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- 생명과학과 이상호 교수 연구팀, 가뭄 대응 식물의 생존 비밀인 채널의 활성화 과정 규명
- 생명과학과 이상호 교수 연구팀, 가뭄 대응 식물의 생존 비밀인 채널의 활성화 과정 규명 - SLAC1 음이온 채널의 활성화 상태 구조 최초 규명 생명과학과 이상호 교수 연구팀(이영목 석박통합과정생)은 식물이 환경적 스트레스에 어떻게 반응하며 생존하는지에 대한 중요한 퍼즐 조각을 발견하였다. 이들은 초저온 전자현미경법(cryo-EM)을 통해 식물의 기공 조절에 있어 핵심적인 SLAC1 음이온 채널의 구조 기반 활성화 기전을 규명하였다. 해당 연구는 한국뇌연구원, 한국기초과학지원연구원 및 농촌진흥청 연구진과의 공동 연구를 통해 이루어졌다. 식물의 잎 표면에는 광합성을 위해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 기공이라는 미세한 구멍이 존재한다. 기공은 가뭄에서는 심각한 수분 유출을 초래하며, 병원균의 침입 통로로 활용되는 문제점을 지닌다. 식물은 이를 보완하기 위해 가뭄과 병원체, 이산화탄소, 오존 등 다양한 환경 요소에 반응하여 기공을 닫는 SLAC1 음이온 채널을 진화시켜 왔다. 그러나 기후 변화로 인한 온도와 이산화탄소의 급격한 증가로 식물의 정교한 기공 조절 과정이 교란되고 있다는 보고가 잇따르고 있다. 이러한 중요성에 힘입어 SLAC1이 어떻게 스트레스에 반응하여 활성화되는지 지난 십여 년 간 다양한 선행연구가 진행되었으나 채널 활성화에 대한 상반된 두 가설이 대립하고 있었다. 이에 연구진은 cryo-EM을 통해 SLAC1의 활성화 및 비활성화 상태의 분자 구조를 규명하고, 두 선행 가설을 모두 수용하는 새로운 활성화 기전을 제시하였다. 이번 연구로 인산화에 의한 SLAC1의 억제 이완-결합 활성화라는 두 단계로 이어지는 활성화 과정이 밝혀졌다. 이상호 교수는 “이번 연구를 통해 식물이 스트레스를 감지하여 기공을 조절하는 과정의 비밀이 마침내 밝혀졌다”며 “이를 토대로 기공 조절을 통한 식물의 기후 변화 적응, 스트레스 저항성 향상 등 다양한 응용 가능성이 열릴 것”이라고 밝혔다. 또한 “최근 교내에 도입된 최첨단 기기인 cryo-EM을 이용한 연구 사례를 보여주어 앞으로 해당 장비를 이용한 우수한 연구 성과 도출에 대한 기대감을 높여 주고 있다”고 밝혔다. 본 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원, 바이오·의료기술개발, 선도연구센터사업과 농촌진흥청의 차세대바이오그린21사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀의 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 17.694)에 지난 11월 14일 게재되었다.
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- 작성일 2023-12-01
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- 신미경-손동희 공동연구팀, 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서 개발
- 신미경-손동희 공동연구팀, 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서 개발 - 어드밴스드 머티리얼즈 9월 28일 논문 게재 - 차세대 전자피부 및 웨어러블 인간-기계-가상현실 인터페이스 분야 혁신 기대 ▲ (왼쪽부터) 신미경 교수, 손동희 교수, 김수민 석박통합과정생, 장재표 석박통합과정생 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 연구팀(김수민 석박통합과정생)은 전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(장재표 석박통합과정생)과의 공동연구를 통해 피부에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서를 개발하였고, 이를 기반으로 인체의 움직임을 감지해내 로봇 및 가상현실상의 아바타를 조종하였다. 착용 시 이물감을 최소화 하며 인체의 움직임을 모니터링 하기 위해 부드러운 기계적 물성을 갖는 전도성 하이드로젤을 이용한 다양한 형태의 변형 센서들이 개발되어왔다. 그러나, 하이드로젤에 전도성을 부여하기 위해 섞는 금속 물질이나, 탄소물질 및 전도성 고분자와 같은 경우, 생체 친화도가 낮기 때문에 장시간 사용 시 피부 염증이나 간지러움을 유발할 수 있다. 뿐만 아니라, 대부분의 전도성 물질은 조직접착력이 낮기 때문에 웨어러블 센서로서 피부 위에 밀착시키기 어려우며, 이로 인해 인체의 정교한 움직임을 모니터링 하기 위한 개선 전략이 필요하다. 이에 연구진은 바질 씨앗의 구조를 모사하여, 조직 접착성 및 전도성을 모두 갖는 마이크로 크기의 하이드로젤을 개발하였다. 바질 씨앗의 구조는 중심부에 씨앗이 있고 천연고분자 하이드로젤로 구성된 껍데기를 가지고 있다. 