우리얘기

서남표 총장 기자회견문 (12. 7.16)

존경하는 국민 여러분.  

대학 개혁을 다할 수 없을 것 같습니다. 머리 숙여 사죄드립니다.

지난 1년여, KAIST가 적잖이 시끄러웠습니다. 면목이 없는 일입니다.  

교수사회 기득권에 도전하는 일은 우리 사회, 어느 누구도 완수하지 못한 과제입니다. “대학 개혁의 아이콘”, 그 “독선적”이라는 이 서남표도 두렵기는 마찬가지였습니다.

국민 여러분이 안 계셨다면, 지금까지 버티지 못했을 것입니다.

감사드리면서도, 죄송하기 짝이 없습니다.  

오명 이사장님.  

저는 이제 나흘 뒤면 KAIST 41년 역사상 처음으로 쫓겨나는 총장이 됩니다.

물러날 사유를 분명하게 밝혀주십시오. 저는 어떠한 얘기도 들은 적이 없습니다.

에둘러 가지 말고, 원칙대로 해 주십시오. 두렵지도 않고, 바라는 것도 없습니다.

정정당당하게 해임을 당하겠습니다.  

그것이 KAIST를 위한 마지막 소임이며, 총장으로서 책임을 다하는 유일한 방도이며, 국민에 대한 최소한의 도리입니다.  

서남표가 이 정도 요구도 못하고 떠나야 합니까?  

리더십과 소통, 대단히 중요한 가치입니다. 그러나 학교의 리더십은 권력이 아닙니다. 소통도 혼자서는 할 수 없습니다. 정치적인 사고나 행위가 개입할 일도 아닙니다. 그래서 사실과 사리에 맞는 합리적인 판단이 중요한 것입니다.  

저만이 할 수 있다고 생각하지는 않습니다. 그렇지만, 서남표만 바꾸면 모든 문제가 해결된다? 그것은 정직하지 않은 주장입니다.

눈 앞 실리를 얻자고 원칙과 상식을 저버린다면 그 피해는 KAIST와 국민이 지게 됩니다.  

국고를 낭비하면서까지, 총장 자리를 확보해야 할 중대한 정치적인 고려가 깔려 있다면 그것은 위험한 시도이며, 정의로운 일도, KAIST와 국민의 이익도 아닙니다.

지난 6년간 어려움을 헤쳐 왔는데, 효용가치를 다했으니 떠나라고 하신다면,

그것은 야박한 일입니다.  

리더로서 무한책임을 지라고 하신다면, 리더로서 책임있게 운영하도록

최소한 총장 자리는 인정해주셨어야 합니다.

저는 이사장님과 단 한 번도 KAIST의 방향과 비전을 놓고 토론해 본 적이 없습니다. 모든 관심은 제가 언제 나가는가 였습니다.

이사장님께서 하실 일은 우리가 경쟁해야 할 하버드, MIT 같은 세계 명문대 이사장들이 총장과 어떻게 힘을 합쳐 학교 발전에 기여하는지 그 점을 고민하시는 것 아니겠습니까.  

오명 이사장님,  

다음 총장도 일부 교수와 학생, 과학계 인사들, 교과부가 싫어하면 해임하시겠습니까?  

왜 일부라고 말씀드리는지 단 한번이라도 사실관계는 검증해 보셨습니까?  

다음 총장이 KAIST 교수 중에서 나와야 한다는 주장은 받아들이시겠습니까?  

교수가 학교의 주인이라는 주장에 대해선 어떻게 생각하십니까?  

교수, 학생, 직원이 참여하는 대학평의회에 의결권을 넘겨 주시겠습니까?

이사 중 1/3을 교수측이, 또 1/3을 총동문회가 선임하는 요구는 들어주시겠습니까? 지난해 10월 26일, 제가 이 두 안건을 상정했을 땐 왜 막으셨습니까?  

교수들이 테뉴어 제도를 폐지하라고 다음 총장에게 요구하면 받아들이시겠습니까? 학생들이 영어강의 폐지하라고 하면 들어주실 것입니까?  

제가 나가기만 하면 이런 요구들이 모두 사라지고, 모든 문제가 해결되는 것입니까?

이것은 기록을 바탕으로 질문을 드린 것입니다.  

지난 몇 년 동안 저는 일부 교수 및 학교 밖 인사들로부터 사실이 아닌 일로 음해와 모함을 받아 왔습니다. 교수단체가 보낸 퇴진요구서만 서른 번이 넘습니다.  

이사회 날짜만 정해지면 하루가 멀다 하고 사퇴 요구가 빗발쳤습니다.

이사장님이라면 어떻게 소통하시겠습니까. 어떤 리더십으로 해법을 찾으시겠습니까. 

사실 앞에서 눈과 귀를 막고, 시끄러우니 물러나라 하신다면 이사장님은 물러나시겠습니까? KAIST에선 어떤 출신의 총장이 어떤 일을 해야 임기를 제대로 마칠 수 있는 것입니까?

존경하는 국민 여러분.  

지난 6년간, KAIST는 잘 달려 왔습니다. 자산은 2배, 현금보유액은 3배로 늘었습니다. 200위권이던 세계 대학 평가가 60위권대로 들어서기도 했고, 공과 대학 순위는 20위권 수준입니다. 재임 전 51억원이던 기부금도 지금은 1700억원대입니다.  

인류가 당면한 과제를 해결하기 위한 EEWS 같은 세계 수준의 지속가능성 연구도 4년째 추진 중이며, OLEV, 모바일하버 같은 대형 프로젝트도 세계를 앞장서고 있습니다.

KAIST라면 달라야 합니다. 앞서가야 합니다.(Advanced) 참여정부 시절, 제가 받은 사명은 세계적인 명문대 하나 만들자는 것이었습니다. 현 정부에서 연임할 때도 마찬가지였습니다. 그래서 KAIST의 리더십은 특별해야 합니다.  

KAIST는 우리가 모르는 사이 많은 것을 성취해 왔습니다. 시스템, 인프라, 인적구성, 재정 안정성은 이미 세계 수준입니다. 세계 탑클래스 수준인 공학, IT, 자연과학 분야를 중심으로 한층 더 발전해 나갈 것입니다.

단 한 가지, 세계 명문대와 견주어서, 아쉬운 것이 있다면, 바로 문화입니다.

그래서 KAIST 개혁은 계속되어야 합니다.  

관행과 관성에 근거한 낡은 문화는 지난 6년간 우리가 도입한 제도에 맞게

시민 모두가 따르는 민주사회 보편 원리에 맞게 새롭게 정착되어야 합니다.

 

누구라도 이를 저지하거나 무력화한다면 KAIST 역사에 죄인으로 남게 될 것입니다.  

중단 없는 개혁의 추진과 완성을 위해서는, 다음 몇 가지 조건이 뒷받침돼야 합니다.  

첫째, 정부, 정치권, 과학계, 구성원 그 누구라도 KAIST를 사유화해서는 안됩니다.

KAIST는 국민이 주인입니다. 그런 곳까지 권력의 전리품으로 삼아선 안됩니다.

우리 스스로 합당한 역할을 한다면 권력에 기댈 일도 없을 것입니다.  

둘째, 정치 연고, 학연, 지연으로 맺어진 특정 카르텔이 학교를 휘두른다면,

이는 반드시 국민과 구성원의 힘으로 해체되어야 합니다.  

총장의 해임 사유를 찾지 못해, 편법적 수단을 쓰면서까지 총장 자리를 가지려는 분들께 KAIST의 미래를 맡겨서야 되겠습니까?  

셋째, 책임있는 학교 운영이 필요합니다. 최소한 임기는 보장해야 합니다.

총장이 소신껏 일할 수 있도록 거취 문제로 흔드는 일은 더는 없어야 할 것입니다. 지난 1년간 우리는 적지 않은 시행착오를 겪었습니다. 이제는 극복해 내야 합니다.  

넷째, 교수들도 초과권력을 내려놓고, 본연의 자리로 돌아가야 합니다. 견제할 수 없던 관행은 민주시민의 덕목으로서 반드시 정상화해야 할 것입니다.  

존경하는 국민 여러분. KAIST 가족 여러분.  

저는 한국에 있는 마지막 날까지 한국 대학 개혁의 주춧돌을 놓기 위해서,

주어진 소임을 다할 생각입니다.

며칠 뒤면 저는 이사회로부터 사실상 해임을 당합니다.

당당하게 마주하고, 책임있게 도전하겠습니다.

KAIST 발전을 위해서, 여생을 바칠 것입니다.  

경청해 주셔서 감사합니다.

 

 

트위터의 리트윗 기능은 누가 만들었을까요?

KAIST 문화기술대학원 차미영 교수가 작성한 '온라인 소셜 네트워크 내 관습의 발생(The Emergence of Conventions in Online Social Network)'가 제6회 AAAI 웝로그 및 소셜미디어 국제학회(ICWSM) 최우수 논문상에 선정됐습니다.

'온라인 소셜 네트워크 내 관습의 발생'은 사회적 관습의 형성과 채택과정을 온라인 소셜 네트워크 사례를 통해 증명한 논문입니다.

차 교수와 독일 막스플랑크연구소(MPI-SWS) 연구팀이 공동으로 추진한 이 연구는 2006년부터 2009년까지의 트위터 데이터를 이용해 리트윗이 다양한 방식으로 사용자들에게 채택돼 사용되는 과정을 분석했습니다.

리트윗은 트위터가 처음 만들어졌을 때는 제공되지 않았던 기능으로, 한 사용자가 'Via'라는 단어와 그 트윗을 남긴 사용자를 언급하는 방식으로 처음 사용한 이후 급속도로 이용자가 증가했습니다.

이후 같은 용도로 'HT', 'Retweet', 'RT' 등의 키워드를 이용하는 방식이 생겨났고, 현재 가장 많이 사용되는 'RT', 'Via' 등이 사용되면서 트워터의 관습(Convention)으로 자리 잡았습니다.

이에 tweet.com은 리트윗을 트위터 자체 시스템을 통해 제공하기 시작했는데, 이는 최초에 리트윗이 사용자들에 의해 만들어지고 사용돼 자리를 잡았다는 점에서 '사회적 관습'이 만들어진 과정으로 연구팀은 해석했습니다.

연구팀은 또 사회적 관습이 만들어지는 과정에서 얼리어답터들의 특성을 분석한 결과 개인정보, URL, 프로필 사진, 위치정보, 리스트 등 트위터의 다양한 기능을 적극적으로 활용하는 것을 확인했습니다.

