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수소를 생산하는 미생물인 '해양 초고온 고세균'의 총체적 대사경로가 세계 최초로 규명됐습니다.

이에 따라 고효율 수소생성 균주 개발 및 대사공학(metabolic engineering)을 통한 고효율 수소생산의 기반이 마련됐습니다.

한국기초과학지원연구원 생명과학연구부 정영호, 김승일 박사팀은 한국해양연구원 이정현, 강성균 박사팀과 공동으로 해양 초고온 고세균인 '써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)'이 개미산 또는 일산화탄소를 먹고 수소를 생성함과 동시에 포도당, 구연산 등의 유기탄소화합물을 생성해 지속적인 증식이 가능하다는 사실을 세계 최초로 규명했습니다.

또 NA1이 갖고 있는 알코올 탈수효소(alcohol dehydrogenase, ADH)가 고온의 수소생성 조건에서 전분을 먹이로 공급할 때 발현이 증가하여 알코올이 보다 효율적으로 생산된다는 사실도 확인했습니다.

바이오수소 생성 초고온 고세균 NA1의 총체적 대사 경로

공동 연구팀은 개미산과 일산화탄소, 전분이 먹이로 포함된 배양조건에서 자란 'NA1'으로부터 단백질을 추출한 후, 수소생성조건에 따른 단백질체 분석을 통해 전체 대사경로를 규명했습니다.

특히 이를 통해 개미산과 일산화탄소가 'NA1'의 에너지원으로서 뿐만 아니라 효율적인 유기탄소원으로 이용될 수 있음을 입증했고, 주요 대사 작용 및 수소생성에 관련된 기능성 단백질들을 규명하는데도 성공했습니다.

초고온성 고세균 NA1의 전자현미경사진

이러한 단일 탄소원자(C-1)로 구성된 기질들이 고세균에서 유기탄소원으로 사용된다는 것은 이번 연구를 통해 최초로 확인된 것입니다.

또 연구팀은 'NA1'이 지금까지 알려진 고세균 미생물 중 최다인 8개의 수소화효소군을 보유하고 있다는 것을 확인했습니다.

이처럼 다수의 수소화효소군을 보유한 경우, 이를 조절함으로써 생산되는 수소의 순도나 효율을 높일 수 있습니다.

특히 이들 수소생성 기능성 단백질들은 향후 고효율 수소 생산 균주 개발에 유용한 단백질 타겟으로 사용될 수 있습니다.

이번 연구로 초고온 고세균 NA1의 총체적 대사경로가 규명됨에 따라, 개미산이 수소 생성을 위한 에너지원으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라 일산화탄소와 함께 탄소동화 과정을 거쳐 효율적인 유기탄소원으로 이용될 수 있음을 확인했습니다.

이 같은 연구결과는 향후 고효율 바이오수소 생성 균주 개발에 이용될 전망입니다.

이번 연구결과는 미국 생화학·분자생물학회에서 발간하는 국제 프로테오믹스 분야 세계 최고 권위지인 'Molecular and Cellular Proteomics 지' 의 2012년 6월호에 게재되었습니다.
(논문명 : Proteome analyses of hydrogen-producing hyperthermophilic archaeon Thermococcus onnurineus NA1 in different one-carbon substrate culture conditions. Molecular and Cellular Proteomics (IF=8.354))


<Molecular and Cellular Proteomics 誌내 논문 표지>


'써모코커스 온누리누스 NA1'은 지난 2002년 우리나라의 종합 해양연구선인 온누리호를 이용한 남태평양 파푸아뉴기니 해역 심해 열수구 탐사를 통해 해양연구원 연구팀에 의해 분리됐다.
국토해양부 해양생명공학사업의 '해양 초고온 고세균 이용 바이오수소 생산 기술개발 사업'과 '해양극한생물 분자유전체 연구단의 지원으로 유전체 분석을 완료하였고, 새로운 생명현상인 바이오수소 에너지대사작용을 유전체 및 오믹스 연구를 통해 규명하여 세계적인 국제권위지인 네이처(Nature)에 2010년 9월 16일자로 논문이 게재된 바 있다.
초고온성 미생물 NA1은 고온에서도 파괴되지 않고 활동하는 내열성 효소를 만들 수 있기 때문에 관심이 높았으며, NA1이 산업적으로 응용이 가능한 효소 공급원으로서의 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대되어 왔다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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'편도체(amygdala)'는 인간의 뇌 영역중 공포, 불안, 성행동 등을 결정짓는 역할을 합니다. 

