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생명체는 DNA, RNA, 단백질과 같은 바이오분자들의 조절 작용으로 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 바이오분자들의 조절로 유전 정보가 전달되고, 잘못 전달된 정보는 유전자 변형이나 감염성 질병의 원인이 된다. 따라서 분자생물학적 조절 연구는 유전자 치료제와 첨단 백신 개발에 중요하다. 특히, 2023년 코로나 mRNA 백신 기술을 개발한 과학자들이 노벨 생리의학상을 수상하면서 RNA 조절 연구에 기반한 첨단신약, 바이오공학 기술이 크게 주목받고 있다. 단백질 ‘생산 설계도’보호하는 RNA 조절 기전 찾았다 기초과학연구원(IBS)은 RNA 연구단 김빛내리 단장(서울대 생명과학부 석좌교수), 미국 국립암연구소 유진 발코프(Eugene Valkov) 박사, KAIST(총장 이광형) 바이오및뇌공학과 이영석 교수 공동연구팀이 자체 개발한 단일핵산 분석법을 적용해 전령 RNA(messenger RNA, 이하 mRNA) 분해의 새로운 조절 기전을 찾았다고 밝혔다. mRNA는 긴 단일 가닥 RNA 분자로, DNA에 보관된 유전 정보를 단백질에 전달하는 매개체로서 마치 단백질의 ‘생산 설계도’와 같다. 예를 들어, 코로나 mRNA 백신은 약 4,000개의 RNA 분자로 이루어져 있으며, 코로나 스파이크 단백질의 유전 정보와 다양한 RNA 변형을 활용해 스파이크 단백질 생산을 조절하도록 설계되어 있다. 결국 RNA 기능과 조절에 따라 유전자 치료제 및 mRNA 백신의 효능이 결정된다. ▲ mRNA 꼬리에 대한 단일핵산 분석 방법론 (a) mRNA 꼬리 분해 과정에 대한 수학 모델링 모식도. mRNA 꼬리는 50-150개 RNA 분자의 연속적인 변형이라는 특이적인 형태임. 이러한 연속적인 변형을 단일핵산 단위로 탈아데닐화하는 과정을 수학적으로 모델링함. (b) 합성 RNA 꼬리(A20, A1, A0, UCU)와 CCR4-NOT 단백질 복합체를 활용한 mRNA 꼬리 분해 실험 기법. 인간 재조합 CCR4-NOT 단백질 복합체의 구성 요소인 CCR4 단백질과 CAF1 단백질은 단

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

경제가 발전한 도시일수록 도심 속 녹지 공간이 시민의 행복에 큰 영향을 준다는 연구결과가 나왔다. 차미영 기초과학연구원 (IBS) 수리및계산과학연구단 데이터 사이언스 그룹 CI(Chief Investigator‧KAIST 전산학부 교수) 연구팀은 정우성 포스텍 산업경영공학과 교수, 원동희 미국 뉴저지공대 교수 등과의 공동연구를 통해 인공위성 이미지 빅데이터를 분석해 세계 60개 국가의 도시 녹지 공간을 찾아내고, 녹지와 시민 행복 사이의 상관관계를 분석했다. 공원, 정원, 천변 등 도시 속 녹지 공간은 미적 즐거움은 물론 신체활동 및 사회적 상호작용 촉진 등 육체와 건강에 유익한 영향을 준다. 도심 녹지와 시민 행복간의 상관관계를 규명하기 위한 많은 연구가 이뤄졌지만, 지금까지는 주로 일부 선진국을 대상으로만 연구가 진행됐다. 이 때문에 녹지의 긍정적인 영향이 범지구적인 현상인지, 또 국가의 경제적 상황에 따라 영향이 어떻게 달라지는지에 대해서는 파악이 어려웠다. 또한, 현장을 직접 방문하는 실태조사나, 항공사진은 대대적인 조사가 이뤄지기 어려워 데이터 수집의 한계가 있었다. 연구진은 유럽우주국(ESA)이 운용하는 고해상도 위성인 센티넬-2(Sentinel-2) 위성자료를 이용해 세계 60개국, 90개 도시의 녹지 면적을 조사했다. 인구 밀도가 가장 높은 도시(최소 국가 인구의 10%를 포함하는 도시)를 분석대상으로 삼았으며, 선명한 이미지를 위해 각 지역의 여름 시기를 분석했다. 북반구는 2018년 6~9월, 남반구는 2017년 12월~2018년 2월의 이미지가 쓰였다. * 센티넬-2(Sentinel-2): 인공위성 지구 감시 프로젝트인 ‘코페르니쿠스’의 일환으로 발사된 센티넬 위성 시리즈 중 하나로 약 10m의 해상도로 지구를 관측할 수 있다. 특히 센티넬-2는 초목을 확인하는 데 뛰어난 단파 적외 채널을 갖춰 산불 발생 가능성 등을 예측하는 데 주로 활용된다. 이후 정량화된 도시 별 녹지 면적 데이터를 국제연합(UN)의 2018 세계행복보고서 국제연합(U

