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[퓨처 Eyes(15)] 20m 미만 소형 입자 가속기, 의료·반도체 혁신 예고
- 미국 텍사스대학교(UT) 오스틴 캠퍼스 연구원들이 전자 에너지가 높고 공간도 적게 차지하는 소형 입자 가속기를 개발했다. '입자 가속기'는 우주를 구성하는 기본 입자들의 속성과 상호작용을 연구하는 데 필수적인 장치다. 현대 물리학의 중심에 서 있는 이 기술은 반도체 응용 분야, 의료 영상 및 치료, 재료, 에너지 및 의학 연구에 큰 잠재력을 가지고 있다는 평가다. 특히 기존 가속기는 수 킬로미터에 달하는 넓은 공간을 차지해 가격이 비싸고 소수의 국립연구소와 대학에서만 사용할 수 있었다. 미국 과학 기술 매체 사이테크데일리에 따르면, UT 연구팀이 개발한 소형 입자 가속기는 길이 20m 미만으로, 기존 가속기보다 훨씬 콤팩트하다. 또한, 100억 전자볼트(10 GeV)의 에너지를 가진 전자빔을 생성할 수 있어, 기존 가속기와 동일한 수준의 성능을 갖는다. 현재 미국 내에서 이와 같은 높은 전자 에너지 수준에 도달할 수 있는 가속기는 단 두 대에 불과하며, 둘 다 길이가 약 3km에 달한다. 이 연구의 공동 저자인 비요른 마누엘 헤겔리히(Bjorn "Manuel" Hegelich) UT 물리학 부교수는 "우리는 이제 이러한 에너지 수준에 매우 가까운 거리, 약 10cm 내에서 전자 빔에 도달할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 의미하며, 향후 다양한 과학적, 의료적 응용에 사용될 수 있다. 헤겔리히 교수는 저널 '극한에서의 물질과 방사선(Matter and Radiation at Extremes)'에서 "우리의 가속기는 우주 장치의 방사선 내성 테스트, 새로운 반도체 칩의 3D 내부 구조 이미지화, 심지어 혁신적인 암 치료법과 고급 의료 영상 기술 개발에 활용될 수 있다"고 말했다. 또한, 이 가속기는 X선 자유 전자 레이저 구동에도 사용될 수 있다. 이 레이저는 원자나 분자 수준에서 일어나는 프로세스를 슬로우 모션으로 촬영하는 데 이용 가능하다. 가속기 기술의 혁신 '소형 입자 가속기' 입자 가속기는 원자와 같은 작은 입자들을 매우 높은 속도로 가속시켜, 이들을 서로 충돌시키거나 특정 표적에 충돌시킴으로써 그 속성을 탐구한다. 이러한 과정을 통해 과학자들은 입자들과 이를 구성하는 힘에 대해 깊이 있게 연구할 수 있다. 입자 가속기는 주로 하전 입자의 속도를 증가시키는 데 사용된다. 양성자, 원자핵, 전자와 같은 양전하나 음전하를 지닌 입자들이 이에 해당한다. 이 입자들은 때때로 빛의 속도에 근접한 속도로 가속된다. 입자가 표적 물질이나 다른 입자와 충돌할 때, 다양한 현상이 발생한다. 충돌로 인해 에너지가 방출되고, 핵 반응이 일어나며, 입자가 산란되고 새로운 입자가 생성된다. 예를 들어, 중성자와 같은 다른 입자들이 이러한 충돌에서 생겨날 수 있다. 이 과정을 통해 과학자들은 원자, 원자핵, 핵자를 결합하는 힘과 '하이그스 보손(Higgs boson)'과 같은 특별한 입자들의 성질을 연구할 수 있다. 하이그스 보손, 우주 기본 입자의 질량 부여하는 '신의 입자' '하이그스 보손'은 기본 입자 물리학의 중요한 개념 중 하나로, 입자들이 질량을 갖게 되는 메커니즘을 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 입자는 1964년 물리학자 피터 하이그스와 다른 몇몇 이론 물리학자들에 의해 처음으로 제안됐다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 처음 발견됐다. 하이그스 보손은 매우 무거운 입자로, 질량은 약 125GeV이다. 이는 약 125억 전자볼트와 같다. 하이그스 보손은 또한 매우 불안정한 입자로, 평균 수명은 약 1.56x10¯²²초로 추정된다. 이는 하이그스 보손이 생성된 직후 거의 즉시 다른 입자들로 붕괴한다는 것을 의미한다. 하이그스 보손의 발견은 물리학 연구에 새로운 동력을 불어넣었다. 이로 인해 피터 하이그스와 프랑수아 앵글레르는 2013년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 발견은 우주의 근본적인 성질에 대한 이해를 크게 향상시켰으며, 여전히 많은 연구가 진행 중이다. 입자 가속기 활용 분야 입자 가속기는 우주의 기원과 구조, 물질의 기본 구성 요소, 자연법칙 등을 연구하는 데 사용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 입자를 발견하거나, 기존 입자의 성질을 연구할 수 있다. 또한 입자 가속기는 생물학, 의학, 재료과학, 나노기술 등 다양한 분야의 응용과학 연구에 활용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 약물이나 치료법을 개발하거나, 새로운 재료나 소재를 개발할 수 있다. 예를 들어, 암 치료를 위한 정밀 방사선 요법이나 새로운 재료의 연구에 활용될 수 있다. 종양을 제거하거나 염증을 치료하는 방사선 치료를 수행할 수 있다. 입자 가속기를 사용하여 의료용 동위원소를 생산할 수도 있다. 의료용 동위원소는 암 진단, 치료, 방사선 치료 등 다양한 의학 분야에서 사용된다. 입자 가속기는 반도체 제조, 금속 재료 연구, 환경 오염 측정 등 산업 분야에도 다양한 용도로 활용되고 있다. 입자 가속기를 이용하여 반도체의 미세 회로를 제조할 수 있다. 또 식품이나 의약품을 살균하거나, 디스플레이 등을 제조할 수 있다. 아울러 새로운 물리학 이론을 탐구할 수 있다. 표준 모델 이외의 이론, 예를 들어 초대칭성, 여분의 차원, 양자 중력 이론 등을 실험적으로 탐구하는 것이 다음 세대 가속기의 중요한 목표 중 하나가 될 것이다. 또한 대규모 입자 가속기 프로젝트는 국제적 협력을 필요로 한다. 이러한 협력은 물리학뿐만 아니라 정치적, 경제적, 교육적 측면에서도 광범위한 영향을 미칠 것으로 보인다. 웨이크필드 레이저 가속기 웨이크필드 레이저 가속기는 1979년에 처음으로 개념이 제시된 이후 괄목할 만한 발전을 거듭해왔다. 이 기술은 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 지난 수십 년간 여러 연구 그룹이 이 기술을 발전시켜 더욱 강력한 버전을 개발했다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 이 과정은 보트가 호수를 가로질러 나아가며 남기는 항적과 유사하며, 전자는 서퍼가 파도를 타는 것처럼 이 플라즈마 파동을 타고 이동한다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 웨이크필드 레이저 가속기 기술의 효율성과 성능을 높이는 데 크게 기여하고 있다. 앞으로도 이 분야의 연구와 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 헤겔리히 교수는 웨이크필드 가속기의 원리를 비유를 통해 설명했다. 그는 "웨이크 서핑을 하려면 큰 파도에 들어가기 어렵기 때문에 서퍼들은 제트 스키에 끌려들어간다"고 비유했다. 이어서 "우리 가속기에서는 제트 스키와 유사한 역할을 하는 것이 적절한 시간과 위치에서 전자를 방출하는 나노입자이다. 이를 통해 파도 위에 더 많은 전자를 끌어들여 가속하는 것이 우리의 '비밀 소스'"라고 부연했다. 이 실험을 위해 연구팀은 세계에서 가장 강력한 펄스 레이저 중 하나인 '텍사스 페타와트 레이저(Texas Petawatt Laser)'를 사용했다. 이 레이저는 UT에 설치되어 있으며, 매시간 한 번씩 초강력 빛 펄스를 발사한다. 단일 페타와트 레이저 펄스의 전력은 미국 전력의 약 1000배에 달하지만, 지속 시간은 150펨토초에 불과하다. 이는 번개 방전의 10억분의 1도 안 되는 짧은 시간이다. 웨이크필드 레이저 가속기는 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 전자는 이 플라즈마 파동을 타고 이동하면서 에너지를 얻게 된다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 소형 입자 가속기 연구의 의미와 전망 UT 연구팀의 이번 연구는 소형 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 이루었다는 점에서 의미가 있다. 소형 입자 가속기는 기존 가속기의 단점인 비용과 공간 제약을 극복할 수 있어 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높다. 연구팀은 향후 현재 개발중인 소형 입자 가속기를 테이블 위에 올려 놓고 초당 수천 번 반복적으로 발사할 수 있는 레이저로 시스템을 구동하여 기존 가속기보다 훨씬 더 콤팩트하고 훨씬 더 넓은 환경에서 사용할 수 있는 가속기를 만드는 것을 목표로 하고 있다. 한편 현재 세계 각국은 입자 가속기의 성능을 향상시키기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 현재 운영 중인 대형 강입자 충돌기(LHC)의 성능을 개선하기 위한 작업을 진행하고 있다. 또한, 미국, 중국, 일본 등에서도 새로운 입자 가속기의 건설을 추진하고 있다. 이러한 노력을 통해 입자 가속기는 우주와 물질의 기본 법칙을 이해하고 새로운 기술을 개발하는 데 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(15)] 20m 미만 소형 입자 가속기, 의료·반도체 혁신 예고
