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지구온난화로 얼음이 녹자, 바다가 달라지고 있습니다 기초과학연구원 (IBS) 기후물리 연구단은 지구온난화로 인해 북극과 남극의 얼음이 빠르게 녹으면서, 바닷물이 더 세차게 움직이고 있다는 사실을 밝혔습니다. 이 연구는 슈퍼컴퓨터 ‘알레프(Aleph)’로 초고해상도 시뮬레이션을 돌려 얻은 결과입니다. 얼음이 줄어들면 바람과 해류가 더 강해지고, 바닷속이 뒤섞이는 ‘교란’ 현상이 커진다고 합니다. 얼음이 녹으면 바닷물이 요동치는 이유 연구팀은 대기 중 이산화탄소가 많아질수록 바다의 움직임이 거세진다는 사실을 알아냈습니다. 현재 수준보다 2배, 4배로 높아질 때 북극해와 남극 바다는 마치 끓는 물처럼 불안정해졌습니다. 이 때문에 플랑크톤이나 물고기 알 같은 작은 생물의 이동에도 영향을 줄 수 있습니다. 이산화탄소 농도에 따른 바다 변화 현재 수준: 비교적 안정된 흐름 2배 증가: 바람과 해류가 강해짐 4배 증가: 바닷물이 거칠게 뒤섞임 북극과 남극의 바다가 다르게 변하는 이유 북극에서는 얼음이 줄어들어 바람이 바닷물을 더 세게 밀고, 남극에서는 녹은 얼음의 물이 바다에 섞이면서 밀도 차이가 생겨 해류가 요동친다고 합니다. 결국 두 곳 모두 얼음이 녹을수록 바다가 불안정해지고, 생태계에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. ▲ 대기 중 이산화탄소 현재 농도(왼쪽) 및 4배증(오른쪽) 조건에서의 북극해 3월 중규모 수평 교란 비교 ▲ 대기 중 이산화탄소 현재 농도(왼쪽)와 4배증(오른쪽) 조건에서의 남극해 9월 중규모 수평 교란 비교 향후전망 IBS 연구진은 앞으로 더 정밀한 기후모델을 만들어, 극지의 바다가 지구온난화에 어떻게 반응하는지 자세히 연구할 예정입니다. 지금의 변화는 단순히 얼음이 녹는 문제가 아니라, 지구 전체 바다의 건강과 연결된 중요한 신호라고 할 수 있습니다. 극지 해빙 감소 자세히 보기

우울증, 뇌 속 ‘설탕 장식’이 무너지면서 시작될 수 있습니다 단순히 기분이 가라앉는 것이 아니라, 뇌에서 일어나는 미세한 분자 변화가 우울증의 원인이 될 수 있다는 연구 결과가 나왔습니다. 기초과학연구원 연구진은 뇌의 감정 조절 부위인 전전두엽에서 ‘당쇄화’라 불리는 과정을 통해 우울증이 시작될 수 있다는 사실을 밝혔습니다.     ‘당쇄화’란 무엇인가요? 당쇄화는 단백질에 당(설탕 성분)이 붙는 과정을 말합니다. 이 과정은 뇌세포 간 신호 전달을 원활하게 하고, 신경 회로를 안정적으로 유지하는 데 꼭 필요합니다. 연구진은 우울증 생쥐 모델을 만들어 분석한 결과, 전전두엽에서 이 ‘설탕 장식’이 무너지면서 감정 회로에 이상이 생기는 것을 확인했습니다. 특히 당을 붙이는 효소의 양이 줄어들며, 우울감, 무기력, 긴장 증가 같은 증상이 나타났습니다. 감정 회복의 실마리는 뇌 속 ‘분자 균형’에 있습니다 연구진은 뇌에서 당을 붙이는 효소를 다시 늘려주자 우울증 증상이 눈에 띄게 줄어드는 것을 발견했습니다. 이는 뇌 속 당쇄화 균형이 감정 회복에 중요한 역할을 한다는 점을 시사합니다. 약물 중심 치료를 넘어서, 분자 수준에서 우울증을 이해하고 접근할 수 있는 새로운 길이 열리고 있습니다. 논문명: Abnormal O-Glycan Sialylation in the mPFC Contributes to Depressive-like Behaviors in Male Mice 저널: Science Advances (2025) 연구진: Youngsuk Seo, Inwoong Song, Ki Jung Kim, Bomi Chang, Prajitha Pradeep, Woo Suk Roh, Woojin Won, Jinhyeong Joo, Myeongju Kim, Jae Cheol Jeong, C. Justin Lee, and Boyoung Lee 앞으로의 가능성 이번 연구는 우울증뿐 아니라 PTSD, 조현병 같은 정신질환의 원인을 분자적 관점에서 찾...

