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  • 전이금속 산화물에 숨겨진 물질상태 예견 및 구현 신소재공학부
    이재찬 교수 · 정봉욱 연구원

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    전이금속 산화물에 숨겨진 물질상태 예견 및 구현
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    저온 플라즈마 기반 고성능 플렉서블 에너지 저장 소재 개발 기계공학부
    김태성 교수 · 석현호 연구원

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    저온 플라즈마 기반 고성능 플렉서블 에너지 저장 소재 개발

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  • 생명물리학과 연구팀, ▼신경퇴행성 질환의 인체 유사 모델링 논문들을 ▼총망라한 리뷰 논문 발표
    생명물리학과 연구팀, 신경퇴행성 질환의 인체 유사 모델링 논문 총망라한 리뷰 논문 발표

    생명물리학과 연구팀, 신경퇴행성 질환의 인체 유사 모델링 논문들을 총망라한 리뷰 논문 발표 생명물리학과 허채정 박사 연구팀은 신경퇴행성 질환의 생체 유사 환경을 제공하는 고급 체외 모델의 최근 발전상을 자세히 살펴볼 수 있는 리뷰 논문을 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표했다. 전 세계적으로 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 근위축성 측삭경화증 등 신경퇴행성 질환의 유병률이 증가하며 개개인의 노후를 위협하고 있다. 질병 메커니즘과 과학 기술이 상당히 발전했음에도 불구하고 신경퇴행성 질환들은 장기간에 걸쳐 서서히 진행되고 여러 요인이 복합적으로 작용해 발병한다는 특성 때문에 조기 진단과 효과적인 치료법의 개발은 여전히 어려운 실정이다. 이 문제를 해결하기 위해 환자와 같은 병리학적 환경을 적용한 고도화된 체외 모델 시스템이 기존 동물 기반 모델을 뛰어넘는 중요한 대안으로 부상하고 있다. 미세유체칩 또는 오가노이드-온-칩은 신경퇴행성 질환과 관련된 별개의 뇌 영역의 중요한 요소들를 실험적으로 재현함으로써 동물시험대체법에 대응할 기회를 제공하고 있다. 이러한 소형화된 생체 병리 시스템은 질병 병인 연구, 신약 독성 및 유효성 스크리닝 및 치료법 개발 목적에 사용될 수 있다. 본 논문은 다양한 배경을 가진 학생, 연구자, 일반 독자들을 위한 퇴행성 신경병리학 및 미세유체학의 실용적인 응용에 대한 균형 잡힌 정보들이 총망라된 훌륭한 자료가 될 수 있다고 연구팀은 밝혔다. 또한 본 리뷰 논문을 통해 제약 산업에서 미세유체 칩 및 오가노이드 온 칩의 적용에 대한 현재의 진행 및 과제에 대한 논의를 파악할 수 있다. 생명물리학과 허채정 수석연구원은 “인간의 복잡한 퇴행성 뇌질환을 연구하는 연구자들에게 신경병리적 환경을 인체 유사 모델링 방식으로 흥미롭게 구현한 다양한 고급 체외 모델을 사용할 수 있도록 영감을 줄 수 있다.”고 말했다. 본 논문은 네이쳐 커뮤니케이션즈 저널에서는 국내 연구자 중 2번째로 출간이 된 리뷰논문으로 신약 개발 및 동물대체시험법에 대응하는 최신 체외모델링의 중요성을 이야기했다고 평가받고 있다. 최근까지 보고된 퇴행성 뇌질환의 병리학적 기전과 최신 체외모델 칩에 대한 논문들을 총망라한 본 리뷰 논문은 미세유체칩 분야 석학인 양자생명물리과학원장인 Luke P. Lee 교수(하버드 의대)가 공동 교신저자로, 충남의대 신경과 오응석 교수 및 을지의대 우란숙 교수, 우리 대학 의학과 김경규 교수등이 참여하였다. 연구팀의 이번 연구결과는 HK Lee Foundation와 Institute for Basic Science of Korea(IBS-R011-D1) 재단의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 네이처커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 3월 12일에 게재되었다. ※ 논문명: Neuropathogenesis-on-chips for neurodegenerative diseases ※ 저자명: 허채정, Luke P.Lee(교신저자), Sarnai Amartumur(제1저자), Huong Nguyen, Thuy Huynh, Testaverde S. Kim, Ran-Sook Woo, Eungseok Oh, Kyeong Kyu Kim(공동저자)

    2024-04-11

  • 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 뇌 영상으로생각의 정서 예측하는 모델 개발
    글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 뇌 영상으로생각의 정서 예측하는 모델 개발

