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폐수 분해해 전기 생산하는 대장균 개발
- 공장 폐수 속 유기물을 이용해 전기를 생산하는 날이 멀지 않았다. 스위스 연구팀이 대장균의 유전자 변형을 통해 폐수에서 자랄 수 있는 박테리아를 찾아냈다. 한국에서는 오폐수나 바닷물, 지하수 등을 정화하며 동시에 전기를 연속적으로 생산하는 분리막을 개발했다. 국제적인 주목을 받는 이 기술에 대해 일본의 온라인 매체 '기가진(Gigazine)'은 최근 스위스 연방 공과 대학의 논문을 인용, "이제 우리는 에너지를 사용하여 폐기물을 처리하는 것이 아닌, 폐기물 처리를 통해 에너지를 얻는 시대로 전환하게 될 것"이라고 전망했다. 스위스 연구팀을 이끄는 아르데미스 보고시안(Aldemis Bogosian) 교수는 일반 대장균의 유전자를 조작, 전기를 생산할 수 있는 '쉬와넬라 오나이덴시스(Shewanella oneidensis)'와 유사한 능력을 가진 박테리아를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이러한 연구 성과는 미래의 환경 보호와 지속 가능한 에너지 자원 확보 방안으로 큰 기대를 모으고 있다. 전기를 생산할 수 있는 능력을 지닌 박테리아가 탄생한다 해도 섬세하거나 특별한 먹이가 필요하고 번식에 많은 양의 에너지가 필요하면 실용적 가치가 떨어진다. 이에 연구팀은 스위스 로잔의 현지 맥주 양조장에서 폐수를 채취해 새로 개발한 대장균을 주입했다. 양조장 폐수에는 다량의 당분, 전분질과 맥주 효모 혼합물이 포함되어있어 그대로 흘려 버리면 미생물이 번식할 수 있다. 이에 양조장은 폐수를 배출하기 전에 곡물 세척과 탱크 세척 과정을 거친다. 보고시안은 "이것은 유기 폐기물을 처리하기 위해 에너지를 사용하는 것이 아니라, 유기 폐기물 처리와 동시에 전기를 생산하는 일석이조 시스템"이라며 "양조장 폐수로 실험했을 때 기존의 전기 미생물은 생존조차 할 수 없었지만, 우리가 개발한 전기 미생물은 폐기물을 먹고 비약적으로 증식할 수 있었다"고 말했다. 이번 연구의 응용 범위는 단순한 폐기물 처리에 그치지 않는다. 유전자를 조작한 대장균의 특징 중 하나는 다양한 물질로부터 전기를 생성할 수 있다는 점이다. 이는 미생물 연료 전지, 바이오센싱 등 여러 분야에서의 활용 가능성을 시사한다. 논문의 주저자인 모하메드 모지부는 박테리아 기반의 생체 전기 에너지 분야에 대한 기대감을 전하면서도, "기업들은 이 기술의 상용화를 위해 더 이상 기다릴 수 없다"며 아쉬워했다. 한편, 한국 기업인 SK에코플랜트는 폐수 처리를 위한 전기화학적 정화 기술의 실용성을 테스트하고 있다. 이 방법은 오염된 폐수에 전류를 가해 정화하는 방식으로 진행된다. 더불어 한국과학기술원은 동국대와 협력해 커피 찌꺼기를 활용, 중금속을 제거하는 필터의 개발에 성공했다. 또한, 한국생명공학연구원은 양돈 농가의 폐수를 희석 과정 없이 직접 정화하면서 동시에 폐수 내의 미생물을 효과적으로 관리하는 미세조류 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 최근 한국과학기술원(KIST)은 명지대학교 신소재공학과와 손을 잡고, 오폐수와 바닷물, 지하수와 같은 다양한 물 자원을 효과적으로 정화하며 동시에 전기를 지속적으로 생산할 수 있는 분리막 기술을 개발했다. 이처럼 세계 여러 나라의 연구팀과 기업들은 박테리아와 같은 친환경 에너지 생산이 가능한 방식으로 오폐수 정화 기술 개발에 적극 나서고 있다.
