- 외부 불순물 첨가 없이 재료의 변형으로 열전 반도체의 전기적 성질 제어 - 열전 반도체 재료의 안정적이고 효율적인 생산을 위한 새로운 공정 기술 개발 열전 반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있으며, 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다. 열전 반도체의 냉각 및 발전 효율은 전적으로 재료의 성능에 좌우된다. 최근 국내 연구진이 열전반도체의 안정적인 생산기술에 필요한 새로운 공정 방법으로 고효율의 열전소재를 대량으로 생산할 수 있는 공정기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 김진상, 백승협 박사팀은 기존의 방식과 다른 기계적 도핑 및 압출공법으로 생산성에 기반한 고내구성, 고효율의 열전소재 제조 기술을 개발했다고 밝혔다. 본 연구는 소재 내 기계적 변형정도를 활용하여 전하의 농도를 안정적으로 제어하는 새로운 방법을 제시하고 있다. 열전반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 통상적으로 열전 반도체 내의 전자의 농도는 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용되어 왔다. 그러나 이번 KIST 연구진이 개발한 열전반도체 제조 방법은 기존의 단결정 형태의 제조공정에서 요구되는 불순물 도핑, 장시간소요, 고비용의 단점을 탈피한 방식으로 생산성에 진일보한 기술이다. 즉, 비스무스-텔루라이드*(Bi-Te) 기반 소재를 녹인 후 기계적으로 변형을 가하여 전자농도를 조절하고, 압출공법을 통하여 열전 반도체 내 결정립의 방향을 한 방향으로 정렬함으로 열전효율을 극대화하였다. 이러한 열전재료 제조공법은 가격·성능·내구성 면에서 높은 경쟁력을 가진 혁신적인 공정 기술이 될 것으로 기대된다. *비스무스 텔루라이드 : 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있음. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용 연구진은 열전 반도체에서 전자의 농도가 불순물의 주입에 의해 조절되는 것 뿐만아니라 열전반도체 재료의 변형에 따른 내부응력, 결정립 계면에 의해서도 조절될 수 있음을 증명하였다. 이러한 사실을 기반으로 열전반도체 재료를 분말형태로 제조하지 않고 단지 기계적 변형을 통하여 제조함으로 공정단가를 줄였을 뿐 아니라 분말제조 공정이 필요치 않음으로 재료성능의 재현성을 크게 개선할 수 있었음을 입증하였다. 본 연구를 수행한 KIST 백승협 박사는 “열전 반도체에서 기계적 도핑 개념을 적용하면 원재료 순도와는 무관하게 최적 열전성능을 나타내는 맞춤형 도핑이 가능할 뿐 아니라, 비슷한 결정 구조를 갖는 다양한 반도체 소재의 물리적 특성을 제어하고 안정적으로 생산하는 공정에도 적용될 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 국가과학기술연구회(이사장 원광연) 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 소재 분야 국제 학술지인 ‘Acta Materialia’(IF : 5.30, JCR 0.676%)의 최신호(온라인 3월 15일(목)게재)에 게재되었다. * (논문명) Impurity-free, mechanical doping for the reproducible fabrication of the reliable n-type Bi2Te3-based thermoelectric alloys - (제1저자) 한국과학기술연구 전자재료연구단 정성진 학생연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 전자재료연구단 백승협 책임연구원 한국과학기술연구원 전자재료연구단 김진상 책임연구원 <그림설명> (좌) 기계적 변형에 따른 전자생성 모식도 (우) 압출공법에 의한 열전재료 제조공정

- 섬유실 내 갈륨/인듐 공융 금속전극물질 주입, 고신축·탄성의 웨어러블 전지 개발 - 기존 금속-공기전지보다 2배 이상 출력, 다양한 형상 구현 가능 4차 산업혁명시대 진입과 더불어 빠르게 성장하고 있는 웨어러블 전자제품에 결합될 전지기술에 대한 관심이 모아지고 있다. 이러한 웨어러블 전지에 요구되는 특성은 기본적으로 상당히 높은 수준의 에너지밀도와 출력특성을 가지고 있어야한다. 또한 의복 기능과 동일하게 신축성, 유연성도 높아야하고 심지어는 세탁까지도 가능한 특성을 지니면서도, 발화 가능성이 없어야하는 조건이 필요하다. 최근 국내연구진이 섬유실 내부에 액상의 전극물질을 주입하여 기존 섬유제품과 동일한 기계적 특성을 지니고 있으면서도 전기에너지의 저장 특성을 지니고 있는 새로운 개념의 전지기술을 발표해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 이중기, 유계성 박사 연구팀이 세계 최초로 상온에서 액체 상태로 존재하는 갈륨(Ga)/인듐(In) 공융화합물을 사용하여 기존의 이차전지*를 대체할 금속-공기전지**(air-cell)의 새로운 음극재 개발에 성공했다. 유계성(劉 桂成, 중국명 리우구쳉)박사는 해외우수신진연구자 사업으로 유치되어 2015년부터 KIST 이중기 박사 연구진에 합류하였다. *이차전지 : 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장하고 필요시 전기를 만들어내는 장치, 일반적으로 축전지라 일컬음. **금속-공기전지 : 양극에 공기 중의 산소를 사용한 차세대 이차전지로 가볍고 에너지 밀도가 높음 기존의 유연특성을 지닌 대부분의 금속공기전극은 얇은 와이어/시트 형태이거나 스프링모양의 구조를 갖거나, 신축성이 있는 기재 사이에 단위 전지셀을 배치한 형태이다. 