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모든 인간 유전자 기능규명을 위한 유전자가위 개발

- 네이처 바이오테크놀로지 발표,“질병 원인 규명을 위한 핵심적 연구 소재”-

서울대 김진수 교수와 ㈜툴젠 김석중 박사 연구팀이 모든 인간 유전자 각각에 대해 최적화된 유전자가위*를 개발해냈습니다. 단일 종의 유전자 모두에 대해 유전자가위를 생산하기는 처음이라고 하는데요, 각종 질병 관련 유전자 편집을 통해 세포의 변화를 관찰할 수 있어 질병유전자의 이해에 크게 기여할 것으로 기대되고 있습니다.

 * 유전자가위(engineered nuclease)
: 특정 염기서열을 인식해 절단하는 인공 핵산분해효소로서 DNA 염기서열 편집도구로 활용됨


▲ 유전자가위의 일종인 TALEN의 구조. 유전자의 특정 염기서열을 자르기 위해서는 1쌍의 TALEN이 필요하다. DNA상의 특정 염기서열을 인식할 수 있도록 설계할 수 있는 DNA-binding domain과, 실제로 DNA를 자를 수 있는 nuclease domain으로 이루어져 있다.

인간게놈프로젝트 결과 2만여 개의 인간 유전자 염기서열이 규명되었으나 그 대부분의 기능은 아직 정확히 파악되지 않고 있습니다. 유전자 기능연구는 질병원인 파악과 생명현상 이해에 필수적이기에 매우 중요한데요, 유전자 기능연구를 위해 간섭 RNA(siRNA)를 주로 사용했으나 표적외 유전자에 작용하거나 불완전하게 유전자를 억제하는 단점이 있었습니다. 물론 이를 극복하기 위해 특정 유전자를 절단하여 돌연변이를 일으키는 유전자가위에 대한 연구가 진행되어 왔지만 유전자가위 역시 정확성이 낮아 한계가 있었던 것이 사실이었죠. 

그러나 연구팀은 2만여 개의 나머지 유전자를 손상하지 않으면서 원하는 특정유전자 하나에만 특이적으로 작용하는 유전자 가위를 개발하고 이를 이용해 원하는 유전자가 제거된 인간배양세포를 만드는데 성공하였습니다. 
우선 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 여러 유전자에서 공통적으로 발견되는 염기서열을 배제하고 각각의 유전자마다 특징적으로 나타나는 고유한 40개 염기로 구성된 유전자가위의 표적서열을 추출해 냈습니다. 그리고 이를 통해 원하는 유전자만 정교하게 자를 수 있도록 하여 기존 유전자가위의 정확성을 크게 향상시켰습니다.
뿐만 아니라 조립식으로 한 번에 여러 개의 유전자가위를 만들 수 있는 새로운 클로닝 방법을 개발해 2만여 개 유전자에 대한 유전자가위 대량생산에도 성공했습니다.

한편 연구팀은 이번 논문을 포함해 올해에만 유전자가위 관련 논문을 네이처 바이오테크놀로지에 세 편 연달아 발표해 학계의 주목을 받고 있는데요, 지난 1월 10일, 김 교수팀과 연세대 이한웅 교수팀은 유전자가위를 이용, 최초로 생쥐의 유전자를 제거한 연구결과를 발표했으며, 지난 1월 30일, 김 교수팀은 제3세대 유전자가위인 RNA 유전자가위를 개발해 논문을 발표했습니다. 이번 유전자가위는 DNA를 인식하는 단백질을 매번 새로 만들어야 하는 기존 유전자가위와는 달리 유전자재조합 과정이 필요 없어 보다 빨리 만들 수 있다는 장점이 있다.

* RNA 유전자가위 : 작은 RNA와 단백질효소로 구성된 유전자 가위. RNA만 새로 합성해서 교체해 주면 어떤 유전자에도 작용하는 맞춤 유전자가위를 만들 수 있다.

김진수 교수

김석중 연구소장


김진수 교수
는 “이번에 개발된 유전자가위 집합체는 각 인간 유전자의 기능 및 질병의 원인을 연구하는데 핵심적인 소재가 될 것”이라며 “유전자가위 기술은 향후 바이오/의료 관련 분야의 파급성이 큰 신기술로 지속적인 연구개발을 통해 유전자가위 원천기술을 확보하는 것이 매우 중요하다”고 밝혔습니다.

또한 김석중 연구소장은 “유전자가위를 이용한 유전정보 편집은 유전자기능연구의 보편적 도구로 발전할 것”이라고 예측하며 “국내외 연구자들이 인간세포 및 동식물에서 자유로운 유전정보 편집을 수행할 수 있도록 유전자가위를 공급할 것”이라고 전했습니다.

한편, 이번 연구는 네이처 자매지 Nature Biotechnology 온라인판(2월 17일자)에 게재되었습니다. (논문명: A library of TAL effector nucleases spanning the human genome) 

자료 _ 교육과학기술부 보도자료

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

과학 글쓰기와 프레젠테이션 기술을 배우고 싶다면?

"You do not really understand something unless you can explain it to your grandmother."
 여러분이 알고 있는 것을 여러분의 할머니께서 이해할 수 있도록 (쉽게) 설명하지 못하면, 여러분은 그것을 진정으로 아는 것이 아닙니다.
-알버트 아인슈타인-

아시아태평양 이론물리센터(APCTP)에서 과학지식을 기초로 논리적인 글쓰기 및 프레젠테이션에 능숙한 미래의 과학자를 양성하기 위한 『제12기 APCTP 과학커뮤니케이션 겨울학교』가 개최됩니다.

아시아태평양 이론물리센터는 어떤 곳일까?


첨단 연구 수행과 모든 이론물리학 분야의 젊은 과학자 연수 및 아시아태평양 지역에 있는 회원국과 그 외 지역의 물리학자들 사이의 국제협력 증진을 목표로 하는 국제 비정부 기구이다. 현재 호주, 중국, 일본, 한국, 말레이시아, 대만 등 14개국이 가입되어 있다.

이번 행사는 과학기술에 대한 기초지식을 겸비하고 과학적·문화적 상상력이 풍부하며, 과학지식을 기초로 논리적인 글쓰기 및 프레젠테이션에 능숙한 과학자를 양성하고, 학생들이나 과학도들에게 체계적인 글쓰기 교육 프로그램을 통해 연구 활동이나 논문 저술활동의 질적 성장을 도모하며, 대중을 위한 과학 글쓰기의 중요성을 확산하는데 목적을 두고 있습니다. 

행사는 ‘신은 주사위를 던지는가?’라는 주제로 오는 2월 4일(월)부터 6일(수)까지 APCTP 포항본부(경북 포항 포스텍 내 소재)에서 실시되는데요, 선정된 참가자는 참가비 전액 지원 및 스쿨기간(2박 3일간) 숙식 제공, 본 프로그램을 수료한 학생에게는 센터 소장 명의의 수료증 수여, 스쿨 중 개최되는 과학 글쓰기 및 프레젠테이션 대회에 입상할 경우 상장 및 부상 수여 등의 혜택이 제공됩니다.

전국 이공계 대학생 및 대학원생을 대상으로 하는 이번 행사의 신청홈페이지의 참가신청서를 작성하여 이메일(sc@apctp.org)로 제출하시면 됩니다. 1차 접수마감은 오는 8일(화)까지이며, 최종 접수마감은 15일(화)까지입니다.

1차 접수 시 모든 참가자 선발이 완료될 경우 2차 접수는 받지 않을 수 있다는 점, 기억하시고요~!!

선발된 사람은 18일(금)에 홈페이지를 통해 공고될 예정입니다.

문의: 054) 279-8662 / sc@apctp.org
홈페이지: http://www.apctp.org/myboard/list.php?Board=school&CookWWW1106_ENGKOR=KOR

 

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IT+BT 융합 연구 결실
식품 독소·질병 조기진단 위한 바이오센서 칩 및 자동검출 시스템 개발

- 다종 검사체를 반도체칩 하나로 진단 및 검출
- 음식물·혈액 한방울로 집에서도 초간편·초고속 진단 가능
- 혈구·혈장 분리 가능한 ‘혈액 전처리 칩’도 함께 개발

혈액 한방울로 30초만에 암을 진단할 수 있다면? 미래에서나 가능할 것 같은 기술이 실제로 개발되었습니다.

한번에 다양한 식품 독소나 질병을 조기에 검진할 수 있는 초간편, 초고속의 분석기기의 핵심기술이 국내연구진에 의해 개발됐는데요, ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남)는 세계 최초로 다종의 식품 독소나 암 진단을 위한 마커(marker)를 반도체칩 하나로 검출할 수 있는 ‘다중 검사 바이오센서 칩 및 자동 검출 시스템’을 개발했다고 5일 밝혔습니다.

[그림1]바이오센서 칩 및 자동 검출 시스템 개요도


이번에 개발한 기술은 거대전하(물체가 띠고 있는 정전기의 양) 나노입자를 이용무전하/저분자의 검출용 시그널 증폭기술반도체 CMOS(상보형금속산화반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)로 소비 전력이 매우 적다는 이점을 가지며 휴대용 계산기, 전자시계, 소형 컴퓨터 등에 널리 활용) 기술을 이용한 것으로, 그동안 바이오 칩의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되었던 신뢰성을 개선하기 위한 노력이 돋보인 기술입니다.

무엇보다 반도체의 고집적 기술을 활용하여 100개의 나노센서로부터 측정된 값들을 통계적으로 처리함으로써 재현성과 수율(transport number-전해질 용액에 전류를 통하면 음 이온은 양극으로, 양 이온은 음극을 향해서 이동하여 양 이온으로 전기를 운반하는 데 이 때의 양쪽 이온이 전기를 운반하는 분담 비율)을 현저히 높이고, 이를 통해 진단의 정확도를 향상시켰습니다.

[그림2] 바이오센서 칩 및 자동 검출 시스템 기술 구성도

뿐만 아니라 ETRI 연구팀은 현장진단용 초고속 혈액 전처리칩도 함께 개발했다고 밝혔는데요, 이 칩을 이용하면 일반인 누구나 의료진의 도움 없이 30초 이내에 전자동으로 혈액 한 두 방울에서 혈구와 혈장을 분리할 수 있고, 이를 통해 간편하고 신속하게 혈액 진단검사를 할 수 있게 됩니다.

참고로, 일반적으로 혈액을 이용한 진단검사를 하려면 혈구와 혈장을 분리하는 기술이 요구된다고 하네요.

이번 연구성과로 식품 독소 및 암 질병 조기 진단이 한층 간편하고 쉬워질 전망입니다. 식품 독소 분석은 주로 시료 준비에 장시간이 소요되고 고가장비와 숙련된 전문가에 의해서만 이루어져 왔지만 앞으로는 일반인들도 쉽게 휴대형 바이오 칩을 통해 식품 독소를 감지할 수 있어, 검역소뿐 아니라 요식업소, 급식소 및 일반 가정에서도 식품안전성의 현장 검사기로 활용이 가능할 것으로 보입니다.

[그림3] 현장진단용 초고속 혈액 전처리칩

또한 이번 개발은 현장진단용 의료기기 시장에서도 상당한 파급력을 가질 것으로 보입니다. 이번 기술 개발로 로슈(Roche), 지멘스(Simens), 애보트(Abbott) 등 글로벌 기업들이 장악하고 있는 현장진단용 의료기기 시장에서 국산기술을 이용한 국내기업들의 제품 출시가 봇물을 이루고 시장 점유율을 높일 것으로 예상됩니다.

[그림4] 소형 자동화 검출 시스템(바이오센서 칩 확대 모습)

이번 ETRI의 성과는, 반도체기술, 나노바이오기술, 바이오멤스기술 등을 융합함으로서 반도체칩 하나로 복잡한 진단검사를 정확하게 수행할 수 있다는 점에서 식품위생서비스, 의료서비스는 물론 반도체 시장에도 새로운 성장동력을 제공할 수 있을 것입니다.

ETRI는 이번 기술의 조기 상용화를 위해 바이오센서, 의료진단기기 업체 등에 기술이전을 추진 중에 있는데요, 산업체로의 기술이전이 완료될 경우 2년 이내에 관련 시장에 제품이 출시될 수 있을 것으로 내다보고 있으니 실생활에서 접하게 될 날도 머지 않을 것으로 보입니다.

[그림5] 소형 자동화 검출 시스템


 출처 : 한국전자통신연구원 보도자료

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우리 기술로 만든 슈퍼컴퓨터 ‘천둥’ 세계 278위 등극
- 세계 500위권에 포함된 국내 4대 슈퍼컴퓨터 중 우리 기술은 천둥이 유일-


기존의 슈퍼컴퓨터에 비해 구축비용과 전력소모를 획기적으로 줄인 슈퍼컴퓨터 ‘천둥’이 국내 연구진에 의해 개발되었다고 합니다! 지난 11월 12일 미국 솔트레이크 시티에서 개최된 ‘2012 슈퍼컴퓨팅학술대회(SC)’에서 뽑은 세계 500위권 슈퍼컴퓨터 톱 500에서 천둥은 당당히 278위를 차지하였습니다.(http://top500.org)

슈퍼컴퓨터 천둥

사실 국내에서 톱500에 포함된 슈퍼컴퓨터는 기상청의 해온, 해담(77위, 78위), 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 타키온 II(89위) 등 총 4대이지만, ‘천둥’을 제외하고는 모두 외국에서 들여온 것이었기에 이번 결과는 더욱 의미 있는 성과라 할 수 있습니다.

일반적으로 슈퍼컴퓨터의 계산 속도를 평가하는데 사용하는 프로그램 ‘린팩 벤치마크’에 연구팀의 소프트웨어 최적화 기술을 적용하고 실행하여 측정한 천둥의 계산 속도는 106.8테라플롭스(TFLOPS)에 이른다고 합니다. 여기서 FLOPS(floating-point operations per second)란 컴퓨터 성능의 단위로, 초당 몇 회의 배정도(倍精度) 실수 연산을 수행할 수 있는지를 알려주는 척도(TFLOPS – 초당 1012회)입니다. 106.8테라플롭스(TFLOPS)는 초당 106.8조 번의 실수 연산을 수행할 수 있음을 의미하는 것이죠.

국내 슈퍼컴퓨터 비교


만일 천둥의 규모를 3배로 키운다면, 기상청의 해담과 해온, KISTI의 타키온 II와 같은 수준의 성능을 달성할 수 있고, 구축비용도 절반 이하로 줄일 수 있습니다. 천둥의 노드 당 계산 속도는 1.907테라플롭스로, 톱500에 올라간 클러스터 구조의 슈퍼컴퓨터 중 2번째로 빠르고, 특히 GPGPU* 기술을 사용한 슈퍼컴퓨터 중에서는 가장 빠릅니다. 천둥은 다른 슈퍼컴퓨터들에 비해 적은 수의 노드를 사용해도 같은 성능을 낼 수 있어 구축비용이 절반 이하로 크게 절감되고, 차지하는 공간과 전력소모도 현저히 줄어들게 됩니다.

*GPGPU(General Purpose computing on GPU) : 고성능 컴퓨팅을 위해 GPU를 그래픽 처리 대신 일반적인 계산을 위해 사용하는 기술. 많은 계산을 한꺼번에 수행할 수 있어 기존의 CPU보다 계산 속도가 빠르고 계산량에 비해 전력소모가 상대적으로 적은 장점이 있다.

또한 천둥은 시중에서 흔히 구할 수 있는 부품(CPU, GPU, 메모리, 마더보드, 인피니밴드 네트워크)과 연구팀이 자체 설계한 냉각 시스템을 이용해 제작되었기 때문에, 이는 곧 시중에서 흔히 구할 수 있는 기성부품과 소프트웨어 기술을 통해 구축비용이 낮고 전력효율이 좋은 슈퍼컴퓨터를 국내에서 자체 개발할 수 있음을 입증한 것이라 할 수 있습니다. 향후 더 많은 수의 노드를 사용하고 연구팀이 개발한 소프트웨어 기술을 접목하면 최상위권의 슈퍼컴퓨터 역시 저비용, 고성능으로 구축이 가능할 것이라 예상되는 것도 무리가 아닌 것이죠.

천둥의 온도 모니터링 화면

최근의 슈퍼컴퓨터는 대부분 여러 대의 컴퓨터(‘노드’라 부름)를 빠른 속도의 네트워크로 연결한 클러스터 구조로 만들어진다. 천둥은 각 노드에 4개의 그래픽 처리장치(GPU)를 장착하고 자체 개발한 소프트웨어 최적화 기술을 적용하여 이들 GPU를 효율적으로 일반적인 계산에 사용하여 한 노드에서 많은 양의 계산을 한꺼번에 처리할 수 있도록 하였습니다.