기초과학연구원 (IBS)은 기초과학에 대한 국민적 관심을 유도하고, 창의적인 과학콘텐츠를 발굴하기 위해 ‘제2회 IBS‧기초과학 홍보콘텐츠 공모전’을 개최한다. IBS는 기초과학에 대한 대중의 막연한 어려움과 거리감을 해소하고자 지난해부터 ‘IBS‧기초과학 홍보콘텐츠 공모전(이하 공모전)’을 개최해왔다. 1회 공모전에는 청소년부와 일반부에서 200여 건의 작품이 응모됐으며 1,700명 이상이 온라인 공개투표에 참여하는 등 큰 관심을 모았다. 이번 공모전은 IBS 설립 10주년을 맞아 영상 부문과 스토리텔링 부문으로 확대하여 진행된다. 영상 부문에는 IBS를 주제로 한 3분 이내의 단편 영상을 제작해 제출하면 된다. IBS의 연구성과를 흥미롭게 소개하거나 IBS의 설립 10주년을 축하 및 10년의 성과를 조망하는 등 기발한 아이디어로 IBS를 영상으로 알리면 된다. 스토리텔링 부문은 IBS가 기획‧2020년 초판을 발행한 과학교양서 [코로나 사이언스]에 대한 서평이나 IBS의 연구성과를 대중에게 흥미롭게 알릴 수 있는 모든 글을 응모할 수 있다. [코로나 사이언스]는 IBS 연구진이 코로나19 팬데믹의 원인 및 전망을 과학적으로 분석한 책으로 IBS가 홈페이지에 연재한 ‘코로나19 과학 리포트 IBS는 2020년에 이해 사스코로나바이러스-2의 과학적 이해와 극복 방안을 모색한 ‘코로나19 과학 리포트2’를 홈페이지에 연재 중이다. 코로나19 과학 리포트 2에는 바이러스 변이와 백신․치료제 개발 관련 연구동향과 쟁점을 집중적으로 다루고 있다. 코로나19 과학 리포트는 IBS 홈페이지에서 구독할 수 있다. ’를 단행본으로 엮어 제작됐다. 에세이, 시, 단편소설, 시나리오 등 응모 형태에는 제한이 없다. 단, 참가자의 생각과 의견이 담긴 내용이어야 하며, 단순히 과학적 사실만 나열한 글은 수상에서 제외된다. 대한민국 거주자라면 누구나 이번 공모전에 참여할 수 있다. 스토리텔링 부문은 개인으로, 영상 부문은 개인 또는 5명 이하의 팀 단위로 참가 가능하다. 최종 수상작

기초과학연구원 (IBS) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀은 분당서울대학교병원 이비인후과 최병윤 교수 연구팀, 목포대학교, 중국 센트럴 사우스 대학(Central South University), 미국 마이애미 대학(University of Miami)과 공동연구로 새로운 난청 유전자 TMEM43 돌연변이가 청각신경병증을 유발하는 매커니즘을 규명했다. 난청 진단 및 치료에 기여할 것으로 기대된다. ‘청각신경병증(ANSD, Auditory Neuropathy Spectrum Disorder)’은 달팽이관 또는 청신경 이상으로 소리 인지는 가능하지만 말소리 구별(어음변별) 능력이 저하되는 난청 질환이다. 난청은 병리학적 원인에 따라 치료법과 결과가 좌우되는데, 청각신경병증은 원인과 양상이 다양하여 치료가 매우 어렵다. * 감각신경성 난청(중이염 등에 의한 전음성 난청 제외) 중 약 10~15%에 해당한다. 난청의 원인에는 ‘달팽이관 지지세포(GLS, glia-like supporting cells)’이상에 따른 ‘간극연접(Gap junction)’ 기능 저하가 있다. 그러나 이에 관여하는 난청 유전자의 종류와 진행성 난청 발병 메커니즘은 밝혀진 바가 거의 없었다. 공동연구팀은 유전학적 검사를 통해 달팽이관 지지세포에 존재하는 새로운 난청 유전자 TMEM43을 규명하고 병리학적 기전을 세계 최초로 밝혀냈다. * 간극연접(Gap junction) : 세포와 세포 사이를 연결하는 단백질 복합체로 이루어진 연결구조. 달팽이관 내 세포들 간 이온 전달에 중요하다. 연구팀은 우선 난청의 원인을 찾고자 진행성 청각신경병증을 가진 한국과 중국 국적 환자군의 가계도를 분석했다. 유전자 검사 결과 공통적으로 TMEM43 돌연변이가 유전됨을 확인했다. TMEM43 유전자가 난청의 원인이라는 의미다. 이는 TMEM43 돌연변이 유전자를 주입한 생쥐 모델 실험을 통해서도 확인됐다. 정상 쥐는 성장하면서 달팽이관 지지세포도 커지지만, 돌연변이 쥐의 경우 커지지 않았다. TMEM4