한국기초과학지원연구원 자기공명연구부 조경구, 김형준 박사 연구팀은 자기공명영상(MRI)을 활용한 뇌 연구를 통해, 인간 뇌 '편도체 중심핵(CeA)'의 노화에 따른 변화가 남성과 여성에 있어 현격한 차이가 있음을 세계 최초로 규명했습니다.

연구팀은 121명의 피실험자 뇌를 MRI로 촬영해 편도체 영역을 분획하고, 분획된 편도체 영역을 3차원 영상으로 변환한 뒤 형태분석 및 부핵 분석을 수행했습니다.

이번 연구결과 편도체 중심핵은 내분비계와 밀접한 관련을 가지며 불안 등 감정을 조절하는 역할을 하고, 여성의 경우 나이가 들어감에 따라 이 부분이 급격하게 줄어드는 반면 남성은 변화가 적었습니다.

특히 여성의 불안장애 유병율이 남성보다 높지만, 폐경기 이후 여성의 유병율은 감소하는 것도 편도체 중심핵 변화와 밀접한 관련이 있을 것으로 추정했습니다.

기존 연구결과에서는 50세 폐경기를 전후한 여성의 경우 여성 호르몬이 급격히 줄어드는 반면 남성 호르몬의 변화는 적기 때문에 호르몬 변화에 의해 유병율이 감소한 것으로 보고 있습니다.

또 동물은 페로몬 정보를 처리하는 뇌 편도체 피질핵(CoA)이 암수 차이를 보였지만, 인간을 대상으로 한 실험에서 남녀차이가 있는지 밝혀지지 않았었는데, 이번 연구를 통해 인간의 경우 남성의 뇌 편도체 피질핵의 크기가 보다 큰 것을 밝혀냈습니다.

지금까지 인간은 페로몬을 처리하는 보습코계라는 기관이 별도로 있지 않은 것으로 알려졌기 때문에 뇌 피질핵 크기에서 남녀차이가 없는 것으로 보고되었습니다.

연구팀은 이러한 뇌 편도체 피질핵의 크기 차이로 인해 남성이 성적인 의미를 담은 시각 자극에 여성보다 민감하게 반응하는 것도 설명할 수 있는 것으로 보고 있습니다.

이번 연구는 향후 임상적 데이터가 축적되면 편도체와 관련된 신경정신질환의 보조진단도구로 쓰일 수 있을 것으로 보고 있습니다.

이번 연구는 조경구, 김형준 박사팀을 비롯, 경희대, 서울아산병원 등 3개 기관 협동연구로 추진됐습니다.

연구결과는 뇌영상 분야 권위지인 '뉴로이미지(NeuroImage)' 5월 1일자 표지논문으로 게재되었습니다.
(논문명 : Sex differences in amygdala subregions: Evidence from subregional shape analysis, IF=5.937)


'그림 b'의 붉은 화살표가 가리키는 영역이 여성의 나이가 들어감에 따라 빠른 쇠퇴를 보이는 편도체 중심핵이다.


 용  어  설  명

부핵분석 :
편도체 표면의 특정 위치가 3개의 부핵(central nucleus, cortical nucleus, laterobasal nucleus)에 속할 확률에 근거하여 계산을 수행한 뒤, 각각의 부핵의 크기를 산출하는 방법이다.

편도체 중심핵(central nucleus) :
자율신경 반응 및 호르몬 분비를 조절한다. 불안한 심리상태와 관련을 가지는 것으로 알려져 있다.

편도체 피질핵(cortical nucleus) :
후각 자극을 처리하는 곳으로, 동물에서는 성행동 및 후각정보 처리에 관여하는 것으로 알려져 있다.

보습코계(vomeronasal organ) :
성행동에 주로 관여하는 것으로 알려진 제2의 후각기관이다. 많은 동물에 존재하지만, 대부분의 연구자들은 인간에게는 없는 것으로 생각한다.