노드 당 성능이 높아짐에 따라 전력효율도 크게 높아졌습니다. 천둥의 전력효율은 와트당 약 1870메가플롭스(MFLOPS)로 지난 6월에 발표된 Green500 리스트*에서 세계 21위에 해당하는 수준이며, 오는 14일에 새로 발표되는 Green500 리스트에서도 상위권에 포함될 것으로 예상됩니다.

*Green500 리스트는 세계 500위 슈퍼컴퓨터들을 전력효율에 따라 순위를 매긴 리스트로, 매년 6월과 11월에 발표됩니다. http://green500.org/

Top500 리스트 10위권 슈퍼컴퓨터 비교


이러한 성과의 중심에는 서울대 이재진 교수(46세)가 있습니다. 이재진 교수 연구팀은 천둥의 설계를 바탕으로 국산 고성능 클러스터 시스템을 상용화할 계획이라고 밝혔습니다.

이재진 교수는 “그간 우리나라의 슈퍼컴퓨터 연구개발은 톱500에서 돌아가며 1위를 하고 있는 미국․일본, 중국 등의 슈퍼컴퓨터 강국들에 비해 매우 뒤쳐져 있었지만, 이번 연구를 통해 국내에서도 소프트웨어 기술을 바탕으로 비용과 성능, 전력효율 측면에서 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터를 자체 개발할 수 있음을 확인했다”며, “슈퍼컴퓨터 기술은 IT 분야의 원천기술, 타 과학기술분야의 기반기술이 되고, 국가안보와 재난상황대처에 밀접한 연관이 있는 만큼 국가적 차원에서 독자적인 세계 최상위권 슈퍼컴퓨터 연구개발이 필요하다”고 연구의의와 향후 과제를 밝혔습니다.

출처 : 교육과학기술부 보도자료

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벌침(봉독), 류머티즘관절염뿐만 아니라 파킨슨병에도 효과가 있다고?
- ‘뇌행동면역학’지 발표,“면역조절에 의한 뇌신경파괴 막아, 파킨슨병 치료 가능”


류머티즘관절염 등 다양한 염증질환을 치료하는데 사용되는 봉독이 파킨슨병에도 효과가 있다는 사실이 국내 연구진에 의해 밝혀졌습니다. 그 주인공은 바로 경희대 한의대 배현수 교수인데요, 배현수 교수가 주도한 이번 연구는 면역할 분야의 권위 있는 학술지인 ‘뇌행동면역학(Brain, Behavior, and Immunity)’지 11월호(11월 1일자)에 게재될 정도로 주목받고 있습니다.(논문명: Neuro-protective effects of bee venom by suppression of neuroinflammatory responses in a mouse model of Parkinson‘s disease: role of regulatory T cells)

배현수 교수(오른쪽)와 박사과정학생들이 면역세포 분석을 위해 실험하고 있는 모습이다.

파킨슨병(Parkinson’s disease; PD)은 60세 이상의 노년층의 약 1%가 앓는 것으로 조사된 대표적인 노인성 질환으로 퇴행성 뇌질환의 일종입니다. 뇌의 흑질에 분포된 도파민성 신경세포가 점차 소실되기 때문에 떨림이나 경직, 운동느림(완만), 자세 불안정 등이 나타난다고 하는데요, 여기서 흑질(substantia nigra)이란 중뇌의 앞부분에 적핵(red cucleus)이라는 큰 핵과 함께 있는 검은색을 띤 뉴런으로 이곳에 이상이 생기면 파킨슨병에 걸리게 됩니다. 일전에도 블로그에서 다룬 적이 있는 도파민(dopamine)은 신경전달물질의 하나로, 뇌신경세포의 흥분전달 역할을 합니다.

☞ 함께 읽기 : 신이 선사한 마약, 도파민 (http://nstckorea.tistory.com/116)

배현수 교수 연구팀은 파킨슨병이 뇌 자체의 문제라기보다는 면역체계가 교란되면 발생한다는 가설을 세우고, 면역을 조절하여 파킨슨병을 치료하는 약물을 찾고자 시도하였습니다.
중추신경계는 뇌혈관장벽이라는 특수한 구조로 혈액 속의 면역세포들이 자유자재로 출입할 수 없다는 것이 기존 의과학계의 정설이었는데요, 최근에는 다양한 면역세포들이 인체의 뇌에 자유롭게 침입하여 신경염증반응 조절에 중요한 역할을 한다는 연구 성과가 속속 발표되고 있습니다.

봉독 투여에 의해 혈액 내 조절T세포가 증가하였으며, 면역반응 억제 기능이 유지되고 있음을 보여주고 있다.

특히 면역세포 중에서 조절T세포가 파킨슨병의 발생과 악화를 감소시킨다는 사실이 확인되면서, 연구팀은 조절T세포를 증강하면 뇌질환을 치료할 수 있다는 사실에 주목하였고, 연구팀이 200여종의 한약재를 일일이 탐색한 결과, 꿀벌에서 분리된 봉독이 조절T세포를 증강시키는데 탁월한 효능이 있다는 사실을 확인하였습니다.

MPTP에 의해 유도된 파킨슨병 동물모델에서 봉독 투여에 의해 도파민성 신경세포의 사멸이 감소되었다.

MPTP에 의해 유도된 파킨슨병 동물모델에서 봉독 투여에 의해 소신경교세포의 활성화가 억제되었으며, 활성화된 소신경교세포 주변으로 침윤된 활성T세포의 수가 감소되었음을 보여주고 있다.


파킨슨병에 걸린 동물에 봉독을 넣으면, 파킨슨병에 의해 소실된 도파민성 신경세포의 사멸이 효과적으로 보호되었고, 도파민성 신경세포를 없애는 소신경교세포(마이크로글리아)의 활성도 억제
되었습니다. 또한 연구팀은 봉독이 조절T세포의 증강을 통하여 파킨슨병 치료효과를 보이는지 확인하기 위하여 조절T세포를 제거한 동물로 파킨슨병 동물모델을 제작하여 봉독을 투여하였습니다. 그 결과, 조절T세포가 제거된 동물에서는 봉독 처리에 의한 뇌염증반응 감소 및 침윤된 CD4+ T세포 감소가 관찰되지 않았으며, 도파민 신경세포 사멸 방지 효과도 나타나지 않은 사실을 확인하였습니다.

조절T세포가 제거된 파킨슨병 동물모델에서는 봉독의 치료효과가 나타나지 않았는데, 이는 봉독이 조절T세포의 증강을 통하여 파킨슨병에 치료효과를 가진다는 것을 보여 주는 것이다.

배현수 교수는 이번 연구에 대해 “이번 연구는 뇌질환을 면역조절로 치유할 수 있다는 가설을 확인한 것으로, 특히 한의학에서 오랫동안 안전하게 사용되어온 봉독이 면역조절물질이라는 점에서 더욱 의미가 크다. 앞으로 봉독의 어떠한 성분이 면역조절에 주도적인 역할을 하는지를 밝혀낸다면, 더욱 효능이 뛰어난 파킨슨병 치료제를 개발할 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구의의를 밝혔습니다.


봉독의 효과! 배현수 교수가 밝혔듯이 사실 봉독은 한의학에서 오랫동안 안전하게 사용되어오고 있기 때문에 뇌질환을 치료할 수 있는 면역조절 물질이 봉독이라는 것은 더 큰 의미가 있다고 할 수 있겠습니다. 앞으로 봉독 외에도 다양한 면역조절 천연물을 통해서 새로운 뇌질환 치료제 개발 분야가 더욱 발전하길 기대해보겠습니다.

자료 : 교육과학기술부 보도자료

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차세대 액정 디스플레이 개발 가능성 열리다!


경희대학교 최석원 교수
(41세)와 김민준 석사생이 주도한 연구로 고속 응답의 차세대 고성능 액정 디스플레이(LCD) 개발 가능성이 새로운 전환점을 갖게 됐습니다. 영국왕립화학회의 권위 있는 학술지인 ‘Chemical Communications’지 최신호(9월 14일)에 내부 표지논문으로 발표된 이번 연구는 기존의 액정에 비해 넓은 온도범위(25도 이상)에서 매우 안정적으로 발현되며, 기존 액정보다 반응속도도 최대 1000배이고 생산 공정도 단축할 수 있는 3차원 나노구조 액정으로 변환시키는 기술입니다.

Chemical Communications에 실린 내부표지 사진 (자외선 빛에 노출되어 유도된 3차원 나노 구조를 가진 액정상의 현미경 사진 모식도)


      (논문명 : Photoisomerization-induced stable Liquid Crystalline Cubic Blue Phase)

LCD(Liquid Crystal Display)는 액체와 고체의 중간상인 액정의 전기적‧광학적 성질을 이용한 표시소자인데요, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정과 같이 규칙적으로 배열된 것으로, 이 분자배열이 외부전계(電界)에 의해 변하는 광학적 성질을 이용하여 표시소자로 만든 것이 바로 LCD입니다.

1888년 처음 발견된 액정은 1968년 디스플레이에 응용되면서, 현재 스마트폰, 노트북PC, 모니터, TV 등에 다양하게 활용되고 있습니다. 특히 LCD 산업은 우리나라가 세계를 선도하는 주요 산업 기술 중 하나라는 점에서 의미가 깊죠.

최근에는 국내외적으로 LCD산업의 경쟁력을 강화하기 위해, 화질이 더욱 선명하면서도 신속하게 반응하는 LCD를 구현하고자 집중적인 연구가 진행되고 있는데요, 현재 이것을 가능하게 하는 차세대 핵심재료로서 ‘광학 등방 액정재료*’가 주목 받고 있습니다. 그러나 지금까지 이 액정재료는 1~2도 정도의 극히 짧은 온도범위에서만 구현된다는 온도 범위의 제약으로 응용에 있어 단점으로 지적되어 왔습니다. 

 * 광학 등방 액정 : 액정 재료의 분자간의 상관거리가 가시광의 파장보다 작은 액정으로, 이 액정재료가 있으면 별도의 분자정렬 공정과정이 필요 없음

사용된액정재료의분자식


최석원 교수 연구팀은 우선 액정상(液晶相)을 나타내는 굽은 형태 분자 (BC1)에, 광반응성 반응기를 도입한 새로운 형태의 액정 재료 (BC2)를 혼합한 후, Chiral dopant를 혼합계에 도입시켜, 단일 나선구조를 가지는 콜레스테릭 액정상을 발현시키고 365nm의 자외선을 쬐어 기존의 액정을 25도 이상의 넓은 온도 범위에서 별도의 분자정렬 공정 없이 3차원 나노구조 액정으로 변환시키는데 성공하였습니다.

이로써 액정 혼합물에 ‘빛에 의해 분자의 형태가 변하는 분자(광응답성 분자**)’를 혼합한 후, 자외선을 쬐어 분자의 형태를 변화시켜(광이성질체화***), 분자 간에 서로 섞이지 않는 현상(상 분리)을 이용하면, 스스로 별도의 분자정렬 공정이 필요 없는 3차원 나노구조 액정을 만들 수 있다는 사실을 밝혀낸 것입니다.

 ** 광응답성 분자 : 빛에 의해 물성과 기능이 가역적으로 변하는 분자
*** 광이성질체화 : 분자가 빛을 흡수하여 들뜬상태를 거쳐 이성질체화를 일으키는 현상

특히 기존의 연구결과에서는 별도의 분자정렬 공정이 필요 없는 3차원 나노구조 액정으로 변환된 후, 가시광선이나 열처리로 원래의 액정으로 되돌아갔지만, 이번 연구에서는 분자 간에 서로 섞이지 않는 현상(상 분리) 기술을 이용해 원래 상태로 되돌아가지 않고 안정된 상태를 유지한다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있습니다.

3차원적으로 나노 구조를 가지는 액정상의 발현 온도 범위


이번 연구를 주도한 최석원 교수는 “이번 연구를 통해 자발적으로 3차원 나노구조를 갖는 차세대 핵심재료를 개발함에 따라, 국내 디스플레이 분야에서 새로운 경쟁력을 확보하고 차세대 디스플레이 개발에 밑거름이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 전했습니다.

이번 연구에 참여한 연구원의 실험 모습 (현미경을 보고 있는 김민준 석사과정, 왼쪽에 박경원 석사과정, 최석원 교수 및 허성택 박사과정)

놀라운 산업적 파급효과가 기대되는 고속 응답의 차세대 고성능 액정 디스플레이! 이제 그 모습을 보게 될 날도 머지않아 보입니다.

자료 | 교육과학기술부 보도자료

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건강기능식품 크레아틴, 우울증 부가 치료에도 효과적!

근력운동의 건강보조식품으로 널리 사용되고 있는 ‘크레아틴’이 기존의 우울증 치료제에 병행하여 치료할 경우, 치료효과를 현저히 증가시키는 사실이 국내 연구진에 의해 규명됐습니다.

우울증은 연령이나 성별과 관계없이 나타나며, 일시적인 우울감과는 다르고 개인적인 의지로 없앨 수 없는 질병인데요, 특히 세로토닌과 같은 신경전달물질의 변화가 감정조절에 영항을 주는 것이 우울증의 중요한 생화학적 요인으로 알려져 있습니다.

현재 우울증 치료제는 신경전달물질의 흡수를 조절하는 SSRI(Selective serotonin reuptake inhibitor) 계열의 약물을 가장 많이 사용하고 있으며 실제 이 계열의 약물들이 대다수 우울증 환자들의 증상완화에도 기여해 왔으나, 효과를 보는 데 시간이 많이 소요된다는 점과 치료저항성 우울증 환자가 상당수 존재한다는 점 때문에 우울증 치료제로서의 만족도는 높지 않았습니다.

그렇기 때문에 이번 연구결과는 더욱 의미가 있다고 할 수 있는데요, 이번 연구를 수행한 ‘21세기프론티어 뇌프론티사업단’의 서울대 류인균(48) 교수와 카톨릭의대 윤수정, 김태석 공동 연구팀은 근육세포 및 뇌세포에서 에너지 대사를 촉진시키는 역할을 하는 크레아틴(간이나 신장에서 합성되는 질소 유기산)이 뇌 에너지 대사에 도움을 줄 것으로 가정하고 우울증 치료제와 병행 치료시의 효과를 중점적으로 연구하였습니다.

연구방법우울증상을 보이는 19~65세 사이의 여성 52명을 무작위로 두 그룹으로 나누어, 한 그룹은 SSRI계열의 항우울제인 에스시탈로프람과 크레아틴(5g/day)을, 다른 그룹은 같은 항우울제와 위약(약리학적으로는 효과가 없으나 냄새, 모양 등이 같은 물질)을 추가 투여하는 방식으로 진행됐으며, 플라시보 효과(위약효과)의 영향을 배제하기 위해 피실험자와 평가자가 위약이 투여되었는지, 크레아틴이 투여되었는지 모르게 진행됐습니다.

크레아틴 추가 그룹(파란색)이 위약 추가 그룹(빨간색)에 비하여 2주, 4주, 8주의 해밀턴 우울증상 평가 척도 상의 변화에 있어서 우월한 치료 효과를 보임.


과연 실험 결과는 어땠을까요? 실험 결과 항우울제에 크레아틴을 추가 복용한 환자들은 항우울제 단독복용 시보다 우울증 치료에 약 2주 이상 시간이 단축된 것을 확인할 수 있었습니다. 또한 최종평가 시점인 복용 8주 후에는 크레아틴 추가복용 그룹의 절반(52.0%) 이상에서 우울증 치료가 관찰된 데 반해, 항우울제 단독 복용 그룹에서는 25.9%의 환자에서 치료효과를 보이는 데 그쳐 크레아틴 추가를 통해 기존 항우울제의 효과를 뚜렷이 개선시킬 수 있음이 확인되었습니다.

한편, 약물 부작용에 있어서 두 그룹 간에 유의한 차이는 없었으며, 크레아틴의 사용과 관련한 부작용으로 추정되는 증상은 관찰되지 않았는데요, 류인균 교수는 “이번 연구는 건강기능식품인 크레아틴을 이용하여, 기존 항우울제의 중요한 제한점을 극복할 수 있는 방안을 찾았다는 데 의미가 있으며, 크레아틴이 고가의 약물이 아니라 천연물이라는 점에서 향후 가져올 수 있는 의료․경제학적 파급효과가 상당할 것으로 기대한다.”고 전했습니다.

연구팀은 향후 뇌영상 연구를 통해 크레아틴의 뇌세포에서의 작용 기전을 밝히고 이 원리를 기반으로 조울증 등 다른 기분 장애의 치료에도 사용 가능성을 확인할 예정이라고 하니, 기분 장애 치료제로서의 효과 역시 기대해보아도 좋을 것 같습니다.