해당 하이드로젤 껍데기가 씨앗끼리 응집력을 높이는 역할을 하며, 다량의 수분을 머금을 수 있다. 본 연구팀은 이러한 구조를 모사하여, 중심부에 히알루론산 하이드로젤을, 껍데기에 조직접착성을 갖는 폴리카테콜아민을 도입하여, 자가 도핑이 가능한 전도성 마이크로 하이드로젤을 개발하였다. 해당 하이드로젤은 높은 응집력 및 조직접착력을 갖고 있어 피부 위 3D 프린팅이 가능하고, 폴리카테콜아민 껍데기는 수분환경에서 자가 도핑을 통해 이온전도성을 나타내었다(그림 1). 이러한 특성들을 기반으로 인체의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서로서 사용가능함을 확인하였다. [그림 1] 변형에 민감하게 반응하는 조직 접착성, 전도성을 모두 보유한 주사용 하이드로젤 마이크로 입자 개발 연구팀은 하이드로젤의 기계적 물성과 조직과의 접착을 더욱 강화하기 위해서 도파민 또는 노르에피네프린과 같은 카테콜아민 물질의 고분자화 코팅을 통한 조직 접착성 쉘을 도입하였다. 하이드로젤 입자 표면의 카테콜아민 코팅 층은 다중 수소 결합 및 pi-pi 적층과 같은 비공유 결합을 통한 가역적인 입자 대 입자 상호 작용을 가능하게 하여 기계적 특성 및 조직 접착력을 모두 증가시켰다(그림 2). 코팅된 하이드로젤 입자는 좁은 바늘을 통과할 수 있는 우수한 주사가능성을 보였고, 박리 없이 피부 조직위에 별 모양 및 곡선 구조와 같은 다용도 패턴으로 직접 인쇄될 수 있다. 또한 카테콜아민이 코팅된 하이드로젤은 코팅되기 전 상태와 유사한 자가 치유 특성을 유지하여 접착 코팅층을 가진 입자가 입자 간 가역적 상호 작용을 통해 결합 및 분리될 수 있음을 확인하였다(그림 2). [그림 2] 폴리카테콜아민 코팅층이 형성된 하이드로젤 입자의 저장계수 및 조직접착력 향상(위)과 피부 조직 위 프린팅 여부, 자가 치유 특성 검증(아래) 폴리카테콜아민이 코팅된 하이드로젤 입자 구조체는 입자간의 비공유 결합에 의해 응집력이 증가할 수 있는데, 본 연구에서는 폴리도파민에 비해 하나의 추가적인 하이드록실기를 갖는 폴리노르에피네프린이 수중환경에서 더 강한 응집력을 보이는 것을 확인하였다. 또한 두꺼운 코팅층은 하이드로젤 표면의 거칠기를 증가시켜 응집력이 다소 약해지는 것을 확인하였다(그림 3). [그림 3] 수중 환경에서의 향상된 하이드로젤 입자 사이의 응집력 및 접착력 특히, 본 연구에서는 하이드로젤의 코팅제로서 폴리카테콜아민이 자가 도핑 된다는 것을 발견하였고, 이는 히알루론산 하이드로젤을 웨어러블 센서로서 사용할 수 있게 하는 핵심 성능이다. 또한, 얇은 두께의 코팅층이 더 높은 전도성을 보였으며, 세포 생존율과 통기성을 평가에서 생물학적 안전성이 우수함을 확인하였다(그림 4). 본 연구에서 개발된 폴리노르에피네프린이 코팅된 하이드로젤 마이크로 입자를 피부에 직접 프린팅하여 인간-기계 인터페이스에 성공적으로 적용할 수 있었다. 하이드로젤 입자의 변형 감지 능력은 500번 이상 반복되는 변형에도 유지되었다. 또한, 피부 위에 직접 인쇄 가능한 하이드로젤 센서는 손가락의 움직임에 의한 변형을 감지할 수 있고 맥박으로 인한 피부의 미세한 변형도 측정하였으며, 인간-로봇 상호작용에 적용하여 착용자의 움직임을 감지해 로봇 팔을 제어하는 데 성공하였다(그림 5). 궁극적으로 해당 하이드로젤 센서는 인간-가상현실 상호작용에 적용하여 사용자의 움직임을 가상 세계의 아바타가 모방할 수 있도록 하는데 이용가능하였다(그림 6). 사용자와 적용 부위에 따라 다양한 디자인으로 직접 인쇄 가능하고 전도성과 조직접착성을 가져 인간-기계 상호작용 분야에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다. 기존의 전도성 하이드로젤을 이용한 변형센서는 피부에 부착하기 위한 추가적인 접착제가 필요하거나, 제한된 형태로 이용해야 하는 등의 어려움이 있었다. 하지만 본 연구에서 개발된 조직 접착성 코팅제의 자가도핑기반 전도성 하이드로젤 입자는 피부에 바로 밀착되게 프린팅 될 뿐 아니라 안정적으로 인체의 움직임을 감지할 수 있어, 새로운 형태의 웨어러블 센서를 위한 바이오 신소재 제작 방식을 제시할 뿐 아니라, 관련 응용 분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. 신미경 교수는 “본 연구는 기존에 조직공학 분야에서만 다수 이용되었던 하이드로젤 마이크로 입자의 낮은 응집력에 대한 한계를 극복하여, 우수한 조직접착력, 이온전도성을 갖는 바이오 신소재를 개발했다는 점에 그 의의가 있으며, 이후, 체내 조직 인터페이싱 등 바이오 전자 및 의료기술 분야에서도 활용 가능할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 손동희 교수는 “본 연구에서 개발된 조직 접착성 및 전도성 하이드로젤 입자는 다양한 인체 부위에 즉각적으로 프린팅이 가능하여, 차세대 웨어러블 및 임플랜터블 전자약 소재로서의 활용 가능성이 높다”고 말했다. 연구팀의 이번 연구결과는 재료과학(Material science) 분야 최상위급 국제 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4, JCR 2.2%)에 9월 28일자 온라인 게재되었다. 