인 속보(4월 10일자)로 게재되었습니다.
(논문명: Resistive switching WOx-Au core-shell nanowires with unexpected nonwetting stability even when submerged under water)

(a,b) 물에 넣었을 때 초발수 특성으로 인해서 나노선 표면에 형성된 공기층으로 인해서 전반사가 일어나 거울상의 특성을 보여주는 사진. (c) 초발수 특성을 선택적으로 일부분만 처리하여 물에 넣었을 때 처리한 부분은 표면이 젖지 않고 처리안한 부분은 젖은 사진. 물에서 꺼내어 바로 측정해도 소자의 작동이 정상적으로 이루어지는 결과.

제1저자인 이승협 박사 (현재 박사학위 후 삼성종기원 근무)

 용  어  설  명

저항 메모리(Resistive RAM: RRAM또는 ReRAM) :
차세대 비휘발성 메모리의 한 종류.
RRAM은 부도체 물질에 충분히 높은 전압을 가하면 전류가 흐르는 통로가 생성되어 저항이 낮아지는 현상을 이용한 것이다.
일단 통로가 생성되면 적당한 전압을 가하여 쉽게 없애거나 다시 생성할 수 있다.
페로브스카이트(perovskite)나 전이금속산화물, 칼코게나이트 등의 다양한 물질을 이용한 RRAM이 개발되고 있다.

연잎효과(Lotus effect) :
연잎 위에 먼지가 떨어져 있을지라도 연잎은 그걸 받아들이지 않고 물과 함께 버린다.
잎이 물방울에 젖지 않는 현상을 일컬어 연잎효과라고 한다.
이러한 원리의 가장 핵심적인 요소는 바로 연잎에 무수히 나있는 나노돌기이다.
나노돌기는 떨어진 물방울을 퍼뜨리는 것이 아니라 맺히게 함으로써 연잎에 떨어진 물 역시 표면에 적셔지지 못하고 서로 합쳐진 것들조차 떨어지게 된다.

<용기중 교수> 1. 인적사항 ○ 소 속 : 포스텍 화학공학과 교수 2. 학력 ○ 1990 : 연세대학교 화학공학과 학사 ○ 1992 : 연세대학교 화학공학과 석사 ○ 1997 : Carnegie Mellon University 박사 3. 경력사항 ○ 1997년 ~ 2000년 : 텍사스대(Univ. Texas at Austin) Postdoctoral Fellow ○ 2000년 ~ 현재: 포스텍 화학공학과 교수 4. 주요연구업적 1. Seunghyup Lee, Wooseok Kim and Kijung Yong, "Overcoming the water vulnerability of electronic devices: a highly water-resistant ZnO nanodevice with multifunctionality", Advanced Materials, Vol. 23, Issue 38, 4398-4402 (2011) 2. Minsu Seol, Heejin Kim, Youngjo Tak and Kijung Yong, "Novel nanowire array based highly efficient quantum dot sensitized solar cell", Chemical communications, Issue 46, pp. 5521-5523 (2010) 3. Youngjo Tak, Sukjoon Hong, Jaesung Lee and Kijung Yong, "Fabrication of ZnO/CdS core/shell nanowire arrays for efficient solar energy conversion", Journal of Materials Chemistry, Vol. 19, No.33, 5945-5951 (2009) 4. Yunho Baek, Yoonho Song, Kijung Yong, "A novel heteronanostructure system: hierarchical W nanothorn arrays on WO3 nanowhiskers", Advanced Materials, Vol. 18, No. 13, 3105-3110 (2006) 5. Youngjo Tak, Kijung Yong, "Controlled growth of well-aligned ZnO nanorod array using a novel solution method", Journal of Physical Chemistry B, Vol. 109, No. 41, 19263-19269 (2005)

세포가 둘로 나뉠 때 그 세포가 갖고 있는 유전정보를 두 배로 복제하고, 복제된 유전정보를 유사분열과정을 거쳐 새로 생긴 딸세포로 정확히 전달하는 것은 매우 중요합니다.

만일 이 과정에서 오차가 생기면 세포의 항상성 유지에 문제가 생기고, 암과 같은 여러 질병이 발생하는 원인이 됩니다.

동원체는 복제된 유전정보를 담고 있는 염색체가 둘로 나뉘는데 필수적인 역할을 하는데, 이 동원체가 만들어지는데 문제가 생기면 염색체가 분열할 때 염색체를 양쪽으로 잡아당겨 분리시키는 끈 역할을 하는 방추사가 염색체에 제대로 붙지 못해 유사분열이 일어날 때 비정상적으로 염색체 분열을 일으킵니다.

따라서 동원체가 만들어지는데 문제가 생기면, 암이나 정신 지체와 같은 유전질환이 발생하게 되는데, 어떠한 경로로 이러한 질병이 유발되는지 그 분자적인 과정을 정확히 밝혀내지 못한 상황입니다.

세포가 분열할 때 염색체가 붙는 부위인 동원체가 유지되는데 필수적인 단백질 미스에이틴알파의 새로운 기능이 규명됐습니다.

이에 따라 암이나 정신 지체와 같이 동원체 형성과 관련된 다양한 유전질환의 유발 원인을 밝힐 가능성을 열었습니다.

서울대 백성희 교수와 숙명여대 김근일 교수팀은 특정 유전자(Mis18α)가 제대로 기능하지 못하면, 동원체가 만들어지지 못하고 세포분열에도 문제가 생기며, 배아가 개체로 발생하는 과정에도 장애를 일으켜 결국 유전질환을 일으킬 수 있다는 사실을 Mis18α 유전자가 제거된 생쥐모델로 밝혀냈습니다.