또한 기재표면에 전극층을 코팅하여 여러 개의 기재들을 옷감의 직물구조처럼 엮거나 꼬아서 유연성과 신축성을 확보할 수 있도록 고안하였으나 일반적으로 사용되는 섬유만큼의 유연성과 신축성을 확보하기에는 재료의 한계를 가지고 있었다. KIST 이중기 박사팀은 웨어러블용 전기저장장치로 기존의 알루미늄, 아연에 기반한 공기전지에 비해 에너지밀도가 높고, 수축복원력과 구부림 특성에서 기존 고체재료와 차원이 다르면서도 안전한 공융액체 금속공기전지 기술을 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 갈륨(Ga)/인듐(In) 공융액체금속공기전지는 섬유실 형태의 몸체 내부에 전극물질의 단순주입만으로 100%이상의 신축성(stretching)과 1mm 이하의 반경 구부림이 가능한 유연한(Flexible) 특성을 지닌 전지 구성이 가능하고 전극활물질의 몸체 자체가 부드럽고 형상을 자유롭게 할 수 있는 우수한 특성을 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능하면서도 섬유제품과 같이 유연하고 수축성이 있는 소재로 전지에 적용된다. 연구진은 고안정성 및 장수명의 전극특성을 확보하여 고효율 성능 발현 및 공간설계가 자유로운 형상변형 전지제조가 가능하고, 추가적으로 공정이 복잡한 나노공정기술에 비해 단순한 혼합공정으로 복합금속 전극제조가 가능하여 저렴한 비용으로 고신축성 및 가변성이 있는 전극제조 공정 확보가 가능하다고 밝혔다. 향후 대량생산 공정에 용이한 단순공정을 통하여 양산성도 용이하여 상용화에 근접한 기술로 평가하고 있다. KIST 이중기 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 전지기술로 4차 산업용 웨어러블용 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 한국연구재단 중견연구사업 및 해외우수신진연구자 지원(KRF)사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 화학, 물리 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.055%)에 최신호(온라인 3월 14일(수)자)에 게재되었다. * (논문명) Soft, Highly Elastic, and Discharge-Current-Controllable Eutectic Gallium？Indium Liquid Metal？Air Battery Operated at Room Temperature - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Guicheng Liu 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 박사 <그림설명> 그림 1. 케이블 형상의 갈륨-인듐 액체금속-공기배터리의 모식도. a) 간단한 제작 공정, b) 케이블 형상 전지의 내부 구조, 고유연성 및 고탄성 그림 2. 기존의 금속공기배터리와 본 연구의 액체금속공기배터리 간의 유연성, 신축성 및 성능유지율 비교. 그림 3. 12cm의 길이와 8mm의 직경을 갖는 케이블 형상의 갈륨-인듐 액체금속-공기배터리(1.2V)의 고유 전기화학적 성능. a)액체금속 주입량에 따른 방전전류 변화, b)액체금속 분할위치에 따른 방전전류 변화, c)1dm에서 1mm까지의 곡률반경에 대한 방전전류 변화, d)인장률에 따른 방전전류 변화, e)전류밀도에 따른 수명특성 그림 4. 탄성력을 갖는 물체의 변형 (a)전, (b)후의 형상. (c)구형상의 변형 가능한 액체금속-공기 배터리 모식도

- 기존 노지생산 대비 케일 뿌리의 항암성분 증대된 식물공장 양액 재배조건 규명 - 향후 고부가가치 천연물 식의약품 원료의 안정적 수급 및 원료 표준화에 기여 인공광형 식물공장은 외부환경과 차단된 공간에서 환경조절을 통해 식물을 재배하는 시스템으로 노지와 달리 식물의 생육환경을 최적화할 수 있어 균일하고 안정적으로 식물을 생산할 수 있다. 이러한 식물공장 시스템은 식의약품 원료와 같은 고품질의 고부가가치 식물을 표준화하여 대량생산이 가능하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스마트팜솔루션(SFS) 융합연구단 노주원 박사팀은 산업화 유망 기능성식물의 표준화된 원료를 대량 생산하기 위한 스마트 식물공장 시스템 개발을 목표로 지난 2014년부터 KIST 기관고유사업으로 선행연구를 시작으로 2015년부터는 국가과학기술연구회(이사장 원광연)의 지원을 받아 KIST 융합연구단 사업으로 수행해왔다. 최근 연구진은 인공광형 식물공장에서 케일의 생육은 저해하지 않으면서 케일 뿌리의 항암성분을 증대시키는 재배기술을 최초로 개발하였다고 밝혔다. *Scientific Reports (2018. 3) 케일은 녹즙과 같은 건강기능식품이나 쌈채소로 즐겨 먹는 대표적인 십자화과 식물(케일, 브로콜리, 양배추 등) 중 하나로써 글루코시놀레이트*(glucosinolate) 라는 식물의 2차대사산물을 다량 함유하고 있으며, 이들이 생체 내에서 효소작용에 의하여 분해될 때 생성되는 이소티오시아네이트**(isothiocyanate) 는 해충이나 병충해에 대한 저항력을 높이는 동시에 사람의 건강증진, 특히 항암효과가 높은 성분으로 알려져 있다. *글루코시놀레이트(glucosinolate) : 케일, 브로콜리 등의 채소에 다량 함유된 식물생리활성 영양소 **아이소티오시아네이트(isothiocyanate) : 식물 내에서 글루코시놀레이트가 효소와 작용하여 생기는 가수분해 산물로써 강력한 항암작용을 하는 성분으로 알려짐 KIST 노주원 박사팀은 항암효과가 높다고 알려져 있는 케일의 특정 항암성분이 식물공장 내 생육환경 조절에 따라 어떻게 변하는가에 대한 고찰을 통하여 항암 성분이 유효적으로 증가되는 최적 양액조건을 찾았다. 