얼리어답터들은 팔로잉(Following)하는 유저들도 평균적으로 10~100배 이상 많았고, 그들끼리의 사회관계망이 밀접하게 형성될 뿐만 아니라, 얼리어답터에 의해 새로운 관습이 채택되는 과정에서 리트윗의 사용이 그들의 친구들을 중심으로 급속히 확산되는 것도 증명됐습니다.

이번 연구는 트위터가 만들어진 때부터 거의 모든 데이터를 가지고 트위터에서의 관습변화를 분석한 것으로, SNS를 통해 실제 사회적 관습의 형성과정을 증명하고 있습니다.

 

<차미영 교수>  Mee young Cha Bio Assistant Professor Graduate Schoolof CultureTechnology Computer Science(JointFaculty) Web Science Division(JointFaculty) Korea Advanced Institute of Scienceand Technology Ph.D., Computer Science, KAIST, 2008 ■ 차미영 박사는 카이스트 문화기술대학원에 2010년 5월에 조교수로 부임하였으며, 현재 소셜컴퓨팅랩을 운영하고 있다. 차미영 박사는 카이스트 전산학과에서 박사 학위를 2008년 2월 취득하고, 그 이후 2년 반 동안 독일 막스플랑크 연구소에서 박사후연구원으로 활발한 연구 활동을 하였다. 주 연구 분야는 대용량 소셜 미디어 데이터를 활용한 사회과학연구로 정보, 감성, 및 사용자 영향력의 전파를 연구한다. 연구성과로 유투브 시스템의 비디오 인기도 분석 연구로 Usenix/ACM SIGCOMM Internet Measurement Conference에서 2007년 최우수논문상을 받았으며, 트위터 내에서 사용자 영향력을 분석한 최근 논문 '백만 팔로워의 오류'는 뉴욕타임즈 웹과 하버드 비즈니스 리뷰의 블로그 등에 소개되었다.

 

KAIST 정희태 석좌교수가 교육과학기술부 주관 '이달의 과학기술자상' 7월 수상자로 선정됐습니다.

정 교수는 그래핀 결정면을 간편하면서도 더 넓게 관찰할 수 있는 새로운 기술을 개발해 양질의 그래핀 제조를 가능하게 한 공로를 인정받았습니다.

정 교수는 나노재료를 이용한 광전자소자 응용분야의 세계적인 석학으로, 그래핀과 나노패턴을 이용한 차세대 액정 디스플레이 등의 개발 연구를 지난 10여 년 간 수행하면서 최근 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있는 기법을 개발했습니다.

정 교수의 연구는 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에 새로운 방향을 제시했다는 평가를 받고 있습니다.

이 성과는 2012년 1월 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처'의 자매지인 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재된 바 있습니다.

■ 그래핀은 현존 물질 중 가장 우수한 전기적 특성이 있으면서 투명하고 기계적으로도 안정적이며, 자유자재로 휘어지는 차세대 전자소재이지만, 제조공정을 통해 넓게 제작된 그래핀은 다결정성을 지녀 단결정일때보다 상당히 낮은 전기적,기계적 특성을 보입니다.

이것은 그래핀의 상업화에 최대의 걸림돌로, 그 특성이 결정면의 크기와 경계구조에 큰 영향을 받기 때문인 것으로 알려지고 있습니다.

따라서 우수한 특성을 갖는 그래핀을 제조하기 위해서는 먼저 결정면의 영역(도메인)과 경계를 쉽고 빠르게 관찰하는 것이 필수적입니다.

■ 정 교수는 지난 10여 년 간 유기 나노재료 및 분자제어를 통해 광학적, 전기적 성질을 이용한 소자를 개발하여 과학인용색인(SCI) 등재 국제학술지에 120편의 논문을 게재하였고, 40여개의 국내외 특허를 출원했습니다.

현재까지 발표한 정 교수의 논문들은 Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Asia Materials, 등 나노소재 분야의 권위 있는 학술지에 게재되어 총 피인용 횟수가 2500여 회에 달합니다.

정 교수는 창의적 연구결과와 탁월한 학술활동을 바탕으로 과학기술발전과 인재양성에 크게 기여한 점을 인정받아 2011년 KAIST 석좌교수로 임명됐고, 최근에는 Macromolecular Research 나노분야에서 편집장으로 활동하고 있습니다.

 

<정희태 교수>  ▶소속 : KAIST 생명화학공학과 ● 학    력 ▶1983 ∼ 1987    학사, 연세대학교, 화학공학과 ▶1987 ∼ 1989    석사, KAIST, 생명화학공학과 ▶1994 ∼ 1998    박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과 ● 경    력 ▶1989 ∼ 1994 삼성종합기술원, 선임연구원 ▶1998 ∼ 2000 미국 캘리포니아대학, 박사 후 연구원 ▶2000 ∼ 현재 KAIST 생명화학공학과, 정교수 ▶2003 ∼ 2005 한국생명공학연구원, 초빙교수 ▶2007 ∼ 현재 KAIST 화학과, 겸임교수 ▶2007 ∼ 현재  KAIST 나노연구소, 겸임교수 ▶2009 ∼ 2010 미국 국가표준연구소, 방문교수 ▶2010 ∼ 현재 Macromolecular Research 부편집장 ▶2011 ∼ 현재 KAIST, 석좌교수 ● 주요업적 : 액정의 배향성질을 이용한 그래핀 영역(도메인)의 시각화   ◇ 최근 가장 활발히 연구하고 있는 꿈의 신소재인 그래핀은 현존하는 물질 중 최고의 전자이동도를 가지고 있는데, 제조과정에서 생기는 그래핀의 면적과 그 경계면 때문에 실제로는 낮게 나온다   ◇ 본 연구를 통해 그래핀의 결정면을 간편하고 대면적으로 관찰할 수 있는 신기술을 세계최초로 개발하였고, 이는 그래핀의 물성을 크게 향상하고 상업화를 위한 핵심기술을 개발했다고 볼 수 있다.

 

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 미국 산업미생물생명공학회에서 수여하는 '2012 찰스톰상(Charles Thom Award)'을 수상합니다.

이 교수는 화석원료로부터 만들어지는 다양한 화학물질을 미생물의 시스템대사공학을 통해 효율적으로 생산하는 제반기술을 개발하고, 이를 이용해 숙신산, 폴리에스터, 나일론 원료, 알코올, 다이올, 바이오연료 등의 효율적인 생산을 위한 산업균주를 개발한 공로를 인정받았습니다.

찰스톰상은 미국 산업미생물생명공학회 주관 산업미생물 및 생명공학 분야에서 전 세계적으로 가장 탁월한 업적을 이룬 연구자를 매년 한 명씩 선정해 주는 상입니다.

이 상은 대상자가 없는 해에는 상을 수여하지 않는 것이 특징으로, 1967년 만들어진 이후 작년까지 40명이 수상했고, 이상엽 특훈교수는 우리나라 최초 수상자입니다.

역대 수상자들로는 세계 산업미생물 및 생명공학계의 대부 아놀드 드메인, 데이비드 펄만, 아더 험프리, 테루히코 베뿌 등이 있습니다.

이 교수는 이번 수상을 맞아 오는 8월 12일부터 16일까지 미국 워싱턴DC에서 열리는 미국산업미생물생명공학회 연례 학술총회에서 '천연 및 비천연 화학물질의 바이오 기반 생산을 위한 전략'을 주제로 기념강연을 할 예정입니다.

 

■ 이상엽 특훈교수는 가상세포 및 초고속분석기술을 이용하여 생명체를 연구하는 시스템 생물학과 재생가능한 바이오매스로부터 화학물질을 효율적으로 생산하는 분야인 대사공학의 세계적인 전문가다. 융합 연구를 통한 시스템 대사공학으로 ▲세계 최고 효율의 숙신산 생산 기술 개발 ▲필수 아미노산인 발린과 쓰레오닌의 고효율 맞춤형 균주 개발 ▲가상세포를 이용하여 강건성을 비롯한 생명체 연구 ▲최근에는 나일론의 원료가 되는 다이아민 생산 균주와 플라스틱 원료로서 기존의 석유를 대체할 수 있는 생분해성 고분자인 폴리유산 생산 균 개발, 강철보다 강한 거미줄 개발, ▲ 차세대 바이오 연료인 부탄올의 고효율 생산 균주 개발 등 바이오 리파이너리 및 바이오에너지 분야에서 세계적으로 주목 받는 연구 성과를 내고 있다. 카이스트에서 약 18년 동안 대사공학과 시스템생명공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 409편, proceedings논문 156편, 국내외 학술대회에서 1400여편의 논문을 발표하였고, 기조연설이나 초청 강연을 360여회 한 바 있으며, Metabolic Engineering(Marcel Dekker 사 발간), Systems Biology and Biotechnology of E. coli (Springer사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 550여건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템 생명공학분야를 창시하여 바이오리파이너리 포함 생물공정기술 개발과 시스템 수준에서의 신규 의약 타겟 발굴 등 연구에 매진하고 있다. 이 교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든 (Elmer Gaden)상 (2000), 싸이테이션 클래식 어워드(미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상(2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인(2003), KAIST 연구대상(2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상(2005) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이며, 2006년에는 미국미생물학술원 (American Academy of Microbiology) 펠로우 (fellow), 그리고 우리나라에서는 처음으로 Science지를 발간하는 미국 AAAS (American Association for the Advancement of Science)의 펠로우로 임명되었으며(2007), KAIST 최고의 영예직인 특훈교수에도 임명되었다(2007). 지난 수년간 탁월한 성과를 인정받아 세계적인 화학, 제약회사인 머크(Merck)사가 제정한 '머크 대사공학상 (Merck Award for Metabolic Engineering' 상을 수상 받았으며(2008), 상위10대 특허등록 우수 연구자로 선정되었다(2009). 또한, 미국 산업미생물학회(Society for Industrial Microbiology)의 '2010년 펠로우(Fellow)'와 미국공학한림원(National Academy of Engineering, NAE)의 '외국회원(Foreign Associate')로 선정되었으며, 작년에는 암젠기조강연상을 수상하기도 하였다. 올해는 아시아인 최초로 미국화학회의 마빈존슨상을 수상하였고, 미국 텍사스 오스틴 주립대학교, 라이스대학교, 펜실바니아주립대학교 등에서 네임드렉쳐들을 하는 등 대사공학분야에서 세계를 선도하는 연구를 수행 중이다. 현재 Biotechnology Journal의 편집장을 맡고 있으며, Biotechnology and Bioengineering, Applied Microbiology and Biotechnology, BMC Systems Biology, mBio, ACS Synthetic Biology 등 20여개 국제학술지의 편집인, 부편집인, 편집위원으로 활동 중이다.

