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조새벽 교수 연구팀, 인쇄 가능한 고성능 나노박막 태양전지 분자수준 제어기술 개발

조새벽 교수 연구팀, 인쇄 가능한 고성능 나노박막 태양전지 분자수준 제어기술 개발 ▲ (왼쪽부터) 화학공학/고분자공학부 조새벽 교수, 권현민 박사과정생, 순일바마 박사과정생 국내 연구진이 광감응성 분자잉크의 나노박막 프린팅을 통해 기존 실리콘 수준의 높은 에너지 변환율을 구현할 수 있는 태양전지 소재를 개발했다. 화학공학/고분자공학부 및 성균에너지과학기술원(SIEST) 조새벽 교수 연구팀은 이 같은 내용을 에너지 소재 기술 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(IF: 24.4, 상위 3%)에 발표했다. 플라스틱 등 유기소재를 기반으로 하는 유기태양전지(Organic Photovoltaics, OPV) 기술은 차세대 친환경 유비쿼터스 에너지 생산 기술로, 지난 2000년 물리학자 앨런 히거(Prof. Alan J. Heeger)가 해당 분야의 신소재 발견을 통해 노벨 화학상을 수상한 이후 많은 주목을 받아왔다. 유기소재의 특성상 잉크형태로 제조할 수 있어 단순한 프린팅을 통해 저가의 대면적 대량생산이 가능하며, 유연한 기판 위에 인쇄하게 되면 깨지지 않고 유연한 초경량 태양전지를 구현할 수 있는 신기술로서 개발되고 있다. 그러나 이러한 특성들은 필연적으로 소재의 화학적인 복잡성과 높은 무질서도를 동반하며 빛을 전기로 변환하는 과정에서 많은 열 발생을 유도한다는 점이 고질적인 문제점으로 지적되어 왔다. 또한 태양전지로서의 성능이 프린팅 과정의 환경과 조건에 영향을 크게 받아 대량생산의 걸림돌이 되었었다. 조 교수 연구팀은 이러한 높은 열적 에너지 손실의 근본적인 원인이 광감응성 분자잉크에서 발생하는 빛에너지의 흡수 및 변환 과정에서 일어남에 주목하였다. 플라스틱과 같이 기계적으로 유연한 소재는 분자수준(나노미터 이하)에서도 높은 유연성을 가지는데, 이러한 소재가 빛을 흡수하게 되면 분자구조의 변형이 일어나게 된다. 이때 변형의 정도는 열의 전도를 매개하는 열진동자(포논, Phonon)라는 준입자와 유사한 에너지를 가지기 때문에, 분자의 구조적 변화가 커질수록 열진동자가 활발하게 형성된다는 점을 발견하였다. 연구팀은 피코초(10의 12제곱 분의 1초) 수준의 해상도를 가지는 초고속 레이저 분광학 인프라를 기반으로 이러한 전이 및 형성과정을 직접 관찰하였으며, 이들과 분자의 구조 간의 상관관계를 밝혀냈다. 또한 기존의 1차원 형태였던 광감응성 분자를 2차원의 구부러진 사다리 형태(Ladder-type)로 구현하고 이들 내부의 전자 분포를 화학적인 개질을 통해 제어함으로써 기존의 높은 광감응성과 유연성, 인쇄친화성은 그대로 유지하면서도 열진동자의 생성을 억제하는 분자의 설계 방법을 제안하였다. 연구팀이 이렇게 구현한 나노박막 태양전지는 인쇄 조건이나 환경에 의한 영향을 거의 받지 않으며 기존 무기소재 기반의 태양전지만큼 뛰어난 광에너지 전환율(>86%)를 구현할 수 있었다. ▲ 상용 무기소재, 기존 연구 및 본 연구의 에너지 변환율 비교 조새벽 교수는 “본 연구를 통해 기존의 친환경성 및 유연성을 유지한 채 성능을 높인 태양전지용 분자 소재의 설계 원리를 개발했다”며 “향후 범용적인 친환경 에너지 소재의 주요 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. ▲ 본 연구에서 사용된 분자의 구조와 열에너지 손실과정 해석 결과 본 연구는 화학공학과 권현민, 순일바마 박사과정생이 제1저자로 참여하였고, 한국연구재단의 우수신진연구사업의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명: Molecular Design Motifs of Non-fullerene Acceptors for Mitigating All Inherent Non-Ideal Energy Losses in Organic Photovoltaics ※ 저자정보: 권현민 박사과정생(제1저자), 순일바마 박사과정생(제1저자), 조새벽 교수(교신저자) ※ 저널: Advanced Energy Materials(IF: 24.4) ※ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202304558