연구진은 외부 기후환경의 영향을 받지 않고 안정적으로 식물생산이 가능한 인공광형 식물공장에서 케일을 8주차까지 재배하였을 때 기존 노지생산 케일보다 특정 글루코시놀레이트 함량이 높았으며, 특히 셀레나이트***와 염화나트륨(소금)을 배합한 양액조건에서 항암성분인 아이소티오시아네이트가 케일의 뿌리에서 대조군으로 사용한 일반양액에서 보다 평균 2.4배 증가한다는 것을 밝혀냈다. 또한 잎 추출물보다 뿌리 추출물에 의해 생체 내 항산화 지표(Nrf2)와 관련 작용기전이 더 활성화 된다는 것을 확인하여 식물공장 수경재배를 통하여 뿌리도 함께 산업적으로 활용할 수 있다는 가능성을 보여주었다. ***셀레나이트(Selenite) : 인체 건강과 여러 산업에서 중요한 필수원소인 셀레늄(Se)의 무기셀레늄 형태 본 기술은 2018년도 산업통상자원부 국제기술협력사업인 한-캐나다 국제공동기술개발사업에 선정되어 캐나다 원주민 건강증진을 위한 기능성채소 생산용 식물공장시스템 개발에 적용될 예정이며, 또한 관련기술로써 새싹채소의 항암성분 증진을 위한 LED 광 파장 기술은 국내 식물공장 기업에 기술 이전되어 실용화를 앞두고 있다. 노주원 박사는 “본 연구결과는 인공광형 식물공장을 활용한 기능성천연물을 균일ㆍ안정 생산하는 것은 물론이고 특정 기능성분을 증대하는 재배기술을 개발하여 천연물 식의약품 산업의 원료수급 안정 및 원료표준화에 기여할 것으로 기대한다.”고 말하며, “전 세계적으로 인공광형 식물공장 분야의 관심이 높아지고 있음에도 불구하고, 아직 도입 단계인 국내 인공광형 식물공장 산업분야에 새로운 고기능성 원료 생산플랫폼을 제시함으로써 국내 식물공장의 산업화를 선도할 수 있을 것이라 전망한다.”고 밝혔다.

- 삼성미래기술육성사업 선정과제로 수행, ‘스커미온 직진운동’ 최초 구현 - 향후 스커미온 기반의 초저전력 스핀 메모리 구현에 기여할 것으로 기대 2009년 처음 발견된 소용돌이 모양의 스핀 구조체인 ‘스커미온(Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 하지만 스커미온의 위상학적 특징 중 하나인, ‘스커미온 홀 효과(Skyrmion Hall effect)’**로 인해서 스커미온의 운동을 원하는 방향으로 제어할 수 없었고, 따라서 외부에서 인가하는 전류의 방향 그대로 움직이는 ‘스커미온 직진운동’ 구현 물질 및 기술 개발이 요구되어 왔다. 최근 국내 연구진이 위의 ‘스커미온 직진운동’을 가능하게 함으로서, 스커미온 기반의 차세대 초저전력 스핀 메모리 구현에 한발짝 더 다가서게끔 하였다. *스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체 **스커미온 홀 효과(Skyrmion Hall effect) : 전류를 가하였을 때, 스커미온이 전류의 방향에 대하여 대각선으로 움직이는 위상학적 효과 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 강자성체와 반강자성체의 중간 형태인 ‘페리자성체(ferrimagnetic)‘***를 사용하여, 기존에 이론으로만 제시되었던 높은 직진성 및 이동효율을 보이는 스커미온의 움직임을 세계 최초로 구현하였다고 밝혔다. ***페리자성체(ferrimagnetic) : GdFeCo(가돌리늄과 철, 코발트 포함 금속합금) 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원의 KIST 기관고유사업과 삼성전자 미래기술육성센터 지원 사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF: 12.124)’ 최신호에 온라인 게재되었다. 실제 스커미온을 사용하여 메모리 소자를 구동하기 위해서는, 개개의 스커미온의 위치를 정확히 컨트롤할 수 있어야하며, 이러한 위치조정을 위해서는 외부 전류를 이용하여 스커미온을 원하는 위치로 이동시키는, 즉 전류방향 그대로의 스커미온 직진 운동이 핵심 기술로 요구된다. 따라서 본 연구 결과는 학계에서 매우 큰 관심을 받고 있는 스커미온이 실제 메모리 소자에 적용되기 위한 핵심 기술이며, 향후 스커미온 기반의 초저전력 메모리를 구현하는 데 큰 기여를 할 것으로 예상하고 있다. 우성훈 박사는 “4차 산업혁명과 함께 고성능 고용량 전자소자들이 매우 빠른 속도로 출현함에 따라 초저전력 메모리 소자의 개발은 현재 매우 절실한 이슈로 자리 잡고 있다”고 전하며, “본 연구를 통해 개발한 스커미온 메모리 핵심 기술은, 향후 실제 스커미온 기반의 초저전력 스핀 메모리 소자 구현 및 관련 산업 전반에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 본 연구 논문에는 KIST 연수생 송경미 박사과정(숙명여자대학교 물리학과) 학생이 공동 1저자로 참여하였다. * (논문명) Current-driven dynamics and inhibition of the skyrmion Hall effect of ferrimagnetic skyrmions in GdFeCo films - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원 - (공동 제1저자) 숙명여자대학교 송경미 박사과정 <그림설명> [그림 1] 기존의 강자성체 (Ferromagnet)과 달리, 전류방향 그대로 직진 운동을 하는 페리 스커미온 (Ferromagnetic Skyrmion)의 운동 모식도