연구팀은 동원체 부위를 지정하는데 중요한 히스톤 변이체가 동원체 부위를 찾아가는 과정에서 Mis18α 단백질이 안내 역할을 하며,  Mis18α 단백질이 DNA 메틸화 효소를 동원체 부위로 불러들여, 그 부위의 DNA를 메틸화시키는 과정이 동원체를 만드는데 매우 중요하다는 사실을 처음으로 입증했습니다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 생명과학전문지 '셀(Cell)'의 자매지인 '몰레큘라 셀(Molecular Cell)'지에 온라인 속보(4월 19일자)로 게재되었습니다.
(논문명 : Roles of Mis18α in Epigenetic Regulation of Centoromeric Chromatin and CENP-A Loading)

생쥐의 배아세포에서 세포분열과정을 면역염색법으로 관찰한 그림으로 정상생쥐의 배아세포 (+/+)에서는 염색체(붉은색)가 정상적으로 중앙에 정렬되어 방추사(녹색)와 연결되어 있는 반면에 Mis18α가 결손된 배아세포 (Δ/Δ)에서는 염색체가 중앙에 정렬되지 못하고 퍼져있으며 방추사와의 연결도 불완전한 모습을 보이고 있다.

정상생쥐의 배아 (+/+)와 Mis18α가 결손된 배아 (Δ/Δ)를 배양하였을 때 정상배아에서는 내괴세포가 자라나서 세포덩어리를 형성하지만 Mis18α가 결손된 배아의 세포는 자라지 못하고 죽는다는 사실을 확인하였다.

Mis18α 단백질이 DNA 메틸화 효소를 동원체 부위로 불러들여 동원체 부위의 DNA를 메틸화 시키는 과정이 동원체 형성에 중요하며, 동원체 부위를 지정하는 역할을 하는 히스톤 변이단백질이 동원체 부위를 찾아 가는 과정에서 Mis18α 단백질이 안내 (guide) 기능을 수행한다는 것을 모식적으로 나타낸 것이다.

 용  어  설  명

동원체(centromere) :
세포가 분열할 때 먼저 일어나는 과정이 두 배로 복제된 염색체들이 양쪽으로 분리되는 것이다.
이 과정에서 방추사라는 일종의 단백질로 이루어진 끈이 염색체에 부착되는 되어 염색체를 양쪽으로 잡아당기는데, 방추사가 부착되는 염색체상의 부위를 동원체라 부른다.

CENP-A (centromere protein-A) :
염색체 상의 구조인 동원체는 염색체를 구성하는 단백질인 히스톤으로 구성되어 있는데 CENP-A는 동원체에만 특이적으로 나타나는 히스톤 변이체이다.

Mis18α (Minichromosome Instability 18α, 미니크로모좀 불안정 18 알파) :
Mis 단백질들은 세포 분열 과정에서 동원체가 나누어질 때 새로운 동원체 단백질이 (CENP-A) 제 위치로 들어와 분열을 완성하는데 필수적인 요소다.
이 중에서 Mis18α는 동원체 단백질과 결합하지 않으면서도 다른 단백질들보다 상위에서 동원체 단백질이 제 위치로 가는 것을 조절하는 요소로 알려져 있다.

DNA 메틸화 :
발현이 억제된 유전자 부위나 유전자가 없는 부분의 DNA에서 DNA 메틸화가 많이 발견된다.
DNA 염기부분의 메틸화는 DNMT 라는 DNA 메틸화 효소에 의해서 형성되고 유지된다.
세포가 분열할 때에도 DNA의 메틸화가 유지되는 것이 중요하다는 사실이 알려져 있다.

유사분열(mitosis) :
세포분열 과정에서 염색체가 나타나고 방추사가 생기는 핵분열의 한 형식으로 간접분열이라고도 불림

히스톤 변이체 :
다른 염색체 부위에 존재하는 히스톤과 다른, 동원체에 특이적으로 존재하는 히스톤 단백질 (CENP-A: 센프 에이)

동원체(centromere) :
세포핵의 유사분열기(mitosis)에 방추사(spindle)가 부착되는 염색체(chromosome)의 잘록한 부분으로, 복제된 염색체의 접합과 분리에 핵심적인 구조물

