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'바이오 수소' 에 대한 통합검색결과 22건입니다.

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김태연

고려대학교, 한국과학기술연구원

이번 논문은 효과적인 암 진단을 위한 새로운 과학적 방법을 제안 및 검증하는데 중점을 둔 연구입니다. 특히, 제대로 활용된 지 채 30년이 되지 않는 테라헤르츠 분광학을 활용하여 새로운 방식으로 미세종양환경을 관찰하는 방법론에 대해서 소개하고자 했습니다. 암은 발전된 과학기술과 의료체계를 갖춘 현재에 이르러서도 완전히 정복하지 못한 질병으로, 다양한 발병원인과 증상 등으로 인해서 여전히 높은 사망률을 기록하고 있습니다.
- Chem. Eng. J.
- 2025.03.24
박정연

고려대학교

체내 세포가 바이러스, 암 염색체 등 위험요소를 인지하면 cGAS (cyclic GMP-AMP synthase) 단백질이 자극을 받아 고리형 뉴클레오타이드(cyclic dinucletide, CDN)을 만들어 냅니다. 고리형 뉴클레오타이드 중 고리형 GMP-AMP (cyclic GMP-AMP, cGAMP)는 핵산인 구아노신과 아데노신으로 구성되어 Type 1 인터페론 면역시스템을 발동시키는 STING pathway를 활성시키고 세포 내 면역활동을 촉진합니다.
- Chem. Eng. J.
- 2024.12.10
지윤빈

서울시립대학교

DNA는 생체 내 모든 세포에 존재하며, 생물의 유전 정보를 보존하는 역할을 하는 물질로 잘 알려져 있습니다. 하지만, 생체 소재로써 DNA를 바라본다면, 기존의 고분자 소재와 많은 점에서 유사한 특성들을 발견할 수 있습니다. DNA는 고분자의 단량체처럼 뉴클레오타이드라고 하는 기본 단위가 연결되어 있는 긴 사슬 구조를 이루고 있습니다.
- ACS Mater. Lett.
- 2024.03.26
윤창규

서울대학교, 현 Cornell University

미생물을 이용하여 태양에너지를 재생가능에너지원으로 전환하는 연구는 꾸준히 주목받아 오고 있습니다. 특히 유전체 변형을 통해 대사 과정의 효율성을 높인 미생물 균주를 제작하거나, 빛에너지를 흡수할 수 있는 반도체와 미생물을 결합한 Biohybrid 제작하는 등 다양한 첨단 기법을 기반으로 광합성 미생물의 질소 고정반응(Nitrogen fixation)을 활용하여 효율적으로 수소 생산을 하는 연구가 전 세계 다양한 연구진들에 의해서 진행되어 오고 있습니다.
- Adv. Mater.
- 2023.11.03
배다운

이화여자대학교

먼저 제가 연구를 진행한 단백질이 어떤 균주에서 유래했는지에 대해 설명하고 싶습니다. Thermococcus onnurineus NA1은 2002년 한국해양과학기술원(KIOST)에서 심해열수구로부터 분리한 초고온성 고세균입니다. ‘온누리’라는 이름에서도 알 수 있듯이 우리나라에 originality가 있는 균주로, 2010년에 이를 다룬 논문이 한빛사에 소개되기도 했습니다
- Nucleic Acids Res.
- 2023.09.20
한의정

동국대학교

양액재배란 토양이 아닌 고형 배지에 양액을 공급하여 작물을 재배하는 방식으로, 양액의 재사용 여부에 따라 비순환식과 순환식으로 구분할 수 있습니다. 비순환식 양액재배는 양액을 재사용하지 않는 방식으로, 다량의 질소와 인이 포함된 폐양액이 인근 하천으로 방출되어 부영양화와 같은 환경오염을 유발할 가능성이 있습니다.
- Environ. Pollut.
- 2023.07.04
박재규

연세대학교

헬스케어 산업의 발전과 더불어 최근 코로나 팬데믹으로 인해, 일상 속에서 진단이 가능한 원격 의료 서비스에 대한 관심이 높아졌습니다. 이를 위해서는 특히, 환자의 몸에 통합되어 생체 신호를 장기간 검출하는 부착형 혹은 삽입형 장치가 중요합니다. 하지만, 기존의 전자 소자용 소재는 사람의 피부 조직보다 훨씬 단단하기 때문에, 부드럽고 굴곡진 형태의 피부 조직에 안정적으로 접착하는데에 한계가 있습니다.
- Adv. Sci.
- 2023.05.09
이태범