북미형 H5N1, 왜 포유류에 더 치명적인가 기초과학연구원 한국바이러스기초연구소 최영기 소장 연구팀은 H5N1 고병원성 조류인플루엔자가 포유류에 치명적인 이유를 세계 최초로 밝혔습니다. 해당 바이러스는 단순한 호흡기 감염을 넘어 면역세포를 감염시켜 전신으로 퍼지고 뇌까지 침투하는 특성을 보였습니다. 병원성의 핵심은 두 아미노산 변이 연구팀은 북미형 H5N1 바이러스(GA/W22-145E/22)가 유라시아형보다 치명적인 이유를 PB2-478I, NP-450N 두 아미노산 변이에서 찾았습니다. 이 변이는 면역세포 감염 및 복제를 강화하고, 전신 감염과 모유 전파까지 가능케 했습니다. 바이러스 유형 PB2-478 NP-450 감염 범위 북미형 I (이소류신) N (아스파라긴) 전신+뇌+유선 유라시아형 V (발린) S (세린) 호흡기 제한 과학적 근거로 팬데믹 대비 이번 연구는 H5N1 바이러스의 포유류 병원성이 단순 감염을 넘어 면역체계 자체를 바이러스 확산 통로로 이용한다는 사실을 분자 수준에서 입증했습니다. 이는 향후 팬데믹 대비와 인수공통감염병 대응 전략 수립에 핵심 자료로 활용될 전망입니다. 논문명: PB2 and NP of North American H5N1 virus Drive Immune Cell Replication and Systemic infections 저널: Science Advances (2025년 9월 27일 게재) 논문 링크: 논문 보기 ▲ 북미형 H5N1 고병원성 조류인플루엔자 바이러스의 포유류 적응성과 전신 확산 기전 규명 ① 유라시아형과 북미형 바이러스 감염 비교입니다. 유라시아 계통의 H5N1 바이러스는 감염이 호흡기에 국한되어 실험에 사용된 페럿이 생존하였으나, 북미형 H5N1 바이러스는 폐, 뇌, 림프절, 유선 등 전신으로 감염이 확산되면서 치명적인 결과를 초래하였습니다. ② PB2 및 NP 단백질의 아미노산 차이에 대한 분석입니다. 국제 데이터...

AI로 그리는 미래 화학의 새로운 지도 기초과학연구원 이 인공지능과 로봇 기술을 결합해 수천 가지 화학 반응을 자동으로 실험하고 분석하는 플랫폼을 개발했습니다. 이 기술은 복잡한 화학 반응을 시각화하고, 기존에 알려지지 않았던 새로운 물질까지 찾아내는 데 성공했습니다. 이번 성과는 세계적 학술지 네이처 에 게재되어 그 가치를 인정받았습니다. 자동화된 실험으로 밝혀낸 미지의 화학 연구진은 ‘한츠슈 반응’에서 기존 7종 외에도 9종의 새로운 화합물을 발견했으며, 이차전지 소재로 활용되는 프러시안 블루 유사체의 최적 조합도 찾아냈습니다. 이처럼 기존에는 예측이 어려웠던 반응 결과를 AI가 고해상도로 분석해 신속하게 시각화한 것이 특징입니다. 네이처 게재 논문 확인 ▲ 자동화 반응 플랫폼과 광학적 수율 측정 (a) 자동화된 반응 플랫폼의 설비 모습입니다. (b, c, d) 로봇은 두 가지 출발 물질(A와 B)을 조합하여 생성물 C를 만드는 반응 공간을 탐색합니다. 이 과정에서는 반응물의 농도와 온도에 따라 결과가 달라지며, 시스템은 자외선-가시광선(UV-Vis) 분광법을 활용해 서로 다른 농도의 정제된 생성물 스펙트럼을 기록합니다. 이처럼 얻어진 기준 패턴은 복잡한 반응 혼합물의 스펙트럼을 해석하는 데 활용되며, 이를 통해 로봇은 수천 가지 조건에서 생성물의 수율을 정밀하게 예측할 수 있게 됩니다. AI와 로봇이 이끄는 실험실 혁신 이번 시스템은 자외선-가시광선 분석과 AI 알고리즘을 결합해 대량의 실험 데이터를 효율적으로 처리합니다. 실험 조건만 달리해 생성물의 종류를 선택적으로 조절할 수 있어, 향후 신약 개발과 신소재 탐색의 효율성을 획기적으로 높일 수 있습니다. ▲ 한츠슈(Hantzsch) 반응 경로와 생성물 분포 한츠슈(Hantzsch) 반응에서 재구성된 반응 네트워크를 보여드립니다. 80도(°C) 조건에서 한츠슈 반응의 세 가지 주요 생성물에 대한 수율(위)과 농도(아래) 분포 지도를 함께 확인하실 수 있습니다. 향후 전망 기...