<백성희 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 서울대학교 생명과학부 2. 학력   1990 - 1994    서울대학교 이학사   1994 - 1996    서울대학교 이학석사   1996 - 1999    서울대학교 이학박사 (분자생물학)   3. 경력사항   2000 - 2002  美 University of San Diego, Post-doc.   2002 - 2003 美 University of San Diego, 연구교수   2003 - 2008   서울대학교 생명과학부 조교수   2008 - 현재     서울대학교 생명과학부 부교수, 정년보장   2009 - 현재     교과부?연구재단 지정 창의연구단장                   (크로마틴 다이나믹스 연구단)   2009 - 현재     한국과학기술 한림원 이학부 준회원 4. 전문 분야 정보 수상실적 - 로레알 유네스코 여성생명과학 진흥상 (2011) - 서울대 자연과학 연구상 (2010) - 교육과학기술부 젊은과학자상 (2009) - 마크로젠 여성과학자상 (2007) - 아모레퍼시픽 여성과학자상 (2007) - 김진복 암연구상 (2006) - 마크로젠 신진과학자상 (2005) 대표 연구논문 및 저서 1. Kim, H. K., Lee, J. M., Lee, G. N., Bhin, J. H., Oh, S. K., Kim, K. K., Pyo, K. E., Lee, J. S., Yim, H. Y., Kim, K. I., Hwang, D. H., Chung, J. K., and Baek, S. H. (2011) DNA Damage-Induced RORα Is Crucial for p53 Stabilization and Increased Apoptosis. Molecular Cell 44, 797-810. 2. Baek, S. H. (2011) When signaling kinases meet histones and histone modifiers in the nucleus. Molecular Cell 42, 274-284. 3. Lee, J. S., Kim, Y., Bhin, J., Shin, H-J. R., Nam, H. J., Lee, S. H., Yoon, J.-B., Binda, O., Gozani, O., Hwang, D., and Baek, S. H. (2011) Hypoxia Induced Methylation of A Pontin Chromatin Remodeling Factor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13510-13515. 4. Lee, J. S., Kim, Y., Kim, I. S., Kim, B., Choi, H. J., Lee, J. M., Shin, H-J. R., Kim, J. H., Kim, J.-Y., Seo, S.-B., Lee, H., Binda, O., Gozani, O., Semenza, G. L., Kim, M., Kim  Kim, K. I., Hwang, D. H., and Baek, S. H. (2010) Negative regulation of hypoxic responses via induced Reptin methylation. Molecular Cell 39, 71-85.  5. Lee, J. M., Kim, I. S., Kim, H. K., Lee, J. S., Kim, K., Yim, H. W., Jeong, J., Kim, J. H., Kim, J.-Y., Lee, H., Seo, S. B., Kim, H., Rosenfeld, M. G., Kim, K. I., and Baek, S. H. (2010) RORα attenuates Wnt/β-catenin signaling by PKCα-dependent phosphorylation in colon cancer. Molecular Cell 37, 183-195. 6. Baek, S. H. (2008) When ATPases pontin and reptin met telomerase. Developmental Cell 14, 459-461. 7. Kim, J. H., Lee, J. M., Nam, H. J., Choi, H. J., Yang, J. W., Lee, J. S., Kim, M. H., Kim, S.-I., Chung, C. H., Kim, K. I., and Baek, S. H. (2007) SUMOylation of a pontin chromatin-remodeling complex reveals a new signal integration code in prostate cancer cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 20793-20798. 8. Kim, J. H., Choi, H. J., Kim, B., Kim, M. H., Lee, J. M., Kim, I. S., Lee, M. H., Coi, S. J., Kim, K. I., Kim, S.-I., Chung, C. H., and Baek, S. H. (2006) Roles of sumoylation of a reptin chromatin-remodeling complex in cancer metastasis. Nature Cell Biology 8, 631-639. 9. Baek, S. H., Zhu, P., Bourk, E. M., Ohgi, K. A., Garcia-Bassets, I., Sanjo, H., Akira, S., Kotol, P. F., Glass, C. K., Rosenfeld, M. G., and Rose, D. W. (2006) Macrophage/Cancer cell interactions mediate hormone resistance through a conserved nuclear receptor derepression pathway. Cell 124, 615-629. 10. Kim, J. H., Kim, B., Ling, C., Choi, H. J., Ohgi, K. A., Tran, C, Chen, C., Chung, C. H., Huber, O., Rose, D. W., Sawyers, C. L., Rosenfeld, M. G., and Baek, S. H. (2005) Transcriptional regulation of a metastasis suppressor gene by Tip60 and β-catenin complexes. Nature 434, 921-926. 11. Baek, S. H., Ohgi, K. A., Rose, D. W., Koo, E. H., Glass, C. K., and Rosenfeld, M. G. (2002) Exchange of N-CoR corepressor and Tip60 coactivator complexes gene expression by NF-kB and β-amyloid precursor protein. Cell 110, 55-67. 12. Baek, S. H., Kioussi, C., Briata, P., Rose, D. W., Hamblet, N. S., Herman, T., Ruiz-Lozano, P., Lin, C., Gleiberman, A., Wang, J., Wang, D., Glass, C. K., Wynshaw-Boris, A., and Rosenfeld, M. G. (2002) Identification of a Wnt/Dvl/β-catenin to Pitx2 pathway reveals molecular mechanisms for mediating cell type-specifc proliferation during development. Cell 111, 673-685.

<김근일 교수>                                                1. 인적사항  ○ 소 속 : 숙명여자대학교 생명과학과 2. 학력   1986 - 1990   서울대학교 학사 졸업   1990 - 1992   서울대학교 석사 졸업   1992 - 1997   서울대학교 박사 졸업 (분자생물학) 3. 경력사항  1997 - 1999  서울대학교 분자생물학과, Post-doc.  1999 - 2001  美 University of San Diego, Post-doc.  2001 - 2005  美 The Scripps Research Institute, Post-doc.  2005 - 2009  숙명여자대학교 생명과학과 조교수  2009 - 현재  숙명여자대학교 생명과학과 부교수 4. 전문 분야 정보 - 유비퀴틴 및 유비퀴틴 유사단백질들의 세포내 기능연구 - 인터페론에 의한 신호전달 과정 및 선천성 면역에서의 역할연구 - 염색체 분열과정에 작용하는 신규 단백질들의 발굴 및 세포내 기능연구

<김익수 박사과정>                                                       1. 인적사항  ○ 소속 : 서울대학교 생명과학부                           2. 학력   1998 - 2005   서울대학교 학사 졸업 (생명과학부)   2005 - 현재   서울대학교 석박통합과정 (생명과학부)   3. 전문 분야 정보 - Kim,I.S., Lee,M.K., Park,K.C., Jeon,Y., Park,J.H., Hwang,E.J., Jeon,T.I., Ko,S.Y., Lee,H., Baek,S.H.*, and Kim,K.I.* (2012) Roles of Mis18α in Epigenetic Regulation of Centromeric Chromatin and CENP-A Loading. Molecular Cell (in press) (*co-corresponding author) - Lee,J.S., Kim,Y., Kim,I.S., Kim,B., Choi,H.J., Lee,J.M., Shin,H-J.R., Kim,J.H., Kim,J.-Y., Seo,S.-B., Lee,H., Binda,O., Gozani,O., Semenza,G.L., Kim,M., Kim,K.I., Hwang,D.H.,and Baek,S.H. (2010) Negative Regulation of Hypoxic Responses via Induced Reptin Methylation. Molecular Cell 39, 71-85 - Lee,J.M., Kim,I.S., Kim,H.K., Lee,J.S., Kim,K.K., Yim,H.Y., Jeong,J.Y., Kim,J.H., Kim,J.Y., Lee,H.N, Seo,S.B., Kim,H.G., Rosenfeld,M.G., Kim, K.I., and Baek,S.H. (2010). RORα Attenuates Wnt/β-Catenin Signaling by PKCα-dependent Phosphorylation in Colon Cancer. Molecular Cell 37, 183-195. - Kim,I.S.,and Baek,S.H. (2010) Mouse Models for Breast Cancer Metastasis. Biochem. Biophys. Res. Comm. 394, 443-447   - Kim,J.H., Choi,H.J., Kim,B., Kim,M.H., Lee,J.M., Kim,I.S., Lee,M.H., Choi,S.J., Kim,K.I., Kim,S.I., Chung,C.H., and Baek,S.H. (2006) Roles of SUMOylation of a Reptin chromatin remodeling complex in cancer metastasis. Nature Cell Biol. 8, 631-639.

만병의 근원으로 알려진 비만은 과다한 지방세포의 분화와 에너지의 과잉공급으로 유발되는 하나의 질병으로, 고혈압이나 고지혈증, 동맥경화, 심장질환과 같은 성인병으로 발전될 수 있기 때문에 지방세포 분화에 대한 과학자들의 관심이 매우 높습니다.

