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Research Highlights
- 화공 정규열 교수팀, ‘세포공장’ 생산 막는 미생물 간 싸움, ‘가이드’ 유전자 회로로 “화해”시킨다
- [정규열 교수팀, 유전자 회로 이용한 생물공정 생산성 제고 기술 개발]
세균, 바이러스, 미세조류는 맨눈으로 보이지 않는 작은 생명체로, 흔히 백신이나 식품의 발효제로 활용된다. 2010년, ‘마이코플라즈마 마이코이즈(Mycoplasma mycoides)’라는 인공 미생물이 개발되면서, 대장균이나 효모 등의 산업 미생물을 의약품이나 석유 대체 화학물질로 만드는 ‘세포공장’으로 활용하는 기술이 주목을 모으고 있다. 하지만, 이 세포공장은 지금까지 하나의 미생물 균주를 사용해야 해 다양한 공정을 개발하기에는 한계가 있었다. 다양한 공정을 도입하기 위해 여러 미생물 균주로 배양을 하면 이 미생물집단들이 사람처럼 서로 경쟁하면서 생산성을 떨어뜨린다.
화학공학과 정규열 교수‧강채원 박사‧임현규 박사, 중앙대 화학과 성재영 교수‧박사과정 원재혁 씨 팀은 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’지 최신호를 통해 여러 미생물 균주를 공배양*1하면서 ‘파퓰레이션 가이더(population guider)’라는 이름의 유전자 회로*2를 도입, 미생물끼리 공생을 유도해 생산성을 높이는 생물공정 기술을 발표했다.
산업 미생물을 ‘세포공장’으로 만들어 화합물로 만들기 위해서는 하나의 미생물 균주를 배양하는 순수배양 기술을 활용하는데, 안정적으로 생산할 수 있는 장점이 있지만, 활용할 수 있는 균주 개발이 어렵다는 단점이 있었다. 여러 특성을 가진 균주의 공생을 활용한 방법을 이용할 수도 있지만, 각자 다른 미생물집단이 경쟁하면서 안정적인 생산을 보장할 수가 없었다.
연구팀은 합성생물학의 주요 기술로 손꼽히는 유전자 회로를 미생물들의 ‘가이드’로 활용했다. 다시마 등 해조류에 들어 있는 알긴산을 활용하는 Vibrio sp. dhg 균주와 대장균 균주를 이용해 페인트나 물감, 섬유와 기저귀에 사용되는 3-하이드록시프로피온산(3-HP)을 만들면서, 대장균에서 이 물질이 합성될 때 3-HP 의 생산성에 반응하여 암피실린*3을 분해하는 ‘파퓰레이션...
2022-11-08
- 화공 김동표 교수팀, 버려지는 나무가 수소로 다시 태어나다
- [POSTECH·UNIST 공동연구팀, 폐목재 분해 통한 수소·고부가가치 화합물 생산 공정법 개발]
[“물분해 공정 대비 전력 소모 절반 수준…폭발 위험도 X”]
‘골칫덩이’인 버려지는 나무가 수소로 다시 태어났다. 화학공학과 김동표 교수·통합과정 임세준 씨 연구팀은 UNIST 에너지화학공학과 류정기 교수·통합과정 오현명 씨와 공동으로 폐목재를 수소와 고부가가치 화합물로 전환하는 공정법을 개발했다. 이 기술을 활용하면 이산화탄소가 배출되지 않을 뿐만 아니라, 수소와 함께 식품·의약품의 원료로 쓰이는 바닐린(Vanillin)을 얻을 수도 있다.
최근 생산되는 수소 중 상당수는 생산 시 이산화탄소가 함께 만들어지는 ‘그레이 수소(Grey hydrogen)’다. 친환경 에너지원인 수소를 만들기 위해 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 만들게 되는 모순적 상황이 벌어지는 것. 그 대안으로 물분해를 통한 그린 수소(Green hydrogen)*1 생산 공정이 주목을 받았지만, 이 공정은 전력 소모가 커 생산 단가가 높은 데다가 폭발 위험이라는 치명적인 한계가 있었다.
연구팀은 몰리브덴(Mo) 기반의 저렴한 금속 촉매를 활용, 폐목재를 분해해 그린 수소로 만드는 연속 공정법을 개발했다. 촉매에 의해 바닐린이 만들어지고, 그 과정 속에서 비활성화된 촉매를 재활성화하는 공정 중에서 수소를 생성하는 원리다.