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완전 채식, 단 몇 주 만에 심장 건강 개선
- 고기 섭취를 줄이는 것이 심혈관 건강에 유익하다는 연구 결과가 최근 많이 나오고 있다. 이는 채식이 건강에 좋을 수 있다는 것을 시사하지만, 극단적인 채식은 영양 불균형을 초래할 수 있으므로 균형 잡힌 식단 구성이 중요하다. 프랑스 매체 푸어꾸아뚜쿠뚜(pourquoidocteur)는 쌍둥이를 대상으로 실시한 한 연구에서는 완전 채식과 잡식성 식단이 심혈관 건강에 미치는 영향을 비교한 결과, 채식이 심장 건강에 좋은 영향을 미친다는 연구 결과에 대해 소개했다. 미국 스탠포드 대학의 연구팀은 쌍둥이를 활용하여 심혈관 건강에 대한 완전 채식과 잡식 식단의 효과를 비교한 것. 쌍둥이는 같은 환경에서 성장하고 유사한 생활 방식을 유지했기 때문에, 유전학적 요인을 통제하고 다른 변수를 최소화할 수 있었다. 최근 '자마 네트워크 오픈'(JAMA Network Open) 저널에 게재된 연구에서 과학자들은 심혈관 건강에 미치는 영향을 조사하기 위해 특별한 식단 실험을 실시했다. 이 연구를 위해 심혈관 건강이 양호한 22쌍의 쌍둥이, 총 44명이 선정됐다. 연구 기간 동안인 8주간, 쌍둥이 한 명은 완전 채식 식단을, 다른 한 명은 잡식성 식단을 따르도록 분리 배정됐다. 여기서 완전 채식 식단은 모든 동물성 제품을 배제한 식단을 의미하며, 잡식성 식단에는 닭고기, 생선, 계란, 치즈, 유제품 및 다른 동물성 식품이 포함됐다. 이 연구의 중요한 부분은 모든 참가자가 야채, 콩류, 과일, 통곡물과 같은 건강에 좋은 식품을 섭취하고 정제된 설탕과 전분이 없는 음식을 먹는 것이었다. 이러한 방식으로 연구팀은 완전 채식과 잡식성 식단이 심혈관 건강에 미치는 영향을 보다 정확하게 비교, 평가할 수 있었다. 연구팀은 "임상시험 처음 4주 동안은 쌍둥이에게 식단별 맞춤 식사를 배달 서비스로 제공했으며, 5주차부터 8주차까지는 참가자들이 각 식단에 맞는 식사와 간식을 직접 준비했다"고 밝혔다. 또한, 영양사가 연구 기간 내내 참가자들에게 다이어트에 관한 조언을 제공하고 그들의 질문에 답변했다. 참가자들은 자신의 식습관에 대해 정기적으로 질문을 받았으며, 자신이 섭취한 음식을 노트에 기록하는 것이 요구됐다. 완전 채식, 콜레스테롤 및 인슐린 수치 개선 연구 결과에 따르면, 완전 채식 식단을 따른 성인들에서 몇 가지 긍정적인 건강 변화가 관찰됐다. 식단 변경 후 첫 4주 동안, 완전 채식을 한 참가자들은 잡식성 참가자들에 비해 저밀도 지단백 콜레스테롤(LDL-C), 인슐린 수치 및 체중이 현저히 낮아진 것으로 나타났다. 이러한 개선은 심혈관 건강 증진과 연관이 있으며, 채식주의자들은 잡식성 성인에 비해 평균적으로 4.2kg의 체중 감량과 함께 공복 인슐린 수치가 약 20% 감소한 것으로 나타났다. 임상시험 시작 시점의 평균 LDL-C 수치는 채식 그룹이 110.7㎎/dL, 잡식성 그룹이 118.5㎎/dL으로 나타났지만 시험 종료 시점에는 채식 그룹이 95.5㎎/dL, 잡식성 그룹이 116.1㎎/dL로 채식 그룹 수치가 크게 개선됐다. LDL-C는 건강을 위해 100㎎/dL 미만을 유지하는 것이 권장된다. 채식 그룹은 또 당뇨병 발병 위험 요소인 공복 인슐린 수치도 약 20% 감소했다. 체중 또한 채식 그룹이 잡식성 그룹보다 평균 1.9kg 줄어들었다. 이 연구의 공동 저자인 크리스토퍼 가드너(Christopher Gardner)는 "이러한 결과가 장수와 관련이 있을 수 있음을 지적하며, 완전 채식이 장내 세균 증가 및 텔로미어 손실 감소를 통해 신체 노화를 늦출 수 있는 추가적인 이점을 제공할 수 있다"고 말했다. 가드너 교수는 이 연구에 대해 "쌍둥이를 대상으로 한 이 연구는 기존 잡식 식단과 비겨했을 때 완전 채식 식단이 건강에 더 유리할 수 있다는 것을 보여주는 중요한 방법론을 제공하고 있다"고 덧붙였다. 그러나 연구팀은 엄격한 완전 채식보다는 식단에 더 많은 식물성 식품을 포함시키는 것이 더 중요하다고 강조했다. 이는 식단의 다양성을 유지하고 균형 잡힌 영양 섭취를 촉진하는 방법으로, 건강한 생활 방식을 추구하는 데 있어 중요한 점이다. 한편, 헬스조선에 따르면, 채식은 심혈관질환과 대장암 위험을 낮춰주는 등 장점이 많은 반면, 영양 불균형을 고려하지 않으면 탈모, 근육량 감소, 면역력 불균형, 골밀도 감소, 피로감 등의 부작용이 생긴다. 특히, 극단적인 채식은 특히 뼈 건강에 나쁜 영향을 주는 것으로 알려졌다. 한 연구에서 실제 채식만 하는 남녀 대학생 67명과 일반적인 식사를 하는 남녀 대학생 143명의 골밀도를 조사했다. 연구 결과 채식을 하는 남자 대학생의 평균 골밀도는 101.73, 여자 대학생은 84.15였다. 이는 채식을 하지 않는 남자(107.43), 여자(89.64) 대학생보다 낮은 수치다. 다른 음식은 먹지 않고 채소, 과일, 곡류만 섭취하는 극단적인 채식을 하면 비타민, 무기질, 칼슘, 단백질 등이 부족해져 뼈 건강에 악영향을 줄 수 있다. 채식을 할 때는 뼈를 건강하게 하는 영양소가 많이 든 해조류, 견과류, 콩류 등을 다양하게 먹는 것을 권장한다.
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완전 채식, 단 몇 주 만에 심장 건강 개선
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지구의 자전축 이동, 지하수 고갈이 원인
- 지하수 고갈이 지구 자전축 이동의 원인이라는 새로운 연구 결과가 나왔다. 미국 매체 인디100(indy100)은 본질적으로 지구의 기울기는 시간이 지남에 따라 변하고 있으며, 몇 년 전 과학자들은 이를 지구 온난화와 극지방의 만년설이 녹는 현상으로 분류했다고 지적했다. 그러나 과학자들은 최근 연구에서 지구 자전축의 이동이 기존에 알려진 원인 이외에 다른 요소로 인해 발생하고 있다는 사실을 발견했다. 이 새로운 연구는 지하수 고갈이 지구의 물리적 균형에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해를 넓히는데 중요한 역할을 하며, 기후 변화 및 지구 시스템에 대한 우리의 이해를 더욱 심화시킬 것으로 기대된다. 이는 지구의 물 순환 및 환경 관리에 대한 새로운 관점을 제공할 수 있다. 지구의 극은 빙상이 녹는 현상으로 움직일 수 있는 것으로 알려졌지만, 관개로 인한 지하수의 고갈도 같은 일이 일어날 수 있다는 것이다. 북극은 현재 점차 영국 방향으로 느린 속도로 이동하고 있으며, 이론적으로 이러한 극의 이동은 시간이 지나면서 지구의 계절 변화에 영향을 미칠 수 있는 능력을 가지고 있다. 가장 우려되는 점은 최근 '지구물리학 연구 학술지(Geophysical Research Letters)'에 게재된 연구에서 밝혀진 것으로, 지구 천연자원의 소비 방식, 특히 탈수된 땅에서 사용되는 염수와 관련한 연구 결과들이다. 이 연구에 공동으로 참여한 서울대학교 지구과학교육과 서기원 교수는 "지구의 회전 극은 실제로 큰 변화를 겪고 있으며, 우리 연구에 따르면 지하수의 재분배가 지구의 회전 극의 표류에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다"고 우려했다. 서기원 교수가 이끄는 연구팀은 1993년부터 2010년까지 인류가 사용한 지하수의 양이 약 2조 1500톤에 달하며, 이로 인해 해수면이 약 6mm 상승하고, 지구의 자전축이 약 80cm 이동했다고 주장했다. 이 연구는 인간 활동이 해수면 상승에 중요한 영향을 미치고 있음을 시사한다. 지하수 사용이 증가함에 따라 육지의 물은 감소하고, 대신 바닷물이 증가하여 지구의 물질량 분포와 자전축의 위치에 변화를 가져왔다. 이 연구 결과는 물이 지표면에서 천천히 지하로 새어 나가는 현상을 발견한 최근의 과학적 발견에 이어 나온 것이다. 연구에 따르면, 액체는 지각판 아래로 하강하여 약 2900km 이동한 후 지구의 코어에 도달한다. 이 과정은 느리지만 수십억 년에 걸쳐 지구의 외핵 용융 금속과 맨틀 사이에 새로운 표면이 형성되었다. 이러한 발견은 지구과학에서의 중요한 이정표로, 인간 활동이 지구의 물리적 균형과 환경에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 기여를 한다. 지구의 자전축이 변하면 각 지역이 태양에 노출되는 정도에 변화가 생겨, 이로 인해 심각한 기후 변화가 발생할 수 있다. 특히 해수면 상승은 해발고도가 낮은 섬나라와 해안 도시들에게 큰 위협이 되며, 한국도 이러한 위험에서 자유롭지 못하다. 한국 해양수산부의 자료에 따르면, 1991년부터 2020년까지 한국의 평균 해수면은 매년 3.03mm씩 상승하여 총 9.1cm 높아진 것으로 나타났다. 국립해양조사원과 서울대학교의 연구에 따르면, 2100년까지 한국의 해수면은 최대 82cm까지 상승할 것으로 예측되며, 이는 2021년 발표된 예측치보다 10cm 높은 수치다. 전 세계적으로 해수면이 1미터 상승한다면 약 4억 명의 인구가 피해를 입을 것으로 추정된다. 이러한 상황은 우리가 탄소 배출을 줄여야 하는 중요한 이유를 제시한다.