김형준 박사

조경구 박사

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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한국기초과학지원연구원 물성과학연구부 허윤석 박사와 최봉길 박사 연구팀이  KAIST EEWS 대학원 최장욱 교수팀과 공동으로 엠보싱 공정을 도입한 3차원 다공성 그래핀 필름제작기술 개발에 세계 최초로 성공했습니다.

이에 따라 전기화학적 특성이 우수한 차세대 고성능 에너지 저장소자의 전극활물질 상용화를 앞당기는 토대가 마련됐습니다.

이번 연구성과는 폴리스티렌(PS) 입자를 이용한 엠보싱 공정으로, 표면적은 넓히면서 전기전도도를 높이고, 동시에 기계적 물성까지 우수한 세계 최초의 '3차원 다공성 그래핀 필름 제조 기술'입니다.

3차원 다공성 그래핀 필름의 주사전자현미경 (SEM) 이미지.

(a) PS입자 제거 후, free standing 그래핀 필름의 저배율 SEM 이미지.
(b) 2 μm 기공크기를 갖는 다공성 그래핀 필름의 고배율 SEM 이미지.
 


연구팀은 그래핀 시트 사이에서 PS 입자의 삽입하고 다시 제거하는 과정을 통해 기공 구조를 만들어 그래핀의 재적층(restacking)을 효과적으로 제어했습니다.

연구팀은 PS 입자 제거 후에도 기공을 둘러싸고 있는 multi-layered 그래핀 층과 서로 연결된 기공구조에 의하여 전체 기공구조가 무너지지 않는 것을 확인했습니다.

또 sacrificial template을 이용한 PS 입자들의 크기에 따라 다공성 그래핀 필름의 기공크기를 100 nm에서 2μm까지 손쉽게 조절이 가능하단 사실도 발견했습니다.

엠보싱 기술을 이용한 3차원 다공성 그래핀 필름 제조공정

 (a) PS 입자와 그래핀의 자기조립 후, 진공여과를 통하여 free standing film제조.
 (b) 톨루엔 용매를 이용하여 PS 입자를 선택적으로 제거함으로써, 3차원 다공성 그래핀 필름제조.
 (c) 고성능 에너지 저장소자로 응용하기 위하여, self limiting reaction방법을 이용한 전이금속 산화물(MnO2)이 증착된 다공성 그래핀 필름제조.


지금까지 2차원 그래핀 필름을 3차원 다공성 그래핀 필름으로 제작하기 위한 여러 시도들이 있었지만, 이번 연구처럼 기공 크기조절이 자유로운 3차원 다공성 그래핀 필름을 free standing film으로 제작할 수 있는 기술은 세계 최초입니다.

연구팀은 또 전기화학적, 기계적 특성이 우수한 다공성 그래핀 필름을 에너지 저장소자중의 하나인 슈퍼캐패시터의 전극물질로 활용할 소자제작 및 성능분석을 수행했습니다.

지금까지 그래핀의 반데르 발스 힘에 의한 응집현상으로 슈퍼캐패시터의 전극활물질로의 응용이 제한적이었습니다.

그러나 이번 연구를 통해 다공성 그래핀 필름 제조에 성공함으로써 재적층 현상을 제어하고 전기화학적 특성을 향상 시킬 수 있었습니다.

특히 제조된 다공성 그래핀 필름은 넓은 비표면적과 향상된 전하이동 특성을 나타냈고, 이를 통하여 고출력 에너지 저장전극 재료로 활용할 수 있게 됐습니다.

3차원 다공성 그래핀 필름을 이용한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자의 구현.

 (a) 다공성 그래핀 필름(anode electrode)과 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름(cathode electrode)을 결합한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자 제작,
 (b) 본 연구에서 개발한 고출력, 고에너지 슈퍼캐패시터 소자의 성능을 보여주는 Ragon plot.
슈퍼캐패시터의 에너지 밀도(energy density)를 높이기 위하여 음극에 다공성 그래핀 필름을, 양극에 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름을 이용하여 비대칭 슈퍼캐패시터 소자를 제작하였다. 본 연구에서 개발된 소자는 에너지 밀도(44 Wh/kg)와 파워밀도(25 kW/kg)를 크게 향상시켰으며, 높은 고출력(high-power)과 장 수명(Long-term cycle life)을 유지하였다.


