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맞춤형 인공 근육 제작한다

기초과학연구원 (IBS) 나노의학 연구단 조승우 연구위원(연세대 생명시스템대학 생명공학과 교수) 연구팀은 매사추세스 공과대학교(MIT) RLE(Research Laboratory of Electronics) 공동 연구진과 함께 근육 손상 질환 치료를 위한 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발하였다. 근육은 몸무게의 40%를 차지하는 가장 큰 기관으로, 움직임이 필요한 모든 부분에 위치하여 우리 삶을 영위하는 데 중요하다. 이 중 뼈나 힘줄에 붙어 움직임을 만드는 골격근은 뛰어난 자가 재생 능력이 있지만, 이를 넘어서는 외상이 생기면 영구적인 조직손상으로 이어져 치료가 매우 어렵다. 현재 유리 기능성 근육(free functioning muscle) 이식이 유일한 근육질환 치료법으로 꼽힌다. * 유리 기능성 근육 이식 : 저하된 근육 기능을 재건하는 것을 목적으로 혈관, 신경을 포함한 유리 근을 이식하는 수술 그러나 이식 가능한 근육 조직을 구하기 어렵고 면역 거부 반응이 일어나거나 이식 후 조직 기능이 저하되는 등 여러 문제가 있었다. 연구팀은 면역 거부 반응이 없는 환자 맞춤형 인공 근육을 개발하여 기존 의학의 한계를 극복했다. 연구팀은 우선 ‘열 인장 기술(thermal drawing method)’을 이용해, 골격 역할을 하는 미세한 다공성(多孔性) 구조의 ‘폴리카프로락톤(polycaprolactone, 이하 PCL) 파이버’를 개발했다. PCL 파이버는 골격근 결손 부위의 크기와 형태에 따라 길이와 다공성을 정밀하게 조절할 수 있다. 환자 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발한 것이다. * 열 인장 기술(thermal drawing method) : 열을 가해 소재의 내부 구조를 온전히 유지하면서 얇고 긴 형태로 가공 할 수 있는 기술 * 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) : 의료용 생분해성 폴리에스터계 생체 소재. 연구진은 PCL 파이버의 다공성을 조절해 근육 조직과 유사한 물리적 성질을 갖도록 제작했다. 개발한 PCL 파이버에

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미토콘드리아 DNA 고친다…첫 동물실험 성공

기초과학연구원 (IBS) 유전체교정 연구단이 시토신 염기교정효소(DdCBE)를 이용해 생쥐 미토콘드리아 DNA의 특정 염기를 바꾸는데 성공했다. DdCBE를 동물에 적용한 세계 최초의 사례로서, 치료가 어려웠던 미토콘드리아 질환 연구와 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다. * DdCBE(DddA-derived cytosine base editor) : 세균의 독소에 유래된 DddA 탈아미노 효소를 두 조각으로 나누어 여기에 DNA에 염기 서열에 결합할 수 있는 TALE 단백질, 단백질을 미토콘드리아 내로 안내하는 서열(MTS :　Mitochondrial Targeting Sequence), 우라실 글리코실레이즈 억제제(UGI :　uracil glycosylase inhibitor)를 연결하여 만든 시토신 염기 교정 효소로, 2020년 7월 브로드 연구소 데이비드 리우 교수팀이 처음 학계에 보고하였다. 미토콘드리아는 에너지를 만들어내는 세포 내 소기관이다. 미토콘드리아 DNA에 변이가 일어날 경우 시력·청력 뿐 아니라 에너지가 많이 필요한 중추신경계·근육·심장 등에 치명적인 결함을 야기한다. 미토콘드리아 DNA는 모계 유전되기 때문에 모체의 미토콘드리아 DNA에 결함이 있을 경우 다음 세대로 고스란히 전달된다. 미토콘드리아 질환은 5,000명 중 한 명 꼴로 발생하는 비교적 흔한 유전질환이지만 아직까지 마땅한 치료법이 없다. 현재 유전체 교정 기술로 널리 활용되는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)로는 미토콘드리아 DNA 교정이 불가했다. 지난해 세균에서 유래한 DddA 탈아미노 효소가 DNA 이중 나선의 시토신(Cytosine) 염기를 티민(Thymine)으로 바꿀 수 있다는 사실이 밝혀 지면서 이를 활용한 새로운 염기교정효소인 DdCBE가 제작되었다. 이로써 미토콘드리아 DNA 교정은 가능해졌지만 이는 세포 수준의 연구로서, 질환 치료로 이어지기 위해서는 DdCBE가 동물 개체 수준에서도 정상 작동하는지 확인이 필요했다. * 크리스퍼 유전자가위(CR