본 연구는 과학기술정보통신부‧보건복지부 범부처 재생의료기술개발사업(23B0102L1), 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(No. 2020R1C1C1005567, RS-2023-00208262), 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 과학기술정보통신부‧한국연구재단 전자약 기술개발사업(No. 2022M3E5E9018583)의 지원을 받아 수행되었다. ※ 논문명: Injection-on-skin granular adhesive for interactive human-machine interface ※ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202307070
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- 작성일 2023-11-03
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- 폐암환자들에서 코로나19 바이러스 감염이 폐암 진행에 미치는 메커니즘 제시
- 폐암환자들에서 코로나19 바이러스 감염이 폐암 진행에 미치는 메커니즘 제시 SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 염증 및 암 발달을 조절할 수 있음을 처음으로 제시 의학과 이기영 교수 · 김미정 연구원 폐암 발병 및 진행은 유전적 변이 및 외부 다양한 인자들에 의해 유도된다. 최근 코로나바이러스 2 (SARS-CoV-2)은 세계적으로 코로나바이러스 대유행을 야기하였으며, 이에 따라 기저질환이 있는 환자들에 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 심각한 결과를 야기할 수 있음이 보고되고 있다. 하지만, 이들에 관한 과학적 원인 규명은 아직 미흡하다. 특히 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 호흡기를 통한 감염이 주를 이루고 있기 때문에 폐암환자들에 있어서 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 심각한 암질환 악화를 유도할 수 있음이 임상적으로 제기되고 있다. 본 연구팀은 폐암 환자 유래의 암 조직 및 정상 조직에서 얻은 유전자 데이터를 활용하여 폐암 환자들에 있어서 SARS-CoV-2 바이러스 감염이 폐암 발달에 미치는 분자-세포 기능을 규명하였다. 본 연구 결과, SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 염증 및 암발달을 조절할 수 있음을 처음으로 제시하게 되었다. (그림1) SARS-CoV-2 바이러스는 세포에서 발현하는 바이러스 수용체인 Angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) 및 Transmembrane protease serine subtype 2 (TMPRSS2)에 의해 감염됨이 보고 되었다. 또한 선천 면역 반응 (Innate Immune Response)을 조절하는 선천 면역 수용체 (Innate Immune Receptor)인 톨라이크 수용체들과 결합할 수 있음이 보고 되었다. 폐암에 있어서 톨라이크 수용체들은 암발달 (Cancer Progression)을 조절하는 중요한 인자로 제시되고 있으며, 이는 폐암-SARS-CoV-2 바이러스-톨라이크 수용체 간 연관성을 추정할 수 있었다. 이에 관한 과학적 연관성을 검증하고자 폐암 환자 유전자 데이터를 활용하여 SARS-CoV-2 바이러스 수용체와 톨라이트 수용체의 발현에 따른 암발달 조절 유전자를 분석하였으며, 이들에 관한 기능적 규명을 위하여 유전자 교정 기법 (CRISPR/Cas9 gene editing method)을 활용하였으며, 그 결과 폐암세포에서 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 톨라이트 수용체 2를 통하여 암세포 발달을 조절될 수 있음을 제시하게 되었다. 본 연구는 제1저자로 김미정 박사 (성균관대학교 의과대학 BK21 FOUR 신진연구자)/ 김지영 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정)/ 신지혜 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정) 학생이 연구에 기여하였다. 연구결과는 암 중개 의학 분야 저명 국제 학술지인 Cancer Communication 2023 Sep 13 (IF: 16.2)에 게재되었다. 본 연구는 중견연구자지원 사업 및 기초 연구실 사업을 통하여 수행되었다. 논문명: The SARS-CoV-2 spike protein induces lung cancer migration and invasion in a TLR2-dependent manner. Cancer Commun (Lond). 2023 Sep 13. doi: 10.1002/cac2.12485) 저자: 김미정 (제1저자, 성균관대학교 의과대학 BK21 FOUR 신진연구자), 김지영 (석박통합과정), 신지혜 (석박통합과정), 이기영 (교신저자, 성균관대학교 의과대학 교수). 그림 1: SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 암발달 조절 기능