슈퍼캐패시터의 성능을 결정하는 중요한 지표는 충전, 방전 속도와 사이클 수명입니다.

연구팀은 다양한 순환전위전류 속도 내에서 비정전용량을 측정해 3차원 다공성 그래핀 필름이 2차원 그래핀 적층시료에 비해 충전 및 방전 속도가 향상됨을 확인했습니다.

이는 순환전위전류 속도 내에서 전해질의 이온들이 충분히 빠르게 기공 속으로 전달되어 빠르게 그래핀 표면 위에서 전하들이 저장되었기 때문입니다.

또 일정 전류밀도 내에서 1000 cycles의 충전 및 방전 실험을 실시, 다공성 그래핀 필름이 1000 cycles 동안 비정전용량이 거의 감소되지 않고 안정적인 충전 및 방전 수명을 나타낸 것으로 확인됐습니다.

이번 연구는 향후 그래핀 기반의 다양한 전기화학적 소자의 전극물질에 적극 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 나노과학 분야 최고 권위지인 'ACS Nano 誌'의 4월 24일자 인터넷판에 게재되었습니다.
(논문명 : 3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities, IF=9.855)

 

 용  어  설  명


3차원 다공성 그래핀 필름 제조를 위한 엠보싱 기술 :
엠보싱(Embossing) 가공은 천이나 직물 표면에 틀을 이용하여 열과 압력을 가해  올록볼록한 형태의 모양을 나타내는 과정이다.
본 연구에서는 그래핀 시트들을 폴리스티렌(polystyrene) 입자 틀에 둘러 싼 후, 폴리스티렌입자들을 제거함으로써 볼록한 형태의 그래핀 필름을 제조하였다.

슈퍼캐패시터 : 
슈퍼캐패시터는 캐패시터(콘덴서)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 충전지 형태로 사용하는 부품이다.
전자 회로에 사용되는 캐패시터는 전기적으로 충전지와 같은 기능을 가지며, 전력을 모아서 필요에 따라 방출한다.
슈퍼캐패시터는 전자 회로를 안정되게 동작시키기 위해서 반드시 필요한 부품중의 하나이며, 충·방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정적으로 동작하는 특징을 가지고 있다.  


허윤석 박사(선임연구원)

최봉길 박사(박사후 연구원)

 

 

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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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.

posted by 글쓴이 과학이야기

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직접 메탄올 연료전지는 새로운 에너지 전환장치의 하나로 각광받고 있지만, 전기 생산과정에서 메탄올이 이산화탄소로 완전히 산화되지 않고, 수많은 반응 중간 생성물이 만들어져 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.

직접 메탄올 연료전지와 같이 저온에서 작동하는 연료전지의 효율성을 높이려면 물의 양과 분포를 최적으로 유지하는 것이 중요하기 때문에 연료전지내 물의 분포도를 구하는 연구가 많이 수행되고 있습니다.

이에 각국의 연구팀은 연료전지의 화학반응 추적을 위해 작동 중이던 연료전지를 해체하고 시료를 채취하여 분석했기 때문에 정확한 측정이 어려했습니다.

□ 한국기초과학지원연구원 한옥희 박사팀이 작동중인 직접 메탄올 연료전지를 해체하지 않고도 전기 생산과정에서 발생하는 화학반응 추적에 성공해 연료전지의 상용화를 앞당기는 토대를 마련하게 됐다.

연구팀은 직접 메탄올 연료전지를 독창적인 'in situ 핵자기 공명 분광기법(in situ NMR spectroscopy)'을 이용해 직접 메탄올 연료전지의 화학반응 추적에 세계 최초로 성공했습니다.

여기에는 연구팀은 자체 개발한 '토로이드형 핵자기 공명용 탐침'이 이용됐습니다.

연구팀은 화합물의 규명과 정량 분석에 유리한 핵자기 공명 기법의 장점에 In Situ 기법을 추가하여, 운영하는 상태의 연료전지에서 일어나는 전기화학반응을 추적했습니다.