<이상엽 특훈교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 카이스트 생명화학공학과 2. 학력   1986: 서울대학교 (학사: 화학공학 전공)      1987: Northwestern University (석사: 화학공학 전공)     1991: Northwestern University (박사: 화학공학 전공)     3. 경력사항   1994 - 1996: 카이스트 화학공학과 조교수     1997 - 2002: 카이스트 생명화학공학과 부교수    2002 - 현재: 카이스트 생명화학공학과 교수    2004 - 2010: LG 화학 석좌교수   2007 - 현재: 카이스트 특훈교수       2008 - 현재: 학장, 생명과학기술대학   2003 - 현재: 소장, 생물정보연구센터   2000 - 현재: 소장, 생물공정연구센터   2006 - 현재: 공동소장, 바이오융합연구소

 

KAIST 전석우·김도경 교수팀이 휘어지는 디스플레이나 입을 수 있는 컴퓨터 등 미래 IT 기술에 핵심적으로 사용될 ‘유연전자소자’의 원천기술을 개발했습니다.

■ 유연한 디스플레이, 입을 수 있는 컴퓨터 등 미래 IT 기술을 실현하기 위해서는 핵심적으로 이용되는 유연전자소자의 전기전도도 저하 없이 신축성을 늘여야 합니다.

기존의 소자 신축성 증대 방식은 아코디언의 주름처럼 소재에 미리 주름을 주거나 변형에 순응할 수 있는 2차원의 평면 기공(pore) 구조를 주는 것이 주로 사용됐습니다.

이 같은 2차원 구조는 신축성에 자체의 한계와 신축에 따라 전기 전도도가 낮아지는 한계가 있습니다.

■ 연구팀은 다년간 개발된 3차원 나노 네트워크 소재 기술을 바탕으로 전자소자 구조를 개발해 이러한 한계를 극복했습니다.

3차원 나노 네트워크 형태의 소자는 신축성과 응력집중 회피의 여러 장점이 있지만, 개발 공정의 어려움으로 아직까지  실현되지 못한 기술입니다.

연구팀은 세계 최대의 대면적 3차원 나노 패터닝 기술을 이용해 1 평방인치의 면적에 10마이크론 정도의 두께를 가지는 3차원 정렬 나노기공 구조를 제작했습니다.

또  이 나노기공 구조를 주형으로 활용하여 기공에 탄성중합체를 침투시킨 후 템플레이트를 제거하여 역상의 3차원 신축성 나노소재를 제작했습니다.

이렇게 제작된 3차원 나노네트워크 소재 내부에 액체상의 전도성 물질을 침투시켜 고신축성 유연 전극을 개발할 수 있었습니다.

■ 이 전극은 원래 크기보다 220% 늘어난 상황에서도 전기 전도성의 변화 없이 LED램프를 성공적으로 구동했습니다.

이는 기존 신축성 전극이 100% 이내의 변형한계를 가지며 신축상태에서 변형에 의해 전도성이 감소되는 점과 비교할 때 현존하는 어떠한 신축전극보다 성능이 우수한 것입니다.

이번 연구결과는 네이쳐 자매지인 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 6월 26일자 온라인판에 리서치 하이라이트로 공개되었습니다.

 

<연 구 개 요> 소재가 가지는 신축성 (stretchability)은 소재의 고유 물성으로 제어하기 쉽지 않다는 기존의 이해를 넘어서는 혁신적인 연구결과가 보고되었다. 카이스트 신소재공학과 전석우 교수와 김도경 교수, 그리고 미국 노스웨스턴 대학과 일리노이 대학 연구팀은 세계 최대 대면적 3차원 나노패터닝 기술을 근간으로 3차원 나노네크워크화 된 소재를 제작하여 소재가 가지는 고유 신축성 한계를 크게 뛰어넘는 소재를 만드는데 성공하였다. 이렇게 제작된 소재의 3차원으로 연결된 기공구조 안에 전도성 액체금속을 채워 넣어 최근 각광받고 있는 유연소자 (flexible device)의 핵심기술인 신축성 전극 (stretchable electrode)를 구현하였는데 이 전극은 220%의 인장 상황에서도 전도성의 변화 없이 LED램프를 성공적으로 구동하였다. 이 연구결과는 전자책 (ebook), 유연 디스플레이 (flexible display), 웨어러블 컴퓨터 (wearable computer) 등 다양한 차세대 전자소자 실현을 앞당길 수 있는 신축성 전극 제작 원천기술이다. 미래 IT 시장의 주역으로 기대되는 유연전자소자는 단순한 경량화의 범주를 벗어나 사용자의 사용편의성을 극대화하기 위하여 쉽게 접고 구부릴 수 있어야 하는 것은 물론 옷이나 패치 형태로 인간의 생활환경하에서 불편함이 없이 늘어나며 쉽게 손상되지 않아야 한다. 대부분의 전도성 물질들은 조금만 잡아당기면 전도특성을 모두 잃게 되지만 이번에 개발된 신축성 전극은 이러한 특성을 만족하여 원하는 성능을 구현할 수 있을 것으로 예상된다.  소재의 신축성을 결정하는 인자는 무엇일까? 신축성은 소재가 가지는 고유 특성으로 소재를 구성하는 성분과 성분 간의 결합특성에 의해 결정이 된다. 유연소자에 대한 관심이 커지면서 소재의 신축성 한계를 늘리는 것은 매우 중요한 연구 테마로 떠오르고 있다. 기존의 소재 신축성 증대 방식은 대부분 늘어나지 않는 재료에 미리 주름을 주거나 변형에 순응할 수 있는 2차원의 평면 기공 (pore) 구조를 통해 구현되었다. 이는 아코디언이 늘어났다 줄었다 하는 것이나 신축성이 없는 종이가 파티 장식을 만드는 기법으로 가위로 자국을 내주면 크게 늘어나는 것과 같은 원리이다. 이에 비해 3차원의 네트워크 형태의 기공 구조는 높은 신축성과 응력집중 회피의 여러 장점이 있으나 이미 얇은 두께를 가지는 유연소자에 3차원 정렬 나노기공 구조를 제작하는 것은 높은 비용과 공정의 어려움으로 아직까지 실현되지 못하였다. 교신저자인 전석우 교수 연구팀에서는 연구팀이 보유한 세계 최대의 대면적 3차원 나노패터닝 기술 (위상차 근접장 나노패터닝, Proximity field nanoPatterning)을 활용하여 1X1 인치의 면적에 10 마이크론 정도의 두께를 가지는 3차원 정렬 나노기공 구조를 제작하였고 이를 템플레이트로 활용하여 원하는 물질을 침투시킨 후에 템플레이트를 제거하는 방식으로 대면적 3차원 나노네트워크 소재를 제작하였다. 이렇게 제작된 3차원 나노네트워크 소재의 기공구조는 서로 완벽한 정렬 상태로 잘 연결되어 있고 이 연결된 기공에 액체상의 전도성 물질을 주입하고 봉합을 하게 되면 외부의 응력에 의한 큰 변형에도 높은 전도도를 유지할 수 있게 된다. 기존의 신축성 전극은 100% 이상의 신축성능을 보인다고 하더라도 변형에 의한 전도성의 저하가 일반적으로 보고되고 있다. 하지만 이번에 새로 개발된 신축성 전극은 220%의 인장상태에도 전도성의 저하가 나타나지 않으며 또한 소재의 전도도 역시 기존의 보고된 어떠한 신축성 전극보다 우수하다. 본 연구는 전석우 교수 연구실의 박준용, 안창의 대학원생과 현가담 연구교수가 주요 실험을 진행하였으며 김도경 교수 연구실의 김동석 대학원생이 측정부분을, 미국 연구진이 컴퓨터 계산을 도와 진행되었다. 연구팀은 이 기술이 신축성 전극뿐만 아니라 다양한 나노구조 관련 연구와 응용에 큰 파급효과를 줄 것으로 전망한다. 자연계에 존재하는 많은 물질들은 구성원소나 원자나 분자간의 결합뿐만 아니라 그 물질이 가지는 3차원의 나노구조에서 기인하는 우수한 기계적, 광학적, 전기적 물성을 가지게 된다. 이러한 물성을 본 연구를 통해 개발된 대면적 3차원 나노패터닝 기술을 통해 앞으로 계속적으로 구현하게 될 것이다.

 

<전석우 교수> 1. 인적사항 ○ 성  명 : 전석우 ○ 소  속 : KAIST 공과대학, 신소재공학과 ○ 연락처 : 042-350-3342,   http://fdml.kaist.ac.kr 2. 학    력 ○ 서울대학교 재료공학과, 학사, 2000 ○ 서울대학교 재료공학과, 석사, 2003 ○ University of Illinois at Urbana-Champaign(UIUC), Materials Science and Engineering, 박사, 2006 3. 경력사항 ○ 2008. 8 ~ 현재 KAIST 조교수 ○ 2007. 1 ~ 2008. 7 미국 Columbia University 박사 후 연구원 ○ 2006. 6 ~ 2006. 8 삼성전자 글로벌 인턴 ○ 2005. 5 ~ 2005. 7 Dupont R&D Center 방문 연구원 4. 주요연구실적 ○ 2011 대한금속재료학회상 신진학술상 ○ 2010 카이스트 이원조교수 선정 ○ 2010 국방과학연구소 특화센터 최우수 연구상 ○ 2005 Intel-Racheff award (우수 대학원 연구상) 5. 출판 ○ 국외논문 40여편 게재 ○ 11개의 국내 특허, 2개의 해외 특허 보유

<김도경 교수>  1. 인적사항 ○ 성  명 : 김도경 ○ 소  속 : KAIST 신소재공학과 ○ 연락처 : 042-350-4118,   http://mse.kaist.ac.kr/~ncrl 2. 학    력 ○ 서울대학교 요업공학과, 학사, 1982 ○ KAIST 재료공학과, 석사, 1984 ○ KAIST 재료공학과, 박사, 1987 3. 경력사항 ○ 2008. 06 ~ 2011. 01 KAIST, 입학처장 ○ 2007. 08 ~ 2008. 06 University of California Berkeley, USA, 방문교수 ○ 2005. 06 ~ 2007. 08 KAIST, 나노과학연구소 소장 ○ 1998. 03 ~ 1999. 02 National Institute of Science and Technology, USA, 객원연구원 ○ 1994. 03 ~ 현재 KAIST 신소재공학과 교수 ○ 1992. 02 ~ 1993. 01 University of California San Diego, USA, 초빙연구원 ○ 1987. 09 ~ 1994. 02 국방과학연구소 선임연구원 4. 주요연구실적 ○ 2011 교과부 기초연구우수성과 50선 선정 ○ 2010 제20회 과학기술 우수논문상 ○ 2007 세라믹학회 학술진보상 ○ 2007 SBS문화재단 교수 해외연구지원 선정 ○ 2001 한국과학재단 30대 우수연구성과 5. 출판 ○ 국외논문 130여편 게재 ○ 13개의 국내 특허, 2개의 해외 특허 보유

 

그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하면서도 구부려도 전기전도성이 유지돼 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자소자는 물론 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 '꿈의 신소재'로 불립니다.