자성상태 조절이 가능한 새로운 2차원 자성 물질이 발견됐다. 기초과학연구원 (IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 김준성 연구위원(POSTECH 물리학과 교수)과 POSTECH 화학과 심지훈 교수, 신소재공학과 최시영 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다. 이로써 하나의 소재에서 다양한 스핀 정렬 상태를 유도하는 것이 가능해져, 향후 차세대 스핀 소자에 대한 다양한 연구를 가능케 할 것으로 기대된다. * 2차원 물질: 두께가 거의 없는 2차원 물질은 유연하고 투명하면서도 기존 3차원 물질과 전혀 다른 물리적 성질을 보인다. 차세대 전자 소자의 후보로 연구되고 있다. 2차원 자석은 차세대 소자 후보인 스핀정보소자 구현에 필요한 핵심 소재 중 하나다. 그러나 2차원 자석 후보 물질이 드물고, 매우 낮은 온도에서만 자성이 나타나 적합한 소재를 확보하기 어려웠다. 연구진은 지난 해 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질인 철-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe4GeTe2)의 설계 및 합성에 성공한 바 있다. * 스핀정보소자(spintronics): 스핀(전자가 가지고 있는 고유한 각운동량)을 정보 저장과 처리의 기본단위로 사용하는 소자. 전자가 가진 전하 정보를 사용하는 현재 소자(electronics)보다 전력소모가 적고 반응속도도 더 빠르며, 정보의 저장과 처리를 동시에 할 수 있어 차세대 소자로 주목받고 있다. * 2차원 층상 물질: 층간 결합이 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질. 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합과 달리 분자 간 정전기적 상호작용으로 생기는 것이라 상대적으로 매우 약하다. 때문에 쉽게 층을 분리할 수 있다. 전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것이 중요한 과제였다. 연구진은 층 사이 자성

기초과학연구원 (IBS) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 연구팀은 TANC2 단백질 결손이 자폐 및 뇌 발달장애를 유발하는 매커니즘을 규명했다. 이로써 TANC2 유전자 돌연변이에서 기인한 자폐 및 뇌 발달장애 치료제 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다. 자폐증(Autism spectrum disorders)은 뇌 발달장애의 한 종류로서, 세계 인구의 약 2%가 앓고 있다. 뇌의 발달은 세포 내 다양한 신호전달(signaling) 체계에 의해 조절된다. 그중 ‘mTOR 신호전달’은 신경세포를 포함한 대부분 세포의 발달과 기능을 제어한다. 여기에는 대사 장애, 뇌 발달장애 등 다양한 질환이 관련되어 있다고 알려져 있다. 그러나 신경계에서의 mTOR 조절 기전은 이제까지 알려진 바가 거의 없었다. * 자폐증(Autism spectrum disorders): 사회적 상호작용 및 의사소통의 결여와 반복적인 행동 및 제한된 관심의 증상을 보이는 일련의 뇌정신 질환. * 뇌발달장애(Neurodevelopmental disorders): 자폐, 지적장애(intellectual disability), 주의력결핍-과잉행동장애 (ADHD), 뇌성마비(cerebral palsy) 및 조현병(schizophrenia) 등 비정상적인 뇌발달로 인해 유발되는 다양한 뇌정신질환을 통칭함. 전세계 인구의 약 15%가 앓고 있다. * mTOR 신호전달 (mTOR(mechanistic Target Of Rapamycin) signaling): 인산화효소 단백질의 하나인 mTOR와 연관된 신호전달과정으로 세포의 사멸과 생존, 단백질 생산 등을 조절한다. 자폐 및 뇌 발달장애를 유발하는 FMRP, TSC1/2, PTEN 유전자의 돌연변이가 mTOR 신호전달 이상과 관련되어 있다. 시냅스 뇌질환 연구단은 이전 연구에서 ‘TANC2 단백질’이 정상적인 뇌 발달에 필수적임을 규명했다. 이후 다양한 임상연구를 통해 TANC2와 자폐 및 뇌 발달장애의 연관 가능성이 제기되었다. 다만 정확한 발병기전을