이 기술은 물질·열 전달 효율을 극대화하는 미세유체기술*2이 적용돼, 기존 폐목재 분해 공정의 한계였던 공정 시간이 12시간에서 30분으로 대폭 줄었다는 게 특징이다.
또한 연속 분리 공정을 통하여 폐목재 분해 산물로 인해 발생할 수 있는 전극의 오염을 방지할 수 있으며 폐목재가 분해되며 비활성화됐던 촉매가 수소 생산 과정에서 자동으로 재활성화돼 연속 공정이 가능하다는 것도 장점이다.
연구 결과, 이 공정은 물분해 공정 대비 절반 수준의 전력이 소모돼 공정 비용을 크게 줄일 수 있는 것으로 조사됐다. 폭발 위험도 전무하다.
쓸모없는...
2022-11-02
- 기계·화공 노준석 교수팀, 눈앞에 펼쳐진 평행세계…맞춤형 VR 수업할까
- [노준석 교수팀, 단일 구조체에 세 가지 정보 담는 메타 디스플레이 개발…편광 따라 다른 이미지 보여줘]
[공정 단순화·초소형 크기 장점…차세대 보안 장치·맞춤형 VR 디스플레이 실현 기대감 ‘쑥’]
캠퍼스 곳곳이 메타버스로 탈바꿈하고 있다. 코로나19 팬데믹 후 POSTECH은 비대면 상태로도 현실과 같은 수준의 실험과 실습을 진행할 수 있는 메타버스 강의 환경을 구축했다. 가상현실(VR)기기를 착용하기만 하면 실험 환경뿐만 아니라, 먼 곳의 원자력발전소도 생생하게 볼 수 있다. 나아가, 교수와 학생이 각기 다른 화면으로 맞춤형 수업을 경험할 수 있다면?
기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 김주훈·성준화 씨 연구팀은 단일 구조체에 세 가지 정보를 동시에 저장하는 메타 디스플레이를 개발했다. 메타표면으로 만든 이 디스플레이는 편광*1에 따라 각기 다른 이미지를 보여줘, 사용자에 따라 화면이 다르게 보이는 차세대 보안 장치나 초소형 디스플레이의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
빛을 자유자재로 조절하는 인공물질인 메타표면은 나노 구조체의 주기적인 배열로 이뤄진다. 구조체 하나의 크기가 파장보다 작아, 이 안에 다양하고 많은 정보를 저장하는 것이 과제로 여겨졌다.
더욱이 기존 메타표면은 하나의 구조체에 하나의 정보만을 담을 수 있어, 구조체 모양이나 배열을 달리하는 방식으로 여러 정보를 담아야 했다. 이 경우 복잡한 설계와 공정 과정을 거쳐야 해 번거로운 데다가 추가적인 비용이 들었다. 크기를 줄이는 데 한계가 있었던 것은 물론이다.
연구팀은 근거리장 빛의 세기를 조절하는 말루스 법칙*2과 원거리장 빛의 위상을 조절하는 기하학적위상법칙*3을 결합, 단일 구조체로 세 가지 정보를 저장하는 메타 디스플레이를 제작했다. 이 디스플레이는 구조가 단순해 쉽고 저렴하게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 크기가 0.5밀리미터(mm)로 매우 작았다. 연구팀은 메타 디스플레이로 각기 다른 세 개의 로고를 출력하는 데 성공했...
2022-11-01
- 신소재 오승수 교수팀, 더 강력해진 코로나19 변이도 “확실히” 잡는다
- [오승수 교수팀, 알파부터 오미크론까지…변이 따라 점점 더 강해지는 코로나19 중화제 개발]
끝날 듯 끝나지 않는 코로나19 대유행. 예측할 수 없는 변이가 더욱 강해진 감염력과 함께 등장하며 전 세계를 뒤흔들고 있다. 현재까지 보고된 오미크론 변이도 300여 종에 달하는 상황. 제각기 다른 이 변이를 꼼짝 못 하게 할 만능 치료제가 등장할 수 있을까?
신소재공학과 오승수 교수 연구팀은 변이에 스스로 적응해 더 강한 효과를 내는 맞춤 성장형 코로나19 중화제를 개발했다. 이 중화제는 바이러스의 진화를 역이용해, 변이가 거듭될수록 더 우수한 효과를 내도록 설계됐다.