2024-09-05

기계공학부 변도영 교수 연구팀, 세계 최초 변형 유도 일함수 특성 활용, 유연 나노발전기 설계

기계공학부 변도영 교수 연구팀, 세계 최초 변형 유도 일함수 특성 활용, 유연 나노발전기 설계 - 0.01Hz 수준의 초저주파 영역에서 2.3mA/m2 전력밀도 달성 - 에너지 분야 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 게재 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 변도영 교수(교신저자), 경상국립대 조대현 교수(교신저자), 성균관대 문준경 석박통합과정생(제1저자), 성균관대 임부시 석박통합과정생(공저자) 기계공학부 변도영 교수 연구팀은 경상국립대학교 조대현 교수(메카트로닉스공학부) 연구팀, 부산대학교 이승기 교수(재료공학부) 연구팀과의 공동연구를 통해 세계 최초 변형 유도 일함수 특성을 활용한 유연 나노발전기 개발에 성공했다. 생물의학 및 웨어러블 기술이 발전하고 디바이스 자체 전원 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 초저주파 진동으로부터 전기를 얻을 수 있는 효율적인 전력 생산 및 공급의 필요성이 대두되었다. 그러나 기존 마찰전기 나노발전기는 0.1Hz 이하의 초저주파에선 전력 생산 및 공급의 효율이 급격히 줄어드는 문제가 있었다. 변 교수 공동연구팀은 기계적 변형을 이용해 금과 유전체층 계면에서의 전위 평형 상태를 파괴, 유도된 일함수 변화에 대한 응답으로 전위 평형을 다시 맞추기 위해 전하 이동을 유도하는 메커니즘을 접목한 나노발전기를 세계 최초로 개발하였다. 이 나노발전기는 0.01 Hz 수준의 초저주파 영역에서 2.3mA/m2 전류밀도를 달성했고 0.5 Hz에선 4.8mA/m2를 달성하여 이전에 보고된 결과를 훨씬 능가한 최고 수준의 성능을 보여주었다. 또한, 기존 마찰전기 나노발전기의 접촉-분리 반복공정에 의한 마찰손상 문제를 배제, 1,000,000 사이클 후에도 성능저하 없이 안정적인 출력을 유지해 뛰어난 내구성을 입증하였다. 이 발전기는 일반적인 시계 끈에 장착할 수 있을 정도로 얇게 제작 가능하고, 손가락을 움켜쥐는 것만으로도 커패시터를 충전하여 LED 전원 공급 및 모스부호 신호 생성이 가능하다. 기존 전원을 사용할 수 없는 위급한 상황에서 비상 통신을 위한 전력을 생산할 수 있는 혁신적인 방법을 제시한 셈이다. 변도영 교수는 “변형에 의해 일함수가 조정될 수 있는 재료에 대한 폭넓은 선택성으로 인해 향후 연구 개발 방향은 무궁무진”하다며 “이번 기술이 나노발전기 연구의 획기적 발전을 촉진하고 기술 수준을 전례 없는 수준으로 끌어올릴 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀의 이번 연구성과는 에너지 분야에서 권위있는 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’(IF: 32.4) 에 8월 23일자 게재되었다. ※ 논문명: Strain-induced electrification-based flexible nanogenerator for efficient harvesting from ultralow-frequency vibration energy at 0.5–0.01 Hz ※ 논문링크: https://doi.org/10.1039/D4EE02225D ※ 저자: 문준경 석박사통합과정(공동1저자, 성균관대 기계공학부), 이승기 교수(공동1저자, 부산대 재료공학과), 임부시 석박사통합과정(공저자, 성균관대 기계공학부), 변도영 교수(교신저자, 성균관대 기계공학부), 조대현 교수(교신저자, 경상국립대 메카트로닉스공학부)

