- 인간 시각과 유사한 감지 능력을 가진 신경 스페로이드 생산 - 색을 구분하여 빛 정보를 신경신호로 전달하는 생체 디바이스 사고에 의한 시각 손상, 황반변성, 당뇨성 등의 망막 질환으로 시각을 잃은 사람들에게 ‘인공 망막’ 기술은 새로운 희망이 되고 있다. 인공 망막 연구는 실제 인체에 적용하기 전 실험동물에 망막 질환이 발생하도록 유도한 후 인공 망막 기술의 효과성을 검증하는 과정을 거친다. 그런데 이 과정에서 적지 않은 연구비가 쓰이고, 냄새나 소리 등 시각 이외의 감각 정보로 인한 쥐 행동의 변화를 인공 망막에 의한 것으로 오인하는 등 예상치 못한 실험적 변수들이 발생하기도 한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 센서시스템연구센터 김재헌 박사, 송현석 박사팀과 뇌융합기술연구단 김홍남 박사팀이 생체 외 세포 실험을 통해 인간과 같은 수준의 시각 기능을 갖는 인공 광수용체를 제작하고, 이 인공 광수용체에서 빛을 받아 생산된 전기적 신호를 다른 신경세포로 전달하는 인공 시각회로 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 인간의 망막은 원추세포와 간상세포로 이루어져 있다. 원추세포는 빨강, 초록, 파란색 세 가지 색감을 구분하는 광수용체 단백질을 생산하고, 간상세포는 명암을 구분하는 광수용체 단백질을 생산한다. 인간의 눈은 외부에서 들어온 빛이 망막에서 맺혀 상을 형성하면, 시신경을 통해 뇌로 전달하는 과정을 통해 사물을 본다. 기존의 인공 망막 연구는 단일 신경세포에 전자천공법을 사용하거나 바이러스-유전자를 주입하는 방식을 사용했으나, 인공적으로 광수용체 단백질을 발현시키기 전에 신경세포가 기능을 잃거나 괴사하는 문제가 있었다. KIST 연구진은 신경세포의 기능성과 생존력을 높인 스페로이드 (spheroid)라는 세포 군집을 광수용체 발현을 위한 플랫폼으로 이용함으로써 세포 간 상호작용을 증대하여 안정적으로 인공 광수용체 단백질을 발현시키는 데 성공했다. 기존에는 2차원 세포배양 시 광수용체 단백질을 주입했을 때 50% 이하의 신경세포들만 생존했다면, 신경 스페로이드를 활용하면 80% 이상의 높은 생존율을 가지게 된다. KIST 연구진은 명암을 구분하는 로돕신(~490nm)과 색 구분을 위한 청색 옵신(~410nm) 단백질을 발현하여 각각 청색과 녹색에서 선택적인 반응성을 가지는 스페로이드를 제작했다. 연구진이 제작한 스페로이드는 사람의 눈이 인식하는 색과 동일한 파장에서 반응을 일으켰다. 그 후 눈을 모사한 광반응성 신경 스페로이드와 뇌를 모사한 일반 신경 스페로이드를 연결한 디바이스를 제작하고, 일반 스페로이드까지 신경전달이 확장되는 과정을 형광 현미경을 통해 포착하는 데 성공했다. 즉, 인간의 뇌가 어떤 과정에 의해 망막에서 발생한 신호를 다른 색으로 인지하는지 탐색이 가능한 시각신호 전달 모델을 만든 것이다. KIST 김재헌 박사는 “인공 광수용체의 시각신호 전달 가능성을 다각적으로 검증함으로써 동물실험 의존을 줄이고 연구비용을 절감할 수 있는 플랫폼”이라며, “앞으로 인간이 볼 수 있는 모든 색을 인식할 수 있는 스페로이드를 생산해 시각 관련 질환 및 치료에 대한 테스트 키트로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다. 해당 연구는 KIST 내 부서 간 융합연구를 통해, 도전적이고 인류에 공헌하는 기술 개발을 목표로 하는 그랜드 챌린지(GRaND Challenge) 사업을 통해 개발되었다. 연구팀은 향후 사람의 망막 기능을 대체할 수 있는 인공 시스템 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Advanced Materials」에 게재되었다. [그림 1] 광반응성 신경세포 스페로이드 기반 눈-뇌 인간 시각 모사 모델 눈과 시신경, 뇌로 이어지는 사람의 시각 시스템을 하나의 디바이스안에 광반응성-신경세포(photospheroid) 스페로이드를 활용하여 모사한 모델을 제작함. 신경세포 안에 인간 광수용체 옵신 단백질을 생산하여 빛에 대한 반응성을 기능추가 하였고, 디바이스 안에 일반-신경세포(intact spheroid)와 배치하여 신경네트워크를 형성하였음. 왼쪽 광반응성-신경세포에 빛으로 자극하면, 신경돌기를 따라 일반-신경세포로 신경신호가 전달됨. ○ 논문명: Eye-mimicked neural network composed of photosensitive neural spheroids with human opsin proteins ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.06.28. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202302996 ○ 논문저자 - 김재헌 책임연구원 (교신저자 / KIST 첨단소재기술연구본부 센서시스템연구센터) - 김홍남 책임연구원 (교신저자 / KIST 뇌과학연구소 뇌융합기술연구단) - 송현석 책임연구원 (교신저자 / KIST 첨단소재기술연구본부 센서시스템연구센터) - 박병호 선임연구원 (제1저자 / KIST 첨단소재기술연구본부 센서시스템연구센터) - 방석영 교수 (제1저자 / 동국대학교 의생명공학과) * * 연구 수행 당시, KIST 뇌과학연구소 뇌융합기술연구단 소속 박사후연구원 - 황경섭 박사과정 (제1저자 / /KIST 뇌과학연구소 뇌융합기술연구단) - 차연경 박사후연구원 (제1저자 / KIST 첨단소재기술연구본부 센서시스템연구센터)