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지구의 자전축 이동, 지하수 고갈이 원인
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항암제 알펠리십, 유방암 환자 고혈당증 위험 높인다
- 최근 과학자들은 일반적으로 사용되는 암 치료 약물에 잠재적인 부작용이 있을 수 있다는 것을 발견했다. 특히, 경구용 암 치료제인 알펠리십을 복용하는 유방암 환자들 사이에서 고혈당증이나 고혈당 발생률이 증가하는 경향이 관찰됐다. 과학기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'는 미국 암 학회(American Cancer Society)의 심사 저널 '캔서(Cancer)'에 게재된 이 같은 연구결과를 보도했다. 알펠리십은 세포 성장에 중요한 역할을 하는 포스포이노시티드 3-키나아제(PI3K) 단백질을 특이적으로 억제하는 약물이다. PI3K 단백질의 돌연변이는 암 발병과 연관이 있어, 이를 타겟으로 하는 치료법이 개발됐다. 2019년에는 미국 식품의약국(FDA)이 특정 유형의 전이성 유방암 치료를 위해 에스트로겐 수용체를 차단하는 약물 풀베스트란트와 함께 알펠리십의 사용을 승인했다. 하지만 최근의 연구는 PI3K 타겟 약물이 고혈당증과 같은 부작용을 유발할 수 있음을 시사한다. 이러한 부작용은 심할 경우 탈수나 신장 손상을 초래하고, 입원이 필요할 수도 있다. 메모리얼 슬론 케터링 암 센터(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)의 셰리 셴(Sherry Shen) 박사와 그의 연구팀은 알펠리십을 복용하는 전이성 유방암 환자들에서 고혈당증의 발생률, 위험 요인 및 치료 패턴에 대한 연구를 시작했다. 이 연구는 임상시험 및 해당 기관에서 표준치료로 치료받은 환자들을 대상으로 이루어졌다. 연구 결과에 따르면, 알펠리십을 표준치료로 받은 147명의 환자 중 80.3%에서 고혈당증이 발생했으며, 이 중 40.2%는 중증의 고혈당증을 겪었다. 임상시험 기간 동안 알펠리십 치료를 받은 100명의 환자 중에서는 고혈당증 발생률이 34.0%, 중증 고혈당증 발생률이 13.0%로 나타났다. 이 연구에서 알펠리십 투여 후 고혈당증 발병까지 평균 소요 시간은 16일이었다. 연구팀은 당뇨병 전증이나 당뇨병의 지표인 헤모글로빈 A1c의 초기 상승이 고혈당증 발병의 위험 요인임을 발견했다. 고혈당증이 발생한 환자 중 66.4%가 치료를 받았으며, 이 중에서 가장 일반적으로 사용된 치료제는 당뇨병 약물인 메트포르민이었다. 셴 박사는 "PI3KCA 돌연변이가 있는 환자들이 알펠리십 치료를 받을 경우, 헤모글로빈 A1c 수치를 체크하고 환자의 주치의 및 내분비학자와 협력하여 혈당 수치를 최적화하는 것이 필요하다"고 강조했다. 이는 알펠리십 복용을 시작하기 전에 혈당 상태를 관리하고 당뇨병 전증/당뇨병에 대한 선제적 대응을 통해 고혈당증 발병 위험을 낮출 수 있기 때문이다. 또한 셴 박사는 또한 "알펠리십 치료를 시작하기 몇 달 전에 이러한 조치를 취해야 한다. 알펠리십을 복용하면 대부분의 경우 치료 후 처음 몇 주 이내에 고혈당증이 발생하는 경향이 있기 때문이다"라고 덧붙였다. 그는 혈당 상태를 개선하고 당뇨병 전증/당뇨병을 치료하는 데 선제적으로 대처하면 환자의 고혈당증 발병 위험을 낮출 수 있어 암에 효과적일 수 있는 약물을 중단해야 할 위험을 낮출 수 있다"고 주장했다. 이러한 조치는 암 환자들에게 효과적인 약물 치료를 지속하는 데 도움이 되며, 고혈당증으로 인한 치료 중단의 위험을 줄일 수 있다. 선임 연구자인 닐 M. 아이옌가(Neil M. Iyengar) 의학박사는 암 치료 중 환자의 혈당 수치를 최적화하기 위해 식이 요법, 운동 패턴의 변화, 그리고 특정 약물의 도입이 필요할 수 있다고 언급했다. 아이옌가 박사는 "생활습관의 개선을 통한 대사 위험 요인 관리는 알펠리십의 용량 전달과 효과를 높일 수 있다"며, "현재 우리 연구팀과 다른 연구 그룹들은 케톤 생성 식이요법이나 당뇨병 치료에 사용되는 새로운 약물 등 대사 중재가 PI3K 경로를 표적으로 하는 암 치료의 효능을 향상시키는지 여부를 임상시험을 통해 검증하고 있다"고 말했다.
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항암제 알펠리십, 유방암 환자 고혈당증 위험 높인다
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중국, 지하 2400ｍ에 세계 최대 암흑물질 탐사 연구시설 가동
- 중국이 쓰촨성 진핑산 지하 2400ｍ에 암흑물질(dark matter) 탐사를 위한 세계 최대 지하 연구시설을 가동했다. 사우스차이나 모닝 포스트(SCMP)는 7일(현지시간) 중국 관영 신화통신을 인용, 쓰촨성 진핑산에서 지하 2400ｍ에 위치한 33만㎡ 규모의 세계 최대 초심층 연구실 '중국 진핑 지하 실험실(China Jinping Underground Lab)'이 이날 가동을 시작했다고 보도했다. 진핑 지하 실험실은 올림픽 수영 경기장 120개에 해당하는 규모로, 이전까지 최대 지하실험실 이었던 이탈리아 그란 사소 국립실험실(Gran Sasso National Laboratory)의 약 두 배 크기다. 이 실험실은 2010년 1단계 공사에서 4000㎡ 규모로 건설됐으며 2020년 12월 칭화대 등과 함께 2단계 확장 공사를 시작해 3년만에 완공됐다. 실험실은 터널을 통해 자동차로 접근할 수 있다. 세계에서 가장 깊은 땅속에 위치한 이 실험실은 다른 곳에서는 접할 수 없는 특별하고 조용한 청정 실험 환경을 제공한다. 대부분의 우주선(cosmic ray)을 차단하는 극도의 깊이에 위치한 이 연구실은 과학자들이 우주 구성 총물질의 약 26%를 차지한다고 여겨지는 보이지 않는 물질인 암흑물질 탐지에 이상적인 '초(ultra)청정'한 환경을 조성하는 것으로 알려졌다. 암흑물질은 우주를 구성하는 총 물질의 26.8%를 차지하는 정체불명의 물질이다. 유럽 핵연구기구(CERN)에 따르면 암흑 물질은 빛을 흡수, 반사 또는 방출하지 않기 때문에 발견하기가 매우 어렵다. CERN은 미지의 물질인 암흑물질을 연구하는 장비를 보유하고 있다. CERN의 강력한 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기는 프랑스-스위스 국경의 제네바 인근 지하 100m에 위치해 있다. 이 충돌기는 국제 연구자들이 암흑물질을 찾는 데 사용된다. 과학자들은 암흑물질이 가시 물질에 미치는 중력 효과를 통해 암흑물질의 존재를 추론할 수 있었다. 즉 암흑물질은 전파나 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등과 같은 전자기파로도 관측되지 않으며 오로지 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있는 가설상의 물질이다. 암흑물질은 우주생성 초기부터 널리 존재하면서 은하의 구조 등을 결정하는 중요한 역할을 한 것으로 알려졌으나 빛을 내지 않고 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 관측이 대단히 어렵다. 암흑물질의 수수께끼를 풀면 연구자들이 우주의 구성과 은하가 어떻게 서로 결합하는지 더 잘 이해할 수 있을 것으로 보인다. 과학자들은 눈에 보이는 물질은 우주 전체 질량의 5%만을 차지하고 나머지 95%는 암흑물질과 암흑에너지라고 추정한다. 2010년 진핑 연구소의 1단계 공사가 완공되었을 때 약 4000㎥의 규모였다. 칭화대학교와 국영 야롱강 수력발전회사가 공동으로 2단계 공사를 2020년 12월에 시작했다. 칭화대 웨첸(Yue Qian) 교수는 신화통신에 "진핑 실험실은 지구 표면 우주선의 1억분의 1에 해당하는 극소량의 우주선에만 노출되기 때문에 암흑물질 연구를 위한 초청정한 공간을 제공한다"고 말했다. 또 "실험실 내 환경 방사선과 자연 발생 방사성 가스 라돈의 농도가 극도로 낮은 것도 암흑물질 탐지를 향상시킬 수 있다"면서 "우리는 가장 중요한 과학적 탐구에 착수할 수 있다"고 말했다. 그는 "이 연구실이 입자 물리학, 핵 천체 물리학, 우주론, 생명 과학 및 암석 역학 분야 등의 학제간 연구를 지원할 것"이라고 덧붙였다. 신화통신은 칭화대, 상하이 교통대, 베이징 사범대학의 과학자와 중국원자력연구소, 중국과학원 암석 및 토양 역학 연구소 등으로 구성된 10개의 연구팀이 이미 이 시설에 주둔했다고 전했다. 한편, 한국은 강원도 정선군의 예미산 지하 1000미터에 위치한 세계적 수준의 고심도 지하실험시설 '예미랩'에서 우주의 비밀을 밝히고 있다. 이곳에서는 '암흑물질'과 우주를 구성하는 기본 입자인 '중성미자' 연구 등이 진행되고 있다.
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- 산업
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중국, 지하 2400ｍ에 세계 최대 암흑물질 탐사 연구시설 가동
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박테리아 게놈서 희귀 CRISPR 시스템 188종 발견
- 최근의 한 연구에서 과학자들은 박테리아 게놈에서 188종의 새롭고 희귀한 CRISPR(크리스퍼, 유전자 가위) 시스템을 발견했다. 새로 발견된 이 시스템들은 인간 세포의 DNA를 편집할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, RNA를 표적으로 하는 것은 물론 다양한 기능을 가진 여러 세포를 편집할 수 있다고 알려져 있다. 사이테크데일리에 따르면 188종의 CRISPR에는 수십억 개의 단백질 서열 중에서 발견된 새로운 7형 CRISPR-Cas 시스템이 포함된다. 이 접근법의 발견은 CRISPR 시스템을 활용하고 방대한 미생물 단백질의 다양성을 탐구할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 미국의 IT전문 매체 인터레스팅 엔지니어링(INTERESTING ENGINEERING)은 CRISPR는 유전자 가위와 같은 역할을 하는 유전자 편집 도구로, 과학자들이 원하는 위치의 DNA의 원하는 위치를 원하는 방식으로 변경할 수 있게 해준다고 보도했다. 이 기술에는 원하는 표적 유전자와 일치하는 가이드 RNA와 이중 가닥 DNA 절단을 유발하는 엔도뉴클레아제인 Cas9(크리스퍼 관련 단백질 9)의 두 가지 필수 구성 요소가 포함되어 있다. 하나는 원하는 표적 유전자와 일치하는 가이드 RNA이고, 다른 하나는 이중 가닥 DNA 절단을 유발하는 엔도뉴클레아제인 Cas9이다. CRISPR의 두 가지 구성 요소 중 가이드 RNA는 DNA 분자에서 표적 유전자를 인식한다. Cas9는 가이드 RNA를 따라 표적 유전자에 결합한 다음, DNA를 절단한다. 이 절단은 유전자의 활성이나 발현을 변화시킬 수 있다. CRISPR 시스템은 유전자 가위처럼 작용하여 DNA를 정밀하게 편집할 수 있는 혁신적인 유전자 편집 도구이다. CRISPR는 유전적 질병의 치료에 큰 잠재력을 가지고 있으며, 유전적 질병을 유발하는 유전자를 제거하거나 교체하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 혈우병이나 암과 같은 질병의 치료에 크리스퍼 기술을 활용할 수 있다. 그러나 크리스퍼의 사용은 윤리적인 문제를 야기하고 있다. 크리스퍼를 통해 인간의 유전자와 배아를 수정할 수 있다는 점은 유전적 우월주의를 조장하거나 개인의 신체적 자율성에 대한 침해 가능성을 제기한다. 이러한 윤리적 고려사항은 CRISPR 기술의 발전과 적용에 있어 중요한 고려사항으로 남아 있다. 새로운 알고리즘 '플래시클러스터' 이 연구는 MIT와 하버드 대학교의 브로드 연구소, MIT 맥거번 뇌 연구소, 그리고 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립 생명공학 정보 센터(NCBI)의 과학자들이 참여했다. 연구팀은 새로운 알고리즘인 '플래시클러스터(FLSHclust)'를 사용하여 이번 발견을 주도했다. 플래시클러스터는 대규모 게놈 데이터베이스를 신속하게 검색할 수 있는 기술로, 지역성 민감성 해시 기반으로 작동하여 유사한 개체를 클러스터링하는 방식으로 구성되어 있다. 이 기술을 활용함으로써 연구팀은 수십억 개의 단백질 및 DNA 염기서열을 훨씬 더 짧은 시간 안에 분석할 수 있게 됐다. 새로운 기능 발견 연구팀은 이 시스템 중 두 가지가 인간 세포의 DNA에 작은 변화를 일으킬 수 있다는 것을 확인했다. 또한 이러한 Type I 시스템은 CRISPR-Cas9과 크기가 유사하기 때문에 현재 CRISPR에 사용되는 것과 동일한 유전자 전달 방법을 사용하여 동물이나 인간의 세포에 전달될 수 있다. 또한, 또 다른 Type I 시스템은 셜록(SHERLOCK)과 같은 신속한 질병 진단에 사용되는 방법과 유사하게 표적화 후 광범위한 핵산 분해를 일으켰다. 이 연구는 또한 RNA 편집 및 유전자 발현 또는 세포 활동 감지에 유용한 Type IV 및 Type VII CRISPR 시스템의 새로운 기능을 발견했다. CRISPER의 잠재적 응용 이 연구는 CRISPR 시스템의 다양성과 게놈 편집, 진단 및 세포 활동 이해와 같은 다양한 분야에서의 잠재적 응용 분야를 탐구하는 것을 목표로 했다. 연구팀은 이 새로운 알고리즘을 통해 과학자들이 결과를 복구하고 생물학적 가설을 세울 수 있을 만큼 충분히 짧은 시간 프레임에 데이터를 분석할 수 있다고 설명했다. 연구소에 따르면 알고리즘은 분석 시간을 몇 달에서 몇 주로 단축했다. 이 연구는 박테리아 게놈에 존재하는 다양한 CRISPR 시스템의 잠재적 응용 분야를 탐구하는 데 중요한 단계이다. 새로운 알고리즘은 과학자들이 이러한 시스템을 더 빠르고 효율적으로 연구할 수 있도록 하여 새로운 치료법과 기술 개발에 도움이 될 수 있으로 기대된다.