- KIST 연구진, 탈유비퀴틴화 효소(USP35)의 세포분열과정의 조절기능 규명 - 향후, 암세포의 세포분열 억제 및 항암제 개발 표적으로 활용 기대 정상적인 생명체에서의 세포분열은 생명체의 성장과 노화, 유지 및 번식을 위한 필수적인 현상이다. 하지만 비정상적인 세포분열은 암과 같은 다양한 질환의 원인이 될 수 있다. 그렇기 때문에 세포분열과정에 참여하는 수많은 요소들의 조절 및 기전에 관한 연구는 질환 발병의 원인 파악 및 치료제 개발에 중요한 역할을 한다. 최근 국내 연구진이 세포분열과정에 필수적인 단백질인 ‘Aurora B’의 안정성과 활성을 직접적으로 조절하고, 정상적인 세포분열을 돕는 새로운 효소를 발견했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 송은주 박사팀은 해당 단백질의 분해를 막거나 활성을 조절하는 탈유비퀴틴화* 효소인 ‘USP35’를 발견하고, 이 효소(USP35)가 세포분열과정의 조절자로 역할을 한다는 사실을 밝혔다. 연구진은 발견한 효소(USP35)가 세포분열에 있어서 필수 단백질인 ‘Aurora B’의 안정성을 유지시키고, 활성에 기여하여 정상적인 세포분열에 도움을 준다는 새로운 분자적 기전을 제시하였다. *탈유비퀴틴화 : 유비퀴틴화(몸 속에서 필요 없어진 단백질에 붙어서 그 단백질을 제거하는 현상)의 가역적 반응으로, 특정 단백질에 결합한 유비퀴틴(76개 아미노산으로 구성된 작은 단백질)을 제거하여 특정 단백질의 분해를 막거나 혹은 활성화를 조절하는 현상 암을 포함한 다양한 질환의 원인을 분석하고 그 치료제를 개발하는 연구는 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다. 그 중에서도 세포분열과정에 참여하는 단백질들에 대한 연구는 비정상적인 세포분열로 인해 생겨난 딸세포**의 형성에 의해 발병하는 질환들을 이해하는데 매우 중요하다. 하지만 세포분열에 작용하는 단백질 수가 많고, 그 기능을 하나의 조절 기전만으로 설명하기는 어려운 실정이었다. **딸세포 : 한 개의 모세포에서 복제된 염색체가 동일하게 반씩 분리되어 두 개의 딸세포에 분배된다. 연구진은 세포분열에 필수 단백질인 ‘Aurora B’의 분해를 억제하여 안정성을 확보해주는 조절자로 탈유비퀴틴화 효소인 ‘USP35’를 발견하여 세포분열과정의 새로운 조절 기전을 제시하였다. 일반적으로 세포분열이 일어나는 동안 특정 단백질에 유비퀴틴(76개 아미노산으로 구성된 작은 단백질)이 결합하여 해당 단백질의 분해를 촉진하는 유비퀴틴화는 ‘Aurora B’의 기능에 크게 영향을 미친다. 하지만 반대로 ‘Aurora B’의 분해를 막거나 기능을 조절하는 탈유비퀴틴화에 대해서는 전혀 알려진 바가 없었다. 연구진은 세포분열 필수 단백질(Aurora B)이 분해되는 것을 막고 그 양을 지속적으로 유지시켜 줄 수 있는 인자로 ‘USP35’를 찾아내었고, 이 효소로 인해 ‘Aurora B’는 단백질을 활성화시켜 정상적인 세포분열이 일어나게 한다는 사실을 밝혀냈다. 또한 세포 내 ‘USP35’의 양이 적어지면 세포분열동안 염색체의 정렬, 분리, 세포질 분열 등에 이상이 발생하고 이로 인해 비정상적인 딸세포가 형성되어 각종 질환이 원인이 될 수 있음을 확인하였다. KIST 송은주 박사는 “새로운 세포분열 조절 기전의 발견으로 비정상적인 세포분열의 억제 및 Aurora B 단백질의 기능 향상에 도움을 줘 향후 항암제나 관련 질환의 치료제 개발에 기여할 것으로 전망한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP)으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Nature Communications’(IF : 12.124, JCR 분야 상위 4.69%)에 최신호에 게재되었다. [그림설명] <그림 1> 세포분열과정동안 USP35에 의한 Aurora B 단백질의 조절 기전 Aurora B 단백질은 세포분열 (Mitosis) 과정 동안 염색체의 분리 및 세포질분열에 관여하여 정상적인 세포분열이 일어나도록 도와주는 필수 단백질이다. 세포분열이 시작되면 탈유비퀴틴화 효소인 USP35가 유비퀴틴화 효소 (APC/CDH1)에 의한 Aurora B의 분해를 막고 안정화시켜 Aurora B의 기능을 지속적으로 유지시켜준다. 이 후 세포분열 말기 (Telophase)에 유비퀴틴화 효소가 활성화되면서 Aurora B를 유비퀴틴화시켜 프로테아좀 (proteasome)에 의한 분해를 촉진시킨다. USP35 유전자 발현은 Aurora B와 마찬가지로 S/G2기 때 전사인자인 FoxM1에 의해 조절된다. <그림 2> USP35에 의한 세포분열과정 변화 양상 세포분열과정동안 탈유비퀴틴화 효소인 USP35의 양이 적어지면 중기에 염색체가 일렬로 중앙에 정렬하지 못하고 여러 갈래로 나눠지는 현상이 나타난다. 이 후 후기에도 염색체가 두 개로 분리되지 못하고 여러 개로 나뉘는 양상을 관찰할 수 있다. 이 때 다시 USP35를 과 발현시키면 이러한 비정상적인 현상이 사라지고 다시 정상적인 세포분열과정이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 탈유비퀴틴화 효소의 활성이 없는 USP35의 과발현은 비정상적인 세포분열과정을 정상으로 회복시키지 못한다. 즉, USP35가 세포분열이 정상적으로 일어날 수 있게 도와주는 중요한 요소이며 그 기능을 위해 탈유비퀴틴화 효소 활성이 반드시 필요하다.