2024-09-03

융합생명공학과 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발

융합생명공학과 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발 - 바이러스를 둘러싸 무력화하는 혁신적 저해제 개발 ▲ 융합생명공학과 정우재 교수(왼쪽)와 정진효 박사(오른쪽) 융합생명공학과 정우재 교수 연구팀이 인플루엔자 바이러스를 효과적으로 무력화할 수 있는 수용체 모방 나노필라멘트 항바이러스제를 개발했다. 포스트 팬데믹 시대를 맞아 학계에서는 호흡기 질환 바이러스의 신변종 출현에 신속히 대응할 수 있는 저해제 연구가 계속되고 있다. 이러한 연구는 바이러스 감염 기전을 근본적으로 차단하는 것을 목표로 하며 기존 치료법으로 대응이 어려운 변종 바이러스에도 효과를 발휘할 가능성을 지닌다. 이는 향후 공공 보건 시스템에 도입되면 팬데믹 대응 전략의 핵심 요소로 활용될 것으로 기대된다. 정우재 교수 연구팀은 바이러스가 사람의 세포에 감염되기 전에 이를 밧줄처럼 둘러싸 무력화시키는 ‘나노필라멘트 저해제’를 개발했다. 이 저해제는 인플루엔자 바이러스가 세포에 달라붙는 수용체를 모방한 화합물을 활용해, 바이러스가 숙주 세포에 침투하지 못하게 막는 혁신적인 방식이다. 제안된 소재는 시알산 수용체를 모방한 화합물을 M13 파지 표면에 고밀도로 도입하여 인플루엔자 바이러스와의 결합력을 극대화하고 저해효능을 강화하였다. 이 수용체 모방 나노구조는 다양한 인플루엔자 바이러스 종에 대해 효과적인 저해 효능을 보였다. 또한 동물실험을 통해 수용체-모방 M13 파지의 인플루엔자 치료 및 예방 효과와 안전성이 확인되었으며, 기존 치료제인 타미플루 성분인 오셀타미비르와 병용 투여했을 때 시너지 효과를 보였다. 종합하면 개발된 소재가 내성 발생의 위험을 줄이면서 다양한 인플루엔자 바이러스 종을 효과적으로 저해할 수 있는 저해제로서 활용 가능하다는 것이다. 정우재 교수는 “이번 연구는 기존의 항바이러스제와는 다른 혁신적인 방법으로 바이러스를 무력화하는 기술을 제시한 것”이라며, “향후 이 연구는 실제로 사용될 수 있는 치료제로 발전할 가능성이 크다”고 말했다. 정 교수는 “향후 인플루엔자뿐만 아니라 다양한 호흡기 질환 바이러스에 대한 대응 전략으로 확대될 가능성도 기대된다.”고 덧붙였다. 이번 연구는 한국보건산업진흥원 보건의료기술연구개발사업과 한국연구재단 중점연구소지원사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 생체 소재 분야 국제학술지 바이오머티리얼즈(Biomaterials)에 지난 8월 6일 게재되었다. ※ 논문명: Preventive and therapeutic effects of a super-multivalent sialylated filamentous bacteriophage against the influenza virus ※ 저널명: Biomaterials(IF: 12.8) ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122736 ○ 관련 언론보도 - 성균관대 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발 <이뉴스투데이, 2024.08.29> - 성균관대 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발 <뉴시스, 2024.08.29.>

2024-08-29

성균나노과학기술원 김준기 교수, 스위스 취리히 연방공과대학과 양자컴퓨터 확장성 개선 국제 공동연구 출범

성균나노과학기술원 김준기 교수, 스위스 취리히 연방공과대학과 양자컴퓨터 확장성 개선 국제 공동연구 출범 - 주관기관인 성균관대 포함, 국내외 7개 기관 협력 연구 진행 - 2028년까지 총 90억 규모의 정부 지원 연구과제 수주 ▲ 성균관대 김준기 교수(좌), 취리히연방공과대 Jonathan Home 교수(우) 성균나노과학기술원 김준기 교수가 스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich) 물리학과의 Jonathan Home 교수와 공동으로 이온포획 양자컴퓨터의 확장성을 개선하기 위한 연구에 나선다. 본 연구과제(고안정성 3차원 이온포획 기반 다중 연산 영역 이온포획 양자컴퓨팅 개발)는 과학기술정보통신부로부터 2028년까지 총 90억 원의 연구비를 지원받아 국내 6개 기관(성균관대학교(주관), 이화여자대학교, 국민대학교, 서울대학교, 포항공과대학교, 한국기계연구소) 및 해외 협력기관(취리히 연방공과대학)과 함께 수행될 예정이다. 이번 공동연구는 양자컴퓨터의 성능과 확장성을 혁신적으로 개선하는 것을 목표로 한다. 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 고안정성 3차원 이온포획 기술을 개발하고 이를 기반으로 한 다중연산영역 구현을 통하여 양자컴퓨터 확장성 문제를 해결하기 위한 새로운 접근법을 모색한다는 계획이다. 이온포획 기술 전문가인 성균관대 김준기 교수는 활용 가능한 양자컴퓨팅 기술 개발을 목표로 다년간 연구를 이어왔으며 범용 양자컴퓨터 개발 과제를 성공적으로 수행한 바 있다. 김준기 교수는 “이번 연구가 양자컴퓨터의 실용화에 한 걸음 다가가는 것은 물론, 한국과 스위스 간의 과학기술 협력 강화를 위한 중요한 계기가 될 것”이라고 말했다. 한편 우리 대학은 이번 공동연구를 통해 양자컴퓨터 분야에서의 글로벌 연구 역량을 강화하고 양자컴퓨터의 실용화 및 상용화를 위한 연구 성과를 기대하고 있다. 앞으로도 우리 대학은 세계 유수의 연구기관과 협력을 통해 첨단 과학기술 연구를 선도해 나갈 계획이다.