    글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 뇌 영상으로생각의 정서 예측하는 모델 개발 - fMRI 기반 머신러닝으로 자유롭게 흘러가는 생각에 담긴 감정 디코딩 ▲ 김홍지 박사과정생(왼쪽)과 우충완 교수(오른쪽) 우리의 뇌는 한순간도 쉬지 않고 활동하며 이러한 뇌의 활동은 우리에게 “생각”으로 경험된다. 우리의 생각은 과거에서 미래로, 한 가지 개념에서 또 다른 개념으로 계속해서 이동한다. 자연스러운 생각의 흐름은 무작위적인 생각의 편린처럼 느껴질지 몰라도, 사실 대부분 감정이 담겨있고 자기 자신과 관련되어 있거나, 내적 욕구와 목표 등을 반영할 때가 많다. 그래서 생각의 흐름에 담긴 내용과 감정 상태는 개인의 성격 및 인지 특성, 정신 건강 등을 알려주는 중요한 지표가 될 수 있다. 하지만 생각의 흐름은 의식의 제약 없이 자발적으로 발생하기 때문에 사람들에게 지금 무슨 생각을 하는지 물어보는 것만으로도 생각의 내용을 바꿀 수 있어 연구하는 데 어려움이 있다. 글로벌바이오메디컬공학과/IBS 뇌과학이미징연구단 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스대학 에밀리 핀 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 뇌 활동 패턴에서 직접 생각의 내용과 감정을 읽어내는 모델을 개발했다. 이 예측 모델은 fMRI 데이터와 기계학습 알고리즘을 이용하여 개발되었으며, 생각의 두 가지 주요 축인 ‘자기관련도’와 ‘긍·부정 정서’를 예측한다. 연구팀은 참가자들과의 일대일 인터뷰를 통해 다양한 내용과 감정이 담긴 개인 맞춤형 이야기 자극을 만들었다. 이후 참가자들이 MRI 기기 안에서 자신의 이야기를 읽는 동안의 뇌 활동 패턴을 바탕으로 매 순간의 자기 관련도와 긍·부정 정서를 예측할 수 있는 모델을 만들었다. 이 예측 모델은 이야기를 읽는 동안 참가자들의 생각을 이 두 가지 축 상에서 성공적으로 디코딩했을 뿐만 아니라, 추가로 테스트한 199명의 자연스러운 생각의 흐름도 성공적으로 예측했다. ▲ 자기관련도와 긍·부정 정서를 예측하는 모델에서 중요한 영역과 네트워크들 이번 연구를 이끈 성균관대 우충완 교수는 “많은 연구진이 뇌에서 생각을 디코딩하기 위해 시도하고 있지만 그 안에 담긴 내밀한 감정을 읽어내려는 연구를 진행한 그룹은 거의 없었다”며 “인간의 감정을 오랫동안 연구해온 우리 연구팀은 자발적인 생각의 흐름 속에 담긴 감정을 읽어냄으로써 정신 건강에 도움이 되는 정보를 얻고자 한다.”고 말했다. 제1저자인 글로벌바이오메디컬공학과 김홍지 박사과정생은 “본 예측 모델은 이야기를 읽는 동안의 데이터로 개발되었음에도 불구하고 아무 과제 없이 자유롭게 생각할 때의 정서 상태도 해독 가능하다는 점에서 중요한 의미를 가진다”며 “생각과 감정의 개인차를 이해하고 정신 건강을 평가하는 데에 도움이 될 것으로 기대한다.”고 하였다. 연구팀의 이번 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단이 지원하는 초융합 AI원천기술개발사업(2021M3E5D2A0102251515)의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS, IF 11.1)에 3월 28일 게재됐다. ※ 논문제목: Brain decoding of spontaneous thought: Predictive modeling of self-relevance and valence using personal narratives ※ DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2401959121; published: 28 March 2024

    2024-04-08

  • 신소재공학부 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발
    신소재공학부 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발