신경 회복 가로막는 별세포 속 '제동장치' 규명 교통사고나 추락 등으로 발생하는 척수손상은 운동과 감각 기능을 잃게 하는 심각한 질환입니다. 최근 기초과학연구원 연구진은 손상된 신경이 회복되지 않는 원인이 별세포에서 생성되는 억제성 물질 ‘가바(GABA)’ 때문임을 밝혀냈습니다. 해당 물질은 신경성장 신호를 차단해 회복을 방해하며, 이를 조절할 수 있다면 근본적인 치료가 가능하다는 희망이 제시되었습니다.   ‘가바’ 생성 막으면 신경 재생 가능 연구진은 별세포 속 효소 ‘마오비(MAOB)’가 과도하게 가바를 생성해 손상 부위에서 신경세포 재생을 막는다고 밝혔습니다. 이를 억제할 수 있는 약물 ‘KDS2010’을 동물에 투여한 결과, 신경섬유가 다시 자라고 운동 기능이 회복되는 효과를 확인했습니다. 특히 이 약물은 사람 대상 임상 1상 시험에서도 안전성과 효과가 입증되어 실제 치료제로의 가능성을 높이고 있습니다. ▲ 척수손상 동물모델에서 KDS2010의 치료 효과 척수손상 동물모델을 통해 선택적 MAOB 억제제인 KDS2010의 치료 효과를 확인하였습니다. 약물을 투여한 동물에서는 행동 기능 점수와 보행 능력이 뚜렷하게 회복되었으며, 이 효과는 장기간 지속되었습니다(b, d). 손상만 입은 대조군에서는 뒷다리 마비가 뚜렷하게 나타났으나, KDS2010을 투여한 군에서는 운동 기능 회복과 보행 능력의 개선이 확인되었습니다. 특히 미세 보행 평가 장치 실험에서도 정상에 가까운 운동 수행 능력이 회복된 것으로 나타났습니다(e). ▲ KDS2010의 신경 보존 및 조직 회복 효과 척수손상 동물모델에서 KDS2010을 투여한 결과, 손상으로 과도하게 증가한 별세포(astrocyte) 내 MAOB 발현이 억제되었고, 신경세포 표지 단백질인 MAP2의 발현이 회복되어 손상 부위의 신경세포가 보존되는 효과가 확인되었습니다(a). 또한 전자현미경 관찰 결과, 손상으로 파괴된 수초화 축삭이 정상 구조에 가깝게 회복되었으며(b-c), g-ratio(수초 ...

자폐 환자의 공포 기억, 뇌에서 왜 사라지지 않을까? 자폐 환자의 일부는 과거의 공포 경험을 쉽게 잊지 못하고, 오랜 시간이 지나도 불안과 공포 반응을 지속적으로 보입니다. 기초과학연구원 시냅스 뇌질환 연구단은 자폐 환자에게서 나타나는 이 같은 증상의 뇌 속 원인을 세계 최초로 밝혀냈습니다. 연구진은 공포 기억을 조절하는 핵심 뇌 부위인 ‘기저편도체’가 자폐 환자에서 제대로 작동하지 않는다는 점에 주목했습니다.     공포 기억을 지우는 열쇠, 기저편도체의 역할 자폐 유전자 변이를 가진 생쥐 실험에서, 위협 상황 후에도 기저편도체의 흥분성 신경세포가 충분히 활성화되지 않음이 확인되었습니다. 이로 인해 공포 기억이 소거되지 않고, PTSD와 유사한 장기 불안 반응이 유발되었습니다. 반면, 이 신경세포를 인위적으로 자극하자 공포 반응이 정상화되어 불안 증상이 줄어들었습니다. 이는 기저편도체 활성 조절이 치료의 핵심임을 보여줍니다. ▲ 기저편도체 흥분성 신경세포의 활성에 의해 조절되는 공포 기억의 소거 및 장기 공포 반응 정상 생쥐의 경우, 트라우마를 겪은 뒤 기저편도체의 흥분성 신경세포에서 신경 전달과 흥분도가 증가하여 기저편도체가 활성화되며, 이로 인해 공포 기억이 잘 소거되고 장기적인 공포 반응도 나타나지 않습니다(그림 좌측). 그러나 Grin2b 유전자 변이를 가진 자폐 생쥐에서는 트라우마 이후에도 해당 신경세포의 신경 전달 및 흥분도가 증가하지 않아 기저편도체의 활성화가 억제되고, 결과적으로 공포 기억 소거에 장애가 생기며 장기적으로 과도한 공포 반응을 보이게 됩니다(그림 중간). 이러한 상황에서 공포 기억 소거 과정 중 기저편도체를 인위적으로 활성화시켜 주면, 흥분성 신경세포의 신경 전달과 흥분도가 증가하여 공포 기억의 소거가 원활하게 이루어지고, 장기적인 공포 반응 역시 완화되는 것으로 나타났습니다(그림 우측).   유전자에서 시냅스까지, 뇌 회로의 정밀 탐사 이번 연구는 자폐 환자에게서 실제로 발견된 GRIN2B 유전...