지방세포 분화는 지방세포 분화에 필요한 유전자가 적당한 시기에 정확한 양을 발현함으로써 일어나는 일련의 정교한 과정입니다.

이 때 유전물질의 발현은 중심원리에 의해 이루어지는데 이는 유전물질인 DNA가 mRNA라는 전달물질로 전사된 뒤, 이 mRNA는 다시 단백질로 번역됨으로써 유전자가 발현되는 원리입니다.

■ 고려대 김윤기 교수팀은 지방세포 분화 과정을 조절하는 원리를 밝히고, 지방세포 분화를 막아 궁극적으로 비만을 억제할 수 있음을 규명했습니다.

이전까지 연구에서는 지방세포 분화에 관한 연구가 DNA 수준에서 전사단계 조절에만 집중되어 왔습니다.

하지만 연구팀은 지방세포 분화 조절이 mRNA 단계에서도 조절된다는 것을 밝혀냈습니다.

이로써 지방세포 분화에 대한 새로운 메커니즘 발견으로 비만 질환 연구에 새로운 정보들을 제공할 수 있게 되었습니다.

세포에는 mRNA양을 조절하는 중요한 작용기전인 SMD(Staufen1-mediated mRNA decay)가 있습니다.

SMD는 단백질(Staufen1)이 특정 mRNA에 붙어 이를 빠르게 제거하여 mRNA의 양을 조절하는 원리로, 김 교수가 지난 2005년에 처음으로 밝혀낸 작용기전입니다.('Cell'지, 제1저자).

그러나 SMD가 구체적으로 어떻게 작용하고 어떤 생물학적 의미를 갖는지 알려진 바가 없었습니다. 

연구팀은 SMD가 지방세포 분화 과정에서 중요한 역할을 하는 유전자인 'KLF2'의 mRNA의 안정성에 관여함으로써, 지방세포 분화 과정을 조절한다는 것을 최초로 밝혔냈습니다.

SMD에서 중요한 역할을 하는 단백질(Staufen1, PNRC2)을 없애면, 지방세포 분화를 막는 단백질(KLF2)이 늘어나, 지방세포 분화가 억제됨도 관찰했습니다.

이번 연구은 고려대 김윤기 교수와 조하나 박사과정생(제1저자)이 주도하고, 강원대 최선심 교수팀이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 생명과학전문지 '셀(Cell)'의 자매지인 '분자세포(Molecular Cell)'지에 온라인 속보(4월 12일자)로 게재되었습니다.
(논문명 : Staufen1-mediated mRNA decay functions in adipogenesis)

전구지방세포는 KLF2 mRNA에 의해 지방세포로의 분화가 억제되어 있다. 분화과정동안 Stau1 단백질이 KLF2 mRNA에 결합하고, SMD를 통해 KLF2 mRNA를 제거한다. 그 결과 지방세포로의 분화를 촉진시킨다.

 용  어  설  명

지방세포 분화 (Adipogenesis) :
전구지방세포(비만세포로서의 형질을 나타내는 미분화의 세포)가 지방세포로 변하는 세포분화 과정을 일컫는다.
지방세포는 저장 기능과 내분비세포로서의 역할을 하는 등 매우 중요한 역할을 한다.
체내 에너지 항상성 유지를 위한 다양한 기능을 수행하는 지방세포는 오랫동안 단순한 에너지 저장 조직으로만 여겨져 왔다.
최근 들어 에너지 균형과 비만을 포함한 대사성 질환에 관심이 많아지면서 지방세포와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.
WHO는 비만이 과다한 지방세포의 분화와 불균형적인 에너지의 과잉공급에 의해 유발되는 하나의 질병이라고 발표하였으며 고혈압, 고지질증, 동맥경화, 심장질환 및 인슐린 비의존성 제2형 당뇨병과 같은 성인병으로 발전 가능성이 있기 때문에 지방세포 분화에 대한 지속적인 관심이 필요하다.
 
SMD (Staufen1-mediated mRNA decay) :
특정 mRNA가 Staufen1 (Stau1) 단백질과 결합할 경우, Stau1 단백질이 mRNA 제거 단백질들을 끌어와서 결합 mRNA를 빠르게 제거하게 된다.
SMD를 일으키기 위해서는 Stau1, Upf1, PNRC2 단백질 등이 필요한 것으로 알려졌다.

mRNA(messenger RNA) :
핵 안에 있는 DNA의 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 RNA.

전사(transcription) :
DNA를 원본으로 mRNA를 만드는 과정

번역(translation) :
mRNA의 유전정보를 토대로 단백질 생합성을 하는 과정 

<김윤기 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 고려대학교 생명과학부  ○ 전 화 : 02-3290-3410/3919  ○ e-mail : yk-kim@korea.ac.kr 2. 학력 1991~1996   포항공대 생명과학과 (학사) 1996~1998   포항공대 생명과학과 (석사) 1998~2002   포항공대 생명과학과 (박사)   3. 경력사항 2002~2005    미국 로체스터 대학, 박사후 연구원 2005~현재   고려대학교 생명과학대학 생명과학부 조교수/부교수 4. 연구지원 정보 기여도 (%) 지원기관 사업명 과제번호 연구지원 기간 총연구비 (천원) 35 교육과학기술부/한국연구재단 기초연구사업-중견연구자지원사업-핵심 2009-0078061 2009.09.01~2012.02.29 280,000 35 교육과학기술부/한국연구재단 기초연구사업-중견연구자지원사업-핵심(공동) 2009-0084897 2009.09.01~2012.08.31 120,000 30 보건복지부 신종인플루엔자범부처사업 A103001 2011. 07. 01∼ 2012. 10. 31 200,000

<조하나 박사과정생> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 고려대학교 분자세포생물학과   2. 학력   2002 - 2006    서울여자대학교 생명공학과 학사   2006 - 현재    고려대학교 분자세포생물학과 RNA 유전체학 Lab                  석 박사 통합과정   3. 경력사항   2005. 06 - 2005. 12  한국과학기술연구원(KIST) 연수생    4. 수상실적   2009. 09. 17  고려대학교 생명과학대학 최우수 연구자상   2010. 04. 02  고려대학교 생명과학대학 최우수 연구자상   2011. 07. 04  한국RNA학회 감사장

현재 전 세계적으로 활발히 연구되고 상업화가 시도되고 있는 염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 이용한 태양전지입니다.