- 암세포만 공격하는 체내 항암 면역세포를 활성화시키는 나노입자 개발 - 암 성장 억제 및 박멸, 면역력 증가로 글로벌 항암 신약 개발 기대 기존의 암 치료는 대부분 외과적 수술에 이은 화학치료요법에 의존하고 있는데, 이는 수술에 따른 고통, 화학요법에서 비롯된 전신성 부작용을 동반할 뿐 아니라 전이와 재발로 악순환을 겪는다. 최근 국내 연구진이 기존의 암 치료기술의 부작용과 한계를 해결할 수 있는 체내의 면역세포를 이용한 항암면역 치료기술로 비임상에서 큰 효과를 거둔 연구를 발표해 많은 의료진과 연구진에게 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산 박사와 경북대 화학공학과 이은정 교수팀은 공동연구를 통해 체내 면역세포를 효과적으로 활성화 할 수 있는 나노입자 개발에 성공했다. 이 항암면역 나노입자는 암세포만을 특이적으로 공격할 수 있는 면역시스템을 활성화시킴으로써, 종양 동물모델에서 암 성장을 억제시킬 수 있을 뿐 아니라 2차 암 재발도 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 암세포는 다양한 회피 방법을 통해 체내면역세포의 공격으로부터 자신을 방어한다. 대표적으로 암세포는 자신의 표면에 공격 무력화(‘Don’t eat me’) 신호를 내는 단백질(CD47)을 발현시켜 면역세포의 공격을 회피한다. 본 연구진은 우리의 면역 시스템이 암을 ‘적 (danger signal)’으로 인식하게끔 함으로써 암을 제거하도록 하는 전략을 구축하였다. 연구진은 약물의 담지가 가능하고 암 조직 지향성을 가지고 있는 생체 유래 나노 소재인 페리틴 나노입자 표면에 특정 단백질(SIRPα)을 표출하여, 암세포의 공격 무력화(‘Don’t eat me’) 신호를 차단시켜 암세포를 효과적으로 잡아먹는 것을 확인하였다. 또한 케이지 형태의 나노입자의 내부에 세포사멸 유도제를 삽입(담지)하여 선천성 면역세포의 탐식기능을 향상시키고 우수한 효능을 갖는 항암 치료제를 도출하였다. 항암 치료 약물로서의 특성을 검증해 본 결과, 정맥 주사 경로를 사용해도 암 조직으로 매우 높은 효율로 전달되었고, 전신성의 암세포 특이적 면역반응을 나타냈다. 연구진은 종양 쥐 모델에서 항암면역 나노입자를 혈관 주사를 통해 투여하였을 때, 암세포의 성장이 현저히 저해될 뿐 아니라 성장된 암을 완전히 제거할 수 있음을 확인하였다. 특히, 개발한 나노입자로 치료한 동물 모델의 경우 암에 대한 면역력이 생겨 2차 암에 대한 지속적인 치료 효과까지 유도함을 알 수 있었다. KIST 김인산 박사는 “암세포를 직접 공격하는 것이 아닌 체내에 있는 면역세포를 활성화시켜 암을 공격하는 나노입자는, 기존 항암제의 한계를 극복할 수 있는 차세대 항암 치료제로 활용이 가능할 것으로 기대한다” 라고 밝혔다. KIST는 지난 16일(화) ㈜삼양바이오팜과의 기술이전 조인식을 통해 총 기술료 50억 원(*착수기본료 5억 원 및 임상단계별 마일스톤 45억 원, 경상기술료 순매출의 3%(별도))에 관련기술을 기술 이전했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 리더연구자 지원사업과 보건복지부 암정복추진연구개발사업으로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Advanced Materials’(IF : 19.791, JCR 분야 상위 1.37 %)에 최신호에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 항암면역 나노입자(FHSIRPα-dox)의 항암 치료 모식도 면역원성 세포사멸 유도제을 담지하고 암세포의 ‘Dont eat me’ 신호를 차단할 수 있는 SIRPα 단백질이 표면에 노출된 나노입자가 초기의 선천면역세포를 활성화시켜 암에 특이적으로 반응할 수 있는 체내 면역반응을 지속적으로 일으킬 수 있음을 나타낸 모식도이다. <그림 2> SIRPα 단백질이 표면에 표출된 나노입자의 식세포 암세포 탐식 기능 항진 효과 다양한 암세포에 대하여 선천면역세포(포식세포, 수지상세포)의 탐식 기능이 개발된 나노입자에 의하여 증가함을 확인하였다. <그림 3> 면역원성 세포사멸 유도제를 담지하고 SIRPα 단백질이 표면에 표출된 항암면역 나노입자(FHSIRPα-dox)의 항암 효과 종양 쥐 모델에서 항암면역 나노입자를 혈관 주사를 통해 치료하였을 때 다른 대조군에 비해 암세포의 성장이 현저히 저해될 뿐 아니라 성장된 암을 박멸할 수 있음을 확인하였다. <그림 4> 항암면역 나노입자(FHSIRPα-dox)의 항암 백신 효과 항암면역 나노입자로 치료한 종양 쥐 모델에서 1차 암을 수술로 제거하고 같은 암을 2차로 심어준 경우, 100% 모든 쥐에서 암이 자라지 않는 것을 보아 암에 대한 지속적인 치료 효과가 생김을 확인하였다.