숨겨진 기능, 헤모글로빈의 새로운 역할 혈액 속 산소를 운반하는 단백질로 잘 알려진 헤모글로빈이 뇌세포에서 항산화 역할까지 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 기초과학연구원 은 별세포 속 헤모글로빈이 활성산소를 분해해 뇌세포를 보호한다는 연구 결과를 발표했습니다. 퇴행성 뇌질환 치료의 전환점 루게릭병, 파킨슨병, 알츠하이머병 등에서 활성산소는 신경세포를 파괴하는 주요 원인입니다. 연구진은 헤모글로빈이 과산화수소를 산소와 물로 분해하는 기능을 최초로 규명하고, 이를 극대화하는 저분자 화합물 ‘KDS12025’를 개발해 치료 효과를 입증했습니다. 실험으로 입증된 치료 가능성 동물 실험에서 KDS12025는 신경세포 사멸을 억제하고 기억력, 운동 기능을 회복시키는 데 성공했습니다. 노화 모델에서는 수명이 30% 이상 연장되었고, 자가면역질환에서도 염증 완화 효과가 확인되어 다양한 질환에 활용 가능성이 제시됐습니다. 앞으로의 전망 이번 연구는 뇌질환 치료의 새로운 접근법을 제시하며, 내재된 단백질 기능 조절을 통해 부작용을 최소화하는 정밀 치료 전략으로 주목받고 있습니다. 향후 KDS12025는 전임상 및 임상 연구를 거쳐 실질적인 치료제로 발전할 전망입니다. 논문 확인 바로가기 논문명: Hemoglobin as a pseudoperoxidase and drug target for oxidative stress-related diseases 저널: Signal Transduction and Targeted Therapy   ▲ 퇴행성 뇌질환에서 별세포 과산화수소 악순환을 끊는 KDS12025의 작용기전 퇴행성 뇌질환에서 별세포는 독성 단백질 자극으로 과산화수소를 과다 생성하고, 이로 인해 신경세포가 손상됩니다. 이때 별세포 내부의 헤모글로빈도 줄어들며 산화 스트레스 악순환이 이어지는데, KDS12025는 이 헤모글로빈의 항산화 기능을 활성화시켜 산화 스트레스를 억제하고 뇌세포를 보호합니다. ▲ 다양한 퇴행성 뇌질환 모델에서 KDS12025의 치료 효능 루게...

코로나19 복제 차단 펩타이드 치료제의 구조와 원리 기초과학연구원( 기초과학연구원 ) 연구팀이 개발한 ' 코로나19 복제 차단 펩타이드 치료제 '는 기존의 항바이러스제 한계를 뛰어넘는 새로운 접근입니다. 바이러스가 스스로 복제하지 못하도록 구조적으로 차단하는 이 치료제는 변이에도 강한 효과를 보입니다. 논문으로 확인하기 왜 이 치료제가 필요한가? 코로나19 바이러스는 RNA 복제 효소(RdRp)를 통해 자기 유전자를 복제합니다. 이 효소는 NSP12, NSP8, NSP7 단백질이 붙어야만 작동합니다. 기존 항바이러스제는 효소의 작동을 억제하지만, 바이러스가 변이하면 약효가 떨어질 수 있습니다. 이번 치료제는 아예 단백질 결합 자체를 방해해 복제 효소가 만들어지지 않도록 막는 방식입니다. 펩타이드 치료제는 이렇게 작동합니다 ▲ 코로나19 복제 차단 펩타이드 치료제 작용 개념도 이 그림은 치료제가 바이러스 복제를 어떻게 막는지 보여줍니다. 바이러스가 복제 효소를 만들기 위해 필요한 NSP12-NSP8 결합 부위에 펩타이드가 끼어들어 복합체 형성을 방해합니다. 이 치료제를 비강으로 투여하면, 감염된 쥐는 생존률이 높아지고 폐 손상도 적어졌습니다. 어떤 펩타이드가 가장 효과적일까요? ▲ 펩타이드 치료제 구조 및 작동 방식 연구진은 구조 분석을 통해 4종의 펩타이드를 개발했습니다. 이 중 N8-Pepα 와 N8-Pepα_cyc 가 가장 효과적이었습니다. 특히 N8-Pepα_cyc는 두 부위를 이황화 결합으로 고정해, 체내에서도 구조가 쉽게 무너지지 않고 바이러스 복제를 강력히 억제했습니다. 이 연구를 수행한 연구진은 누구인가요? 연구는 기초과학연구원(IBS) 한국바이러스기초연구소 에서 수행되었으며, 최영기 소장 이 이끄는 신변종 바이러스 연구센터 팀이 주도했습니다. 주요 연구진은 다음과 같습니다. 최영기 소장 (교신저자): 코로나 및 인플루엔자 바이러스 병원성 연구 전문가 안재우 선임연구원 (제1저자): 바...