염료감응 태양전지(DDSC)는 유기염료와 나노기술을 이용해 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 것으로, 가격이 저렴하고 공정도 간단해 차세대 태양전지로 주목 받고 있습니다.

이는 기존 상용화된 실리콘 전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이고, 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있습니다.

그러나 휘발성이 높은 액체 전해질을 사용해야 하기 때문에 상업화에 큰 어려움이 따르는 실정입니다.

또 하나의 방식인 겔 전해질은 점도가 높아 태양전지 내 나노입자 사이로 침투되기 어려워 액체 전해질에 비해 성능이 좋지 않습니다.

이를 해결하기 위해 가교제를 포함한 액체 전해질을 먼저 태양전지에 주입하고 열이나 UV-광원을 이용해 이어주는 연구를 진행해왔지만, 공정이 복잡하고 남아있는 가교제가 태양전지의 전기수명을 떨어뜨리는 것으로 알려져 역시 실용화에 어려움이 있었습니다.

이 처럼 차세대 고효율 태양전지로 각광 받고 있는 염료감응 태양전지의 상용화에 가장 큰 문제점인 액체 겔 전해질 문제가 국내 연구진에 의해 해결됐습니다.

■ 성균관대 박종혁 교수팀은 자체 개발한 고분자 나노소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서도 성능은 동일하고 수명은 더욱 길어진 신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발에 성공했습니다.

박 교수팀은 입자크기가 똑같은 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 놓고 이를 선택적으로 부풀어 오르게 하거나(swelling) 용해하는 액체 전해질의 용매를 조절하여 기존의 액체나 겔 전해질의 단점을 극복한 신개념 전해질을 개발했습니다.

신규 겔전해질을 활용한 염료감응 태양전지의 제조 모식도

(a) PS 나노입자가 코팅된 상대전극 (b) 액체전해질이 주입된 후의 상태 (c) 겔화된 전해질을 제거한 후의 상대전극 표면 (d)액체전해질이 겔화된 상대전극 모습

연구팀이 개발한 고분자 나노소재를 이용한 염료감응 태양전지는 기존의 액체 전해질과 동일한 성능을 나타내면서도 수명이 더욱 길어진 것이 특징을 갖고 있습니다.

현재 국내외 특허 출원이 완료된 이번 연구결과는 향후 염료감응 태양전지 분야의 핵심기술이 될 전망입니다.

이번 연구는 성균관대 박종혁 교수가 주도하고, 이건석 석사(제1저자, LG화학기술연구원), 울산과기대 전용석 교수가 참여했습니다.

이번 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(4월 6일자)에 게재되었다.
(논문명: Controlled Dissolution of Polystyrene Nano-beads: Transition from Liquid Electrolyte to Gel electrolyte)

 

<연 구 개 요> 염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 통해 받은 태양광에너지를 전자의 흐름으로 만들어내어 자연현상을 모방하여 만들어진 차세대 태양전지이다. 단지 식물의 잎에서 광합성을 할 때 빛을 엽록소라는 천연염료가 흡수하는 반면, 염료감응 태양전지는 인공적으로 합성된 염료분자를 TiO2(이산화 티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다. 이산화 티타늄 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 반도체 산화물 전극에 태양빛이 조사되면 염료분자는 전자를 내놓게 되는데 이 전자가 외부 회로를 통하여 이동하면서 우리가 필요로 하는 최종적인 전기에너지를 생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하고 저가의 재료를 사용하기 때문에 전지의 가격이 실리콘 셀 가격의 20~30% 정도에 불과하다. 또한 기존 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다. 염료감응 태양전지의 셀 성능이 12%이상 보고되고 있어 장기 안정성만 보장된다면 태양전지의 저가화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다.    최근 많은 국내외 기업들이 염료감응 태양전지의 장기 안정성 향상을 위해서 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 액체전해질의 높은 휘발성이 큰 문제로 작용하고 있다. 그동안 전해질을 겔화 시켜서 액체전해질의 증기압을 낮추려는 시도가 많이 있었다. 그러나 겔화된 전해질은 메조기공을 갖는 이산화 티타늄의 기공에 침투하지 못하는 특성으로 인하여 셀 성능이 기존 액체전해질 대비 떨어지는 단점이 있었다.     본 연구에서는 균일한 입자 크기를 갖는 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 위치시키고 폴리스타이렌을 선택적으로 팽윤 및 용해시킬 수 있는 액체전해질의 용매를 조절하여 기존 겔형 전해질의 단점을 극복할 수 있는 신규 전해질을 개발하였다. 초기성능은 기존 액체전해질과 거의 동일하였으며, 약 3주가 지난후의 성능을 비교하였을 때 액체전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 비해서 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다.

 

 

 용  어  설  명

염료감응 태양전지 :
염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)는 염료감응 태양전지라고도 하며, 산화환원 전해질로 구성되어 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.
두 개의 전극과 그 사이를 채우고 있는 전해질로 구성이 된다. 광전극이라 불리는 전극은 투명전극 위에 염료분자가 흡착된 산화 이산화 티타늄 나노입자로 구성되어 있고 상대전극이라 불리는 전극은 백금이 코팅된 투명전극으로 구성된다.

폴리스타이렌 나노입자 (Polystyrene nanoparticles) :
유화중합을 통해서 합성되며 균일한 크기를 갖는 나노입자를 의미한다.
보통 입자의 크기는 약 100 nm ~ 1000 nm 까지 조절이 가능하며 주로 광학적인 특성을 제어할 목적으로 많이 활용이 되며, 최근에는 구형 입자나 나노구조체를 합성하기 위한 형판 (型板)으로 사용된다.

겔 (Gel) 전해질 :
화장품과 같은 생활용품에도 많이 활용되는 용어로서 점성이 있는 물질을 통상적으로 지칭한다. 흐름이 전혀 없는 고체와 흐름이 자유로운 액체의 중간 형태를 지칭한다.