기초과학연구원 (IBS) RNA 연구단 김빛내리 단장(서울대 생명과학부 교수)연구팀이 코로나바이러스 RNA에 직접 결합하여 증식을 제어하는 단백질들을 발견했다. 이번 연구로 작년 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)의 원인인 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)의 고해상도 유전자 지도에 이어 고해상도 단백질체 지도를 완성했다. 이로써 코로나19 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다. 코로나바이러스는 RNA바이러스의 한 종류이다. 숙주세포에 침투해 자신의 유전정보가 담긴 ‘유전체 RNA(genomic RNA)’를 생산 및 번역함으로써 여러 ‘비구조단백질(non-structural protein)’을 만들어 낸다. 비구조단백질은 숙주세포의 1차 면역 공격(선천면역)을 차단하고 바이러스 유전체를 복제한다. 이후 유전체 RNA에서는‘하위유전체 RNA(subgenomic RNA)’가 생산된다. 이는 바이러스를 구성하는 여러‘구조단백질(스파이크, 외피 등)’의 설계도 역할을 한다. 구조단백질과 유전체 RNA는 바이러스 입자를 만들어내며, 세포를 탈출하여 새로운 세포를 감염시킨다. 이렇듯 코로나바이러스의 증식에는 유전체 RNA 및 하위유전체 RNA에 결합하는 숙주세포의 단백질이 중요한 역할을 한다. 하지만 현재까지 이들 단백질에 대해 알려진 바가 거의 없었다. 연구진은 사스코로나바이러스-2에 특이적으로 결합하는 단백질을 찾기 위해 특정 RNA에 결합하는 단백질만을 분리·동정하는 기술을 개발하였다. 이를 활용해 사스코로나바이러스-2 RNA에 결합하는 단백질 109개를 모두 찾아냈다. 이중 37개는 유전체 RNA와 하위 유전체 RNA에 공통으로 결합함을 확인했다. 코로나바이러스의 한 종류인 HCoV-OC43와도 비교분석을 진행했다. 코로나바이러스 과에 공통으로 작용하는 단백질과 사스코로나바이러스-2에만 결합하는 단백질을 분류하고, 각각의 기능을 분석하였다. 그 결과 바이러스 증식을 돕는 단백질 8종과 항바이러스 단백질 17종을 발견했다. 사스코로나바이러스-2에 직접

기초과학연구원 (IBS) 복잡계 자기조립 연구단 장영태 부연구단장(POSTECH 화학과 교수) 연구팀은 세포막 지질의 특성만을 이용해 살아있는 B세포를 식별할 수 있는 새로운 형광분자 ‘CDgB’를 개발했다. 혈액은 혈장, 적혈구, 백혈구, 혈소판으로 이루어지며, 여기에는 독특한 기능과 특성을 가진 세포들이 모여 있다. 혈액에 존재하는 각 세포를 식별하는 것은 인체 기능 이해에 필수적이다. 특히 백혈구의 25%를 차지하는 림프구에는 T세포, B세포, NK세포 등 면역을 담당하는 세포들이 있어 더욱 중요하다. 혈액 세포 식별에는 항체가 주로 사용된다. 세포가 가진 고유의 바이오마커(생체표지자)와 항체의 결합을 통해 세포를 식별한다. 하지만 세포를 고정하거나 죽인 후 항체를 도입하므로 살아있는 상태에서 세포를 식별하기 어렵다는 한계가 있었다. 이 때문에 최근에는 세포를 투과할 수 있는 작은 크기의 형광 분자들을 이용해 세포를 식별하는 방식이 주로 사용되고 있다. * 바이오마커(생체표지자) : 단백질이나 DNA, RNA, 대사 물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표. 면역세포 중 B세포와 T세포는 체내에서 서로 다른 역할을 한다. 특히 면역치료 및 세포의 이상을 조기에 파악하려면 두 세포의 구분이 필수적이다. 그런데 두 세포는 크기와 모양 등의 물리적 특성이 유사하여, 지금까지는 항체의 도움 없이 형광 분자만으로 구별이 어려웠다. * B세포는 바이러스, 세균 등 외부 항원이 들어왔을 때 항체를 분비하여 항원의 활성을 저해한다. * T세포는 항원이 들어왔을 때 사이토카인(cytokine)과 같은 특정 물질을 분비하거나 병원체에 감염된 세포들을 죽이는 역할을 한다. IBS 복잡계 자기조립 연구단은 단백질, 탄수화물 등 기존 바이오마커가 아닌 세포 자체의 차이를 이용해 세포를 식별하자는 아이디어를 냈다. 우선, 생쥐의 비장에서 B세포와 T세포를 분리한 뒤, 1만 개의 형광분자를 도입했다. 그중, 세포막에서 B세포만을 선택적으로 염색하는 형광분자를 발견하고

