우리얘기

산호는 산호초를 만들어 해안을 보호하고, 신약물질을 제공하며, 막대한 관광산업 수입을 올리게 하는 매우 중요한 해양생물입니다.

세계적으로 약 5억 명이 산호와 관련된 산업에 종사하고 있으며, 연간 생산액도 약 400조 원에 달합니다.

그런데 산호는 해수 온도가 29~30℃를 넘으면 몸 안에 있던 심바이오디니움을 방출하게 되고, 자신의 몸을 고정하던 석회질만 남게 되어 산호초가 하얗게 변하는 백화현상(coral bleaching)이 일어납니다.

지구 온난화의 영향으로 지난 수십 년 간 20%의 산호초가 백화현상으로 없어졌습니다.

■ 서울대 정해진 교수와 포항공대 이기택 교수, 군산대 이원호 교수, 충남대 신응기 교수, 서울대 유영두 박사(공동교신저자) 등 공동 연구팀이 산호의 공생 미세조류인 '심바이오디니움(Symbiodinium)'이 당초 알려진 식물의 성질 뿐만 아니라 동물의 성질을 동시에 가지고 있음을 세계 최초로 규명했습니다.

연구팀은 심바이오디니움(Symbiodinium)이 빈영양화 상태에서 세균이나 다른 미세조류를 포식하면서 대량번식 할 수 있음을 입증, 광합성에 불리한 빈영양화 해역에서 '식물인 심바이오디니움이 대량으로 존재하며 산호초를 건강하게 유지하게 하는' 역설(paradox)에 대한 해답을 찾아냈습니다.

산호를 떠난 공생미세조류가 세균이나 다른 미세조류들을 포식하면서 번식하며, 산호유생이나 다른 산호에 들어가 건강한 산호를 유지할 수 있게 한다는 모식도

이번 발견으로 산호초에 서식하는 심바이오디니움에게 최적 먹이를 공급하여 번식을 유도할 수 있게 됨에 따라 온난화로 파괴되는 산호초 복원에도 큰 기여를 할 전망입니다.

산호에 공생하는 공생미세조류인 심바이오디니움이 먹이의 일부를 섭식관을 사용하여 포식하는 장면

이번 연구는 산호의 생태 연구 중 가장 어려운 난제를 풀게 된 것으로, 우리나라가 산호 연구의 선도국으로 발돋움 하는데 큰 기여할 전망입니다.

또 심바이오디니움은 산호 뿐만 아니라 말미잘, 해파리, 조개, 해면, 원생동물 등 광범위한 해양생물들과 공생을 하기 때문에 해양저서생태계 연구에 새로운 개념을 제시할 것도으로 보입니다.

연구결과는 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences USA) 온라인 7월 18일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Heterotrophic feeding as a newly identified survival strategy of the dinoflagellate Symbiodinium)

 
 용  어  설  명

빈영양화 (oligotrophic)
부영양화의 반대로 식물 성장의 필수요소인 질소, 인 등 영양염류가 매우 적은 현상을 말한다.

산호의 백화현상(Coral bleaching)
급격한 수온 변화로 인하여 산호초가 하얗게 변하는 현상을 말한다. 산호의 아름다운 색깔은 원래 몸 안에 살고 있는 공생미세조류인 심바이오디니움(Symbiodinium)의 색깔이다. 수온이 급격하게 상승하면 산호가 심바이오디니움을 방출하게 되고, 아름다운 색깔을 잃게 되다. 결국 자신의 몸을 지탱하기 위하여 분비했던 석회질 색깔만 하얗게 남는다.

산호초 (Coral reef) 
산호는 석회질을 분비하여 자신의 몸을 고정시킨다. 수많은 산호들이 석회질을 분비하고, 이들이 오랜 세월동안 쌓이면 육지도 만들 수 있는데, 산호군락이 만든 거대한  지형을 산호초라고 한다.

심바이오디니움 (Symbiodinium)
심바이오디니움은 와편모류(Dinoflagellate)에 속하는 단세포 생물로, 산호뿐만 아니라 말미잘, 해파리, 조개, 해면, 원생동물 등 다양한 해양동물들 몸 속에 들어가 공생을 하는데, 이들 동물들이 필요한 에너지의 많은 부분을 공급해주는 매우 중요한 생물이다. 심바이오디니움은 해양동물들의 몸 밖으로 나와 수영하며 지내다가 어린 유생들 안으로 들어가 새로운 공생을 시작하기도 한다. 