나노 레터스(Nano Letters)誌 :
세계적 권위의 나노분야 대표과학전문지 (인용지수 impact factor 12.186)

 

<박종혁 교수> 1. 인적사항 ○ 성      명 : 박종혁 (朴宗爀, 37세) ○ 소      속 : 성균관대학교 화학공학부, 성균나노과학기술원 2. 학력사항 ○ 1999년 : 연세대학교 화학공학과 (학사) ○ 2001년 : 한국과학기술원 화학공학과 (석사) ○ 2004년 : 한국과학기술원 생명화학공학과 (박사) 3. 경력사항 ○ 2004년 ~ 2005년 : University of Texas at Austin, Post.doc  ○ 2005년 ~ 2007년 : LG화학기술연구원 과장 ○ 2007년 ~ 2008년 : ETRI 선임연구원 ○ 2008년 ~ 현재: 성균관대학교 화학공학부/SAINT 조교수, 부교수 4. 주요연구업적 ○ J. H. Park, S. Kim, A. J. Bard*, "Novel carbon-doped TiO2 nanotube arrays with high aspect ratios for efficient solar water splitting" Nano Letters 6, 24 (2006). ○ D. H. Wang, D. Y. Kim, K. W. Choi, J. H. Seo, S. H. Im, J. H. Jeon, J. H. Park*, O. O. Park*, A. J. Heeger*, "Enhancement of Donor-Acceptor Polymer Bulk Heterojunction Solar Cell Power Conversion Efficiencies by Addition of Au Nanoparticles" Angew. Chem. Int. Ed., 50, 5519 (2011). ○ D. H. Wang, J. S. Moon, J. H. Seo, J. Seifter, J. Jo, O. O. Park*, A. J. Heeger*, J. H. Park*, "Efficient Solution-Processible Bilayer/Bulk-Heterojunction Solar Cells: Comparison with Bulk-Heterojunction Solar Cells" Nano Letters, 11, 3163 (2011). ○ J. K. Kim, K. Shin, S. M. Cho, T. W. Lee, J. H. Park* "Synthesis of Transparent Mesoporous Tungsten Trioxide Films with Enhanced Photoelectrochemical Response and Transparency: Application to Unassisted Solar Water Splitting" Energy & Environmental Science, 4, 1465 (2011).

 

식물은 광합성을 담당하는 세포 소기관인 '엽록체'를 통해 지구상에 있는 생명체들이 생존할 수 있도록 영양분을 제공합니다.

또한 동물은 '미토콘드리아'라는 세포 소기관으로 호흡하면서 생명유지에 필요한 에너지를 생산합니다.

이 같은 세포 소기관은 세포 안에 있는 특정한 기능을 하는 구조 단위로, 세균과 같은 원핵세포는 세포 소기관이 없지만, 동식물을 구성하는 진핵세포에는 핵, 미토콘드리아, 엽록체 등과 같은 세포 소기관이 있습니다.

식물세포가 엽록체를 통해 광합성하거나 동물세포가 미토콘드리아를 통해 에너지를 생산하려면 수천 개의 엽록체 단백질들이나 미토콘드리아 단백질들이 필요한데, 이들 모두는 세포 소기관만이 독자적으로 보유한 '리보좀'에서 만들어집니다.

리보좀은 세포질 내에 있는 직경 15~20나노미터의 소립자로, 원핵과 진핵세포에 널리 분포되어 있는 단백질 합성이 이루어지는 장소로, rRNA와 단백질의 복잡한 복합체로 구성되어 있습니다.

이 리보좀이 생성되는 과정에서 농축산물의 생산성을 크게 높일 수 있는 Obg 유전자가 국내 연구진에 의해 발견되었습니다.

■ 경남과기대 방우영 교수팀은 Obg 유전자가 동식물의 에너지 생산에 절대적으로 필요한 '리보좀' 생성과정에 반드시 필요하다는 사실을 처음 밝혀냈습니다.

방 교수팀은 식물 엽록체의 리보좀이 생성되는 과정에서 Obg 유전자가 꼭 필요하고, Obg 유전자의 기능이 상실된 식물에선 정상적인 리보좀이 만들어지지 않는다는 사실을 규명했습니다.

또한 리보좀이 생성되지 않은 식물은 엽록체 단백질도 제대로 만들어지지 않아 엽록체가 생성되지 않고, 엽록체가 만들어지지 않은 식물은 광합성을 할 수 없어 결국 정상적으로 자라지 못한다는 것도 확인했습니다.

이와 함께 연구팀은 Obg 단백질의 구조를 분석하여 동물의 미토콘드리아에만 존재하는 리보좀의 생성과정에도 Obg 유전자가 꼭 필요하다는 사실을 분자진화적으로 증명했습니다.

지금까지 전 세계 연구팀들은 원핵세포생물인 세균의 Obg 유전자의 기능에만 초점을 맞춘 반면, 이번 연구는 다세포 진핵세포생물까지 확대하여 Obg 유전자의 기능을 규명했습니다.

또한 Obg 유전자의 기능을 모델식물인 애기장대뿐만 아니라 세계 4대 식량작물인 '벼'까지 확대했다는 점에서 우리나라 쌀 생산에도 큰 도움이 될 전망입니다.

A와 B는 세균에 존재하는 Obg, C와 D는 식물의 엽록체에 존재하는 Obg, E아 F는 식물의 미토콘드리아에 존재하는 Obg, G는 사람의 미토콘드리아에 존재하는 Obg, H는 사람의 핵 속에 존재하는 Obg의 구조를 각각 나타낸다. 사람의 핵 속에 존재하는 Obg를 제외하고 식물과 동물의 Obg들은 세균에 존재하는 Obg를 많이 닮았다. 이러한 구조 분석은 진화적인 해석을 통해서 Obg가 엽록체와 미토콘드리아의 리보좀 생성에 중요한 역할을 한다는 것을 반증한다.