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폐수 분해해 전기 생산하는 대장균 개발
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플라스틱 먹는 '효소' 연구 활성화⋯고비용 과제
- 플라스틱을 먹는 효소가 개발이 활성화돼 폐플라스틱 처리에 힘을 보탤 전망이다. 환경오염 주범으로 꼽히는 지구를 뒤덮은 폐플라스틱을 재활용하기 위해 수 많은 연구팀들은 다양한 해결책을 찾고 있다. 특히, 벌집나방 애벌레와 같은 생물학적 자원 활용은 소각이나 매립보다 환경친화적으로 플라스틱을 처리하는 유용한 도구가 될 수 있다. 미국 생화학·분자 생물학 매거진 'ASBMB 투데이'에 따르면, 스페인 생물학자 페데리카 베르토치니(Federica Bertocchini)는 약 10년 전 벌집나방의 애벌레가 플라스틱의 일종인 폴리에틸렌을 먹어 치운다는 사실을 발견했다. 폴리에틸렌은 플라스틱 용기 등을 만드는 데 흔하게 이용되지만, 잘 분해 되지 않는 특성이 있어 폐기가 어렵다는 단점이 있다. 최근 과학자들은 매립지나 자동차폐차장 등을 찾아다니면서 플라스틱을 분해할 수 있는 유기체를 찾고 있다. 이를 채취해 플라스틱의 구성 요소를 회수하는 효율적인 방법을 찾길 기대하고 있는 것. 이후 새로운 재료를 조합해 ‘무한 재활용’이 가능하도록 한다는 계획이다. 영국 포츠머스대 효소혁신센터 존 맥기한(John McGeehan)은 "놀랍게도 전 세계의 수백 개 그룹과 수천 명의 과학자들이 이 문제를 연구하고 있다"고 설명했다. 폐플라스틱, 환경오염 주범 플라스틱은 1950년대 들어 본격적으로 생산됐고 생산량도 급증했다. 매년 약 4억6000만 톤에 가까운 플라스틱이 생산되는 것으로 추정된다. 하지만 이렇게 생산된 플라스틱은 아쉽게도 소각하거나 매립지에 묻히고 있다. 플라스틱은 지구상의 심해나 극지방을 비롯해 비를 타고 내려오거나, 심지어 태반이나 모유, 사람의 혈액에서도 흔적이 보고 되는 등 우리 눈에 보이지 않는 구석구석까지 침투했다. 이처럼 플라스틱은 건강과 환경 문제와 직접 연결되어 있다. 그럼에도 수요는 줄어들지 않고 있으며, 생산량은 오는 2050년까지 10억 톤을 넘길 것으로 예상된다. 플라스틱은 가볍고, 형태를 잡기 쉬운 특성 때문에 이를 대체할 마땅한 소재가 없기 때문이다. 현실적으로 모든 플라스틱을 교체하거나 재활용할 수 없다는 점에서 차선책은 덜 만드는 것이다. 또 약 9%에 불과한 전 세계 플라스틱 재활용률을 높이는 것이 과제다. 하지만, 재활용 과정에서 유해한 화학물질을 흡수할 수 있으며, 수천 가지의 플라스틱 유형에는 각각 고유한 구성과 화학 첨가물이나 착색제가 들어 있어 대다수는 재활용할 수 없는 것이 문제다. 효소 재활용 회사 버치 바이오사이언스(Birch Biosciences) 공동 창립자이자 합성 생물학자인 요한 커스(Johan Kers)는 "우리는 심각한 플라스틱 순환성 문제를 안고 있다"며 "알루미늄과 종이 등은 재활용할 수 있지만 플라스틱 재활용은 힘들다"고 지적했다. '자연'에서 착안한 '효소' 주목 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스 고분자 과학자 팅 쉬(Ting Xu)는 "효소를 통한 접근법은 폐플라스틱을 폐기물의 원천이 아닌 귀중한 자원으로 전환시킬 수 있다"고 설명했다. 이미 1970년대에 플라스틱을 먹는 효소에 대한 연구가 시작됐다. 그러다가 2016년 일본 과학자팀이 사이언스 학술지에 플라스틱을 먹는 획기적인 박테리아의 새로운 변종에 대한 논문을 발표하면서 효소 연구에 다시 불을 지폈다. 교토공과대학 미생물학자 코헤이 오다(Kohei Oda)가 이끄는 연구팀은 이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis) 201-F6이라고 불리는 미생물이 음료수병과 섬유에 널리 사용되는 폴리에스터인 PET 플라스틱을 주요 에너지와 식품 공급원으로 사용한다는 사실을 발견했다. 그 이후로 과학자들은 독일 라이프치히 묘지의 퇴비 더미, 그리스 하니아(Chania) 해변 등 전 세계 여러 장소에서 플라스틱을 먹는 미생물을 발견했다. 그리고 바다, 북극 툰드라 표토, 사바나 및 다양한 숲을 포함한 환경에서 자유롭게 떠다니는 DNA에서 발견된 2억 개 이상의 유전자에 대한 대규모 분석을 통해 플라스틱 분해 가능성이 있는 3만 개의 다양한 효소가 있다는 것을 찾아냈다. 맥기한은 콜로라도를 포함해 다른 지역의 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 동료들과 함께 이데오넬라 사카이엔시스의 플라스틱 섭취 능력을 담당하는 두 가지 효소를 조작해 성능을 높이고 연결해 플라스틱을 분해할 수 있는 효소 칵테일을 만들었다. 그 결과 이전보다 6배 더 빠르게 PET를 분해할 수 있었다. 최근 과학자들은 인공지능(AI)을 사용해 플라스틱을 더 빠르게 해중합[해중합은 유색 페트(PET)병이나 폴리에스터 섬유 등 플라스틱 분자를 화학적으로 분해하는 기술]하고, 표적 기질에 대해 덜 까다롭고, 더 높은 온도를 견딜 수 있는 효소를 찾아내고 있다. 