    신소재공학부 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 ▲ (왼쪽부터) 신소재공학부 구종민 교수, Zhenguo Gao 박사과정생, Aamir Iqbal 박사후연구원, Tufail Hassan 박사과정생, Shabbir Madad Naqvi 박사과정생 신소재공학부 구종민 교수 연구팀은 스텔스* 국방 기술 및 고집적 통신/전자기기의 전자파 차폐 기술에 활용할 수 있는 맥신(MXene) 전자기파 흡수 소재를 개발했다. * 스텔스(stealth): 전자기파(波)를 흡수해 레이더 영상에 나타나지 않게 하는 기술로 레이더에 의한 항공기, 미사일의 조기 발견을 곤란케 하는 기술. 전자기파(electromagnetic wave)의 흡수 소재 개발은 레이더 탐지를 무력화하는 스텔스기술 및 통신/전자기기에서 발생하는 유해 전자파 차단·제거를 위해 꼭 필요한 기술로 많은 주목을 받고 있다. 현재 국내 스텔스 전투기 도료기술은 많은 부분을 해외에 의존하고 있어 이에 관한 연구와 개발이 필요하며 고집적 전자장치용 전자파 흡수 소재 개발을 위해서는 가볍고 얇으면서 코팅 가공성이 우수한 소재 기술 개발이 필요하다. 이에 신소재공학부 구종민 교수 연구팀은 맥신(MXene) 이차원 나노소재와 ZIP(zeolitic imidazolate framework) 나노소재의 자기조립 구조체를 이용하여 효율적인 스텔스 성능과 전자파 흡수 특성을 가지는 소재를 개발하였다. ▲ 맥신(MXene) 이차원 나노소재 구조 및 라디오파에서 적외선에 이르는 광대역주파수 범위에서 발현되는 우수한 전자파 차폐 효과 맥신 소재 (MXene)는 Ti(티타늄), V(바나듐), Mo(몰리브덴) 등과 같은 전이금속(M)과 질소 또는 산소 원소(X)를 포함하는 전이금속탄화물 또는 질화물(Mn+1Xn, n=1=4) 이차원 소재로 전기전도성이 매우 우수한 특성 을 가진다. 또한 다량의 표면작용기가 존재하여 표면 음전하 특성을 보이는 나노소재이다. 반면 ZIP 나노소재는 CO2+와 같은 금속양이온과 2-methylimidazole(Hmim)와 같은 유기분자 음이온으로 형성된 3차원 나노소재이다. 연구팀은 유기분자구조를 조절하여 표면양전하를 띠는 ZIP 나노소재를 제조하였다. ▲ 맥신-ZIF 나노입자의 자기조립구조 및 형성된 하이브리드 구조의 내부전기장(BIEF)형성 효과 연구팀은 맥신의 표면 음전하 특성과 ZIF 나노입자의 표면 양전하 특성을 이용해 정전기적인력(electrostatic interaction)에 의한 자기조립 하이브리드 나노구조 소재를 제작하였다. 이 소재는 각 나노소재의 상반된(음·양전하) 표면전하특성에 의해 이종계면(heterointeface)에서 매우 강한 내부 전기장(built-in electric field, BIEF)이 형성된다. 이 내부 전기장이 강한 유전손실을 유도하여 X-band (8~12 GHz) 주파수 영역*에서 2.5mm 두께의 스텔스 성능(반사손실 RL)을 보여주었고 47.5dB, 유효밴드범위가 6.3GHz인 우수한 전자파 흡수 성질 및 스텔스 성능을 가진다는 것을 밝혔다. ▲ 맥신-ZIF 하이브리드의 계면에 형성된 내부전기장(BIEF) 효과 및 BIEF효과에 의해유도된 우수한 스텔스 성능 연구팀은 개발된 맥신 나노소재가 저주파인 라디오파(RF)에서부터, X-band, 테라헤르츠, 적외선에 이르는 광범위한 주파수 영역에서 우수한 전자기파 차폐 및 흡수 성능을 가지는 소재임을 확인하였다. 이를 활용하면 스텔스 응용뿐 아니라 통신/전자소자용 차폐 소재, 적외선 스텔스, 적외선 위조 방지 등 다양한 기술로 활용 가능하다. 구종민 교수는 “맥신 소재는 향후 국내 KF-21 스텔스 전투기 제작사업에서 스텔스 소재로 활용할 수 있으며 그 외에도 최첨단 고집적 전자소재 그리고 전기 자동차의 유해 전자파 흡수 소재로도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 사업, 출연연융합연구사업과 포스코(POSCO)의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 Advanced Materials(IF: 29.4)와 Nature Reviews Electrical Engineering 저널에 동시에 온라인 게재되었다. ○ 관련 언론보도 - 성균관대 "구종민 교수팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발" <에듀동아, 2024.04.04.> - 성균관대 구종민 교수팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 <이뉴스투데이, 2024.04.04.> - 성균관대 구종민 교수팀, MXene 전자기파 흡수 소재 개발 <브릿지경제, 2024.04.04.> - 성균관대 구종민 교수 연구팀 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 <베리타스알파, 2024.04.04.> - 성균관대 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 <팝콘뉴스, 2024.04.04.>

    2024-04-04

  • 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀,  나무에서 추출한 친환경 소재 리그닌을 백신으로
    김재윤 교수 연구팀, 나무에서 추출한 친환경 소재 리그닌을 백신으로