연구팀은 직접 메탄올 연료전지를 작동시킨 후, 중수소 핵자기 공명 분광 스펙트럼을 구하는 작업의 반복을 통해 전기 화학반응 추적이 이뤄졌으며, 이를 반응시간 동안 발생한 전하량 측정한 데이터와 비교 분석해  전기 생산과 관련된 메탄올 산화 반응과 전기 생산과 관련이 없는 메탄올의 산화반응 모두에서 PtRu/C 촉매가 Pt/C촉매보다 메탄올의 완전 산화율이 더 높은 촉매임을 처음으로 확인했습니다.

이처럼 서로 다른 재료의 연료극 촉매를 사용하는 직접 메탄올 연료전지의 내부 화학반응을 비교 분석함으로써, 보다 우수한 재료의 연료극 촉매를 개발 할 수 있는 토대가 마련됐습니다.

특히 핵자기 공명 영상(MRI) 없이도 개발된 토로이드형 핵자기 공명용 탐침을 사용하면 연료전지내 화합물들의 분포도를 구할 수 있음을 입증한 것으로 물을 포함한 연료전지의 전기화학반응 전후 화합물들의 이동 경로 추적 가능성을 보여주었습니다.

이번 연구결과는 응용화학 분야 세계 최고의 학술지인 '앙게반테 케미' (Angewandte Chemie International Edition)의 3월 인터넷판에 게재됐습니다.
(논문명 : Observation of Methanol Behavior in Fuel Cells In Situ NMR Spectroscopy, IF=12.730)

토로이드형 in situ 핵자기 공명 탐침으로 분석한 2D NMR 스펙트럼. (a)가 PtRu/C 촉매,  (b)가 Pt/C 촉매이다.

직접 메탄올 연료전지에서 반응이 진행함에 따라 메탄올 신호(3.3 ppm)의 크기는 감소하고 하이드록실 (4.8 ppm)신호의 크기는 증가함을 알 수 있다.
스펙트럼상의 숫자는 일정 전류하에서의 연료전지의 누적 반응 시간을 의미하며, 하단의 밑줄친 숫자는 전기적으로 circuit이 연결되지 않은 누적 시간을 의미한다.
동일한 시간 동안 진행된 반응에서 Pt/C에서의 메탄올의 감소가 상대적으로 빠른 것을 볼 수 있다.
이는 같은 전류 생산에 더 많은 메탄올을 사용 한 것을 의미하고 따라서 메탄올의 완전 산화율이  줄어든 것을 의미한다.
전기적 circuit이 연결되지 않은 상태에서의 메탄올 감소량을 비교했을 때 Pt/C 촉매에서 PtRu/C보다 시간당 메탄올 감소율이 작았다.
따라서 직접적인 전기 생산과 관련 없는 메탄올의 산화반응에서도 Pt/C에서 상대적으로 산화반응이 느림을 알 수 있다.

토로이드형 In Situ 핵자기 공명 탐침을 이용한 화합물의 공간 분포 측정.

핵자기 공명 신호의 검출을 위해 토로이드의 outer conductor와 central conductor 사이의 공간에 발생하는 B1 자기장의 세기가 central conductor의 중심에서 r 방향으로 선형적으로 감소하는 성질을 이용하면 r 값에 따른 화합물의 분포를 측정할 수 있음을 보여준다.
(a) 세겹의 튜브중 제일 안쪽(파랑)에 D2O, 가운데(빨강)에 CD3OH, 제일 바깥(노랑)에 DCOOD/D2O를 넣고 측정한 2D 핵자기 공명 스펙트럼. 물질의 종류는 가로축을 따라 나타나는 chemical shift (ppm) 값으로 부터 공간적인 분포는 세로축에 나타나는 위치 (r-1)에 따라 구별할 수 있음을 동시에 보여준다.
(b) 동일한 방법으로 0.1 mm 두께의 분리막 내외에 분포한 CD3OH(빨강)와 D2O(파랑)를 관찰한 것이다. 일반적으로 연료극-전해질-공기극으로 구성된 메탄올 연료전지의 전극집합체 (metal-electrolyte assembly, MEA)의 두께가 약 0.5 ~ 1 mm이므로 메탄올 연료전지의 연료극-전해질-공기극에 존재하는 메탄올과 반응 생성물의 분포를 구분해 낼 수 있음을 보여준다.