코로나19 바이러스가 변이를 거듭하며 감염력이 점점 증가하는 이유는 세포 표면 단백질인 안지오텐신 전환효소(hACE2) 수용체와의 상호작용이 강해지도록 구조를 바꾸며 진화하기 때문이다. 기존 치료제·중화제 기술들은 이처럼 새롭게 등장하는 변이에 바로 대응하기 어렵다는 치명적 한계를 갖는다갖는다.
연구팀은 바이러스와 hACE2 수용체 사이의 ‘핫스팟(결합 주요 부위)’ 상호작용 원리를 모방, 세포 감염을 획기적으로 억제할 수 있는 방법을 찾았다. 단백질 조각과 핵산으로 구성된 하이브리드 중화제가 마치 미끼처럼 수용체 대신 바이러스와 강력히 결합함으로써 바이러스의 세포 침투를 막는 것이다.
이 중화제는 ‘HOLD(Hotspot-Oriented Ligand Display)’라고 불리는 연구팀의 독자적인 시험관 진화 기술을 기반으로 개발돼 눈길을 끈다. HOLD는 10조 개에 이르는 수많은 후보물질 중 바이러스 결합에 가장 적합한 물질이 자동으로 선별되는 기술로, 자연계에서 환경에 적합한 개체가 더 잘 살아남는 자연선택 이론과도 유사하다.
연구 결과, 이 중화제는 알파, 베타, 감마, 델타 변이뿐만 아니라, 전염력이 가장 높다고 알려진 오미크론 변이에 대해서도 우수한 중화 효과가 있는 것으로 조사됐다. 특히, 오미크론 변이에 대한 중화 성능(평형해리상수*1)은 1.2...
2022-10-27
- 생명 김경태 교수팀, ‘히비스커스’로 알츠하이머성 치매 물리친다
- [김경태 교수팀, ‘고시페틴’으로 면역세포 활성화…알츠하이머성 치매 유발하는 베타 아밀로이드 잡아먹어]
붉은빛의 히비스커스차는 추운 날씨에 몸을 녹여줄 뿐만 아니라, 면역력 향상과 혈압 관리, 체중 감량 등 다방면에 효능이 있다고 알려져 있다. 이 히비스커스로 미지의 질병인 알츠하이머성 치매까지 물리칠 수 있다면?
생명과학과 김경태 교수·통합과정 조경원 씨는 히비스커스 함유 물질인 ‘고시페틴(Gossypetin)’이 뇌 면역세포인 미세아교세포(Microglia)를 활성화함을 밝혔다. 또, 이 면역세포가 베타 아밀로이드를 잡아먹어 알츠하이머성 치매 환자의 인지 기능을 회복시킨다는 사실을 규명했다.
알츠하이머성 치매는 독성을 가지는 베타 아밀로이드와 같은 단백질 응집체가 뇌세포에 쌓이며 시작된다. 미세아교세포는 이러한 단백질 응집체를 먹어 치우며 뇌를 지켜주는 중요한 역할을 한다. 단, 미세아교세포가 감당할 수 없을 정도로 단백질 응집체가 많이 생기면 오히려 만성 염증반응이 일어나 신경세포가 손상된다. 환자의 인지 기능과 기억력이 점차 떨어지는 것은 물론이다.
연구팀은 알츠하이머성 치매 치료제 개발의 가장 큰 장애물 중 하나인 부작용을 최소화하기 위해 천연 물질인 플라보노이드(Flavonoid)*1 화합물, 특히 로젤(학명: 히비스쿠스 사브다리파, Hibiscus sabdariffa)이라고 불리는 식물에 함유된 고시페틴에 주목했다.
이 화합물을 알츠하이머성 치매에 걸린 마우스 모델에 3개월간 경구투여한 결과, 치매로 인해 떨어진 기억력·인지 기능이 정상 마우스만큼 회복됐다. 알츠하이머성 치매 환자의 뇌 조직에서 공통으로 발견되는 다양한 형태의 아밀로이드 베타 응집체가 줄었을 뿐만 아니라, 만성염증 반응도 감소했다.
추가적으로 연구팀은 생명과학과 김종경 교수 연구팀과 단일 세포 RNA 염기서열(Single cell RNA sequencing) 분석을 진행했다. 분석에 따르면 고시페틴에 의해 만성염증을 일으키는 신경교증(gliosis...
2022-10-26