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IBS, 양자점 반도체 효율 낮추는 숨은 원인 규명

밀도범함수 이론(DFT) 계산을 이용하여 얻은 전도대의 오비탈 구조(a) 및 오제현상에 대한 도식(b). 계산을 통해 예측된 전자 오비탈을 통해 전자가 양자점 표면에 주로 위치함을 알 수 있다. 이렇게 공간적으로 국한된 들뜬 전자들은 충돌하기 쉬우며, 이 때문에 전자 간 충돌에 의한 인트라밴드 오제현상이 일어난다. 기존의 오제현상은 가전자대의 정공이 핵심적인 역할을 수행한 반면, 이번에 관측된 오제현상은 전도대의 전자 그리고 전자 간 충돌이 주요한 역할을 수행한다. 기초과학연구원 (IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 자가도핑 양자점을 시분해 분광법을 통해 연구한 결과, 양자점을 활용한 반도체의 성능을 저해하는 새로운 요인을 찾아냈다. 양자점(Quantum Dot)은 지름이 2~10nm(나노미터‧10억 분의 1m) 수준에 불과한 반도체 입자다. 그 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 전기적‧광학적 성질을 지닌다. 현재 양자점을 특성을 활용한 양자점 디스플레이(QLED)나 양자 폭포 레이저 등 다양한 기술이 응용 및 연구되고 있다. * 양자 폭포 레이저(Quantum Cascade laser) : 대간 전이가 아닌, 대내 전자 전이를 기반으로 한 양자점 레이저. 기존 레이저와 달리 원~중적외선 파장 영역(일반적으로, 4~11 μm)의 빛을 방출한다. 양자점과 같은 반도체에는 전자가 머무를 수 있는 특정 궤도(에너지 준위)들로 구성된 두 개의 밴드가 존재한다. 여기서 전자가 차 있는 아래쪽의 밴드를 ‘가전자대’, 전자가 비어있는 위쪽 밴드를 ‘전도대’, 그리고 이 둘 사이의 에너지 차이를 밴드갭(Band Gap)이라 부른다. 밴드 내의 에너지 준위들은 일종의 사다리와 같아서, 외부 에너지(빛)를 받은 전자는 사다리의 위 칸으로 이동한다. 이를 들뜬(excited) 전자라고 부르며, 전자가 사라진 빈자리를 정공(hole)이라 한다. 시간이 지나 에너지를 잃게 되면, 전자는 다시 사다리의 아래층, 즉 낮은 에너

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자기장으로 뇌기능 원격·정밀 제어하는 나노기술 개발

자기장은 MRI와 같이 질병 진단에 매우 중요한 수단이나, 치료에는 사용이 되지 않고 있다. 즉, 자기장을 이용하면 MRI와 같이 생체 신호를 읽기나 검색은 가능하나, 쓰기나 교정 기능은 불가능한 상태이다. 기초과학연구원 (IBS) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수)과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 자기장을 이용해 뇌의 운동신경을 무선 (wireless) 및 원격 (remote) 으로 정밀 제어하는‘나노 자기유전학(nano-magneto-genetics) 기술’을 개발했다. 연구진은 자기장에 감응하여 토크 힘 (5 pN (피코 뉴톤1)))을 발생하는 ‘나노나침반’을 개발하였다. 나노나침반의 토크 힘은 뇌세포의 피에조-1 (Piezo-1) 이온 채널2)을 개방하여, 뇌신경 신호 전달이 가능하다. 살아있는 동물(쥐)의 경우 나노나침반을 우뇌의 운동 신경 부위에 주입한 후 자기장을 가했을 때, 칼슘 이온이 세포 내로 유입되어 원하는 부위의 운동 능력을 촉진하였다. 이에 따라 쥐의 왼발 운동신경이 활성화되어 반시계 방향으로 운동하며, 운동능력이 약 5배 향상했다. 즉, 나노나침반이 자기수용체 (magneto-receptor, 磁氣受容體)로 작용하여, 뇌세포의 활성 제어가 가능함이 살아 움직이는 동물에서 증명된 것이다. 연구진이 개발한 자기유전학 장치는 MRI장비와 같은 크기(중심지름 70 cm)에서도 구동이 가능하며 사람의 뇌나 전신에 25mT(밀리 테슬라3))의 자기장을 전달할 수 있다. 자기장은 침투력이 높기 때문에 파킨슨병, 암과 같은 난치병 치료에 활용될 것으로 기대된다. 천진우 단장은 “나노 자기유전학은 원하는 세포를 유전공학으로 선택해 무선(wireless)·원격(remote)으로 뇌 활성을 제어하는 연구 플랫폼이 될 것”이라며 “뇌의 작동 원리 규명과 질환 치료 등 뇌과학의 새로운 지평을 열 것으로 기대한다”고 전했다. 이번 연구 결과는 국제학술지‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 1월 29일 01시(한국시간