출처 | 교육과학기술부 보도자료

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※ 제1회 핵융합에너지 홍보 콘텐츠 공모전 신청서는 아래 파일을 다운 받으시면 됩니다~^^


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발사 2주년 맞은 천리안, 순조롭게 임무 수행 중!
- 매일 기상영상 170여장, 해양영상 8장 지상으로 전송 -


지난 6월 27일! 국내에서 개발된 최초의 정지궤도 실용위성인 천리안이 발사 2주년을 맞이하였습니다! 현재 천리안은 안정적으로 임무를 수행하고 있는데요, 천리안은 기상영상과 해양영상을 촬영할 수 있는 두 대의 고성능 카메라와 국산화에 성공한 광대역 방송통신 중계기를 탑재한 정지궤도 위성으로, 2003년부터 7년의 개발기간을 거쳐 2010년에 발사되었습니다. 이로써 우리나라는 세계 7번째 독자 기상위성 보유국, 세계 최초 정지궤도 해양위성 보유국, 세계 10번째 통신위성 자체 개발국의 지위를 확보하게 된것이죠.

천리안은 발사 이후 목표 위치인 동경 128.2도, 고도 35,800킬로미터 적도 상공에 성공적으로 안착하여, 약 7개월의 운용시험 기간을 거친 후 지난 해 4월부터 기상/해양영상 서비스 및 방송통신서비스를 원활히 제공해오고 있는데요, 한국항공우주연구원에서는 1년 365일 천리안의 위성상태 및 궤도상태를 감시하며 각 기관에서 위성영상을 활용할 수 있도록 위성에 촬영임무명령을 송신하고 있습니다. 이 명령에 따라 천리안은 매일 170여장의 기상영상과 8장의 해양영상을 촬영하여 지상으로 전송하고 있고요.

2011년 제5호 메아리(MEARI)

2011년 제9호 무이파(MUIFA)



또, 기상청 국가기상위성센터에서는 천리안으로부터 받은 기상영상을 지난 2년간 국민 생활에 필수적인 일기예보에 활용하고 국내․외 유관기관에서 활용할 수 있도록 실시간 방송중인데요, 이에 따라 단시간에 발생하는 돌발성 호우나 한반도에 접근하는 태풍의 감시 및 분석능력이 강화되었으며, 항공, 농업, 해양 등 각 분야의 요구사항에 맞는 특화된 형태의 자료를 군기관, 방송국, 재난안전기관 등 19개 유관기관에 제공하여 활용하고 있습니다.

또한 5개국 해외 기상청 등에서 자체적으로 천리안 기상영상 수신시스템을 구축하여 활용하고 있고, 한국국제협력단(KOICA)과 협력하여 스리랑카 기상청에 천리안 기상영상 수신시스템을 지원하여 아시아 태평양지역 기상위성 활용 리더쉽 강화에 힘쓰고 있습니다.

좌측에서부터 한반도 주변 엽록소 분포(‘11.4), 백령도 유빙(‘12.02), 서해안으로 퍼진 녹조(‘11.07)


한편, 국토해양부와 한국해양연구원 해양위성센터에서는 천리안으로부터 실시간 자료를 수신한 후 해양위성자료 활용 극대화를 위해 신뢰성 있는 분석 자료를 생산하고, 한반도 연안 해양환경 감시 및 연구 등에 활용 중인데요, 정지궤도 해양위성 종주국으로써 NASA, ESA, JAXA를 비롯한 세계 39개국의 사용자에게 다양한 자료를 제공하고 검·보정 표준화 및 활용 신기술 개발 연구를 추진하며, 세계 최초로 독자 개발한 천리안 해양자료처리시스템(S/W)을 제공하여 국내외 연구자들이 활발한 연구를 수행하도록 지원하고 있습니다.

해양재해 발견 시에는 국립해양조사원, 해경, 해군 등 관련기관에 즉시 통보하여 자연 재해/재난에 조기 대응하도록 하고 있으며, 향후 해양위성자료의 현업 활용을 강화하기 위해 수치모델과 연계하여 어장정보, 해양이변 감시 등 실생활에 필요한 해양예측자료를 생산할 예정입니다.

여수EXPO 주제관(좌),해양베스트관(우)에 전시된 천리안 해양관측위성


방송통신위원회와 ETRI는 순수 국내기술로 개발된 천리안 통신 탑재체를 활용하여 그동안 이용되지 않았던 Ka대역(상향 29.6∼30㎓, 하향 19.8∼20.2㎓)의 주파수 이용 및 전송기술 검증시험을 2년에 걸쳐 실시해오고 있습니다. 

정부부처, 공공기관, 산업체, 대학 등 8개 기관을 통한 기술검증 결과, 강우에 따른 전파신호 감쇠정도, 기상정보 및 재난 재해 정보전달, 영상정보 전달 등에서 만족할 만한 결과를 얻고 있는데요, 방통위와 ETRI는 천리안 발사 2주년을 기념하는 워크숍을 6월 27일 국내 위성 전문가, 일반인 등 100여 명을 대상으로 국립전파연구원(서울, 용산, 원효로 소재)에서 개최하여 천리안 통신 위성 활용 현황, 공공서비스 활용결과와 기술검증 활용결과를 발표하였습니다.
  ※ 활용기관(8): 소방방재청, 기상청, KBS, 스카이라이프, KT, 한세, 나노트로닉스, 넷커스터마이즈

천리안은 앞으로 남은 5년의 임무수명 동안 한반도 상공을 지키며 국내 기상/해양관측, 통신서비스를 지속적으로 수행할 예정입니다.

천리안의 수명이 종료되는 2017년 이후의 후속 임무 수행을 위해 교육과학기술부를 비롯해 국토해양부, 환경부, 기상청이 공동으로 기상, 해양, 환경관측을 위한 정지궤도복합위성을 개발 중에 있습니다. 이번 개발은 천리안 개발로 확보된 기술을 바탕으로 국내 주도로 개발하고 있으며, 기상예보 정확도 제고, 해양․환경 감시, 기후변화 및 재난재해 대응 등 국민 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대하고 있습니다.


□ 개요
○ 국내에서 최초로 개발한 2,500kg급 정지궤도위성(임무수명 : 7년)
- 궤도 : 36,000km 적도궤도/한반도 상공(동경 128.2도)
- 임무 : 기상/해양 관측, 통신탑재체 우주인증 및 공공통신
- 개발기간/예산 : 2003~2010/3,548.8억원
- 발사 : 2010.6.27(꾸르 발사장)
※ 정지궤도위성 : 지구 적도 상공 36,000km에서 지구 자전 속도와 동일한 속도로 지구 주위를 공전하므로 동일 지역의 실시간 관측과 통신 용도에 적합


출처 : 교육과학기술부 보도자료

 

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우울증 조절 유전자 기능 밝혀졌다!
한양대 손현 교수팀, 연구결과 PNAS 게재


마음의 감기 ‘우울증’. 우울증은 현대인의 대표적인 질병으로, 국내에서만 130만 명 정도 앓고 있다고 알려져 있는데요, 실제 가벼운 우울증은 정신 질환이 아니라는 정부 발표가 나올 정도로 흔한 질병으로 여기고 있습니다.

이러한 우울증은 연령과 성별의 차이 없이 널리 퍼져있는 정신병으로, 만성 질환으로 진행될 수 있습니다. 지금까지 뇌의 해마*에 있는 신경세포의 기능과 구조가 위축되면 우울증이 생기는 것으로 알려져 왔으나 이러한 현상이 어떻게 우울증과 관련되는지, 우울증 치료제는 어떻게 약효를 나타내는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없었습니다.

   * 해마 : 대뇌 겉질 밑에 존재하며 학습과 기억에 관여

하지만 최근 ‘21세기프론티어 뇌프론티사업단의 한양대학교 손현(49) 교수팀이 '뉴리틴 (neuritin)'이라는 유전자가 우울증에 관여함을 밝혀낸 것으로 전해졌습니다!

손현 교수팀은 흰쥐의 우울증 모델을 대상으로 지난 4년간 행동 유형을 비롯한 분자기전을 연구한 결과 뇌의 해마 신경세포에서 ‘뉴리틴’이라는 유전자가 우울증에 관여한다는 사실을 밝혀냈습니다.


그림 1. 만성스트레스 (CUS)에 의해서 해마영역의 뉴리틴 유전자 발현 감소
사진은 만성스트레스를 경험하여 우울증이 유발된 흰쥐 대뇌에서 뉴리틴 유전자의 발현을 관찰한 결과이다. 스트레스를 받지 않은 흰쥐의 뇌와 비교하였을때 스트레스를 받으면 해마의 치상 (화살표)에서 뉴리틴 발현 이 감소하나 만성 스트레스를 받는 흰쥐에게 같은 기간동안 우울증 치료제인 fluoxetine (prozac)을 투여하면 다시 뉴리틴 발현이 정상과 비슷하게 회복된다.

우선 연구팀은 뉴리틴이 신경돌기(neurite)*의 성장을 촉진시키는 기능이 있다는 사실에 착안하여 뉴리틴이 부족하면 우울증이 유발되고, 많이 만들어지면 우울증이 완화된다는 가설을 세우고 연구에 착수했습니다.

   * 신경돌기 : 신경세포에서 자극을 수용하고, 자극을 전하는 돌기

연구팀이 흰쥐에 만성 스트레스로 우울증을 유발시킨 후 해부학적으로 검사한 결과! 뉴리틴 유전자가 감소한 것을 확인하였으며, 우울증이 유발된 흰쥐에 우울증 치료제인 fluoxetine을 투여한 후 뉴리틴 발현이 정상과 비슷하게 회복됨을 밝혀냈습니다.


그림 2. 뉴리틴을 과발현하는 신경세포의 분화
사진은 해마 신경세포에 뉴리틴 (AAV-Nrn)을 인위적으로 많이 발현하도록 조절하면 신경돌기의 발달이 증가함을 볼 수 있다.

또한 유전자 발현기술을 이용하여 흰쥐의 해마에서 뉴리틴 발현을 증가시킨 결과 신경돌기의 발달과 시냅스* 돌기 밀도가 증가하면서 우울증이 완화되는 것을 행동검사를 통해 확인하였습니다.

   * 신경세포에서 다른 신경세포로 신호를 전달하는 연결지점

이러한 연구결과는 뉴리틴이 우울증 치료 효과를 나타내는데 중요한 단백질임을 과학적으로 규명한 것으로 신경기능과 정신질환 연구 분야에서 주목받을 성과로 평가받고 있는데요, 이에 대해 손현 교수는 “신경세포의 활성도에 의해 발현이 증가하는 뉴리틴이 우울증에 관여하고 있음을 밝혀 신경활성도와 우울증이 연계되어 있다는 새로운 연결고리를 찾아냈다는 점에서 의미가 크다.”고 연구의 의의를 밝혔습니다.



그림 3. 뉴리틴 과발현에 의한 우울증 행동 완화
좌측은 우울증을 검사하는 행동검사중 강제 수영검사 (좌)와 무쾌감증을 검사하는 설탕물 선호도 검사 (우)를 나타내는 사진이다.  강제 수영 검사에서 움직임이 없는 immobility 시간이 길수록, 설탕물 선호도가 낮을 수로 흰쥐의 우울증이 심하다고 볼 수 있다.


한편, 이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS*)' 6월호에 게재됐습니다.

용어설명

1. 우울증
우울증은 연령과 성별의 차이 없이 모든 개체에게 영향을 미치는 정신병 중 가장 일반적이고 널리 퍼져 있는 병의 하나이다. 우울증은 유병률이 약 17%에 달하는, 모든 의학적 장애 중에서도 가장 무력한 장애 중 하나이다. 우울증은 종종 초년에 나타나, 만성 질환으로 진행될 수 있으며, 관상혈관 질환, 당뇨병 및 골다공증과 같은 다른 내과적 질환의 예후에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

우울 장애는 다음과 같은 3가지 종류의 주요 화합물로 치료하는 것이 가장 일반적이다: 1) 모노아민 산화효소 억제제; 2)복소환식 항우울제; 및 3) 선택적 세로토닌 재흡수 억제제(SSRI). 하지만, 현재 처방되는 항우울제는 수많은 부작용과 재발의 측면을 나타낸다. 그 외, 우울증, 스트레스 및 그와 동반된 정신병리를 진단하고 그 진행도를 측정하며 치료 반응을 평가할 수 있는 효율적 생물학적 표지자가 없으며 동물 모델을 이용하여 도출된 뇌기능 항진 및 치료 후보물질에 대한 정보도 없는 실정이다. 따라서, 보다 치료효과가 높은 우울증 치료제의 개발은 매우 중요한 기술분야이다.
2. 신경위축 (Neuronal atrophy)
신경위축이란 신경세포의 구조가 정상세포에 비해 작아지거나 발달이 늦어져 정상세포와 비교하였을때 구조 및 기능이 낮아진 상태로서 신경위축이 심하면 신경세포가 사멸할 수도 있다. 이러한 신경위축을 동반하는 대표적인 질환으로는 노화, 뇌졸중, 우울증, 알쯔하이머병 등이 있다.
3. 신경 돌기
신경 세포체에서 뻗어 나온 돌기로서, 신경 섬유라고도 한다. 신경돌기에는 두 가지 종류가 있는데, 수상돌기는 짧고 뉴런에서 자극을 받아들이는 역할을 하고, 축색돌기는 자극을 다른 뉴런이나 반응기로 전달한다. 신경세포의 기능을 수행하는 부분이므로 이 신경돌기를 발달시키는 약물이나 단백질은 신경세포의 기능을 증진시키는 역할을 한다.
4. 시냅스
시냅스란 한 뉴런에서 다른 세포로 신호를 전달하는 연결 지점으로서 뉴런이 작동하는데 있어 중요한 역할을 한다. 뉴런이 신호를 각각의 표적 세포로 전달하는 역할을 한다면, 시냅스는 뉴런이 그러한 역할을 할 수 있도록 하는 도구이다.
5. 시냅스 돌기
시냅스를 형성하기 위해 돌출된 신경돌기의 아주 미세한 부분으로서, 신호 전달에 매우 중요한 위치.

 

출처 : 교육과학기술부 보도자료(http://mest.korea.kr/gonews/branch.do?act=detailView&dataId=155835937&sectionId=b_sec_2&type=news&currPage=3&flComment=1&flReply=0)

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토마토 유전체 완전 해독! 맞춤 재배 가능해질까?

여러분, 토마토 좋아하시나요?
토마토는 우리가 즐겨먹는 채소이자 가지, 고추, 감자 등과 같은 가지과 식물의 연구모델식물로서, 연간 세계 교역량이 10조원에 달하는 중요한 채소작물인데요, 8년 만에 토마토 유전체의 전체 염기서열이 국제 공동연구에 의해 모두 해독되었습니다!

*가지과 식물 : 고추, 토마토, 감자, 가지, 담배 등을 포함하는 식물군으로 식량, 채소, 기호식품, 화훼 및 약용식물로 전세계적으로 재배되고 있으며 진화적으로 가장 종 분화가 다양하게 일어난 식물 분류군 중 하나로 지구상에 약 3,000종이 서식하고 있음.

@burgundavia / http://www.flickr.com/photos/coreyburger/4640025475


이 연구는 국내 연구진을 포함한 14개국 3백여 명의 과학자가 참여했으며 국내에서는 교과부 21세기 프론티어 작물 유전체 기능연구 사업단(단장 최양도)과 한국생명공학연구원(원장 정혁)의 지원을 받아 서울대 최도일 교수팀과 한국생명공학연구원 허철구 박사팀이 참여하였습니다.

이번 토마토 유전체 염기서열 분석은 국제 컨소시엄을 구성하여 12개의 염색체를 참여국가에 하나씩 나누는 방법으로 진행되었으며, 한국은 2번 염색체를 할당 받아 분석을 진행했습니다.

한편 염기서열분석 방법은 인간유전체 분석에 활용된 1세대 염기서열 분석 방법으로 시작하여 최종적인 마무리는 차세대 염기서열 분석장비(NGS)를 이용하는 방법으로 진행하였으며, 하나의 야생종을 포함하여 재배되는 토마토의 질높은 유전체서열을 감자유전체와 비교하여 보고했습니다.


* 1세대 염기서열분석: 1977년 Sanger교수가 개발해 노벨상을 수상한 염기서열 분석 방법으로 인간 유전체 및 애기장대 유전체 분석에 쓰임.

* NGS (차세대염기서열분석 방법): 2000년대 이후 유전체 분석 수요가 늘면서 개발된 염기서열 분석방법으로 Illumina사가 개발한 Genome Analyzer, Roche사가 개발한 454 GS FLX등의 기종이 있으며 최신기종의 경우 인간 유전체의 100배 분량의 서열을 10일 내에 생산해 낼 수 있음.