2024-08-28

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 - DNA 최적화 기술과 이중 커피링 기술을 활용해 수은 등 독성 물질 검출 ▲ (왼쪽부터) 성균관대학교 바이오메카트로닉스학과 박주형 박사(제1저자), 채경환 석박통합과정(제1저자), 일리노이대학 김웅 박사(제1저자), 금오공과대학교 류준석 교수(교신저자), 고려대학교 나성수 교수(교신저자), 성균관대학교 박진성 교수(교신저자) 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 고려대 나성수 교수, 금오공대 류준석 교수 연구팀과 공동으로 세계 최초 DNA 염기서열을 최적화하고 이중 커피링* 농축 기술을 이용하여 식품 속 독성 중금속(수은) 이온의 초고민감도 검출에 성공하였다. 연구팀은 이 같은 내용을 저명한 분석화학분야 국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)에 게재하였다. * 커피링(coffee ring) 효과: 커피를 테이블에 흘리면 가장자리에 커피가루가 진하게 남는 현상. 커피 방울의 가장자리와 안쪽의 증발속도 차이로 인해 입자들이 가장자리로 농축되어 나타남. 수은은 아말감 합금 및 디스플레이 소재 등에서 광범위하게 사용되는 물질이나, 인체에 노출되면 중추신경계 마비와 폐 손상을 유발할 수 있는 위험한 독성 물질이다. 수은은 특히 화산 폭발과 같은 자연현상이나 발전소 등에서 배출된 증기가 비를 통해 이동하며 해양 생태계에 축적되고 있다. 이런 이유로 먹이사슬 상위에 있는 참치와 같은 어류에서 수은 농도가 높게 나타날 수 있고 이를 섭취한 인간에게도 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 식품 속 수은 함유량을 정확히 검출하는 기술이 매우 중요하다. 공동연구팀은 기존의 DNA 기반 수은 이온 검출 센서가 가지고 있던 한계를 극복하기 위해 새로운 접근법을 도입했다. 기존 센서들은 DNA 염기서열을 티민으로만 구성해 수은 이온과의 결합 효율을 높이려 했으나, 오히려 DNA 간의 반발력이 크게 작용해 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 수은 이온과 결합 효율이 우수한 DNA 염기서열을 최적화했다. 이 과정에서 연구팀은 PCR-melting curve를 사용하여 DNA와 수은 이온 간의 결합 효율을 극대화할 수 있는 서열을 선정하는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 이중 커피링 효과를 적용해 센서의 민감도를 크게 향상했다. 커피링 효과를 응용해 수은 이온과 최적화된 DNA가 센서의 가장자리로 농축되도록 함으로써 결합 효율을 더욱 높였다. ▲ 본 센서 기판의 최적화 과정과 이를 이용한 참치 속 수은 이온의 검출 메커니즘 모식도 연구팀은 특정 단일파장의 광원을 분석 시료에 조사하여 결합 상태에 따른 진동 에너지의 변화를 고유한 스펙트럼으로 확인하는 라만 분광 기술을 사용하였다. 특히 라만 신호를 극대화하기 위해 표면증강라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)을 적용하였고, 이는 분석 물질이 흡착된 기판의 나노 구조에 따라 성능이 결정된다. 이를 위해 연구팀은 바이메탈 나노 기둥 형태를 제작하여 SERS 기판으로 사용하였고 SERS 기판 위에 DNA를 고정해 수은 이온을 민감하게 검출하였다. * 바이메탈 : 서로 다른 2가지 종류의 접합된 금속 소재 조합을 의미함. 바이메탈 나노소재는 SERS 효과가 증가하는 것으로 알려져 있음. 연구팀은 최적화된 SERS 센서를 이용해 증류수에서는 극저농도인 208.7fM (femto molar, 10-15 M) 농도까지 검출하였고, 실제 수돗물과 식수에서는 각각 553.2fM, 950.2fM까지 검출가능하였다. 또한 참치캔과 참치회 추출물에서는 각각 9.9nM(nano molar, 10-9 M), 79.1nM 농도의 수은을 성공적으로 검출하였다. 교신저자인 우리 대학 박진성 교수는 “이번 연구에서 제안한 센서 기술은 DNA 서열 최적화와 커피링 농축 기술을 결합해 고민감도 SERS 센서의 원천기술을 제시한 것”이라며, “이 기술은 앞으로 독성 물질 검출뿐만 아니라, DNA 기반 바이오센서와 헬스케어 분야에서도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단(중견연구, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업)과 고려대학교의 지원을 받아 진행되었다. ※ 논문명: Highly enhanced Hg2+ detection using optimized DNA and a double coffee ring effect-based SERS map ※ 저널: Biosensors and Bioelectronics(IF: 10.7) ※ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116646 ○ 관련 언론보도 - 참치에 있는 중금속 수은, 초고민감도 센서로 잡아낸다 <조선비즈, 2024.08.26.> - 성균관대-고려대-금오공대 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 <한국대학신문, 2024.08.26.> - 성균관대, 이중 커피링 기술로 수은 초민감도 검출 성공 <뉴스1, 2024.08.26.> - 성균관대-고려대-금오공대 연구팀, 참치 속 수은 검출 센서 개발 <뉴데일리, 2024.08.26.> - 세계 최초 DNA 염기서열 최적화…“참치 속 중금속 검출” <대학저널, 2024.08.26.> - 성균관대-고려대-금오공대 공동연구팀 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 <베리타스알파, 2024.08.26.> - 성균관대 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 <이뉴스투데이, 2024.08.26.>