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- 작성일 2023-10-13
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- 심혈관계 질환 진단 및 치료를 위한 바이오 전자 스티커 기술 개발
- 심혈관계 질환 진단 및 치료를 위한 바이오 전자 스티커 기술 개발 - 네이처 일렉트로닉스에 9월 2일(토) 논문 게재 - 부드럽고 응력 완화 특성이 뛰어난 혁신적 심장 전자 스티커 패치 개발 ▲ (왼쪽부터) 손동희 교수(교신저자), 신미경 교수(교신저자), 최희원 박사과정생(제1저자), 김예원 박사과정생(제1저자), 김수민 박사과정생(제1저자) 전자전기공학부 손동희 교수와 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 공동연구팀은 추가적인 봉합술이 필요없는 부드러운 신축성 심장 접착 전자 패치 기술을 개발하였고, 이를 기반으로 움직이는 동물로부터 장기간 안정적으로 심전도(ECG)를 계측해내 심혈관계 질환을 진단함과 동시에 전기자극으로 치료했다. 심장의 반복적인 수축-이완 운동에도 안정적으로 구동할 수 있는 체내 이식형 전자소자를 만들기 위해 신축성이 우수하고, 부드러운 기계적 특성을 갖는 고분자 소재를 이용한 다양한 전자소자들이 개발되어왔다. 그러나, 신축성과 전도성을 동시에 지니기 위해 고체 상태의 전도성 첨가제를 넣은 고분자 복합소재(composite)는 고분자 본연의 기계적 특성을 잃어버리고 딱딱하게 변성되어, 굴곡지고 부드러운 심장 조직 표면을 압박 없이 감싸기에 어려움이 있다. 이에 따라 장기간 안정적으로 심전도를 기록하는 데에 한계가 있었다. 그뿐만 아니라, 반복적인 심장의 움직임에도 소자를 고정하기 위해 바느질에 기반한 봉합술이 필수적이다. 이에 연구팀은 부드러우면서도 신축성을 갖는 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판층, 뛰어난 심장 접착성을 가지는 하이드로젤층, 내구성이 뛰어난 액체 금속 필러-자가치유 고분자 복합체 전극층으로 구성된 심장 전자 패치를 개발하였다(그림 1). [그림1] 심장조직에 손상을 주지 않으면서 장기간 안정적으로 부착되어 구동 가능한 심장 패치 기술 해당 심장 접착 전자 패치는 반복적인 심장 박동 상황에서도, 바느질을 전혀 하지 않고 심외막에 신속하고 안정적으로 부착이 가능했다. 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판층과 조직 접착성 하이드로젤층의 3차원 결합 구조를 통해 접착성능을 향상했으며, 고분자층의 응력 완화 효과와 더불어 반복된 심장박동에도 접착성능을 유지할 수 있었다. 또한, 패치의 빠르고 균일한 접착능력을 통해 움직이는 심장 표면에서도 패치의 고른 부착이 가능했다(그림 2). [그림2] 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판과 조직 접착 하이드로젤 층의 3차원 구조와 패치의 응력완화 효과를 통한 빠르고 균일한 접착성능 구현 아울러 연구팀은 심근 경색 유발 소동물 모델에서 심근경색 유도 전후의 심장 신호를 획득하고 변화를 관찰하는데 성공하였으며 심근경색 진단이 가능할 정도의 정확한 심장 신호를 획득할 수 있는 패치의 성능을 검증하였다(그림 3). [그림 3] 부드러운 신축성 조직 접착성 심장 패치의 체내 안정성과 부정맥 진단 및 치료 이후 움직이는 동물로부터 한 달 동안 신호의 유실 없이 심전도 계측에 성공했다. 또한, 부정맥 및 급성심근경색을 나타내는 심전도 진단에 성공했으며 전기자극을 통해 효과적으로 심박조율이 가능함을 증명하였다. 이를 통해 해당 패치가 양방향성 심장 패치임을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 개발된 심장 패치를 이용하여 부정맥 유발 소동물 모델에서 심장 신호를 획득하여 부정맥의 단계를 진단하고 전기자극을 통해 치료할 수 있었다(그림 4). [그림 4] 부드러운 신축성 조직 접착성 심장 패치의 체내 안정성과 부정맥 진단 및 치료 또한, 액체 상태를 갖는 금속 입자들의 부드러운 물성을 갖는 전극과 전기방사 방식으로 만든 네트워크 구조 자가치유 고분자 기판층은 심장박동으로 인해 축적된 응력을 완화시킬 수 있는 최적의 솔루션을 제공하였으며 어떠한 조직 손상도 유발하지 않았다. 한편, 본 연구팀은 이러한 양방향성 심장 패치의 우수한 성능이 액체금속 기반 복합체 전극층과 조직접착 하이드로젤 층의 화학적 상호작용으로부터 구현됨을 밝혔다. 기존의 액체 금속 기반 입자들의 표면에 불가피하게 형성되는 산화막은 우수한 전도성을 나타내는데 걸림돌이 되어 왔으나 연구팀이 개발한 패치에서는 접착성 하이드로젤의 작용기와 액체금속 입자의 배위결합에 의해 산화막이 깨질 수 있었으며 이는 안정적인 전기자극 및 신호 계측에 있어 핵심적인 역할을 하고 있었다(그림 5).