가톨릭대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 ?세계보건기구에 따르면 암은 주요한 사망 원인으로 2040년까지 연간 새로운 암종이 2,950만 건으로 증가하고 암 관련 사망자 수는 1,640만 명으로 증가할 것으로 예상하고 있습니다. 암치료를 위해 화학항암요법이 광범위하게 사용되고 있지만 약물 부작용과 내성을 갖는 암의 등장으로 인해 치료효과가 반감되거나 환자의 삶의 질을 감소시키는 등의 문제점이 존재합니다. ?이러한 화학항암요법의 한계 및 부작용을 극복하고 효과적으로 암을 치료하기 위해 수소펌프저해제와 항암제를 동시 봉입하는 제형으로서 리포좀을 개발하려고 했습니다. 리포좀은 인지질 등의 지질막으로 구성된 구형 소포체로서 친수성, 소수성 약물을 모두 봉입할 수 있는 제제로 이미 실용화된 사례가 있습니다. 항암제와 리포좀에 같이 봉입될 수소 펌프 저해제는 임상에서 위산 억제제로 알려졌지만 최근 연구에서는 산성인 암 환경에 큰 역할을 하는 V-ATPase를 억제하고 약제내성의 주요원인인 P-gp를 저해하는 것으로도 알려져 있습니다. ?본 연구결과에서는 수소펌프저해제와 항암제를 생체 적합한 제형인 리포좀에 봉입함으로써 산성 암환경과 약제내성을 극복하는 뿐만 아니라 체내 독성을 줄이고 투여 시 약물의 안정성과 효율성을 극대화할 수 있는 리포좀 제형을 개발했습니다. 향후 본 연구결과가 항암치료에 전반적으로 사용될 수 있는 것과 더불어 약물에 내성을 갖는 암에 대한 치료제로 사용될 수 있기를 기대합니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. ?본 연구가 수행된 가톨릭대학교 바이오메디컬화학공학과 (Bio Medical-Chemical Engineering, BMCE) 나건 교수 연구팀은, 생체재료를 통한 광역학 치료, 다양한 형태의 약물전달스템, 생체내 이미징, 중재 의료기기 등 다양한 분야의 연구를 수행하고 있습니다. 특히 암, 대사질환, 바이러스·박테리아 감염 등 다양한 질병의 진단 및 치료를 위해 광역학 기술을 연구하고 있습니다. - 생체의료용 나노 소재 연구실( http://kna2011.cafe24.com ) 3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 ?제형 설계 및 분석부터 동물 실험에서의 유효성 평가 실험까지의 전 과정을 수행하면서 실험 결과에 대한 부담감이 있었지만, 연구에
- J. Control. Release
- 2023.03.07
이연경

한국과학기술연구원(KIST)

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 물질과의 상호작용을 거친 전자기파에서 관찰되는 에너지의 변화는 물질의 고유진동수와 밀접한 관련이 있어 화학 및 바이오 시료의 비표지식(label-free) 검출에 활용이 가능합니다. 저주파수 대역에 해당하는 테라헤르츠파는 물질 자체의 준동, 수소결합, 분자간력 등의 정보가 포함되기에 DNA, 아미노산과 같은 생체시료들의 고유 정보 및 차이를 해석할 수 있습니다. 또한, 광자의 에너지가 낮아 측정 시료의 변이가 없는 정확하고 안전한 차세대 의료 진단 기술로 주목받고 있습니다. 본 연구에서는, 광손실이 적은 투과 형태의 테라헤르츠 분광법과 민감도를 수십 배 이상 증폭할 수 있는 메타물질 소자를 적용하여, 코로나바이러스(SARS-CoV-2, COVID-19) 핵심 단위체를 검출하였습니다. SARS-CoV-2의 스파이크 단백질이 인간의 ACE2 수용체에 결합하여 체내로 침투하는 점을 고려하여 핵심 단위체를 선정하고, 이를 유사한 아미노산 배열을 갖는 베타코로나바이러스 속(genus) 중 하나인 SARS-CoV의 핵심 단위체와 구별하는 시도를 하였습니다. 각각의 단위체들은 광학적 상숫값 뿐만 아니라 전하량, 극성, 소수성 지표에서 차이를 보이기에 시료를 메타물질 표면에 균일하게 분산하는 부분이 중요합니다. 메타물질의 활성영역에 대한 표면처리와 건조방식을 최적화하여 우수한 재현성을 갖는 테라헤르츠 광신호를 확보하였고, 이를 기반으로 아미노산 단위의 변화를 면밀하게 관찰하여 핵심 단위체 간의 판별을 하였습니다. 현재 SARS-CoV-2의 변종과 무증상자의 출현으로 감염자의 수가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 일반적으로 사용되고 있는 ‘항원-항체’ 반응 기반의 진단법은 신속하지만, 유사한 구조를 갖는 단백질들을 구별하기 어렵다는 한계가 있습니다. 이러한 상황에서 아미노산 단위의 변화를 감지할 수 있는 테라헤르츠파 분석 기술은 유사한 구조와 배열을 갖는 변이바이러스들을 정확하게 특정하는데 적용할 수 있어 고민감도의 생체 시료 진단 시스템이 될 것으로 기대합니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. 본 연구는 한국과학기술연구원 (KIST) 센서시스템연구센터의 송현석 박사님과 서민아 박사님 지도 하에 진행되었습니다. 송현석 박사님 연구실에서는 Nanobiotechnolo
- Biosens. Bioelectron.
- 2022.02.25
이수현

한국과학기술연구원(KIST), 한국재료연구원(KIMS)