- 직조 구조를 모방한 소프트 로봇 그리퍼 개발 - 소프트 로봇 그리퍼의 우수한 성능·경제성·공정 효율성 모두 확보 천, 종이, 실리콘과 같은 부드럽고 유연한 소재를 활용해 만든 소프트 로봇 그리퍼(Gripper)는 로봇의 손처럼 동작해 물체를 안전하게 잡거나 놓는 등의 기능을 수행하는 필수 장치이다. 기존의 강성 재료 그리퍼와 달리 유연성과 안전성이 높아 계란과 같이 깨지기 쉬운 물체를 다루는 가사용 로봇이나 다양한 형태의 물건을 운반해야 하는 물류용 로봇을 위해 연구되고 있다. 하지만 적재 용량이 낮아 무거운 물체를 들어올리기가 어렵고, 파지(grasping) 안정성이 떨어져 약한 외부 충격에도 물체를 놓치기 쉬웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 지능로봇연구단 송가혜 박사 연구팀은 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 항공우주공학과 이대영 교수팀과 함께 130g의 소재로 100kg 이상의 물체를 파지할 수 있는 직조 구조의 소프트 그리퍼를 공동 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 소프트 로봇 그리퍼의 적재 용량을 높이기 위해 새로운 소재를 개발하거나 구조를 보강하는 기존 방식과 달리 직물에서 착안한 새로운 구조를 적용했다. 연구팀이 주목한 직조 기술은 낱개의 실을 단단히 얽어 견고한 직물을 만드는 기술로, 무거운 물건을 안정적으로 지지할 수 있어 수 세기에 걸쳐 의류, 가방 및 산업용 직물 등에 활용되고 있다. 연구팀은 얇은 PET플라스틱 띠들이 직조 구조로 얽히고 풀어질 수 있도록 설계해 그리퍼를 제작했다. 이렇게 제작된 직조 구조의 그리퍼는 130g의 무게로 100kg의 물체를 파지할 수 있다. 같은 무게의 기존 그리퍼는 최대 20kg 이내를 들어 올릴 수 있었고, 동일한 무게를 들어 올릴 수 있었던 그리퍼는 무게가 100kg에 달하는 점을 고려했을 때 자체 무게 대비 적재 용량을 월등히 증가시키는 데 성공했다. 또한, 연구팀이 개발한 소프트 로봇 그리퍼는 재료 단가가 수천 원에 불과한 플라스틱을 사용하며, 다양한 형상과 무게의 물체도 파지가 가능한 범용 그리퍼로 활용할 수 있어 높은 가격 경쟁력을 가지고 있다. 뿐만 아니라 플라스틱 띠를 체결하는 방식만으로 소프트 로봇 그리퍼의 제작이 완료되기 때문에 제작공정이 10분 이내로 간단하고 교체 및 유지보수도 쉬워 공정 효율성이 뛰어나다. 한편, 연구팀이 주재료로 활용한 PET 외에도 탄성을 보유한 고무 및 화합물 등의 다양한 재료로도 제작할 수 있어 강한 파지 성능이 필요한 산업 및 물류 현장이나 극한 환경을 견뎌야 하는 다양한 환경에 적합한 그리퍼를 맞춤 제작, 활용할 수 있다. KIST 송가혜 박사는 “이번에 개발된 직조 구조의 그리퍼는 소프트 로봇의 강점이 있으면서도 강성 그리퍼 수준으로 무거운 물체를 움켜쥘 수 있다. 또한, 동전부터 자동차까지 다양한 크기로 제작할 수 있으며, 얇은 카드부터 꽃에 이르기까지 여러 가지의 형태와 무게의 물체를 파지할 수 있어 소프트 그리퍼를 필요로 하는 산업, 물류, 가사 등의 분야에서 활용가능할 것으로 기대된다"라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업(2022R1C1C1003718), 해외고급과학자 초빙사업(NRF-2020H1D3A2A03099291), 기초연구실지원사업(NRF-2020R1A6A3A01099512)을 통해 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’ (IF:16.6, JCR 분야 상위 8.2%)에 8월 2일 게재됐으며 분야별 최고의 50개 논문을 소개하는 Editors’ Highlights에 선정됐다. [그림 1] 직조 구조의 그리퍼 구상도 [그림 2] 그리퍼의 동작 모습 및 성능 [그림 3] 직조 구조의 그리퍼와 소프트 그리퍼, 강체 그리퍼의 그리퍼 무게 대비 페이로드(로봇이 들어올릴 수 있는 최대 무게) 비교 ○ 논문명: Grasping through dynamic weaving with entangled closed loops ○ 학술지: Nature Communications ○ 게재일: 2023. 8. 2. ○ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40358-y ○ 논문저자 - 강경지 학생연구원(제1저자/KIST 지능로봇연구단) - 송가혜 선임연구원(교신저자/KIST 지능로봇연구단) - 이대영 교수(교신저자/ KAIST 항공우주공학과)

- 단일 전자소자로 추가 센서, 메모리 없이 외부 기체 자극을 감지, 기억 - 기존 가스 센서의 한계 극복해 전자 코 및 휴머노이드 분야 활용 기대 최근 인공지능과 휴머노이드가 대두되면서 인간처럼 다양한 감각을 감지하기 위한 전자소자 연구가 활발하다. 인공후각도 그 가운데 하나인데, 산업 현장에서 가스 유출을 감지하고, 세균과 바이러스 같은 유해 요소를 단시간에 찾아내는 데 쓰일 수 있다. 하지만 물리적인 자극을 감지하는 시각, 청각, 촉각에 비해, 화학적인 자극을 감지해야 하는 후각은 정보처리 과정이 까다로워 지금까지 발전이 더뎠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 첨단소재기술연구본부 강종윤 본부장, 전자재료연구센터 윤정호 박사팀이 뉴로모픽 반도체 전자소자인 멤리스터 소자를 이용해 인간의 후각 신경 시스템과 유사하게 외부 기체 자극을 손쉽게 전기적인 신호로 변환하고 처리하는 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 개발한 전자소자는 단일소자에서 외부 기체 자극을 전기적인 신호로 변환하고 이력을 저장할 수도 있다. 인간의 후각 시냅스는 외부 자극에 대한 정보를 변형해 다음 뉴런에게 전달한다. 이때 시냅스가 자극을 변형하는 정도를 ‘가중치’라 한다. 이를 모방하기 위해서는 외부 기체 자극에 대한 정보를 아날로그 방식으로 제어할 수 있어야 하는데, 지금까지 인공후각 분야에서 주로 연구하고 있는 산화물 반도체형 가스 센서로는 불가능했다. KIST 연구진은 멤리스터 소자에 산소 공공이 발생함에 따라 전기저항이 낮아지는 현상을 통해 인간의 후각 시냅스를 모사했다. 후각 시냅스가 외부 기체의 종류(산화, 환원성 기체)에 따라 반응이 달라지는 것을 이용해 산소 공공의 개수를 미세하게 조절함으로써 점진적으로 소자의 전도도를 변환시켜 인공후각 시냅스의 아날로그 특성을 모방한 것이다. 연구진은 개발한 인공후각 시냅스 소자를 어레이(array) 형태로 구성했을 때 가스 누출 지점으로부터의 거리에 따라 감응 특성이 달라지는 것을 통해 가스 누출의 특정 패턴을 감지하는 신경망 시뮬레이션을 수행했다. 개발된 뉴로모픽 인공후각 시냅스 소자는 최대 92.76%의 추론 정확도를 확보해 우수한 성능을 입증했다. 