그 결과, 재배되는 토마토는 야생토마토와 서열상에 0.6%, 감자와는 8% 변이가 일어났으며 유전체상의 염색체 재배열을 관찰 할 수 있었습니다. 애기장대와는 다르지만 콩과는 유사하게 토마토의 small RNA 유전자는 유전자가 많은 염색체 부위에 존재했으며, 토마토 염색체는 진화과정상 세 번의 배수화가 진행되었습니다. 즉, 토마토 열매의 특성, 색깔 및 과육의 특성은 이러한 염색체 진화과정을 통해 진화된 것으로 판단됩니다.

국제컨소시엄을 통한 토마토 전체 유전체 서열분석

9억 염기쌍의 DNA로 구성된 토마토 유전체의 염기서열 정보는 35,000여 개의 토마토 유전자 기능정보 뿐만 아니라 유전자의 배열 및 구성, 그리고 유전체 구조 등 광범위한 내용을 담고 있기 때문에 이러한 토마토 유전체 정보는 육종 기술개발을 가속화하여 생산성 높은 고품질의 토마토를 생산하는데 도움이 될 것으로 보입니다.

무엇보다 유전체 정보를 이용하면 초기 단계에서 종의 품질을 확인할 수 있어 육종연한 및 비용을 절반이상 감축할 수 있으며, 비타민 A․C, 캡사이신(매운성분) 등 가지과 식물의 유용한 2차 대사산물의 생합성과정과 종분화 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 또한, 이 정보를 같은 가지과 식물인 고추, 감자 등에 활용하면 다양한 고품질의 신품종 농산물을 만들 수도 있겠죠.

토마토 유전체와 다른 가지과 식물 유전체의 유사성

최도일 교수팀은 토마토 유전체 정보 분석을 통해 축적된 기술력을 바탕으로 고추의 유전체 분석을 독자적으로 진행하고 있는데요, 최도일 교수는 “이번 연구결과가 육종기술개발 및 유전자의 진화 및 종분화 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.”고 밝혔습니다.

이번 연구결과는 생명과학분야 최고 학술지인 네이처지에 5월31일 게재되었으며, 염기서열 관련 정보는 홈페이지(http://solgenomics.net/tomato)를 통해 확인할 수 있습니다.

자료 |
교육과학기술부 보도자료(http://mest.korea.kr/gonews/branch.do?act=detailView&dataId=155831076&sectionId=b_sec_2&type=news&currPage=3&flComment=1&flReply=0)

 

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서울대 박승범 교수팀, 신약 개발의 새로운 패러다임을 열다
- 서울대학교 박승범 교수팀‘ Angewandte Chemie International Edition' 표지로 선정 -


국내 연구진이 단독으로 표적단백질을 확인하는 새로운 방법을 고안하여 화제를 모았습니다. 이로써 신약 개발에도 새로운 길이 열릴 것으로 생각됩니다.

박승범 교수

사실 다양한 질병에 관련된 생명 현상을 선택적으로 조절하는 생리활성 저분자 물질의 발굴은 화학이나 의학, 생명과학 등 다양한 분야에서 지속적으로 이루어져 왔는데요, 아쉽게도 기존에는 발굴된 생리활성 저분자 물질을 치료제로 개발하는 과정에서 물질이 생체 내 어떤 단백질에 작용하는지를 밝히기 어려워 신약개발에 큰 차질을 빚어왔었습니다.

무엇보다도 항암효과를 보이는 생리활성 저분자 물질들이 그 작용기전을 제대로 이해하지 못해 신약으로 개발되는데 실패하거나 치료제로 개발된 경우라 할지라도 예상치 못한 부작용이 발생하는 등 그 위험성이 적지 않았습니다.

하지만 글로벌프론티어 의약바이오컨버젼스연구단의 서울대학교 화학부 박승범 교수팀의 이번 방법을 통해 생리활성 저분자 물질이 조절하는 단백질 확인이 성공적으로 이루어지고, 작용기전에 대한 이해가 높아짐에 따라 기존의 방법으로 만들어진 치료제가 갖고 있던 예상치 못한 부작용의 리스크를 줄일 수 있게 되었으며, 한단계 발전되고 안정적인 치료제 개발이 가능하게 되었습니다.

안게반떼 케미에 게제된 본 논문의 표지 그림.세포안에 직접 들어가 작살을 이용하여 물고기를 잡듯이 생리활성 저분자 물질과 표적단백질을 고정하여 추적하는 방법(FITGE)을 표현

박승범 교수 연구팀은 이 같은 방법을 ‘Fluorescence difference in two-dimensional gel electrophoresis (FITGE)’라고 명명하였는데요, 이번 연구결과는 그 공로를 인정받아 화학분야의 최고 권위를 자랑하는 학술지인 '안게반테 케미(Angewante Chemie International Edition)' 4월 4일자 온라인판에 표지논문으로 게재되었습니다.

그렇다면 ‘FITGE’와 기존의 방법은 어떤 차이가 있는지 알아볼까요?
기존에는 표적단백질을 확인하기 위해 우선 세포를 분해한 후 무작위적으로 섞여있는 단백질 혼합용액에서 질량분석을 통해 생리활성이 있는 물질과 강하게 붙어있는 다수의 단백질을 분리하는 방법을 이용했었습니다. 하지만 이러한 방법은 세포를 분해함으로써 단백질 네트워크를 파괴한 상태에서 표적단백질을 찾게 되기 때문에 실제 세포내 현상과는 상이할 수 있었습니다. 또, 찾아지는 다수의 단백질 중에서 의미 있는 표적단백질을 찾아내기 어려워 효율과 결과에 대한 신뢰도가 낮았었습니다.

표적 단백질 확인 기술 (FITGE): 광반응성 물질을 이용하여 생리활성 저분자 물질의 표적단백질을 찾는 새로운 방법. 이렇게 표지화된 단백질들은 2차원 전기영동과 질량분석을 통해서 정확한 표적단백질을 확인하게 된다.

이와 달리 박승범 교수팀의 ‘FITGE’는 세포 안으로 직접 들어가서 낚시고리와 같은 갈고리로 표적단백질을 낚는 방식으로 이루어졌는데요, 신약 후보물질에 광반응성 물질을 결합시킨 후 세포 내에서 빛을 쪼여 표적단백질과 직접 결합하도록 만든 후, 정확히 결합한 생리활성 물질은 붉은색이 나타나도록 하여 선택적으로 확인하는 방법이었습니다. 이러한 방법을 통하면 항암효과를 보이는 생리활성 저분자 물질이 암세포를 죽이는 과정을 조절하는 표적 단백질을 높은 신뢰도로 확인할 수 있습니다.

기존의 표적단백질 규명법이 맨손으로 물고기를 잡는 것처럼 많은 실수가 있었던 것에 비해서 새롭게 개발된 FITGE는 세포안에 직접 들어가 작살을 이용하여 물고기를 잡듯이 생리활성 저분자 물질과 표적단백질을 고정하여 추적방법


한편 이번 연구결과에 대해 박승범 교수는 “인간의 평균수명 증가 및 환경의 변화에 따라 늘어나고 있는 다양한 질병의 치료제 개발의 필요성이 증대되고 있다. 그러나 새로운 작용기전을 통해 질병 치료에 적용될 수 있는 생리활성 저분자 발굴은 어려움을 겪어 왔다.”고 설명했으며, ”본 연구실에서 개발한 FITGE 방법을 통해 다양하고 새로운 작용기전 조절하는 생리활성 저분자 물질들을 도출 할 것이다. 이를 통해 신약개발에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이다.”라고 향후 연구방향을 강조하였습니다.

참조] 용어설명
1. 생리활성 저분자 물질 (bioactive small molecule)
생명 현상을 조절하는 탄소, 수소, 산소로 이루어진 유기 물질을 말한다. 보통 분자량이 500이하인 물질을 저분자 물질이라 부른다. 최근에는 다양한 생명 현상의 조절이 중요해짐에 따라 분자량이 1000이하인 물질도 생리활성 저분자 물질에 포함되기도 한다.

2. 작용기전 (mechanism)
생리활성 저분자 물질이 세포나 생명체 내에서 어떤 일을 벌이는 지에 대한 내용이다. 생리활성 저분자 물질은 특정 단백질과 결합하여 조절함으로써 생명 현상을 조절하게 된다.

3. 표적단백질 확인 (target identification)
생리활성 저분자 물질이 어떤 단백질을 조절하는지 밝히는 과정이다. 이 과정은 저분자 물질의 정확한 작용기작을 밝히는데 중요한 과정이다. 

 

자료출처 | 교육과학기술부 보도자료



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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

머리카락의 10만분의 1크기도 분별하는 미세광학영상법 개발
- Small誌 표지논문 발표, ‘금속 나노 구조칩을 이용한 초고분해능 광학 영상 시스템 ’-

머리카락의 10만분의 1미터(나노미터)의 미세한 크기도 분별할 수 있는 초고분해능 광학영상장치가 국내 연구진에 의해 개발되어, 바이러스와 암세포 같은 생체바이오 물질을 보다 명확히 분석할 수 있게 되었다.

연세대 김동현 교수(42세)와 김규정 박사(제1저자)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 선도연구센터지원사업(NCRC)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노와 마이크로 과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘스몰(Small)'지에 표지논문으로 3월 26일자에 게재되었다. (논문명 : Nanoscale localization sampling based on nanoantenna arrays for super-resolution imaging of fluorescent monomers on sliding microtubules)

일반적으로 사용되는 기존의 전반사 형광현미경(Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy)은 특정 단백질, 바이러스 또는 암세포 등의 생체 바이오 물질을 이미징하고자 할 때, 수 백 나노미터 크기밖에 분별할 수 없는 한계(회절한계)를 가지고 있다. 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 전 세계 연구팀들은 수십에서 수 나노미터(1/10~1/100) 크기까지 분별할 수 있는 광학영상 장치 개발에 노력해왔다. 

그 결과, 김동현 교수 연구팀은 ‘나노미터 단위의 국소적 샘플링(NLS)’ 방식으로 기존 분해능의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광학영상법(선택적 형광영상법)을 개발하는데 성공하였다.

본 연구의 주요 연구 결과 그림


 나노홀 어레이 구조를 이용하여 나노미터 크기의 핫스팟을 형성한다. 마이크로튜뷸 분자는 표면에 고정된 모터 단백질인 키네신 상에서 움직이는데, 핫스팟으로 마이크로튜뷸 분자를 샘플링하는 방법으로 나노미터급 초고분해능의 분자영상을 구현하였다.

이번 개발에 적용된 ‘나노미터 단위의 국소적 샘플링(NSL)'방식은 수 백 나노미터 사이즈 단위의 주기적 원형 패턴(pattern)으로 이뤄진 금속 나노홀 구조(metallic nano-hole structure)칩을 Electron-beam lithography 방식으로 제작한 후, 일반적으로 사용되는 전반사 형광 현미경 시스템에 접목시키면, 나노홀 표면 근접장 분포(near-field distribution)의 변형과 함께, 매우 강하게 국소화(localization)된 필드(field) 영역, 이른바 핫스팟(hot spot)이 생성된다. 나노구조(nanostructure)가 주기적으로 패턴되었기 때문에 핫스팟도 주기적 형태로 얻을 수 있으며, 이를 통해 수 십 나노미터 크기의 분해능을 갖는 이미지를 얻는데 성공하였다.

특히 기존에는 고가의 특수 장비 없이는 세포와 단백질 상호작용 현상을 영상화하기 힘들었다. 하지만, 이번에 연구팀이 개발한 장비는 일반 현미경에 자체 제작한 금속 나노구조칩을 접합하는 것만으로 쉽고 간편하게 세포와 단백질 상호작용 현상 등을 관찰하고 영상화할 수 있다는 점이 큰 특징이다.

이번 연구에 사용된 바이오 물질은 모터 단백질(motor proteins) 중 하나인 키네신(kinesin)과 2차원 평면상에서 특정 속도를 가지고 자유롭게 이동하는 마이크로튜불(microtubules)로서, 국내에서는 이러한 바이오 물질을 이용한 초고분해능 광학 영상법에 대한 연구의 전례가 많지 않았다는 점에서 큰 의의를 갖는다.

김동현 교수는 “이번 연구는 자체 제작한 금속 나노 구조칩이 접목된 전반사 형광현미경 시스템을 이용하여 움직이는 바이오 물질의 영상을 수 십 나노미터까지 분별할 수 있다는데 의미가 있다. 이 영상법으로 암세포와 같은 특정 세포와 세포 내에서 움직이는 기질, 또는 단분자 영상화도 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

문의처 : 연세대학교 전기전자공학부 김동현 교수 (02-2123-2777)
        교육과학기술부 기초연구지원과 송영동 사무관 (02-2100-6829)
        한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원 (042-869-6116)

[용어설명]
전반사 형광 현미경(Total internal reflection fluorescence microscopy)
빛이 전반사 조건으로 입사될 때, 매질 사이 경계면으로부터 100 nm ~ 200 nm 내에 그 크기가 지수 함수적으로 감소하며 존재하는 필드 영역을 '소실파(Evanescent wave)'라고 한다. 전반사 형광 현미경이란, 이러한 소실파가 존재하는 영역을 이용하여 형광 시료로 염색된 물질을 관찰하고 영상을 얻을 수 있는 현미경 장치이다.

회절 한계(diffraction limit)
관찰하고자 하는 두 물체간의 간격이 현미경에서 사용하는 광원의 반파장 크기 이하에 해당되면, 현미경의 광학 렌즈를 통해서 우리는 두 물체가 서로 다른 것임을 구분할 수 없으며, 하나의 물체로 인식할 수밖에 없게 되는데, 이를 광학적 회절 한계(diffraction limit)라 일컫는다. 

자료 | 교육과학기술부 보도자료

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

그래핀, 환경 친화적이면서 저렴하게 대량 생산하는 길 열렸다!

작은 가방을 메고 있던 한 여성이 잠시 후 가방에서 무언가를 꺼낸다. 그녀가 꺼낸 것은 바로 돌돌 말려있던 e-book! 말아서 작게 만들어 갖고 다닐 수 있어 여성들의 작은 가방에도 충분히 들어가기 때문에 많은 이들이 애용하고 있다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그리 멀지 않은 미래에 이런 일들을 우리 생활 속에서 자연스럽게 볼 수 있지 않을까?
이 모든 것을 가능하게 하는 것은 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀’ 이다. 그래핀흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이루고 있으며, 최근 디스플레이, 에너지, 환경, 반도체 소자 등에서 주목받고 있다.

지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적․전기적 특성을 밝히면서 그래핀은 기존에 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 떠올랐다. 그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양은 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

그래핀의 구조 @CORE-Materials / http://www.flickr.com/photos/core-materials/5057399792

현재, 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다. 이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 그렇다고 100% 환원되는 것도 아니다. 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남기 때문에 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 친환경적인 방법으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되면서 다시 주목을 받고 있다.

그래핀의 대량 생산 가능성을 밝혀준 이번 연구는 울산과기대 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수 등이 참여했으며, 유독물질(강산, 강한 부식성 산화제)을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하는 기존의 그래핀 제조 방법의 단점을 극복하여, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발하는데 성공하였다. 

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(ball mill, 대표적 분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 EFG 기술을 처음으로 개발하였다. 연구팀이 개발한 EFG 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 포함하지 않는 친환경적인 공법으로 대량 생산하는 원천기술을 개발한 것으로, 150년 역사의 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산하는 기술을 대체할 수 있는 탁월한 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다. (논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

문의처 |
UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수 (052-217-2510)
교육과학기술부 기초연구지원과 김래수 사무관(02-2100-6831)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원(042-869-6116)

자료 | 교육과학기술부 보도자료

 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

포도추출물기억력을 상승시킨다?

지난 5일 교육과학기술부와 한국연구재단에서는 보도자료를 통해 포도추출물로 알츠하이머 병을 예방하고 치료할 수 있는 길이 열렸다고 전했습니다. 그동안 알츠하이머병은 치매를 일으키는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로 공포의 대상이었는데요, 포도추출물이 기억력을 향상시켜 퇴행성 뇌질환을 치료할 수 있다는 이번 연구결과로 치료법에 박차를 가할 수 있게 되었습니다.

출처:플리커(@catsper)

당뇨병은 알츠하이머병의 위험인자로, 특히 신경세포의 퇴행성변화와 신경염증을 촉진시켜 심각한 기억력 저하를 초래하는 것으로 알려져 있었으나 현재까지 당뇨병에 의한 중추신경계의 생태병리학적 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않았습니다.

경상대 노구섭 교수(40세)가 주도하고 전병탁 박사(제1저자) 등이 참여한 연구팀은 장기간 고지방식을 먹은 비만쥐를 통해 혈액, 간, 지방 및 뇌에서 인슐린저항성과 지방세포의 염증뿐만 아니라, 해마*에서 신경세포의 퇴행성변화를 관찰하였습니다.