또 강철보다 200배 이상 강한 물성을 갖고 있어 기계 분야에도 응용가능성이 매우 높습니다.

그러나 마찰력과 접착력 등과 같은 기계적 성질이 미해결 과제로 남아있습니다.

■ KAIST EEWS대학원 박정영 교수가 나노과학기술대학원 김용현 교수와 공동으로 하나의 원자층으로 이루어진 그래핀을 불소화해 마찰력과 접착력을 제어하는 데 성공했습니다.

원자단위에서 그래핀에 대한 마찰력의 원리를 규명하고 제어하는 데 성공한 것은 이번이 세계 최초입니다.

이번 연구결과는 앞으로 나노 크기의 로봇 구동부 등 아주 미세한 부분의 윤활에 응용될 전망입니다.

연구팀은 그래핀을 플루오르화크세논(XeF₂) 가스에 넣고 열을 가해 하나의 원자층에 불소 결함을 갖고 있는 불소화된 개질 그래핀을 얻어냈습니다.

개질된 그래핀을 초고진공 원자력현미경에 넣고 마이크로 탐침을 사용해 시료의 표면을 스캔하는 방법으로 마찰력과 접착력 등의 역학적 특성을 측정했습니다.

연구팀은 이번 실험 결과를 바탕으로 불소화된 그래핀은 기존보다 6배의 마찰력과 0.7배의 접착력을 나타내는 것을 밝혀냈습니다.

이와 함께 전기적인 측정을 통해 불소화를 확인하고 마찰력과 접착력의 원리를 분석해내 그래핀의 마찰력 변화에 대한 이론을 정립했습니다.

이번 연구결과는 나노과학분야 권위 있는 학술지 '나노레터스(Nano Letters)' 6월 21일자 온라인판에 게재됐습니다.

 용  어  설  명

그래핀 (graphene)
그래핀은 흑연의 탄소 원자 배열과 같은 모양(6각형의 벌집모양)을 가지면서 원자 하나 정도의 두께를 가진 2차원 탄소나노 구조체이다.
보통 흑연의 표면층을 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라 생각하면 이해가 쉽다.
그래핀은 실리콘이나 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 강도도 강철보다 200배 이상 강하며 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높다. 게다가 신축성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기전도성이 유지된다.
그래핀의 이러한 특성으로 인해 많은 사람들이 그래핀을 전자소자와 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터에 적용하기 위해 연구를 진행 중에 있고, 산업적으로도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope)
극히 높은 배율의 현미경으로 마이크로 탐침을 사용하여 시료 표면을 스캔한다. 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자들 사이에 작용하는 반발력을 이용하여 나노미터 이하의 표면을 스캔하여 촬영하거나 마찰력, 접착력 등의 역학적 특성을 측정할 수 있다.

 

<박정영 교수>  1. 인적사항   ○ 주소: 대전시 유성구 대학로 291 (구성동 373-1)       한국과학기술원 (KAIST) EEWS 대학원 ○ Homepage: http://scale.kaist.ac.kr 2. 학력  1993  학사, 서울대학교, 물리학과  1995  석사, 서울대학교, 물리학과  1999            박사, 서울대학교, 물리학과   3. 경력사항  1999 ~ 2002     미국 메릴랜드대학, 박사후 연구원 2002 ~ 2006    미국 에너지부 산하 로렌스버클리 국립연구소, 박사후 연구원 2006 ~ 2009    미국 에너지부 산하 로렌스버클리 국립연구소, 책임연구원 2009 ~ 현재     KAIST EEWS 대학원, 부교수 2011년          이달의 과학기술인상 (대전시)

<김용현 교수>  1. 인적사항   ○ 주소: 대전시 유성구 대학로 291 (구성동 373-1)       한국과학기술원 (KAIST) 나노과학기술대학원 ○ Homepage: http://qnmsg.kaist.ac.kr 2. 학력  1997  학사, KAIST, 물리학과  1999  석사, KAIST, 물리학과  2003            박사, KAIST, 물리학과   3. 경력사항  2003 ~ 2006    미국 에너지부 산하 국립 신재생에너지 연구소, 박사후 연구원 2006 ~ 2009    미국 에너지부 산하 국립 신재생에너지 연구소, 책임연구원 2009 ~ 2011    KAIST 나노과학기술대학원, 조교수 2011 ~ 현재     KAIST 나노과학기술대학원, 부교수

 

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표적항암제는 종양세포 속에 있는 특정 신호전달 경로의 분자를 목표로 합니다.

최근에는 폐암, 유방암 등 일부 종양에서 기존 항암제와 달리 부작용이 적고 임상효능이 높아 세계 과학자들로부터 큰 주목을 받고 있습니다.

특히 표적항암제는 개인 맞춤형 항암치료제로 개발될 수 있습니다.

그러나 실제 임상 또는 전임상 단계에서 많은 표적항암제의 내성이 관찰되어 신약개발로 이어지지 못하는 경우가 많습니다.

게다가 효능이 있더라도 생존율이 낮거나 재발하는 경우가 빈번해 신약 개발에 걸림돌이 되었습니다.

실제 대표적인 종양세포 신호전달경로인 어크(ERK) 신호전달경로는 대부분의 종양에서 활성화되는 경로인데, 특히 피부암이나 갑상선암은 이 경로에 있는 비라프(BRAF)라는 물질의 변이로 활성화되어서 암으로 발전하는 사례가 많았습니다.
  
이 경우 어크 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제가 효과적인 치료법으로 알려져 있지만, 결국 내성이 발생하여 암이 다시 진행되게 됩니다.

■ KAIST 조광현 교수팀이 최근 항암치료법으로 주목 받고 있는 표적항암제(MEK inhibitor)의 근본적인 내성 원리를 밝혀냈습니다.

이는 향후 항암제 내성을 극복하고 암 생존률을 높일 수 있는 토대를 마련한 것으로, IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구로 진행됐습니다.

조광현 교수가 이끈 융합 연구팀은 어크 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제에 대한 내성과 그 근본원리를 수학모형과 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 분석, 그 결과를 분자생물학실험과 바이오이미징기술을 통해 검증하였습니다. 

연구팀이 종양의 다양한 변이조건을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 수행한 결과 멕 억제제를 사용하면 어크 신호전달은 줄어들지만, 또 다른 신호전달경로(PI3K로의 우회 신호전달경로)가 활성화되어 멕 억제제의 효과가 반감됨을 입증하였습니다.

또한 이러한 반응이 신호전달 물질간의 복잡한 상호작용과 피드백으로 이루어진 네트워크 구조에서 비롯되었음을 밝히고, 그 원인이 되는 핵심 회로를 규명하여 이를 억제하는 다른 표적약물을 멕 억제제와 조합함으로써 표적항암제의 효과를 증진시킬 수 있음을 제시했습니다.

이번 연구는 멕 억제제에 대한 약물저항성의 원인을 시스템 차원에서 규명한 첫 사례로, 약물이 세포의 신호전달경로에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션으로 예측함으로써 표적항암제의 내성을 극복할 수 있음을 보여주고 있습니다.

또한 신호전달 네트워크에 대한 기초연구가 실제 임상의 약물 사용에 어떻게 적용될 수 있는지와 표적항암물질의 저항성에 대한 근본원리를 이해하고, 그 극복방안을 찾아내는 새로운 융합연구 플랫폼을 제시한 것으로 평가받고 있습니다.

이번 연구는 조광현 교수가 주도하고 원재경 박사과정생, 신성영 박사, 이종훈 박사과정생, 허원도 교수 및 양희원 박사가 참여했습니다.

연구결과는 분자세포생물학 분야의 권위 있는 학술지인 분자세포생물학지(Journal of Molecular Cell Biology, IF=13.4)의 표지논문으로 선정돼 6월 1일자에 게재되었습니다.
(논문명: The cross regulation between ERK and PI3K signaling pathways determines the tumoricidal efficacy of MEK inhibitor)

표지설명원문 : "Cover: A systems biological approach based on mathematical modeling and biochemical experimentation revealed that MEK inhibitor disrupts the negative feedback loops from ERK to SOS and GAB1 while activates the positive feedback loop composed of GAB1, Ras, and PI3K, which induces the bypass of ERK signal to PI3K signal and ultimately leads to the emergence of resistance to MEK inhibitor. See pages 153?163 by Won et al. for details."
(수학모델링과 생화학실험에 기반한 시스템생물학 접근을 통해 멕 억제제가 어크로부터 에스오에스와 갭으로 이어지는 음성피드백을 차단하고 갭, 라스, 피아이쓰리케이로 구성된 양성피드백을 활성화함으로써 결과적으로 어크로부터 피아이쓰리케이로 신호가 우회하여 전달됨으로 인해 멕 억제제에 대한 저항성이 생기게 된다는 사실을 규명하였다.)