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박테리아 게놈서 희귀 CRISPR 시스템 188종 발견
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핵융합에너지 시대는 누가 주도할 것인가?
- 신냉전 시대에 접어든 현재, 미국과 중국, 러시아, 이란 등은 핵무기를 탑재한 극초음속 미사일을 개발해 실전에 배치하면서 긴장감을 증폭시키고 있다. 그러나 중요한 것은 핵 기술은 전쟁용 무기로만 사용되는 것뿐만 아니라, 청정에너지원으로서도 중요한 역할을 하고 있다는 점이다. 전세계적으로 증가하는 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 핵에너지는 경제적 가치가 높으며, 핵 에너지 기술 선점을 두고 국가간의 관심이 집중되고 있다. 미국 경제매체 포브스에 따르면, 1920년 영국의 천체물리학자 아서 에딩턴(Arthur Eddington)은 별이 수소 원자를 헬륨으로 융합시키며 에너지를 발생시킨다고 주장했다. 이후 1939년 핵물리학의 선구자인 한스 베테(Hans Bethe)는 에딩턴의 이론을 뒷받침하는 과정을 확인했다. 마침내 2022년 12월 5일, 로렌스 리버모어 국립 연구소의 미국 에너지부 국립 점화 시설(NIF) 과학자들은 실험실에서 처음으로 이 이론을 증명했다. 그들은 태양의 에너지 생산 과정을 재현하여, 태양이 생성하는 것보다 더 많은 에너지를 발생시키는 핵융합 반응인 '융합 점화'를 달성하는 데 성공했다. 이들은 지난 7월에도 핵융합 점화에 성공하며 이 분야에 중요한 진전을 이루었다. 핵융합 기술은 기존 전력망을 통해 모든 지역에 저렴하고 무한한 청정 에너지를 공급할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 이 기술은 수조 달러 규모의 시장을 창출할 수 있으며, 2050년까지 거의 50% 증가할 것으로 예상되는 전세계 에너지 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 보인다. 핵융합 에너지 경쟁의 시작 영국과 독일, 프랑스, 한국, 일본에서는 핵융합 에너지 프로그램이 진행 중이다. 중국은 21세기 세계 패권을 놓고 미국과 경쟁하는 과정에서 핵융합이 막대한 영향을 미칠 것으로 보고 내다보고 있다. 이미 중국은 지난 10년 동안 다른 어떤 나라보다 더 많은 핵융합 기술 특허를 출원한 것으로 알려졌다. 현재 전 세계적으로 알려진 융합 기업은 43개이며, 융합 산업 협회(Fusion Industry Association)에 따르면 융합 산업은 60억 달러(약 7조7940억원) 이상의 자금을 유치했다. 이들 중 미국은 경주에서 가장 많은 주자를 보유하고 있음에도 현재 직면한 수많은 문제를 해결하기에는 규모가 너무 작다. 최근 미국 에너지부는 핵융합 파일럿 플랜트 건설을 위한 과학 및 기술 문제를 해결하기 위한 응용 R&D 자금을 지원하기 위해 마일스톤 기반 핵융합 개발 프로그램에 따라 이들 미국 기업 중 8곳에 4,300만 달러(약 558억 5700만원)를 지원한다고 발표했다. 이 회사는 1년 6개월 이내에 사전 개념 설계와 핵융합 파일럿 플랜트 실현을 위한 로드맵을 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이는 미국을 핵융합 기술의 리더로 만드는 중요한 단계다. 미국, 핵융합 기술 리더로 나설 때 역사적으로 에너지 기술의 상용화 경로는 30~50년이 걸렸다. 현재 핵융합 에너지는 중요한 전환점에 도달했다. 이를 그리드에 적용하기 위한 예상 기간은 10년에서 20년 이상이다. 백악관과 많은 기업은 2030년대 초반을 목표로 하고 있으며, 몇몇 핵융합 스타트업은 훨씬 더 공격적인 일정을 가지고 있다. 포브스는 미 연방정부의 지원을 통해 여러 분야에서 동시에 진전을 이루고 10~15년 이내에 개념 증명에서 확장까지의 일정을 단축하기 위해 전국적인 노력으로 전환하고 높은 속도로 전환해야 할 때라고 강조했다. 케네디 대통령은 1961년 인류 역사상 가장 야심찬 공학적 업적 중 하나로 사람을 달에 보내고 안전하게 지구로 귀환시키는 일에 도전했다. 그 목표를 달성하기 위해 2만 개의 산업체와 대학이 동원됐다. 최근 비용 분석에 따르면 아폴로 프로그램을 완료하는 데 거의 260억 달러가 지출된 것으로 나타났다. 이를 2020년 미국 달러로 환산하면 무려 2570억 달러(약 333조8430억원)가 소요됐다. 이러한 엄청난 노력은 우주 시대에 미국이 리더십을 발휘하고 글로벌 항공우주 시장에서 우위를 점할 수 있는 기반을 마련하는 데 도움이 됐다는 평가다. 미국은 항공기 및 우주선 제조 분야에서 전 세계 부가가치의 55%를 차지하고 있으며, 중국은 8%의 점유율로 그 뒤를 이었다. 포브스는 상업적인 융합을 달성하려면 극복해야 할 어려운 과학 및 공학적 과제가 있으며 어떤 개념이 승자가 될지는 불확실하다고 지적했다. 다만, 오클라호마 대학교 연구 및 파트너십 담당 부사장인 토마스 디아즈 드 라 루비아(Tomás Díaz de la Rubia)는 "핵융합 에너지의 상업적 개발의 성공은 역사상 가장 심오한 변화 중 하나가 될 것이며, 퓨젼은 깨끗하고 지속 가능한 기저부하와 안전한 에너지원을 제공할 것”이라며 “이를 통해 지구를 정복하면 에너지 부족에서 풍요로의 변화를 가져올 것이다"라고 말했다. 포브스는 핵융합 혁명을 주도하는 국가는 엄청난 경제 호황과 에너지 안보를 누릴 뿐만 아니라, 에너지가 오랫동안 동맹과 경쟁, 갈등을 형성해 왔기 때문에 엄청난 지정학적 힘을 얻게 될 것이라고 설명했다.
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핵융합에너지 시대는 누가 주도할 것인가?