같은 물질이라도 두께에 따라 물성은 달라진다. 종이 한 장은 약한 힘으로 쉽게 찢을 수 있지만, 여러 장을 찢으려면 많은 힘이 필요하다는 점을 생각해보면 된다. ‘꿈의 신소재’ 그래핀도 마찬가지다. 기초과학연구원 (IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 그래핀의 두께에 따른 습윤 특성 변화를 분자 수준에서 처음으로 규명했다. 습윤성(wettability)은 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 나타내는 성질이다. 이는 친수성에 비례하는 반면, 소수성에는 반비례한다. 다른 증착물질들과 달리 그래핀의 습윤성은 함께 사용되는 기판의 종류에 따라 다르게 나타난다. 기판의 습윤성이 얇은 그래핀을 투과하여 표면으로 전달되기 때문으로 알려졌지만, 그 메커니즘이 명확히 밝혀지진 않았다. 또한 그래핀이 친수성 물질인지, 소수성 물질인지도 알 수 없었다. 지금까지 그래핀 습윤성 연구는 주로 거시적 현상 관찰에 그쳤다. 그래핀 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 그 모양을 통해 습윤성을 파악하는 식이다. 하지만 이런 방식으로는 그래핀 표면의 대략적 특성만 파악할 뿐, 그래핀과 물의 계면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 면밀히 측정하기 어려웠다. * 계면 : 서로 다른 두 개의 상의 경계면을 계면이라 한다. 표면은 단순히 물체의 가장자리 면을 의미하고, 계면은 물체 표면 위에 다른 물질이 올라간 차이가 있다. 전극, 필터 등 실제 응용 환경에서 그래핀은 물과 접촉하고 있다. 따라서 그래핀 자체의 습윤 특성보다는 물과 접촉한 계면에서의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 이를 위해 라만 분광법 등을 이용한 실험도 등장했다. 그러나 계면 주변 물 분자의 신호까지 함께 측정하여 계면에서의 현상만 선택적으로 파악하기는 불가능했다. * 라만분광법 : 레이저광을 분자에 쬐었을 때 분자의 진동수만큼의 차이가 있는 산란광을 검출하여 분자의 진동 스펙트럼을 얻는 분광법 IBS 연구진은 ‘합-주파수 생성 분광법’이라는 기술을 이용하면 그래핀-물 계면에 위치한 물 분자의 수소