또한 동일한 구조를 가지는 인공후각 시냅스 소자와 위험 정도 조절기(risk-level controller)를 직렬로 연결해, 가스의 노출 농도를 모니터링하고 위험한 정도를 넘으면 알려주는 알람 시스템을 개발했다. 기존 반도체식 가스 센서는 자체적으로 위험 가스 노출 이력을 저장할 수 없어 메모리를 추가해야 하기 떄문에 시스템이 복잡하고 추가 전력 소비도 필요하다. 반면 KIST 연구진이 개발한 소자는 자체적으로 위험 가스의 노출 시간에 따른 절대량을 기억할 수 있기 때문에 상시 모니터링이 가능할 뿐만 아니라 에너지 효율도 높은 장점이 있다 KIST 강종윤 박사는 “이번에 개발한 인공후각 시냅스 소자는 산소 공공의 개수를 미세하게 조절하는 새로운 메커니즘으로 단일소자를 이용해 외부 기체 자극을 탐지할 뿐만 아니라 이를 기억할 수도 있어 기존 가스 센서의 한계를 극복하고, 향후 인공후각 분야를 선도할 수 있는 연구성과”라고 밝혔다. 함께 연구를 주도한 윤정호 박사는 “인간의 날숨이나 피부에서 분출되는 화학물질에서 질병 유무를 진단할 수 있는 헬스케어용 센서 등, 실시간으로 인체의 생체신호 데이터를 처리하는 in-sensor 컴퓨팅 연구에 기여할 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구사업, 차세대지능형반도체기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ (IF : 32.086, JCR 분야 상위 2.17%) 온라인판에 게재되었고, 표지논문(inside back cover)으로 최신호에 출판되었다. [그림 1] 인공 후각을 모사한 전자소자 기술 [그림 2] 외부 기체 종류에 따른 아날로그 후각 시냅스 특성을 나타내는 전자소자 ○ 논문명: An Artificial Olfactory System Based on a Chemi-Memristive Device ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023. 4. 28. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202302219 ○ 논문저자 - 전석엽 학생연구원(제1저자/KIST 첨단소재기술연구본부장실) - 송영근 박사후연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터) - 김지은 학생연구원(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 권재욱(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 소근호 학생연구원(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 권주영 위촉연구원(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 강종윤 책임연구원(교신저자/KIST 첨단소재기술연구본부장) - 윤정호 선임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터)

- 수전해 과정에서 부식 문제로 외면받았던 탄소의 활용 방법 제안 - 탄소 지지체와 저렴한 촉매 사용하면 우수한 수전해 성능 및 내구성 확보 가능 국제에너지기구인 IEA에 따르면 2050년 전 세계 수소 수요는 5억 3천만 톤으로 2020년 대비 약 6배 증가할 것으로 예상된다. 현재 가장 일반적인 수소 생산 방식은 천연가스와 수증기를 반응시키는 것으로, 생산 과정에서 이산화탄소를 발생 시키기 때문에 그레이 수소라 부르며 전체 수소 생산량의 약 80%를 차지한다. 이와 대비되는 그린 수소는 전기에너지로 물을 분해해 생산하기 때문에 이산화탄소 배출이 없다. 문제는 이리듐 산화물 등과 같은 값비싼 귀금속 촉매이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 탄소 지지체를 도입해 우수한 성능 및 내구성을 갖는 음이온 교환막 수전해 장치를 구현함으로써 그린 수소 생산 단가를 대폭 줄이는 데 성공했다고 밝혔다. 탄소 지지체는 높은 전기 전도도와 표면적을 갖고 있어서 다양한 촉매의 지지체로 활용됐으나, 수전해에 필요한 높은 전압과 물이 많은 환경에서는 쉽게 이산화탄소로 산화해 사용이 제한적이었다. 연구팀은 이리듐보다 저렴한 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 소수성 탄소 담지체 위에서 합성해 음이온 교환막 수전해의 산소 발생 반응 촉매를 개발했다. 음이온 교환막 수전해에서 탄소의 부식을 최소화하기 위해 소수성 탄소 지지체와 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 촉매가 면대면으로 접합하고 있는 층상 구조를 고안한 결과, 탄소의 부식을 일으키는 물과의 상호작용이 줄어들어 부식 과정에서 발생하는 이산화탄소가 절반 이하로 적게 검출됨을 확인했다. 성능평가 결과, 이번에 개발한 탄소 지지체 기반의 수전해 촉매의 전류밀도가 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 10.29A/cm-2를 나타내 상용 촉매인 이리듐 산화물 촉매의 전류밀도 9.38A/cm-2보다 크다는 사실을 확인했으며 약 550시간의 장기 내구성을 동시에 확보했다. 또한, 탄소의 소수성 변화에 따라 성능이 달라짐을 확인해 지지체의 소수성이 수전해 장치의 성능을 결정하는 하나의 주된 요인임을 처음으로 규명했다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구 성과는 기존에 부식 문제로 사용이 제한적이었던 탄소 지지체의 수전해 장치 적용 가능성을 확인한 것으로, 그동안 촉매개발에 집중됐던 연구를 다양한 지지체로 확장한다면 수전해 기술이 한 단계 성장할 수 있을 것으로 기대된다”라며, “그린수소 생산을 포함한 다양한 친환경에너지 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948, 2021M3H4A3A02086681), 한국에너지기술평가원(원장 권기영) 신재생에너지핵심기술개발사업(20203020030010) 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 환경 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%)에 6월 12일 온라인 게재됐다. [그림 1] 소수성을 띄는 결정성 탄소 위에 담지된 니켈-철-코발트 층상 이중산화물 이미지와 결정성 카본의 이미지 수전해 전극은 왼쪽 위 그림과 같이 막, 촉매층, 기체 확산층으로 구성된다. 