- 특수 코팅 표면에 체액 한 방울, 색 변화로 질병 진단하는 바이오센서 기술 - 다양한 질병을 동시 진단 가능, 향후 환자맞춤형 진단 및 치료에 활용 기존의 환자에 대한 진단검사는 전문 의료인이 환자의 혈액을 다량으로 채취해 분석을 수행했다. 그러므로 정기적인 혈액검사를 해야 하는 입원 환자들이나 채취가 어려운 신생아 및 영유아, 주사로 인한 통증과 거부감을 가지는 환자들의 큰 불편을 초래하였다. 또한 혈액 검사법의 경우 직접 병원을 방문해야 하고 결과의 확인에도 상당한 시간이 소요되는 번거로움이 있었다. 최근 국내 연구진이 체액 한 방울만으로 여러 가지 건강 상태를 빠르고 간단하게 진단할 수 있는 새로운 바이오센서 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 서정목 박사팀과 연세대학교 전기전자공학부 이태윤 교수팀은 공동연구를 통해 혈액이나 단백질이 묻지 않는 기능성 표면을 구현하고 그 위에서 혈액을 비롯한 눈물, 땀, 소변 등의 체액을 물방울 형태로 이동시키거나 수십 마이크로리터(microliter, μL, 백만분의 일 리터) 단위로 분배할 수 있는 바이오센서 기술을 개발하였다고 밝혔다. 연구진이 개발한 기술은 1 cc 미만의 소량의 혈액이나 체액만으로 동시에 여러 가지 질병 유무나 환자의 건강 상태를 진단할 수 있기 때문에 병원 중심의 기존 진단 체계에서 환자 중심의 진단 체계로의 전환의 시발점이 될 것으로 전망된다. KIST-연세대 공동연구진은 개발된 표면을 이용하여 한 방울의 체액으로 여러 가지 건강 상태에 대한 진단이 가능한 바이오센서 시스템이 구현 가능하다는 것을 입증했다. 휘어지거나 늘어날 수 있는 얇은 신축성 실리콘(silicone) 소재 위에 기능성 접착제 및 나노입자를 스프레이 코팅하여 표면장력이 낮은 기름이나 단백질을 포함한 혈액, 바이오 샘플에도 젖지 않는 초발수성 및 발유성(superamphiphobic)을 동시에 지닌 코팅 표면을 형성하였고, 진공흡입장치를 이용하여 표면 위에서 여러 가지 액체를 방울 형태로 이동시키거나 수십 나노리터로 분배시킬 수 있는 미세 액적 제어 시스템(droplet manipulation system)을 개발 하였다. 연구진은 이러한 액적 제어 시스템의 미세 패턴에 각각 혈당, 요산, 젖당 농도에 따라 색이 변화하는 시료를 사전 처리하여 소량의 혈액 한 방울만으로 체내의 혈당, 요산, 젖당의 농도를 정밀하게 검출하는 것에 성공하였다. 또한 혈당 농도 측정을 통하여 실제 당뇨병 여부를 성공적으로 진단할 수 있었다. KIST 서정목 박사는 “이번 연구를 통해 기존 혈액검사 시 필요한 혈액량의 100분의 1에 불과한 소량의 혈액만으로 환자의 건강 상태나 다양한 질병 유무를 검사할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.”라고 말하며, “향후 혈액채취에 거부감이 있거나 채취가 어려운 사람들, 혹은 빈번한 혈액 검사가 필요한 환자들의 질병 관리에 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 나노소재기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노과학 분야 최상위 국제학술지인 ‘ACS NANO’(IF : 13.942, JCR 분야 상위 3.27%))에 1월 15일(월) 온라인에 게재되었다. * (논문명) A Single-Droplet Multiplex Bioassay on a Robust and Stretchable Extreme Wetting Substrate through Vacuum-Based Droplet Manipulation - (제1저자) 연세대학교 한희탁 박사 과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 서정목 박사, 연세대학교 이태윤 교수 <그림설명> <그림 1> 초소유성 표면 구현 및 액적 제어 기술 A. 스프레잉 코팅 기법을 이용한 초소유성 표면 구현 및 초친수성 미세 패턴 형성모식도. B. 제작된 초소유성 표면의 SEM 이미지. 마이크로/나노 계층 구조를 지니고 있다. C. 초소유성 표면 및 초친수성 표면 위에서의 액체 사진. 초소유성 표면 위에서는 여러 가지 액체들이 액적 형태로 존재하는 반면 초친수성 표면에서는 완전히 젖어버리는 것을 확인할 수 있다. D. 초수유성 표면 기반의 액적 제어 시스템을 이용한 미세 액적 분배 사진. 샘플 액적으로부터 수십 마이크로리터의 의 미세 액적이 분배되는 것을 확인할 수 있다. <그림 2> 초소유성 액적 제어 시스템을 이용한 한 방울의 액적 샘플내의 혈당, 요산, 젖당 검출 및 당뇨병 진단 A. 샘플 시료 한 방울을 이용한 혈당, 요산, 젖당 다중 검지 모식도. B. 다중 검지를 통해 정밀하게 검출된 생체지표 농도. C. 건강한 쥐와 당뇨병 쥐의 혈장 샘플 채취 모식도. D. 초소유성 표면 기반의 액적 제어 시스템을 이용한 혈장 내 포도당 농도 검출 결과 및 상용 당뇨병 진단 기기와의 비교.