 

<토로이드형 핵자기 공명용 탐침>
 
토로이드형 핵자기 공명 탐침은 일반적으로 액체시료에 사용하는 헬름헐츠코일이나 고체 시료에 사용하는 솔레노이드코일과 달리 솔레노이드코일의 양끝을 이어놓은 듯 생긴 토로이드 코일이나 이와 같은 원리를 이용하는 원통형 토로이드 캐버티 디텍터를 사용한다.
다른 코일들과는 달리 라디오파에 의해 생성되는 자장이 코일안에만 존재해서 오로지 토로이드 코일안에 있는 시료에서만 핵자기 공명 신호를 감지하는 특징이 있다.
또한 핵자기 공명 영상 장치가 없어도 각 화합물의 2차원 영상을 코일 내부의 반지름에 대해 구할 수 있어 화합물들의 공간적 분포도를 구할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 연료전지 관찰에 적합하게 내부 도체(central conductor)를 막대기 형태에서 원통형으로 변경하고 액체 연료와 배출액의 출입을 위한 튜빙들이 내부 도체의 원통을 거치게 함으로써 튜빙내에 있는 액체에서는 신호를 감지하지 못하게 하고 연료전지에 존재하는 화합물들만 관찰할 수 있게 개발하였다.

연료전지의 In Situ 핵자기 공명 연구를 위한 토로이드형 탐침
(a) 토로이드형 탐침의 전체구조.
(b) 직접 메탄올 연료전지가 gasket에 둘러싸여 central conductor에 결합된 모습으로 T1과 T2는 메탄올의 공급과 배출, T3와 T4는 산소의 공급과 배출을 위한 튜브들이다.
(c) 연료전지로 감싸인 central conductor를 outer conductor에 삽입해 탐침이 완전히 조립되었을 때의 모습.

<연료전지>
 
연료전지는 화력 발전소나 내연기관에서처럼 연료를 태워 열 에너지 또는 운동 에너지로 바꾼 후 전기를 생산하는 것이 아니라, 촉매를 사용한 화학 반응에 의해 연료가 가진 높은 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 
이 때문에 친환경적이며 석유자원 고갈 문제에 대응하는 대표적인 에너지 전환 장치이다.
연료전지에 사용되는 연료 중에서 메탄올은 대량 생산이 가능하고, 현재의 가솔린/경유 공급을 위한 사회 간접시설을 그대로 이용할 수 있는 경제적 이점 때문에 현재 전세계적으로 직접 메탄올 연료전지에 대한 많은 연구가 진행되어왔다.
그러나 직접 메탄올 연료전지에서 알코올이 CO2로 완전히 산화되는 것이 아니라 대부분의 메탄올이 부분 산화되면서 다양한 반응 중간 생성물이 만들어진다.
연료전지의 효율을 높이기 위해서는 이들 화합물의 규명과 반응 추적을 통한 각기 다른 촉매의 역할을 비교 분석하여 완전 산화 반응율이 높은 촉매를 개발하고, 최적의 운영 조건을 찾는 것이 연료전지 산업화의 필수 요소이다

 

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한국기초과학지원연구원은 연구성과가 뛰어난 연구자에게 정년까지 연구활동을 보장하는 '영년직 연구원'으로 김수현 박사, 유종신 박사, 원미숙 박사 3명을 선정했습니다.

영년직 연구원은 연구 업적이 탁월하고 기관 발전에 크게 기여한 인물을 선정해, 고용계약의 갱신없이 정년(만 61세)까지 안정적인 연구 활동을 보장하는 제도입니다.

김수현 박사

현재 기초연 선임부장을 역임하고 있는 김수현 박사는 1989년 입원 이래 총 50여편의 논문을 발표하였으며, 다양한 분석기술 개발 및 분석지원을 통하여 생명공학 분야 발전에 크게 기여했습니다.