[그림 5] 부드러운 액체금속 기반 복합체 전극층과 조직접착 하이드로젤의 작용기와의 상호작용을 통해 높은 전기적 안정성 구현 기존의 전자 패치는 심장에 고정이 되지 않아 추가적인 봉합술이 필요하고, 물성이 딱딱하여 반복적인 심장의 움직임에 의해 쉽게 손상되어 오랫동안 사용하기에 어려웠으나 본 연구에서 개발된 심장 접착 전자 패치는 뛰어난 심전도 계측 및 자극성능을 보유하고 있어 새로운 형태의 바이오 전자소자 플랫폼을 제시할 뿐만 아니라 관련 응용 분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. 손동희 교수는 “본 연구에서 개발된 바이오 전자 스티커 패치 기술은 심혈관계 중증 질환의 정밀 진단 및 치료 효과를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대되며 더 나아가 인체 내 다양한 장기에 차세대 전자약으로써 응용될 수 있다”고 말했다. 신미경 교수는 “본 연구는 우리 몸에 혈액을 공급하기 위해 매우 중요한 역할을 하는 심장에 바느질 필요 없이 적용할 수 있는 의료전자소재 및 소자를 구현한 것으로, 인체 조직과 매우 유사한 기계적 물성을 갖도록 구성된 고분자, 액체금속 등의 조합을 통해 얻어낸 것이 의미가 크다. 이는 심장 뿐만 아니라 뇌, 신경, 근육 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 바이오 전자 플랫폼으로 활용 가능할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 연구팀은 심장 패치의 면적과 채널 수를 증가시켜 더욱 세밀한 부위별 심장 신호 획득을 통해 심장질환 치료 약물의 작용 기전을 밝혀내려는 후속 연구를 진행하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업, 기초과학연구원, 과학기술정보통신부‧한국연구재단 전자약기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 전자공학 분야에서 최고의 권위를 갖는 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 34.3, JCR 0.2%)에 9월 1일(금) 게재되었다. ※ 논문명 : Adhesive bioelectronics for sutureless epicardial interfacing ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-023-01023-w ○ 관련 언론보도 - 성균관대 연구팀, 심혈관계 바이오 전자 스티커 개발 <뉴시스, 2023.09.04.> - 성균관대 손동희 교수 공동연구팀, 심장 전자 스티커 패치 개발 <한국대학신문, 2023.09.04.> - 봉합 없이 심장표면에 붙이면 끝…성균관대, 신축성 전자패치 개발 <디지털타임스, 2023.09.03>
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- 작성일 2023-09-06
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- 방석호 교수 연구팀, 생물학적으로 분해된 미세플라스틱의 위험성 보고
- 방석호 교수 연구팀, 생물학적으로 분해된 미세플라스틱의 위험성 보고 - 생분해된 미세플라스틱의 생물학적 위해성 보고 ▲ (왼쪽부터) 방석호 교수, 엄지인 석사과정생, 경희대 이은열 교수 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀은 미생물로부터 분해된 미세플라스틱의 위험성에 대해 보고했다. 플라스틱 폐기물은 자연 상태에서 생분해되지 못하고 토양 및 해양으로 유입되면 장기간에 걸쳐 광분해 및 풍화작용 등에 의해 5mm 이하 크기의 미세플라스틱 및 초미세 플라스틱으로 부서지게 된다. 미세플라스틱은 수질 정화 시스템으로 처리되지 않기 때문에 생태계 전반에 영구적인 오염을 유발한다. 폐플라스틱은 분리 및 선별 기술의 어려움과 높은 처리비용 등 다양한 문제점 때문에 재활용률이 10%를 채 못 넘기고 있다. 최근 환경에 미치는 영향을 최소화하고 폐플라스틱을 생분해하는 미생물 혹은 단백질/효소들이 발견되면서 폐플라스틱 재활용에 큰바람을 불어오고 있지만, 제한된 대사 능력과 느린 분해 과정 때문에 플라스틱 대부분이 완전히 분해되진 않는다. 따라서 본 연구에서는 글로벌 수요를 충족시키기 위해 기존에 보고되지 않은 생분해된 미세플라스틱의 생물학적 영향력을 조사했다. 방석호 교수 연구팀은 미생물(Rhodococcus Ruber C208)을 이용하여 나노 플라스틱의 생분해를 유도하여 비교한 결과, 분해로 인한 크기 감소뿐만 아니라 화학적 구조 자체가 변형되면서 표면전하가 반전되고 입자 간의 응집도가 올라가는 등 비분해된 나노입자와는 완전히 다른 물리화학적 특성을 가진다는 것을 밝혀냈다.(그림 1). 생분해된 미세플라스틱은 인체에서 가장 먼저 노출되는 피부표피세포에서 기존 입자에 비해 활성산소와 면역반응을 유도하는 것을 밝혀냈고, 이에 따라 세포 독성이 증가하는 결과로 이어졌다고 보고했다.