IBS, 뇌과학-데이터과학 협력으로 복잡한 동물 움직임 인간처럼 구분하는 AI 제시 생물학 연구부터 로보틱스 산업까지 쓰임새 무궁무진한 동물 분석 모델 탄생 인공지능의 적용 영역이 점차 확대되고 있다. 이제는 인공지능 학습을 이용한 동물 행동 분석이 연구현장의 핵심 실험방법으로 활약할 전망이다. 기초과학연구원 (IBS) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장과 수리 및 계산 과학 연구단 데이터 사이언스 그룹 차미영 CI단장(Chief Investigator·KAIST 전산학부 교수) 공동 연구팀은 동물의 3차원 움직임 정보를 바탕으로, 인공지능 학습을 통해 동물 행동을 분류하고 분석할 수 있는 새로운 분석 도구인 ‘섭틀(Spectrogram-UMAP-Based Temporal-Link Embedding, SUBTLE)’을 개발했다. 동물 행동 분석은 기초 신경과학 연구에서부터 질병의 원인과 치료법에 대한 연구에 이르기까지 다양한 연구의 핵심 도구로 활용된다. 생물학적 연구뿐만 아니라 로보틱스 등 여러 산업분야까지 확대되어 널리 활용되고 있다. 최근에는 인공지능 학습을 활용해 시간에 따라 복잡하게 변화하는 동물 행동을 정확히 이해하고 분석하기 위한 노력이 진행 중이지만, 인간처럼 행동의 유사성을 직관적으로 인식하는 데에는 한계가 있다. 일반적인 동물 행동 연구는 주로 1대의 카메라로 동물을 촬영해 특정 움직임의 시간, 빈도 등 저차원 데이터만을 분석했다. 데이터의 분석에는 학습데이터 하나하나에 대응되는 결괏값을 인공지능에 제공해 분석하는 방법을 사용했다. 마치 질문과 해답이 함께 있는 학습데이터를 가지고 반복적으로 학습시키는 형태다. 이 방법은 단순하지만 데이터 구축에 많은 시간과 노동의 투입이 요구되며 분석결과가 실험자의 주관적 판단에 의해 왜곡될 수 있다. 연구진은 최근 각광받고 있는 인공지능 분석 방법인 비지도 학습(Unsupervised learning)으로 3차원 모션캡처 장비를 통해 추출한 3차원 움직임 정보를 분석해 동물 행동을 정확히 분류할 수 있는 ...

수소 경제 전반의 핵심 발전 시스템인 연료전지의 발전 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매 합성법이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단(단장 현택환) 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 열처리 공정만으로 간단하게 백금 기반 연료전지 촉매를 합성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 백금 함량 당 연료전지의 발전 성능을 기존 대비 2배가량 높였다. * 연료전지(Fuel cell): 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성된다. 음극(anode)에는 수소(H2)를, 양극(cathode)에는 산소(O2)를 각각 공급한다. 음극에서 수소분자가 수소 이온으로 이온화된 뒤 양극으로 이동하고, 양극에서 수소이온과 산소가 만나 물이 형성되면서 전기가 발생하는 원리다. 수소 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데에는 연료전지가 가장 널리 활용된다. 연료전지는 수소(H2)와 산소(O2)를 이용해 전기를 생산하고, 부산물로 물(H2O)만을 배출하는 친환경적인 발전시스템으로 수소발전소 등 수소 산업 곳곳에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 특히, 수소자동차와 수소전기트럭은 전기자동차보다 높은 효율을 낼 수 있어 이상적인 이동수단으로 꼽힌다. * 수소자동차(Hydrogen vehicle): 수소와 산소의 전기화학반응에서 발생한 전기로 모터를 구동하며, 이때 연료전지가 수소의 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 역할을 한다. 급속충전도 1시간 이상 걸리는 전기자동차와 달리 2~3분간 수소를 공급하면 충전이 완료된다. 또 1회 충전 후 주행거리는 500~700km로 전기자동차보다 길다는 경쟁력이 있다. 하지만 연료전지 촉매로 사용되는 백금(Pt)의 가격이 1㎏ 당 3000만 원 이상이며, 고성능 촉매를 합성하기 위한 합성법이 제한적인 상황이다. 촉매 비용 대비 충분한 발전 성능이 확보되지 않아 아직은 사업성이 떨어진다는 의미다. 연료전지 시스템이 산업 전반에 활용되기 위해서는 백금계 촉매를 손쉽게 대량 생산하는 기술과 적은 촉매로도 발전 ...