2024-08-28

화학공학/고분자공학부 양우석 교수 연구팀, 대용량 배터리의 성능 저하 원인 규명

화학공학/고분자공학부 양우석 교수 연구팀, 대용량 배터리의 성능 저하 원인 규명 - 대용량 후막 흑연 전극의 성능 열화 과정 규명 - 전기화학적 임피던스 분광법 활용한 비파괴 분석의 기준 제시 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 양우석 교수, 한국기계연구원 우규희 박사, 성균관대 윤진수 석사과정생, 성균관대 장소희 석사과정생 화학공학/고분자공학부 양우석 교수 연구팀은 전기화학적 임피던스 분광법을 기반으로 리튬 이온 전지의 흑연 후막 음극의 열화 원인을 밝혀냈다고 밝혔다. 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 급속도로 늘어남에 따라 고용량 배터리를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 리튬 이온이 저장량이 높아지도록 후막 전극을 사용하는 배터리가 주목받고 있으나 낮은 안정성 등의 성능적인 단점으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 양 교수 연구팀은 한국기계연구원 우규희 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 배터리를 분해하지 않고 전기화학적으로 배터리의 내부 저항을 측정할 수 있는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 기반으로 흑연 후막 전극의 열화 원인을 해석하고 이를 통한 배터리의 열화 예측이 가능함을 학계에 보고하였다. ▲ 전기화학적 임피던스 분광법을 통해 제시한 흑연 후막 전극의 열화 과정 해당 연구는 흑연 후막 음극에서 발생하는 저항을 전기화학적 임피던스 분광법이라는 비파괴 분석을 통해 측정하여 후막에서만 발견되는 새로운 저항 성분을 제시하고 그 원인을 규명하였다. 리튬 이온이 비정상적으로 증착된 형태인 리튬 덴드라이트가 후막 전극 열화 원인임을 제시하였으며, 해당 열화 원인의 유무를 배터리 분해없이 확인할 수 있는 기준을 제시하였다. 양우석 교수는 “전기화학적 임피던스 분광법을 활용한 후막 전극 열화 원인 해석은 단순한 원인 도출 뿐만 아니라 배터리 열화를 예측할 수 있는 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”며 “현재 상용화되어 있는 리튬 이온 배터리 이외에도 차세대 배터리로서 연구되고 있는 건식 전극 등 다양한 연구 분야에서도 참고 및 활용될 수 있는 분석 모델”이라고 설명했다. 연구팀의 이번 연구는 그 성과를 인정받아 국제학술지인 저널 오브 인더스트리얼 앤 엔지니어링 케미스트리(Journal of Industrial and Engineering Chemistry, IF:5.9) 10월호에 게재될 예정이다. ※ 논문명: Deciphering the degradation mechanism of thick graphite anodes in high-energy-density Li-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy ※ 저널: Journal of Industrial and Engineering Chemistry (IF:5.9) ※ 저자명: Wooseok Yang, Kyoohee Woo(교신저자), Jinsoo Yoon, Sohui Jang(제1저자), Su Hyun Choi, Jaemin Park, Kwang Ho Kim, Ho Seok Park, Sunho Jeong, Sin Kwon(공저자) ※ DOI: doi.org/10.1016/j.jiec.2024.04.020