특히 김수현 박사가 수행중인 '세포칩 기반 생체모방형 단백질 네트워크 탐색기술'이 교과부 미래유망 융합기술파이오니아 사업(2011~2016년)으로 선정됐습니다.



유종신 박사

질량분석연구부 유종신 박사는 1993년 입원이래 총 100여편의 논문을 발표하였으며, 매년 우수한 특허 실적을 배출하고 있습니다.


지난 2007년에는 세계 최초 최고 성능의 초고분해능 질량분석기(15 Tesla FT-ICR MS)를 개발하였으며, 이를 통해 기초연은 2008년 과학기술창의상 교과부 장관상을 수상했습니다.

또 유 박사는 2009년부터  교과부 신기술융합형 성장동력사업 '질량분석기반 초고속 분자진단 의료시스템 개발사업'의 총괄책임자를 맡고 있습니다.

원미숙 박사

부산센터 원미숙 박사는 1993년 입원이래 총 100여편의 논문을 발표하였으며, 다양한 분석기술 개발과 학, 연, 산 공동연구를 통해 우리나라 표면분석 분야 발전에 크게 기여했습니다.


지난 2008년에는 교육과학기술부가 지원하는 'ECR이온원을 이용한 첨단 중소형 입자빔 이용시설 구축사업(2008~2013)'을 수주했습니다.

또 2008년부터 2년 동안 '대한여성과학기술인 회장'을 역임하는 등 우리나라 여성과학기술인의 위상을 높이는데 공헌했습니다.

기초연은 2008년 1호 영년직 연구원을 선정한데 이어 2009년 2명, 그리고 이번에 3명을 선정함으로써 총 6명의 영년직 연구원을 배출했습니다.
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슈퍼박테리아의 항생제 내성을 유발하는 세포막 단백질을 국내 연구진이 밝혀냈습니다.

이에 따라 슈퍼박테리아 ‘아시니토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii)’를 제거할 수 있는 새로운 치료제 개발의 기반이 확보됐습니다.

‘아시니토박터 바우마니’는 대표적인 병원성 감염균의 하나로, 면역체계가 약해진 환자나 중증 화상환자를 사망에 이르게 하는 주요 사망 원인균입니다.

아시니토박터 바우마니



특히 ‘아시니토박터 바우마니’는 최근 관련 연구자 사이에서 항생제 내성이 급격히 증가한 것으로 보고됨에 따라 기존 세균감염 치료에 사용하는 모든 항생제로도 치료하지 못하는 슈퍼박테리아 중 하나로 급부상하는 중입니다.

‘아시니토박터 바우마니’는 다른 균으로부터 각종 유전자를 획득해, 치료제로 많이 사용되는 카바페넴 등의 항생제에 대해 내성을 가진다고 합니다.
또 이 외에도 여러 세포막 단백질의 발현과 조절을 통해 병원성 및 항생제 내성을 가지고 있는 것으로 알려지고 있는데요.

박테리아의 항생제 내성에 대해 인간은 보다 강력한 항생제를 개발하는 것으로 대처함에 따라 결국 어떠한 항생제로도 치료하지 못하는 슈퍼박테리아의 출현으로 이어진 것입니다.

한국기초과학지원연구원 생명과학연구부 김승일 박사팀과 경북대 의대 이제철 박사 연구팀은 새로운 슈퍼박테리아로 급부상중인 ‘아시니토박터 바우마니’의 항생제 내성을 일으키는 세포막 단백질을 발굴하고 그 기능을 규명했습니다.

한국기초과학지원연구원생명과학연구부 김승일 박사

경북대 의대 이제철 교수














이에 따라 현재 발표된 대부분의 항생제로도 치료가 불가능한 것으로 알려진 ‘아시니토박터 바우마니’의 치료제를 개발할 수 있는 토대를 마련했는데요.

연구팀은 국내 주요 병원 입원 환자로부터 항생제 내성이 있는 ‘아시니토박터 바우마니’를 추출 한 뒤, 이 균의 세포벽과 세포막에 존재하는 다양한 막단백질의 특성을 단백질체학 기법을 통해 분석했습니다.