수소를 활용하는 연료전지는 수소(H2)와 공기 속 산소(O2)의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 반응 결과 전기에너지와 물만 생성되기 때문에 오염물질을 배출하지 않는 친환경 미래 에너지로 각광받는다. 연료전지는 특히 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 따라서 발전소나 수소자동차 등 대량의 에너지가 필요한 곳뿐만 아니라 스마트폰, 드론 등 휴대용 소형 전자기기에도 유용하게 쓰인다. 소형 전자기기에 최적화된 새로운 연료전지가 개발됐다. 기초과학연구원 (IBS) 나노입자 연구단 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 조용훈 강원대 교수팀과 공동으로 가볍고 구부릴 수 있는 빨대 모양의 연료전지를 개발했다. 기존보다 단순화되어 가볍고, 다양한 모양으로 구성할 수 있어 연료전지 개발의 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 연료전지는 크게 양측의 끝판, 분리막 그리고 막전극접합체로 구성된다. 양쪽 끝판은 막전극접합체에 균일한 압력을 전달한다. 분리판은 수소와 산소를 섞이지 않게 분리하는 동시에 반응물의 통로 역할을 한다. 양쪽 끝판과 분리판은 전체 무게의 약 80%를 차지하며, 지금까지는 경량화에 한계가 있었다. * 막전극접합체: 수소 이온과 물이 전달되는 전해질막, 전해질 양측의 연료극과 공기극의 전극, 기체확산층으로 구성된 연료전지 핵심 소재. 연구진은 무거운 양쪽 끝판과 분리판의 역할을 축소하여 연료전지의 경량화 방법을 고안해냈다. 연구진은 종이컵을 쌓아 올리듯, 원추형 유닛을 이어 주름진 빨대 형태의 연료전지를 설계했다. 이때, 각 부품의 고정 장치와 구조 유지를 위한 양쪽 끝판을 제거해도 형태가 유지됐다. 또, 관의 안쪽을 연료(수소)의 통로로, 외부를 공기(산소) 공급 면으로 활용하여 분리판의 역할도 대체할 수 있음을 확인했다. 이런 방식으로 막전극접합체를 제외한 부품의 무게를 60% 이하로 대폭 줄일 수 있었다. 또한, 빨대의 주름진 부분처럼 자유자재로 줄이거나 늘일 수도 있다. 제1저자인 황원찬 연구원은 “디자인된 종이접기 주름을 따...

기초과학연구원 (IBS) 나노의학 연구단(단장 천진우) 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀은 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발하여‘미니 뇌’제작에 성공했다. 이는 신생아의 뇌 수준에 가깝게 성숙한 데다, 기존보다 2배 이상 크게 제작됐다. ‘뇌 오가노이드(organoid)는 뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는다. 이는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 배양하여 만들 수 있다. 다만 기존 뇌 오가노이드는 태아 수준에 머물러 있다. 주로 사용하는 배양지지체가 뇌의 단백질 성분과 달라, 뇌 발달에 필요한 환경을 구현하지 못하기 때문이다. 또한 오가노이드가 커질수록 중심부까지 산소 및 영양분 공급이 어려워 세포가 죽는 문제도 있었다. * 오가노이드(organoid): 줄기세포의 분화 및 자가 구조화 과정을 거쳐 만들어지는 장기유사체. 미니 장기라고도 불린다. * 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell): 이미 분화된 체세포를 역분화시켜 제작한 우리 몸을 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 만능줄기세포 연구진은 나노기술로 이러한 한계를 극복했다. 우선 뇌의 미세환경과 유사한 젤리 형태의‘3차원 하이드로젤(hydrogel)을 개발했다. 이는 세포를 제거한(탈세포) 뇌의 세포외기질(extracellular matrix)을 활용한 것이다. 이로써 뇌 발달에 필요한 생화학적·물리적 환경을 만들 수 있게 됐다. 나아가 미세한 채널로 구성된 ‘미세유체칩(microfluidic chip)’을 도입, 배양액 흐름을 정밀 조정하여 산소와 배양액을 중심부까지 효과적으로 공급하도록 했다. * 하이드로젤(hydrogel): 친수성 고분자로 구성된 젤리와 같은 물성을 가진 생체소재 * 세포외기질(extracellular matrix): 세포와 세포 사이의 공간을 채워줌으로써 조직의 구조를 형성하고 지지하는 역할을 담당하는 단백질 성분 이후 개발한 하이드...

