유독가스로 알려져 있는 일산화탄소를 치료제로 사용할 수 기술이 개발되었다. 광주과학기술원 이은지 교수 연구팀이 일산화탄소 방출 양과 속도를 제어할 수 있는 수화젤 패치를 개발했고, 체내 조직 및 장기에 쉽게 부착함으로써 효과적인 세포보호 및 항염증 효과를 확인했다고 한국연구재단이 11일 밝혔다. 수화젤(Hydrogel)은 삼차원 망상구조를 갖는 물질로 다량의 물을 흡수할 수 있는 특성이 있으며 대표적인 생체 재료로 이용되는 물질을 말한다. 과량의 일산화탄소는 체내 조직의 산소공급을 차단하고 중추신경계에 영향을 주어 두통, 경련, 구토, 심지어 사망에 이르게 한다. 반면 10~500ppm의 적은 농도는 염증 작용을 억제하고 혈관이완, 세포 손상 및 사멸을 억제하는 보호 기능을 나타난다. 이러한 장점을 이용해 일산화탄소를 치료제재로 사용하려는 노력이 있었으나, 원하는 부위에 적절한 농도의 일산화탄소를 처리하는 것이 쉽지 않았다. 기존의 기술은 혈장에서 빠르게 일산화탄소를 방출시켜 치료효과가 현저히 감소되거나 독성 유발의 부작용이 있다. 연구팀은 생체친화성 펩타이드에 일산화탄소 방출 분자를 결합해 나노섬유의 망상구조 형태를 유도했다. 이로써 일산화탄소 방출 제어가 가능한 수화젤 주사 및 패치를 성공적으로 제작했다. 펩타이드는 두개 이상의 아미노산이 결합하여 형성된 화합물을 지칭한다. 특히 환부에 접착하는 수화젤 패치에서는 구성 요소인 펩타이드를 개질해, 물리적 강도를 향상시키고 환부와의 접착성도 높여주었다. 일산화탄소 가스의 전달 및 치료 효과가 향상된 것이다. 또 분자 프로그래밍을 통해 일산화탄소 방출 양과 속도 조절이 가능하다. 세포 내 유전자나 단백질의 변형을 유도하는 활성 산소의 형성을 억제함으로써 세포 사멸과 염증 반응도 억제했다. 이은지 교수는 “이 연구는 일산화탄소의 방출 양과 속도를 제어해 치료제재로 사용할 수 있는 실용적인 수화젤 패치 개발의 첫 사례”라며, “특정 조직이나 장기에 효과적으로 적용하는 가스 치료제 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업, 미래소재디스커버리사업 지원으로 수행되었다. 재료과학분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 9월 25일 게재되었고, 표지논문으로 선정되었다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 류정기 교수팀이 물로 수소를 만드는 장치의 성능을 향상시키는 코팅 기술을 개발했다. 이 코팅으로 수전해 장치의 전극 표면에 수소와 산소 기포를 빨리 떨어뜨리고 물을 원활하게 접촉시킬 수 있다. 연구진은 이 코팅을 하지 않은 장치와 비교했을 때 수소 생산량이 150% 증가했다고 설명했다. 류정기 교수는 8일 "수전해 전극에 수화젤을 코팅하는 것만으로도, 귀금속 촉매를 사용하는 것과 같은 분해 반응 활성화 효과를 거뒀다"고 말했다. 또한 "기존에 초음파 등으로 기포를 털어내는 방식보다 간단하고 저렴해 그린 수소 생산 기술 상용화에 도움이 될 것"이라고 전망했다. 물이 전기 분해돼 나온 수소와 산소는 전극 표면에 기포 형태로 달라붙어 있다. 이 기포를 제때 제거하지 않으면 전극에 물이 충분히 접촉되지 않아 과부하가 걸리고 수소 생산이 더뎌진다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 수화젤에 주목했다. 수화젤은 물을 잘 빨아들여 기저귀, 소프트 렌즈 재료 등으로 쓰이는 물질이다. 연구진은 기체보다 물을 훨씬 더 좋아하는 성질의 수화젤을 수전해 장치의 전극 표면에 코팅했다. 그 결과, 전극에 수화젤을 코팅하지 않은 경우보다 수소 생산능력이 150% 향상됐다. 또한 상용 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 지닌 것으로 알려진 루테늄에 버금가는 수소 생산 효율을 보였다. 