- 개방형 연구사업을 통한 융합연구로 양자물리학의 고정관념 깬 검증방법 개발 - 향후 대규모(Large-scale) 양자컴퓨터 구현 및 검증 적용에 기여할 것으로 기대 전 세계적으로 수퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 양자컴퓨터(Quantum Computer)의 구현에 높은 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 최고 수준의 연구진들이 협업 연구를 통해 양자물리학 법칙에 의해 작동하는 ‘미래형 첨단 컴퓨터’인 양자컴퓨터의 구현 및 검증 방법을 해결했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 양자정보연구단 조영욱 박사팀은 새로운 융합연구 형태인 개방형 연구사업(ORP, Open Research Program)의 일환으로 「KIST Joint Research Lab」 포항공대 김윤호 교수팀(POSTECH)과 공동연구를 통해 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 방법을 구현하였다고 밝혔다. KIST는 국가적으로 중요한 미래성장 동력 확보를 위한 개방형 융합연구 형태인 ORP 사업을 통해 양자정보 분야의 국내외 최고 수준의 전문가들로 컨소시움을 구성하고 4차 산업혁명을 이끌 차세대 최첨단 컴퓨터인 양자컴퓨팅 연구를 수행하고 있다. 본 연구 결과는 KIST 양자컴퓨팅 개방형 융합연구사업(ORP)을 통해 구성된 국내 연구진만으로 수행된 결과로 큰 의의를 가진다. 이번 연구 결과는 양립할 수 없는 두 관측량을 동시에 측정할 수 없다는 양자물리학의 고정관념을 깨고 두 관측량을 동시에 측정 가능함을 보이고 이를 활용하여 양자연산 과정을 효율적으로 검증할 수 있는 방법을 보인 것이다. 양자역학에서 잘 알려진 불확정성 원리에 따르면 서로 양립할 수 없는 관측량들이 존재한다. 대표적인 예로 어떤 입자의 위치와 운동량 성분의 경우 둘 모두를 동시에 측정할 수 없다는 뜻이다. 이는 ‘양자측정’의 행위가 양자상태를 붕괴시키기 때문인데, 이번 연구에서는 가장 일반화된 양자측정 방법에서 허용되는 약한(weak) 양자측정기법을 통해 양자상태를 완전히 붕괴시키지 않음으로써 양립할 수 없는 관측량들을 동시에 측정하는데 성공하였다. 또한, 이러한 양자측정방법을 이용하여 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 기법이 가능함을 보이고 이를 단일광자 큐비트(qubit)*를 이용하여 실험적으로 규명하였다. **큐비트(qubit) : 양자정보기술에서 기본 정보단위로 현대 정보기술의 디지털 비트(bit)에 해당 KIST 조영욱 박사는 “최근 최첨단 미래기술 중 하나인 양자정보기술은 전 세계적으로 관심이 증대되고 있다.”고 말하면서, “본 연구결과는 양자컴퓨터 개발을 위한 기초과학 성격의 연구 결과로, 양자물리학의 근본원리를 직접 응용하는 양자정보기술 전반에 활용될 것으로 전망하며, 양자컴퓨팅 연구 기반 확보에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 개방형 연구사업(ORP, Open Research Program), 한국연구재단 중견연구자 지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 자연과학분야의 국제학술지인 ‘Nature Communications’ (IF:12.124, JCR 상위분야 4.69%) 1월 15일(월)자 온라인에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 양자연산과정을 검증하기 위한 양자회로도 <그림 2> 양자연산과정 검증 예시

- 저비용, 고내구성 전극 제조를 위한 이리듐산화물 전해도금 기술 개발 - 친환경 수소생산 및 신재생에너지 보급 확대 기반 기술로 응용 기대 전 세계적으로 기후변화문제에 대처하기 위한 방안의 하나로 수소전기자동차 등 친환경 자동차에 사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 수소 연료는 대부분 천연가스 등 화석연료를 사용하여 생산되고 있는 실정인데, 이에 대한 대안으로 친환경 수소를 생산할 수 있는 물 전기분해 기술에 대한 관심이 커지고 있다. 최근 국내 연구진이 수소를 생산할 수 있는 친환경 기술인 물 전기분해 장치의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 장종현 박사팀은 전해도금을 통해 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 전극 기술을 개발했다. 이 기술은 전기화학적 수소 생산 성능과 내구성이 우수하여, 귀금속 촉매 사용량 저감 및 전극 제조 공정 단순화의 측면에서 가격 경쟁력 확보가 가능할 것으로 전망된다. 대용량, 장기간용 에너지저장장치(ESS)로 물 전기분해 기술을 적용하여 잉여전력을 수소로 저장하는 방식이 주목 받고 있다. 하지만, 물 전기분해 기술이 상업적 경쟁력을 확보하기 위해서는 재료 및 제조 공정 측면에서 비용 저감과 성능 증대를 동시에 실현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 기존의 기술은 분말을 물리적으로 도포하는 방식으로 귀금속 촉매 사용량(1~5 mg/cm2)이 많으며 보호 코팅막 제조가 필요했던 단점이 있었던 반면, 이번에 개발한 기술은 소량의 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 간단한 방법으로서 소재 및 공정의 비용 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 장종현 박사팀은 기존의 단점을 해결하기 위해 이리듐산화물을 전해도금으로 다공성금속지지체에 코팅하여, 촉매와 지지체 보호막 역할을 동시에 수행하는 새로운 전극 제조 기술을 개발하였다. 연구진은 전해도금 조건을 조절하여 이리듐산화물의 담지량 및 미세구조를 제어할 수 있음을 확인하였으며, 소량의 이리듐산화물을 균일하게 형성하는 조건을 도출하였다. 개발된 전극으로 물 전기분해 장치를 제작하여 저감된 귀금속량 (0.4 mg/cm2)에서도 우수한 수소 생산 성능을 확인하였다, 또한, 이리듐산화물층이 물 전기분해 조건에서 다공성금속지지체의 보호막으로 활용될 수 있음을 전기화학적 분석 및 수소생산 안정성 평가로 확인하였다. KIST 장종현 박사는 “본 연구로 개발된 전해도금 이리듐산화물 촉매·보호막 기술은 반응 활성화와 부식 방지의 두 가지 역할로 활용될 수 있으므로, 물 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 저감에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 이를 통해 청정 수소 생산 및 신재생에너지 보급 확대의 기반 기술 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.” 고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업통상자원부(장관 백운규) 산업기술혁신사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호(온라인 ‘17.12.16)에 게재되었다.