막을 통해 OH- 이온이 공급되며 기체 확산층을 통해 수전해 결과 만들어진 산소 기체가 빠져 나간다. 촉매와 반응물이 접촉할 수 있는 면적이 넓고, 반응 생성물이 빠르게 제거될 수 있도록 촉매층을 형성시키는 것이 중요하다. 본 연구는 물과 상호작용이 적은 소수성 탄소를 도입해, 촉매 주변 물의 흐름을 빠르게 만들어주었다. 이 결과 반응물 공급 및 생성물 제거가 효율적으로 이뤄졌으며, 탄소와 물이 만나 부식되는 문제 역시 해결되었다. [그림 2] 니켈-철-코발트 층상 이중산화물 탄소 담지제 시간별 투과전자 현미경 사진, EDS 원소 맵핑 이미지 그림 (좌상)에서는 탄소 지지체가 있을 때 얇은 촉매가 합성되며, 탄소 지지체가 없는 경우 두껍고 뭉친 형태의 촉매가 합성됨을 나타낸다. 그림 (좌우)는 반응 초반 철 클러스터가 초기에 형성되고, 그 위에서 얇은 층상 이중산화물 촉매가 성장해나가는 모습을 보여준다. 탄소와 면대면 접합을 하는 매우 얇은 형태의 촉매가 합성되었음을 투과전자현미경 이미지, EELS 원소 맵핑 이미지 및 각도를 틀어가며 얻은 이미지를 통해 면 구조를 확실하게 확인할 수 있다. [그림 3] 니켈-철-코발트 층상 이중산화물의 전기화학적 활성 평가 및 단위전지 테스트 결과 실제 수전해 성능을 평가한 결과로, 전압에 따라 얻어지는 전류 밀도 값이 클수록 성능이 좋다고 본다. 소수성 탄소에 지지된 촉매의 성능이 상용 이리듐 산화물 촉매 (9.38 A cm-2@2.0V) 및 친수성 탄소 지지촉매 (6.91 A cm-2)와 비교해 우수한 결과 (10.29 A cm-2)를 나타내었다. 또한, 약 550 시간의 우수한 장기 내구성을 나타내었다. 이는 1.8V에서 질량비출력 및 내구성 측면에서 기존 발표된 수전해 촉매들보다 우수한 결과라는 것을 확인할 수 있었다. ○ 논문명: Realizing the Potential of Hydrophobic Crystalline Carbon as a Support for Oxygen Evolution Electrocatalysts ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023.06.12. ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00987d ○ 논문저자 - 김명근 박사후연구원(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 이태경 박사과정생 (제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 이응준 박사후연구원(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수 년 걸리던 3200여개 촉매 후보소재 성능 하루 만에 탐색 완료 - 백금(Pt) 촉매보다 값싸고 효율적인 삼원소계 합금(Cu-Au-Pt) 신촉매 개발 수소차에 사용되는 양성자 교환막 수소연료전지(PEMFC)는 양극에서 산소 환원 반응이 잘 일어나도록 값비싼 백금 촉매를 사용한다. 백금보다 더 효율적이고, 경제적인 촉매 소재를 개발하기 위해서 탐색해야 하는 원소의 조합과 조성이 방대해 이 순간에도 연구자들은 실험실에서 수많은 시행착오를 거치고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 계산과학연구센터 김동훈 박사, 한상수 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 신소재공학과 이혁모 교수 공동연구팀이 새로운 인공지능 기반 촉매 선별 방법론을 제시하고, 이를 통해 순수 백금 촉매보다 더 값싸고, 2배 이상 높은 성능의 삼원소계 합금(Cu-Au-Pt) 신규 촉매 소재 개발에 성공했다고 밝혔다. 공동연구팀은 촉매 표면에서 흡착 물질이 결합하는 에너지를 정확하게 예측하기 위해 SGCNN(촉매구조 그래프 합성곱 신경망) 인공지능 모델을 개발했다. 소재 탐색에 인공지능을 적용한 사례가 처음은 아니다. SGCNN 모델은 고체 소재의 벌크(bulk) 물성 예측에 특화된 CGCNN(결정 그래프 합성곱 신경망) 모델을 촉매 소재의 표면 물성 예측이 가능하도록 발전시킨 것이다. 그런데 벌크 물성과 표면 물성을 예측하는 것의 차이는 크다. 촉매의 표면 물성을 빠르고 정확히 예측할 수 있으면 이를 바탕으로 소재의 안정성, 성능, 비용의 3요소를 모두 충족하는 촉매를 더욱 효율적으로 선별할 수 있다. 실제로 해당 방법론으로 연료전지 양극반응 촉매를 개발했을 때 약 3,200개의 삼원소계 후보 소재들의 가능성을 단 하루 만에 탐색할 수 있었는데. 이것은 기존에 촉매 물성 예측에 사용되던 밀도범함수이론(DFT)을 이용한 흡착에너지 시뮬레이션 계산법으로는 수년이 소요되던 규모다. 연구진은 약 3,200개의 후보 소재 가운데 백금 촉매를 능가할 가능성이 있는 10개의 촉매에 대한 실험검증을 통해 삼원소계(Cu-Au-Pt) 신규 합금촉매를 개발했다. 이 촉매는 순수 백금촉매 대비 백금 원소를 37%만 사용하지만, 반응전류밀도(kinetic current density)는 순수 백금 촉매보다 2배 이상 높게 나오는 고성능을 보였다. 또한 해당 촉매는 안정성 테스트를 5,000회 거친 후에도 성능 열화가 거의 일어나지 않는 훌륭한 내구성을 보였다. KIST 김동훈 박사는 “향후 양질의 흡착에너지 데이터를 지속해서 구축해 더욱 정교한 인공지능 모델링을 수행할 계획이며, 이는 촉매 소재 개발의 성공률을 더욱 향상시킬 것”이라고 기대했다. 이번에 개발된 방법론은 수소 연료전지용 촉매뿐만 아니라 수소경제 실현에 필수적인 수전해 기반 수소 생산과 같은 다양한 촉매 반응에도 즉각 적용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 연구팀은 소재 및 시스템 최적화를 통해 개발된 촉매의 단가를 더 낮추고, 성능을 향상시킬 계획이다. 