초기 데이터에 따르면 생물학적 효소를 이용한 재활용은 플라스틱을 새로 만드는 것보다 탄소 배출량이 더 적은 것으로 알려졌다. 탄소와 산소가 얽혀 있는 PET 재활용 플라스틱은 생물학적 재활용에 가장 적합하다. 영국 포츠머스 대학교의 분자 생물물리학자 앤디 픽포드(Andy Pickford)는 이 물질이 '일종의 아킬레스건'이라고 말했다. PET은 탄소가 산소와 얽혀 있다. 직물과 음료수병에서 흔히 발견되며 매년 생성되는 플라스틱의 약 5분의 1을 차지하는 PET는 생물학적 재활용 업체들 사이에서 인기 있는 대상이자 상업적으로 이용 가능한 제품이기도 하다. 실제로 프랑스 회사 카르비오(Carbios)는 연간 5만 톤의 PET 폐기물을 재활용하는 것을 목표로 2025년 프랑스 북부에 바이오 재활용 공장을 열 계획이다. 호주에 본사를 둔 삼사라에코(Samsara Eco)는 2024년 멜버른에 PET에 초점을 맞춘 2만 톤 규모의 재활용을 계획하고 있다. 플라스틱 유형을 연구하고 있는 픽퍼드(Pickford)는 "PET와 유사한 화학적 구성을 가진 폴리아미드와 폴리우레탄도 본질적으로 효소에 의해 분해되기 쉬워 효소 재활용의 유망한 대상"이라고 말했다. 삼사라에코는 합성 폴리아미드의 일종인 나일론을 연구하고 있다. 지난 5월 버려진 옷으로 '세계 최초의 무한 재활용' 나일론-폴리에스테르 의류를 생산하기 위해 인기 운동복 브랜드 룰루레몬(Lululemon)과 다년간의 파트너십을 발표했다. 아직은 연구가 미진하지만 연구원들은 폴리우레탄을 분해하는 미생물에 대해서도 연구 중이다. '슈퍼웜' 유충 활용 기술 향상 효소 재활용은 순수 탄소 골격을 가진 플라스틱의 경우 전망은 흐리다. 비닐봉지를 만드는 데 사용되는 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리스티렌 및 폴리에틸렌을 포함하는 제품은 기름기가 많아 투입된 효소를 붙잡을 수 없기 때문이다. 그런데 페데리카 베르토치니는 데메트라(Demetra)와 세레스(Ceres)라는 이름을 붙인 왁스 벌레 타액에서 플라스틱 분해 효소를 확인했다. 이 효소는 탄소 골격에 산소를 주입해 실온에서 몇 시간 내에 폴리에틸렌을 분해하는 것으로 나타났다. 폴리스티렌을 연구하는 호주 퀸즈랜드 대학교의 미생물학자 크리스 린케(Chris Rinke) 박사는 '슈퍼웜(Superworm)'이라고 불리는 미국왕딱지벌레(Zophobas morio) 유충을 발견했다. 플라스틱을 기계적으로 작은 조각으로 파쇄하고 산소 원자를 투입해 '노화'한 다음 특수 기술을 사용해 해당 조각을 해중화하는 두 가지 과정을 통해 폴리스티렌을 분해한다. 린케 박사는 "곤충에서 발견되는 효소가 열쇠를 쥐고 있을 수 있다"고 말했다. 반면, 일부 전문가들은 생물학적 재활용 전망에 대해 낙관적이지 않다. 픽포드는 "아직 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC와 같은 폴리올레핀이 대규모 효소 재활용을 위한 현실적인 목표가 될 것이라고 확신하지 못했다"며 "이런 경우 재활용이 가능한 새로운 플라스틱을 만드는 방향으로 전환하는 것이 더 현실적"이라고 말했다. 한국의 경우, 2020년 포스텍의 차형준 교수 팀은 '산맴돌이거저리(Plesiophthalmus davidis)'라고 불리는 검은 딱정벌레의 유충에서 폴리스티렌 소화 능력을 부여한 장내 세균인 '세라티아 폰티콜라(Serratia Fonticola)'에 대해 보고했다. 또 다른 그룹은 PLA를 포함한 특정 유형의 생분해성 플라스틱을 분해할 수 있는 두 가지 저온 적응성 곰팡이 균주[고산 토양과 북극 해안에서 분리된 라크네룰라(Lachnellula)와 네오데브리에시아(Neodevriesia)]를 발견했다고 보고했다. 하지만 효소를 활용하는 프로세스를 확장하는 것이 얼마나 쉬울지, 그리고 확장된 환경이 어떤 모습일지는 불분명하다. 한편, UN은 오는 2024년 세계 최초의 글로벌 플라스틱 오염 조약을 만들 예정이다. 플라스틱 오염을 억제하는 것을 목표로 하며, 특히 재활용을 더 쉽게 하기 위해 플라스틱 제품의 생산 과 설계에 대한 새로운 규칙을 도입할 것으로 예상된다. 다음 해에는 워싱턴과 캘리포니아, EU에서 플라스틱 용기와 음료수병 재료의 25%를 재활용 플라스틱으로 규정하는 법률이 시행될 예정이다. 그러나 추가적인 변화와 인센티브가 없다면 이러한 노력은 물거품이 될 수도 있다는 지적이다. 화석 연료의 저렴한 가격으로 인해 순수 플라스틱이 저렴하게 유지되는 한 생물학적 효소 활용은 비용 면에서 경쟁력이 없기 때문이다. 맥기한은 "과거 석유 및 가스 산업이 혜택을 누렸던 방식으로 PET 또는 기타 생분해성 공정에 인센티브를 부여해야 한다"며 "생물학적 재활용 기술이 향상되면 새로운 플라스틱과 경쟁할 수 있을 만큼 비용면에서 효율적일 것"이라고 강조했다. 그럼에도 그는 "효소가 전체 플라스틱 문제를 해결하지 못하지만 이제 막 첫 걸음을 뗐다"며 향후 발전에 기대감을 드러냈다.