    김재윤 교수 연구팀, 나무에서 추출한 친환경 소재 리그닌을 백신으로 - 목재 폐기물 리그닌을 고부가가치 바이오메디컬 소재로 활용 - 자가면역질환인 다발성 경화증 치료 백신 효과 검증 ▲ (왼쪽부터) 김재윤 교수(교신저자), Ngoc Man Phan 학생(공동 제1저자), Thanh Loc Nguyen 박사(공동 제1저자) 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(공동 제1저자 Ngoc Man Phan 석박사통합과정 학생, Thanh Loc Nguyen 박사후연구원)이 나무에서 추출한 친환경 소재를 백신으로 활용하는 기술을 개발하였다. 최근 기후 위기를 극복하기 위한 온실가스 감축의 중요성이 대두되고 있다. 탄소중립을 구현하기 위한 여러 접근 방법 중 천연물 소재 활용에 관한 관심이 높아짐에 따라 천연물 소재 기반의 지속가능 비즈니스에 대한 수요도 빠르게 증가하고 있다. 리그닌(lignin)은 나무의 20~30%를 차지하는 주요 구성 물질이다. 리그닌은 나무의 다른 주요 구성 물질인 셀룰로오스 섬유를 결합해 나무의 강도를 높이는 접착제 역할을 한다. 리그닌은 나무의 주요 구성 물질이지만 그동안 종이나 바이오연료를 생산하는 과정에서 부산물로 처리되어 폐기되거나 땔감으로 활용되는 수준에 머물렀다. ▲ 나무의 주요 구성 성분인 리그닌 모식도 하지만, 최근 북유럽을 중심으로 리그닌을 활용한 친환경 제품 개발에 대한 노력이 계속되고 있다. 예를 들어, 기존 석유화학제품을 대체할 수 있는 리그닌 기반 접착제를 상품화하거나, 리그닌을 활용한 배터리 양극소재 개발 연구가 진행되고 있다. 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀은 리그닌을 고부가가치 백신으로 활용하는 기술을 개발하여 이를 자가면역질환인 다발성 경화증의 치료에 적용하였다. 다발성 경화증은 뇌, 척수 등 중추신경계에 발생하는 자가면역질환으로 신경 통증, 마비, 시신경염, 감각장애, 운동장애, 사지마비 등의 증상을 보이는 질환이다. 현재까지 완치법은 없는 것으로 알려져 있어 주로 스테로이드제나 질병 완화제 등으로 병의 진행을 늦추고 증상을 조절하는 수준에 그치고 있다. 연구팀은 천연 폴리페놀 화합물인 리그닌이 면역세포가 과도하게 활성화하는 것을 억제한다는 사실을 확인하고, 리그닌 나노입자에 자가항원을 결합한 치료 백신을 제작하였다. ▲ 리그닌 나노입자 백신에 의한 다발성 경화증 면역치료 과정 척수를 공격하는 자가면역 반응으로 인해 뒷다리가 마비된 다발성 경화증 생쥐에게 리그닌 나노입자 백신을 접종한 결과 마비 증세가 회복되어 뒷다리를 모두 사용하여 걸을 수 있는 치료 효과를 보였다. 연구팀은 생쥐에게 백신접종 후 중추신경계에 침입한 자가반응성 면역세포가 현저히 감소하고 몸 안의 면역 균형이 회복되었음을 확인하였다. ▲ 자가항원과 면역억제약물이 결합된 리그닌 나노입자 백신의 주사전자현미경 사진 김재윤 교수는 “지속가능 천연물 소재인 리그닌을 고부가가치 면역 치료용 소재로 활용할 수 있는 가능성을 확인하였다”며 “치료 효율을 높이는 추가 연구를 통해 다양한 면역 치료를 위한 소재 플랫폼 확보에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 이번 연구는 산림청과 과학기술정보통신부의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 게재되었다. ※ 논문제목: ROS-Scavenging Lignin-Based Tolerogenic Nanoparticle Vaccine for Treatment of Multiple Sclerosis ※ 저널: ACS Nano(IF: 17.1) ※ 논문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c04497

    2024-04-02

  • 1,000시간 빛 조사 후, 초기효율 97% 보존되는 페로브스카이트 태양전지 개발
    1,000시간 빛 조사 후, 초기효율 97% 보존되는 페로브스카이트 태양전지 개발

    1,000시간 빛 조사 후, 초기효율 97% 보존되는 페로브스카이트 태양전지 개발 - 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성 향상과 상용화 기대 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 장춘양 박사(제1저자), 성균관대 박남규 교수(교신저자), KAIST 화학과 김형준 교수(공동 교신저자) 화학공학/고분자공학부 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)는 장춘양 박사(제1저자, 성균관대 박사후연구원), 김형준 교수(KAIST, 화학과)와 함께 박막과 전자전달층의 계면 접착성을 크게 향상시키는 기술을 개발하여 장기안정성이 우수한 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공하여 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화에 기여할 것으로 보인다. 페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발 ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정된 바있다. 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지의 효율을 상회하는 결과가 발표되지만, 장기적인 광(빛) 안정성 확보는 여전히 연구개발 중이다. 연구팀은 페로브스카이트와 전자전달층 계면의 약한 접착성으로 인해 페로브스카이트 태양전지가 쉽게 열화된다는 점에 착안하여, 계면 연구를 통하여 장기안정성을 획기적으로 향상하는 데 성공하였다. 전자전달층으로 사용되는 주석산화물 SnO2 박막 위에 용액공정으로 성장시킨 페로브스카이트 박막의 SnO2 접한 계면을 박리하여 초기 상태와 작동 후 상태를 분석한 결과 SnO2 계면에 형성된 페로브스카이트는 일함수*가 다른 페로브스카이트/페로브스카이트 호모접합**으로 이루어져 있음을 밝혔으며, 계면의 약한 접합성은 이러한 호모접합**과 관련성이 있음을 이해하였다. (그림 1) * 일함수: 일반적으로 금속에서 한 개의 전자를 떼어 낼 때 필요한 에너지를 일함수 (Workfunction)라고 한다. 반도체 경우 진공 에너지와 반도체 페르미에너지 간 차이가 일함수에 해당됨. ** 호모접합: 단일 조성을 갖는 물질 간 (전자)도핑 정도가 다를 경우 생성되는 계면을 호모접합(Homojunction). 참고로, 조성이 다른 물질간 도핑 정도가 다를 경우 헤테로접합(Heterojunction)이라고 함. [그림 1] 페로브스카이트 태양전지 구조 및 계면(A). 박리된 SnO2 표면의 전자주사현미경 사진과 KPFM 사진(B,C). 박리된 페로브스카이트 표면 전자주사현미경 사진과 KPFM 및 AFM 사진(D-F). SnO2 계면의 페로브스카이트 필름의 태양전지 작동전과 후의 일함수 (WF)와 밴드갭(G,H). 연구팀은 주석산화물 SnO2 박막 표면에 특정 작용기를 갖는 분자를 흡착시키는 방법을 고안하여 우수한 계면 특성을 갖는 페로브스카이트 박막을 제작하였으며(그림 2), 접착성이 향상된 것을 실험 및 계산과학을 통하여 증명하였다. 이러한 계면 엔지니어링을 통하여 제작된 페로브스카이트 태양전지는 계면 처리하지 않은 태양전지에 비해 효율도 25.3%로 상승할 뿐 아니라, 1,000시간의 계속된 빛 조사(light soaking) 후에 초기효율의 97%를 유지하는 장기안정성이 뛰어난 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.(그림 2). [그림 2] SnO2 표면에 특정 작용기를 갖는 분자를 표면 처리한 모식도 (위). -C3≡N 작용기를 갖는 분자를 표면처리할 경우 페로브스카이트 장기안정성이 가장 좋음(아래) 이번 연구 성과는 에너지 분야 세계적 권위지인 줄(Joule, IF: 39.8)에 지난 3월 15일에 발표되었으며, 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더과제 지원으로 수행되었다. ※ 논문제목: Work function tuning of a weak adhesion homojunction for stable perovskite solar cells ※ 논문 원본파일: https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00098-9