이번 연구성과는 삼성전자(대표이사 경계현)의 삼성미래기술육성사업(SRFC-MA1801-03) 및 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재연구데이터플랫폼사업 지원으로 수행되었으며, 한국에너지기술연구원 박영태 박사후 연구원과 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 황창규 연수생 (고려대학교 박사과정 학생)이 공동 제1저자로 참여하여 국제 학술지 「Applied Catalysis B: Environmental」에 7월 24일 온라인 개재되었다. [그림 1] 인공지능 기반 수소연료전지 촉매 설계 연구의 요약 도식도 [그림 2] 인공지능 모델 개발을 위해 사용된 KIST 계산과학연구센터 서버팜(server farm) 및 고성능 GPU 기반 슈퍼컴퓨팅 자원 [그림 3] 인공지능 모델링 기반의 고기능성 촉매 선별 방법론 [그림 4] 머신러닝을 통해 예측한 삼원계 합금촉매(Cu3Au@Pt)의 구현을 위한 스퍼터링, 아크플라즈마 박막 증착 공정 및 산소환원반응 특성 결과 ○ 논문명: Machine learning filters out efficient electrocatalysts in the massive ternary alloy space for fuel cells ○ 학술지: Applied Catalysis B: Environmental ○ 게재일: 2023.07.24. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123128 ○ 논문저자 - 박영태 박사후연구원(제1저자/KAIST 신소재공학과) - 황창규 박사과정 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김동훈 선임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 이혁모 교수(교신저자/KAIST 신소재공학과)

- 기존 대비 편리성과 정확도 높인 새로운 글루타민 측정 센서 개발 - 살아있는 세포의 글루타민의 농도 변화의 실시간 모니터링 성공 2023년 우리나라의 기대수명은 83.6세로 OECD 회원국 중 세 번째로 높고, 매년 꾸준히 늘어나고 있다. 노인인구 비율이 증가하면서 다양한 노인성 질환의 치료에 드는 사회적 비용 또한 급격한 증가 추세여서 질환 조기 진단에 관한 관심이 높아지고 있다. 다양한 진단방식 가운데 암, 당뇨, 치매 등 중증 환자의 세포 및 혈액에서 글루타민 농도가 정상인 대비 크게 변화하는 것을 밝혀내 노인성 질환의 지표로써 글루타민을 측정하는 연구가 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 천연물소재연구센터 서문형 박사팀은 천연물인포매틱스연구센터 박근완 박사팀과 함께 ‘화합물 유도 단백질 조립’ 원리를 통해 복잡한 측정 과정과 고가의 분석 장비 없이도 글루타민 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 글루타민은 혈액 내에서 단백질을 합성하거나 세포가 에너지원으로 사용하는 아미노산의 하나로 특정 상황에서 수치가 급격하게 변화하는 특성이 있어 질병의 치료 및 조기 진단에 유용한 바이오마커로 활용될 수 있다. 이 때문에 암세포의 영양분이기도 한 글루타민의 대사를 억제하는 암 치료 연구를 비롯해 대사질환 및 퇴행성 질환의 진단을 위한 체내 글루타민 신진대사 연구도 활발히 수행되고 있다. 지금까지 체내 글루타민 농도 측정은 아미노산 분석기와 같은 고가의 전문 분석 장비에 의존하고 있는데, 살아있는 세포 내 글루타민의 농도 변화는 실시간으로 측정할 수 없다는 한계가 있었다. 상대적으로 측정 비용이 낮은 연구용 키트의 경우, 생체 시료 내 단백질 제거 등 번거로운 전처리 과정이 필요해 측정 시간이 길고 정확도가 높지 않았다. 연구팀은 글루타민 결합 단백질을 2개의 인공 단백질로 분리한 후 시료와 결합해 혈액 내 글루타민의 농도를 간편하게 측정할 수 있는 ‘화합물 유도 단백질 조립’ 원리의 글루타민 측정용 센서 단백질을 개발했으며, 글루타민의 기호인 Q와 밝게 빛을 낸다는 뜻인 SHINE을 결합하여 Q-SHINE으로 이름을 붙였다. 실험 결과, Q-SHINE 센서는 글루탐산, D-글루타민과 같은 유사한 구조의 아미노산에는 반응하지 않는 고선택성을 보였다. 이를 통해 측정할 수 있는 글루타민의 최저 농도는 1마이크로몰(µM, 1몰의 100만분의 1)으로, 연구용 키트로 가장 많이 사용되는 효소반응 분석법보다 20배 더 낮은 농도의 글루타민까지 측정할 수 있다. 또한, 센서 단백질을 대장균에서 손쉽게 생산할 수 있어 연구용 키트로도 수억 원 상당의 분석 장비와 동일한 수준의 글루타민 농도 분석이 가능해졌다. 뿐만 아니라 연구팀은 Q-SHINE 센서를 이용해 살아있는 세포의 세포질 및 미토콘드리아 내 글루타민 농도 변화의 실시간 모니터링에도 성공했다. 특히 암세포와 정상세포에서 글루타민 농도 차이를 검증함으로써, 향후 글루타민 대사 억제를 통한 항암제 개발이 속도를 낼 수 있을 것으로 보인다. KIST 서문형 박사는 “이번에 개발된 Q-SHINE 센서는 당뇨환자의 자가 혈당 측정 방식과 같이 손쉬운 글루타민 농도 모니터링을 가능하게 해줄 것"이라며, “글루타민 대사 연구에 활용하게 되면 암, 당뇨, 치매와 같은 중증 노인성 질환의 조기진단과 원인 규명, 나아가 글루타민 대사를 조절하는 암 치료제 개발에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구사업(2021R1C1C1003843)으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘Sensors and Actuators, B: Chemical’ (IF=8.4, JCR 분야 상위 0.8%) 최신 호에 게재됐다. * Q-SHINE: A versatile sensor for glutamine measurement via ligand-induced dimerization [그림 1] 단백질 분리 및 안정화 설계를 통한 '화합물 유도 단백질 조립' 원리의 Q-SHINE 센서 개발 모식도 [그림 2] Q-SHINE 센서를 이용한 글루타민 농도 측정 결과 ○ 논문명: Q-SHINE: A versatile sensor for glutamine measurement via ligand-induced dimerization ○ 학술지: Sensors and Actuators: B. Chemical ○ 게재일: 2023.05.06. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133951 ○ 논문저자 - 임윤 박사후연구원(제1저자/KIST 천연물소재연구센터) - 김지율 학생연구원(제1저자/KIST 천연물소재연구센터) - 박근완 책임연구원(교신저자/KIST 천연물소재연구센터) - 서문형 선임연구원(교신저자/KIST 천연물소재연구센터)