(그림 2). 방석호 교수와 이은열 교수는 “이번 연구는 생분해성 플라스틱의 위해성 연구의 초석”이 될 것이라고 설명했다. 해당 연구 결과는 화학공학분야 세계권위지인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 15.1)에 8월 2일 온라인 게재되었다. ※ 논문 제목: Cytotoxic Effect and Mechanism of Nano-Sized Polystyrene Degraded by Rhodococcus ruber C208 ※ 저널: Chemical Engineering Journal ※ 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723038251
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- 작성일 2023-09-06
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- 의과대학 정밀의학교실 김근형 교수 연구팀, 신개념 신경근접합부 생체-칩 개발
- 의과대학 정밀의학교실 김근형 교수 연구팀, 신개념 신경근접합부 생체-칩 개발 - 근육 조직과 혈관-스페로이드 동시 제작이 가능한 바이오프린팅 플랫폼 개발 - 바이오프린팅 인공근육 구조체의 혈관, 근육 형성 및 신경근접합부 형성 검증 ▲(왼쪽부터) 의학과 김근형 교수, 김원진 박사후연구원, 김주연 연구원보 근육의 기능 상실과 관련된 질병, 특히 루게릭병, 근무력증, 근육이영양증 등 근신경계 질환은 대부분 신경근접합부(neuromuscular junction, NMJ*)의 기능에 장애를 보인다. 따라서 근신경계 질환 연구를 위한 체외 생체-칩 모델 제작 시 NMJ의 기능과 병리학·생리학적 특성에 대한 이해가 필요하다. * NMJ: 신경세포 말단이 근섬유에 연결되어 근육의 운동을 조절할 수 있는 시냅스 인공근육 제작할 때에는 근육의 복잡한 3차원 구조와 생리학적 특성 모사가 중요하며 이를 위해 바이오프린팅 기술이나 하이드로겔의 자가조립 방법이 주로 활용되고 있지만 이는 세포의 기능과 상호작용, 큰 부피 구조체 제작 등에 한계가 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 의학과 김근형 교수 연구팀은 마이크로-플루이딕, 바이오프린팅 플랫폼을 개발하여 배열된 근육조직에 세포 간 상호작용을 향상할 수 있는 혈관-스페로이드가 포함된 인공근육 구조체를 제작하였다. 연구팀은 인공근육 구조체 바이오프린팅 시 전기장 자극을 가하여 dECM-MA* 바이오잉크에 포함된 세포의 배열을 유도하고, 세포막 이온 채널 등 생물학적 기능을 활성화하였다. 또한, 혈관-스페로이드를 통해 효과적인 혈관 및 근섬유 형성이 가능했다. 연구팀은 NMJ 생체-칩 모델을 통해 제작한 인공근육이 주변 신경세포의 축삭(axon) 유입과 NMJ 형성을 효과적으로 유도할 수 있음을 확인하였다. * dECM-MA: 자외선(UV) 노출로 경화가 가능한 광경화성 탈세포화 세포외기질 연구팀은 또한, GelMA* 및 콜라겐 두 종류 바이오잉크의 유변학적 특성 차이를 이용해 구슬이 바늘에 꿰인 형태인 ‘rosary shaped structure’ 신경-스페로이드가 포함된 인공근육을 제작하였다. 또한, 신경-스페로이드는 높은 생물학적 기능을 바탕으로 신경섬유와 근섬유뿐 아니라 NMJ 형성을 효과적으로 유도하였다. * GelMA: UV 노출을 통해 경화가 가능한 광경화성 젤라틴 김근형 교수는 “새로운 마이크로-플루이딕, 바이오프린팅 플랫폼 개발을 통한 세포-스페로이드가 포함된 인공근육 제작 결과 보여주며, 향상된 세포 간 상호작용을 통해 근섬유 형성과 혈관 및 NMJ 형성을 효과적으로 유도할 수 있는 NMJ 생체-칩 모델을 제시한다. 향후 본 연구에서 제작한 인공근육은 근신경계 질환과 이의 치료에 관한 다양한 연구에 적용가능할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 이번 연구 결과는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업의 지원으로 수행되었으며, 응용화학공학 분야 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal(IF: 15.1)*과 응용물리학 분야 국제 학술지인 Applied Physics Reviews(IF: 19.5)에 7월 23일과 8월 14일에 각각 게재되었다. * 논문명: Formation of various cell-aggregated structures in the core of hydrogel filament using a microfluidic device and its application as an in vitro neuromuscular junction model (2023. 7. 23.). ** 논문명: Bioprinting 3D muscle tissue supplemented with endothelial-spheroids for neuromuscular junction model (2023. 8. 14.).