<연 구 개 요> 종양 신호전달경로를 타깃으로 하는 표적 항암물질에 대한 연구는 폐암에서의 상피성장인자수용체(EGFR) 효소 억제제(Gefitinib)의 경우와 같이 최근 일부 종양치료에서 효과가 입증됨에 따라 큰 주목을 받고 있으며, 항암 요법의 패러다임을 바꾸면서 개인 맞춤형 항암치료제 개발의 가능성을 열어줄 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나 실제 임상 또는 전임상 단계에서 많은 표적 항암제에 대한 저항성이 빈번히 관찰되어 표적 항암물질의 보편적 사용에 큰 걸림돌이 되고 있다. 조광현 교수가 이끄는 융합 연구팀은 대표적 종양신호전달경로인 어크(ERK) 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제(MEK inhibitor)의 약물 저항성과 그 근본기작을 수학모형과 컴퓨터시뮬레이션을 이용해 분석하였고, 이를 분자생물학실험과 바이오이미징기술을 통해 검증하였다. 특히 다양한 변이 조건에 대해 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 결과, 멕 억제제를 처리하면 우회경로가 활성화되어서 어크 신호전달경로로부터 피아이쓰리케이(PI3K) 신호전달경로로 종양신호의 흐름(signal flux)이 옮겨진다는 것을 발견하였다. 더욱이, 멕 억제제에 의한 어크 신호전달경로의 음성피드백 회로 차단은 갭(GAB)에 의해 매개되는 피아이쓰리케이 신호전달경로의 양성피드백 회로를 더욱 활성화시킴으로써 결과적으로 멕 억제제의 암세포 증식과 생존을 억제하는 효과가 반감됨을 규명하였다. 이러한 분석으로부터 이 양성피드백 회로의 활성을 억제시키는 다른 약물을 멕 억제제와 조합함으로써 표적 항암제의 효과를 증진시킬 수 있음을 보였다. 멕 억제제의 경우 기존 연구에 의하면 비라프(BRAF) 변이가 있는 일부 암에서는 임상적으로 효능이 좋을 것으로 여겨져 왔지만 이 경우에도 마찬가지로 저항성이 존재한다는 것을 밝혔다. 또한 이 저항성이 신호전달 네트워크상의 복잡한 크로스톡(crosstalk)과 피드백들로 인한 네트워크의 구조와 멕 억제제의 상호작용으로부터 유래됨을 규명하였으며, 이를 보완하기 위해 다중 표적 항암제 치료를 도입함으로써 효능을 증가시킬 수 있음을 제시하였다.     지금까지 멕 억제제에 대한 저항성은 단분자 수준에서 그 기작에 대해 보고되었을 뿐, 시스템 차원에서 그 근본기작이 설명되어지지 않았다. 조광현 교수의 융합연구팀은 멕 억제제에 대한 약물저항성의 원인을 시스템 차원에서 최초로 규명하였으며 약물이 세포의 신호전달경로에 미치는 영향을 예측함으로써 다중 표적 항암제 치료를 통해 단일 표적 항암제의 한계를 극복할 수 있음을 보였다. 이번 연구에서는 특히 신호전달 네트워크에 대한 기초연구가 실제 임상적인 약물 사용에 어떻게 적용될 수 있는지를 보여주었으며 이를 통해 표적항암물질의 저항성 기작을 이해하고 그 극복 방안을 찾아내는 새로운 연구플랫폼을 제시하였다. 이는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학에 기반을 둔 생체시스템의 모델링 및 바이오시뮬레이션 연구가 표적신약개발과 임상 응용연구에 적용될 수 있는 새로운 가능성을 제시한 사례이다.

 용  어  설  명

시스템생물학(Systems Biology)
복잡한 생명현상이 단일인자에 의한 것이 아니라 여러 구성인자들의 복합적인 상호작용에 의한 것임을 이해하고 이를 IT의 수학모델링과 컴퓨터시뮬레이션, 그리고 BT의 분자세포생물학 실험을 융합하여 접근함으로써 시스템 차원의 근본적인 메커니즘을 규명하는 21세기 새로운 융합연구 패러다임

신호전달경로(Signal Transduction Pathway)
세포는 외부 자극 또는 환경의 변화를 세포막의 수용체 단백질과 외부 리간드(ligand)의 분자결합으로부터 인식하며 이러한 정보를 일련의 신호전달 분자들 간의 상호작용을 통해 전달함으로써 특정 유전자의 발현을 유도하여 세포반응을 만들어낸다.
이 때 이러한 일련의 분자 상호작용에 의한 정보전달과정을 신호전달경로라고 한다.

표적항암제
암 세포에 특이적인 변이(mutation)나 단백질을 차단하여 암 세포만을 선택적으로 죽이는 항암치료를 의미하며 기존의 항암제가 암 세포뿐만 아니라 정상 세포도 모두 공격하여 심한 부작용이 나타나는 것과 달리 독성이 적고 특이적인 변이를 가진 환자에게는 효능이 높아 개인 맞춤형 의료 시대의 선두주자로 평가받고 있다.

바이오이미징
세포 또는 분자 수준에서 일어나는 현상들을 영상을 통해 직접 확인하는 기술로서, 분자간의 상호작용과 생명현상들을 정량화하여 분석할 수 있게 해준다.

어크(ERK)
세포신호전달경로에서 세포의 증식과 생존을 담당하는 대표적인 신호전달 분자

멕(MEK)
어크의 활성화를 담당하는 상위 신호전달 분자

피아이쓰리케이(PI3K)
세포의 성장과 생존 등을 담당하는 신호를 매개하는 분자

갭(GAB1)
상피성장인자수용체(EGFR) 등의 하부에서 세포신호전달을 담당하는 어댑터 단백질

비라프(BRAF)
신호전달경로에서 멕의 바로 상위에 자리하고 있으며 멕을 활성화시키는 분자

 

<연구설명>

수학모델링과 컴퓨터시뮬레이션, 분자세포생물학실험을 융합한 시스템생물학 연구를 통해 멕 억제제에 대한 약물 저항성의 근본 메커니즘을 규명하는 과정.

A. 단일세포(HEK293세포) 실험을 이용하여 라스(Ras)와 피아이쓰리케이(PI3K) 신호전달경로 사이의 크로스토크가 존재함을 밝힘.
B. 어크-피아이쓰리케이 신호전달네트워크에 대한 수학모형은 136개의 동역학 파라메터와 58개의 상미분 방정식으로 구성됨 (그림에서는 수학모형의 일부 미분방정식만을 보여줌).
C. 정립된 수학모형의 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 신호전달네트워크의 신호흐름(signal flux) 분석을 수행함(오른쪽). 붉은 색은 멕 억제제 처리 시 플럭스가 증가함을, 푸른색은 감소함을 나타냄. 선의 굵기는 멕 억제제 처리 시 플럭스의 변화량을 나타냄. 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 멕 억제제는 어크 신호전달경로의 음성피드백 회로를 저해함으로써 피아이쓰키케이 신호전달경로의 활성을 촉진시킨다는 것을 규명함(왼쪽).
D. 다중 표적치료 전략 시뮬레이션. 멕과 에스오에스(SOS) 또는 갭1(GAB1)을 동시에 저해했을 때 억제 약물의 효과지표로 인신화된 에이케이티(Akt)의 농도를 측정함. 에스오에스와 달리 멕 억제제의 효과는 갭 억제제의 농도에 따라 매우 극적으로 달라진다는 것을 발견함.

어크(ERK)와 피아이쓰리케이(PI3K) 신호전달네트워크 재구성

그림 A는 본 연구의 대상인 어크와 파아이쓰리케이 신호전달경로를 재구성한 모식도를 보여주고 있다. 본 연구에서는 특히 라스(Ras)와 피아이쓰리케이(PI3K) 사이의 크로스토크를 포함하여 모델을 확장/보완하였고, 실험을 통해 이를 검증하였다.
그림 B는 상피세포성장인자(EGF)를 처리한 후 활성화된 에이케이티(AKT)(피아이쓰리케이 경로의 활성화 지표)가 세포막으로 이동하고, 활성화된 어크가 핵으로 이동하는 것을 보여주고 있다.
그림 C는 그림 B를 정량화한 것이다. 라스의 활성도를 감소시키면 에이케이티의 활성화도 감소하는 것을 알 수 있다. 

다양한 유전자 변이 조건에서 멕 억제제의 효능분석

그림 A는 다양한 유전자 변이 조건에서 멕 억제제 처리 전후 인산화된 어크와 에이케이티의 변화를 컴퓨터 시뮬레이션 한 것이다.
단일 라프 변이 조건에서 멕 억제제를 처리하면 에이케이티의 농도가 상대적으로 크게 증가하여 피아이쓰리케이 경로가 활성화되는 것을 알 수 있다.
그림 B는 시뮬레이션 결과에 대한 단일세포(HEK293세포) 검증실험 결과를 보여준다.
그림 C는 멕 억제제 처리 전후 활성화된 어크와 에이케이티의 이동을 바이오이미징 기술을 이용하여 측정한 것을 보여주고 있다. 

종양 세포를 이용한 다중 표적 약물 효과 분석

그림 A는 피부암 세포주를 이용하여 멕 억제제 처리 후 에이케이티의 양이 증가함을 보여주고 있다.
그림 B는 멕 억제제와 피아이쓰리케이의 억제제를 각각 사용한 경우와 동시에 사용한 경우의 효과를 실험한 결과를 보여주고 있다. 두 종류의 표적약물을 동시에 사용했을 때 생존하는 세포의 수가 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
그림 C는 두 가지 표적 약물인 멕 억제제와 피아이쓰리케이 억제제에 대한 세포군집의 생존과 사멸에 대한 실험을 보여주고 있다. 두 표적 약물을 동시에 처리했을 때 사멸하는 세포의 개수가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.
그림 D와　E는 그림 C의 실험결과를 정량화한 데이터를 보여준다. 

수학 모형과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 종양신호전달경로의 신호흐름(signal flux) 분석

정립된 수학모형의 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 신호전달 네트워크상의 신호흐름(signal flux) 분석 결과를 보여주고 있다.
오른쪽 그림에서 붉은 색은 멕 억제제 처리 시 신호흐름이 증가함을, 푸른색은 감소함을 나타낸다. 선의 굵기는 멕 억제제 처리 시 신호흐름의 변화량을 나타낸다.
컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 멕 억제제는 어크 신호전달경로의 음성피드백 회로를 저해함으로써 갭을 중심으로 한 양성피드백 회로를 활성화시키게 되어 결국 피아이쓰리케이 신호전달경로의 활성을 촉진시킨다는 것을 발견하였다. 