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플라스틱 먹는 '효소' 연구 활성화⋯고비용 과제
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미로 자율 탐색하는 '뇌 없는 로봇' 탄생
- 미로를 탐색할 수 있는 뇌가 없는 소프트 로봇이 탄생했다. 과학 전문 매체 뉴로사이언스에 의하면, 노스캐롤라이나 주립대학(NCSU)의 연구원들은 물리적 지능을 사용해 미로와 같은 복잡한 환경을 자율적으로 탐색할 수 있는 '뇌 없는' 소프트 로봇을 설계했다. NCSU가 유튜브를 통해 공개한 '뇌 없는' 소프트 로봇의 모습은 팔이나 다리 머리가 없으며, 나선형 파스타 '로티니(Rotini)'를 연상시키는 정교하게 꼬인 생소한 이미지로 눈길을 사로잡았다. 이전 모델과는 달리 이 로봇은 장애물이 없어도 자체적으로 회전할 수 있다. 이러한 독특한 움직임은 한쪽 절반이 지면에 더 많은 힘을 가하도록 설계된 비대칭적인 디자인 덕분이다. 그로 인해 이 로봇은 둥글게 호를 그리며 움직이고 동적 미로를 횡단하며 평행한 물체 사이에 끼이지 않고 피해 갈 수 있다. 이 소프트 로봇은 '물리적 지능'을 통해 작동한다. 이는 구조적 설계와 재료에 따라 동작이 결정되므로 컴퓨터나 사람의 지시가 필요하지 않다. 이 로봇은 리본 모양의 '액정 엘라스토머'로 만들어져 있으며, 주변 공기보다 더 뜨거운 표면에 놓이면 움직이기 시작한다. 표면이 더 뜨거울수록 로봇은 더 빨리 움직인다. 역동적인 환경 탐색 가능 이 연구팀은 인간이나 컴퓨터의 지시 없이 간단한 미로를 탐색할 수 있는 소프트 로봇을 이미 제작했다. 이들은 이제 그 작업을 기반으로 더 복잡하고 역동적인 환경을 탐색할 수 있는 '두뇌가 없는' 소프트 로봇을 만들었다. '뇌 없는' 소프트 로봇에 관한「물리적으로 지능적인 자율 로봇 미로 탈출기」라는 논문은 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 지난 8일 게재됐다. 이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)이 지원했다. 이 논문의 공동 저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 기계 및 항공우주 공학부의 지에 인(Jie Yin) 교수는 "우리의 초기 연구에서 소프트 로봇이 매우 간단한 장애물 코스를 통해 비틀거나 돌릴 수 있다는 것을 보여주었다"며 "그러나 이전 모델은 장애물에 부딪히지 않으면 회전하지 못했다. 실용적인 측면에서 이는 로봇이 때때로 평행한 장애물 사이에 갇혀서 앞뒤로 튕길 수 있음을 의미한다"고 말했다. 그는 "이번에 우리는 스스로 회전할 수 있는 새로운 소프트 로봇을 개발했다. 이 로봇은 구불구불한 미로를 통과할 수 있으며, 움직이는 장애물을 우회할 수도 있다. 이런 모든 행동은 컴퓨터의 안내가 아닌 물리적 지능을 사용해서 이루어진다"고 설명했다. 여기서 물리적 지능은 소프트 로봇과 같은 역동적인 물체를 말하며, 그 동작은 컴퓨터나 인간의 개입으로 지시되지 않고 구조 설계와 구성 재료에 의해 제어되는 것을 의미한다. 온도에 반응하는 로봇 새로운 소프트 로봇은 이전 버전과 마찬가지로 리본 모양의 액정 엘라스토머로 제작됐다. 이 로봇을 주변 공기보다 뜨거운 섭씨 55도(화씨 131도) 이상의 표면에 놓아두면 움직이기 시작한다. 작동 원리는 표면에 닿는 리본 부분은 수축하지만 공기에 노출된 리본 부분은 수축하지 않는 것을 이용했다. 이것은 롤링 모션을 유도하며 표면이 따뜻할수록 로봇이 더 빨리 굴러간다. 이전 버전의 소프트 로봇은 대칭 디자인이지만 새 로봇에는 두 개의 별개의 반쪽이 있다. 다시 말하면, 로봇의 절반은 직선으로 뻗어 있는 꼬인 리본 모양이고 나머지 절반은 나선형 계단처럼 더 촘촘하게 꼬인 리본 모양이다. 이 비대칭적인 디자인 때문에 로봇의 한쪽 끝이 다른 쪽 끝보다 표면에 더 많은 힘을 가할 수 있다. 연구진은 바닥보다 입구가 넓은 플라스틱 컵을 예로 들었다. 이 컵은 테이블을 가로질러 굴리면 직선으로 구르지 않고 둥글게 호를 그리며 굴러가는 데, 컵이 비대칭적인 모양을 하고 있기 때문이다. 비대칭 디자인이 특징 논문의 제 1 저자이자 NCSU의 야오 자오(Yao Zhao) 연구원은 "우리의 새로운 로봇이 탄생한 배경에 있는 개념은 꽤 간단하다. 비대칭적인 디자인 덕분에 물체에 접촉하지 않고도 회전할 수 있다"고 말했다. 그는 "따라서 물체와 접촉할 때는 방향을 바꾸어 미로를 탐색할 수 있지만 평행한 물체 사이에 갇히지는 않는다. 대신, 호를 그리며 움직일 수 있는 능력은 본질적으로 자유롭게 움직일 수 있게 해준다"고 설명했다. 연구진은 비대칭 소프트 로봇 설계가 움직이는 벽이 있는 미로를 포함하여 더 복잡한 미로를 탐색하고 신체 크기보다 좁은 공간을 통과할 수 있는 능력 등을 테스트했다. 더 나아가 이들 연구원은 새로운 로봇 디자인을 서로 다른 환경인 금속 표면과 모래에서도 테스트했다. Yin은 "이 작업은 소프트 로봇 설계에 대한 혁신적인 접근법을 개발하는 데 도움이 되는 또 다른 진전이다. 특히 소프트 로봇이 환경에서 열에너지를 얻을 수 있는 응용 프로그램에 대한 것이다"라고 말했다. 로봇이 사람처럼 머리가 있고 팔과 다리가 있어야 한다는 선입견을 깬 이번 연구는 다양한 형태의 무궁무진한 로봇의 탄생을 예고했다.