- 암세포 장벽 분해하는 효소 발현하는 나노물질인 재조합 ‘엑소좀’ 개발 - 종양 미세환경 리모델링(세포외 기질 분해), 암 치료제 분야 연구에 활용 엑소좀*(Exosome)은 세포가 분비하는 세포간 신호전달물질로서 최근 세포 재생 및 치료, 진단 연구의 핵심과제로 떠오르는 나노물질이다. 최근 국내연구진은 암 세포 주변에 두텁고 치밀하게 발현하여 약물전달 및 면역세포의 접근을 방해하는 세포외 기질(extracellular matrix)** 장벽을 효과적으로 분해하는 엑소좀을 개발하여 암 성장을 억제시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. *엑소좀 :　세포 간 정보교환을 위해 분비하는 나노 사이즈의 막구조를 가진 소포체. 막단백질의 운반체로 유용함. **세포외 기질(extracellular matrix) : 조직내 또는 세포외의 공간을 채우고 있는 생체고분자의 집합체. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산, 양유수 박사 연구팀은 세포외기질 분해 효소인 ‘히알루로니다아제’***(PH20)를 발현하는 엑소좀(Exosome) 개발에 성공했다. 이 ‘효소 엑소좀’은 암 세포 주위의 세포외 기질을 효과적으로 분해하여 약물과 면역세포의 침투를 증가시키고, 종양 동물 모델에서 암 성장을 억제시킬 수 있다. ***히알루로니다아제 : 세포외기질의 주된 성분인 ‘히알루론산’을 분해하는 효소. 본 연구에서 ‘PH20’을 사용. 히알루로니다아제는 세포막 표면에 발현되는 단백질로, 이러한 막단백질은 그 활용 가능성이 높은데도 불구하고 발현 및 정제 조건의 확립이 어렵기 때문에, 막에 결합하는 부분이 절단된 재조합 단백질 상태로 생산된다. 최근 할로자임 테라퓨틱스(Halozyme Therapeutics, Inc.)사에서는 인간에 적용 가능한 ‘재조합 인간 히알루로니다아제(rHuPH20)’을 개발하여 현재 항암 치료를 위한 임상실험을 진행 중에 있다. 그러나 KIST 연구진이 개발한 히알루로니다아제는 엑소좀 막에 결합된 상태이며, 할로자임 테라퓨틱스의 ‘재조합 인간 히알루로니다아제’ 보다 약 3배 정도 효소 활성이 높은 것으로 확인되었다. KIST 연구진이 개발한 ‘효소 엑소좀’은 암세포 성장의 지지기반을 무너뜨려, 암 성장 저해를 유도하였다. 또한 연구진은 효소 엑소좀에 의해 암세포 장벽이 무너지면, 면역세포가 암 조직 내로 침투하는 정도가 향상되며, 항암제(독소루비신)가 암 세포 깊숙이 전달되어 항암 효과를 상승시킬 수 있음을 보였다. KIST 양유수 박사는 “본 연구를 통해 막단백질 치료제로서 엑소좀의 활용 가능성을 제시할 수 있었으며, 개발한 히알루로니다아제를 함유한 엑소좀은 항암(면역) 치료제 및 약물 전달체로 활용이 가능할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 중견연구자 지원사업과 보건복지부 암정복추진연구개발사업으로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124, JCR 분야 상위 4.73%)에 12월 4일(월)자 온라인에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 재조합 인간 히알루로니다아제 (rHuPH20)와 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)의 효소 활성 비교 및 암세포 주변에 과발현된 히알루론산 분해능 비교. A. 히알루로니다아제 엑소좀은 재조합 히알루론산에 비해 3배 이상의 높은 효소활성을 갖는다. B. 히알루론산을 과도하게 분비하는 인간 방광암 세포에, 재조합 인간 히알루로니다아제(rHuPH20)와 히알루로니다아제 엑소좀(Exo-PH20)을 처리하였을 때, 재조합 효소에 비해 효소 엑소좀이 히알루론산 영역을 상대적으로 더 감소시켰다. 이러한 결과는 히알루로니다아제 엑소좀이 재조합 히알루로니다아제에 비해 높은 히알루론산 분해능을 지닌다는 것을 의미한다. <그림 2> 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)에 의해 암세포로의 나노입자 및 면역 세포 접근이 증가되었음을 확인. 히알루로니다아제 엑소좀에 의해 암조직 내부에 나노입자(Liposome-cy5.5, 왼쪽)와 면역세포(CD8+ T cell, 오른쪽)의 침투 정도가 증대되었다. <그림 3> 항암제를 담지한 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20Dox)을 이용한 효과적인 약물 전달 항암제(독소루비신)을 담지한 히알루로니다아제 엑소좀(Exo-PH20Dox)은 히알루로니다아제에 의해 암 깊숙이 침투하고, 담지된 항암제를 방출하여, 암세포에 효과적으로 약물을 전달하였다. 이로 인해, 암세포의 성장이 현저히 저해됨을 확인하였다. <그림 4> 효소 엑소좀을 이용한 종양 미세환경 리모델링 도식화