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지구온난화가 강력한 태풍을 50% 증가시킨다

▲ 열대저기압에 동반된 강한 바람에 의해 발생하는 해수 냉각효과 기초과학연구원 (IBS) 기후물리 연구단 악셀 팀머만 단장(부산대 석학교수) 연구팀은 대기 중 이산화탄소 농도가 2배 증가하면 3등급 이상의 강한 태풍이 50% 가량 증가하고, 약한 태풍의 발생은 감소할 것이라고 예측하였다. 이는 연구진이 IBS의 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)를 이용해 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 따른 기후 변화를 시뮬레이션 하여 열대저기압 변화를 분석한 결과다. * 2019.4월 가동 시작한 IBS의 슈퍼컴퓨터(데스크탑 컴퓨터 약 1,560대 성능) 과학기술정보통신부와 IBS는 이번 성과가 12월 17일 04시(한국시간) 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.117)에 게재되었다고 밝혔다. 태풍과 허리케인을 포함한 열대저기압은 지구상에서 가장 치명적이고 경제적으로도 피해가 큰 기상재해다. 매년 수백만 명의 사람들이 피해를 입지만, 지구 온난화가 열대저기압의 발생 및 세기에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았다. 지난 20여 년간 진행된 기후모형 시뮬레이션 연구는 주로 격자 간격이 큰(약 100km 이상) 저해상도 기후모형을 이용해 왔기 때문에 열대저기압과 같은 작은 규모의 대기와 해양 간 상호작용이 상세히 시뮬레이션 되지 않아서 불확실성이 크다는 한계가 있었다. * 지구를 3차원적으로 격자화하여 물리‧역학 방정식을 이용해 각 격자점에서의 기후 변동을 예측하는 도구. 격자간격이 조밀할수록 시뮬레이션 정확도가 향상되고 작은 규모의 기상 및 기후 현상까지 상세히 시뮬레이션 할 수 있다. 연구진은 대기와 해양을 각각 25km와 10km의 격자 크기로 나눈 초고해상도 기후모형을 이용하여, 태풍·강수 등 규모가 작은 여러 기상 및 기후 과정을 상세하게 시뮬레이션 하였다. 이는 지금까지 전 세계에서 수행된 미래 기후 변화 시뮬레이션 연구 중 격자 간격이 가장 조밀한 결과로, 생성된 데이터는 1TB 하드디스크 2000개에 달하는

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20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발

수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 그런데 물 분해는 생산단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 얻고 있다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 것이다. 기초과학연구원 (IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 원가가 20배 싸면서 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다. 수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 되었다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속되기도 어려웠다. 연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다. 높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 4단계를 거쳐 만들어진다. 이 중 산소 발생 직전 단계인 OOH*1)는 안정화가 어려워 다음 단계인 산소 발생 효율이 낮았다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다. * 흡착 분자(adsorb) : 산소생산과정의 중간체가 금속에 흡착돼있음을 의미한다. 연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH*를 안정화시킬 것이라고 예상했다. 이에 따라 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 그 결과