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구리 화학 발견으로 값싼 약품 개발 길 열렸다
- 최근 구리 화학의 발견이 값싼 약품 개발의 새로운 가능성을 열었다. 이제 단 3달러의 비용으로 항암제에 사용될 수 있는 화학 물질을 제조할 수 있게 됐다. 구리는 이미 의학 분야에서 감염과 싸우는 나노 입자 및 임플란트의 형태로 사용되고 있다. 미국의 과학 전문 매체 뉴아틀라스는 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)의 과학자들이 개발한 새로운 방법으로 간단하고 저렴한 약품 생산이 가능하다고 보도했다. 이 방법은 산소의 한 형태인 오존을 시약으로 사용하고 금속을 촉매로 활용한다. 과학자들은 이를 통해 유기 분자의 탄소-탄소 결합을 끊는데 성공했다. 오존은 이 결합을 알켄, 즉 탄화수소로 분해하고, 구리 촉매는 깨진 결합을 질소와 결합시켜 탄소-질소 결합을 형성한다. 이 결합은 아민이라고 알려진 분자를 형성하게 되는데, 이것이 바로 항암제와 같은 값싼 약품 생산에 필수적인 요소다. 아미노탈알케닐화로 알려진 이 공정은 전통적으로 아민을 생성하는 데 사용되는 다른 유사한 촉매와는 달리 풍부하고 저렴한 금속을 잘 활용하면 된다. 아미노탈알케닐화라고 알려진 이 새로운 공정은 기존의 아민 생성 방법과는 다르다. 이 공정은 전통적으로 사용되는 비싼 금속 촉매 대신에 저렴하고 풍부한 금속을 효과적으로 활용한다. 권오현 유기화학 교수는 이 공정에 대해 설명하면서 "이전에는 이런 방법이 없었다"고 강조했다. 그는 "전통적인 금속 촉매 반응에서는 백금, 은, 금, 팔라듐과 같은 고가의 금속이나 로듐, 루테늄, 이리듐과 같은 귀금속을 사용했지만, 우리는 세계에서 가장 풍부한 비금속 중 하나인 산소와 구리를 사용하고 있다"고 밝혔다. 이러한 접근 방식은 아민을 생성하는 데 필요한 자원과 비용을 크게 줄일 수 있는 가능성을 보여준다. 아민은 의약품과 비료, 농약 생산에 널리 사용되는 중요한 화학물질이다. 이는 식물과 동물에서 발견되는 분자와 강력한 상호 작용을 하며, 암페타민과 도파민과 같은 약물에서도 발견되는 구성 요소다. 이번 연구를 통해 연구팀은 호르몬, 제약 시약, 펩타이드, 뉴클레오시드 등을 아민으로 변형하는 데 성공했다. 이것은 이 새로운 방법이 다양한 분야에 활용될 수 있음을 보여준다. 하지만 권 교수에게 있어서 가장 큰 장점은 훨씬 저렴한 의약품 생산 가능성일 것이다. 일부 항암제에 사용되는 화학물질은 제조 비용이 그램당 약 3200달러(약 412만원)에 달하지만, 연구팀은 그램당 약 3달러(약 3860원)의 비용으로 동일한 약물 분자를 생산할 수 있었다. 기존 12단계 공정 대신 3단계만 사용 연구팀은 항암 c-Jun N-말단 키나제 억제제를 생산하기 위해 기존의 12단계 공정 대신 단 3단계의 화학 과정만을 사용했다. 또한, 이들은 또 다른 실험에서 아데노신이라는 신경 전달 물질과 DNA 구성 요소를 N6-메틸아데노신 아민으로 전환하는 과정을 한 단계만 거쳐서 수행했다. 이 아민은 세포의 유전자 발현, 질병 과정 및 발달에 중요한 역할을 하며, 현재 생산 비용은 그램당 약 103달러(약 13만2,600원)다. 구리는 현재 파운드당 4달러(약 5150원) 미만으로 풍부하게 구할 수 있기 때문에, 과학자들은 은 이 새로운 방법이 아민 기반 의약품과 다른 유기 물질의 생산 비용을 대폭 절감할 수 있기를 기대한다. 한편, 한국원자력연구원(원장 주한규)의 양성자과학연구단은 지난 7월 치료용 방사성동위원소 구리-67(Cu-67)을 고품질로 대량생산할 수 있는 분석법을 개발해 주목을 받았다. 방사성의약품은 방사성동위원소를 포함하여 질병의 진단과 치료에 사용된다. 구리-67은 진단용 감마선과 암세포를 사멸시키는 치료용 베타선을 방출하는 동위원소로, 동시에 진단과 치료가 가능하며, 기존 동위원소보다 반감기가 짧아(2.5일) 체내 피폭 위험도 적다. 이러한 특성으로 인해 구리-67은 높은 활용 가능성을 가지고 있다고 평가된다. 방사성의약품은 암세포에서 발현하는 특정한 단백질을 표적으로 하여 정상세포에는 영향을 주지 않고 암세포만 선택적으로 제거할 수 있다. 이로 인해 강력한 치료 효과와 함께 높은 안전성을 제공한다. 다만, 구리-67은 다른 핵종과 달리 방출하는 감마선 스펙트럼이 불순물인 갈륨-67(이하 Ga-67)과 정확히 겹쳐 물리적인 측정법으로는 이 두 핵종을 구분할 수 없었다. 이에 양성자과학연구단 입자빔이용연구부 박준규 박사 연구팀은 두 핵종의 감마선 방출강도 뿐만 아니라 반감기 차이(Cu-67은 2.5일, Ga-67은 3.2일)까지 고려한 새로운 해석적 분리방법을 제시했다. 연구팀은 구리-67과 Ga-67 각각의 감마선 세기 합이 전체 감마선 세기와 같다는 점과 감마선 방출 강도 비율, 반감기 차이를 이용했다. 이를 통해 화학적 분리 과정 없이도 구리-67의 정확한 핵자료를 얻을 수 있었다. 한국원자력의학원의 김희진, 김정영 연구원은 "구리-67은 방사능 강도가 낮고 담체가 없는(carrier-free) 방사성동위원소로, 이로 인해 효과적인 암 치료가 가능하다"고 말했다. 이 연구팀은 2025년 경주 양성자가속기를 활용해 고품질 구리-67을 본격적으로 대량 생산할 예정이다.
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구리 화학 발견으로 값싼 약품 개발 길 열렸다
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자작나무 잎에서 나노입자 추출…지속가능한 반도체 소재 개발
- 스웨덴 과학자들이 자연 재료로 만든 나노입자를 이용하여 유기 반도체 물질을 개발하는데 성공했다. 과학 기술 전문 매체 테크놀러지 네트웍스는 지난 11월 29일(현지시간) 압력으로 조리된 잎으로 만든 나노입자는 유기 반도체에 사용되는 희귀 원소를 대체할 수 있다며 자작나무 잎에서 나노입자를 추출했다고 보도했다. 이 연구는 덴마크와 중국의 연구자들과의 협업을 통해 진행됐다. 연구진은 고압 가열 방식을 통해 식물 생체질을 나노 크기의 탄소 입자, 즉 탄소 양자점으로 전환하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 '그린 케미스트리(Green Chemistry)' 저널에 게재됐다. 이번 연구 결과는 유기 전자 제품 분야에서 획기적인 발전으로 기대된다. 이 매체에 따르면 스웨덴 우메아(Umeå) 대학의 물리학자들이 중국과 덴마크의 연구원들과 협력하여 식물 생물질을 나노 크기의 탄소 입자, 이른바 '탄소 양자점'으로 분해하는 새로운 압력 조리 방법을 개발했다. 이 탄소 양자점은 유기 전자 제품에 사용되는 유기 반도체 물질의 일부 희귀 원소를 대체할 수 있을 만큼 좋은 광학 특성을 가지고 있다. 연구원들은 또한 자작 나무잎에서 유래한 탄소 양자점을 사용하여 생물 기반 반도체 물질을 생산하는 데 성공했다고 보고했다. 유기 반도체의 지속가능성 유기 반도체는 전자 장치에 있어 가장 중요한 기능성 재료 중 하나로, 특히 유기 발광 다이오드(OLED)에서 주목받고 있다. 광전자 분야에서 이러한 반도체는 초박형 밝은 텔레비전과 휴대 전화 화면에 사용되는 유기 발광 다이오드(OLED)를 전원 공급하는 데 가장 유명하다. 그러나 유기 반도체 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 큰 문제가 발생한다. 대부분의 유기 반도체는 대부분 지속 가능하지 않은 원료인 석유 화학 물질과 플래티넘, 인듐, 인과 같은 희귀 원소를 사용하여 제조된다. 이러한 소위 '핵심 원료'는 환경에 특히 좋지 않다는 점에서 문제가 있다. 반도체 산업의 지속가능성을 높이기 위해 연구원들은 이러한 핵심 원료를 대체할 수 있는 대체 원료를 조사하기 시작했다. 우메아 대학 물리학과 연구원 지아 왕(Jia Wang) 박사는 "우리 연구의 핵심은 인근 재생 가능 자원을 활용하여 유기 반도체 물질을 생산하는 것이다"라고 말했다. 새로운 연구에서 왕 박사와 그녀의 동료들은 생물 기반 탄소 양자점을 유일한 원료로 사용하는 반도체의 성공적인 생성을 보고했다. 자작나무 잎에서 양자 물질까지 이 새로운 반도체의 합성은 매우 간단하다. 우메아 대학 캠퍼스에서 자라는 자작나무에서 잎을 딴 후, 연구원들은 에탄올 용액을 사용하여 용매열 반응 과정을 통해 잎을 효과적으로 압력 조리했다. 이 용액을 건조하고 추출하면 크기가 약 2나노미터인 탄소 나노 물질로 구성된 양자점인 '탄소 양자점'이 생성된다. 신선한 에탄올 용액에 용해되면 탄소 양자점은 좁은 밴드의 깊은 붉은 빛을 방출한다. 연구원들은 탄소 양자점을 사용하여 새로운 발광 전기 화학 장치를 제조할 수 있었으며, 최대 100 坎델라/제곱미터(cd/m2)의 밝기를 생성할 수 있다. 이것은 일반 컴퓨터 화면에서 발산되는 광량과 동일하다. 왕 박사는 "우리의 방법은 자작 나무잎에 국한되지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요하다"라고 덧붙였다. 그는 "우리는 동일한 압력 조리 방법으로 다른 식물 잎을 테스트했으며 모두 유사한 빨간색 방출 탄소 양자점을 생성했다. 이러한 다양성은 이 변환 과정이 다른 위치에서 사용될 수 있음을 시사한다"고 말했다. 상업용 양자점과는 달리, 새롭게 개발된 바이오 기반 탄소점은 석유화학 화합물, 중금속, 또는 중요한 원재료를 포함하지 않는다. 왕 박사는 이러한 바이오매스 기반 탄소점이 고갈되는 석유 화합물 대신 유기 반도체의 원료로 사용될 수 있음을 시사한다고 말했다. 연구팀은 이 바이오 기반 탄소점이 발광 소자를 넘어 다양한 분야에서 응용될 수 있다고 기대했다. 왕 박사는 "이 카본닷은 바이오 이미징, 센싱, 위조 방지 등 여러 응용 분야에서 유망한 소재다. 우리는 이러한 지속 가능하고 발광성 있는 탄소점의 새롭고 흥미로운 용도를 탐구하기 위해 협력을 기대하고 있다'라고 말했다.
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자작나무 잎에서 나노입자 추출…지속가능한 반도체 소재 개발
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커피 하루 두 잔, 간 건강에 도움 줄까?