2024-08-22

약학과 조동규 교수 연구팀, 엑소좀 기반 후성유전 교정을 통한 치매 치료기술 개발

약학과 조동규 교수 연구팀, 엑소좀 기반 후성유전 교정을 통한 치매 치료기술 개발 - 광 절단성 단백질 함유 엑소좀을 이용한 세포 내 치료 단백질 전달 기술 개발 - MAPLEX 시스템 통해 치료 단백체 전달 및 인지능력 개선 등 치료 효과 확인 ▲ 조동규 교수(왼쪽)와 한지훈 박사(오른쪽) 약학과 조동규 교수 연구팀이 빛을 이용한 엑소좀 기반 세포 내 치료 단백질 전달 기술을 개발했다. 조동규 교수와 (주)엑소스템텍이 공동으로 진행한 이번 연구는 엑소좀을 통한 CRISPR 등 치료 단백체를 생체 내에 효과적으로 전달함으로써 알츠하이머 치매 등의 질환 치료에 적용할 수 있음을 보여주었다. 현재 임상적으로 사용되고 있는 단백질 치료제(단일클론항체, 사이토카인, 호르몬)는 모두 세포 외부에서 작용한다. 하지만 대다수의 질병들은 세포 내부에 특정 단백질/유전자의 돌연변이 혹은 이들의 기능 장애로 인해 발병되며, 이러한 질병들을 효과적으로 치료하기 위해서는 치료적 단백질을 세포 내부로 전달하는 기술이 필요하다. ▲ 조동규 교수가 개발한 MAPLEX 시스템과 이의 응용 연구팀은 목적 단백질의 세포 내 전달 매개체로 엑소좀을 이용했다. 연구팀은 광 절단성 단백질인 mMaple3를 목적 단백질과 엑소좀 마커 사이에 융합시켰다. ‘목적 단백질 - mMaple3 - 엑소좀 마커’로 이루어진 융합단백질을 엑소좀 생성 세포에 과발현시켜 엑소좀을 추출한 뒤 405-nm의 빛을 조사해 mMaple3을 절단시켜 목적 단백질을 엑소좀 마커로부터 분리하였다. 연구팀은 빛을 조사한 엑소좀이 목적 단백질을 효과적으로 타겟 세포 내부로 전달한다는 사실을 확인했다. 더 나아가 연구팀은 이 MAPLEX 시스템을 이용하여 CRISPR/Cas 기반 후성유전학 편집기를 알츠하이머 모델 마우스인 3xTg-AD와 5xFAD의 뇌에 효과적으로 전달함으로써, 아밀로이드 생산 효소인 Bace1의 발현을 감소시키고 인지기능 개선을 비롯한 치료 효과를 확인했다. 약대 조동규 교수는 “바이러스 사용 없이 다양한 치료 단백질을 세포 내부로 효과적으로 전달 할 수 있는 새로운 전달 시스템을 개발한 연구”라며 “이 시스템을 이용하여 CRISPR 기반 유전자 교정 및 다양한 치료 단백질의 전달이 가능할 것이며 이를 통해 다양한 질환 치료제 개발이 가능할 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 선도연구센터(MRC) 등의 지원으로 수행되었으며, 의학 분야 세계적 학술지인 Science Translational Medicine(IF: 15.8, JCR ranking 0.8%)에 8월 7일(미국 동부시각 기준) 발표되었다. ※ 논문명: Engineered exosomes with a photoinducible protein delivery system enable CRISPR/Cas-based epigenome editing in Alzheimer’s disease ※ 논문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adi4830