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미로 자율 탐색하는 '뇌 없는 로봇' 탄생
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'역백신', 제1형 당뇨병·크론병 등 자가면역 질병 치료
- 제1형 당뇨병과 크론병 등 자가 면역질환을 역백신으로 치료하는 연구가 진행중이다. 중추신경계의 탈수초성 질환(demyelinating disease 신경세포의 축삭을 둘러싸고 있는 절연물질인 수초가 탈락되는 질병) 중 가장 흔한 유형인 다발성 경화증과 췌장에서 인슐린이 분비되지 않아 발생하는 제1형 당뇨병, 만성 염증성 장질환인 크론병을 정복할 수 있는 날이 코앞에 다가왔다. 과학기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)’에 따르면, 시카고대학 프리츠커 분자공대(PME Pritzker Molecular Engineering) 연구팀이 '역백신(inverse vaccine)'을 개발해 자가면역 반응을 제거할 수 있음을 증명했다. 일반적인 백신은 인간의 면역 체계가 바이러스나 박테리아를 공격해야 할 적으로 인식하도록 만들지만, ‘역백신’은 한 분자에 대한 면역 체계 기억을 제거하는 정반대의 역할을 하도록 했다. 면역 체계 기억을 제거하는 것은 전염병의 경우 바람직하지 않지만 다발성 경화증, 제1형 당뇨병, 류머티즘성 관절염 또는 면역 체계가 사람의 건강한 조직을 공격하는 크론병에서 나타나는 자가면역 반응을 멈출 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 최근 국제학술지 네이처 생명의학공학(Nature Biomedical Engineering)에 발표된 논문을 살펴보면, 역백신은 자연 과정에 의해 죽는 세포에 대한 자가면역 반응을 예방하기 위해 간이 자연적으로 세포 분해 생성물을 '공격 금지'로 표시하는 방식을 활용한다. PME 연구팀은 우리 몸의 간이 면역 체계가 공격하는 항원(면역 체계가 공격하는 분자)을 친구로 인식하는 노화된 세포 조각과 유사한 분자와 결합해, 이 백신이 어떻게 다발성 경화증과 유사한 질병과 관련된 자가면역 반응을 성공적으로 막을 수 있는지 보여줬다. 이번 논문의 주 저자인 제프리 허벨(Jeffrey Hubbell) 교수는 "이 연구에서 가장 흥미로운 점은 이미 염증이 진행 중임에도 다발성 경화증과 같은 질병을 치료할 수 있다는 것이며, 이는 실제 상황에서 더 유용하다"고 강조했다. 역백신으로 면역력 억제 면역 체계의 T세포(세포성 면역을 담당하는 림프구의 일종) 역할은 바이러스, 박테리아, 암 등 원치 않는 세포와 분자를 신체의 이물질로 인식해 제거하는 것이다. 그러나 T세포는 건강한 세포를 이물질로 인식하는 실수를 할 수 있다. 예를 들어, 크론병 환자의 경우 면역 체계는 소장 세포를, 다발성 경화증 환자의 경우에는 신경 주변의 보호 코팅인 미엘린을 공격한다. 허벨 교수와 그의 동료들은 면역 반응이 몸 전체의 모든 손상된 세포에 대해 발생하지 않도록 하는 메커니즘을 가지고 있다는 것을 주목했다. 이러한 현상은 간에서 일어나는 말초 면역 관용(Peripheral Immune Tolerance)으로 알려져 있다. 그들은 최근 몇 년 동안 N-아세틸갈락토사민(pGal)으로 알려진 당으로 분자를 태깅하면 이 과정을 모방하여 분자를 간으로 보내서 분자에 대한 내성이 생길 수 있다는 사실을 발견했다. 이 연구는 면역계의 작동 원리를 이해하는 데 크게 기여했으며, 미래의 의학적 치료법 개발에 중요한 토대를 제공한다. 허벨은 "우리가 원하는 분자를 pGal에 부착할 수 있고 면역 체계가 이를 견딜 수 있도록 가르칠 것"이라며 "백신처럼 면역력을 높이는 대신 역백신을 사용하면 매우 구체적인 방식으로 면역력을 억제할 수 있다"고 주장했다. 연구팀은 미엘린 단백질을 pGal에 연결하고 새로운 역백신의 효과를 테스트한 결과, 면역 체계가 미엘린 공격을 중단하고 신경이 다시 올바르게 기능하도록 하며 동물의 질병 증상을 완화시킬 수 있음을 발견했다. 일련의 다른 실험을 통해 과학자들은 동일한 접근 방식이 지속적인 면역 반응을 최소화하는데 도움이 된다는 것을 보여줬다. 제1상 안전임상시험 수행 허벨은 "오늘날 자가면역 질환은 일반적으로 면역 체계를 광범위하게 억누르는 약물로 치료되는데, 이는 매우 효과적일 수 있지만 감염을 막기 위해 필요한 면역 반응도 차단하므로 많은 부작용이 발생할 수 있다":고 지적했다. 대신 역백신으로 환자를 치료할 수 있다면 훨씬 더 구체적이고 부작용도 줄어들 수 있다는 설명이다. 허벨의 pGal 화합물을 사람을 대상을 하기 위해선 더 많은 연구가 필요하지만, 밀, 보리, 호밀 섭취와 관련된 자가면역 질환인 복강병 환자를 대상으로 초기 제1상 안전임상시험이 이미 수행됐다. 현재 다발성 경화증에서 임상시험이 진행 중이다.