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- 작성일 2023-09-06
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- 화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 세포 내 항산화 효소 조절로 허혈성 질환 치료 향상
- 화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 세포 내 항산화 효소 조절로 허혈성 질환 치료 향상 - 세포 내 항산화 효소 조절이 가능한 나노입자 개발 - 나노입자의 허혈성 질환에 대한 치료 능력 검증 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀(제1저자 임광범 박사, 현 하버드의대 소속)이 서울대학교 현택환 교수 연구팀(제1저자 유태용 박사, 김영건 박사)과 공동 연구를 통해 항산화 나노입자 적용의 새로운 방향을 제시하였다. 금속 산화물 나노소재는 산화 스트레스와 관련된 염증성 질환에 대해 효과적인 치료제로 등장하고 있다. 금속들의 다양한 산화 상태는 산화환원 반응 특성을 부여하며, 유해한 양의 반응성 산소 종들(ROS)을 억제한다. 그러나 나노소재 표면에 작은 분자와 단백질들이 동적으로 흡착되면 의도된 생화학 반응을 위한 활성 부위가 막히거나 변형될 수 있다. 산화환원 활성 분자인 글루타치온(GSH)과 같은 물질들은 나노소재를 더 생체적합한 상태로 변환시킬 수 있지만, 이러한 변환은 처음에 의도한 치료 효과보다 감소시킬 수 있다. 그래서 항산화 나노소재를 설계하는 것이 합리적이고, 이러한 나노소재는 생체 변형 과정을 우회하거나 활용하는 방식으로 설계된다. 또한 필수 미량 금속으로 구성된 나노소재는 흡수되고 생체적으로 이용 가능한 보조 효소로 변형될 수 있는 증거가 점점 더 많이 나오고 있다. 공동 연구팀은 항산화 금속 산화물 나노소재의 생체 변형을 이용하여 생체적으로 이용 가능한 보조 효소를 방출하여 대사성 염증의 전반적인 항산화 효과를 향상시켰다. 구리 이온은 생체 내 미량으로 존재하는 필수 원소로서, 항산화 효소인 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 1 (SOD1)의 보조 효소이며, 이 효소는 초산화아니온을 과산화수소와 산소로 이산화시키는 작용을 한다. 구리는 또한 혈관신생을 촉진하고 혈류 감소 예방에 필요한 인자인 혈관내피세포성장인자 (VEGF)의 발현을 촉진한다. 그러나 구리는 물질의 양이 엄격히 조절되지 않으면 펜턴 유사 반응을 통해 하이드록실 라디칼 (Hydroxyl Radical)을 생성하여 산화 스트레스를 유발할 수 있는 잠재적 위험성을 가지고 있다. 이에 따라 방석호 교수 및 현택환 교수 연구팀은 항산화 금속 산화물 나노소재와 함께 전달될 때 구리가 유발할 수 있는 하이드록실 라디칼의 잠재적 위험을 최소화할 수 있을 것이라고 판단했다. 공동 연구팀은 세리아 나노입자가 항산화 전달 역할을 하여 구리 이온을 세포로 운반하고 제공하는 구리-세리아 나노입자(CuCe NPs)를 제작했다(그림1). 이 구리 이온들은 생체 변형을 통해 방출되어 항산화 효소인 SOD1의 상향 조절에 기여하였다. 세리아 나노입자는 이전부터 널리 알려진 ROS 제거 물질로서, 구리 활성화된 SOD1과의 시너지 효과를 통해 항산화 활동이 향상되고, 신호 전달자 및 활성화자인 STAT1 및 STAT6을 변조함으로써 대식세포에서 M2 극성과 항염증 반응을 유도하였다. 이번 연구에서 무기 코팩터를 항산화 나노소재를 통해 전달하는 것은 허혈성 질환(하지허혈 및 심근 경색 모델)에서 회복 결과가 개선됨에 따라 효과적인 치료 방법으로 입증되었다. 방 교수는 “이번 연구를 바탕으로, 후속 연구를 통해 다양한 질환 치료를 향상시키는 나노바이오 시스템을 구축하고, 이후 실제 응용 가능성을 확인할 예정이다”라고 설명했다. 연구팀의 연구결과는 재료 및 물질 분야 세계권위지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 4월 표지(frontspiece) 논문으로 선정되었다. ※ 논문제목: Ceria Nanoparticles as Copper Chaperones that Activate SOD1 for Synergistic Antioxidant Therapy to Treat Ischemic Vascular Diseases ※ 저널: Advanced Materials ※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adma.202370114
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- 작성일 2023-09-06
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- 의학과 류동렬 교수 연구팀, 식이제한을 통한 수명 증대효과의 핵심 성분 찾아내
- 의학과 류동렬 교수 연구팀, 식이제한을 통한 수명 증대효과의 핵심 성분 찾아내 - ‘L-트레오닌 아미노산’ 건강수명 증가 유도 - 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 발표 [사진] 의학과 류동렬 교수(좌) / 아모레퍼시픽 김주원 박사 (우) 의학과 류동렬 교수 연구팀은 아모레퍼시픽과의 공동연구를 통해 식이제한(Dietary Restriction)으로 유도되는 수명 증대의 기전과 핵심 성분을 밝혀 냈다고 밝혔다. 연구팀은 '필수 아미노산 L-트레오닌(L-Threonine)이 건강수명 증가를 유도'하는 연구의 내용을 국제저명학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=17.7)에 11월 1일자로 게재하였다. 