<정해진 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 서울대학교 지구환경과학부(해양학) 2. 학력   ○ 1982.03-1986.02 :  서울대학교 해양학과 이학사   ○ 1986.03-1988.02 :  서울대학교 해양학과 이학석사   ○ 1990.03-1995.02:  미국 캘리포니아 샌디에이고대학교 (University of California, San Diego) 해양학 이학박사 3. 경력사항   ○ 1995년02월~1995년08월 : 미국 스크립스 해양연구소 박사후연구원   ○ 1995년09월~2003년08월:  군산대학교 해양학과 전임강사/조교수/부교수   ○ 2003년09월~현재 : 서울대학교 지구환경과부 부교수/교수   ○ 2006년06월~2009년07월 : 융합기술원 환경에너지자원연구소 소장   ○ 2008년06월~현재 : Harmful Algae (Elsevier), Editor   ○ 2010년06월 ~ 현재 : 교과부-연구재단 해양극지 (해양바이오 기초원천 기술개발사업-해양공생생물 유전체 연구단) 세부연구책임자 4. 주요연구업적   ○ 2012 교육과학기술부 장관표창   ○ 2011 2011년도 기초연구사업 우수평가자 100인 선정   ○ 2011 한국해양과학기술진흥원 공로상   ○ 2002 제12회 과학기술우수논문상 5. 출판   ○ SCI급 국제전문학술지 논문 64편 게재   ○ 국내특허등록 6건, 해외특허출원 2건

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)

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.

칼슘이 많이 함유된 특화 작물을 생산할 수 있는 길이 열렸습니다.

칼슘의 결핍은 동식물의 성장을 저해하고 질병을 유발하며, 작물의 생산량과 품질을 저해하는 것으로 잘 알려지고 있습니다.

칼슘이 결핍된 토양에서 재배된 토마토, 파프리카, 사과의 썩음병

BjPCR1 유전자의 발현이 억제된 돌연변이 갓(anti-BjPCR1)은 야생종 (WT)에 비해 칼슘을 줄기로 잘 이동시키지 못해서 (위 회색 사진), 생육이 저해되었다. (아래 야생종과 돌연변이 갓 각각 6 포기의 식물 사진)

칼슘 수송단백질 BjPCR1은 뿌리털에서 흡수한 칼슘을 뿌리의 중심부로 수송시켜서, 칼슘이 잎과 줄기 등의 지상부로 이동할 수 있도록 한다.

BjPCR1을 뿌리 표피에 특이적으로 과발현한 형질전환 식물체 (AtEXP7p::BjPCR1-1, -2)는 칼슘 함량이 높은 배지에서 재배하였을 때, 야생종(WT)에 비해 훨씬 더 잘 자랐다.

 용  어  설  명

미국립과학원회보(PNAS) : 
세계에서 가장 저명한 과학 저널중의 하나로 1914년에 창간되었다. 이 저널에서는 생물학, 물리학 사회과학 등 다양한 연구를 소개하고 있다.

수송단백질(Transporter) :
생명체의 막에 존재하는 단백질의 일종으로서, 생명체의 대사활동에 필요로 하는 물질을 적재적소에 수송하는 역할을 한다. 수송단백질은 수송물질에 대한 특이성을 지니고 있어서, 세포에는 다양한 수송단백질들이 존재한다.

무기영양원(mineral nutrition) :
토양에 존재하는 광물 영양원으로 생명체를 이루는 구성 성분이며, 세포에 존재하는 여러 효소들의 조효소로서의 작용을 한다. 필수 무기영양원은 생물체의 구조와 대사에 요구되는 필수영양원으로, 결핍될 경우  생명체에  심각한 생장장애, 발달장애, 번식장애를 나타낸다.

식물 뿌리(Plant root) :
식물의 생장과 발달에 필요한  물과 무기영양원을 흡수하는 역할을 하며, 뿌리털을 포함하고 있는 표피, 피층, 내피, 내초, 물관부, 체관부의 여러 세포층으로 이루어져 있어서,  식물체내의 무기이온 흡수와 분배를 조절하는 역할을 한다.