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'역백신', 제1형 당뇨병·크론병 등 자가면역 질병 치료
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달, 고대 얼음 없다..."달 탐사 전략 수정"
- 달의 영구음영 지역에 존재하는 것으로 알려진 얼음이 탄생 초기에 생성된 '고대 얼음'이 아니라는 연구 결과가 공개됐다. 달의 영구음영 지역(permanently shadowed regions, PSR)은 달의 남극과 북극 등 햇빛이 전혀 들지 않는 영원한 음지를 말한다. 과학 기술 전문 매체 인터레스팅엔지니어링에 따르면 행성과학연구소의 새로운 연구 결과, 달의 얼음이 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 '젊다'는 사실이 밝혀졌다. 이번 발견으로 달 탐사 전략이 크게 수정될 전망이다. 행성과학연구소의 노버트 쇼르호퍼 선임 연구원이 이끄는 연구팀은 최근 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 학술지에 발표한 논문에서 달의 영구음영 지역(PSR)에 저장된 얼음은 약 34억년 전에 형성된 것으로 기존 추정치인 45억년보다 훨씬 '젊다'는 연구 결과를 공개했다. 쇼르호퍼 박사는 "이번 연구 결과로 달의 지질학적 이해뿐만 아니라 얼음 발견 예측에 대한 전략도 크게 수정될 것"이라고 말했다. 특히, 이 얼음은 달에서의 인간 생명 유지와 연료 생산 자원으로의 활용 가능성 때문에 많은 주목을 받고 있다. 달은 지구로부터 점점 멀어지면서 중요한 스핀 축 방향의 변화를 겪었다. 이 변화 이후에 영구적으로 그림자가 드리운 지역(PSR)이 등장하고 확장됐다. 달의 얼음은 수십억 년에 걸쳐 보존된 것으로 알려져 왔으며, 이로 인해 태양빛에서 가려진 PSR 지역은 여러 탐사 임무의 핵심으로 여겨져 왔다. 그러나 이번 연구 결과는 달 탐사의 궤도를 크게 변경할 필요가 있다는 점이 밝혀졌다. 지난해 발표된 프랑스의 한 연구와도 일치하는 이번 연구 결과는 지구와 달 사이의 거리 변화를 중심으로 진행됐다. 쇼르호퍼 박사는 이에 대한 깊은 통찰을 얻고 즉각 이를 달의 얼음 탐사에 반영하기 위한 조사를 시작했다고 밝혔다. 랄루카 루푸 공동 저자와 논문 작업을 협업한 쇼르호퍼는 지구와 달 사이의 거리 변화 모델을 바탕으로 달의 스핀 축 방향을 추정하고 PSR 지역을 정확하게 매핑했다. 11억년 '젊은' PSR 얼음 일반적으로는 달이 45억 년 전 초기에 혜성과 화산 활동으로 물이 생기거나 수증기를 내뿜었다고 믿어져 왔다. 그러나 이 연구에서는 PSR이 실제로는 약 34억 년 전에 형성되기 시작했다는 사실을 밝혀냈다. 쇼르호퍼는 "현재 극지방에서 발견되는 물은 달 초기의 물이 아니다. 데이터를 기반으로 PSR의 평균 연령은 최대 18억 년으로 추정된다. 따라서 달에는 실제로 '고대 얼음 저장소'가 없다"라고 강조했다. 또한 2009년에 달의 분화구 관측 및 감지 위성을 통해 발견된 물이 위치한 지점의 PSR은 10억 년보다 더 젊다. 쇼르호퍼는 이것이 긍정적인 발견이라고 지적하며, 젊은 PSR에도 얼음이 있을 가능성이 높다는 것을 시사했다. 한편, 이 연구는 얼음이 풍부하게 있는 것으로 보이는 수성의 극지방에 대한 관심을 증대시키고 있다. 쇼르호퍼는 "수성의 PSR이 오래되었을 것이며, 초기에 물을 포착했을 수 있다. 이것이 두 행성 간의 불일치를 설명할 수 있을 것"이라고 추측했다. 쇼르호퍼의 이번 연구는 NASA의 달 데이터 분석 프로그램 보조금과 태양계 탐사 연구 가상 연구소(SSERVI)의 GEODES 노드 지원을 받아 진행했다. 한국 달 탐사선 '다누리' 한편, 한국 달 탐사선 '다누리'도 달의 영구음영 지역 사진을 전송해 우리나라 달 탐사 위상을 높이고 있다. 다누리가 담은 달의 북극 지역 관측 사진은 지난 8월 7일 공개됐다. 달의 북극 지역에 있는 직경 약 20km의 분화구 에르미트-A는 내부에 영원히 태양빛이 닿지 않는 영구음영 지역을 포함하고 있다. 아울러 다량의 물이 얼음 형태로 존재할 것으로 예상되는 지역이기도 하다. 이외에도 다누리는 지구에서 관측하기 쉽지 않은 남극 지역 대형 분화구 드라이갈스키, 미국 아르테미스 III 계획의 착륙 후보지 중 하나인 아문센 분화구 영역 등의 고해상도 이미지를 담아 달의 민낯을 적극 탐사하고 있다. 이들 사진은 지난 8월 7일 대전 한국항공우주연구원에서 열린 '다누리 발사 1주년 기념식 및 우주탐사 심포지엄'에서 공개됐다. 다누리는 작년 8월 5일 오전 8시 8분 미국 플로리다주 케이프커내버럴 우주군 기지에서 발사된 후, 145일 간의 지구-달 항행을 통해 2022년 12월 27일 달 임무궤도에 진입했다. 이후 약 1개월의 시운전을 거쳐 2월 4일 정상 임무운영에 들어갔다. 다누리는 6개의 탑재체로 달 착륙후보지 탐색, 달 과학연구, 우주인터넷기술 검증 등 과학기술 임무를 수행 중이다. 지난 3월에는 우리나라 최초로 달 뒷면 촬영 사진을 전송하기도 했다. 지난 6월 다누리는 잔여 연료량과 본체 영향성 분석을 거쳐 임무운영기간을 2025년까지 연장했다.