연구진은 "이 테스트 결과는 물을 분해하는 데 소모되는 전력량을 줄였단 의미"라고 설명했다. 또한 "이 방식은 기존에 사용해온 전극의 표면 나노 구조를 변형하거나 초음파 같은 외력으로 기포를 털어내는 방식보다 간단하고 저렴해 상용화에 유리하다"고 말했다. 한편, UNIST 에너지화학공학과 배미솔 석사가 제1저자로 참여한 이번 연구결과는 전기화학 분야의 국제 권위지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'의 표지논문으로 선정돼 8월 5일자로 출판됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국기초과학지원연구원(KBSI) 연구장비개발부 김정아 박사팀이 골다공증 약물의 효능을 정확하게 평가·확인할 수 있는 고속 분석용 3차원 뼈모사칩을 개발했다. 특히, 뼈모사칩에서 얻어진 대량의 세포이미지를 KBSI가 자체 개발한 인공지능(AI) 기술을 활용해 약물의 정확한 효과를 효율적으로 알 수 있는 이미지 판별방법을 세계 최초로 제시했다. 연구진은 실제로 골다공증 유발 물질인 스클레로스틴의 기능을 억제해 뼈의 생성을 촉진하는 항체의약품을 모델로 약물을 처리한 실험군과 미처리한 대조군을 비교하는 테스트를 진행한 결과, 99.5%의 판별 정확도를 얻었다. 이 모사칩은 뼈의 생리학적 환경을 모사하고, AI 기반의 첨단 정보기술을 적용해 표적약물의 스크리닝 및 반응 분석을 가능하게 하는 평가 플랫폼을 만든 것이다. 향후 신약후보물질에 대한 비임상평가나 골다공증 등의 골질환 규명에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 김정아 박사는 14일 "이번 연구는 장기칩을 실제 동물시험 대체법으로 활용하는데 꼭 필요한 기술적 문제들을 극복하기 위해 고속대량 칩 시스템 제작, 생체재료, 이미징, 인공지능 등 다양한 기술을 융합한 새로운 시도"라고 말했다. 연구진은 뼈의 구조적, 생리학적 특징을 분석해, 이를 칩 위에 그대로 옮겼다. 뼈세포에서 추출한 세포를 싸고 있는 물질과 수화젤 형태의 콜라겐 물질인 하이드로젤을 골세포와 함께 배합해 뼈세포의 성숙과 특유의 분화능력을 최적화했다. 또, 이 두 가지 뼈세포를 수직이 아닌 과학적 분석이 용이한 수평적 구조로 배치해 실제 뼈와 유사한 구조적 특징도 함께 모사했다. 연구진은 "이 뼈모사칩은 웰 플레이트에 내장될 수 있는 칩 형태로 대량 제작할 수 있으며, 이미 상용화된 웰 플레이트 기반의 다양한 분석장비들과도 호환성이 높아, 널리 활용될 것"이라고 설명했다. 또한, "웰 플레이트 안에 내장된 얇고 투명한 뼈모칩사칩과 세포 기반의 고속대량 스크리닝 장비(HCS)가 만나, 초고속으로 고품질의 광학 이미지를 생산할 수 있다"고 말했다. 연구진은 많은 시간이 소요되는 광학 이미지 데이터 분석·해석에 AI 알고리즘 기술을 적용했다. 이를 통해 골다공증 약물의 효능여부를 이미지 분석만으로 정확하고 빠르게 판별했다. 이번 연구결과는 바이오메디컬 분야 세계적 권위의 학술지인 '생명공학 및 중개의학(Bioengineering & Translational Medicine)' 온라인판에 지난 5일 발표됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 수원=장충식 기자】 아주대학교 연구팀이 실크 단백질을 활용해 자가발전이 가능한 인공 생체조직을 구현하는데 성공했다. 이에 신체 조직에 부착 가능한 차세대 헬스케어 소자로 활용될 것으로 기대된다. 8일 김성환 아주대 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 실크 단백질을 활용해 인체의 움직임으로부터 전기 에너지를 수확할 수 있는 생체 친화적 인공 피부 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 저명 학술지인 '나노 에너지 Nano Energy' 8월 23일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘엔지니어링 된 실크 단백질로 구현한 자가발전 인공 생체조직 Self-powered artificial skin made of engineered silk protein hydrogel)’이다. 