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국내연구진, 치매의 원인을 밝히다

▲ 중증 반응성 별세포에 의한 신경세포 사멸 및 치매 병증 유도 기작 별세포는 독소에 노출되면 이에 반응하여 반응성 별세포로 기능이 변화하고, 중증 반응성 별세포가 유도되었을 경우, 신경세포 사멸을 포함한 치매 병증이 촉진된다. 이 과정에서 마오비 효소의 활성 증가 및 과산화수소 생성이 이러한 치매 진행에 중요한 역할을 한다는 사실을 규명하였다. 치매의 원인과 신경세포 사멸의 세포와 분자수준의 기전이 밝혀졌다. 기초과학연구원 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장과 전희정 선임연구원 연구팀은 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 류훈 단장 연구팀과 함께 치매 초기에 나타나는 반응성 별세포에 의한 신경세포 사멸과 치매병증 유도 기전을 처음으로 밝혀냈다. * 비신경세포인 별세포가 뇌질환으로 인해 크기와 기능이 변한 상태 과학기술정보통신부와 기초과학연구원 및 한국과학기술연구원은 이번 성과가 11월 17일 1시(한국시간) 세계적인 학술지 네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience, IF 21.126)에 게재되었다고 밝혔다. 치매는 오랜 기간에 걸쳐 진행되는 질병으로, 치매 후기 단계에 신경 세포 사멸이 유도되면 치매의 진행을 막을 수 없다. 따라서 신경세포 사멸 전 단계의 원인과 과정을 이해하는 것이 중요하다. 이에, 연구진은 뇌가 독성 물질을 분해하는 과정에서 나타나는 반응성 별세포가 치매 초기에서도 나타난다는 사실에 주목하여, 반응성 별세포 중 중증 반응성 별세포가 신경세포의 사멸과 치매를 유도한다는 사실을 실험적으로 증명하는데 성공하였다. 연구진은 새롭게 개발한 별세포의 반응성 조절 모델을 통해, ‘경증 반응성 별세포’는 자연적으로 회복되는 반면, ‘중증 반응성 별세포’는 비가역적으로 신경세포를 사멸시키고 치매를 진행시킨다는 사실을 확인하였다. 이에 대한 기전으로, 별세포에 의한 독성 물질 분해 과정에서 활성화된 모노아민 산화효소 B (MAO-B) 단백질과 이로 인하여 과량 생성된 활성 산소의 한 종류인 과산화수소가 ‘중증 반응성 별세포’뿐만 아니라, 뇌염증

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실시간으로 포착한 온실가스 분자의 분해 과정

기초과학연구원 (IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 문봉진 교수(GIST 물리·광과학과) 및 김현유 교수(충남대 신소재공학과) 연구팀과 함께 이산화탄소 분자가 로듐(Rh) 촉매 표면에서 분해되는 순간을 처음으로 직접 관찰했다. 이로써 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 제거해 유용 물질로 전환할 수 있는 화학반응의 직접 증거를 제시했다. 지구온난화를 가속시키는 온실가스인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환할 수 있는 기술이 최근 활발히 연구되고 있다. 포집된 이산화탄소를 메탄 혹은 메탄올과 같은 청정 연료로 전환한다면, 지나친 석유 의존을 극복하고 환경 문제도 해결할 수 있기 때문이다. 문제는 이산화탄소(CO2)는 화학적으로 매우 안정적이어서 전환에 높은 에너지가 소모된다는 점이다. 이산화탄소를 일산화탄소(CO)와 산소(O)로 분해시키는 초기 과정에는 수십 기압에 이르는 고압 반응이 필요하다. 따라서 최적 반응경로 설계 및 전환 효율 향상을 위해 이산화탄소의 분해 메커니즘을 면밀히 파악하는 것이 중요하다. 하지만 지금까지 분광학적 분석 등 제한적인 증거만 제시되었다. 이산화탄소 분해 과정의 화학적 메커니즘을 원자 수준에서 정확히 밝힌 연구는 없었다. 연구진은 실제 반응 환경에서 이산화탄소 분해과정을 실시간 관찰하고자 했다. 크기가 수 옹스트롬(Å·100억분의 1미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 화학 반응기 내부 압력이 충분히 증가하면 촉매 표면에서 스스로 구조변화를 일으킬 수 있다. 이러한 이론적 예측에서 아이디어를 얻어 실험에 착수했다. 우선, 연구진은 머리카락 두께의 10만 분의 1 해상도를 가지는 상압 주사터널링현미경(AP-STM)을 활용해 로듐 촉매 표면에 맞닿은 이산화탄소 분자의 변화를 관찰했다. 관찰 결과, 가로·세로 폭이 각각 2~5nm인 로듐 촉매 표면에서 이산화탄소 분자들이 서로 충돌하다 결국 일산화탄소로 분해됐다. 김현유 충남대 교수는 “우리가 살아가는 상압 환경은 크기가 작은 이산화탄소 분자 입