- 커피가 비알콜성 지방간 질환(NAFLD)의 위험을 줄이는 데 있어 보완적인 역할을 하는 것으로 나타났다고 인도 매체 인디안 익스프레스(Indian Express)가 최근 보도했다. NAFLD는 과도한 알코올 섭취와 관련없이 간에 지방이 축적되는 질환으로 알려져 있다. 인도 아폴로 병원(Apollo Hospitals)의 프리엉커 라헛기(Priyanka Rohatgi) 박사의 연구 결과에 따르면, 커피 섭취는 NAFLD 발병 위험을 줄이는 데 효과적이며, 간 건강에 다양한 이점을 제공하는 것으로 나타났다. 간은 신체의 여러 대사 과정을 담당하는 중요한 기관이며, NAFLD의 발병과 진행에는 부적절한 식단, 비만, 좌식 생활과 같은 요인이 영향을 미칠 수 있다. 이러한 상황에서 커피는 간 기능에 긍정적인 영향을 미치고 NAFLD의 예방에 도움을 줄 수 있는 여러 메커니즘을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 커피의 주요 성분 중 하나인 카페인은 중추 신경계를 자극하고 지방 대사를 촉진하는 효소를 활성화시켜 지방 분해를 강화한다. 이는 간 세포 내 지방 축적을 방지하고 NAFLD의 진행을 억제하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 카페인은 담즙 생성을 자극하여 지방 소화를 촉진하고 체외 배설을 증진시켜 간 부담을 경감시킨다. 그러나 커피의 간 건강에 미치는 이점을 카페인만으로 설명하기에는 부족하다. 커피 콩에는 항산화제가 풍부하게 함유되어 있으며, 특히 클로로겐산과 폴리페놀은 강력한 항염증과 항산화 특성을 가지고 있다. 이러한 화합물은 활성 산소를 제거하여 간 조직의 산화 스트레스와 염증을 줄여준다. 이와 더불어 이러한 항산화제는 인슐린 민감성을 조절하고, NAFLD의 일반적인 전구체인 인슐린 저항성을 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 다양한 메커니즘을 통해 커피는 NAFLD 예방과 관련하여 간 건강에 긍정적인 영향을 미치고 있다. 이 연구에 따르면 커피의 효과는 섭취량에 따라 변할 수 있다. 하루에 두 세 잔의 커피를 마시면 NAFLD 발병률이 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 개인의 생리학적 반응은 다를 수 있으며, 과도한 카페인 섭취는 심박수 증가나 불안과 같은 부작용을 유발할 수 있어 적절한 섭취가 중요하다. NAFLD 예방 효과 외에도, 정기적인 커피 섭취는 간경화 및 간암 발병 위험을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 간경화는 간 조직이 되돌릴 수 없는 손상을 입는 간 질환의 후기 단계이며, 커피의 항염증 및 항산화 효과는 간암 발생 위험 감소에도 기여할 수 있다. 그러나 커피에 첨가하는 설탕의 양을 조절하는 것이 중요하며, 특히 기저 질환이 있는 경우 카페인이 약물과 상호작용할 수 있으므로 의료 전문가와 상담하는 것이 권장된다. 커피와 간 건강 사이의 상관관계에 대한 연구는 현재도 계속 진행 중이다. 이러한 연구들은 새로운 간 질환 치료 방법을 찾는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 과학자들이 이 복잡한 관계를 더 깊이 연구함에 따라, 커피가 단순히 아침 기분을 좋게 하는 음료를 넘어서 간 건강을 보호하는 역할을 할 수 있다는 새로운 가능성이 드러날 것으로 보인다.
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- IT/바이오
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커피 하루 두 잔, 간 건강에 도움 줄까?
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화산인가 소행성인가? AI, 공룡 멸종에 답하다
- 전통적으로 공룡의 멸종 원인은 운석의 충돌과 화산 분출 같은 복잡한 요인들로 인식되어 왔다. 그러나 최근에는 인공지능(AI)을 활용한 새로운 접근 방식이 등장했다. 과학기술 전문매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 미국 다트머스 대학의 연구팀이 AI를 사용해 6600만 년 전 공룡 멸종에 관한 화석 기록을 역설계하는 혁신적인 방법을 시도했다. 이 연구에서 연구팀은 복잡한 지질학적 기후 데이터를 분석할 수 있는 연결된 프로세서 네트워크를 활용하여 '사이언스(Science)' 저널에 결과를 발표했다. 연구팀은 약 130개의 프로세서를 이용해 백악기-팔레오기 멸종(K-Pg) 사건의 원인과 조건을 역추적했다. 다트머스 대학의 지구과학과 대학원생이자 이 연구의 주 저자인 알렉스 콕스(Alex Cox)는 연구의 목표가 가설이나 편견 없이 평가하는 것이었으며, 탄소 순환 모델을 적용해 최소한의 정보만으로 원인을 파악했다고 밝혔다. 콕스는 이 모델이 지질학적 기록에서 어떻게 결론에 도달했는지 보여준다고 설명했다. 이 연구에서 사용된 모델은 K-Pg 멸종 이전과 이후 약 100만 년 동안의 이산화탄소 및 이산화황 배출, 그리고 생물학적 생산성을 포함한 30만 개 이상의 다양한 시나리오를 분석했다. 마르코브 체인 몬테 카를로(Markov Chain Monte Carlo)로 알려진 기계 학습 유형을 통해 프로세서는 독립적으로 협력하여 일치하는 시나리오에 도달할 때까지 결론을 비교, 수정 및 재계산 했으며, 그 결과는 화석 기록에 보존되어 있다. 화석 기록에 담긴 지구화학적 및 유기적 잔존물은 K-Pg 멸종 당시의 격변적인 상황을 선명하게 보여준다. 이 시기는 지질학적으로 유황이 햇빛을 가리고, 공기 중에 미네랄이 가득하며, 이산화탄소로 인해 열이 가두어진 불안정한 대기로 인해 먹이 사슬이 붕괴되어 전 세계의 동식물이 대규모 멸종을 겪은 시기였다. 이러한 효과는 분명하지만, 멸종의 정확한 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 초기에는 화산 폭발로 인한 공룡 멸종 이론이 주목받았으나, 현재는 멕시코에서 발견된 수 마일 너비의 칙슬루브(Chicxulub) 충돌 분화구로 인한 소행성 충돌이 주요 원인으로 여겨진다. 화석 증거가 지구의 역사상 전례 없는 '원투 펀치' 현상을 시사하면서, 과학계의 이론이 점차 수렴하기 시작했다. 이 이론에 따르면, 소행성은 이미 인도 서부 데칸 트랩의 강력한 화산 활동으로 인해 불안정한 상태에 있던 지구에 충돌했을 가능성이 있다. 그러나 과학자들 사이에서는 여전히 이 두 사건이 공룡 대량 멸종에 어느 정도 기여했는지에 대한 의견 일치가 없다. 이에 대해 브레힌 켈러(Brenhin Keller) 다트머스 대학 지구과학 조교수 겸 이 연구의 공동 저자와 알렉스 콕스는 코드가 어떤 결과를 도출하는지 실험해보기로 결정했다. 해당 연구팀의 모델은 데칸 트랩에서 방출된 기후 변화를 일으키는 가스가 단독으로도 전 지구적인 멸종을 촉발할 수 있음을 시사한다. 데칸 트랩의 화산 활동은 칙슬루브 소행성의 충돌보다 약 30만 년 전에 시작되었으며, 이 폭발은 거의 100만 년 동안 지속되었다. 이 기간 동안 데칸 트랩은 최대 10조 4000억 톤의 이산화탄소와 9조 3000억 톤의 황을 대기 중으로 배출했을 것으로 추정된다. 브레힌 켈러는 이에 대해 "역사적으로 화산 활동이 대규모 멸종을 일으킬 수 있다는 것은 잘 알려져 있지만, 이번 연구는 환경에 미치는 영향을 증거에 근거하여 휘발성 물질의 배출량을 독립적으로 추정한 최초의 사례"라고 설명했다. 그는 이어 "우리 모델은 인간의 편견 없이 독립적으로 데이터를 분석하여 지질학적 기록에서 볼 수 있는 기후와 탄소 순환의 교란에 필요한 이산화탄소와 이산화황의 양을 결정했고, 이는 데칸 트랩의 배출량과 일치하는 것으로 나타났다"고 덧붙였다. 연구팀의 모델은 칙슬루브 충돌 당시 심해에서 유기 탄소의 축적이 급격히 감소한 사실을 밝혀냈다. 이는 소행성 충돌이 다수의 동식물 종의 멸종을 초래했을 가능성이 크다는 것을 의미한다. 또한, 기록에 따르면 매머드급 운석이 유황이 풍부한 표면과 충돌했을 때, 대기 중으로 유황(단기 냉각 효과를 가진)이 대량으로 방출되었을 가능성이 있으며, 이와 연관된 기온 하락의 흔적이 발견된다. 소행성 충돌은 탄소와 이산화황을 방출했을 가능성이 높지만, 모델은 이 두 가스의 방출이 그 당시 급격히 증가하지 않았음을 발견했다. 이는 소행성 충돌이 멸종에 기여한 주요 원인이 가스 방출이 아니었을 가능성을 시사한다. 콕스는 현대 맥락에서 볼 때, 2000년부터 2023년까지 화석 연료의 연소로 인해 연간 약 160억 톤의 이산화탄소가 대기 중으로 배출되었다고 언급했다. 이는 데칸 트랩에서 과학자들이 추정하는 최대 연간 배출량보다 약 100배 더 많은 양이다. 콕스는 현재의 이산화탄소 배출량이 고대 화산에서 방출된 총량과 일치하기까지 여전히 수천 년이 소요될 것이라고 언급했다. 이는 자체적으로 매우 놀라운 사실이다. 그는 "우리 연구의 결과가 물리적으로 타당하다는 것이 가장 고무적인 부분이며, 이는 모델이 강력한 사전 제약 없이도 기술적으로 완벽하게 실행될 수 있음을 시사한다"고 말했다. 또한, 연구팀은 프로세서를 상호 연결하여 대규모 데이터 세트의 분석 시간을 몇 달 또는 몇 년에서 몇 시간으로 대폭 단축하는 데 성공했다. 이는 과학적 연구의 효율성과 속도를 혁신적으로 개선한 사례로 볼 수 있다 콕스는 "이와 같은 유형의 병렬 역전 과정은 지구 과학 모델링 분야에서 이전에는 시도된 적이 없었다"고 언급했다. 그는 이어 "우리의 방법론은 수천 개의 프로세서를 동원할 수 있어, 훨씬 더 광범위한 솔루션 공간을 탐색할 수 있으며, 인간의 편견으로부터 크게 자유롭다"고 설명했다. 그는 또한 "지금까지 우리 분야의 전문가들은 우리가 도달한 결론보다는 이 새로운 방법론에 더 매료되어 왔다"라고 말했다. 콕스는 "지구 시스템에 대해 우리가 결과는 알지만 원인은 모르는 경우가 많으며, 이러한 시스템은 역전될 가능성이 높다. 출력에 대한 더 나은 이해는 그 결과를 초래한 입력을 더 정확하게 특성화하는 데 도움이 된다"고 덧붙였다.