최근 전세계적으로 인체 조직에 부착이 가능한 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 생체 신호를 직접 읽어 들이고 분석할 수 있기 때문으로, 이러한 헬스케어용 전자 소자를 구현하기 위해서는 생체 조직과 같이 유연하고 늘어나는 전자 소자가 필요하다. 이에 많은 연구자들이 유연 기판에 전극과 전자 소자를 집적, 다양한 인체 신호를 읽고 분석하는 소자를 개발해왔다. 이러한 소자는 피부를 인공적으로 모방한 전자 소자라는 개념으로 해석되어 ‘전자 피부’라 불린다. ‘전자 피부’의 독자 구동을 위해서는 자가발전 전기 에너지 공급이 필수적이다. 그 방안 중 하나로 인체 움직임에 기반한 압력 차이를 전기 에너지로 변환하는 압전 에너지 수확 소자가 많은 관심을 받고 있다. 기존 압전 소재는 대부분 무기물 기반 산화물로 결정 구조에 의해 높은 압전 특성을 보인다는 장점이 있다. 하지만 이들 소재 대부분은 생체 친화적이지 못한 데다 인공 피부를 구현하기에 유연성이 부족하다. 반대로 유연한 물질은 압전 특성이 부족하기에 이 둘을 양립시키기 어려웠다. 이에 따라 아주대 김성환 교수 연구팀은 생체 조직을 구성하는 성분 중 하나인 단백질, 그중에서도 자연에서 구할 수 있는 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다. 연구팀은 실크 단백질 분자 수준에서의 물성을 바꾸기 위해 글리세롤을 도입, 투명하고 부드러운 수화젤 필름으로 재탄생 시켰다. 이로써 인체 조직과 유사한 물성을 띄게 되어, 인공 생체 조직으로 활용이 가능하게 됐다. 더불어 김 교수팀은 새로이 구현된 투명 실크 단백질에 산화아연 나노막대를 결합해 압전 성능을 극대화했다. 이를 통해 인체 피부에 안정적으로 접합되어 터치나 관절의 굽힘 등 인체 움직임으로부터 전기 에너지를 수확하는 압전소자를 구현해 냈다. 연구팀이 개발한 압전소자를 이용하면 LED나 혈중산소농도 측정기 등 소형 전자기기를 충전 및 구동하기에 충분한 에너지 수확이 가능함을 확인했다. 연구팀이 개발한 압전소자는 전자기기에 부착하는 터치 센서, 인체의 움직임을 감지하는 동작 센서로도 응용이 가능하다. 김성환 교수는 “인체로부터 에너지를 수확하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다”며 “생체 구성 성분인 단백질을 활용해 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 설명했다. 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 바이오 소재들이 전자 소자 구현에도 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.  jjang@fnnews.com 장충식 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 인간 혀의 미각 감지 기능을 모방한 센서를 개발했다. 이 센서는 인간보다 떫은 맛을 10배이상 민감하게 검출이 가능하다고 연구진은 설명했다. 연구진은 인체의 맛 감지 원리를 모방한 센서가 떫은맛을 정량적으로 표현 할 수 있어 각종 식품, 주류 개발 사업 및 과일 모니터링 분야 등 폭넓게 응용할 수 있을 것으로 전망했다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 고현협 교수팀이 미세한 구멍이 많은 고분자 젤을 이용해 '떫은맛'을 감지하는 '전자 혀'를 개발했다고 8일 밝혔다. 