최근 최대 수명을 늘리는 장수 연구는 단순한 수명의 연장이 아닌 건강한 상태를 오랫동안 유지하여 삶의 질을 높이는 '건강수명'의 증가에 초점을 맞추고 있다. '간헐적 단식' 등으로 세간의 주목을 받은 식이제한은 에너지 소비 효율을 높여 건강하게 오래 살 수 있는 가장 확실한 장수 방법으로 알려졌지만, 어떤 대사물질이 관여하는지 등의 심도 깊은 연구는 부족한 상황이었다. 류동렬 교수 연구팀은 식이 제한 실험군과 특정 유전자의 돌연변이로 인해 오래 산다고 알려진 '예쁜꼬마선충' 실험군에서 특이적으로 증가하는 대사 물질들을 분석하였고, 그 가운데 체내에서 합성할 수 없는 필수 아미노산인 L-트레오닌이 공통적으로 증가하여 노화 속도를 크게 늦추고 장수를 촉진할 수 있다는 사실을 확인하였다. 또한, L-트레오닌을 투여한 실험군은 대조군 보다 15-18% 더 오래 생존하고 행동이 더 민첩하며 항산화 효소를 훨씬 더 많이 갖고 있다는 것을 발견하였다. 이것을 통해 세포노화의 원인 중 하나로 최근 알려진 페롭토시스(Ferroptosis)로부터 세포를 보호하며 건강수명을 유도하는 것을 확인했다. 성균관대 류동렬 교수는 "본 연구는 새로운 장수의 기전을 발견한 기념비적 성과이지만, 어떻게 L-트레오닌이 페롭토시스를 조절하는지에 대한 추가적인 연구가 여전히 필요하다"며 "추가연구를 통해 상대적으로 간단한 건강수명 연장의 방법이 개발될 수도 있다"고 언급하였다. 제1저자인 아모레퍼시픽 김주원 박사는 "노화와 관련된 대사물질을 제대로 이해하고 활용하면 건강 수명을 증가시키고 신진대사를 효율적으로 바꿀 수 있을 것" 이라고 언급하며 "이를 위해서는 더 많은 연구가 필요하다"고 덧붙였다. 본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업 및 지역혁신선도연구센터의 지원과 아모레퍼시픽 기술연구소의 지원으로 이루어졌으며 류동렬 교수 연구팀의 조윤주 박사, 아모레피시픽 기술연구소의 조동현 박사가 공동연구원으로 참여하였다. ※ 논문명: L-threonine promotes healthspan by expediting ferritin-dependent ferroptosis inhibition in C. elegans ※ DOI: doi.org/10.1038/s41467-022-34265-x * 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans): 인간과 65% 정도의 지놈(Genome) 유사성을 공유하고, 인간처럼 세포분열을 제어하고 노화에 따라 세포의 결함이 증가한다고 알려져 있으며, 인간보다 해부학적으로 훨씬 단순하고 실제 평균 수명이 한달 정도로 짧아 노화 실험에 많이 이용되고 있는 실험모델이다. * 페롭토시스(Ferroptosis): 세포사멸 현상 중 하나이며, 체내 철과 산소의 결합 분해반응 오류에 의한 활성산소 생성이 세포의 일종의 보호장벽인 세포막의 지질에 산화 손상을 일으켜 세포의 죽음과 세포노화를 유도하는 것으로 알려져 있다. * 건강노화(Healthy aging): 단순하게 오래 사는 것보다 건강하며 독립적으로 삶을 영위하는 것이 더 중요하다는 것을 인식하면서, 오래 사는 장수(longevity)의 개념보다 진보된 개념이다. 많은 연구자들이 현재 장수보다 건강노화 증진의 방법을 찾고 있다.
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- 작성일 2022-11-08
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- 융합생명공학과 교수진, 세계 상위 2% 논문 피인용 연구자 선정
- 융합생명공학과 교수진, 세계 상위 2% 논문 피인용 연구자 선정 ▲ 왼쪽부터 조재열, 이종성, 박우람, 발라찬드란 마나발란 교수 융합생명공학과의 조재열, 이종성, 박우람, 발라찬드란 마나발란 교수가 2022년 세계 상위 2% 피인용 지수를 가진 연구자로 선정되었다. 미국 스탠퍼드대학이 발표한 자료에 따르면 이번 연구자 선정은 전 세계 약 800만 명의 연구자들을 대상으로 22개의 연구 분야로 분류하여 각 분야별 상위 2% 피인용 연구자들을 선정하였다. 융합생명공학과 조재열 교수와 이종성 교수는 Medicinal & Biomolecular Chemistry 분야에 선정되었다. 조재열 교수는 Google Scholar 면역약리 분야 세계 5위 및 국내 1위 연구자로서 10여 년 이상 관련 분야를 연구해오고 있다. 현재 조재열 교수는 염증신호전달과정 이해 및 천연물/합성 소재의 암 및 염증면역 조절성 연구와 자가포식 및 단백질메칠화 현상의 생물학적 기능 등을 연구하고 있다. 이종성 교수는 피부의 구조 및 생리현상을 분자적 수준에서 해석하는 기초연구(분자피부과학)를 통해, 기능소재 탐색을 위한 플랫폼 기술 구축과 소재의 작용기전 연구를 진행하고 있으며 해당 연구는 기초연구 상용화를 위한 가교역할을 하고 있다. 박우람 교수는 약물전달학 분야를 연구하고 있다. 다양한 유무기 하이브리드 나노소재를 이용하여 바이오의약품을 특정 조직 및 세포에 고효율로 표적화하는 연구를 진행하고 있으며 해당 연구들을 통해 Biomedical Engineering 분야에서 상위 2% 피인용 연구자로 선정되었다. 발라찬드란 마나발란 교수는 차세대 염기서열 분석 데이터 등 다양한 빅데이터를 활용하여 연구실에서 독자적으로 구축하고 있는 AI 머신러닝 알고리즘에 접목하는 연구를 수행하고 있다. 관련 기술을 생물학적 다양성에 기반한 여러 현상과 질병들에 접목하여 질병의 주요 인자를 발굴하는 연구 수행을 통하여 학계에 이바지하고 있으며, 해당 연구 결과를 기반으로 Bioinformatics 분야에 국내에서는 유일하게 상위 2% 피인용 연구자로 선정되었다.
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- 작성일 2022-11-01
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