현재까지 확인된 기본입자 외에 추가 입자 혹은 힘의 존재 가능성이 커졌다. 미 페르미 연구소는 국제 공동 연구 ‘뮤온 g-2’실험의 첫 결과를 4월 8일(한국 시각) 발표했다. 연구진은 뮤온이 현대물리학의 예측과 다르게 행동함을 신뢰도 4.2 시그마로 입증했다. * 뮤온 : 전자의 무거운 형제 격으로, 고에너지 입자들이 충돌할 때 발생한다. 약 2 마이크로 초의 수명을 가진다. * 시그마 : 일반적으로 어떤 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)면 ‘힌트’의 범주에 들어가고, 5 시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정된다. 기초과학연구원 (IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장과 연구진 등 8명은 페르미 연구소를 비롯한 공동 연구진과 함께 뮤온 흔들림을 측정해 발표했다. 이는 수십 년 간 미제로 남아있던 이론과 실험의 불일치를 확인한 것으로, 새로운 물리학을 개척할 단서가 될 것으로 기대된다. 현대물리학의 정수인 표준모형은 아원자 세계를 가장 잘 설명하는 이론이다. 우주를 이루는 쿼크, 전자, 뮤온, 중성미자 등의 기본입자와 중력을 제외한 세 가지 힘, 그리고 이들 사이의 상호작용을 서술하고 있다. * 아원자 : 중성자, 양성자, 전자처럼 원자보다 작은 입자를 가리킨다. * 자연계에는 중력, 전자기력, 강력, 약력 총 4가지 힘이 존재하는 것으로 알려져 있다. 뮤온은 이러한 아원자 세계를 비추는 거울처럼 작용한다. 강력한 자기장 하에서는 뮤온의 자석 축이 팽이처럼 흔들리고, 이 흔들림은 g 값으로 표현된다. 뮤온은 진공에서 나타났다 사라지는 무수한 가상입자들과 상호작용하므로, g 값도 그 영향을 받는다. 과학자들은 표준모형을 이용해 이 g 값을 매우 정확하게 계산할 수 있다. 만약 진공에 우리가 모르는 입자나 힘이 있다면, g 값은 예측과 달라진다. * 진공은 아무것도 없는 공간이 아닌, 나타났다 사라지는 무수한 가상 입자들로 채워져 있다. 이를 양자 진공 혹은 양자 거품이라고 한다. 이번 결과는 뮤온 g-2 실험을 첫

뇌는 복잡한 신호 전달 체계를 가지고 있다. 뇌 질환 치료의 실마리를 찾기 위해서는 이 체계에 대한 이해가 필수다. 즉 원하는 위치에서 뇌 신경을 자극하고, 이때 발생하는 신호를 정확히 측정함으로써 뇌 신경들이 신호를 주고받는 연결고리를 이해하는 것이 필요하다. 기초과학연구원 (IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 박홍규 교수(고려대 물리학과) 연구팀은 부작용 없이 빛으로 뇌신경을 자극하여 뇌 신호를 기록할 수 있는 나노장치를 개발했다. 이로써 복잡한 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가서고, 관련 질환 치료에 기여할 것으로 기대된다. 지금까지 뇌 연구는 금속이나 실리콘 소재의 삽입형 탐침(probe)을 이식해 뇌신경을 자극하고, 그 반응을 측정해왔다. 하지만 딱딱한 탐침이 뇌 세포를 손상시키거나 주변에 면역반응을 일으켜 신호 측정을 어렵게 만든다는 문제가 있었다. 탐침이 삽입되면 면역세포인 미세아교세포(microglia)가 탐침 주변을 둘러싸는데, 이 경우 뇌를 자극하기 위해 더 큰 자극이 필요하기 때문이다. 박홍규 교수팀은 이전 연구에서 미국 하버드대와 공동으로 뇌와 비슷한 굽힘 강도의 그물구조 탐침을 개발했다(2018, Science). 이 탐침은 유연한 그물망 형태의 고분자를 원통형으로 만 나노 구조체로, 죽부인과 그 모양이 유사하다. 당시 연구진은 이 ‘나노 죽부인’을 쥐 뇌에 이식했을 때 뇌 조직과 성질이 유사해 뇌신경에 면역반응을 일으키지 않고, 장기간 뇌신경의 신호를 측정할 수 있음을 확인했다. * 굽힘 강도(Bending Stiffness) : 어떤 재질을 휘게 하거나 구부러지게 하는 외력에 견디는 힘 이번 연구에서는 뇌 신호 측정은 물론, 빛을 주입해 뇌 신경을 인위적으로 자극하도록 성능을 개선했다. 연구진은 기존 구조에 1㎝ 길이의 광도파로를 결합하여 외부의 빛을 나노 죽부인의 끝단까지 전달할 수 있게 했다. 이 다기능 탐침을 살아있는 쥐의 뇌에 삽입하여 빛으로 뇌신경을 자극했고, 탐침의 전극을 이용해 자극된 뇌의 전기 신호 측정에