기억과 학습을 담당하는 해마에서 신경세포 인슐린 저항성이 증가하는 것이 에너지대사(AMPK/ACC)신호전달계, 신경전달물질(콜린아세틸전이효소)의 분비감소 및 지질과산화와 타우(tau)인산화의 증가를 유도하여 결국 신경세포의 퇴행성변화를 일으킨다는 사실을 확인하였는데요, 뿐만 아니라 이러한 비만으로 인한 기억력 손상은 포도추출물(레스베라트롤*)을 먹으면 개선된다는 사실도 밝혀냈습니다.  

※ 해마(Hippocampus) : 대뇌의 양쪽 관자엽(측두엽)안에 존재. 일화, 학습과 기억 등 인지기능 담당
*) 레스베라트롤(resveratrol) : 식물이 곰팡이나 해충 같은 좋지 않은 환경에 직면했을 때 만들어내는 식물성 천연 폴리페놀계 물질로, 포도껍질, 포도씨, 땅콩에 들어 있음

고지방식과 함께 레스베라트롤을 섭취한 쥐는 인슐린 저항성 등이 억제되어 학습효과와 기억력 감퇴가 회복되었음을 관찰하였는데, 이는 레스베라트롤이 비만에 의한 당뇨로 발생된 만성염증과 신경염증을 감소시킬 뿐만 아니라 기억력 손상도 개선하였음을 나타내는 것이었습니다.

(왼쪽부터) 노구섭 경상대 교수, 신현주 박사과정생, 정은애 연구원, 전병탁 박사

노구섭 교수는 “이번 연구를 통해 대표적인 퇴행성뇌질환인 알츠하이머병을 지연시키는 약물을 개발하는데 중요한 단서를 제공하고, 향후 당뇨병 등 난치성 또는 퇴행성 질환의 새로운 치료법을 개발하는데 단초를 제공할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔습니다. 

한편, 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터사업(MRC)과 경상남도의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 내분비와 대사분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국당뇨병학회지(Diabetes)' 온라인 속보(2월 23일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Resveratrol attenuates obesity-associated peripheral and central inflammation and improves memory deficit in high fat diet-fed mice)

[실험내용]


그림 1. 장기간의 고지방식이는 지방간과 간세포의 염증을 유발함. (A) 간세포사이에 지방망울이 축적됨. (B) 간세포에서의 지질과산화(lipid peroxidation; 4-HNE) 증가 (C) 간세세포에서 대식세포(macrophage; F4/80) 증가.

그림 2. 기억과 학습 중추인 해마부위에서의 인슐린 저항성 증가는 신경세포의 에너지대사 신호전달계의 감소와 TAU인산화 증가에 따른 신경퇴행성을 유도함.

그림 3. 모리스수중미로검사(Morris water maze test)를 이용하여 기억력 손상유무를 확인함. 도피대를 찾아 올라갈때까지의 잠재기(latency), 수영거리, 그리고 도피대가 있었던 곳에 머무르는 시간을 비교 분석하였음. 고지방식이(HFD) 동물군에 비해 레스베라트롤(HFD+RES)을 섭취한 동물군의 기억력이 향상됨을 알 수 있음.

C57BL/6 생쥐를 이용해서 저지방식이, 고지방식이, 고지방식이에 레스베라트롤을 넣은 식이 그리고 저지방식이에 레스베라트롤을 넣은 식이 이렇게 4개의 동물군으로 나누어 20주 동안 실험을 진행한다. 20 주 후에 기억력 손상을 확인하기 위해서 모리스수중미로검사*를 실행한다.

(*모리스수중미로검사 : 학습과 기억능력을 평가하기 위하여 많이 사용되는 검사법으로 동물이 숨겨진 도피대를 찾기 위해 단서를 이용하면서 수영을 해야 하는 공간 탐색 방법.)

대사인자(metabolic parameters)의 변화를 알아보기 위해서 ELISA를 실시한 결과 일반적인 제2형 당뇨의 증상과 동일하게 고인슐린증, 고렙틴혈증 그리고 저아디포넥틴혈증 등이 발생하였고, 혈청내 TNF-α의 수치도 증가하였다.

고지방식이 동물군에서는 간과 지방세포에서의 대식세포(macrophage)의 침투와 인슐린저항성(insulin resistance)이 나타났으며 레스베라트롤이 이를 억제해주는 결과를 얻었다. 고지방식이 동물군의 해마(hippocampus)에서 TNF-α와 Iba-1(미세아교세포 표지자)의 발현이 증가하였지만 레스베라트롤에 의해 감소되었다.

또한 고지방식이 동물군에서 AMPK의 활성이 감소하였고, Tau 단백질의 인산화가 증가하지만 레스베라트롤을 처리한 동물군에서는 AMPK의 활성의 증가와 Tau단백질의 인산화가 감소하는 효과가 나타났다. 신경전달물질인 아세틸콜린(acetylcholine)을 합성하는 콜린아세틸 전이효소(ChAT)가 고지방식이군에서 감소되었으며, 레스베라트롤을 처리한 동물군에서 증가되었다. 그리고 모리스수중미로의 결과에서도 고지방식이 동물군에서 낮은 학습효과 및 기억력 감퇴를 보였지만 레스베라트롤을 처리한 군에서 회복되는 효과를 얻었다.

 

자료 | 교육과학기술부, 한국연구재단 보도자료

 


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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

         한국 전자통신 기술의 산실! ETRI(한국전자통신연구원)

ETRI(한국전자통신연구원, 이하 ETRI)은 1985년에 기존 한국과학기술연구소 부설 한국전기통신연구소와 한국전자기술연구소가 통합하여 만들어진 연구기관입니다. 현재 지식경제부 산하 기타공공기관으로 지정되어 있으며, IT 강국 대한민국의 중추적인 역할을 담당하고 있는 대덕연구단지의 출연연구소 중에서도 규모가 큰 편에 속합니다. 

ETRI의 전경

연구소 내부에 있는 디지털 첨성대의 모습

1동 본관에 위치한 ETRI 전시관의 입구











1동 본관 건물에 들어가 사전에 연락드렸던 홍보팀 직원 분의 친절한 안내와 도움으로, 전시관에 들어갈 수 있었습니다. 다른 출연 연구원들도 보안에 각별한 신경을 쓰지만, ETRI 또한 여타 연구기관에 비해 높은 보안등급으로 인해 입·출입에서 여러 가지 절차를 거친 후 들어가야 했습니다. 최근 한국의 IT 기술이 부상하면서 기술 및 특허권 등을 무단으로 해외에 유출 하려는 사례가 많아졌다고 하니, 이 정도는 감수 해야겠죠~? ^^

전시관에서 방문객을 맞아주는 ETRI 로봇

이전에도 다른 실험 등이 있어서 ETRI에 가끔 방문 했었는데 기사 작성을 위해 홍보팀에 정식으로 취재 요청을 드리고, 체계적으로 견학을 해본 것은 이번이 처음이었습니다. ETRI에서는 이처럼 홍보관 관람 등의 목적으로 단체 견학을 상시 접수받고 있으니 관심 있으신 단체에서는 접수해 보시는 것도 좋을 듯 합니다.

3D 방송 체험관

이제 많이 보편화 된 3D TV, Smart TV의 원천 기술 또한 ETRI에서 탄생했답니다. S사와 L사 양사의 TV 경쟁 속에서 우리나라가 세계적으로 입지를 다지며 IT 강국 코리아가 되고 있는 모습을 보니 뿌듯하기도 하더군요. 보통, 기업에서도 R&D를 담당하지만 이처럼 국가의 중추적인 기술개발은 국책연구소에서 진행되어 원천기술을 확보하고, 사기업에서 상용화 하는 경우가 많다고 하네요.

4세대 이동통신시스템 LTE-Advanced

이동통신 진화기술별 특징











오늘 취재의 메인인 4세대 이동통신 LTE-Advanced의 모습입니다. 홍보관에서도 기타 여러 가지 와인 감별 RFID 기술, 각종 인식기술, Smart 선박기술, 번역기술을 보았지만 LTE-Advanced는 최근 이동통신사 들의 광고와 더불어 가장 관심이 많은 분야였던지라 관심이 높았습니다.
정확히 말씀드리자면 현재 상용화된 LTE는 완전한 4세대 이동통신이 아닌 3.9세대 이동통신이라고 할 수 있습니다. 진정한 4세대 이동통신은 2014년 이후에나 상용화 된다고 하네요!

ETRI에서 세계 최초 상용화에 성공한 지상파 DMB 기술

ETRI에서 세계 최초 상용화에 성공한 Wibro 기술













휴대전화 강국의 출발점인 CDMA 기술 세계 최초 상용화

최근에 세간의 주목을 받고 있는 4세대 이동통신 기술뿐만 아니라, 국내 최초 교환기 기술 개발, 휴대폰 신화의 원천기술인 CDMA 세계 최초 상용화, 휴대용 인터넷 Wibro 및 지상파 DMB 상용화 등의 여러 가지 원천기술이 바로 이 곳, ETRI에서 탄생했습니다. 그러고 보면, 우리나라 국부의 원천기술이 다 여기 모여 있었네요~^^

회의 중 이신 연구원 분들

ETRI 홍보팀에서 협조 해 주셔서, 회의 중인 부서의 허락을 얻어 카메라에 회의 장면을 한 컷 담았습니다. 일반적으로 연구원들의 일상에 대해 여쭈어 보니 이와 같은 팀, 부서 단위의 회의가 굉장히 많다고 하네요. 요즘은 연구라는 것이 대부분 혼자 하기 보다는 융합연구, 또한 팀 프로젝트가 많다고 합니다.

4세대 이동통신기술 (LTE-Advanced) 시연 모습

4세대 이동통신기술 (Wibro-Advanced) 시연 모습

LTE-Advanced 시연에 사용되는 기계 장치들

일반적으로 잘 공개되지 않는 연구원의 실험실입니다. 특별히 4세대 이동통신에 관한 설명을 듣고, 4세대 이동통신인 LTE-Advanced의 시연도 볼 수 있었으며, 부서를 담당하시는 연구원 분을 인터뷰하고 연구원의 일상 등을 들을 기회도 얻을 수 있었습니다. 시연 당시에는 대통령을 비롯한 여러 귀빈들이 다녀가신 후였으며, 요즘까지도 많은 취재 행렬이 이어지고 있다고 하네요.

다음은 이동통신기술연구부 이승규 박사님과의 인터뷰 내용입니다.

이동통신기술연구부 이승규 박사님


굿가이 : 안녕하세요, 박사님. 우선, 인터뷰에 응해주셔서 감사드립니다. 박사님께서는 이동통신기술연구부에 계신 것으로 알고 있는데, 언제부터 이쪽 방면의 연구에 관심이 있으셨나요?

이승규 박사 : 대학 때 전산학(컴퓨터 공학) 학위를 취득하고 바로 이동통신 분야 연구를 시작하게 됐어요. 연구원 생활 직후에는 CDMA 관련 프로젝트를 수행하고, Wibro 및 pemto 기지국 개발 등의 프로젝트를 수행했습니다. 가장 최근에는 LTE-Advanced 관련 연구를 하고 있고요.

굿가이 : ETRI와 같은 국책연구소의 장점은 무엇인가요?
이승규 박사 :
아무래도 국책사업을 직접 추진하고 참여할 수 있기 때문에 무엇보다 연구에 대한 자부심을 느낄 수 있습니다. 물론 힘든 일도 많지만요.(웃음)

굿가이 : 연구소 생활이 궁금합니다.
이승규 박사 :
연구소는 일반적인 단체와 크게 다르지 않아요. 음.. 학교와 회사(사기업)의 중간적인 형태를 갖고 있다고 할까요? 오전에는 주로 개별적인 연구와 공부를 하고, 오후에는 이를 바탕으로 실험을 진행합니다. 이렇게 연구와 실험을 반복하며 나온 결과를 학회 등에 발표하기도 하고, 워크숍이나 각종 컨퍼런스에 참석하기도 합니다.

굿가이 : 업무 시간은 일반 사기업과 같은가요?
이승규 박사 :
출, 퇴근이 정해져 있긴 하지만 과제나 프로젝트 단위로 밤샘 실험을 하는 경우가 있기 때문에 업무 시간은 부서별, 프로젝트별로 다릅니다.

굿가이 : 연구원들이 일반 회사원들과 다른 점이 있다면요?
이승규 박사 :
무엇보다 가정적인 연구원들이 많아요. 연구단지의 특성상 자녀들 또한 연구원 부모님을 자랑스러워하고, 과학자에 대한 자부심 역시 높습니다. 물론 이공계열을 전공하길 희망하는 자녀들도 많지요.

굿가이 : 연구원으로서 고충이 있으시다면 말씀해주세요.
이승규 박사 :
연구원의 고충이라.. (잠시 생각 후) 아무래도 논문과 특허라는 특성상 ‘없는’ 것을 ‘창작’해야 하는 고통이 뒤따릅니다. ‘창작’하는 직업을 갖고 있는 모든 분들이 그러하겠지만 이동통신 기술은 그 특성상 더욱더 신기술 개발이 중요하기 때문이죠.

굿가이 : 마지막으로 저희 국가과학기술위원회(국과위)에 바라시는 점이 있다면 한 말씀 부탁드립니다.
이승규 박사 :
음, 무엇보다도 국책연구소와 연구원의 자율성을 최대한 보장해 주셨으면 좋겠고, 성과를 곧바로 요구하는 일반 회사와 달리 국책연구기관에서는 좀 더 중·장기적인 관점에서의 사업비 집행을 추진해주시면 좀 더 좋지 않을까 생각합니다.

굿가이 : 오늘 귀중한 시간 내시어 인터뷰에 응해주셔서 감사드립니다.
이승규 박사 :
국가과학기술위원회가 계속해서 발전하길 기대하겠습니다.

인터뷰를 끝으로 취재를 마무리하며 우리나라의 연구기관에 대해 많은 생각이 들었습니다. 정말 자랑스러운 우리나라의 핵심 연구기관 ETRI ! 최근 평가에 의하면 연구기관 자체의 브랜드 가치와 핵심기술이 100조 이상에 이른다고 하는데요, 현재까지 4조가 약간 넘는 비용이 투입된 것에 비하면 정말 대단한 성과가 아닐 수 없습니다. 앞으로도 ETRI가 다양한 연구를 통해 우리나라 전자통신 기술을 이끌어가길 바라봅니다.

ETRI에 대해 좀 더 자세한 정보를 알아보시려면 ETRI 공식 홈페이지(http://www.etri.re.kr/)를 참조 해 주세요!

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 헌 준

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

      헬기야? 비행기야? 트랜스포머 ‘스마트무인기’ 개발 성공!

지난 10월 우리 국가과학기술위원회 블로그 기자단이 항공우주연구원을 견학했을 때 제일 처음 마주친 것이 ‘스마트무인기’ 모형이었습니다. 그때 항우연에서는 지금은 모형으로 밖에 보여줄 수 없지만 10년간 1000억 원을 들여 연구하고 있는 이 스마트 무인기를 올해 안에 꼭 성공시킬 것입니다”라고 했었습니다.


그런데 바로 지난 11월 30일 전남 고흥에서 스마트 무인기가 성공적으로 비행했다는 기쁜 소식이 들려왔습니다! 우리나라가 세계에서 2번째로 개발에 성공한 ‘스마트 무인기’가 무엇인지 자세히 들여다봅니다.

견학 당시 본 스마트 무인기 모형


스마트 무인기란?

스마트 무인기는 말 그대로 사람이 타지 않는 항공기로, 스마트 무인기 개발사업은 유인기가 공중에서 수행하기 위험한 임무를 무인기가 할 수 있도록 한 아주 스마트한 개발 사업입니다. 2002년 6월 ‘21세기 프론티어 기술개발사업’의 일환으로 출범해, 한국항공우주산업, LIG넥스원, 영풍전자 등 20개 국내 업체와 해외업체가 기술개발에 참여했습니다.


스마트무인기는 동체길이 5m, 무게 980kg의 소형으로, 체공시간은 5시간입니다. 헬리콥터처럼 제자리에서 뜨고 내리지만, 하늘을 날 때는 프로펠러를 앞으로 90도 돌려서 일반 비행기처럼 날아갑니다. 그래서 헬기와 비행기의 장점이 합쳐진 ‘트랜스포머’라고도 불립니다.