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거대 분자 그릇, ‘분자 주령구’ 탄생

신라시대 귀족들은 안압지에 모여 ‘주령구’라는 주사위를 굴리며 유희를 즐겼다고 한다. 국내 연구진이 전통 놀이기구인 주령구의 독특한 형태를 모방한 분자 그릇을 개발했다. 김기문 기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단장(포스텍 화학과 교수) 연구팀은 분자의 자기조립 특성을 활용해 속이 빈 육팔면체 모양의 거대분자를 합성했다. 크기는 5.3nm로 지금까지 보고된 수많은 분자 다면체 중 가장 크다. * 자기조립(self-assembly) : 무질서하게 존재하던 분자들이 외부의 지시 없이 서로 간의 상호작용에 의해 자발적으로 조직적인 구조나 형태를 형성하는 것. 우리 몸의 분자, 세포, 조직 등은 분자가 자기조립을 거듭하며 형성된 복잡한 자기조립체에 해당한다. 분자 다면체는 레고 블록 같은 여러 개 분자가 결합하여 이룬다. 특히 속이 빈 분자 다면체는 약물을 내부에 저장 및 전달하는 약물 운반체, 광촉매 등 다양한 응용이 가능하다. 지금까지 개발된 대부분 분자 다면체는 크기가 2nm 이하였다. 보통 약물은 2nm, 항체는 5nm 크기에 달한다는 점을 고려하면, 내부에 담을 수 있는 분자가 제한적이었던 것이다. IBS 복잡계 자기조립 연구단은 2015년 6개의 사각형 포피린(Porphyrin) 분자와 8개의 삼각형 포피린 분자가 스스로 조립하여 만드는 다면체 ‘포피린 박스(P6L8)’를 합성한 바 있다. 이때 합성한 포피린 박스의 크기는 약 3nm였다. 이번 연구에서는 기존보다 지름이 1.8배 큰 스스로 조립되는 분자 다면체를 합성했다. 연구진은 주령구의 독특한 모양에서 아이디어를 얻었다. 우선, 주령구의 형태를 재현하기 위해 구성 분자의 길이와 각도를 정밀하게 설계했다. 이후 분자의 자기조립 특성을 활용해 12개의 사각형 포피린 분자와 24개의 굽은 막대기형 분자로 구성된 ‘분자 주령구(P12L24)’를 합성했다. 공동 제1저자인 구재형 연구원은 “거푸집을 만들고, 분자 조각들을 꿰맞추는 등 복잡한 단계가 필요했던 기존 합성법과 달리, 분자들이 스스로 조립되는

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IBS 아트인사이언스(Art in Science) 작품 공모

과학과 예술의 융합을 시도하는 대표 과학문화 전시인 ‘Art in Science (아트인사이언스)’가 더 커진 감동으로 돌아온다. 기초과학연구원(IBS)은 제6회 IBS Art in Science 개최를 위해 시민을 대상으로 과학예술 작품을 공모 받는다. IBS는 과학자들이 연구 도중 경험한 경이로운 순간을 대중과 공유하기 위해 2015년부터 Art in Science 전시회를 개최해오고 있다. 지금까지 5회의 전시회를 통해 17,309명의 관객을 만나며, 과학 전시로는 이례적인 성공을 거뒀다. IBS는 과학의 예술적 아름다움을 더 널리 공유하기 위해, 시민 대상으로 작품을 공모 받는다. 5회까지의 전시회에는 IBS 과학자들의 연구순간이 담겼다면, 내년(2021년) 개최 예정인 제6회 Art in Science에는 대한민국에 거주하는 사람이라면 누구나 작가로 참여할 수 있다. 응모작은 과학 실험이나 연구과정 중 공유하고 싶은 심미적인 순간을 담은 이미지(사진‧그래픽‧드로잉 등)나 영상 형태로 공모 받는다. 현미경‧망원경 등 실험도구나 과학자의 시선으로 포착한 이미지에 독창적인 제목, 상상력을 더해 재해석한 작품 설명 문구와 함께 제출하면 된다. 참가신청서는 11월 6일(금) 23시 59분까지 이메일( scc@ibs.re.kr )로 접수받는다. 개인(팀) 당 최대 3점까지 작품을 제출할 수 있다. 최종 수상작은 12월 발표 예정이며, 수상자(팀)에게는 기초과학연구원 원장 상과 함께 상금이 수여된다. 총 상금은 530만 원으로 대상(100만 원) 1점, 금상(80만 원) 2점, 은상(50만 원) 3점, 동상(30만 원) 4점으로 총 10점에게 주어진다. 노도영 IBS 원장은 “과학자가 보는 세계의 경이로움은 이루 말할 수 없지만, 타인과 그 경이로움을 공유할 기회는 한정적이었다”며 “IBS Art in Science가 그 갈증을 해소할 수 있는 장이 되길 바란다”고 말했다. 이어 노 원장은 “과학자들의 집단지성으로 완성될 전시회를 성공적으로 개최할 수 있도록 동료