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- 생활경제
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화산인가 소행성인가? AI, 공룡 멸종에 답하다
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美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발
- 미국 MIT의 물리학자들이 연필심에 사용되는 흑연, 즉 그래파이트에서 새로운 형태의 그래핀을 개발했다는 소식이 전해졌다. 이 그래핀은 흑연의 5층 능면체 구조를 적층하여 제작됐다. 흑연은 탄소로 구성된 광물로, 연필심의 주요 성분이다. MIT 뉴스에 따르면, 연구팀은 5개의 얇은 층을 특정 순서대로 쌓아 천연 흑연에서 볼 수 없었던 중요한 세 가지 특성을 지닌 새로운 재료를 만들어냈다. 이 연구를 이끈 물리학과 롱 주(Long Ju) 조교수는 "자연에는 놀라움이 많고, 특히 흑연에 많은 흥미로운 특성이 내장되어 있음을 발견했다"며, 이러한 다양한 특성을 지닌 재료를 찾는 것이 매우 드물다고 강조했다. 이 연구는 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재됐다. 5층 능면체 적층 그래핀 개발 흑연은 그래핀으로 구성되는데, 그래핀은 벌집 구조와 유사한 육각형 형태로 배열된 단일 탄소 원자 층이다. 그래핀은 약 20년 전 처음 분리된 이후로 집중적인 연구 대상이 되었다. 대략 5년 전, MIT 팀을 포함한 연구자들은 그래핀 시트를 쌓고 서로 약간 비틀면 재료에 초전도성에서 자성에 이르기까지 새로운 특성을 부여할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 발견으로 '트위스트로닉스'라는 분야가 생겨났는데, 이는 2차원 격자 구조를 다양한 방식으로 겹쳐 나타나는 성질을 연구하는 것이다. 롱 주 조교수는 이번 그래핀 연구에서 "전혀 뒤틀림이 없는 특별한 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 전자들이 물질 내에서 서로 상호작용할 수 있도록 하는 것을 발견한 것. 이러한 현상은 '전자 상관관계'라고 알려져 있으며, 주 연구원은 이를 "이러한 모든 새로운 특성을 가능하게 하는 마법"이라고 표현했다. 벌크 흑연과 단일 시트의 그래핀은 이미 우수한 전기 전도체로 알려져 있지만, 이것이 전부는 아니다. 주의 연구팀이 분리한 '5층 능면체 적층 그래핀'이라 불리는 새로운 물질은 단순한 부품의 합보다 훨씬 더 큰 성질을 나타낸다. 이 물질을 분리하는 데 핵심적인 역할을 한 것은 나노스케일에서 중요한 특성을 빠르고 비교적 저렴하게 파악할 수 있는 2021년 MIT에서 주 연구원이 개발한 새로운 현미경 덕분이었다. 5층 능면체 적층 그래핀의 두께는 수십억 분의 1미터에 불과하다. '산란형 주사형 근접장 광학 현미경(s-SNOM)'으로 알려진 주 연구원이 개발한 현미경을 통해 과학자들은 특정한 능면체 적층 순서에서 5층 그래핀만을 식별하고 분리할 수 있었다. 주 연구원을 포함한 과학자들은 '능면체 적층'이라는 매우 정밀한 순서로 쌓인 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 주는 "5개 레이어(층)로 이루어진 구조에서는 10개 이상의 적층 순서가 가능하며, 능면체 적층은 그 중 하나"라고 설명했다. 연구팀은 이 5층 능면체 적층 그래핀을 질화붕소로 만든 '빵'으로 둘러싼 '샌드위치' 구조에 전극을 부착했다고 이해하기 쉽게 설명했다. 이를 통해 다양한 전압과 전류를 사용하여 시스템을 조절할 수 있었으며, 그 결과 전자의 수에 따라 세 가지 다른 현상이 나타나는 것을 발견했다. 이들은 이 물질이 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 보일 수 있다는 것을 발견했다. 위상학적 물질(토폴로지, topology)은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 움직일 수 있지만, 중앙을 통과하는 것은 허용하지 않는 특성을 갖는다. 위상학적 물질에서 전자는 중심부를 구성하는 중앙 분리대에 의해 분리되며, 물질의 가장자리를 따라 고속도로처럼 한 방향으로 이동한다. 이로 인해 위상학적 물질의 가장자리는 완벽한 도체 역할을 하고, 중심부는 절연체가 된다. 주와 그의 연구팀은 이 연구를 통해 "강력하게 상관된 위상물리학의 새로운 가능성을 탐구하기 위한 고도로 조정 가능한 플랫폼으로서 능면체 적층 다층 그래핀을 확립했다"고 결론지었다. 이는 위상물리학 분야에서 새로운 연구 방향을 제시하는 중요한 발견으로 여겨진다. 카이스트, '납작한 벨트형 그래핀 섬유' 개발 한편, 한국의 카이스트(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 6월 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발하는데 성공했다. 이 새로운 기술은 값싼 흑연을 사용하여 용액 공정을 통해 쉽게 얻을 수 있으며, 기존의 탄소섬유보다 저렴하면서도 유연성과 같은 차별화된 물리적 특성을 지니고 있어 경제적인 장점도 갖추고 있다. 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 꿈의 신소재로 불린다. 김상욱 연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 형성하는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다. 이 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 크게 향상됐다는 평가다. 연구 결과, 이 섬유는 원형 단면을 갖는 일반 섬유에 비해 기계적 강도가 약 3.2배(320%), 전기전도성이 약 1.5배(152%) 향상된 것으로 나타났다. 해당 연구 논문은 그 성과를 인정받아 'ACS 센트럴 사이언스'의 7월호 표지에 게재됐다.
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- 산업
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美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발
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합성 DNA로 효모 염색체 16개 합성⋯"100% 합성 게놈" 근접
- 과학자들은 합성 DNA를 이용해 효모의 16개 염색체를 모두 합성하는 데 성공했다. 최근 기술 전문 매체 BGR와 GEN의 보도에 따르면, 국제 연구팀은 7개 이상의 합성된 염색체를 단일 효모 세포에 통합해, 인공 DNA의 비율이 50% 이상인 상태에서도 야생 효모처럼 생존하고 복제가 가능한 효모를 만드는 데 성공했다. 이는 100% 합성된 게놈을 가진 효모 개발에 한층 더 가까워진 것을 의미한다. 영국 맨체스터대 패트릭 카이 교수와 미국 뉴욕대(NYU) 랑곤헬스의 제프 보케 교수 등 '합성 효모 게놈 프로젝트(Sc2.0)' 연구팀은 16개 염색체를 모두 합성해 오류를 수정하고 있다고 전했다. 전체 유전체가 합성 염색체로 이루어진 효모를 만드는 게 목표인 Sc2.0은 미국, 영국 등 과학자 200여 명으로 구성된 국제 컨소시엄이다. 연구팀은 먼저 효모의 16개 염색체 중 15개를 인공 DNA로 합성했다. 그런 다음, 이들 염색체를 하나의 단일 세포에 옮기기 위해 기존 효모 균주와 교배하는 방식을 사용했다. 이번 연구 성과는 지난 9일 과학 저널 '셀(Cell)'과 '셀 노믹스(Cell Genomics)', '몰레큘러 셀'(Molecular Cell) 등에 논문 10여편으로 게재됐다. 이 논문은 합성 DNA를 이용한 세포 생성 분야에서 큰 진전을 이루었다는 평가를 받고 있다. 이전 연구에서는 효모의 염색체 일부를 합성 DNA로 합성하는 데 성공한 바 있지만, 이번 연구는 16개 염색체를 모두 합성하여 살아있는 세포를 만들어낸 최초의 사례다. 연구팀은 맥주 발효 또는 제빵에 사용되는 천연 효모인 '사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)'를 기반으로, 효모 염색체들을 합성하고 이를 실제 효모 세포에 점차 확대 적용했다. 연구자들은 또한 tRNA 신염색체라고 불리는 자연계 어디에서도 발견되지 않는 완전히 새로운 염색체를 생성함으로써 게놈의 안정성을 높이는 조치를 취했다. 과거에는 박테리아와 바이러스의 게놈이 합성된 예가 있었지만, 복잡하게 얽힌 여러 개의 염색체를 가진 진핵생물의 게놈을 합성하여 실제 세포에서 정상적으로 기능하는 것을 입증한 것은 이번이 처음이다. 카이 교수는 "이번 연구는 단순히 몇 개의 유전자를 수정하는 것이 아니라, 효모의 전체 게놈을 새롭게 설계하고 구축한 것으로, 엔지니어링 생물학의 새로운 장을 여는 것"이라며 이번 연구의 중요성을 강조했다. 논문의 교신저자이자 Sc2.0 프로젝트의 리더인 보케 교수는 "자연이 제공한 설계를 크게 변형하여 새롭게 창조하는 것이 중요하다"고 말하며, "이 프로젝트의 가장 중요한 목표는 우리에게 새로운 생물학적 지식을 제공할 수 있는 효모를 개발하는 것"이라고 말했다. 이번 연구를 통해 인공 DNA를 이용해 다양한 종류의 효모를 생성할 수 있을 것이다. 이로써 향후 식품, 바이오 연료, 의약품 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다.