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 인류가 집단을 이루고 도시를 세우면서 전염병은 인간사회의 역사의 한 축을 담당하였습니다. 역사의 변곡점을 야기하는 흑사병, 천연두와 같은 전염병의 창궐은 방역과 치료법 발달의 계기가 되었습니다. 그러나 고도의 의료기술을 가지고 있는 현대에 들어서도 중증급성호흡기증후군(SARS), 중동호흡기증후군(MERS)과 같은 전염병 사태를 겪었습니다. 특히, 2019년 중국 우한에서 보고된 코로나바이러스(SARS-CoV-2)는 3개월 만에 전 세계적으로 광범위하게 전파되어 일상생활의 패러다임을 급격하게 변화시킨 질병으로, 지속적인 변종과 무증상자의 출현은 바이러스를 정확하게 특정할 수 있는 조기진단기술의 개발을 촉진하였습니다. 개개인이 고유한 지문을 가지고 있듯 구성원소들의 결합형태에 따라 결정되는 물질의 고유진동수는 전자기파와의 상호작용으로 분석할 수 있습니다. 이 중 테라헤르츠(terahertz, THz) 대역의 전자기파는 주파수 대역폭이 넓어 분자간력, 수소결합에도 민감하게 반응하고, 광자의 에너지가 낮아 생체시료에 무해한 장점을 가지고 있어 DNA, 아미노산, 단위체(peptide)와 같은 미세한 생체시료들의 고유정보까지 (Label-free)비표지식 해석이 가능합니다. 그러나 테라헤르츠파와 물질간의 낮은 상호작용 확률, 신호 증폭 기술의 부재로 미세한 생체시료들을 직접 검출하기에 많은 어려움이 있습니다. 이를 극복하기 위하여 특정 주파수 대역의 신호를 증폭하는 메타물질을 도입하여 민감도를 향상시켰습니다. 본 연구에서 진행한 테라헤르츠 분광법과 메타물질을 활용하여 아미노산 단위의 변화를 추적하는 연구는 초기 구상과 사뭇 달랐습니다. 전체구조(full sequences)를 갖는 여러 종류의 바이러스들로부터 광학적 신호 변화를 분석하였는데, 시료마다 크기(length)가 달라 아미노산의 구성비에 따른 변화를 정확하게 관찰하기 어려웠습니다. 그래서 각각의 아미노산이 테라헤르츠 신호에 미치는 영향을 면밀하게 관찰하기 위하여 82% 이상의 유사 아미노산 배열을 갖는 베타코로나바이러스 속(genus)에 해당하는 SARS-CoV와 SARS-CoV-2의 핵심 단백질 단위체 검출을 시도하였습니다. 스파이크 단백질의 수용체 결합 영역에서 선정된 단위체 내 주요 아미노산들이 가지는 테라헤르츠 대역에서의 흡수율에 대응하는
- Biosens. Bioelectron.
- 2022.02.22
김다완

성균관대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 최근 새로운 생체 접착제는 다양한 치료 및 진단 소자에 필수 기술 특히, 무엇보다 급성 또는 만성 질환 환자들에게는 생체 내부에 청정하고 높은 접착력은 갖기 위해 많은 연구를 진행하고 있습니다. 따라서 청정 점착 구현을 위해, 화학적 결합이 아닌 가역적인 물리적 힘을 들인 정전기(수소 결합) 및 기계적 상호작용 통해 고점착이 가능한 생체친화성 전자 패치를 개발하게 되었습니다. 또한, 생체표면의 점막과 근육 및 신경 표면에서 발생하는 역동적인 움직임과 탄성 특성 등의 가혹한 생체환경에도 개발된 전자패치가 장기간의 안정적인 접착 능력을 가지는 것을 확인하였습니다. 나아가, 인체의 전기 생리학적 신호들(심전도, 근전도, 뇌전도 등)을 안정적으로 측정하기 위해, 자가치유 고분자 및 금 나노껍질로 코팅된 은 마이크로 입자 기반의 신축성 전극 소재를 사용하였습니다. 이를 바탕으로, 높은 조직 접착 능력을 기반으로 신축성 전극과 결합한 청정 접착 바이오소자는 설치류 좌골 신경, 근육, 뇌 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 생성되는 전기 생리학적 신호들(심전도, 근전도, 뇌전도 등)에 대해 장기간 신뢰할 수 있는 측정이 가능한 것을 확인할 수 있었습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 저는 성균관대학교 화학공학과의 방창현 교수님 지도하에 연구를 진행하고 있습니다. 저희 연구실은 자연에 존재하는 계층적 미세구조물이 표면과 끊임없이 기계적, 물리적, 생물학적 상호작용을 하는 점을 주목하여, 이러한 상호작용으로부터 자연에게서 지혜를 배우는 창의적인 영감을 받아 기능성 표면을 개발하고, 나아가 기존의 시스템과 융합하는 생체모방공학(biomimetics)을 연구하고 있습니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 이론적 지식을 바탕으로 결과를 예측하기 위해 세운 모델링이 실제 실험 결과 값과 유사한 경향성을 보일 때, 큰 보람을 느꼈습니다. 이론적인 내용을 바탕으로 함께 연구하는 선후배 동료와 토론하고 실험을 통해 검증하는 과정에서 많은 좌절감을 느꼈지만, 이를 극복하여 증명하였을 때 큰 보람을 느꼈습니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해
- Adv. Mater.
- 2022.02.07
손종우