2024-08-13

의학과 권영대 교수 연구팀, 새로운 차원의 노화세포 표현형 규명

의학과 권영대 교수 연구팀, 새로운 차원의 노화세포 표현형 규명 - 노화에 따른 핵인의 구조·물성 변형과 비정상적 단백질 응집 촉진 의학과 권영대 교수 연구팀이 노화에 수반되는 세포 내 신규 표현형을 발굴해 냈다고 밝혔다. 노화는 그간 거스를 수 없는 생명 현상으로 여겨졌으나 근래 세포 노화에 대한 연구가 축적되며 인류가 극복할 수 있는 대상으로 인식의 전환이 이루어지고 있다. 세포 노화는 유전체 불안정성, 활성산소종, 만성적 염증 등으로 인해 세포의 증식 능력이 감퇴된 상황이며 알츠하이머 병, 관절염, 망막 변성, 근감소증 등의 퇴행성 노인질환과 밀접한 관계가 있다고 알려져 있다. 핵인(Nucleolus)은 세포 내 단백질 생산을 담당하는 리보솜이 조립되는 비막성 세포소기관이다. 또한 핵인은 물질적 특성이 다른 주변의 핵질과 분리된 채 독자적인 액체상 방울의 형태로 존재하는데, 이는 기름이 물에 섞이지 않고 독립된 액체 방울로 떠있는 것과 비슷하다. 핵인과 같이 생체막을 활용하지 않은 채 물리적 성질에 의해 주변과 분리된 세포 내 구조체를 생체분자 응축상(Biomolecular condensate)라고 한다. 세포생물학 분야에서 물질적 특성 분석이라는 새로운 관점으로 생체분자 응축상을 연구하는 시도가 활발하게 이루어지고 있으나 노화 현상을 이해하는 데 이러한 연구 전략이 적용된 적은 없었다. 권영대 교수 연구팀은 세포 분열이 정지된 노화세포에서 핵인이 해체-재구성 과정을 거치지 않은 채 오랫동안 유지된다는 점에 착안하여 핵인의 형태 및 유동성 등의 특성이 변형될 것이라는 가설을 수립하였다. 연구팀은 이를 확인하기 위해 DNA 손상 및 후성유전적 변화 등 유전체 불안정성이 증대되거나 활성산소종이 처리되어 노화가 유도된 세포 모델을 활용하였다. 그 결과, 노화세포의 경우 핵인의 하위 구조 중 리보솜 RNA(ribosomal RNA)의 안정화 및 성숙화가 이뤄지는 밀집 섬유 중심(Dense fibrillar component; DFC) 영역의 형태가 정상 세포와 큰 차이를 보임을 확인하였다. ▲ 세포 노화에 의한 핵인 차원 신규 표현형 규명 이와 함께 DFC 영역 내에서 분자 확산성이 감소하는 동시에 분자 간 밀집도는 증가하는 등 물질적 특성 역시 변형되었다. 뿐만 아니라 퇴행성 질환에서 흔히 발견되는 단백질 응집이 형성되는 과정에서 나타나는 다량체 및 섬유소 등의 병리적 단백질 구조들이 노화 세포의 DFC 영역에서 증가함이 관찰되었다. 권영대 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 노화 진행에 따른 핵인의 특성 변화를 학계에 보고하고 향후 핵인 내 노화 조절 인자 발굴 등 후속 연구를 진행할 계획이다. 권영대 교수는 “세놀리틱 혹은 세노몰픽 전략 등을 통한 항노화 연구개발이 급증하는 상황에서 약리 효능을 독창적으로 평가할 수 있는 지표를 개발하였다”며 “다수의 퇴행성 질환에 발견되는 단백질 응집 현상을 기반으로 한 질환 치료 신규 표적을 탐색해나갈 것”이라고 향후 연구 계획을 밝혔다. 본 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업 및 한국과학기술연구원(KIST)-성균관대학교(SKKU) 융합연구사업의 지원으로 이루어졌으며, 연구 결과는 생화학 및 분자생물학 분야의 국제학술지 Redox Biology에 7월 25일 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Reduced dynamicity and increased high-order protein assemblies in dense fibrillar component of the nucleolus under cellular senescence ※ 저널: Redox Biology (IF: 10.7, JCR 상위 5.3%) ※ 저자명: 권영대(교신저자), 조민정(제1저자) ※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.redox.2024.103279

2024-08-09

이효영 교수, 지구온난화 주범 이산화탄소에서 고순도·고부가가치 화합물 생산

- 지구온난화 주범 이산화탄소, 고순도·고부가가치 화합물 생산 활용 <전자신문, 2024.08.01.> - 광촉매 이용해 이산화탄소에서 고순도 화합물 생산 <연합뉴스, 2024.07.31.> - 성균관대, 이산화탄소 고부가가치 화합물로 만드는 기술 개발 <뉴스1, 2024.07.31.>

2024-08-01

“내 상처 얼마나 나았나..” 의료용 실과 바늘이 실시간으로 체크한다!