스마트 무인기의 모습

스마트무인기 비행직전 점검하는 모습

헬리콥터와 비행기의 장점을 갖춘 틸트로터(Tilt rotor)

이처럼 헬기와 비행기의 장점을 결합해 수직 이·착륙과, 고속비행이 가능한 항공기를 ‘틸트로터형’ 항공기라고 부릅니다. 틸트로터 방식은 이·착륙 때는 헬리콥터처럼 로터(rotor:회전날개)를 수직방향으로 세우다가, 비행 시에는 로터를 틸트(tilt: 기울이다)해서 비행기처럼 수평으로 만드는 것입니다.


이번에 개발한 스마트무인기는 ‘틸트로터항공기’로의 하나로 세계에서 미국에 이어 우리나라가 2번째로 개발에 성공한 것입니다. 이 ‘틸트로터항공기’가 실용화된 것은 미국 ‘벨헬리콥터’가 개발한 ‘V-22오스프리’가 유일합니다. 2005년부터 미국 해병대에서는 이 ‘틸트로터항공기’를 이용해 30여명을 태우며 실용화했습니다. 앞으로 우리나라도 ‘틸트로터항공기’인 스마트무인기의 활약이 기대됩니다.

스마트 무인기 회전익 비행 모드 : 수직 이․착륙

스마트 무인기 고정익 비행 모드 : 수평 비행












스마트무인기 비행원리

앞으로 스마트무인기는 어떻게 활용될까?

스마트무인기는 크게 3가지 장점을 가지고 있습니다.

첫째로, 수직 이·착륙과 고속비행이 가능한 통신장비를 갖추고 있습니다.
둘째로, 주·야 상관없이 원거리 영상정보를 실시간으로 획득할 수 있습니다.
셋째, 우리나라는 산지가 많은데 자율비행과 충돌감지 및 회피 등의 핵심 스마트 기능을 접목할 예정이어서 우리나라 지형에 안성맞춤입니다. 

이러한 장점 때문에 스마트 무인기는 밤낮 가릴 것 없이 험난한 지형도 다 관찰할 수 있습니다. 기상관측, 농작물관리, 불법어로 감시, 산림 및 화재대처, 그리고 홍수나 태풍의 피해까지 한눈에 알아 볼 수 있습니다. 이렇게 국내환경에 적합한 스마트무인기를 통해 국민 실생활에 도움을 줄 것으로 전망합니다. 또한 미래에 활주로 없이 개인의 집에서 사용할 수 있는 자가용 항공기(Personal air vehicle, PAV)에도 이 기술이 응용될 것이라고 항우연은 밝혔답니다.

마지막으로, 김재무 스마트 무인기 사업단장님의 한 말씀!

“라이트형제가 엔진을 사용하여 나는 비행기를 개발한지 100여년이 지났습니다. 그 이 후 사람이 조종을 하던 항공기는 어느새 조종사 없이 스스로 비행하는 항공기로 전환되고 있습니다. 지금까지 이러한 무인기는 주로 군사용으로 사용하였으나 이제는 우리의 삶을 안전하고 윤택하게 하는 공공용으로서의 사용이 증가하는 추세입니다.
‘지식경제 프론티어 기술개발사업’의 하나로 추진된 스마트무인기 사업! 여기서 프론티어는 개척의 의미가 있으며 도전정신을 필요로 합니다. 스마트무인기 개발 사업은 우리나라 항공우주산업의 미래를 개척할 것이며 국가 브랜드 가치도 높일 수 있는 도전입니다.”

                                                                                                            -항공우주연구소 홈페이지 발췌

[동영상]

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 조 선 율
이미지 및 동영상 | 한국항공우주연구원

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

       로봇이 교도소 수형자들을 감시하는 시대가 도래한다! 

이제 정말 사람의 일을 대신해주는 로봇이 등장하는 것일까요?
적어도 머지않은 미래에 로봇을 이용해 교도소가 운영될 가능성은 충분해 보입니다.


바로 일선 교도관들의 업무를 보조하게 될 ‘로봇교도관’을 통해서 말이죠.


사실 그동안 교도관들은 전국의 교도소 규모에 비해 턱없이 부족한 인력 때문에 과도한 업무에 시달리는 등 열악한 근무환경에 처해있었는데요, 앞으로 로봇교도관이 정식 투입되면 지금의 근무환경이 충분히 개선되지 않을까요?

Historic Prison at Museo Marítimo de Ushuaia @Liam Q / http://www.flickr.com/photos/liamq/5540274355/

지난 24일 아시아교정포럼을 통해 로봇교도관 소식이 전해졌습니다. 이 사업은 지식경제부의 지 아래 내년 4월말까지 총 10억 원의 사업비가 투입되는 프로젝트로, 아시아교정포럼, 법무부 교정본부, 한국전자통신연구원(ETRI), 에스엠이씨(SMEC) 등이 함께 개발 중에 있습니다.

그렇다면 로봇교도관은 어떤 모습을 하고 있을까요? 교도관이니만큼 무섭고, 덩치가 큰 로봇일까요?


아시아교정포럼 홈페이지에 올라온 로봇교도관 콘셉트 디자인을 보면, 생각보다 꽤 귀엽고 친근감 있는 모습인 것을 확인할 수 있습니다. 키 150㎝에 무게 70㎏의 로봇교도관은 하부에 장착된 바퀴 4개를 이용해 사람의 걸음과 비슷한 속도로 이동하며, 몸통에 2개의 영상 카메라와 통신장비 등이 장착돼 있어 교도관들의 순찰업무를 보조하는 데 이용된다고 하네요.

로봇 교도관 콘셉트 디자인. 출처 : 아시아교정 홈페이지(http://www.correctionforum.or.kr/)


로봇교도관은 특히 돌발 상황이 자주 발생하는 야간에 교도소 복도를 이동하며 수형자들의 이상행동을 감지·판단하고 이를 중앙통제실로 통보하는 역할을 하며, 원격대화기능을 통해 통제실의 교도관이 수형자와 대화를 나눌 수 있도록 고안됐다고 합니다. 폭력 수형자뿐만 아니라 아픈 수형자들을 빨리 파악하고 이를 알리는 목적으로도 사용된다니 더욱 기대가 되네요.

내년 3월쯤이면 이 로봇이 1차 완성될 예정이라고 하는데요, 이렇게 완성된 로봇교도관 3대는 포항교도소에서 시범운영을 갖고 문제점을 찾아 보완절차를 밟게 됩니다.

미국 등지에서도 이 로봇 교도관에 큰 관심을 보이고 있다고 하는데요, 이를 계기로 대량수출을 통해 우리나라 과학기술의 수준도 알리고, 국부창출의 기회도 되었음 하는 바람입니다.

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기


 차세대 에너지, 핵융합에서 그 답을 찾다

 

1. NFRI

석유는 지난 200년간 세상의 발전을 이끌어온 중요한 자원이다. 하지만 석유가 바닥을 드러내면서 ‘석유 시대’는 이제 내리막길을 달리고 있다. 과거 몇 달러도 안하던 석유의 가격이 현재 배럴당 100달러 이상 도달했다는 것이 그 증거다. 이러한 상황을 타파하기 위해 차세대 에너지인 핵융합이 주목받고 있다.

2. 핵융합에너지와 원자력에너지 발생원리

핵융합에너지의 모태는 인공태양이다. 태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들은 핵융합반응을 통해 에너지가 발생한다. 별들의 중심은 1억 도 이상의 초고온 플라즈마 상태인데, 이러한 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응이 일어난다. 이 때 발생하는 에너지를 우리는 핵융합에너지라고 부른다.
그러나 핵융합 에너지를 얻기 위해서는 연료를 태양보다 더 뜨거운 1억도 이상으로 가열해야 하는데 이렇게 뜨거운 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 물질은 지구상에 존재하지 않는다. 핵융합 연구는 바로 이 용기를 만드는 문제에서 출발했고, 이렇게 까다로운 조건 속에서 만들어진 것이 KSTAR와 같은 핵융합 장치이다.

3. 토카막의 원리

몇 가지 핵융합장치의 종류 중에 국제적인 노력으로 현재 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 도넛 모양의 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 토카막을 구성하는 초전도 자석은 자기장을 형성해 진공용기 내에 초고온의 플라즈마를 안정적 상태를 유지하도록 제어한다. 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 처음 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후, 세계적으로 그 우수성을 인정받아 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

4. 1980년대 개발된 KAIST 토카막


5. KSTAR

우리나라에서는 1980년대 서울대 원자핵공학과에서 SNUT-79라는 국내 최초의 토카막 장치를 만들어 핵융합 연구를 시작했다. 그 뒤 1995년 국가에서 핵융합 기본개발계획을 수립하고 기초과학지원연구원의 부설기관인 국가핵융합연구소를 중심으로 'KSTAR'라는 토카막형 초전도 핵융합연구장치를 2007년 완공해 본격적으로 핵융합 연구에 뛰어들었다.
KSTAR는 신소재 초전도 자석으로 만들어져, 그 기술력을 세계에서 인정받고 있으며, 그 결과 현재 한국은 미국, 러시아, 유럽공동체(EU), 일본, 중국, 인도가 참여하는 국제공동 핵융합 연구장치인 ‘ITER’건설의 선두주자로 나서고 있다.

6. 핵융합에너지의 특징

최근 후쿠시마 원전사고 이후 핵에너지에 대한 우려가 확산되고 있다. 하지만 핵융합에너지는 핵분열의 원리를 활용한 원자력 에너지와는 달리 연료 공급장치가 외부에 있어 안전하다. 핵융합반응이 일어나는 초고온의 플라즈마는 유지하기 위한 조건이 매우 까다로워, 사고가 일어날 경우 플라즈마는 더 이상 유지되지 못하고 즉시 소멸된다. 작동 역시 바로 멈추기 때문에 안전성과 방사능 누출에 대한 걱정이 없다. 또한 핵융합 에너지에서 나오는 방사능 폐기물의 독성도는 수십년만 지나도 화력발전에서 나오는 석탄재 독성도보다 현저하게 낮아진다.
이렇듯 핵융합 에너지의 가장 큰 장점은 친환경 에너지라는 점이다.

핵융합으로 얻는 에너지는 상당히 크다. 중수소와 삼중수소 1g을 융합할 경우 1만ℓ의 중유를 태운 것과 같은 열량을 낼 수 있다. 바닷물 1L에 들어있는 0.03g에 중수소를 이용하면 서울과 부산을 자동차로 3번 왕복할 수 있고, 바닷물을 일반 욕조의 반 정도인 45L만 이용하면 일반 가정집의 80년 분량의 전기를 얻을 수 있다. 또한 핵융합 반응은 원자력의 원리인 핵분열반응보다도 핵자 당 결합에너지가 4~6배의 효율을 보인다.

7. 핵융합연구소의 고미상 담당자

하지만 현재 핵융합 발전의 상용화까지는 가야할 길이 많이 남아있다. 핵융합 발전이 상용화된다면 인류의 에너지 문제를 근본적으로 해결할 수 있지만, 아직 해결해야하는 여러 난제들이 남아 있어 앞으로 수십 년의 연구가 계속되어야 한다. 이를 위해서는 장기 프로젝트인 핵융합 연구 사업을 체계적으로 진행하는 것이 중요하므로, 우리나라에서도 ‘핵융합에너지개발 진흥계획’을 바탕으로 정부차원에서의 전략적인 핵융합 연구 개발을 수행하고 있다.
핵융합연구소의 고미상 담당자는 인터뷰 당시 "우리와 같이 뒤늦게 핵융합 연구를 시작한 중국의 경우 월등히 많은 수의 핵융합 연구자를 보유하고 있어 보다 많은 실험을 수행할 수 있기 때문에 빠른 속도로 발전하고 있다.“며, ”우리나라는 핵융합장치 건설에서 뛰어난 기술력을 가지고 있지만, 아직 핵융합연구자의 수가 많지 않아 인력양성 등에 더욱 노력이 필요하다.“ 라고 밝혔다. 
우리나라는 2040년대 핵융합 상용화를 목표로 하고 있으며, KSTAR는 최종목표 300초 가동 달성을 통해 장시간 플라즈마 운전 기술을 확보하여 상용화에 기여하게 된다.

KSTAR를 활용한 핵융합 연구 성과를 통해 핵융합 상용화를 이루고 과연 한국이 에너지 수입국에서 수출국으로 변화할 수 있을지, 그 미래가 사뭇 기대된다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 인 환
사진 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 하상윤, 국가핵융합연구소(NFRI)
촬영협조 | 국가핵융합연구소(NFRI)

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* 1,4,5,7번 이미지
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우리 생활 속 과학이야기

 

           대한민국의 태양!! NFRI를 다녀오다!!

지난 10월 13일, 국가과학기술위원회 블로그 기자로써 한국항공우주연구원(항우연)과 국가핵융합연구소 탐방을 다녀왔습니다. 그중 제가 소개할 내용은 국가핵융합연구소인데요. 과연 이곳은 무엇을 하는 곳이며, 어떤 재미난 것들이 있는지 지금부터 살펴보도록 하겠습니다!

1. 국가핵융합연구소

국가핵융합연구소는 대덕연구단지에 그 본원이 있습니다. 항우연에서 바로 옆으로 채 5분이 걸리지 않는 거리에 위치해 있는데요. 현재는 연구소 내에 새로운 건물인 핵융합첨단연구동을 건설 중이어서 건설 현장의 소음이 들리기도 했습니다. 

 

 

 

 

 

 
                                                 2. ITER, KSTAR 현판

그래도 입구에 도착하니 양옆으로 ITER 와 KSTAR 현판이 보이네요.
과연 이것들이 국가핵융합연구소에서 어떤 것을 상징하는 것인지는 잠시 후 설명해 드리겠습니다.


 

 

 

 


                        3. 홍보담당관으로부터 ITER, KSTAR에 대해 설명을 듣고 있다.

홍보담당관님을 만나 국가핵융합연구소에 관한 영상물을 보고, ITER, KSTAR에 관한 설명을 들었습니다. 참! 이곳은 보안등급이 ‘나’급인 중요 국가 시설이라 들어가기 전에 보안검사를 했는데요, 영화에서처럼 비밀연구소 들어가듯이 요란한(?) 절차는 아니었지만, 방문자들의 인적사항 확인과 촬영을 막기 위해 카메라 렌즈나 핸드폰 등에 스티커를 붙이는 절차들이 필요했습니다.

ITER란 무엇일까요?

4. ITER가 건설되고 있는 프랑스 카다라쉬에서 근무하고 있는 7개 회원국에서 온 연구원들


ITER 사업은 핵융합에너지 상용화를 목적으로 이를 과학적, 기술적으로 연구하기위해, 우리나라를 비롯한 주요 선진국(유럽연합, 일본, 미국, 러시아, 중국, 인도)이 공동으로 국제핵융합실험로(ITER)를 건설하고 운영하는 국제협력 프로젝트입니다. 라틴어로 '길'이라는 뜻을 지닌 ITER는 ‘핵융합에너지 시대로 가는 지름길’이라는 의미를 가지고 있습니다. 우리나라도 이 같은 국제적 프로젝트에 선진국과 함께 참여한다는 사실이 매우 기쁘더군요, 이정도면 대한민국 과학기술의 우수성이 입증됐다고도 할 수 있지 않을까요?

이번에는 KSTAR에 대해 알아봅시다.

5. 영화 '아이언맨'의 한장면

여러분 혹시 영화 아이언맨을 보셨나요?
영화에서 보면, 아크원자로 핵융합을 이용해 에너지를 만들고 그 에너지를 수트와 주인공의 심장에 공급하는 장면이 나옵니다. 말하자면 초소형 토카막 장치와 같다고 생각하면 되는데요, 하지만 현실에서 토카막 장치는 이렇게 거대하답니다. 내부도 어마어마하죠?
사실 토카막 장치를 영화와 같이 작게 만드는 것은 매우 힘들다고 하네요.

 

6. KSTAR 진공용기 내부

7. KSTAR

 

 

 

 

 

 

KSTAR는 대체 에너지원인 핵융합로를 위한 안정화된 초전도 토카막 장치, 즉 '한국형 초전도 토카막 연구장치(Korea Superconducting Tokamak Advanced Reserch)'의 영문 첫 글자를 딴 용어로, 플라즈마 형상과 수송의 능동제어를 통해 핵융합로가 정상상태로 운전하도록 연구하는 프로젝트라고 생각하시면 됩니다.

8. Plasma (출처 : flickr :@OakleyOriginals / http://www.flickr.com/photos/oakleyoriginals/6183597043/sizes/z/in/photostream/)

핵융합의 어려운 점은 바로 플라즈마에 있다고 합니다.
플라즈마는 기체, 액체, 고체 상태도 아닌 제 4상태로 불리는데요,
기체 원자의 핵과 전자가 높은 온도에서 분리된 상태라고 보면 조금 더 이해하기 쉬울 것 같습니다.
어쨌든, 이렇게 핵과 전자가 분리되려면 굉장히 높은 온도가 필요한데 대략 1억 도 정도라고 하네요.