    2024-04-01

  • 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀, 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술인 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표
    이동엽 교수, 첨단바이오공정의 핵심 기술 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표

    이동엽 교수 연구팀, 첨단바이오공정의 핵심 기술 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표 - 가상세포 수리모델과 빅데이터 기반 AI 모델을 통합한 세포 디지털 트윈 - 글로벌 바이오의약품 생산공정의 본격적인 디지털 전환화 기대 ▲(왼쪽부터)성균관대 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수, 공과대학 박서영 연구교수,최동혁 석박통합과정생 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수팀이 글로벌 바이오의약품 생산공정의 디지털 트랜스포메이션(DX)를 촉진할 수 있도록 맞춤형으로 설계된 디지털 CHO* 가상세포 모델과 예측 시뮬레이션 기술들을 발표하였다. * CHO(Chinese hamster ovary) 세포: 바이오 의약품(항체와 같은 재조합 단백질)을 생산하는 주요한 동물세포주이다. 중국 햄스터의 난소에서 추출되어 사용되어 왔으며, 세포 유래 바이오 의약품 중 70% 이상이 CHO를 통해 생산된다. 디지털 가상세포 모델은 실제 세포의 유전체 정보로부터 수학적으로 디지털화한 소위 ‘세포 네비게이터’ 혹은 ‘세포 디지털트윈’으로 이를 활용해 여러 환경 및 유전 조건에서 실제 세포의 거동과 내부 대사흐름 및 조절을 모사하고 세포의 변화 양상을 예측할 수 있다. 특히 CHO 세포는 현재 4,700억불 이상의 바이오의약품 시장에서 가장 많이 이용되고 있는 동물 세포주로 2016년 이동엽 교수 연구팀이 이끈 국제 공동연구를 통해 ‘CHO 가상세포 모델(CHO-GEM)’이 최초로 개발되었다. 지난 10년간 CHO-GEM은 바이오의약품 생산 세포주의 특성을 파악하고 다양한 배양공정 연구에 활용되어 왔으나 미래의 차세대/첨단 바이오공정에서는 실시간 데이터의 활용 및 분석, 예측 모델링과 제어를 위한 디지털 전환기술이 필수적으로 요구된다. 연구팀은 다양한 동물세포주와 실시간 배양조건에 따른 세포 생장, 그리고 단백질 의약품의 생산량, 품질 변화 등을 정밀하게 예측하기 위해 대사과정과 더불어 대사조절, 신호전달, 효소활성, 단백질 당화 및 분비 등의 핵심적인 생물학적 기작들을 하나로 통합하여 디지털 세포 토탈시스템을 새롭게 제안하였다. 제1저자인 성균관대 박서영 연구교수는 “배양 공정의 실시간 데이터와 효소활성 데이터를 활용한 AI 모델을 통해 대사반응 시뮬레이션에 대한 예측 오차를 획기적으로 감소시킬 것으로 예상한다”라고 밝혔다. 공동 제1저자인 최동혁 석박통합과정생은 “개발 중인 DX 기반의 토탈시스템을 적용하게 되면 온도, pH, 배지조건 등 다양한 공정조건을 자유롭게 조절해 바이오의약품의 품질과 생산성을 향상시키는 구체적인 전략을 도출할 수 있을 것”이라고 하였다. 이동엽 교수는“바이오공정 디지털 트윈 개념을 새롭게 제시한 이후, 현재 다양한 핵심기술들(센서 및 실시간 모니터링, 데이터관리, AI 예측모델링, 가상세포모델링, 공정제어)에 대한 새로운 접근 방법과 기술적 전략들을 연구하고 있다.”라고 전하며 “세포 및 유전자 치료제나 배양육 생산 등과 같은 동물세포 기반의 DX 공정 분야로 확장시키는 연구도 동시에 진행하고 있다”라며 앞으로 선보일 연구결과물에 대한 기대감을 나타냈다. 한국연구재단의 기초연구실사업(BRL)과 연구개발특구진흥재단의 화이트바이오 혁신 클러스터 사업으로 수행된 이번 연구성과는 셀프레스(Cell Press)에서 발행하는 생명공학 분야에서 권위 있는 저널인 ‘생명공학 동향(Trends in Biotechnology)’에 2024년 3월 28일 온라인 게재되었다. ※ 저널: Trends in Biotechnology(2024), Impact factor 17.3 (2022년 기준), JCR 생명공학 및 응용미생물학 분야 상위 1.6% 저널 ※ 논문명: Driving towards digital biomanufacturing by CHO genome-scale models ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.03.001 ※ 저자 정보: 박서영(성균관대학교, 공동제1저자), 최동혁(성균관대학교, 공동제1저자), 송진승(성균관대학교), 이동엽(성균관대학교, 교신저자) 포함 총 9명 ○ 관련 언론보도 - 성균관대 이동엽 교수팀, ‘디지털 동물세포 토탈시스템’ 발표 <대학저널, 2024.03.29.> - 성균관대 "이동엽 교수팀, 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술인 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표" <에듀동아, 2024.03.29.> - 성균관대, 바이오공정의 핵심 기술 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표 <이뉴스투데이, 2024.03.29.> - 성균관대 이동엽 교수 연구팀 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술 '디지털 동물세포 토탈시스템' 발표 <베리타스알파, 2024.03.29.> - 성균관대 이동엽 교수 연구팀, 첨단바이오공정의 핵심 기술인 '디지털 동물세포 토탈시스템' 발표 <뉴스티앤티, 2024.03.30.>