보통의 결정 소재는 수많은 결정들이 합쳐진 다결정 고체다. 그런데 결정들 사이에 존재하는 경계 결함은 소재 특성 저하의 원인이 된다. 단결정 합성은 이러한 저하를 방지할 수 있는 중요한 기술이다. 그러나 결정 구조를 완벽하게 이어지도록 구현하는 것이 그간 기술적으로 매우 어려웠다. * 단결정(single-crystal) : 전체 시료 내 원자들이 연속적·주기적으로 배열된 고체상태를 말한다. 그레인(grain)은 한 방향으로 배열된 영역을 말하는데, 전체 시료가 단 하나의 그레인이면 단결정이다. 그러나 보통의 물질은 그레인이 1012개 정도로 아주 많고 이들 간의 경계는 소재의 물리적 특성을 저하시킨다. 기초과학연구원 (IBS) 나노구조물리 연구단 이영희 단장(성균관대 교수)과 김기강 연구위원(성균관대 부교수), 최수호 박사후연구원은 김수민 숙명여대 교수, 한영규 동국대 교수와 공동으로 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 방법을 개발했다. 단결정 합성의 핵심 원리를 규명함으로써 장비와 기판 크기에 따라 대면적 합성이 가능해졌다. 이로써 고품질 2차원 반도체의 첨단소자 분야 응용이 기대된다. 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)은 얇은 2차원의 반도체이다. 한 층이 원자 3개 크기와 맞먹는 나노미터(10-9m) 두께를 갖는다. 실리콘과 유사한 전기적 특성을 보유하고 있어 차세대 전자소자, 광소자, 센서, 촉매 등에 쓰임새가 높다. 충분히 큰 TMD 단결정을 만들기 위해 최근까지 많은 시도가 있었으나, 뚜렷한 성과가 보고된 바 없었다. 연구진은 원자 수 개 크기의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용하여 문제를 해결했다. 다결정 박막 결함은 결정들이 각기 다른 방향으로 성장하기 때문에 생긴다. 단결정을 만들기 위해서는 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일한 방향으로 정렬시켜야 한다. 연구진은 금 기판 위에서 TMD 단결정이 생김을 우연히 발견하고, 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으

기초과학연구원 (IBS) 나노구조물리 연구단 이영희 단장(성균관대 에너지과학과 교수)은 부산대(정세영 교수), 성균관대(최우석 교수)와 공동으로 구리의 표면 산화층을 조절해 360가지 이상의 총천연색을 구현하는 데 성공했다. 대면적 구리 박막 산화층을 1~2 나노미터 두께 수준으로 조절한 연구는 최초로, 산화물 층 두께를 정밀하게 조절해 총천연색을 구현할 수 있음을 보였다. 구리는 붉은 갈색을 띠었다가 산화 시 청록색을 띤다. 자유의 여신상을 비롯한 구리 합금 동상이 청록색인 이유다. 금속 산화는 현재 과학기술로 완전히 정복하지 못한 숙제 중 하나인데, 그 중에서도 특히 구리의 산화는 규칙성이 없어 방향성 제어가 불가능한 것으로 알려져 있었다. 연구진은 먼저 원자 수준으로 평평한 단결정 구리박막을 만들기 위한 장치를 개발했다. 연구진이 개발한 ‘원자 스퍼터링 에피택시(Atom Sputtering Epitaxy)’ 장치는 원자 단위로 구리를 적층해, 기존의 박막 결정성장 장비에서 구현할 수 없는 0.2nm 두께의 극도로 평평한 단결정 구리 박막을 제조하는 데 성공했다. * 단결정(single-crystal) : 전체 시료 내 원자들이 연속적·주기적으로 배열된 고체상태를 말한다. 그레인(grain)은 한 방향으로 배열된 영역을 말하는데, 전체 시료가 단 하나의 그레인이면 단결정이다. 그러나 보통의 물질은 그레인이 10M㎡개 정도로 아주 많고 이들 간의 경계는 소재의 물리적 특성을 저하시킨다. 이렇게 얻은 구리 박막을 이용해 연구진은 구리의 산화 방향을 제어하고, 산화층 두께를 원자층 수준으로 조절하는 데 성공했다. 실험 결과 균일하게 산화된 구리 표면은 산화층 두께에 따라 선명한 총천연색을 띠었다. 이는 구리와 산화층 사이 경계에서 반사되는 빛이 산화층 두께에 따라 다른 파장을 갖기 때문으로 설명될 수 있다. 더 나아가 연구진은 레이저를 이용해 표면을 국소적으로 산화시키는 산화-식각(oxide-lithography) 기술을 선보였다. 이는 산화를 식각 기술에 처음