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IBS, 코로나19 분석 보고서 ‘코로나 사이언스’ 발간

코로나19 팬데믹을 과학적으로 분석하고 극복 방안을 전망하는 책이 나왔다. 기초과학연구원 (IBS)은 한국을 대표하는 기초과학자 12인이 저술한 과학 교양서 「코로나 사이언스」를 발간했다고 밝혔다. 「코로나 사이언스」는 2020년 3월부터 9월까지 IBS 홈페이지에 연재한 19편의 ‘코로나19 과학 리포트’를 재구성한 책이다. 연재된 리포트를 기반으로, 과학적 사실을 업데이트하고 더 많은 전문가 글을 더해 시민들이 쉽고 편하게 읽을 수 있도록 새 단장했다. IBS는 코로나19로 인한 팬데믹 상황 속에서 올바른 과학지식을 공유하고, 과학자의 사회적 책임을 다하기 위해 ‘코로나19 과학 리포트’를 연재해왔다. IBS 소속 연구자를 중심으로 의사, 사회과학자 등이 작가로 참여했으며, 다양한 관점에서 코로나19의 과학적 실체와 관련 사회현상을 분석했다. 이 리포트는 코로나19에 대한 근거 없는 억측과 공포심이 퍼져 나가는 혼란 속에서도, 냉철한 과학적 지식을 제시하여 대중들의 관심을 받았다. 또한 연구의 최전선에 선 과학자들이 실험실을 나와 직접 대중과 소통하여 각계의 호평을 받았다. 「코로나 사이언스」는 총 3부로 구성된다. 1부는 신종 바이러스의 침투 경로와 방어전략을 주제로, 사스코로나바이러스-2의 구조, 폐렴 유발 메커니즘, 치료 전략 등을 다뤘다. 특히, 세계 최초로 지난 4월 사스코로나바이러스-2 전사체를 분석한 연구1)의 의미와 뒷이야기를 김빛내리 단장이 설명하여 눈길을 끈다. 2부 가공할 전파능력, 궁극의 방어시스템은 코로나19의 전파‧인체 면역‧숙주‧치료제 등 현재까지 규명된 코로나19에 대한 과학적 사실들을 다뤘다. 마지막으로 3부는 코로나19에 맞서는 사회를 주제로 의료진의 경험담‧정신의학적 분석‧인포데믹‧사회경제적 영향 등을 담았다. 또한 바이러스의 반작용으로 생겨난 사회적 변화와 이에 대응하는 과학자들의 연대, 극복 노력 등도 소개한다. 노도영 IBS 원장은 “코로나19와 세계 각국이 벌이고 있는 전쟁에서 가장 유효한 무기는 정확한 과학적 사실