반도체는 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 성능 향상에 유리하다. 단위 면적당 더 많은 소자를 집적할 수 있기 때문이다. 산업계에서는 선폭이 5nm 정도인 ‘5나노 반도체’가 최근 상용화에 들어섰다. 기초과학연구원 (IBS) 다차원 탄소재료 연구단 이종훈 그룹리더(UNIST 교수)와 펑딩 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 2차원 흑린을 이용해 선폭 4.3Å(0.43nm)의 전도성 채널을 구현했다. 이는 나노미터 한계를 뛰어넘어 옹스트롬(Å‧1Å은 0.1nm) 단위 선폭의 초극미세 반도체 소자 가능성을 실험적으로 제시한 것이다. 이번 연구는 울산과학기술원(UNIST), 포항공대(POSECH)와 공동으로 진행했다. 2차원 흑린은 ‘포스트(post) 그래핀’ 시대의 주역이 될 반도체 소재로 꼽힌다. 두께가 원자 한 층 정도여서 실리콘 기반 반도체로 구현하기 힘든 유연하고 투명한 소자에 이용 가능하다. 또한 2차원 반도체 소재 중 전자이동도가 가장 크다. 그래핀과 달리 ‘밴드갭(band gap)’이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어도 쉽다. * 밴드갭(band gap): 물질 속 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이 일종의 장벽으로, 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 한다. 특정 소자를 반도체로 사용하려면 실리콘처럼 밴드갭이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어가 가능하다. 그래서 그간 흑린 등 2차원 물질들을 반도체 소자로 활용하려는 시도들이 많이 있었다. 그 결과 물질들의 전기적 특성 측정 및 응용 관점에서 많은 발전도 이루어졌다. 하지만 2차원 물질들을 실제 소자화하는 공정 과정에서 발생하는 결함(defect)에 관한 연구는 상대적으로 미비했다. 이에 연구진은 이 문제를 해결하기 위한 연구에 착수하였다. 연구진은 전극으로 활용될 수 있는 전도성 채널을 만들고자 다층의 2차원 흑린 각 층 사이에 구리 원자를 삽입했다. 이때 흑린에 얇은 구리 박막을 증착한 후 열처리를 하는 간단한 공정을 진행한다. 그러...

기초과학연구원 (IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장(POSTECH 물리학과 교수)과 케이스케 후쿠타니, 김준성, 김재영 연구위원은 저항 없이 정보 전달이 가능한 입자 ‘액시톤이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다. * 엑시톤: 자유전자와 양공으로 이뤄진 입자. 절연체에 빛을 쪼이면 원자에 속박된 전가가 들뜬 상태로 전이를 하는데, 전자가 원자핵을 중심으로 도는 것처럼 들뜬 전자가 양공 주위를 돈다. 액시톤은 자유전자(-)와 양공(+)이 결합하여 만들어지는 입자로, 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다. 전하가 0인 액시톤은 물질 내에서 움직일 때 저항을 받지 않아, 에너지 소모 없이 정보를 전달할 수 있다. 따라서 전력 소비가 크고 발열이 동반되는 고성능 소자의 한계를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다. * 양공: 전자가 빠져나간 빈 자리. (+)전하를 띤다. 정공이라고도 한다. 하지만 레이저로 만든 액시톤은 수명이 매우 짧아 안정성이 떨어지기 때문에, 정보 처리 소자에 활용하기는 어려웠다. 수명이 긴 액시톤을 만들기 위해 전자와 양공을 직접 조종하는 연구가 시도됐으나, 극저온에서만 액시톤을 만들 수 있다는 한계가 있었다. 연구진은 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤을 관측하고자 실험을 설계했다. 1970년대에 제시된 액시톤 절연체 예측 이론이 연구의 중요한 계기가 됐다. 이 이론은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 액시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다고 예견했다. 수 년 전 동경대에서 이러한 조건에 부합하는 반금속 물질을 제안하였으나, 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다. * 액시톤 절연체 예측: 1973년 소련 과학 아카데미 연구진이 제안한 것으로, 특정한 에너지띠를 갖는 고체에서 액시톤이 자발적으로 형성되리라고 예측했다. Reports in Progress in Physics 지에 실렸다. * 반금속: 금속과 반도체의 중간 성질을 갖는 물질 ...