고현협 교수는 "저렴하고 유연한 재료를 이용해 소형화된 전자 혀를 개발했다"며 "제작이 간편하고, 분석을 위한 복잡한 시편 준비 과정이 없어 식품, 주류 산업 뿐만 아니라 농업 등 다양한 분야에 적용 가능할 것"이라고 기대했다. 연구진은 개발한 전자 혀로 와인, 덜 익은 감, 홍차 등의 떫은 맛을 감지하는 실험을 했다. 실험 결과 전자 혀는 레드, 화이트, 로제 와인 등 다양한 와인의 떫은 맛 정도를 정량적으로 감별했다. 연구진은 전자 혀가 검출해 낼 수 있는 떫은맛 범위도 넓을 뿐만 아니라 센서에 접촉 즉시 떫은 맛 정도를 알아낼 수 있다고 강조했다. 제1저자인 염정희 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "훈련을 받은 전문가는 수십 마이크로몰(μM) 농도의 떫은 맛 검출 할 수 있는데 반해 전자 혀는 2~3 마이크로 몰 농도 수준의 떫은맛까지 검출할 수 있다"고 설명했다. 연구진은 떫은맛 분자와 결합하면 물과 잘 섞이지 않는 응집체가 만들어지는 '이온전도성 수화젤'을 이용해 전자 혀 개발에 성공했다. 혀 점막에서 일어나는 떫은 맛 감지 원리를 모방한 것이다. 이 고분자 젤은 혀 점막 단백질 역할을 하는 '뮤신'과 염화리튬이온을 포함하고 있으며 미세한 구멍이 아주 많다. 뮤신이 떫은 맛 분자와 결합하면 미세 구멍안에 '소수성 응집체 네트워크'가 만들어지는데, 이는 염화리튬이온의 전도성을 변화시켜 떫은 맛을 전기적 신호로 검출할 수 있다. 이번 연구결과는 세계적인 사이언스의 자매지인 '사이언스 어드밴시스'에 6일자로 게재됐다. 한편, 와인이나 덜 익은 과일을 먹으면 입안이 텁텁해지는 떫은 맛을 느낄 수 있다. 탄닌과 같은 '떫은맛 분자'가 혀 점막 단백질과 결합하면 만들어지는 물질이 점막을 자극한다. 이로인해 사람은 이를 떫은맛으로 인식하는 것이다. 반면 단맛이나 짠맛은 혀 돌기 속 맛 감지세포 덩어리인 미뢰가 그 맛을 감지한다. 따라서 떫은 맛을 감지하려면 이미 개발된 단맛 등을 감지하는 전자 혀와 다른 원리로 작동하는 전자 혀 개발이 필요하다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

  【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 ‘맛’은 주관적이고 개인적인 영역이다. 하지만 식품이나 의약품을 개발할 때는 맛을 최대한 객관적으로 표현할 필요가 있다. 이러한 맛의 ‘객관화’ 작업을 도와줄 새로운 ‘전자 혀’가 개발돼 주목을 받고 있다. UNIST(총장 이용훈)는 에너지 및 화학공학부의 고현협 교수팀이 ‘미세한 구멍이 많은 고분자 젤’을 이용해 ‘떫은맛’을 감지하는 ’전자 혀(tongue)’를 개발했다고 8일 밝혔다. 인체의 맛 감지 원리를 모방한 이 전자 혀는 떫은맛을 정량적으로 표현 할 수 있어 각종 식품, 주류 개발 사업 및 과수 모니터링 분야 등 폭넓은 응용 가능할 것으로 기대된다. 연구진에 따르면 와인이나 덜 익은 과일을 먹으면 입안이 텁텁해지는 떫은맛을 느낄 수 있다. 탄닌과 같은 ‘떫은맛 분자’가 혀 점막 단백질과 결합하면 만들어지는 물질(응집체)이 점막을 자극(압력)하고, 인체는 이를 떫은맛으로 인식하는 것이다. 반면 단맛이나 짠맛은 혀 돌기 속 미뢰가(맛 감지세포 덩어리) 그 맛을 감지한다. 따라서 떫은맛을 감지하려면 이미 개발된 단맛 등을 감지하는 전자 혀와 다른 원리로 작동하는 전자 혀의 개발이 필요하다. 고현협 교수 연구팀은 떫은맛 분자와 결합하면 ‘소수성 응집체’가 만들어지는 ‘이온전도성 수화젤’을 이용해 전자 혀 개발에 성공했다. 혀 점막에서 일어나는 떫은맛 감지 원리를 모방한 것이다. 이 고분자 젤은 혀 점막 단백질 역할을 하는 ‘뮤신’과 염화리튬이온을 포함하고 있으며 미세한 구멍(다공성)이 아주 많다. 