이번 연구결과는 식물분자생물학 분야의 권위 있는 학술지인 '식물학지(The Plant Journal)' 인터넷 판(3월 1일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Functional characterization of ObgC in ribosome biogenesis during chloroplast development)

<연 구 개 요> 식물세포가 엽록체를 통해 광합성하거나 동물세포가 미토콘드리아를 통해 에너지를 생산하려면 수천 개의 엽록체 단백질이나 미토콘드리아 단백질들이 필요한데, 이들 모두는 세포 소기관만이 독자적으로 보유한 '리보좀'에서 만들어진다. 이러한 리보좀 생성은 다양한 인자들에 의해 복잡하고 정교한 과정으로 매개되는데, 그 중에 Obg유전자로부터 생성되는 GTP가수분해효소(Obg GTPase)는 미생물의 리보좀 생성에 필수인자로써 미생물 생존에 중요한  것으로 보고되어 왔고, 현재 항생제 개발을 위한 관심의 대상이기도 하다. 최근에는 일본 교토대학의 연구팀이 Obg유전자가 사람의 세포 내 미토콘드리아 발달과정에 중요한 영향을 미치는 것을 보고하여 많은 관심을 받아 왔지만, Obg 유전자가 진핵세포 소기관내에서 어떤 분자생물학적 기능을 담당하는지에 대해서는 그 결과가 턱없이 부족한 실정이었다. 본 연구에서는 식물에서 Obg유전자의 기능을 상실시켜 생리학적, 세포생물학적 그리고 분자생물학적으로 어떤 현상이 나타나는지를 관찰하였다. Obg 기능이 상실된 애기장대의 백화 현상 (왼쪽은 Obg 돌연변이, 오른쪽은 정상 애기장대를 나타냄) Obg 기능이 상실된 애기장대의 세포구조(a, b, c) 정상 애기장대의 세포구조 (d, e, f) Obg 기능이 상실된 애기장대의 세포구조 그 결과 Obg 기능이 상실된 식물에서는 정상적인 엽록체를 제대로 만들지 못해 광합성이 저해된 백화(albino)현상이 나타났으며, 이러한 식물에서 엽록체 내의 단백질 합성과 리보좀을 구성하는 rRNA의 processing이 저해되는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 Obg단백질이 리보좀 생성에 필수적인 23S rRNA와 특이적으로 상호작용한다는 것을 증명하였다. (A) Obg 기능이 상실된 벼의 백화 현상 (왼쪽은 정상, 오른쪽은 Obg 돌연변이 벼를 나타냄) (B) Obg 기능이 상실된 벼의 세포구조 (a, b, c) 정상인 벼의 세포구조 /  (d, e, f) Obg 기능이 상실된 벼의 세포구조 그리고 Obg 단백질은 Obg fold, G domain 및 OCT와 같은 세 가지 기능단위들로 구성되어 있는데, 본 연구에서는 Obg fold가 리보좀을 구성하는 단백질이나 rRNA와 상호작용함으로써 리보좀 생성에 필수적으로 관여하고, G domain는 세포 내의 GTP 또는 GDP와 같은 대사체들을 인지하여 Obg fold의 기능을 조절하는 것으로 확인했다. 그리고 OCT는 리보좀 생성에 대한 Obg의 기능에 중요하지 않지만, 환경 스트레스에 관련한 역할을 할 것으로 예상하였다.  (A) Obg 돌연변이 식물(obgc-1)에서 rRNA processing의 저해 (B) Obg단백질의 23S rRNA와의 상호작용 (A, B) 세균 Obg의 구조, (C, D) 식물 엽록체 Obg의 구조, (E아 F) 식물 미토콘드리아 Obg의 구조, (G)사람의 미토콘드리아 Obg의 구조, (H) 사람의 세포 핵 Obg의 구조   한편 엽록체와 미토콘드리아와 같이 독자적인 유전자 발현체계를 가진 세포 소기관들은 과거 원시 세균이 주세포(host cell)에 공생하여 진화과정을 통해 생성되었기 때문에, 엽록체와 미토콘드리아에서 기능하는 단백질들은 대부분이 세균으로부터 진화했을 것으로 예상된다. 이러한 개념에서 엽록체와 미토콘드리아의 Obg 단백질 구조를 세균의 Obg와 분자 진화학적으로 비교해 보았을 때, 리보좀 합성에 중요한 Obg fold와 G domain의 형태가 거의 동일한 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 엽록체 Obg는 세균 Obg처럼 OCT를 보유하는데 반해, 미토콘드리아 Obg는 OCT가 없고, 단지 Obg fold와 G domain만을 가지고 있었다. (A) 엽록체 내에서 Obg의 역할에 대한 모델(B) Obg의 단백질 구조에 따른 기능 모델 이러한 사실들을 종합해 보면, 진화적으로 원시 세균이 진핵세포와 공생관계를 거치면서, 세균의 Obg 기능은 그대로 엽록체로 전해진 것에 반에, 미토콘드리아에는 Obg가 OCT기능을 상실하여 부분적으로 진화한 것으로 볼 수 있다. 그리고 앞선 일본 교토대학의 보고에서 Obg 기능이 상실될 경우 사람의 미토콘드리아 생성이 저해되는 현상은 Obg가 미토콘드리아 리보좀 생성에 필수적인 역할을 한다는 것을 강하게 뒷받침 할 수 있다. 지금까지의 내용을 종합하면, 본 연구에서는 Obg 단백질은 자신의 G domain을 통해서 세포 내 GTP 또는 GDP를 인지하여 Obg fold의 기능을 조절함으로써, 엽록체 리보좀의 생성에 필수적으로 관여하고, 이는 식물의 정상적인 엽록체 생성과 광합성에 매우 중요하다는 것을 증명하였다. 그리고 Obg 단백질의 구조를 분석하여 동물의 미토콘드리아에 존재하는 리보좀의 생성과정에도 Obg 유전자가 반드시 필요하다는 사실을 분자진화적으로 확인하였다.

  용  어  설  명

식물학지(The Plant Journal) :
국제 실험생물학협회(SEB)에서 발행하는 학술지로, 최근 5년간 영향력 지수 (Impact Factor)가 7.325임. 식물분자생물학 저널 중에서 권위 있는 학술지 중 하나로 인정받고 있다.

세포 소기관 :
세포 내에 있으며, 특정한 기능을 가진 구조 단위를 세포 소기관이라고 한다. 세균과 같은 원핵세포(핵이 없는 세포)는 세포 소기관이 없는 반면, 동물과 식물을 구성하는 진핵세포에는 핵, 소포체, 골지체, 미토콘드리아, 엽록체와 같은 다양한 세포 소기관이 존재한다.