Georg-August-Universit?t G?ttingen, 현 동아대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 후속-기능화 (late-stage functionalization) 연구는 특정 생활성 또는 물성을 나타내는 것으로 잘 알려진 scaffold를 시작 물질로 사용, 마지막 단계에서 기능화(functionalization) 과정을 시켜주어 다양한 유도체를 합성할 수 있는 합성방법으로서, 시간적/비용적으로 매우 효율적인 합성 전략으로 간주하고 있습니다. 후속-기능화 과정에서 널리 사용된 촉매인 팔라듐, 로듐을 대체하는 3d-전이금속을 이용한 연구가 최근 보고되고 있는데, 이를 통해 기존 전이금속이 지니고 있던 잔류독성, 고비용, 자원의 고갈과 같은 문제점을 해결하는 동시에 다양한 complex molecules에도 적용하는 논문들이 보고되어 왔습니다. 본 연구 프로젝트에는 저독성을 지니며 이용 단가가 낮은 망간 촉매(MnBr(CO) 5 )를 사용하여 복잡성을 지닌 펩타이드의 tryptophan 위치에 BODIPY 형광분자를 후속-기능화 과정을 통하여 도입하는 합성방법을 보고하였습니다. 이 과정에서 고리형/비고리형 펩타이드 모두 가능하였으며 펩타이드 내에 free OH, NH 그룹이 존재하고 있는 경우에도 반응이 진행하는 것을 확인하였을 뿐만 아니라 촉매반응 과정에서 분자에 존재하는 입체 중심이 변하지 않는 것 까지 관찰할 수 있었습니다. 추가로 합성한 형광 펩타이드를 이용하여 살아있는 CD8 + T cell의 cell membrane에 선택적으로 labeling 시켜줄 수 있어 향후 저분자 펩타이드-바이오센서로서의 이용 가능성도 제시할 수 있었습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. 독일 ‘괴팅겐 대학교 (University of Göttingen)’는 니더작센주에 위치한 인구 11만의 상당히 아름다운 소도시, 괴팅겐(Göttingen)에 위치한 종합대학교이며, 지금까지 자연과학 분야에서 약 43명의 노벨상을 배출한 연구중심 대학입니다. 제가 속한 Institute of Organic and Biomolecular Chemistry의 Lutz Ackermann 교수 연구팀은 약 12명의 박사 후 과정 연구원과 23명의 대학원생으로 구성되어 있으며, 프로젝트별로 세부 그룹이 나뉘어 있어 구성원들끼리 서로 밀접하게 소통하며 연구를 진행할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 가스-/액체-질량분석기, 형광측정기, HPLC와 같은 분석 장비들을 마음껏 사용할 수 있게 연구 환경에 지원을
- Nat. Commun.
- 2021.06.18
진상락

KAIST

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 화석연료, 바이오매스 또는 폐기물 등의 가스화 과정에서 발생하는 합성가스와 다양한 산업공정과정에서 발생하는 부생가스들은 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄과 같이 탄소 1개로 구성된 C1 가스로 구성됩니다. 이러한 C1가스가 대기로 무분별하게 방출한 결과, 오늘날 우리는 기후환경변화라는 위기에 직면해 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전 세계 각국은 C1 가스 리파이너리 기술개발에 박차를 가하고 있으며, 우리 정부도 2050 탄소중립을 선언하고 관련 원천기술 개발 및 확보에 정부차원의 지원을 약속한 바 있습니다. 아세토젠(acetogenic bacteria, acetogen)이라는 미생물들은 wood-ljungdahl pathway라는 굉장히 독특하면서도 에너지 효율적인 대사회로를 통해 C1 가스를 acetyl-CoA라는 생체 내 주요한 building block을 합성하고, 이를 아세트산으로 전환하면서 ATP를 얻는 미생물을 말합니다. 이러한 미생물들은 산업적 응용가능성이 높지만, 아직 산업현장에 적용하기에는 많은 연구가 필요합니다. 아세토젠 미생물이 C1 가스를 고정하기 위해서는 ‘전자’가 필요합니다. 이들 미생물들은 보통 이러한 ‘전자’를 hydrogenase라는 효소를 이용하여 수소(H2)로부터 확보합니다. 미생물 배양을 위한 에너지원으로 수소는 비싸고, 다루기가 매우 어렵다는 단점과 미생물로부터 생산하는 바이오케미칼의 가격경쟁력을 저하시키는 등의 문제점을 가지고 있습니다. 따라서, 저는 빛 처리 시 전자를 생성하는 광나노입자를 미생물 표면에 부착시켜 빛에너지로부터 전자를 공급하는 인공광합성 시스템을 구축하고, 전사체 분석을 통해 전자의 세포 내 전달과정을 이해하고자 하였습니다. 이번 연구는 한양대 기계공학부 김동립 교수님 연구실에서 광나노입자의 합성 및 구조분석을 진행하였고, 미생물배양 및 전사체 분석 등은 카이스트에서 진행하였습니다. 그런데, 미생물에 광나노입자를 부착한 상태에서의 특성분석을 위해서는 협업이 필요한데, 아세토젠 미생물이 절대혐기성 균주로 산소에 취약하여, 특수한 배양기구와 가스 내 산소를 제거하는 장비가 필요합니다. 따라서, 새벽에 카이스트에서 미생물을 혐기배양한 뒤, 한양대로 이동하여 분석 실험을 진행하고 새벽에 다시 카이스트로 내려온 적이 있습니다. 서울과 대전이
- Proc. Natl. Acad. Sci. USA
- 2021.03.03
김태형