뮤신이 떫은맛 분자와 결합하면 미세 구멍안에 ‘소수성 응집체 네트워크’가 만들어지는데, 이는 염화리튬이온의 전도성(이온의 움직임 정도)을 변화시켜 떫은맛을 전기적 신호로 검출할 수 있다.  공동 제1저자인 최아영 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “소수성 응집체 때문에 수화젤 구멍 벽면이 친수성에서 소수성으로 바뀌는데, 이때 미세구멍 벽과 내부에 흐르는 이온 간의 정전기적 상호작용이 줄어들어 이온 흐름이 향상되고 도선을 흐르는 전류량이 늘어난다”고 설명했다. 연구진은 개발한 전자 혀로 와인, 덜 익은 감, 홍차 등의 떫은 맛을 감지하는 실험을 했다. 실험 결과 전자 혀는 레드, 화이트, 로제 와인 등 다양한 와인의 떫은 맛 정도를 정량적으로 감별함을 확인할 수 있다. 특히 이번에 개발된 전자 혀는 검출해 낼 수 있는 떫은맛 범위(최소 감지 농도 2×10-6 M~)도 넓을 뿐만 아니라 센서에 접촉 즉시 떫은맛 정도를 알아낼 수 있다. 제1저자인 염정희 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “훈련의 받은 전문가는 수십 마이크로몰(μM) 농도의 떫은 맛 검출 할 수 있는데 반해 이번에 개발된 전자 혀는 2~3 마이크로 몰 농도 수준의 떫은맛까지 검출할 수 있다”고 설명했다. 고현협 교수는 “저렴하고 유연한 재료를 이용해 소형화된 전자 혀를 개발했다”며 “제작이 간편하고, 분석을 위한 복잡한 시편 준비 과정이 없어 식품, 주류 산업 뿐만 아니라 농업 등 다양한 분야에 적용 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 미국과학협회(AAAS)에서 발행하는 세계적인 권위지 사이언스 (Science)의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 6월 6일자로 게재됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업 지원을 받아 이뤄졌다.  ulsan@fnnews.com 최수상 기자

국내 연구팀이 유전자 이상에 의한 질병 치료에 적용할 수 있도록 고효율 유전자 발현 조절 플랫폼을 개발했다. 명지대학교 박노경 교수 연구팀이 특정 유전자의 발현을 억제하는 나노반응체 합성 기술을 개발했다고 한국연구재단이 1일 밝혔다. 치료가 어려운 암, 파킨슨병 등의 질병을 유전자 단계에서 치료하려는 연구가 활발하다. 그 중 RNA 간섭은 짧은 길이의 RNA가 자신과 상보적인 RNA에 결합하여 잘못된 단백질을 생성하지 못하도록 방해하는 방법이다. 그러나 이때 활용되는 작은 간섭 RNA는 불안정하고 세포 내부로 주입되기 쉽지 않아 1일 효율이 낮은 한계점이 있다. 연구팀은 마치 초소형 공장과 같이 생체 내에서 작은 간섭 RNA를 생산하는 나노반응체를 개발했다. 그 결과 작은 간섭 RNA의 생성이 8배 이상 증가되었고, 작은 간섭 RNA가 표적으로 삼은 단백질의 생성을 억제하는 효과는 5배 이상 증가됐다. 개발된 나노반응체는 DNA 수화젤에 플라스미드 DNA가 연결된 형태이다. RNA나 플라스미드 DNA 상태로 주입하는 것에 비해 세포 내로 전달이 용이하고, 작은 간섭 RNA 생성이 효율적이다. 박노경 교수는 “생체 내에서 RNA나 단백질 등을 자유자제로 생산할 수 있게 될 것”이라며, “플라스미드 DNA에 삽입되는 유전자의 종류를 바꿈으로서 바이오.의학 분야에 다양하게 적용될 수 있을 것이다”라고 연구 의의를 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 한국에너지기술평가원 에너지 인력양성 사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 10월 18일 게재됐다.  seokjang@fnnews.com 조석장 기자