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전극만 이용해 분자의 반응성 자유자재 조절 성공

▲ 만능 작용기의 모식도 : 연구진은 분자를 전극에 부착하고, 전압을 가해 부착된 분자의 전기적 특성을 조절하는데 성공했다. 양 전압이 걸리면 반응이 일어나는 위치의 전자밀도가 감소하고, 음 전압이 걸리면 반응이 일어나는 위치의 전자밀도를 증가시키는 식이다. 그림은 만능 작용기의 구조를 나타낸 모식도. 기초과학연구원 (IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 백무현 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 한상우 카이스트 화학과 교수(나노텍토닉스 창의연구단장)팀과의 공동연구를 통해 전압을 가하는 것만으로 분자의 반응성을 조절할 수 있는 ‘만능 작용기’를 개발했다. 연구진은 분자의 전기적 성질을 결정하는 원자단인 작용기를 전극이 대신할 수 있음을 증명하고, 전극을 활용해 다양한 화학반응을 제어하는데 성공했다. 여러 작용기의 역할을 대신할 수 있는 하나의 만능 작용기를 개발한 것이다. * 유기화합물의 전기적 성질을 결정짓는 원자단. 에탄올(C2H5OH)의 하이드록시기(-OH), 아세톤(CH3-CO-CH3)의 카보닐기(-CO-) 등이 작용기에 해당한다. 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 기초과학연구원(원장 노도영, 이하 ‘IBS’)는 이번 성과가 10월 9일 03시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.845)에 게재되었다고 밝혔다. 작용기는 전자를 끌어당기거나/밀어내는 효과를 통해 분자의 전기적 특성을 조절한다. 전자밀도 분포를 조절하여 분자의 반응성을 결정하는 것으로, 이는 화학반응의 평형과 속도에 영향을 미친다. 1937년 미국의 화학자(루이스 하메트)가 작용기의 종류에 따른 분자의 전기적 성질 변화를 정량화한 공식을 만든 뒤, 80여 년 동안 화학반응을 이해하는데 이 공식이 활용되었다. 하지만 기존 밝혀진 작용기는 하나의 작용기가 정해진 특정 전기적 효과만을 줄 수 있어 분자의 전기적 성질을 세밀하게 조절하기 어려웠다. 또한, 복잡한 분자는 여러 단계를 거쳐 합성되는데, 각 반응마다 최적 효과를 줄 수 있는 작용기를 활용하는

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용기 하나에서 화학합성 제어하는 새 화학 플랫폼 개발

기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 하나의 반응 용기에서 여러 화학 공정을 손쉽게 처리할 수 있는 새로운 화학 합성 시스템을 개발했다. 연구진은 서로 섞이지 않는 용액들이 밀도 순서대로 쌓이는 것에 착안해, 용매 층별로 화학 합성을 조절하는 회전하는 원통 시스템을 고안했다. 이를 이용하면 용매들을 시험관처럼 사용하여 반응물을 이동·분리시키고, 화학반응을 순차적으로 조절할 수 있다. * 빠르게 회전하는 원통에서는 원심력 때문에 밀도가 높은 액체가 바깥쪽으로 쏠린다. * 용매 : 소금이 물에 녹을 때, 녹는 소금은 용질이고, 이를 녹이는 물이 용매다. 이는 기존 화학합성 과정을 크게 단순화할 수 있어, 화학산업에서 희귀금속 추출과 다양한 화합물을 합성하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 과학기술정보통신부와 IBS는 이번 성과가 10월 1일 0시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 42.778)에 게재되었다고 밝혔다. 화합물 합성 과정은 석유화학공장처럼 특정 물질에 맞춰진 대형 공정이 아닌 이상, 손으로 한 단계씩 진행해야 하므로 생산 시간과 생산량에 한계가 있었다. 이러한 화학 합성을 일괄 처리하는 방법으로 크게 두 가지 시스템이 이용되어 왔다. 복수의 플라스크와 밸브들을 기계적으로 연동하는 방법과 연속된 액체 흐름을 제어하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 자동화 장치를 제작하고, 반응물의 흐름을 조절하는 데 고도의 공학 기술이 필요하다는 한계점이 있었다. 연구진은 회전하는 용매로 손쉽게 합성을 제어하는 화학 시스템을 새롭게 고안하여, 반응물의 혼합·분리·추출을 하나의 반응 용기에서 정밀하게 조절할 수 있음을 규명하였다. 개발한 시스템에서는 반응물이 확산을 통해 인접한 용매로 이동한다. 연구진은 원통 회전속도를 주기적으로 변화시켜 확산 속도를 높일 수 있었다. 또한, 용매 층의 성질에 따라 인접한 용매를 분리할 수도 있었다. 연구진은 이를 이용해

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서울대 박정원 교수, 나노 입자 ‘3차원 증명사진’ 촬영 기술 개발