UNIST

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 일반적으로 식품포장재는 외부의 물성을 견디는 층, 산소투과를 막는 산소차단막, 그리고 수분 투과를 막는 층과 같은 다층막 형태로 이루어져 있습니다. 그 중에서 산소차단막으로 금속이나 금속산화물, 염소가 포함된 고분자를 사용해왔습니다. 하지만 이러한 물질들은 환경 문제나 인체에 해로운 단점이 있고, 특히 금속과 금속산화물의 경우 불투명하고, 무선주파수를 차단하는 단점이 있습니다. 최근 냉장고가 내용물의 유통기한 등의 정보를 읽어 보여주는 기술이 개발되었는데, 차세대 식품포장재는 이러한 기술을 반영하기 위해 QR코드 인식이나 무선주파수 신호 인식이 가능하여야 합니다. 최근 산화 그래핀 (Graphene oxide)와 같은 2D material과 고분자를 이용하여 투명하면서 산소차단 특성이 우수한 산소차단막이 연구가 되고 있습니다. 다만 산화 그래핀을 사용할 경우 함량이 높아질수록 산소차단특성은 좋아지지만 차단막이 검은색이 되는 단점이 있습니다. 그로 인해 QR 코드 인식이 어렵고, 무선주파수 신호도 차단하는 특성이 있어 위에서 설명한 스마트 시스템에 사용할 수 없습니다. 본 연구에서는 지구에 첫번째, 두번째로 많이 존재하는 바이오고분자인 셀룰로오스와 키틴을 나노크기로 만든 cellulose nanofiber (CNF)와 chitin nanowhisker (CNW)를 layer-by-layer (LbL) 기법을 이용하여 다층박막을 쌓았습니다. 이렇게 만들어진 다층박막은 기존의 고분자 기반의 식품포장재에 비해 얇은 두께에서 식품포장재가 요구하는 수치를 만족하였고, 이러한 수치는 수분, 구부림, 냉각 등의 외부자극에도 유지되었습니다. 또한, 색이 없고 투명하여, QR 코드 인식과 무선주파수 인식도 가능하다는 것을 확인함으로써 스마트 식품 포장재로의 활용 가능성을 보여주었고, 박테리아의 성장을 억제하는 효과를 보였습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 이번 연구는 연세대학교 화학과의 김병수 교수님과 한국화학연구원 바이오실용화 센터의 오동엽 박사님 그룹과 공동으로 수행되었습니다. 저는 김병수 교수님 지도 아래 6명의 석박통합과정 학생과 1명의 박사과정 학생, 3명의 석사과정학생과 함께 'Soft and Hybrid Nanomaterials Laboratory'에서 연구를 진행하고 있습니다. 저희 연구실은 크게 두개의 그룹
- ACS Nano
- 2019.03.29
이성현

서강대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 형광 현미경을 이용하여 직접 DNA 분자를 관찰하는 경험은 여타 생물학을 연구하시는 많은 분들에게는 생소하실 수 있을 것 같습니다. 거대 DNA 분자 관찰 및 분석이라 칭하는 저희 연구 분야는 λ DNA 와 같이 50 kbp 이상의 DNA를 형광 물질이나 형광 단백질 등으로 염색하여 직접 단일 분자를 관찰하는 분야 입니다. DNA 분석이라 하면 통상적으로 서열 분석, 특히 차세대 서열 분석을 이용한 염기 쌍 수준의 분석을 일컫습니다. 하지만 이러한 차세대 서열 분석법에도 짧은 분석 서열로 인한 한계점이 존재하고, 실제 실험을 진행하다 보면 꽤 많은 양의 시료를 필요로 하는 등의 문제가 있습니다. 또한 DNA 결합 단백질 등을 연구하는 분야에 적용하였을 때에는 결합-비결합 사이의 중간 단계나, 이온 농도나 조건 등에 의한 변화를 관찰하기가 어렵습니다. 그러나 단일 분자 실험을 통해서는 이러한 문제들을 해결하기 쉽습니다. DNA 그 자체로는 Large scale의 structural variation과 같은 변이를 분석할 수 있고, 단백질 등과 함께 한다면 실제 한 분자가 하나의 데이터로써 검출 한계가 아주 낮아서 개별 분자의 동역학 등을 효과적으로 관찰 할 수 있는 방법입니다. 본 연구는 이러한 단일 분자 실험의 장점을 십분 활용하여 DNA의 관찰과 동시에 서열 정보를 얻을 수 있는 새로운 DNA 염색 물질을 개발하는 것에 초점을 두었습니다. 기존에 해당 연구 분야에서 두루 사용되던 염료는 DNA 서열 특이성 없이 DNA에 결합하여 빛을 내는 삽입 염료 였는데, 이와 같은 삽입 염료의 특성상 B-form DNA의 길이를 신장시키고, DNA 결합 구조에서 오는 광분해에 의한 phosphate backbone 손상이 큰 문제가 되었습니다. 저희는 여러 요인들을 고려해서 새로운 DNA 결합 형광 염료를 개발하고자 하였습니다. 따라서 일본 교토대학교의 Hiroshi Sugiyama 교수님 그룹과 공동 연구를 진행하였습니다. 본 연구에서 새로이 합성 된 물질은 총 8개의 Pyrrole residue를 가진 small molecule-fluorophore conjugates이며 TAMRA-polypyrrole이라 명명되었습니다. 이 형광 유기 염료는 위에서 언급하였던 단점을 없앰과 동시에, 분자 자체가 서열 특이적인 probe로 작용하게 됩니다. 특히 pyrrole과 DNA minor groove가 수소결합을 이루게 되는데, TAMRA-polypyrrole은 그
- Nucleic Acids Res.
- 2018.07.04
성기현