다중 표적치료 전략 시뮬레이션

그림 A는 멕 억제제와 피디케이1(PDK1) 억제제를 동시에 처리했을 때의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.
그림 B는 멕 억제제와 에스오에스(SOS) 억제제를 동시에 처리했을 때의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.
그림 C는 멕 억제제와 갭1(GAB1)억제제를 동시에 처리했을 때의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.
그림 D는 멕 억제제에 의한 어크 신호전달경로의 음성피드백 회로를 차단함으로써 갭(GAB)에 의해 매개되는 피아이쓰리케이 신호전달경로의 양성피드백 회로가 더욱 활성화된다는 것을 보여주고 있다.
그림 E는 단일세포 실험을 통해 가설을 검증한 결과를 보여주고 있다. 멕 억제제와 갭 억제제를 함께 처리하면 피아이쓰리케이의 활성화를 효율적으로 차단할 수 있음을 보여준다.

 

<조광현 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : KAIST 바이오및뇌공학과   2. 학력 ● 1989. 03 - 1993. 02    KAIST 전기및전자공학과 학사졸업 ● 1993. 03 - 1995. 02    KAIST 전기및전자공학과 석사졸업 ● 1995. 03 - 1998. 08    KAIST 전기및전자공학과 박사졸업 3. 경력사항 ● 1999 - 2004  울산대학교 전자공학과 조교수, 영국 UMIST 방문교수,                   스웨덴 Royal Institute of Technology 초빙교수,                   아일랜드 Hamilton Institute 초빙석학 등 ● 2004 - 2007 서울대학교 의과대학 의학과 조교수, 부교수 ● 2007 - 현재 KAIST 바이오및뇌공학과 부교수, 교수 ● 2011 - 현재 KAIST 지정 석좌교수 4. 주요 전문 분야 및 연구 업적 ● IT와 BT 융합연구: 시스템생물학 및 바이오영감공학 분야 117편 국제저널 논문, 12편의 저서/Book Chapter, 다수 국제학술대회 기조강연, 다수 국제저널 편집위원 등. ● 편집위원장(Editor-in-Chief), 'IET Systems Biology (영국)', 2010-현재   5. 수상 경력 ● ICASE 젊은연구자논문상 (제어·자동화·시스템 공학회, 2003) ● 서울대학교병원 SCI우수논문상 (서울대학교병원, 2006) ● IEEE/IEEK Joint Award for Young IT Engineer (IEEE USA and IEEK Korea, 2008) ● 제13회 젊은과학자상 (교육과학기술부/한국과학기술한림원, 2010) ● E.T.S. Walton Fellow Award (Science Foundation of Ireland, 2012)

<허원도 교수> 1. 인적사항  ○ 소속 : KAIST 생명과학과    2. 학력  ○ 1987. 03 - 1994. 02 경상대학교 농화학과 학사 졸업  ○ 1994. 03 - 1996. 02 경상대학교 생화학과 석사 졸업    ○ 1996. 03 - 1999. 08 경상대학교 생화학과 박사 졸업 3. 경력사항  ○ 2000. 05 ~ 2003. 10 박사후연구원, 스탠퍼드대 분자약리학과  ○ 2003. 11 ~ 2008. 01 선임연구원 및 공동책임연구원, 스탠퍼드대 화학 및 시스템스생물학과  ○ 2008. 02 ~ 2012. 02 조교수, KAIST 생명과학과  ○ 2012. 03 ~ 현재  부교수, KAIST 생명과학과 4. 주요 발표논문  ○ H. W. Yang, M.-G. Shin, S. Lee, W. S. Park, J.-R. Kim, K.-H. Cho, T. Meyer, and W. D. Heo, "Cooperative Activation of PI3K Signaling by Ras and Rho Small GTPases", Molecular Cell (In press), 2012.  ○ W. S. Park*, W. D. Heo*(*Co-first author), J. Whalen, N. O'Rourke, H. Bryan, T. Meyer, and M. Teruel, "Comprehensive identification of PIP3-regulated PH domains from C. elegans to H. sapiens by model prediction and live imaging", Molecular Cell, Vol. 30, Issue 3, pp. 381-392, 2008.  ○ W. D. Heo, T. Inoue, W. S. Park, M.-L. Kim, B. O. Park, and T. Meyer. PI(3,4,5)P3 and PI(4,5)P2 second messengers jointly target Ras, Rho, Arf, and Rab GTPases to the plasma membrane. Science, Vol. 314, Issue 5804, pp. 1458-1461, 2006.  ○ W. D. Heo and T. Meyer. "Switch-of-Function Mutants Based on Morphology Classification of Ras Superfamily Small GTPases", Cell, Vol. 113, pp. 315-328, 2003 (Featured Cover Paper).

<원재경 박사과정생> 1. 인적사항  ○ 소속 : KAIST 의과학대학원, 서울대학교 암병원 분자병리센터    2. 학력  ○ 1995. 03 - 2001. 02 서울대학교 의과대학 의예과 및 의학과 졸업  ○ 2002. 03 - 2004. 02 서울대학교 의과대학 병리학 석사 졸업    ○ 2004. 03 - 2006. 02 서울대학교 의과대학 면역학 박사 수료  ○ 2009. 09 ? 현재   KAIST 의과학대학원 박사 과정 재학중 3. 경력사항  ○ 2001. 03 ~ 2002. 02 서울대학교병원 인턴 과정 수료  ○ 2002. 03 ~ 2006. 02 서울대학교병원 병리과 전공의 과정 수료 및 전문의 취득  ○ 2006. 05 ~ 2007. 04 대통령자문 의료산업선진화 위원회 산하 의료산업발전 기획   단 전문 위원 (국방부 파견요원)  ○ 2007. 05 ~ 2009. 04 국군서울지구병원 병리과 과장  ○ 2011. 03 ~ 현재  서울대학교암병원 분자병리센터 진료조교수 4. 주요 발표논문  ○ J.-K. Won*, H. W. Yang*, S.-Y. Shin*(*Co-first author), J. H. Lee, W. D. Heo, and K. -H. Cho, "The Cross Regulation Between ERK and PI3K Signaling Pathways Determines the Tumoricidal Efficacy of MEK Inhibitor", J Mol Cell Biol Vol. 4, No. 3, pp. 153-163, 2012 (Featured Cover Paper)  ○ Y. S. Ju, W. C. Lee, J. Y. Shin, S. Lee, T. Bleazard, J.-K. Won, Y. T. Kim, J. I. Kim, J. H. Kang, J. S. Seo, "A transforming KIF5B and RET gene fusion in lung adenocarcinoma revealed from whole-genome and transcriptome sequencing". Genome Research Vol. 22, Issue. 3, pp. 436-45, 2012.

<양희원 박사> 1. 인적사항  ○ 소속 : KAIST 생명과학과   2. 학력  ○ 2001. 03 - 2008. 02 한동대학교 생명 식품학과 학사 졸업  ○ 2008. 02 - 2012. 02 KAIST 생명과학과 박사 졸업 3. 경력사항  ○ 2012. 02 ~ 현재  박사후연구원, KAIST 생명과학과 4. 주요 발표논문  ○ H. M. Yang, H. J. Lee, K. S. Jang, C. W. Park, H. W. Yang, W. D. Heo, and J. D. Kim, "Poly(amino acid)-coated iron oxide nanoparticles as ultra-small magnetic resonance probes". Journal of Materials Chemistry, Vol. 19, pp. 4566-4574, 2009.  ○ K. H. Lee, S. Lee, W. Y. Lee, H. W. Yang, and W. D. Heo, "Visualizing dynamic interaction between calmodulin and calmodulin-related kinases via a monitoring method in live mammalian cells", PNAS, Vol. 107, pp. 4312-3417, 2010.  ○ S.-Y. Shin*, H. W. Yang*(*Co-first author), J. Kim, W. D. Heo, and K.-H. Cho, "A hidden incoherent switch regulates RCAN1 in the calcineurin-NFAT signaling network", Journal of Cell Science, Vol 124, pp. 82-90, 2011 (Featured Cover Paper).  ○ H. W. Yang, M. K. Shin, S. Lee, J. Kim, W. S. Park, K.-H. Cho, T. Meyer, and W. D. Heo, "Cooperative activation of PI3K by Ras and Rho family small GTPases", Molecular Cell (In Press) 2012.  ○ J.-K. Won*, H. W. Yang*, S.-Y. Shin*(*Co-first author), J. H. Lee, W. D. Heo, and K.-H. Cho, "The cross regulation between ERK and PI3K signaling pathways determines the tumoricidal efficacy of MEK inhibitor", J Mol Cell Biol Vol. 4, No. 3, pp. 153-163, 2012 (Featured Cover Paper)

<신성영 박사> 1. 인적사항  ○ 소속 : KAIST 바이오및뇌공학과 2. 학력  ○ 1997. 03 - 2000. 02 울산대학교 전자공학과 학사 졸업  ○ 2000. 03 - 2002. 02 울산대학교 전기전자정보시스템공학부 석사 졸업   ○ 2002. 03 - 2007. 08 울산대학교 전기전자정보시스템공학부 박사 졸업 3. 경력사항  ○ 2009. 04 ~ 현재  KAIST 바이오및뇌공학과 연구조교수  ○ 2007. 09 ~ 2009. 03 KAIST 정보전자연구소 박사후 연구원 4. 주요 발표논문  ○ J.-K. Won*, H. W. Yang*, S.-Y. Shin*(*Co-first author), J. H. Lee, W. D. Heo, and K.-H. Cho, The Cross Regulation Between ERK and PI3K Signaling Pathways Determines the Tumoricidal Efficacy of MEK Inhibitor. J Mol Cell Biol, Vol. 4, No. 3, pp. 153-163, 2012 (Featured Cover paper).  ○ S.-Y. Shin*, H. W. Yang*(*Co-first author), J.-R. Kim, W. D. Heo, and K.-H. Cho, A hidden incoherent regulation switch coordinates the role change of RCAN1 in the calcineurin-NFAT signaling network. Journal of Cell Science, Vol. 124, Issue 1, pp. 82-90, 2011 (Featured Cover paper).  ○ S.-Y. Shin, O. Rath, A. Zebisch, S.-M. Choo, W. Kolch, and K-H. Cho. The Functional Roles of Multiple Feedback Loops in ERK and Wnt Signaling Pathways that Regulate Epithelial-Mesenchymal Transition. Cancer Research, Vol. 70, Issue 17, pp. 6715-6724, 2010.  ○ S.-Y. Shin*, O. Rath*(*Co-first author), S.-M. Choo, F. Fee, B. McFerran, W. Kolch, and K.-H. Cho, Positive and negative feedback regulations coordinate the dynamic behavior of the Ras/Raf/MEK/ERK signal transduction pathway. Journal of Cell Science, Vol. 122, Issue 3, pp. 425-435, 2009 (Featured Cover paper).  ○ S.-Y. Shin, J. M. Yang, S.-M. Choo, K.-S. Kwon, and K.-H. Cho, System-Level Investigation into the Regulatory Mechanism of the Calcineurin/NFAT Signaling Pathway. Cellular Signalling, Vol. 20, Issue. 6, pp. 1117-1124, 2008

 

지하철이 선로 위를 지나갈 때 누르는 힘이 전기를 만들어내고, 리모콘을 누를 때마다 전기가 생기고, 옷을 입고 움직일 때도 전기가 만들어집니다.