- 주기적인 태양 에너지 변화 조건 모사하여 안정적으로 운영 가능한 무약품 분리막 세척 기술 개발 해수담수화 기술 중 막증류 공정은 바닷물을 가열해 발생한 수증기를 소수성 분리막의 공극으로 이동시킨 후, 응축 과정을 거쳐 염분이 배제된 순수한 물을 얻는 기술이다. 최근 막증류 공정에서 태양열을 이용하여 해수를 가열하는 탄소중립적 방법이 시도되고 있다. 그러나 태양열은 낮 4-5시간 정도만 활용이 가능해 장치가 구동하지 못하는 시간에는 해수가 분리막에 접촉한 채로 물이 증발하게 된다. 그 결과 탄산칼슘(CaCO3) 또는 황산칼슘(CaSO4)이 분리막 표면에 쌓이는 막오염이 일어나 담수 생산량이 감소하거나 오염되는 문제가 발생한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 정성필 박사팀이 하루 중 변동되는 태양에너지 조건에서도 분리막의 막오염 억제가 가능한 무약품 세척 기술을 개발해 해수담수화 기술의 상용화 가능성을 높였다고 밝혔다. 직접적인 태양에너지 변동을 모사하는 연구는 파일럿 규모의 현장 연구에서 가능하기 때문에 실험실 기반 연구에서는 제한적이다. 따라서 그동안 태양에너지를 이용하는 담수화 연구의 경우 정오의 태양에너지(1 Sun 조건)를 모사하여 열 또는 빛 에너지 공급 차원에서 짧은 시간의 실험이 주로 수행됐다. 반면 KIST 연구진은 인공해수 온도를 1시간에 10°C씩, 8시간 동안 20°C에서 80°C까지 증가 및 감소시킨 후에 16시간 동안 실험실 온도(20°C)에서 방치하는 방식으로 4일(총 96시간) 동안 해수를 농축시키면서 막증류 공정을 간헐 운전하여 하루 중 태양에너지 변동을 실험실에서 모사했다. 그 결과 분리막을 세척하지 않는 조건에서는 하루만 운영해도(해수 농축 배율 1.2배 시점) 막젖음이 발생해 안정적 운영이 불가능한 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 막오염 물질의 세척을 위해서 산, 염기 및 차아염소산 등의 약품을 사용하고, 세척 후에 발생하는 폐수를 처리하기 위한 환경 비용이 추가로 발생한다. KIST 연구진은 화학약품에 대한 작업자의 안전을 확보하고, 폐수 처리 비용을 절감하기 위해 생산된 담수로 분리막을 물리적으로 세척하는 기술을 제안했다. 연구진은 막증류 공정이 중단될 때 분리막과 접촉한 채로 방치되는 농축 해수를 배수하고 생산된 담수로 세정한 후 건조했다. 그 결과 다음 운전 시작할 때 막오염과 막젖음이 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 총 96시간, 4회 반복 과정에서도 (해수 최대 2.7배 이상 농축) 분리막의 성능 감소 없이 안정적으로 운영할 수 있음을 확인하였다. KIST 정성필 박사는 “전기 인프라나 운영비 지원이 부족한 개도국 또는 오지에서 태양열만으로 담수화 시스템을 안정적으로 운용할 수 있을 것”이라며, “앞으로 막증류 공정뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정으로 적용이 확장될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업(미래원천기후환경기술개발사업사업)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「npj Clean Water」에 7월 5일 게재*되었다. * Operational strategy preventing scaling and wetting in an intermittent membrane distillation process [그림 1] 막 증류 기반 담수화 공정 간헐 운전 조건 [그림 2] 막 증류 기반 담수화 공정 세정 조건(P1, P2, P3) [그림 3] 막 증류 기반 담수화 공정 물 생산 성능 변화 [그림 4 ] 막 증류 기반 담수화 공정의 막 젖음 정도 [그림 5] 세척 기술 적용 여부에 따른 개념도 ○ 논문명: Operational strategy preventing scaling and wetting in an intermittent membrane distillation process ○ 학술지: npj Clean water ○ 게재일: 2023.07. ○ DOI: 10.1038/S41545-023-00268-4 ○ 논문저자 - 김혜원 박사 후 연구원(제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 장암 교수(공저자/성균관대학교 건설환경공학부) - 정성필 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- KIST 한·인도 협력센터 연구진, 맥신 표면에 붙은 분자의 자기수송 특성 활용한 분석 모델 개발 - 물성 예측 및 분류 시스템 구축해 균일한 품질의 맥신 생산 활용 기대 2011년 개발된 맥신(MXene)은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 높은 전기전도성 갖추고 여러 금속화합물과 조합할 수 있어 반도체, 전자기기, 센서 등 다양한 산업에서 활용할 수 있는 소재이다. 맥신을 제대로 활용하기 위해선 표면에 덮인 분자의 종류와 양을 아는 것이 중요한데, 표면에 덮인 분자가 불소일 경우 맥신의 전기전도성이 낮아져 전자파 차폐 효율이 떨어진다. 하지만 두께가 1nm(나노미터·10억분의 1m)에 불과해 표면에 붙은 분자를 분석하기 위해서는 고성능 전자현미경으로도 수일이 소요돼 지금까지 대량생산이 불가능했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 한‧인도협력센터 이승철 박사 연구팀은 맥신의 자기수송(Magnetoresistance) 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 밝혔다. 