POSTECH

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 단백질-리간드 결합쌍인 스트렙타비딘 (Streptavidin, SA)과 바이오틴 (Biotin, BT)은 매우 선택적이고 강한 상호 작용력을 가집니다. 이러한 특징으로 인해, 이 결합쌍은 다양한 형태로 화학생물학 연구 도구로 활용되고 있습니다. 예를 들면, 단백질을 특정 표면에 고정시키는데 연결 고리로 사용하거나, 특정 단백질의 정제, 센싱 혹은 이미징 등에도 활용하고 있습니다. 그 중에서도 SA-BT 쌍을 이용한 형광 이미징 방법은 대표적인 활용 사례라고 할 수 있습니다. 그러나 이 결합쌍은 단백질과 같은 생체 분자를 이용한 시스템이라는 점에서 그 기술적 한계를 가지고 있습니다. 우선, 약 52 kDa 크기에 이르는 단백질이기 때문에, 관찰하고자 하는 단백질 고유 성질을 변화시킬 가능성이 있으며, 세포막에 대한 투과성이 좋지 않아 살아있는 세포에 적용하기 어렵습니다. 또한, 세포 내에 이미 존재하는 바이오틴에 의해 결합쌍의 결합 효율이 떨어지거나, 내재적으로 바이오틴이 표지된 단백질과의 의도치 않은 결합으로 인해 거짓 양성 결과를 얻을 수 있는 단점을 가지고 있습니다. 이러한 한계점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 SA-BT과 견줄만한 강한 결합력을 가지면서도 그 크기는 그보다 훨씬 작은 강력 인공 주인-손님 분자 결합쌍을 이용한 단백질 이미징을 수행했습니다. 주인분자로는 속인 빈 호박 모양의 분자인 쿠커비투[7]릴 (Cucurbit[7]uril, CB[7])에 형광분자인 Cyanine 3가 도입된 CB[7]-Cy3를 이용했고, 이와 강력하게 결합하는 손님 분자로는 Adamantaneamine (AdA) 혹은 Ferrocenemethylamine (FcA) 유도체를 이용했습니다. 이 주인 분자와 손님 분자는 세포막 투과성이 있어 살아 있는 세포에서도 단백질 이미징이 가능하며, 주인-손님 분자간 특이적 상호 선택성이 높아 세포내 있는 여러 생물질들에 의한 간섭을 최소화 할 수 있습니다. 또한 더욱 강한 결합력을 가지는 손님 분자를 처리하면 이전에 형성된 주인-손님 분자 결합쌍을 손쉽게 해리 시킬 수 있는 특징을 가지고 있어, 특정 단백질의 거동을 관찰하는데 유용합니다. 이를 구체적으로 확인하기 위해, 우리는 관찰하고자 하는 단백질에 기존에 잘 알려진 화학적 기법 혹은 단백질/효소 발현 기법을 이용해 특정 지역에 존재하는 단백질 혹은 선택적 특정 단백질에 손님 분자를
- Nat. Commun.
- 2018.05.14
이아라