이 같은 기술이 먼 미래에나 가능할 것 같지만, 현재 사용되고 있습니다.

부산 지하철 서면역의 선로에는 압전소자가 설치되어 있어 전동차 운행으로 발생하는 진동을 전기에너지로 변환시킵니다.

이는 우리나라 최초로 압전에너지를 상용화한 제품입니다.

또 이스라엘에서는 고속도로에 압전발전기를 깔아 자동차가 지나갈 때 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있습니다.

필립스에서 생산하는 리모콘은 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 만들어 작동하기 때문에 건전지 없이도 작동됩니다.

이런 추세라면 앞으로는 나노발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만들어 입으면, 옷을 입고 걷거나 움직이는 일상생활만으로 휴대폰이나 MP3 같은 휴대용 전자기기를 충전할 수도 있을 것입니다.

나아가 아주 작은 전원만으로 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발도 가능해집니다.

여기에 사용되는 것이 바로 나노발전기입니다.

■ 나노발전기는 나노 크기(10억 분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 '압전 효과'를 이용합니다.

압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐고, 2010년 미국 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되는 등 주목을 받았습니다.

압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 알려졌습니다. 

그런데 여기에 사용되는 물질은 '산화아연'이 유일했는데, 이는 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제와 소자크기의 한계가 있어 널리 활용되는데 한계가 있었습니다.

■ KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀이 나노복합체를 이용해 적은 비용으로도 대면적 생산이 가능한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발했습니다.

 

이번 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어지기 때문에 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 넓은 면적도 쉽게 제작할 수 있어 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복했습니다.

앞서 이 교수팀은 지난 2010년 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖는 세라믹 박막물질인 '티탄산화바륨'을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨바 있습니다.

이어 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공함으로써 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현했습니다.

이 교수팀은 수백 나노미터 크기의 고효율 압전 나노입자인 '티탄산화바륨'과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 '탄소나노튜브'나 산화 그래핀(RGO)을 폴리머(PDMS)와 섞은 다음 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했습니다.

압전효과를 바탕으로 한 '나노 자가발전 기술'은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받을 전망입니다.

특히 이번에 개발된 기술에 패키징이나 충·방전 기술을 융합하면 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에도 응용될 수 있습니다.

이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 6월호 표지논문으로 게재됐습니다.

 

 

 용  어  설  명

압전효과 :
가스레인지의 점화스위치 작동원리와 같이, 압력이나 구부러짐의 힘이 가해질 때 전기가 발생되는 효과

탄소나노튜브 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수  ㎚ 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소 소재. 1 ㎚ 는 머리카락 굵기의 1/100,000 정도의 크기

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소 소재

나노복합체 :
기초소재물질 속에 나노물질를 첨가함으로써 기존 물질이 가지고 있던 기계적, 화학적, 물리적 특성을 크게 향상시킨 재료를 말하는 것으로, 탄소나노튜브를 중심으로 한 나노복합체 연구가 주류를 이루고 있다.

 

<이건재 교수> 1. 인적사항 ○소  속 : KAIST 공과대학 신소재공학과 2. 학    력 ○ 1994 : 대원외국어고등학교 졸업 ○ 2001 : 연세대학교 학사 ○ 2006 : University of Illinois at Urbana Champaign (UIUC) 박사 3. 경력사항 ○ 2009.1 ~ 현재    : Assistant Professor, KAIST ○ 2005.6 ~2008.12 : Research Staff Member, Unisantis Electronics Japan ○ 2001.9 ~ 2005.6   : Research Assistant, UIUC 4. 주요연구실적 ○ 2012 Prof. Lee will give 'Plenary Talk' at International SPIE conference ○ 2012 Prof. Lee's flexible technology is selected as KAIST BRAND Project & National Research Laboratory ○ 2011 Prof. Lee won '2011 KAIST Technology Innovation Award' ○ 2009 George Smith Award for the best paper published in IEEE Elect. Dev. Lett. ○ 2007 Cover feature article for the May issue of Applied Physics Letters ○ 2006 Three dimensional chips are published in Science journal ○ 2006 Printed semiconductor technology won "2006 Innovation Award" of Wall Street Journal ○ 2006 Printed semiconductor technology is licensed to Semprius Inc. ○ 2006 Cover feature article for the Jan issue of Nature Materials ○ 2005 Cover feature article for the April issue of Advanced Functional Materials ○ 2004 Cover feature article for the June issue of Applied Physics Letters 5. 출판 Over 100 patents and patent application in the field of flexible and nanoelectronics. More than 40 of these are licensed. SCI papers including Science, Nature Materials, Nano Letters, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Applied Physics Letters etc.

 

금속유기골격구조체는 분자단위에서 같은 물질들이 일정한 규칙과 간격을 가지고 배열돼 생성되는 것이기 때문에 1g 당 축구장과 같은 크기의 표면적을 가지고 있으며, 고용량의 물질 저장 능력과 빠른 물질 이동특성을 가지고 있습니다.

따라서 많은 양의 물질을 내부에 저장할 수 있어 최근 다양한 종류의 차세대 저장체 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 지금까지의 금속유기골격구조체는 7.0Å(00억 분의 1m) 크기의 아주 작은 단분자만을 사용했기 때문에 커다란 크기의 고분자 및 단백질의 저장에는 활용될 수 없었고, 단지 고용량 가스 저장체로서의 가능성만 입증된 상태였습니다.

게다가 기존의 금속유기골격구조체의 경우 구조가 내부에서 서로 엇갈려 있어 큰 크기의 단백질을 저장하는 것은 사실상 불가능했습니다.

 

■ KAIST EEWS대학원 오마르 야기(Omar M. Yaghi)교수와  오사무 테라사키(Osamu Terasaki) 교수팀이 커다란 크기의 기공을 갖는 금속유기골격구조체를 개발해 여러 종류의 단백질을 고용량으로 저장할 수 있는 원천기술을 확보했습니다.

야기 교수팀은 5㎚ 이상의 크기를 가지는 분자체를 이용한 금속유기골격구조체를 개발하고, 금속유기골격구조체의 주기적인 기공을 처음으로 투과전자현미경을 이용해 관찰했습니다.

연구팀은 커다란 크기의 분자들을 이용해 금속유기골격구조체를 만들고, 단백질처럼 아주 큰 물질을 구조체 내부에 일정하게 배열시켜 효율적으로 저장하는 방법을 고안해 세계 최초로 규칙적 분자구조체 내부에 비타민과 미오그로빈(Myoglobin) 같은 단백질을 고용량으로 저장하는데 성공했습니다.

다른 길이의 분자를 사용하여 합성된 금속유기골격구조체를 보여주는 모식도.
IRMOF-74-I 에서 IRMOF-74-XII 로 점점 연결된 벤젠 (benzene)숫자가 늘어나 기공의 크기가 원자단위에서 늘어가고 있다.

크기에 따라서 다른 단백질이 저장 되는 것을 보여주는 그래프.
각 그래프에서 그래프가 아래쪽으로 내려갈수록 단백질이 많이 저장되었음을 나타내는 것이며, 검은색 그래프는 금속유기골격구조체에 각각의 크기가 다른 단백질이 삽입되었을때의 변화를 나타내는 것이며 빨간색은 대조군이다.
이 그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이 각각의 조절된 다른 크기를 가지는 금속유기골격구조체는 크기가 다른 단백질 분자들을 선택적으로 흡수 할 수 있었다.
이것은 큰 크기의 고분자가 원자단위에서 조절된 기공을 가지는 금속유기골격구조체에 저장됨을 보여주는 첫 번째 사례이다.

이번 연구는 그동안 불가능했던 큰 크기의 단백질 및 고분자들을 규칙적 배열을 가지는 다공성 물질을 개발해 고용량으로 저장하는 원천기술로 평가받고 있습니다.

이는 고용량으로 집적된 단백질 약을 원하는 곳에 투여함과 동시에 제거해야 할 분자들을 선택적으로 흡수함으로써 난치병이나 희귀병 치료에 획기적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이를 통해 다양한 종류와 크기의 단백질을 저장 할 수 있어, 고용량 고집적의 신약 개발은 물론 특정 바이러스 분리 물질 개발, 인체 내에서 악성 반응을 일으키는 특정 단백질의 선택적 제거, 특정 부위에서 작용하는 신약 수용체 개발, 희귀 고분자 단백질 영구 보존 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 전망입니다.

또 줄기세포를 포한한 모든 인체의 세포까지 선택적으로 분리하고 영구히 저장할 수 있어 난치병 치료나 생명연장을 위한 의학기반 기술 발전에도 큰 도움이 될 것으로 예상됩니다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지 '사이언스(Science)' 5월 25일자에 게재됐습니다.

 

<연 구 개 요> 지금까지 일정한 방향으로 배열된 큰 기공크기의 금속유기구조체를 만드는 것은 구조의 불안정성과 물질 내부에서 서로 얽히는(interpenetrating) 문제로 인하여 불가능 하다고 여겨져 왔다. 그러나 단백질이나 고분자 같은 거대 분자를 효율적으로 저장하기 위한 노력은 계속 이어져 왔다. 또한 기존의 메조포어를 가지는 물질 (mesoporous silica, porous carbon 등) 같은 경우 원자크기의 영역에서 그 기공의 크기와 구성을 조절하는 것은 불가능 하였다. 그러나 금속유기골격구조체의 경우 화학반응에 의해 모든 결합이나 문자들의 길이가 조절되기 때문에 원자단위의 영역에서 구조를 조정하는 것이 가능 하였다. 이 논문에서는 벤젠(benzene)링의 개수에 따라 길이가 달라지는 (linker)를 사용하여 1개의 벤젠에서부터 최대 12개의 벤젠을 가지는 링커를 합성하고, 그 링커들을 사용하여 금속유기골격구조체를 만듦으로서 10-10 미터 단위에서의 기공 크기 조절이 가능하였다. 또한 기공의 크기가 조절된 유기골격구조체를 사용하여 vitamin-B12(27 Å), MOP-18(34 Å), myoglobin(35-44 Å), green fluorescent protein(45 Å)의 크기가 다른 물질을 선택적으로 저장 할 수 있음을 ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrophotometry를 이용하여 확인 할 수 있었다.