▲ 신규 삼차원 위상 디락 반금속 물질인 KZnBi의 결정구조 모식도 (아래)와 디락 입자 특성을 보이는 전자구조 (위) ▲ 새롭게 합성한 KZnBi 단결정 ▲ KZnBi의 초전도 현상 (좌) 과 임계 자기장 측정을 통해 일반적인 초전도체 (s-wave)와는 다른 특이한 초전도 현상 확인(우) 양자컴퓨터의 큐비트를 만드는 것은 매우 어렵다. 극저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도상태 또는 진공상태 등 까다로운 제작조건이 필요하기 때문이다. 위상물리에서 발현되는 초전도 특성은 양자컴퓨터 큐비트를 구현할 수 있으나, 이러한 특성을 보이는 물질은 극소수이다. 그중 삼차원 위상 디락 반금속은 물질의 대칭 붕괴를 통해 초전도 등 다양한 물리현상을 보일 것으로 기대되나, 상압에서 나타나는 초전도 특성이 관측된 적은 없다. * 양자컴퓨터:양자 얽힘을 이용하여 자료의 병렬 처리가 가능한 컴퓨터로, 기존의 방식으로 해결 할 수 없는 연산들을 매우 빠르게 할 수 있을 것으로 기대 받고 있는 컴퓨터. * 큐비트: 기존 컴퓨터의 비트(0또는 1의 값을 가짐)와는 달리 0 또는 1의 두가지 값을 가질 수 있을 뿐 아니라 0과 1이 동시에 존재하는 중첩된 상태로 표현 될 수 있는 비트. 기초과학연구원 (IBS) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 김성웅 연구위원(성균관대 교수)과 송준성 박사후연구원은 한국과학기술원, 와이즈만연구소 등 국제공동연구진과 함께 상압에서 표면 초전도 현상을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속소재(KZnBi)를 발견했다. 연구진이 발견한 KZnBi는 평상시 대기압(상압) 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르게(초전도성) 할 수 있다. * 초전도 현상: 온도가 임계온도 이하에 도달하면 물질의 전기 저항이 0 이 되는 현상. * 삼차원 위상 디락 반금속: 디락 입자가 삼차원 운동량 공간에 존재하여 그래핀의 삼차원 유사체로 알려진 물질로 질량이 거의 없는 입자를 가지고 있어 매우 빠른 전하 이동도와 독특한 위상학적 특성을 보임. 연구진은 디락 입자가 존재하...

발병 후 1년 6개월 이상 지났지만 코로나바이러스의 인체 감염 기전은 여전히 불분명하다. 상기도 조직(호흡계의 상부: 비강, 인두, 후두, 기관지)을 통해 감염된다고 알려졌을 뿐 정확한 표적 부위는 밝혀지지 않았다. 효과적인 예방대책 수립에 어려움을 겪는 이유다. 기초과학연구원 (IBS) 혈관 연구단 고규영 단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수) 및 전북대학교 감염내과 이창섭 교수 ‘코로나19 대응 공동연구팀’은 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2, 이하 코로나바이러스)의 복제 순간을 최초로 포착하고 초기 감염 및 증식의 주요 표적이 비강(코 안)섬모상피세포임을 규명하였다. 코로나바이러스는 ACE2·TMPRSS2·Furin 수용체 단백질과 결합하여 세포 내로 침투한다. 단백질들이 바이러스의 침입 경로 역할을 하는 것이다. 그러나 최신의 ‘단일세포 유전자발현 측정기법(Single cell RNA-sequencing)’만으로는 단백질의 정확한 분포 파악에 한계가 있었다. 또한, 코로나19 환자 대부분이 진단 시점에 이미 일차적 바이러스 감염·증식이 끝난 상태이기 때문에 초기 감염 기전 파악이 더욱 어려웠다. 연구진은 실제 코로나19 초기 환자로부터 얻은 정확한 검체를 다양한 실험기법을 적용해 분석함으로써 기존 한계를 극복했다. * ACE2, TMPRSS2, Furin 수용체 단백질: 코로나바이러스 표면의 스파이크 단백질과 결합하여 바이러스가 세포막에 붙어 세포 내로 들어갈 수 있도록 돕는 역할을 한다. 따라서 이들 단백질을 가진 세포만이 코로나바이러스에 감염된다. 우선 연구진은 ACE2·TMPRSS2·Furin 수용체 단백질이 코 안 섬모세포의 공기 접촉면에 집중 분포함을 발견하였다. 코로나바이러스가 섬모세포의 공기 접촉면에 결합해 세포 내로 침투 후 복제·증식한다는 의미다. 이로써 비강 섬모세포가 코로나바이러스 감염의 시발점임을 새롭게 밝혔다. 반면 그동안 주요 감염표적으로 여겼던 호흡기 점액분비세포와 구강 상피세포에는 코로나바이러스 수용체 단백질이 존재하...