POSTECH

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 Autophagy는 세포 내 항상성 유지를 위해 가수분해 효소를 지닌 lysosome을 이용하여 손상되거나 불필요한 세포 소기관을 분해 및 재활용하는 과정으로, 퇴행성 뇌질환을 비롯한 다양한 질병과 밀접한 관계가 있다고 알려져 주목을 받고있는 연구 분야입니다. 기존 연구에서는 autophagy의 관찰을 위해 GFP와 같은 형광단백질을 주로 이용해 왔지만, 이 경우 autophagy 과정 중 분해 효소의 작용으로 형광단백질이 소기관과 함께 분해되기 때문에 autophagy의 전 과정을 안정적으로 관찰하는 데 어려움이 있었습니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, 두개의 강력한 형광 초분자 결합쌍을 이용하여 autophagy에 관여하는 세포 소기관의 움직임을 시간에 따라 관찰하는 바이오 이미징 연구법을 제안하였습니다. 두 개의 소기관을 동시에 관찰하기 위해 강한 손님-주인 상호작용을 보이는 cucurbit[7]uril (CB[7])과 adamantane에 각각 Cy3와 Cy5 형광쌍을 도입하여 분자의 세포 내 거동을 탐지할 수 있을 뿐만 아니라, 두 분자가 인접하게 존재하면 FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer)에 의한 에너지 전이가 일어나도록 하여 분자의 상호작용을 세포 내에서도 인지할 수 있도록 하였습니다. 그 결과 CB[7]과 adamantane이 각각 lysosome과 mitochondria에 축적되어 두 소기관 각각의 거동을 관찰 할 수 있었으며, autophagy를 통한 autophagosome과 lysosome의 융합 또한 FRET 시그널의 증가를 통해 확인 할 수 있었습니다. 이러한 방식을 통해 autophagy를 시간에 따라 정량적으로 관찰 할 수 있게 되었으며, 앞으로 이를 기반으로 복잡한 세포 기작을 보다 세심히 연구할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 우리 연구실은 기초과학연구원(IBS)의 POSTECH 캠퍼스 연구단인 복잡계 자기조립 연구단 소속으로 초분자 화학분야의 권위자이신 김기문 교수님의 지도하에 연구를 수행하고 있습니다. 초분자 화학은 수소결합, 정전기적 상호작용, 소수성 결합 등 분자사이에 작용하는 약한 힘을 이용해 나노 구조체 형성에 대해 연구하는 화학의 한 분야로써, 우리는 인공수용체인 쿠커비투릴의 분자인지 능력을 이용해 polymer nano-capsule의 합성, 단백질 분리, 세포 이미징
- Angew. Chem.-Int. Edit.
- 2018.03.07
이상윤

The University of Chicago, IBM Thomas J. Watson Research Center

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 나트륨, 칼륨, 염소 등과 같은 이온들의 농도는 세포 또는 세포내 소기관의 안과 밖에서 서로 다릅니다. 지질막을 경계로 이런 이온들의 농도 차이가 막전위(membrane potential)를 발생시키며, 이를 동력으로 세포 안에서 여러가지 중요한 현상들이 일어납니다. 이온채널(ion channel) 또는 펌프(ion pump)와 같은 막단백질(membrane protein)들은 종류에 따라 특정 이온을 인지하고, 세포막 안팎으로의 이들의 유출입을 통제합니다. 예를 들어, 신경세포에서 나트륨과 칼륨 채널의 개폐를 통해 일시적으로 이온 농도를 변화시켜 세포막을 따라 전기신호를 전달합니다. 미토콘드리아에서는 수소 이온의 농도 차이로 인해 내막과 외막 사이의 공간으로부터 내막 안쪽으로 수소 이온이 한방향으로 유입되고, 이를 이용해서 ATPase에서 ATP를 생산합니다. 전통적으로 이온채널이나 펌프의 작동 원리를 연구할때, 세포막 양쪽에 전극을 놓고, 이온이 막단백질 내부의 이동 경로를 통과해서 세포막 한쪽 공간에서 다른쪽으로 이동할때 발생하는 전류를 측정하였습니다. 측정된 전류는 수많은 이온 입자들의 평균적인 흐름을 보여주지만, 개별의 이온 입자가 단백질 내부에서 통과하는 과정이나 채널의 개폐에 따른 단백질의 구조 변화에 대해 구체적으로 알 수 없었습니다. 최근에 결정구조학 발전으로 원자 크기 수준의 정확도로 단백질 분자의 구조를 볼 수 있게 되었지만, 이들은 마치 움직이는 물체에 대해 사진을 찍었을때 각각의 순간에 해당되는 몇개의 정지된 이미지를 얻는 것처럼, 이온이 단백질을 통과할 때 일부 중간 단계들에 있는 단백질의 구조만을 얻을 수 있었습니다. 이런 실험 방법들의 한계를 극복하기 위해, 분자동역학 시뮬레이션(molecular dynamics simulation)을 이용해 전체 시스템의 변화를 실시간 시뮬레이션으로 구현하려는 연구가 그동안 많이 진행되었습니다. 이 분야에서 가장 널리 이용되는 시뮬레이션 방법에서는 지질막, 단백질, 이온 등을 구성하는 각각의 원자들 사이의 상호작용을 정의하는 모델을 만들고, 뉴턴의 운동방정식을 통해 각 원자들의 움직임을 수치적으로 계산합니다. 하지만 일반적인 막단백질의 크기를 고려할때, 현재 일반적으로 사용되고 있는 컴퓨터 클러스터에서 시뮬레이션이 가능한 시간은 실제 시간을
- J. Am. Chem. Soc.
- 2018.03.02
임재규