▲ IBS 박정원 연구위원(서울대 교수) 연구팀. 윗줄 왼쪽부터 김성인, 김병효, 박정원 교수, 아랫줄 왼쪽부터 강도훈, 허준영 삼성미래기술육성사업이 지원한 기초과학연구원 (IBS) 나노 입자 연구단 박정원 연구위원(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구팀이 세계 최초로 나노 입자의 3차원 구조를 0.02나노미터의 정확도로 분석하는 데 성공했다. 이 연구는 호주 모나쉬대학교 (Monash University), 미국 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)와 공동으로 진행됐다. 연구 결과는 학계에서 난제로 여겨졌던 나노 입자의 표면 구조와 변화 요인을 규명한 성과를 인정받아 세계적인 학술지 ‘ 사이언스 (Science)’ 3일자 표지 논문으로 선정됐다. 이 기술은 디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등 다양한 과학 기술 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다. □ 나노 입자의 3차원 구조를 0.02nm의 정확도로 분석하는 기술 세계 최초 개발 나노 입자는 수십에서 수백 개의 원자로 이루어진 1나노미터 이하의 물질로 차세대 디스플레이, 연료전지 촉매, MRI 조영제 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 나노 입자는 원자 배열의 미세한 변형에도 디스플레이 색 순도를 향상시키거나 연료전지의 촉매 성능을 개선시킬 수 있어 구조를 면밀히 파악하는 것이 중요하다. 지금까지는 나노 입자의 크기나 전체적 형상 등 2차원 정보만 관찰 가능할 뿐, 나노 입자의 원자 배열 등 3차원 정보 확인은 불가능했다. 박정원 교수 연구팀은 나노 입자가 액체 상태에서 자발적으로 회전하는 현상에 주목해 회전하는 나노 입자를 연속으로 촬영할 수 있는 특수 용기인 ‘액체 셀(Liquid Cell)’과 3차원 데이터 구성을 위한 빅데이터 알고리듬(algorithm)을 자체 개발했다. 이를 이용해 액체 셀에 나노 입자를 담아 투과전자현미경으로 초당 400장의 이미지를 촬영해 얻은 서로 다른 2차

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기초과학연구원, 암세포의 림프절 전이 기전 세계 최초 규명

▲ 암세포의 림프절 전이 과정 모식도 기초과학연구원(IBS) 혈관 연구단 고규영 단장(카이스트 의과학대학원 특훈교수) 연구팀이 암세포가 림프절로 전이하기 위해 지방산을 핵심 연료로 활용한다는 사실을 처음으로 규명하였다. 연구진은 흑색종(피부암)과 유방암 모델 생쥐를 이용해 림프절에 도달한 암세포가 지방산을 에너지로 삼아 주변 환경에 적응하고 대사(metabolism)를 변화시킨다는 사실을 발견하였다. * 림프절 : 각종 림프구와 백혈구가 포함되어 있는 면역기관의 일종으로 림프관으로 서로 연결되어 있는 동그란 형태의 조직 ** 대사: 생물체가 생명 유지를 위해 진행하는 합성, 분해, 조절 등 일련의 모든 과정 과학기술정보통신부와 IBS는 이번 연구 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.058) 온라인 판에 2월 8일 새벽 4시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다. 이번 연구는 폐나 간 등 장기로의 전이에 집중하던 기존의 암 연구와는 다른 접근법으로, 면역기관인 림프절에 도달한 암세포의 생존전략을 규명하여, 향후 암 연구에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대된다. 암의 림프절 전이 정도는 암 환자의 생존율을 예측하고, 치료 방향을 설정하는데 매우 중요한 판단기준이 된다. 하지만 암의 림프절 전이 과정과 기전은 의문으로 암세포가 어떻게 각종 면역세포가 있는 림프절에서 생존하는지는 지금까지 거의 밝혀지지 않았다. 기존연구에서는 대부분의 암세포는 포도당을 주 에너지원으로 쓴다는 게 정설이었으나 연구진은 RNA 분석과 동물실험을 통해 림프절에 도달한 암세포는 지방산을 주 에너지원으로 쓴다는 사실을 처음으로 밝혔다. 연구진은 흑색종과 유방암 모델 생쥐에 지방산 대사를 억제하는 약물을 주입하자 림프절 전이가 억제되는 것을 확인했다. 이는 암세포가 더 이상 연료를 태울 수 없어 전이가 진행되지 않는 셈이다. 특히 림프절에 도달해 자라는 암세포에서 YAP 전사인자가 활성화되어 있음을 발견하여, YAP 전사인자가 암세포

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