 

 용  어  설  명

금속유기골격구조체
금속과 유기물질을 사용하여 일정하게 배열된 구조를 가지는 골격체

단백질
아미노산이 펩타이드 결합을 하여 생긴 여러 개의 아미노산으로 이루어진 고분자 화합물.

다공성 물질
물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질.

표면적
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 생성된 겉넓이

메조포어
20~500 Å의 크기를 가지는 미세기공

투과전자현미경
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

 

<Omar M. Yaghi 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원 ○ 연락처 : yaghi@kaist.ac.kr 2. 학    력 ○ State University of New York 학사 1984 ○ University of Illinois, Urbana 박사 1990 ○ Harvard University, Postdoctorial Fellow 1992 3. 경력사항 ○ 2010. 3.~현재 KAIST EEWS 대학원 교수 ○ 2012. 1.~현재 University of California, Berkeley 교수 4. 주요연구실적 ○ 2011 세계 인용횟수 2위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 2 of 6,548)) ○ 2008 AAAS Newcomb Cleveland Prize for most outstanding paper published in Science during 2006-2007 ○ 2007 세계 인용횟수 10위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 10 of 6,548)) ○ 2007 100 papers with over 100 citations per paper (1997-2007) ○ 2006 Listed among the "Brilliant 10" scientists and engineers 5. 출판 ○ 국외논문 150여편 게재 ○ Science 및 Nature 20편 게재 ○ 22개의 특허 보유

<Osamu Terasaki 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원 2. 학    력 ○ Tohoku University 학사 1965 ○ Tohoku University 석사 1967 ○ Tohoku University 박사 1982 3. 경력사항 ○ 2010. 3.~현재 현재 KAIST EEWS 대학원 교수 ○ 2003. 3.~2011. 9. Stockholm 대학 화학과 교수 ○ 1967. 2.~2003. 2. Tohoku 대학 교수 4. 주요수상경력 ○ 2008 Humboldt Research Award (Alexander von Humboldt Foundation) ○ 2007 The Donal W Breck Award, International Zeolite Association ○ 2001 The Best Paper Award, Japanese Society of Electron Microscopy. 5. 출판 ○ 300 편 이상의 국제 학술 논문 출판 ○ Science 및 Nature 14편 게재 ○ 저서 2권

 

금속유기골격구조체는 분자단위에서 같은 물질들이 일정한 규칙과 간격을 가지고 배열돼 생성되는 것이기 때문에, 1g 당 축구장과 같은 크기의 표면적을 가지고 있으며, 고용량의 물질 저장 능력과 빠른 물질 이동특성을 갖고 있습니다.

이는 많은 양의 물질을 내부에 저장할 수 있기 때문에  최근 다양한 종류의 차세대 저장체 연구에 필수 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 현재까지 금속유기골격구조체는 7.0Å(100억 분의 1m) 크기의 아주 작은 단분자만을 사용했기 때문에 커다란 크기의 고분자 및 단백질의 저장에는 활용될 수 없었고, 단지 고용량 가스 저장체로서의 가능성만 입증된 상태였습니다.

또한 구조가 내부에서 서로 엇갈려 있어 큰 크기의 단백질을 저장하는 것은 사실상 불가능했습니다.

■ KAIST EEWS대학원 오마르 야기(Omar M. Yaghi)교수팀은 커다란 크기의 기공을 갖는 금속유기골격구조체를 개발해 여러 종류의 단백질을 고용량으로 저장할 수 있는 원천기술을 확보했습니다.

이번에 개발된 기술은 다양한 종류와 크기의 단백질을 저장 할 수 있어 ▲고용량 고집적의 신약 개발 ▲특정 바이러스 분리 물질 개발 ▲인체 내에서 악성 반응을 일으키는 특정 단백질의 선택적 제거 ▲특정 부위에서 작용하는 신약 수용체 개발 ▲희귀 고분자 단백질 영구 보존 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있습니다.

이와 함께 줄기세포를 포한한 모든 인체의 세포까지 선택적으로 분리하고 영구히 저장할 수 있어 난치병 치료나 생명연장을 위한 의학기반 기술 발전에도 큰 도움이 될 전망입니다.

야기(Yaghi) 교수팀은 커다란 크기의 분자들을 이용해 금속유기골격구조체를 만들고, 단백질처럼 아주 큰 물질을 구조체 내부에 일정하게 배열시켜 효율적으로 저장하는 방법을 고안해 세계 최초로 규칙적 분자구조체 내부에 비타민과 미오그로빈(Myoglobin) 같은 단백질을 고용량으로 저장하는데 성공했습니다.

또 5nm 이상의 크기를 가지는 분자체를 이용한 금속유기골격구조체를 개발하고, 금속유기골격구조체의 주기적인 기공을 처음으로 투과전자현미경을 이용해 관찰했습니다.

이번 연구는 그동안 불가능했던 큰 크기의 단백질 및 고분자들을 규칙적 배열을 가지는 다공성 물질을 개발해 고용량으로 저장하는 원천기술로, 고용량으로 집적된 단백질 약을 원하는 곳에 투여함과 동시에 제거해야 할 분자들을 선택적으로 흡수함으로써 난치병이나 희귀병 치료에 획기적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 오마르 야기(Omar M. Yaghi) 교수와 오사무 테라사키(Osamu Terasaki) 교수가 공동으로 수행했습니다.

이번 연구결과는 '사이언스(Science)' 5월호(25일자)에 게재되었습니다.

크기에 따라서 다른 단백질이 저장 되는 것을 보여주는 그래프
각 그래프에서 그래프가 아래쪽으로 내려갈수록 단백질이 많이 저장되었음을 나타내는 것이며, 검은색 그래프는 금속유기골격구조체에 각각의 크기가 다른 단백질이 삽입되었을때의 변화를 나타내는 것이며 빨간색은 대조군이다.
이 그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이 각각의 조절된 다른 크기를 가지는 금속유기골격구조체는 크기가 다른 단백질 분자들을 선택적으로 흡수 할 수 있었다.
이것은 큰 크기의 고분자가 원자단위에서 조절된 기공을 가지는 금속유기골격구조체에 저장됨을 보여주는 첫 번째 사례이다.

 

 

<보 충 자 료> 지금까지 일정한 방향으로 배열된 큰 기공크기의 금속유기구조체를 만드는 것은 구조의 불안정성과 물질 내부에서 서로 얽히는(interpenetrating) 문제로 인하여 불가능 하다고 여겨져 왔다. 그러나 단백질이나 고분자 같은 거대 분자를 효율적으로 저장하기 위한 노력은 계속 이어져 왔다. 또한 기존의 메조포어를 가지는 물질 (mesoporous silica, porous carbon 등) 같은 경우 원자크기의 영역에서 그 기공의 크기와 구성을 조절하는 것은 불가능 하였다. 그러나 금속유기골격구조체의 경우 화학반응에 의해 모든 결합이나 문자들의 길이가 조절되기 때문에 원자단위의 영역에서 구조를 조정하는 것이 가능 하였다. 이 논문에서는 벤젠(benzene)링의 개수에 따라 길이가 달라지는 (linker)를 사용하여 1개의 벤젠에서부터 최대 12개의 벤젠을 가지는 링커를 합성하고, 그 링커들을 사용하여 금속유기골격구조체를 만듦으로서 10의 마이너스 10승 m 단위에서의 기공 크기 조절이 가능하였다. 또한 기공의 크기가 조절된 유기골격구조체를 사용하여 vitamin-B12(27 Å), MOP-18(34 Å), myoglobin(35-44 Å), green fluorescent protein(45 v)의 크기가 다른 물질을 선택적으로 저장 할 수 있음을 ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrophotometry를 이용하여 확인 할 수 있었다.

 

 용 어 설 명

금속유기골격구조체 :
금속과 유기물질을 사용하여 일정하게 배열된 구조를 가지는 골격체

단백질 :
아미노산이 펩타이드 결합을 하여 생긴 여러 개의 아미노산으로 이루어진 고분자 화합물.

다공성 물질 :
물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질.

표면적 :
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 생성된 겉넓이

메조포어 :
20~500Å 크기를 가지는 미세기공

투과전자현미경 :
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

 

<Omar M. Yaghi 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원 ○ 연락처 : yaghi@kaist.ac.kr 2. 학    력 ○ State University of New York 학사 1984 ○ University of Illinois, Urbana 박사 1990 ○ Harvard University, Postdoctorial Fellow 1992 3. 경력사항 ○ 2010. 3.~현재 KAIST EEWS 대학원 교수 ○ 2012. 1.~현재 University of California, Berkeley 교수 4. 주요연구실적 ○ 2011 세계 인용횟수 2위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 2 of 6,548)) ○ 2008 AAAS Newcomb Cleveland Prize for most outstanding paper published in Science during 2006-2007 ○ 2007 세계 인용횟수 10위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 10 of 6,548)) ○ 2007 100 papers with over 100 citations per paper (1997-2007) ○ 2006 Listed among the "Brilliant 10" scientists and engineers 5. 출판 ○ 국외논문 150여편 게재 ○ Science 및 Nature 20편 게재 ○ 22개의 특허 보유

<Osamu Terasaki 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원 ○ 연락처 : 042-350-1711,           2. 학    력 ○ Tohoku University 학사 1965 ○ Tohoku University 석사 1967 ○ Tohoku University 박사 1982 3. 경력사항 ○ 2010. 3.~현재 현재 KAIST EEWS 대학원 교수 ○ 2003. 3.~2011. 9. Stockholm 대학 화학과 교수 ○ 1967. 2.~2003. 2. Tohoku 대학 교수 4. 주요수상경력 ○ 2008 Humboldt Research Award (Alexander von Humboldt Foundation) ○ 2007 The Donal W Breck Award, International Zeolite Association ○ 2001 The Best Paper Award, Japanese Society of Electron Microscopy. 5. 출판 ○ 300 편 이상의 국제 학술 논문 출판 ○ Science 및 Nature 14편 게재 ○ 저서 2권