한국해양과학기술원, UST

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 이번에 발표한 논문은 Extremophile (극한생명체)의 energy metabolism을 규명한 연구로서 국내에서는 그다지 잘 알려지지 않은 분야입니다. 모델 균주로 사용된 Thermococcus onnurineus NA1은 고온의 혐기상태에서 성장하는 균주로 그간의 연구결과 매우 특이한 에너지 대사과정을 가지고 있었습니다. 그 중에서도 formate (개미산)을 에너지원으로 이용하여 수소를 생성하고 ATP 생합성이 가능함이 밝혀졌습니다. 이러한 생리적인 현상은 electron donor인 formate와 electron acceoptor로 작용하는 H+간의 standard Gibbs free energy의 차이인 ΔGo'의 크기가 0보다 큰 +1.3 kJ/mol 인 비자발적인 반응이어서 자연계에서 자발적인 에너지생성이 불가능할 것이라고 여겨졌습니다. 하지만 T. onnurineus NA1에서는 이러한 반응이 ATP를 생성할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있다는 사실이 확인되었던 것입니다. 따라서 어떠한 energy mechanism을 사용하여 ATP를 생성할 수 있는지가 큰 관심사가 되었고 이번에 전반적인 mechanism을 규명하게 되었습니다. 여기에 덧붙여 한가지 더 주목할 만한 사항은 NA1 균주의 ATP synthesis에 있어 최종적으로 coupling ion으로 H+이 아닌 sodium ion을 사용한다는 사실을 실험적으로 증명한 것입니다. 지구상의 대부분의 생명체들이 proton motive force에 의한 ATP synthesis를 하지만 몇몇 bacteria 와 archaea에서 ATP synthase의 ATP hydrolysis 과정에서 sodium ion이 coupling ion으로 사용된다는 사실이 밝혀졌습니다. 따라서 이러한 균주들의 경우 ATP synthase의 coupling ion으로 sodium ion이 직접적으로 사용될 것으로 예상되었지만 실험적으로 증명하기 어려웠습니다. NA1 균주의 경우에도 여러 가지 증거로 비추어 볼 때 sodium ion을 coupling ion으로 사용할 것으로 예상이 되었고 다행히도 실험적으로 sodium gradient의 생성을 확인할 수 있었습니다. 이번 연구에서도 걸림돌이 되었던 부분이 바로 sodium gradient가 생성되고 이에 따라 ATP가 합성되는 것을 밝히는 부분이었습니다. Sodium ion에 의한 ATP synthesis 현상은 관찰할 수 있었지만, 다양한 방법으로 실험을 실시해도 실제로 sodium gradient가 생성된다는 결과를 얻기가 매우 힘들었습니다. 그러던 차에 독일 괴테대학의 폴커 뮐러 교수님 Lab.
- Proc. Natl. Acad. Sci. USA
- 2014.08.06
황재훈

연세대학교, 현 Arizona State University

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 제가 전병훈 교수님과 출판한 논문은 호기성 조건에서 미량이지만 수소를 발생하는 미세조류가 존재한다는 내용을 다룬 것으로 기존에 알려지지 않은 미세조류의 생태학적 이해를 높을 수 있는 연구라 할 수 있습니다. 광합성미생물로부터 수소 생산연구는 지금까지 많이 시도되어 왔었습니다. 하지만 미생물의 서식 조건을 혐기성 조건으로 반드시 바꿔야만 했었습니다. 그 이유는 수소 발생에 기여하는 수소화효소의 제한적 활성 조건 때문이었으며, 그로 인해 수소화효소에 관련된 많은 연구가 진행되어 미생물 내에 산소 내성 수소화효소의 존재를 몇몇 연구자들이 밝혔습니다. 매년 기하 급수적으로 증가하는 미세조류 또한 대표적인 광합성 생물이며, 미세조류 급증과 이에 관련된 물질대사 등 생태학적 이해가 부족한 점을 이해하기 위한 연구를 구상 중 광합성 생물의 수소 가능성을 고려하여 이번 연구를 진행하게 되었습니다. 이번 연구를 통해 원핵생물인 박테리아를 이용한 유산소 조건의 수소생산 연구 등 친환경적 수소생산 연구가 활발한 가운데 보다 고등한 형태의 진핵생물인 녹조류의 생태학적 중요성을 시사할 수 있으며, 녹조류의 공학적 응용연구에 기여할 것으로 기대됩니다. 연구를 진행하는 동안 수소화효소의 산소 내성과 존재여부를 위해 한국과학기술원과 지질자원연구소, 포항공대 및 미국 펜실베니아주립대에서 샘플 분석을 직접 진행하였습니다. 수소화효소 분야 대가인 브라질 Benchimol 교수에게도 자문을 구했습니다. 샘플을 타국으로 보내고 답을 기다리는데 많은 시간을 소비하였지만 이로 인해 충분한 데이터 검증 시간을 가질 수 있었습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 제가 연구를 진행했던 박사과정 당시 소속된 연구실은 연세대 환경공학부의 바이오에너지 & 토양 복원 연구실 (Environmental Bioenergy & Subsurface Engineering)입니다. 저희 연구실은 지도 교수님이신 전병훈 교수님과 다수의 박사 후 연구원 그리고 약 15명의 석박사 학생들과 함께 바이오에너지 생산과 토양복원 연구를 수행하고 있습니다. 각 연구별로 3개의 소그룹으로 구성되어 박사과정 학생을 토대로 팀을 이뤄 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 바이오 에너지 부분으로는 미세조류의 차세대 바이오 매스
- Nat. Commun.
- 2014.02.14