    2024-03-29

  • 박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발
    박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발

    박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 - 기업과 공동연구 통해 상용화 도전 ▲ (왼쪽부터) 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수, 융합생명공학과 박우람 교수, (주)메디아크 김세나 대표, 서희승 박사과정생, 한준혁 박사 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수와 융합생명공학과 박우람 교수 연구팀은 (주)메디아크(대표 김세나) 연구팀과 다기능성 글라이콜 키토산 하이드로젤과 DNA에 항암제인 독소루비신(doxorubicin)을 결합한 DNA/독소루비신 나노 복합체를 이용하여 유방암의 치료 및 재발 억제가 가능한 신규 면역항암 치료법을 개발하는데 성공했다고 29일 밝혔다. 암 수술 후에는 수술로 인한 몸의 면역 체계 교란, 수술 부위의 염증 반응, 그리고 종양 미세환경의 변화 등으로 인해 우리 몸의 면역 기능이 약해질 수 있다. 이렇게 약해진 면역 기능은 수술 후 남아있는 암세포의 성장과 전이를 촉진할 수 있고, 암의 재발 위험을 높일 수 있다. 따라서 암의 재발을 예방하고 치료 효과를 높이기 위해서는 암 수술 후에는 수술 부위 주변의 면역 기능을 강화하는 것이 중요하다. 글라이콜 키토산은 게, 새우, 및 곤충 등의 외골격에서 추출한 키틴을 가공하여 얻은 키토산을 에틸렌옥사이드와 반응시켜 만들어지는 물질로 약물전달, 조직재생, 및 상처치유 등 다양한 의공학 분야에 활용되고 있다. 본 연구에서는 글라이콜 키토산은 항원제시세포, 특히 수지상세포의 성숙을 유도하여 T세포를 활성화시킬 수 있음을 밝히고 신규 면역 항암 치료제로 개발하였다. ▲ DNA/독소루비신 복합체가 탑재된 글라이콜 키토산 하이드로젤을 활용한 종양 면역 치료 모식도 연구팀은 생쥐 유방암 모델에서 종양을 외과적 수술로 제거한 후, 기능성 나노 하이드로젤 복합체를 종양 부위에 이식하였을 때 나타나는 항암 효과를 평가하였다. 그 결과, 하이드로젤 복합체가 종양의 재발과 성장을 억제하고 생존 기간을 연장시키는 우수한 효능을 보여주었다. 이는 하이드로젤이 국소적이고 장기적으로 면역 반응을 활성화시켜 암세포의 재발과 전이를 효과적으로 억제할 수 있음을 시사하며, 향후 유방암 환자의 수술 후 보조 요법으로 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 이 연구에서 개발된 새로운 다기능성 글라이콜 키토산 하이드로젤을 활용한 면역항암 치료 기술은 암 치료뿐만 아니라 수술 후 암의 재발을 억제하여 환자의 예후를 개선하는 데 기여할 것으로 기대된다. 이는 암 환자에게 더 나은 치료 옵션을 제공할 수 있는 가능성을 보여준다. ▲ 생쥐 유방암 모델에서 종양을 외과적으로 절제 후 DNA/독소루비신 복합체를 탑재한 글라이콜 키토산 하이드로젤 이식에 의한 종양 재발 및 전이 억제능 평가 박천권 교수는 “효과적인 면역치료를 위하여 생체재료, 면역학 및 약물전달학같은 다학제적 접근을 통해 우수한 면역항암 병용 치료법을 개발할 수 있었다”라고 전하며 “암 환자에게 도움이 될 수 있는 다양한 의료기술 개발을 목표로 신규 다기능성 약물전달시스템 연구에 매진하고 싶다”라며 후속 연구계획을 설명했다. ㈜메디아크 김세나 대표는 “산학협력으로 좋은 연구 결과를 얻게 되어 기쁘며, 추후 암 환자에게 도움이 될 수 있는 다양한 의료기술로의 상용화에도 도전하겠다”라며 후속 연구계획을 설명했다. 한국연구재단 및 한국과학기술연구원(KIST)-성균관대학교(SKKU) 융합연구단이 추진하는 연구사업으로 수행된 이번 연구 결과는 생체재료 분야 바이오머티리얼즈 리서치(Biomaterials Research, IF: 11.3, JCR 상위 4.69%)에 3월 23일 온라인 게재되었다. ※ 논문제목: Enhanced Post-Surgical Cancer Treatment Using Methacrylated Glycol Chitosan Hydrogel for Sustained DNA/Doxorubicin Delivery and Immunotherapy ※ 저널: Biomaterials Research(Impact Factor: 11.3) ※ 논문링크: https://spj.science.org/doi/10.34133/bmr.0008 ○ 관련 언론보도 - 성균관대-메디아크 연구팀, 유방암 수술 후 재발·전이 억제기술 개발 <아시아투데이, 2024.03.31.> - 성균관대, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 재발, 전이 억제기술 개발 <코리아헬스로그, 2024.04.01.> - 성균관대 박천권/박우람 교수 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발/전이 억제기술 개발 <베리타스알파, 2024.03.29.> - 성균관대 박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 <교수신문, 2024.03.29.> - 성균관대 박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 <이뉴스투데이, 2024.03.29.> - 성균관대 박천권·박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 <뉴스티앤티, 2024.03.29.> - 성균관대, 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 <대학저널, 2024.03.29.> - 성균관대 , 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 <한국대학신문, 2024.03.29.> - 성균관대 박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 <팝콘뉴스, 2024.03.29.>