엽록체와 미토콘드리아 :
엽록체는 식물 세포에 존재하는 세포 소기관으로서, 식물이 광합성을 할 수 있도록 하는데 중요한 기능을 담당한다. 미토콘드리아는 동물과 식물 세포에 존재하는 세포 소기관으로서, 에너지를 생산하거나 호흡대사에 관여하는 역할을 담당한다. 이러한 엽록체와 미토콘드리아는 '독자적인 유전체'를 가지고 있을 뿐만 아니라 이 유전체로부터 자체적으로 유전자를 발현시킬 수 있는 장치들도 보유하고 있다. 그리고 엽록체와 미토콘드리아는 과거 원시 세균이 주세포(host cell)에 공생하여 진화과정을 통해 생성되었기 때문에, 이러한 세포 소기관들의 독자적인 유전체 및 유전자 발현시스템에 대한 연구는 세균을 대상으로 많은 연구가 진행되어 왔다.

유전체 :
생명체를 구성하고 운영하는데 필요한 유전자 전체로서, 세포의 핵 속에 있다.

리보좀 :
세포 내 단백질 합성 공장으로서, 리보좀 RNA와 단백질들의 복합체이다. 주로 세포질에 위치해 있으나, 엽록체와 미토콘드리아는 세균에서 유래된 리보좀들을 독자적으로 보유하고 있다.

Obg 유전자 :
리보좀 생성과정에 관여하는 GTP가수분해효소를 만드는 유전자이다. 세균의 포자형성 과정에서 발견되어 그 이름이 Obg (Spo0B-associated GTPase)로 명명되었다.

<방우영 연구교수> 1. 인적 사항  ○ 성 명 : 방 우 영 (方宇榮, 37세)   ○ 소 속 : 경남과학기술대학교 양돈과학기술센터    구 분 학 교 명 학 과 명 전 공 수학기간 학 사 경상대학교 생화학과 생화학 1994~2001 석 사 경상대학교 응용생명과학부 분자생물학 2001~2003 박 사 경상대학교 응용생명과학부 분자생물학 2004~2007 임 용 기 간 임용기관 직명 (직위) 2003. 09~2004. 02 Texas A&M University 교환 연구원 2006. 09~2008. 12 경상대학교 생화학과 Teaching assistant 2007. 03~2009. 11 경상대학교 EB-NCRC 연구원 2007. 03~2009. 02 경상대학교 BK21 Post-doc 2009. 03~2009. 10 경상대학교 BK21 연구교수 2009. 11~현재 경남과학기술대학교 양돈과학기술센터 전임연구교수 4. 발표논문 : 2009년 11월 경남과학기술대학교 양돈과학기술센터에 연구교수로 부임 후 약 2년 6개월간 10편이상의 국외 SCI저널에 논문 게재 (SCI에 개재된 논문은 아래 5. 논문 업적 참고) 5. 주요 논문 업적 1. Bang WY, Chen J, Jeong IS, Kim SW, Kim CW, Jung HS, Lee KH, Kweon HS, Yoko I, Shiina T, Bahk JD (2012) Functional characterization of ObgC in ribosome biogenesis during chloroplast development. Plant J. doi: 10.1111/j.1365-313X.2012.04976.x.  2. Kim SW, Kang HY, Hur J, Gal SW, Bang WY, Cho KK, Kim CU, Bahk JD, Lee JH (2011) Construction of a conditional lethal Salmonella mutant via genetic recombination using the ara system and asd gene. J. Microbiol. Methods. 87:202?207 3. Lee YH, Cho ES, Kwon EJ, Kim BW, Park DH, Park HC, Park BY, Nam J, Jang IS, Choi JS, Bang WY*, Kim CW (2011) Discovery of Non-synonymous Synonymous SNP in the ApoR Gene Associated with Pork Meat Quality Traits. Biosci. Biotechnol. Biochem. 75(10):2018-2020 (*교신저자) 4. Im CH, Hwang SM, Son YS, Heo JB, Bang WY, Suwastika IN, Shiina T, Bahk JD (2011) Nuclear/nucleolar GTPase 2 proteins as a subfamily of YlqF/YawG GTPases function in pre-60S ribosomal subunit maturation of mono- and dicotyledonous plants. J. Biol. Chem. 286(10):8620-32. 5. Lee Y, Bang WY, Kim S, Lazar P, Kim CW, Bahk JD, Lee KW (2010) Molecular Modeling Study for Interaction between Bacillus subtilis Obg and Nucleotides. PLoS One. 5: e12597. 6. Heo JB*, Bang WY*, Kim SW*, Hwang SM*, Son YS, Im CH, Acharya BR, Kim CW, Kim SW, Lee BH, Bahk JD (2010) OsPRA1 plays a significant role in targeting of OsRab7 into the tonoplast via the prevacuolar compartment during vacuolar trafficking in plant cells. Planta 232:861-871. (*공동 주저자) 7. Bang WY, Hata A, Umeda T, Masuda T, Ji C, Im CH, Yoko I, Suwastika IN, Jeong SI, Kim DW, Lee BH, Lee Y, Lee KW, Shiina T, Bahk JD (2009) AtObgC, a plant ortholog of bacterial Obg, is a chloroplast-targeting GTPase essential for early embryogenesis. Plant Mol. Biol. 71: 379-390 8. Bang WY, Kim SW, Jeong IS, Koiwa H, Bahk JD (2008) The C-terminal region (640-967) of Arabidopsis CPL1 interacts with the abiotic stress-and ABA-responsive transcription factors. Biochem. Biophys. Res. Commun. 372: 907-912 9. Bang WY, Kim SW, Ueda A, Vikram M, Yun DJ, Bressan RA, Hasegawa PM, Bahk JD, and Koiwa H (2006) Arabidopsis carboxy-terminal domain phosphatase-like isoforms share common catalytic and interaction domains but have distinct in planta functions. Plant Physiol. 142, 586-594. 10. Kim SW, Jeong EJ, Kang HS, Tak JI, Bang WY, Heo JB, Jeong JY, Yoon GM, Kang HY, and Bahk JD (2006) Role of RepB in the replication of plasmid pJB01 isolated from Enterococcus faecium JC1. Plasmid 55, 99-113.