9. Sun (출처 : flickr : @NASA Goddard Photo and Video / http://www.flickr.com/photos/gsfc/4923566097/)

대표적인 것이 바로 태양입니다.
태양은 중수소, 삼중수소들이 충돌하면서 헬륨 및 알파입자를 방출하는 핵융합반응이 수시로 일어나는 곳입니다.
그런 의미에서 본다면, KSTAR는 대한민국의 태양인 셈이죠!

근데 1억 도의 온도에서 버틸 금속이 과연 있을까요? 거의 대부분의 금속은 1억 도에서 촛농처럼 녹아내릴텐데 말이죠.
때문에 초고온의 플라즈마를 가두기 위해서는 진공용기 주변에 강력한 자기장을 만들 수 있는 저항이 없는 초전도 자석을 설치하여 강력한 자기장을 만들고 플라즈마를 공중에 띄우도록 합니다.
KSTAR에 활용한 초전도자석은 약 -268도(4.5K)의 극저온에서 구동되기에 초전도 자석을 냉각하기 위해 액체질소와 같은 극저온 냉각장치를 설치해야 한답니다.

10. 국가과학기술위원회(국과위) 기자단

11. KSTAR 건설에 참여한 국내 기업들의 현판

KSTAR를 견학중인 국가과학기술위원회(국과위) 기자단들의 모습입니다. 오른쪽으로는 KSTAR 건설에 참여한 국내 기업들의 현판이 크게 붙어 있습니다.

 

12. 기자단이 KSTAR를 둘러보고 있다.

KSTAR의 웅장한 모습입니다. 엄청난 양의 파이프가 있네요! 위에서 전체적으로 살펴봤는데, 굉장히 복잡해 보였습니다.

13. KSTAR 작동 순간의 기록

지금까지 KSTAR가 작동했던 순간들을 영상으로 모아 놓은 전시관입니다.


14. KSTAR 작동 순간



왼쪽 위부터 차례로 작동했던 순간들을 포착한 사진입니다.
최초 플라즈마 발생 실험에서 거의 2초까지 플라즈마 상태를 유지했다고 합니다.
다른 나라에서는 핵융합 장치 건설 후 한 번에 가동에 성공한 경우가 거의 없다고 하는데 그러고 보면 대한민국은 정말 대단한 것 같습니다.

15. 견학을 마치며, 한 컷.

어느덧 KSTAR 견학이 끝나고 마지막으로 KSTAR 앞에서 기자단이 함께 단체샷을 찍었습니다.
모두들 환한 미소와 함께 찰칵!

개인적으로는 이번 견학이 처음으로 국가연구소를 방문한 것이었는데요, NFRI를 둘러보며 우리나라도 세계의 과학기술에 절대 뒤처지지 않는구나, 하는 생각이 들었습니다.
앞으로 더 많은 투자로 국가과학기술의 발전을 도모했으면 하는 바람입니다.

기초과학이 곧 국가의 발전!! 이상, 최형일 기자였습니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 최 형 일
사진 | 최형일 기자, 국가핵융합연구소(NFRI)
촬영협조 | 국가핵융합연구소(NFRI)
 

 

 

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                한국항공우주연구원(KARI)의 아리랑5호, 아리랑3호를 만나다

한국항공우주연구원(KARI)은 대한민국의 항공우주 전문 연구기관으로, 짧은 역사에 비해 항공우주기술에 있어 단기간에 많은 성장과 발전을 해왔습니다.

이번에는 그 중에서도 가장 최신 기술이 집약되어 발사대기 중인 아리랑 5호와 아리랑 3호를 만나러 떠나볼까합니다!

한국항공우주연구원

하지만 그전에 앞서! 먼저 인공위성의 분류부터 알아볼까요?

인공위성은 크게 방송을 목적으로 한 방송위성, 통신을 목적으로 한 통신위성, 기상 관측을 목적으로 하는 기상위성, 군사 방위를 목적으로 한 군사위성 및 아마추어 무선용 인공위성인 AMSAT이 있습니다.

이 중 우리나라가 보유하고 있는 인공위성들의 종류 및 목적, 그리고 개발 및 소유기관을 나열해 보면, 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

<우리나라가 보유하고 있는 인공위성>
- 우리별(KITSAT) : 과학 실험 위성 – KAIST(한국과학기술원)
- 과학기술위성(STSAT) : 과학 실험 위성 – KAIST(한국과학기술원)
- 무궁화(KOREASAT) : 상용 방송 통신 위성 – KT
- 아리랑(KOMSAT) : 다목적 실용 위성 – KARI(한국항공우주연구원)
- 천리안(COMS) : 기상 관측 위성 – KARI(한국항공우주연구원)
- 한누리(HAUSAT) : 교육용 초소형 위성 – KAU(한국항공대학교)
- 한별(MBSAT) : 민간 위성 (DMB용) - 한국 SKT & 일본 MBCo 공동소유 

이 중에서 오늘은 다목적 실용위성인 아리랑 위성에 대해 알아보도록 합시다.

인공위성의 관측의 방법에 따라 분류하면 광학 위성, 레이더 위성, 적외선 위성으로 나눌 수 있습니다.

 * 광학 위성 : 광학 즉, 인간의 눈으로 관측 가능한 가시광선 파장의 빛을 흡수하여 탑재된 광학렌즈를 통해 관측한다. 즉 대형 카메라 라고 보면 된다.
* 레이더 위성 : 전파 (microwave)를 사용하는 위성으로 날씨와 상관없이 탐지가 가능하다. 발사한 전파가 되돌아오는 미세한 시간차를 이용하여 합성해 지형도를 작성하는 방식이다.
* 적외선 위성 : 열추적이 가능한 적외선 파장의 빛을 사용하여 열감지를 하는 위성이다.

이 중에 오늘 살펴볼 아리랑 3호는 ‘광학 위성’에 속하며, 아리랑 5호는 ‘레이더 위성’ 에 속하게 됩니다.

국가마다 주력으로 삼는 위성의 분야는 다릅니다. 우리나라의 경우, 아직까지는 광학 위성 중심의 레이더 위성으로 점차 입지를 넓혀가고 있는 추세지만, 항공우주산업분야의 후발주자로서는 위성분야에서도 괄목할 만한 성과를 이룩해내고 있습니다.   


기자단 일행은 아리랑 위성을 만나러 가기 전에 각종 정전기와 미세먼지 차단을 위하여 특수 제작된 옷을 입고, 클린룸을 통과하고 나서야 아리랑 5호와 만날 수 있었습니다.

발사를 기다리며 각종 점검 및 테스트를 수행중인 아리랑 5호

여기서, 간단히 아리랑 5호에 대하여 살펴봅시다. 이전의 아리랑 1호, 2호와는 달리 SAR(영상레이더)가 탑재되어 있어, 날씨와 밤낮에 상관없이 전천후 지구관측이 가능합니다. 대부분의 기술 및 장비 국산화가 이루어져 있지만, 광학 위성이 아닌 첫 레이더 위성이다 보니 SAR 제작기술이 국내에 확보되어있지 않아서 공동개발사인 유럽의 위성개발업체 ‘탈레스 알레니아 스페이스 이탈리아(TASI)’와 공동개발 했습니다.

또한 SAR 레이더Synthetic Aperture Rader 의 약자로, ‘합성개구레이더’라는 우리말로 번역됩니다. 군용 목적으로 주로 사용되지만, 최근에 정찰기 및 인공위성의 민간 분야로도 확대되고 있으며, 한국에서는 국방과학연구소(ADD)를 통하여 한국형 SAR을 독자 개발한 이력을 갖고 있습니다. 이러한 SAR의 원리는 기본적으로 짧고 강한 전파를 쏘아 그 반사파가 레이더 안테나에 들어오는 시간을 측정하여 2차원 영상을 구성하는 것입니다. 이때 해상도를 높이기 위해서는 전자 빔이 가늘고 예리해야 하는데요, - 주파수는 높고 파장은 짧아야 한다.- 이러한 반사파를 잘 흡수하기 위해 예리한 방향성을 가진, 오목거울과 닮은 포물면 안테나 (parabolic antena)를 사용하게 됩니다.

아리랑 5호는 ‘태양동기궤도(SSO : Sun-synchronous orbit)’를 도는 인공위성으로, 위성이 매번 궤도 회전을 할 때마다 동일한 시각(local time)에 근점을 통과하게 됩니다. 약 1400kg의 중량을 가지고 있지만, 현재 경량화 작업이 진행 중이며, 1m 해상도*의 SAR 레이더를 탑재하고 있습니다.
(* 1m급 해상도는 지표면의 1m x 1m의 물체 까지 식별 가능하다는 의미.) 

아리랑 5호 앞에서 기자단의 단체 사진

다음으로, 아리랑 3호를 만나러 가 봅시다.

아리랑 3호를 설명 해 주신 연구원

먼저 우리를 맞이한 것은 파란색의 신기하게 생긴 방의 모습이었습니다. 뾰족하게 생긴 파란 물체로 뒤덮인 이 방은 약간 무섭고 음산하기조차 했는데요, 이는 언에코(Unecho) 방으로, 음향의 방음과 무반향 방을 위해 설치했다고 합니다.
RF(radio frequency)를 흡수하여 무반향 공간을 만들기 위한 목적이 더 크다고 할 수 있는데요, 자세히 살펴보니 실제로 상대적으로 더 뾰족한 부분이 있었고, 더 뭉툭한 부분도 존재하고 있었습니다. 뾰족한 부분은 진동수(f)가 큰 RF를 흡수하며, 더 뭉툭한 부분은 진동수가 작은 RF를 흡수하여 결과적으로 방을 무반향으로 만들어 주게 됩니다. 이 물체의 재질은 탄소(C) 가 코팅된 방사성 재질이라고 하네요. 이곳의 원리들을 보며 인공위성에 사용된 각종 최첨단 부품들이 예상보다 훨씬 더 민감하다는 사실을 알 수 있었습니다.

 

 

 




이제 본격적으로 아리랑 3호에 대하여 알아볼까요?

아리랑 3호는 관측용도의 위성으로, 광학 위성입니다. 현재 임무를 수행중인 아리랑 2호에 비하여 향상된 광학 해상도를 가지고 있는데, 흑백의 경우에는 광학 해상도가 70cm, 칼라의 경우에는 2.4m 에 이릅니다. 광학 위성은 쉽게 말해 렌즈의 크기가 어마어마하게 큰 카메라를 탑재한 인공위성을 말합니다. 이는 마치 렌즈 혹은 사람의 눈으로 관찰하는 것과 유사하여, 빛이 적은 밤중이나 기상상태가 좋지 않을 경우에는 관측이 어렵습니다. 아리랑 3호의 궤도는 앞선 아리랑 5호와 같은 태양동기궤도(SSO)입니다.

언에코(Unecho)방 안의 아리랑 3호

이로써 아리랑 5호와 3호에 대하여 살펴보았습니다. 현재 두 위성 모두 막바지 여러 가지 테스트 중이라고 하니, 앞으로 우주에서의 활약 기대 해 보도록 하겠습니다. 연구원에 관련해서는 한국항공우주연구원 홈페이지 (http://www.kari.re.kr/)를 참조하시면 됩니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 헌 준
사진 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 최형일, 하상윤

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

 

                              하늘로 띄운 꿈, 우주에서 찾는 미래!
                                  한국항공우주연구원을 다녀오다.

 지난 10월 13일 국가과학기술위원회 기자단이 대전역에 모였습니다. 대전역에서 차를 타고 얼마 후 도착한 곳은, 바로 '항공우주연구원'입니다. 넓은 대지에 노오란 은행나무들이 가득해 연구원은 마치 넓은 정원 같았습니다. 도착하자마자 홍보실 노형일 행정원과 만나 점심식사를 하고 간단하게 간식을 먹으며 항우연이 어떤 일을 하는 곳인지 설명을 들었습니다.

한국항공우주연구원 KARI

아리랑 3호

아리랑 3호

항우연은 1989년 설립된 대한민국의 항공우주 전문 연구기관입니다. 우리나라 최고 인재들이 모여 첨단항공기, 인공위성, 우주로켓 등 항공우주과학기술을 연구 개발하고 있습니다.

연구기관으로 설립된 이래 다목적실용위성 개발을 위시한 선진국수준의 위성기술 확보, 나로우주센터 건립과 국내 첫 우주발사체인 나로호 개발, 그리고 한국형 헬기사업과 스마트 무인기 사업까지~! 짧은 역사에 비해 적지 않은 성과를 이루고 있답니다.

 

 

 

 

 

미국 TRW사와 협력해 본격적으로 실용위성을 시대를 연 1999년 ‘다목적실용위성 아리랑1호',  우리나라가 주도적으로 개발한 인공위성 ‘다목적실용위성 아리랑 2호’, 그리고 앞으로 발사 예정인 ‘아리랑 5호’와 ‘아리랑3호’까지, 아마 익히 들으셨으리라 생각됩니다.

이것 외에도 우리나라 인공위성의 역사인 ‘우리별1호’와 민간분야의 첫 상용위성‘무궁화위성1호’ 소형과학실험위성인 ‘과학기술위성1호’까지~ 와! 위성의 종류가 참 많은데요. 이번 국가과학기술위원회 기자단의 견학에는 ‘아리랑 3호’와 ‘아리랑5호’에 집중했답니다! 

 우선 항우연 연구원 안에 전시된 모형들부터 살펴보았습니다. 가장 먼저 모습을 드러낸 건, ‘스마트 무인기’군요. 조종사가 타지 않은 이 무인기는 앞으로 재난재해 지역 같은 위험한 곳에서 안전하게 임무를 수행하게 되는데요. 국토의 70% 정도가 산인 우리나라에서는 특히 쓸모가 많을 것이라고 합니다. 1000억 정도의 예산이 쓰인 이 스마트 무인기는 내년에 완성된다고 하네요.

스마트 무인기

스마트 무인기를 살펴보는 기자단

이번에는 여러 가지 위성입니다. 인공위성의 종류에는 지구관측위성, 항법위성, 기상위성, 과학위성, 통신위성이 있는데요. 지금 우주에는 우리나라의 아리랑위성 2호와 천리안위성이 지구를 돌면서 원격탐사와 기상관측을 하고 있습니다. 그 덕분에 우리가 더욱더 편리하고 안락한 생활을 할 수 있는 거겠죠? 우리나라는 앞으로도 아리랑 위성 5호와 3호를 쏘아 올려 더 많은 정보와 혜택을 얻게 될 것입니다.

우리 인공위성을 설명하는 노형일 행정원

자, 그럼 우리 함께 아리랑 위성 5호와 3호를 보러 가볼까요?

잠깐, 아리랑 5호를 보러 들어가기 위해 우리 모두 하얀 옷(?)을 입고 밀폐된 공간에서 바람 같을 것을 쐬었는데요, 바로 전자파를 차단하고 먼지를 털어내기 위해서라고 합니다. 이런 과정을 거쳐, 드디어 아직 공개되지 않은 아리랑 5호를 우리 기자단이 눈앞에서 직접 보게 되었습니다! 아리랑 5호의 웅장함 앞에서 우리들은 귀를 쫑긋 세우고 김진희 다목적실용위성5호 체계팀장의 설명을 듣기 시작했습니다. 아리랑 5호는 영상레이더(SAR)를 달아 밤과 낮, 기상상태 등에 아무 관계없이 전천후로 영상을 얻을 수 있는 위성으로, 이전의 아리랑 2호와 3호가 밝고 맑은 날에만 사진을 찍을 수 있었다면 이 5호는 원하는 때에 지상의 영상을 얻을 수 있는 능력을 가진 위성이랍니다.

아리랑 5호

김진희 다목적실용위성5호 체계팀장

이번엔 아리랑 3호입니다. 헛~! 이 뾰족하게 생긴 것은 무엇일까요? 바로 ‘언에코’라는 건데요. 탄소 코팅되어서 모든 걸 반사하지 않고 흡수한다고 합니다. 아리랑 3호는 2호보다 사진촬영 능력이 높아진, 해상도 70cm급의 고해상도 관측 위성입니다. 이 위성으로 지상의 자전거 정도까지 확인할 수 있다고 하는데요, 지금은 전자파 시험을 하며 위성이 잘 작동하는지와 우주에서 노출되었을 때의 상황을 실험하고 있다고 하네요.




 

벽에 뾰족뾰족 붙어있는 '언에코'


 이렇게 아리랑 5호와 3호를 신나게 구경한 후 위성종합관제실로 발걸음을 옮겼습니다. 관제실 안에서는 실시간으로 영상이 바뀌면서 여러 명의 연구원들이 모니터링을 하고 있었습니다. 백현철 선임연구원의 말씀에 따르면 다목적 실용위성이 한반도 지도제작을 위한 촬영을 100% 완료했고, 또한 국토 모니터링과, 대기와 해양 감시, 재해감시, 북한영상 및 세계주요 도시 영상에 대한 다량의 데이터도 구축했다고 합니다. 이와 같은 위성영상자료들이 앞으로의 연구업무의 중심역할을 수행할 테니, 그 중심축에 자리한 이 위성종합관제실의 역할이 무엇보다 크다는 생각이 들었습니다.