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달, 고대 얼음 없다..."달 탐사 전략 수정"
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'올빼미족'이 당뇨병 위험 높은 이유
- 낮에 자고, 밤에 주로 활동하는 야행성 인간이라는 뜻의 '올빼미족'. 이 올빼미족이 아침형 인간보다('종달새족') 당뇨병 위험이 높다는 연구 결과가 발표됐다. 글로벌 IT 전문 매체 '기즈모도(Gizmodo)'는 하버드 의과대학과 브리검 여성병원 연구진이 올빼미족 성향을 가진 중년 여성이 제2형 당뇨병에 걸릴 확률이 19% 더 높다는 것을 밝혀냈다고 전했다. 이 연구진은 '간호사 건강 연구 II'라는 장기 프로젝트의 데이터를 분석해 여성의 만성 질환에 대한 원인을 깊게 파악하려 했다. 참여자들에게는 그들의 크로노타입(chronotype , 하루 중 활동적인 시간과 잠드는 시간대를 구분한 지표)에 대한 질문도 포함됐다. 연구팀은 2009~2017년까지 암, 심혈관 질환, 제2형 당뇨병이 없는 6만명 이상의 중년 여성으로부터 수집한 데이터를 추적 조사한 결과, 약 2000건의 당뇨병 사례를 발견했다. 특히 '확실한 저녁 시간' 크로노타입을 갖는 '올빼미족'이라고 판단된 사람들은 아침 일찍 일어나는 사람들보다 당뇨병 진단을 받을 가능성이 눈에 띄게 높았다는 것이 밝혀졌다. 연구에 참여한 여성 중 약 11%가 올빼미족이었으며, 35%는 일찍 일어나는 아침형이라고 답했다. 다른 연구 결과에 따르면, 올빼미족 성향의 사람들은 운동 부족, 당뇨병, 그리고 기타 만성 질환의 위험을 증가시키는 생활 습관을 가질 가능성이 더 높았다. 연구진은 늦게 잠들기를 선호하는 성향과 당뇨병 사이에 연관성을 확인했으며, 올빼미 성향의 사람들은 당뇨병 위험이 19%나 더 높았다는 결과를 도출했다. 미국 하버드대학 브리검 여성병원 네트워크 의학 연구소의 티안이 황(Tianyi Huang) 교수는 이러한 결과는 매우 위험하다고 우려했다. 연구진은 내과학 회보 '인터널 메디슨(Annals of Internal Medicine)'에 게재한 논문에서 "올빼미 성향의 중년 간호사들은 아침형 중년 간호사들에 비해 더 해로운 생활 습관을 가지고 있으며, 당뇨병 위험도 더 높게 나타났다"고 밝혔다. 또 다른 학회술지인 '시간생물학회Chronobiology International)'도 비슷한 연구 결과를 공개했다. 이 학회지에 게재된 연구에 따르면 38~73세 사이의 성인을 43만3268명을 아침형과 올빼미족으로 구분하고 평균 6년6개월 동안 관찰한 결과, 올빼미족은 당뇨병 위험이 30%, 신경장애 25%, 위장 장애 23%, 호흡기 질환 22%, 그리고 사망 위험이 10% 더 높았다. 논문 연구진 쿤손(Kuntson)은 내부와 외부 시계의 불일치로 장기적인 건강 문제가 발생할 수 있다고 지적했다. 그러나 기즈모도는 해당 연구가 수면 선호도와 당뇨병 사이의 인과관계를 증명하지 못하고, 단순히 상관관계만을 보여준다고 지적했다. 전문가들은 "올빼미 성향의 사람들도 건강한 식단을 지키고 운동량을 늘리면 당뇨병 위험을 감소시킬 수 있으며 수면 패턴을 조절함으로써 건강한 생활을 유지할 수 있다"고 말했다.