이 방법을 활용하면 간단한 측정으로도 맥신의 분자 분포를 분석할 수 있게 되어 생산과정에서 품질관리가 가능해지고, 이를 통해 지금까지 불가능했던 대량생산의 길이 열릴 것으로 기대된다. 연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했다. 그 결과, 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다. 개발된 물성예측 프로그램을 통해 맥신의 표면을 분석한 결과, 자기수송에 영향을 미치는 홀산란인자(Hall Scattering Factor)가 표면 분자의 종류에 따라 극적으로 변한다는 점을 예측했다. 홀산란인자는 반도체 물질의 전하 운반 특성을 나타내는 물리적인 상수로, 동일한 맥신을 제조하더라도 홀산란인자는 불소인 경우 가장 높은 2.49, 산소의 경우 0.5, 수산화물의 경우 1의 값을 보인다는 것을 확인했으며, 이를 통해 분자의 분포를 분석할 수 있었다. 맥신은 홀산란인자 값에 따라 응용 분야가 달라지는데 1보다 낮은 값을 가진 경우 고성능 트랜지스터, 고주파 생성 소자, 높은 효율의 센서 그리고 광검출기 등에 활용이 가능하며, 1보다 높은 값을 가지면 열전소재, 자기센서 등에 응용할 수 있다. 맥신의 크기가 수 나노미터 이하임을 고려하면 응용가능한 소자의 크기 및 필요 전력량을 획기적으로 줄일 수 있게 된다. KIST 한‧인도협력센터 이승철 센터장은 “순수한 맥신의 제조 및 특성에 집중된 기존 연구와 달리 제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 표면 분자 분석에 새로운 방법을 개발한 것에 의의가 있다”며, “이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다”고 밝혔다. KIST 한‧인도협력센터는 2010년 설립되어 계산과학을 위한 이론, 소스코드 및 소프트웨어 분야에서 연구를 수행하고 있다. 특히, 소스코드는 모델링 및 시뮬레이션 등이 가능한 알고리즘을 구현하는 프로그래밍 언어로써 계산과학 분야에서 원천연구에 해당하며, 인도봄베이공과대학(IIT Bombay) 등 인도의 대학 및 연구기관과 소스코드 개발을 위한 협력연구를 수행하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 KIST 주요사업(2Z06950)으로 수행된 본 연구는 독창성과 확장 가능성을 인정받아 나노과학 분야 국제 학술지인 ‘Nanoscale’ (IF 6.7)의 올해의 주목할 만한 논문(2023 Hot Article Collection)으로 선정됐으며, 6월 28일 게재됐다. * Can magneto-transport properties provide insight into the functional groups in semiconducting MXenes? [그림 1] 맥신의 원자구조 [그림 2] 맥신에서 예측된 홀산란인자 [그림 3] KIST 한‧인도협력센터 연구진 ○ 논문명: Can magneto-transport properties provide insight into the functional groups in semiconducting MXenes? ○ 학술지: Nanoscale ○ 게재일: 2023.06.28. ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d2nr06409j ○ 논문저자 - Namitha Anna Koshi 박사후연구원(제1저자/KIST 한‧인도협력센터) - 이승철 책임연구원(교신저자/KIST 한‧인도협력센터) - Bhaskaran Muralidharan 교수(교신저자/인도봄베이공과대학)

- KIST, 마찰전기 섬유와 땀 전지 섬유를 직조해 새로운 스마트 섬유 개발 - 높은 에너지 발생 효율, 뛰어난 경제성과 세탁 내구성 보유 주변 환경이나 외부의 자극을 스스로 감지하고 스마트 폰을 활용해 온도를 조절하는 등 패션에 정보기술(IT)을 결합한 스마트 의류 제품이 출시되면서 기존의 이차전지가 아닌 새로운 에너지원에 대한 관심도 높아지고 있다. 사람이 활동하면서 발생하는 마찰이나 땀에 함유된 포도당을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술이 대표적이다. 하지만 마찰전기 섬유는 습도에 취약해 주변의 습기나 인체의 땀에 의해 전력 효율이 낮아지는 문제가 있고, 땀 전지는 발생 전력이 작아 활용이 어려웠다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사팀과 장지수 박사팀이 공동연구를 통해 마찰전기 섬유와 땀 전지 섬유를 직조해 다양한 습도 조건에서도 전기를 발생시키는 새로운 형태의 스마트 의류용 섬유 기술을 개발했다고 밝혔다. 사람이 활동할 때 발생하는 마찰뿐만 아니라 마찰전기 섬유의 전력 효율을 저하하는 습기와 땀까지 에너지원으로 활용하여 두 마리 토끼를 잡는 셈이다. KIST 연구진은 탄성중합체와 혼합된 용질(설탕)을 녹이는 간단한 제조 공정을 통해 마찰전기 섬유의 마찰 표면적을 증가시켜 에너지 효율을 향상시켰다. 또한 땀 전지 섬유에 이온 염(ionic salt) 및 파릴렌(parylene-C)을 코팅해 발전 성능을 향상시키고 비대칭 습윤성을 유지하도록 했다. 이후 이들 섬유를 직조방식으로 결합해 습기에 취약한 마찰전기 섬유와 전력 효율이 낮은 땀 전지 섬유의 한계를 극복한 스마트 의류용 기능성 섬유를 개발했다. 연구진은 마찰전기 섬유 1개와 땀 전지 섬유 36개 (3개 병렬, 12개 직렬)로 구성된 의류용 섬유 두 개를 연결해 배터리 없이 인체의 움직임과 땀으로부터 위치 추적 센서 (3 V, 7~20 mA)를 구동하는 데 성공했다. 이 스마트 의류용 기능성 섬유는 단순한 코팅 공정과 직조 기술만으로도 대면적, 대량 생산이 가능해 제작 단가와 공정시간을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 10회 이상의 반복적인 세탁 이후에도 전기에너지 발생 특성이 유지해 상용화 가능성이 높다. KIST 송현철 박사는 “이번에 개발한 기술은 의류형 전자기기 및 웨어러블 디바이스 전분야에 활용 가능하지만, 특히 소방관, 군인, 산악인 등 극한 환경에서 활동하는 종사자들을 위한 전원공급원으로 적용이 기대된다”고 밝혔다. 