“내 상처 얼마나 나았나..” 의료용 실과 바늘이 실시간으로 체크한다! - 성균관대-DGIST 공동연구팀, 상처 부위의 염증을 실시간으로 모니터링할 수 있는 차세대 생체 전자봉합사 개발 - 기존 의료봉합사의 기능을 그대로 유지하고 염증 상태까지 모니터링해 … 상처 치료 및 관련 의료 분야 발전에 기여 기대 ▲ 성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 이정승 교수(왼쪽)와 DGIST 이재홍 교수(오른쪽) 글로벌바이오메디컬공학과 이정승 교수 연구팀은 DGIST 로봇및기계전자공학과 이재홍 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 상처 부위의 염증 수준 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 전자봉합사를 개발했다. 이 전자봉합사는 다양한 의료 분야에서 상처 관리와 맞춤형 치료에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 상처의 치유 과정은 매우 복잡하며 주변 환경에 큰 영향을 받는다. 부적절한 관리로 인해 치유가 지연되면 상처는 만성화될 수 있으며, 이로 인해 절단, 장애, 심지어 사망에 이를 수도 있다. 특히, 만성 상처의 경우 상태를 지속적으로 정확히 모니터링하고 조기에 감염을 진단하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 지금까지 다양한 상처 관리 소자가 개발되었지만, 대부분 밴드나 패치 형태였다. 이러한 소자들은 피부 표면의 상처만 진단할 수 있어서, 피부 표층보다 깊은 곳에 위치한 상처의 치유 상태나 염증 상태를 정확하게 평가하는데 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 인체 내부와 외부 상처의 염증 상태를 장기간 모니터링 할 수 있는 봉합사형 상처 모니터링 시스템을 개발했다. 이 시스템은 일반 의료봉합사처럼 상처를 닫는 역할을 하면서도 동시에 봉합사가 적용된 상처 부위의 염증 상태 변화를 실시간으로 감지할 수 있다. ▲ 상용 의료봉합사와 결합된 형태의 의료용 생체 전자봉합사 시스템. 일반 의료 봉합 절차를 통해 원하는 부위에 섬유형 센서를 쉽고 안정적으로 고정시킬 수 있음. 기존의 의료봉합사는 상처를 닫는 역할만 수행했다. 반면, 이번에 개발된 전자봉합사는 상처의 염증 상태를 지속적으로 모니터링 할 수 있는 기능을 추가하여, 의료 현장에서 더 효과적인 상처 관리를 가능하게 한다. 이 전자봉합사는 상처 부위의 염증 상태를 실시간으로 감지하여 적절한 치료를 받을 수 있도록 돕는다. 또한, 감염 상태를 조기에 감지하여 치료 시기를 놓치지 않도록 하여 상처 회복을 촉진할 수 있다. ▲ 생체 전자봉합사의 효용성을 입증하기 위한 Ex-vivo 평가. 인공 피부 및 다양한 pH level을 가지는 돼지고기에 봉합된 생체 전자봉합사. 연구팀은 “이번 연구를 통해 봉합사형 체내삽입 전자소자 기술이 실제 의료 현장에서 활용될 가능성이 높아졌다” 며 “전자봉합사 개발 뿐만 아니라 다양한 형태의 생체 신호를 측정할 수 있는 인체 삽입형 헬스케어 기기 분야에 대한 후속 연구를 적극 진행할 것”이라고 밝혔다. ▲ 생체 전자봉합사의 동물 모델 평가를 통한 상처 부위의 회복 과정 정량 평가 연구팀의 연구결과는 7월 17일(수) 재료 과학 분야 저명 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.5)에 게재되었으며, 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 범부처전주기의료기기 개발사업, 과학기술정보통신부의 우수신진연구자사업, 기초연구실사업, 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. ○ 관련 언론보도 - "상처 치료 실시간 체크"…DGIST 등 연구팀, 전자봉합사 개발 <연합뉴스, 2024.07.30.> - DGIST-성균관대, 차세대 생체 전자봉합사 개발 <전자신문, 2024.07.30.> - 상처 꿰맨 전자실로 염증 실시간 확인 <조선비즈, 2024.07.30.> - 내 상처 얼마나 나았나…의료용 실·바늘이 실시간 체크한다 <머니투데이, 2024.07.30.> - "상처 얼마나 나았을까"…상처 봉합과 동시에 염증 실시간 감지 <디지털타임스, 2024.07.30.> - “내 상처 얼마나 나았나”…의료용 실·바늘로 실시간 확인 <데일리안, 2024.07.30.> - “상처 얼마나 나았나”… 의료용 실·바늘로 실시간 확인한다 <세계일보, 2024.07.30.> - 상처 얼마나 나았나.. 의료용 실과 바늘이 실시간으로 체크? <이웃집과학자, 2024.07.30.> - 상처 부위 염증 실시간으로 확인 '생체 전자봉합사' 개발

2024-07-31