    2024-03-29

  • 양자생명물리과학원 조한상 교수, 반복적인 보톡스 투여의 뇌 면역체계 교란 및 뇌 신경손상 유발 규명
    양자생명물리과학원 조한상 교수, 반복적인 보톡스 투여의 뇌 면역체계 교란 및 뇌 신경손상 유발 규명

    양자생명물리과학원 조한상 교수, 반복적인 보톡스 투여의 뇌 면역체계 교란 및 뇌 신경손상 유발 규명 - 약물중독에 의한 뇌질환 기전 연구 및 치료제 개발 초석이 될 연구 - Advanced Science 2월호 게재 ▲ 양자생명물리과학원 조한상 교수(왼쪽, 교신저자)와 Ghuncha Ambrin(오른쪽, 제1저자) 양자생명물리과학원(IQB) 생명물리학과 조한상 교수 연구팀은 매사추세츠주립대(Massachusetts Dartmus) Bal Ram Singh 교수, 노스캐롤라이나주립대(North Carolina Charlotte) Charles Y. Lee 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 반복적으로 투여된 보톡스가 말초신경을 거슬러서 뇌로 침투하여 뇌 면역체계를 교란시키고 뇌 신경세포 손상을 유발한다는 사실을 세계 최초로 규명하였다. 보툴리눔 톡신(Botulinum Neurotoxin)은 식중독균인 클로스트리디움 보툴리눔(Clostidiumbotulinum)이 생산하는 신경독소(neurotoxin)로서 적절한 치료를 하지 않으면 호흡이 마비되어 사망할 수 있으며 사망률이 5~10%에 이르며 이는 다른 식중독에 비해 높은 편이다. 하지만 이 보툴리눔 톡신을 극소량으로 한정적인 부위에 선택적으로 사용하면 근육 및 신경질환 등의 증상을 치료하거나 미용 성형 분야에서 주름제거 효과가 있어 저농도의 보툴리눔 톡신 A는 보톡스(Botox)라는 이름으로 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. 조한상 교수 연구팀은 3차원 미세유체요소 기반의 플랫폼에 인간 신경 줄기세포와 면역세포를 3차원 배양한 인간 미니뇌 모델을 개발하고, 이를 활용하여 보톡스에 의해 유도되는 뇌 신경염증 활동 및 뇌 신경세포 손상을 구현하고 그에 관한 세부 기전을 명시했다. 반복적으로 투여된 보톡스는 신경세포 분비 전달물질인 아세틴콜린의 양을 줄이고 이에 따라 미세아교세포가 활성화하고 전환성장인자에 의해 신경세포의 보완단백질(C3, C5)이 생성된다. 연구팀에 따르면 미세아교 세포의 염증 활동이 신경세포 시냅스를 감소시키고 치매유도물질로 알려진 타우(tau) 단백질을 축적하며 신경세포 사멸을 유도한다는 것이다. ▲ 인간 미니뇌에서 보톡스 처리 전(좌)에 비해 처리 후(우)에 줄어든 신경세포 조한상 교수는 “이번 연구결과는 보톡스의 반복적인 투여가 퇴행성 뇌질환을 일으킬 수 있음을 밝힘으로써 보톡스 투여에 대한 경각심을 높일 수 있을 것이다”라고 설명했다. 이번 연구결과는 다학제 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF: 15.1) 2월호에 게재되었다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 과학기술정보통신부 및 보건복지부 치매극복연구개발사업(Korea Dementia Research Center, KDRC)의 지원으로 수행되었다. ※ 논문제목: Botulinum Neurotoxin Induces Neurotoxic Microglia Mediated by Exogenous Inflammatory Responses ※ 저널: Advanced Science ※ DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202305326