또한 “스마트 의류에 적용해 다양한 신체 정보들을 제공해주는 센서로 활용하기 위한 추가 실험도 진행 중이다”라고 밝혔다. [그림 1] KIST 연구진이 개발한 인체모션 및 땀을 활용해 전력발생 시키는 스마트 의류 섬유 [그림 2] KIST 연구진이개발한 인체모션 및 땀을 활용해 전력발생 시키는 스마트 의류 섬유 작동원리 모식도 ○ 논문명: Bio‐Physicochemical Dual Energy Harvesting Fabrics for Self‐Sustainable Smart Electronic Suits ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ 게재일: 2023.03.25. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202300530 ○ 논문저자 - 박지원 박사후연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터) - 송현철 책임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터), - 장지수 선임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터)

- 심근경색 부위 염증 완화와 이에 따른 심장 기능 개선 효과 검증 - 사멸세포 유래 나노소포체로 면역반응을 조절하는 새로운 치료법 제시 우리나라 성인 돌연사 원인 1위이자 사망원인 2위 질환인 심근경색은 초기 사망률이 30%이며, 의료기관에 후송돼 치료하는 경우에도 5~10% 정도가 사망하는 치명적인 질환이다. 2017년 99,647명에서 2021년 126,342명으로 5년 새 26.8% 늘어나는 등 국내 심근경색 환자 수는 가파른 증가추세를 보이고 있는데, 지금까지 약물요법, 경피적 동맥성형술과 동맥우회술이 치료법으로 알려져 있으나, 이에 반응하지 않는 중증에는 적용이 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체재료연구센터 정윤기 책임연구원과 이주로 박사 연구팀은 가톨릭대학교 의과대학 박훈준 교수, 박봉우 박사와 함께 세포사멸이 유도된 섬유아세포로부터 유래된 나노소포체를 활용해 면역반응을 조절하는 방식의 새로운 심근경색 치료법을 개발했다고 밝혔다. 심근경색은 심장에 혈액을 공급해 주는 혈관인 관상동맥이 좁아지거나 막히게 돼 심장근육에 충분한 혈액 공급이 이루어지지 못하게 되고, 이에 따라 심근에 영양 및 산소 결핍이 생겨 심장 기능 부진을 일으키는 허혈성 심장질환이다. 시장조사기관인 테크나비오(Technavio)에 따르면 전세계 심근경색 치료제 시장 규모는 2026년까지 연평균 4.7%의 성장률을 기록하며 20억 2,000만 달러에 이를 것으로 전망된다. 최근에는 엑소좀(exosome) 등의 줄기세포 유래 나노소포체(nanovesicles)를 이용해 염증반응을 조절하는 심근경색 치료제 연구가 수행되고 있으나, 줄기세포는 대량생산이 어려워 치료제의 경제성을 확보하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 세포 내 생화학적 변화에 의해 자살하는 사멸세포(Apoptotic Cell)를 원료로 하는 나노의약품을 통해 심장근육의 염증반응을 감소시킴으로써 중증 심근경색 치료의 가능성을 확인했다. 이러한 반응은 허혈성 심근경색 질환 부위에 특이적인 펩타이드와 대식세포 섭식에 특이적인 물질을 섬유아세포 표면에 부착함으로써 가능했는데, 이를 위해 연구팀은 표면이 개량된 섬유아세포의 세포사멸을 유도하여 항염증적인 특성을 가지면서도 심근경색 부위에 있는 대식세포에 특이적으로 전달될 수 있는 나노소포체를 개발했다. 동물실험에서는 쥐에게 정맥주사된 나노소포체가 심근경색 부위로 효과적으로 전달되고, 대식세포에만 특이적으로 다량 유입된 것을 확인했다. 그 결과, 좌심실의 수축력을 나타내는 지표인 '좌심실 박출률(LVEF)'이 4주 동안 대조군에 비해서 1.5배 이상 증가하여 심박출량 개선 효과가 있음을 확인했다. 또한, 심근경색 부위에서 염증 완화 효과와 함께 심근경색 부위의 섬유화를 감소시키고 심장 내 혈관 보존율과 심근세포의 생존율이 높아지는 등 심장 기능이 향상됐다. KIST 정윤기 박사는 “세포자살이 유도된 세포로부터 생산한 나노소포체를 이용해 심근경색 질환 치료에 적용한 최초 연구이며, 줄기세포가 아닌 일반 세포를 이용하기 때문에 대량생산이 가능한 장점을 갖고 있다”라며, “향후 가톨릭대 의과대학, 바이오기업과 공동연구를 통해 임상시험 등 치료의 유효성과 안전성 검증 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업(2021M3H4A1A04092878)과 세종과학펠로우십사업(2021R1C1C2010587)의 지원을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ (IF:19.0, JCR 분야 상위 4.7%) 6월호에 게재됐다. * Targeted Delivery of Apoptotic Cell-Derived Nanovesicles prevents Cardiac Remodeling and Attenuates Cardiac Function Exacerbation [그림 1] ApoNV-DC의 제작 과정과 이의 심근경색 치료 메커니즘 [그림 2] 심근경색 부위에서 ApoNV의 항섬유화 효과 [그림 3] ApoNV-DC의 정맥주사 4주 이후 심기능 향상 효과. 심장 비대 감소 및 심박출량 등의 심기능 지표 향상 ○ 논문명: Targeted Delivery of Apoptotic Cell-Derived Nanovesicles prevents Cardiac Remodeling and Attenuates Cardiac Function Exacerbation ○ 학술지:Advanced Functional Materials ○ 게재일: 2023.06.02. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202210864 ○ 논문저자 - 이주로 박사후연구원(제1저자/하버드 의과대학), - 박훈준 교수(제1저자/카톨릭대학교 의과대학) - 정윤기 책임연구원(교신저자/KIST 생체재료연구센터) - 박봉우 박사(교신저자/카톨릭대학교 의과대학)