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- 생활경제
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'올빼미족'이 당뇨병 위험 높은 이유
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화성 정착지 건설, 최소 인원은 몇명? 연구 결과 공개
- 화성에 인간 정착지를 세우려면 몇 명이 필요할까? 최근 조지 메이슨 대학교의 연구팀은 이 질문에 대한 답을 제시했다. 이 팀의 컴퓨터 시뮬레이션 연구에 따르면, 화성에서 지속 가능한 식민지를 세우기 위해선 최소한 22명의 인원이 필요하다는 결론을 내렸다. 이 연구는 단순히 물자나 기술적인 측면만을 고려한 것이 아니다. 인간의 다양한 성격 유형이 극한의 환경에서 어떻게 작용하는지도 중요하게 고려했다. 유쾌한 성격 유형의 사람이 장기 정착에 더 적합하며, 반면 신경이 예민한 성격을 가진 사람은 화성에서의 적응이 어려울 것이라는 연구 결과도 나왔다. 연구팀은 논문에서 "화성 환경은 매우 척박하며, 생활에 필요한 대부분의 자원들을 현지에서 얻어내야 한다. 그렇기에 식민지의 멤버들은 화성에서 물을 채굴하고, 그 물을 이용해 호흡용 산소나 연료를 제조하는 등의 복잡한 기술을 구사해야 한다"고 강조했다. 사우스뉴스웨스트에 따르면 이 연구에서는 고립된 환경에서의 성격 유형과 그 영향력을 분석하기 위해 잠수함과 북극 탐사, 국제우주정거장, 전시(전쟁 상황) 등 다양한 상황에서의 팀 작업 연구를 참조했다. 한 연구원은 "실제로 화성에서 생활하는 것은 굉장히 어렵다. 그러나 이 연구를 통해, 화성에서의 정착이 가능하다는 것을 알게 됐다. 그리고 그 정착을 위해 필요한 최소한의 인원과 성격 유형을 파악할 수 있었다"라고 평가했다. 이 연구를 통해 화성 탐사와 정착에 대한 인간의 꿈이 한걸음 더 현실로 다가왔다고 볼 수 있다.
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- 산업
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화성 정착지 건설, 최소 인원은 몇명? 연구 결과 공개
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'리튬 이온 배터리' 단점 고가와 불안정성에 '고체 전해질' 주목
- 전기자동차부터 휴대폰, 가전제품까지 다양한 분야에서 활용되는 리튬 이온 배터리. 그러나 이 배터리의 높은 가격과 안정성 문제로 고체 전해질 배터리가 대안으로 급부상하고 있다. 현재 국내에서는 SK온이 주도하는 가운데, 세계적으로도 도요타 등 주요 기업들이 고체 전해질 배터리의 연구와 개발에 박차를 가하고 있다. 특히 일본 도호쿠 대학의 연구팀은 이 분야의 연구에서 큰 진전을 이루며 주목받고 있다. 일본 에너지 전문 매체 '에너진'에 따르면, 도호쿠 대학 연구원들은 물리 화학분야 국제 저명 학술지인 '재료 화학(Chemistry of Materials)'에 고체 전해질의 구조가 배터리 성능에 어떤 영향을 주는지 예측 가능한 프레임워크를 공개했다. 고체 전해질(Solid Electrolyte)은 전기를 전도하는 역할을 유지하는 물질 중 하나다. 고체 전해질의 주요 특징은 리튬 이온 배터리의 액체 전해질에 비해 화학적 안정성이 탁월하다. 다시 말하면, 고체 전해질은 배터리의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 역할을 하는 전해질을 고체 형태로 만든 것이다. 액체 전해질에 비해 고체 전해질은 화재 위험이 없고, 온도 변화나 외부 충격에도 강한 장점이 있다. 또한, 분리막이 필요 없어 배터리의 구조를 단순화하고, 에너지 밀도를 높일 수 있다. 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계 세 가지 종류로 나눌 수 있다. 황화물계 전해질은 리튬 이온 전도도가 높고, 전극과의 접촉면을 넓게 형성할 수 있는 특징이 있다. 산화물계 전해질은 리튬 이온 전도도는 낮지만, 전기화학적 안정성이 우수하다. 폴리머계 전해질은 기존 액체 전해질과 유사한 제조 공정과 비용 경쟁력을 가지고 있다. 하오 리(Hao Li) WPI-AIMR의 부교수는 "에너지 저장 장치의 개발은 지속 가능한 미래를 보장하는 데 필수"라며 "클로소형 2차 복합 수소화물(CTCH, 리튬 이온 기술을 대체할 고체 전해질)은 리튬 이온 기술의 안전성 및 에너지 밀도 한계를 극복할 수 있는 귀중한 대안"이라고 강조했다. 한편, SK온은 단국대 신소재공학과 박희정 교수 연구팀과 공동으로 새로운 고체 전해질 기술을 선보여 관심을 모았다. 이 연구 팀은 산화물계 고체 전해질 소재인 리튬·란타넘·지르코늄·산소(LLZO)의 첨가물질을 추가해 리튬이온전도도를 기존보다 무려 70% 개선한 것으로 알려졌다. 이러한 기술적 진보는 배터리의 화재 위험 감소와 용량 증대 효과가 있을 것으로 예상된다. 국내외 기업들도 전고체 배터리 시장에 본격 진출하고 있다. SK온과 함께 삼성SDI, LG에너지솔루션은 각각 연구와 개발에 나서고 있으며, 일본의 토요타와 중국의 칭다오에너지 역시 전고체 배터리 기술 개발에 힘쓰고 있다. SK온을 비롯해 삼성SDI는 지난 2022년 국내 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공했다. LG에너지솔루션은 오는 2026년 고분자계 전고체 배터리, 2023년 황화물계 전고체 배터리 양산을 목표로 연구를 진행 중이다. 일본 도요타는 전고체 배터리 관련 특허만 약 1000여개에 달할 만큼, 전고체 배터리 연구에 전념하고 있다. 중국에서는 칭다오에너지가 지난 2018년 100메가와트시 규모의 전고체 배터리 파일럿 생산 공장을 건설한 바 있다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용한 차세대 배터리로, 꿈의 배터리라고도 불린다. 고체 전해질은 전기차와 에너지 저장 분야의 향후 기술적 파장을 주도할 핵심 기술로 떠오르며, 그 가능성이 무궁무진함을 입증하고 있다.
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- IT/바이오
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'리튬 이온 배터리' 단점 고가와 불안정성에 '고체 전해질' 주목
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