    2024-03-28

  • 성균관대-포스텍, 탈부착하는 조립형 탄성 메타물질 개발
    성균관대-포스텍, 탈부착하는 조립형 탄성 메타물질 개발

    포스텍-성균관대, 탈부착하는 조립형 탄성 메타물질 개발 <전자신문, 2024.03.28.>

    2024-03-28

  • 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 공동연구팀, 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발
    화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발

    화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발 - 종양 내부 산소 공급으로 압전촉매 기반 항암 치료 효과 증진 확인 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 방석호 교수, 인천대 심민석 교수, 고려대 봉기완 교수 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀은 인천대 나노바이오공학전공 심민석 교수 연구팀, 고려대 봉기완 교수 연구팀과 공동연구를 통해 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체를 개발하였다. 암 치료법은 암의 종류, 진행 정도, 개인의 건강 상태 등에 따라 다양하다. 그 중 널리 알려진 방법은 수술을 통한 종양 절제와 방사선 치료를 통한 종양 파괴 및 성장 억제, 항암 약물 치료 등이 있다. 하지만 이들은 종양의 위치, 개인의 건강 상태 등 환자의 조건에 큰 영향을 받는 방식이라 한계가 분명하며 새로운 방식의 항암 치료법이 계속 연구되고 있다. 기존 암 치료의 경우 화학요법으로 인한 부작용으로 주변 정상 조식의 세포 사멸이 일어나는 위험이 있어 외부 물리력을 받아 활성산소를 생성하여 암세포의 사멸을 유도하는 압전 나노 물질 기반의 항암 치료법이 효과적인 암 치료 전략으로 주목을 받고 있다. ▲ 압전촉매 기반 pH 반응성 다종 구획 운반체의 암세포 사멸 기전 압전 나노 물질의 경우 초음파와 같은 기계적인 자극을 받아 압전촉매 효과에 의한 산화환원 반응을 통해 활성산소를 생성하여 세포의 사멸을 유도하는데, 이런 치료법은 물질의 투여 이후 목표 부위에만 초음파를 조사하여 선택적으로 암세포를 제거할 수 있다. 그러나 활성산소를 생성하는 과정에서 산소가 소모되고, 물질이 투여된 암 내부는 저산소 환경이라는 한계점이 존재한다. 이에 공동 연구팀은 주입된 압전 나노 물질이 효과적으로 활성산소를 발생시킬 수 있도록 종양 내부에서 자체적으로 산소를 공급할 수 있는 압전촉매 기반의 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체를 개발하였다. 이 입자는 압전촉매인 금 나노입자 코팅 산화아연 나노로드(Au@P-ZnO NRs)와 산소를 생성할 catalase(CAT)를 탑재하였고, 산성 조건에서 분해되도록 설계되었다. 산성 조건인 종양 내부에 주입된 입자는 순차적으로 분해되고, 초기에 먼저 방출된 CAT는 암세포 내부로 들어가 산소를 생성하며 이것은 나중에 방출되는 Au@P-ZnO NRs의 활성산소 발생 효율을 증가시켜 높은 효율의 세포 사멸을 유발한다. 위와 같은 특성은 산성 조건인 종양 내부에서만 작동하여 주변 정상 조직의 피해를 줄일 수 있다. 나아가 연구팀은 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체가 실제 마우스의 종양에 주입되어 암세포의 빠른 세포 사멸을 유도하였음을 확인할 수 있었고, 저산소 조건에서 발현되는 인자인 Hif-1 alpha의 발현도 크게 감소한 것을 확인하였다. ▲ pH 반응성 다중 구획 약물 전달체의 in vivo 치료능 확인 방석호 교수는 “후속 연구를 통해 임상 연구에서의 실제 응용 가능성을 확인할 예정”이라고 설명했다. 연구팀의 이번 연구 결과는 화학공학 분야 세계권위지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 19) 저널에 1월 24일 온라인 게재되었으며 내부 표지 논문(inside cover)으로 선정되었다. ※ 논문제목: Oxygen-Supplying Piezocatalytic Therapy of Hypoxic Tumors by Intratumoral Delivery of pH-Responsive Multicompartmental Carriers with Sequential Drug Release Capability ※ 저널: Advanced Functional Materials ※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202306078

    2024-03-27