자, 이렇게 항우연 견학을 모두 마쳤습니다. 평소에는 접해보지 못했던 많은 정보를 한꺼번에 보고 들어서인지 다들 머릿속에 과부하가 오기 시작했답니다. 하지만, 항우연이라는 곳에 대해서 속 깊이 들여다 볼 수 있는 좋은 기회였던 것 같습니다.

경험만큼 값비싼 지식과 지혜는 없다고 하죠! 항우연에서 보고 배운 것들을 다른 친구들에게도 알려 우리나라 항공우주연구에 관심이 많아졌으면 하는 바람입니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 조선율
사진 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 최형일, 하상윤

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과학기술 사이버안전센터 종합상황실 ‘24시’ #2


Non-stop 연구정보 지킴이
최근 발생했던 금융기관의 보안 사고에 대한 기사를 살펴보면 전산 시스템 계정의 비밀번호를 계정 이름과 동일하게 설정하거나 0000과 같은 단순한 숫자로 설정하고 약 7년간 그대로 사용했다고 하는 경우를 볼 수 있다. 사실 이렇게 시스템을 취약하게 설정한 경우 이후에 사고가 발생한다고 해도 변명할 길이 없다. 아주 위험한 환경에 어린 아이를 보호자도 없이 내버려둔 것이나 마찬가지기 때문이다. 결국 보안의 핵심은 ‘예방’이다. 밤낮없이 보안관제 서비스를 제공한다고 해도 시스템에 대한 기본적인 보안 설정도 없이 공격 시도를 ‘막는’ 일만 한다면 이후에도 언제든 다양한 공격에 노출될 수밖에 없다.

그렇기 때문에 S&T-SEC에서는 단지 보안관제 업무만 수행하는 것이 아니라 외부의 공격으로부터 연구기관의 시스템들을 1차적으로 보호한다. 그 대표적인 예가 대중에게 가장 이슈가 되고 있는 DDoS 공격을 예방하기 위해서 운영중인 싱크홀이라는 시스템이다. 싱크홀은 좀비PC가 지령 서버(C&C 서버, Command and Control Server)로 접속하지 못하도록 우회시키는 시스템으로, 좀비PC가 공격 지령을 받지 못하기 때문에 향후 발생할 가능성이 있는 악성 활동을 예방할 수 있다.


또한 보안 요원들이 필요 시 연구기관에 방문하여 서버 등 주요 시스템들에 대한 취약점 점검 서비스를 제공한다. 기본적인 비밀번호 설정에서부터 보안과 관련된 시스템 환경 설정까지 하나하나 상세하게 점검한 후 취약점이 발견되면 안전하게 설정하도록 권고한다. 그 외에도 홈페이지, 서버, 라우터 및 개인 PC에 대한 다양한 보안 가이드를 매년 발간하여 연구기관이 자체적으로도 예방활동을 수행할 수 있도록 지원하고 있다.

하지만 S&T-SEC이 가야할 길은 멀다. 박학수 책임연구원은 “갈수록 고도화되고 지능화되는 사이버 공격에 대응하기 위해서는 센터와 연구기관의 상호 협력이 무엇보다 중요하다."며, "S&T-SEC이 과학기술분야의 정보보안을 위해 지원하는 만큼 각 연구기관에서도 자체적인 노력을 통해 함께 대응한다면 안전한 네트워크 환경을 만드는 것이 결코 어렵지 않을 것이다.”라고 말한다.

과학기술 분야에서 단 하나의 사이버 공격도 놓치지 않기 위해 오늘도 S&T-SEC 종합상황실의 불은 꺼지지 않는다.

출처 : FOCUS 5월호

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우리 생활 속 과학이야기

침해위협 탐지 정확도 99%
과학기술 사이버안전센터 종합상황실 '24시'


평소와 다름없이 조용하던 3월 4일 오전 10시. 갑자기 심상치 않은 분위기가 감돌기 시작했다. “앗, DDoS 공격이다!!” “실제상황입니다!!” DDoS 공격임을 알리는 이벤트가 과학기술사이버안전센터(S&T-SEC, Science and Technology SEcurity Center)의 관제화면을 가득 메우고 순간 모든 S&T-SEC 담당자들의 손이 일제히 분주해진다. DDoS 공격을 수행하고 있는 좀비PC 및 피해 대상 사이트를 확인한 후 해당 기관으로 연락하여 상황을 통보하는 과정을 반복하고, 탐지된 좀비PC는 즉시 네트워크로부터 차단시킨다. 얼마간의 시간이 지났을까, 공격이 잠잠해지고 나서도 한동안 촉각을 곤두세우고 화면을 주시하던 사람들이 그제서야 비로소 짧게 한숨을 돌렸다.


최근 발생한 3·4 DDoS 대란 때의 일이다. DDoS 공격은 일반 사용자의 PC를 웜·바이러스 및 악성 프로그램으로 감염시켜 ‘좀비PC’로 만든 다음 명령을 통해 특정 사이트로 엄청난 양의 트래픽을 발생시켜 시스템을 마비시키는 공격 방식이다. 당시 청와대를 비롯한 국가기관 및 금융기관과 유명 국내 포털 사이트를 동시에 공격했던 좀비PC들 중에는 과학기술분야 연구기관의 사용자 PC도 일부 포함되어 있었다.

1분 1초를 다투는 보안관제 업무
사이버공격은 공격자가 어떤 목적을 가지고 언제 어디로 공격을 할지 예측하기 어려우며 실제 발생한 이후에야 그 피해를 확인하고 대처할 수 있다. 따라서 네트워크에 대한 실시간 보안 관제를 통해 피해가 생기지 않도록 예방하고, 이미 피해가 발생한 경우에는 확산을 방지하는 등 피해를 최소화하도록 노력하는 것이 무엇보다 중요하다.

보안업무는 업무 특성상 보안이 잘 이루어지고 있는 경우보다 보안 사고나 장애 등의 불편한 상황이 발생했을 때 이슈가 되는 경우가 대부분이기에 365일 24시간 쉴 틈 없이 보안에 대한 관제를 수행한다고 해도 단 하나의 실수가 발생하면 ‘업무 태만‘으로 평가 받는다. 그래서 보안 업무는 종종 ‘잘해야 본전’이라는 취급을 받으며 기피 대상 업무로 분류되곤 하지만 그럼에도 불구하고 누군가는 꼭 해야 하는 일이라는 것 역시 명백한 사실이다.

 

그렇다면 과학기술 분야에서 이와 같은 일을 하고 있는 이들은 누구일까. 연구기관에서 창출되는 수많은 연구 정보를 보호하고 네트워크에서의 다양한 공격으로 인한 피해를 최소화하기 위해 최전선에서 보안관제 업무를 수행하는 곳이 바로 대전의 한국과학기술정보연구원 내에 위치한 과학기술사이버안전센터(S&T-SEC)이다. S&T-SEC은 2005년에 개소한 이래 현재까지 37개 연구기관에 대해 보안관제 서비스를 비롯하여 침해사고 예방 및 대응 업무를 수행하고 있다.

센터에서 자체 개발한 종합정보분석시스템이 각각의 공격 시도에 관한 모든 정보를 수집 및 1차 분석해서 공격 정보를 다양한 시각에서 분석한 후, 공격 시도라는 판단이 확실해지면 바로 시스템에 사고 내역을 등록하고 이메일 및 전화통화를 통해 대상기관에 대한 대응 및 지원을 제공한다. 이 모든 과정이 약 15분의 짧은 시간 안에 이루어진다. 지난해에는 1,915건의 침해위협 시도를 탐지 및 분석하여 대상기관에 대응 및 지원하였으며, 탐지 정확도가 평균 98.9%인 만큼 높은 정확도를 기록하고 있다.

S&T-SEC을 총괄하고 있는 박학수 책임연구원은 “보안관제도 사람이 하는 일이니만큼 매순간 발생하는 다양한 공격 시도를 100% 정확하게 탐지하기는 어렵다. 하지만 모든 관제요원들이 24시간 365일 불철주야 과학기술 분야의 보안을 위해 노력하고 있으니 그 결과에 대해 아주 조금만 더 관대한 시선으로 바라봐 주면 좋겠다.”라고 호소한다.

②편에서 이어집니다..

출처 : FOCUS 5월호

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우리 생활 속 과학이야기

원자력 안전기술, 세계가 놀라다
한국원자력연구원

지난 3월, 일본의 도호쿠 대지진으로 후쿠시마의 원자력발전소 4기가 파손되는 사고가 일어났습니다. 이 사고를 계기로 여러 나라들은 원자력발전소의 안전성을 검토하고 IAEA도 안전관련 규정을 강화하는 등 대책 마련에 분주한데요, 이에 따라 한국원자력연구원의 안전 관련 연구개발능력과 성과가 집중 조명 받고 있습니다.
Editor_김택원 동아사이언스 기자 | Photo_한국원자력연구원


2011년 3월, 후쿠시마 원자력발전소(이하 원전) 사고는 원전 부흥의 분위기에 찬물을 끼얹었습니다. 1986년의 체르노빌 참사에 필적하는 수준의 사고는 그동안의 기술 발전에도 불구하고 단 한 번의 원전사고로 돌이킬 수 없는 재앙을 초래할 수 있다는 사실을 새삼 확인시켜 준 것이 되어 버렸습니다. 하지만 이번에는 체르노빌 때와 달리 국제사회가 빠르게 안정을 되찾고 있는데요, 프랑스는 4세대 원전 개발 계획을 대대적으로 발표했고 다른 많은 나라들도 신중하게나마 원전 건설을 재추진할 의사를 보이고 있습니다. 이는 사실상 에너지 위기에 대한 대안이 마땅치 않기 때문이기도 하거니와 원전 자체의 안전성은 여전히 신뢰받고 있기 때문입니다. 결국 후쿠시마 원전 사고는 원자력이 유일한 대안이라는 사실을 역설적으로 재확인해 준 셈이 되어버렸다고 할 수 있겠네요.

그렇다면 한국의 원자력 안전 연구는 어느 정도 수준일까요? 사실 새로운 원전을 개발하던 한국은 원자력 안전 연구에 지속적으로 투자하고 주요 실험설비를 만들어 운영하며 기술력을 차곡차곡 쌓아나갔습니다. 그리고 그 결과 원자력 안전 분야에서는 이제 선진국을 뛰어넘어 선도적인 위치에 올랐습니다. 물론 이러한 성장세의 이면에는 꾸준히 연구에 매진해 온 연구원들과 세계적 수준의 실험설비가 있었습니다.

전원 차단에도 냉각유지시스템 발표에 ‘깜짝’

한국원자력연구원의 송철화 열수력안전연구부장은 2011년 국제원자력회의에서 한국의 위상을 확인할 수 있었다고 합니다. 프랑스 니스에서 5월 첫 주에 열렸던 이번 회의에서 송 부장은 한국이 새로 개발 중인 APR+ 원자로에 대해 발표하면서 여기에 적용된 최신기술, PAFS(피동형 보조급수계통)를 소개했습니다.

“다들 깜짝 놀랐습니다. 당시는 후쿠시마 원전 사고의 충격이 채 가시지 않았을 때였는데 후쿠시마 사례처럼 모든 전원이 차단되는 극단적인 상황에서도 유지될 수 있는 냉각시스템을 선보였으니까요.”

원자로는 핵연료를 연소하면서 지속적으로 높은 열을 발생시킵니다. 이때 이 열을 적절히 식히지 않으면 원자로의 온도가 계속 올라 녹아버리는 ‘노심용융’이 일어날 수 있기 때문에 물을 이용하여 원자로를 적절히 냉각해주어야 합니다. PAFS는 전원이 차단되어 펌프가 작동하지 않아도 냉각수를 공급하는 장치로, 만약 후쿠시마 원전에 PAFS가 있었다면 이번 참사와 같은 사고는 분명 피할 수 있었을 것입니다.

열수력 안전 연구는 바로 이러한 PAFS 같은 안전설비를 개발하는 데 결정적인 역할을 하는 연구로, 냉각수의 흐름과 열전달이 어떻게 이루어지는지를 연구하며 한국은 이 분야에서 세계 최고 수준으로 알려져 있습니다.

이는 한국원자력연구원 종합엔지니어링 실험동에 자리 잡은 ATLAS(Advanced Thermal-h0ydraulic Test Loop for Accident Simulation) 덕분이라고 할 수 있는데요 높이 30m가 넘는 ATLAS는 원자로를 거의 고스란히 모사한 시뮬레이션 장치로, 핵연료봉 대신 전기를 이용하여 열을 낸다는 점만 다르다고 합니다. ATLAS는 실제 운용중인 경수로의 280분의 1 크기지만 온도나 압력, 냉각수의 흐름 등은 실제 원자로와 완전히 동일하기 때문에 실제로 일어날 수 있는 거의 모든 사고를 일으키고 시험해 볼 수 있습니다. 물론 수많은 밸브로 재현되는 사고 상황은 교실 하나 크기의 관제실에서 완벽히 통제되니 안전은 걱정할 필요가 없겠지요.

세계 3대 열수력 종합효과 실험시설로 인정받는 ATLAS는 경제협력개발기구(OECD) 산하 원자력기구(NEA)의 각종 실험을 수행하고 APR+ 설계와 매뉴얼 개발에 필요한 데이터를 생산하는 등 한국 원전 기술의 상징으로 다양한 활약을 했습니다. 특히 아랍에미리트(UAE)의 원전 계약 관계자들이 ATLAS를 방문하고 한국형 원전의 신뢰성을 확신했다는 일화는 지금도 매우 유명합니다.

세계 최초로 증기폭발 실증
한국원자력연구원 종합엔지니어링 실험동 바로 옆에는 ‘노심용융물 냉각실험동’이 자리잡고 있습니다. ATLAS보다 대중적으로 덜 알려졌지만 국제적으로 인정받은 연구장치, TROI(Test for Real cOrium Interaction with Water)가 여기서 운용되는데요, TROI는 지르코니아, 우라니아, 철 등을 포함한 복합 재료를 넣고 녹여서 실제 노심이 용융되는 사고를 재현해 보는 장치로 핵 연료봉이 녹는 사고가 발생했을 때 원자로가 어떤 손상을 입는지 시뮬레이션 하게 됩니다.

일반적인 환경에서는 중대사고가 일어나지 않지만 후쿠시마 원전과 같이 극단적인 자연재해로 원자로 내부의 냉각수가 손실되면 노심이 녹는 상황이 발생할 수 있는데, 이때 파손된 원자로 용기에서 방출된 고온의 원자로 물질이 주변의 물과 반응하여 폭발하는 현상으로 증기폭발이 일어나면 격납건물이 손상되어 다량의 방사성 물질이 대기 중으로 퍼질 수 있어 매우 위험합니다. TROI는 바로 이러한 용융물질이 원자로를 녹이고 빠져나가 물과 반응할 때 증기폭발 하중에 의한 격납건물 안전성을 조사하는 장치입니다.

그동안 ‘중대사고’는 그 중요성에 비해 관련 연구가 부족한 실정이었으나 한국원자력연구원은 자체 제작한 TROI로 실제 핵연료 물질에서 증기 폭발이 발생할 수 있음을 세계 최초로 실증했으며, 현재 그 성과를 인정받아 프랑스와 국제 공동 연구를 수행하고 있습니다. 2007년 10월부터 2011년 9월까지 4년 간 260만 유로의 연구비가 투입되는 이 연구에는 미국, 프랑스, 독일, 캐나다, 일본을 포함하여 11개국 16개 기관이 참여했습니다.

원전 기술은 일반적인 인식 이상으로 안전성이 높으며 무엇보다 에너지 위기에 대비하는 데 가장 현실적인 대안입니다. 다행히 한국은 이러한 원자력 안전 연구 분야에서 세계적으로 인정받고 있으며 탄탄하게 검증된 안전성으로 한국의 원전 사업 전망도 매우 밝습니다. 그러나 본격적인 안전 연구는 아직 시작 단계라고 할 수 있습니다. 기술적인 안전성은 확보했으나 앞으로 유사시 대응을 위한 매뉴얼을 개발하고 안전기준을 정하는 데는 더 많은 연구가 필요하겠지요. 세계적으로도 원자력 안전 연구에 이목이 집중되는 만큼 장기적인 안목으로 전략적인 투자가 필요할 것으로 보입니다.

출처 : FOCUS 9월호 발췌

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