단백질체 분석법을 통해 발굴된 세포막 단백질



이번 연구결과는 슈퍼박테리아의 항생제 내성기전의 규명과 슈퍼박테리아를 제거할 수 있는 새로운 치료제 개발에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

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펨토 초는 1조 분의 1초라는 상상도 할 수 없는 짧은 시간입니다.

1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간입니다.

분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어납니다.

예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초입니다.

사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장합니다.

또 효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초,
수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초입니다.

펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저입니다.

펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있습니다.

깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있습니다.

교차편광구조와 헤테로다인 측정 기법을 이용한 펨토 초 진동 광학 활성 측정 장치 개략도


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 있는 것입니다.

이 펨토 초 레이저를 이용해 생체분자의 3차원 입체 구조를 분석하는 데 유용한 극초고속 광학 이성질체 측정법과 계산법이 최근 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

자연계에 존재하는 대부분의 생체 물질이나 합성 신약들은 광학 이성질체로 되어 있습니다.

광학 이성질체가 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛과 차등 상호작용하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는 광학활성


따라서 새로운 신약의 생체 반응의 특성을 이해하기 위해서는 3차원 광학 이성질체 구조를 분석 측정하는 기술이 대단히 중요합니다.

특히, 생체반응 중 수반되는 분자의 빠른 구조 변화를 관찰하기 위해서는 초고속 시분해능이 겸비된 구조 분석 장비가 필요합니다.

시분해 광학 활성 측정의 중요성



그런데 기존의 분석 방법들은 근본적인 측정 원리의 한계로 인해 시분해능이 길게는 수 시간에 달하는데, 이는 분자들의 움직임에 비해 무한히 느린 시간입니다.

한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 화학과 조민행 교수팀은 최근 공동으로 생체분자의 3차원 입체 구조를 1조 분의 1초 시분해능으로 관찰할 수 있는 펨토 초 광학 이성질체 측정법 개발에 성공했습니다.

이한주 박사

조민행 교수



이는 실험적 측면에서 기존의 극미세 신호 및 시분해능 한계를 독창적인 방식으로 극복했다는데 그 의의가 있습니다.

또한 이론⋅계산적 측면에서 분자역학 시뮬레이션 기법을 활용한 새로운 시간 상관 계산법을 개발하였으며, 실험과의 정량적 일치를 통해 방법의 타당성을 입증했습니다. 

시간 영역 광학활성 측정 및 계산법


연구진은 이번 연구 성과를 바탕으로 현재 적절한 들뜸-탐침 방법을 연동해 생체 시스템에서 일어나는 다양한 생체분자의 구조 다이나믹스 연구를 진행할 예정입니다.

이번 연구가 지속된다면, 앞으로 단백질 접힘-펴짐 현상이나 DNA-단백질 결합 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응 및 비대칭 화합물들의 화학 반응의 메커니즘을 밝히는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

또 의약(high-throughput screening) 및 재료과학에도 널리 사용될 전망입니다.

이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 Accounts of Chemical Research 지(IF=18.203) 학술지에는 12월 21일에 게재될 예정입니다.
(논문명 : Infrared Optical Activity : Electric Field Approaches in Time Domain)



*용어설명*

□ 광학 이성질체 / 광학 활성 

사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상입니다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없습니다.

분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 합니다.

그 이유는 이들이 광학적으로 서로 다른 특성을 가지기 때문입니다.
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 활성이라고 합니다.

따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공합니다.


□ 분자역학 시뮬레이션 / 시간 상관 계산법

실험에서 측정된 분광 스펙트럼으로부터 분자의 구조 정보를 얻기 위해서는 분자 계산을 통한 비교 분석이 필수적입니다.

그런데 기존의 계산법에서는 기체상의 분자에 대해 양자역학적 계산을 수행하기 때문에 용매 분자(용질 분자를 둘러싸고 있는 분자)의 영향이 고려되기 힘듭니다.

반면, 분자역학 시뮬레이션을 이용한 시간 상관 계산법에서는 용매 분자와 용질 분자 사이의 상호작용이 고려된 분자들의 궤적을 펨토 초 단위로 계산한 후 광학 활성과 관련된 물리량들의 시간 상관 함수로부터 스펙트럼을 획득합니다.

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