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합성 DNA로 효모 염색체 16개 합성⋯"100% 합성 게놈" 근접
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美 메릴랜드대, 야생 '뱀파이어 바이러스' 최초 발견
- 미국에서 '뱀파이어 바이러스'가 야생에서 최초로 발견돼 과학자들의 주목을 받고 있다. 영국의 의사이자 소설가였던 존 윌리엄 폴리도리(1795~1821)는 흡혈귀 즉 '뱀파이어' 소설을 집필해 큰 인기를 끌었다. 밤에 나타나 사람들의 피를 빨아먹고, 삶을 연명하는 뱀파이어는 지금까지도 수많은 영화로도 제작될 만큼 단골 소재로 쓰이고 있다. 이러한 뱀파이어 바이러스가 실제로 발견돼 세상을 놀라게 했다. 영국 매체 메일 온라인은 미국 메릴랜드대학교 볼티모어 카운티(UMBC) 연구팀이 스스로를 복제하기 위해 다른 바이러스에 달라붙는 병원체인 '뱀파이어 바이러스'를 처음으로 관찰했다고 최근 보도했다. 연구팀은 오랫동안 이론적으로 대부분의 자가 복제와는 달리 일부 바이러스가 다른 바이러스를 '잡아먹는 현상'을 알고 있었다. 메릴랜드의 연구팀은 '위성 바이러스'와 '도우미 바이러스'라 불리는 바이러스 간의 상호작용을 현미경을 통해 관찰했다. 연구 결과, 박테리아를 감염시키는 일종의 바이러스인 박테리오파지가 토양 매개 바이러스의 '목' 부분(캡시드가 바이러스의 꼬리와 연결되는 부위)에 부착하는 것을 발견했다. 수석 연구원이자 생물학자인 타지드 드카발로(Tagide deCarvalho)는 이러한 현상을 목격하고 믿을 수 없었다고 밝혔다. 그는 "박테리오파지나 다른 바이러스가 또 다른 바이러스에 부착되는 것을 목격한 사람은 거의 없었다"고 말하며 놀라움을 나타냈다. 바이러스 간의 관계에서 '위성'과 '도우미'라는 용어가 사용된다. 여기서 '위성'은 자신의 생명주기 동안 도우미 바이러스에 의존하는 감염성 요소를 의미한다. 연구팀은 토양에서 발견되는 스트렙토마이세스 박테리아(조력자 역할을 하는 종)를 포함해 위성 박테리오파지(박테리아를 감염시키는 바이러스)의 샘플을 연구했다. 일반적으로 박테리오파지는 유전적으로 통합된 유전자를 가지고 있으며, 보통은 도우미 바이러스에 직접 부착하지 않는다. 그러나 UMBC에서 연구된 '미니플라이어(MiniFlayer)'라고 명명된 이 위성은 유전적 통합이 없는 것으로 알려진 최초의 사례다. 이는 숙주 세포의 DNA에 병합될 수 없기 때문에 생존하려면 숙주 세포에 들어갈 때마다 '마인드플라이어(MindFlayer)'라는 도우미 바이러스 근처에 있어야 한다. 실험 결과에 따르면, 분석된 도우미 바이러스 중 80%(50개 중 40개)가 목 부위에 위성 바이러스가 부착된 상태로 관찰됐다. 이러한 발견을 바탕으로, 연구팀은 이 현상의 직접적인 증명은 아직 이루어지지 않았음에도 불구하고, 바이러스 간의 부착이 중요한 의미를 갖는다고 추론했다. 이반 에릴 생물학 교수는 이에 대해 "부착이 없다면, 위성 바이러스가 어떻게 세포 내부로 들어갈 수 있을지 보장할 수 없다"고 지적했다. 추가 관찰을 통해 미니플라이어와 도우미 바이러스가 오랫동안 함께 진화해온 사실이 밝혀졌다. 에릴 교수는 "이 위성 바이러스는 적어도 1억 년 동안 도우미 바이러스와 관련되어 게놈을 조정하고 최적화해왔다"고 주장했다. 에릴 연구팀의 대학원생이자 논문 공동 제1저자인 엘리아 마스콜로(Elia Mascolo)는 위성, 도우미, 숙주의 게놈을 분석하여 이전에는 알려지지 않았던 이러한 바이러스 관계에 대한 추가적인 단서를 밝혀냈다. 대부분의 위성 바이러스는 숙주 세포 내부에 들어간 후 그 세포의 유전 물질에 통합될 수 있는 유전자를 가지고 있다. 이를 통해 도우미 바이러스가 세포에 들어올 때마다 위성 바이러스가 번식할 수 있게 되며, 숙주 세포는 위성 바이러스가 분열할 때 그것의 DNA와 자신의 DNA를 복제하게 된다. 특히 바이러스 간의 상호 작용이 질병의 발병과 전파에 어떤 영향을 미치는 지 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
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- 생활경제
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美 메릴랜드대, 야생 '뱀파이어 바이러스' 최초 발견
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美 오크리지 연구소, 양자 생물학과 AI 결합으로 게놈 편집 향상
- 미국의 오크리지 국립연구소(ORNL)에서 양자 생물학과 인공지능(AI)을 결합한 새로운 크리스퍼(CRISPR, 유전자 '가위') 기술을 개발했다고 과학 전문매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'가 보도했다. 이 기술은 미생물의 유전체를 수정해 바이오연료의 생산 효율을 높이거나 새로운 바이오화학 물질을 만들 수 있게 해준다. 오크리지 국립연구소의 과학자들은 양자 생물학, 인공지능, 생물공학 분야의 전문 지식을 결합해 미생물의 유전자를 편집할 수 있는 크리스퍼 캐스9(CRISPR Cas9) 도구의 효율성을 크게 개선했다. '크리스퍼'는 유전자 코드를 변경하여 생물의 기능을 개선하거나 돌연변이를 바로잡는데 사용되는 강력한 생물공학 도구이다. 기존의 모델들은 특정 종에 대한 데이터에 기반을 두고 있어 미생물에 적용될 때 효율성과 일관성이 떨어지는 문제가 있었다. 크리스퍼 시스템은 대부분 크리스퍼 캐스9이라는 특정 유형과 연관되어 있으며, 이 시스템은 박테리아의 면역 체계에서 유래했다. 크리스퍼 캐스9는 가이드 RNA(gRNA)를 사용하여 DNA 내의 특정 위치를 찾고, 캐스9이라는 효소가 DNA를 절단한다. 이 절단은 세포의 자연적인 DNA 수리 메커니즘을 활용하여 유전자를 삭제하거나 수정하는 데 사용된다. 오크리지연구소의 합성 생물학 그룹 리더인 캐리 에커트는 이번 미생물 중심의 크리스퍼 연구에 대해서 "크리스퍼 도구의 많은 부분이 포유동물 세포, 과일파리 또는 다른 모델 종을 대상으로 개발됐다. 미생물과 같이 염색체 구조와 크기가 매우 다른 종에 사용되는 경우, 크리스퍼 캐스 9 기계를 설계하는 모델이 다르게 작동하는 것을 관찰했다. 이 연구는 크리스퍼가 예상대로 작동하는 지 확인하는 것이었다"라고 말했다. 이를 위해, 오크리지연구소의 과학자들은 양자 생물학을 활용하여, 세포 핵에서 유전자물질이 어떻게 동작하는지에 대해 더 깊이 연구했다. 이는 크리스퍼 캐스9 유전 편집 도구의 모델링과 가이드 RNA 설계를 개선하기 위한 노력의 일환이다. 양자 생물학은 DNA와 RNA의 구성 요소인 뉴클레오티드의 전자 구조가 화합물의 화학적 특성과 상호작용에 미치는 영향을 탐구하는 분야로서 분자 생물학과 양자화학을 연결하는 역할을 한다. 오크리지 국립 연구소의 계산 시스템 생물학자 에리카 프라테스에 따르면, 전자가 분자 내에서 어떻게 분포하는지는 캐스 9 효소와 가이드 RNA가 형성하는 복합체가 미생물의 DNA에 얼마나 효과적으로 결합하는지, 그리고 그 구조의 안정성과 반응성에 중요한 영향을 미친다. 과학자들은 여러 간단한 모델을 결합하여 '랜덤 포레스트'라는 강력한 인공지능 모델을 만들었다. 이 모델은 대략 5만 개의 대장균(E. coli) 유전체에 대한 가이드 RNA 데이터를 기반으로 구축되었으며, 양자 화학적 특성도 고려됐다. 이 방법은 '뉴클레익 에이시드 리서치(Nucleic Acids Research)' 저널에 소개됐다. 연구팀은 설명 가능한 인공 지능 모델을 확인하기 위해 E. coli에서 수많은 가이드를 선택한 후 크리스퍼 캐스 9 절단 실험을 수행한 결과 AI 모델이 기존 모델보다 훨씬 더 정확하게 가이드 RNA를 발견 할 수 있었다. ORNL의 연구자들은 인공지능 모델의 정확성을 검증하기 위해 대장균에서 다양한 가이드 RNA를 선택하고 크리스퍼 캐스 9를 사용한 절단 실험을 실시했습니다. 실험 결과, 이 AI 모델이 기존 모델보다 훨씬 더 정확하게 가이드 RNA를 예측할 수 있음을 확인했다. 이 연구의 제1저자인 오크리지 국립연구소의 계산시스템 생물학자인 자클린 노샤이는 "우리는 크리스퍼를 사용하여 특정 생물 영역을 대상으로 하는 의약품 개발 등에서 더 정확한 모델이 필요함을 알고 있었다. 또한, 다양한 미생물 종에 적용가능한 가이드 디자인 규칙을 개선하기 위해 노력했다"고 말했다. 이 연구에 사용된 인공지능 모델은 기능과 반복적 특성을 가지며, DOE 과학국의 오크리지 리더십 컴퓨터 시설(Oak Ridge Leadership Computer Facility/OLCF)에서 지원하는 '써미트(Summit)' 초고속 컴퓨터로 훈련됐다. 에리카 프라테스는 자신의 합성 생물학 팀이 새로운 미생물 크리스퍼 캐스9 모델로 얻은 지식을 가져와 실험실 실험 데이터나 다양한 미생물 종의 데이터를 사용하여 더 발전시키기 위해 오크리지의 계산 과학 동료들과 협력할 계획이라고 말했다. 이 크리스퍼 캐스9 모델의 개선은 유전형과 표현형, 즉 유전자와 생물학적 특성 사이의 연결을 위한 더 높은 처리량의 파이프라인을 제공한다. 이는 기능 유전체학이라고 하는 분야에 대한 함의를 가진다. 이 연구는 예를 들어 바이오에너지 원료 식물 및 바이오매스의 박테리아 발효를 개선하기 위한 ORNL 주도의 생물에너지 혁신 센터(CBI)의 작업과 관련이 있다. 캐리 에커트는 "이 연구의 주요 목표 중 하나는 크리스퍼 도구를 사용하여 더 많은 종의 DNA를 예측적으로 수정할 수 있는 능력을 향상시키는 것"이라고 말했다. 이 크리스퍼 연구는 미국 에너지부(DOE) 과학국이 지원하는 '시큐어 에코시스템 엔지니어링 앤 디자인 사이언스 포커스(SEED SFA)'와 CBI 프로젝트의 일부다. 이 프로젝트는 오크리지 국립 연구소의 안전 생태계 공학 및 설계과학 포커스 영역과 연관되어 있으며, DOE 유전체 과학 프로그램의 폴 아브라함 박사가 이끄는 연구비로 지원됐다. 이 연구는 크리스퍼 기술을 다양한 종에 적용할 수 있는 가능성을 크게 넓혀주었다는 점에서 의미가 있다. 이 기술은 재생 에너지 개발, 약물 개발, 농업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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美 오크리지 연구소, 양자 생물학과 AI 결합으로 게놈 편집 향상
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조류·달팽이에서 유전자 편집 능력 발견⋯의료계 혁신 기대
- 조류와 달팽이가 유전자 편집 능력을 숨기고 있다는 사실이 밝혀졌다. 과학기술 전문매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'와 '뉴아틀라스' 등 다수 외신은 매사추세츠 공과대학(MIT) 내 맥거번(McGovern) 뇌연구소의 연구팀이 달팽이부터 조류, 아메바에 이르기까지 다양한 종들이 판저(Fanzor)로 알려진 프로그램 가능한 DNA 절단 효소를 만든다는 사실을 밝혀냈다고 보도했다. Fanzor는 CRISPR(크리스퍼, 일명 유전자를 자르는 '가위')로 널리 사용되는 유전자 편집 시스템을 구동하는 박테리아 효소와 마찬가지로 특정 부위에서 DNA를 절단하도록 프로그래밍할 수 있는 RNA 유도 효소다. CRISPR은 유전자의 특정 부위를 절단해 유전체 교정을 가능하게 하는 리보핵산 기반 인공 제한효소를 말한다. MIT의 맥거번 뇌연구소의 과학자들은 현재 3600개 이상의 Fanzor를 식별했다. 뉴 아틀라스는 이는 신약, 유전 치료 및 생명공학 개발에 막대한 기회를 제공할 것이라고 전했다. 최근 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 저널에 보고된 새로 인정된 천연 Fanzor 효소의 다양성은 연구나 의학을 위한 새로운 도구에 적용할 수 있는 광범위한 프로그래밍 가능한 효소 세트를 과학자들에게 제공할 것으로 기대된다. 맥거번 펠로우 오마르 아부다예(Omar Abudayyeh)는 "RNA 유도 생물학을 사용하면 정말 사용하기 쉬운 프로그래밍 가능한 도구를 만들 수 있기 때문에 더 많이 찾을수록 더욱 유리하다"고 말했다. 유전자 치료법 개발 가능 연그팀은 고대 박테리아 방어 시스템인 CRISPR는 RNA 유도 효소가 실험실에서 사용하도록 조정될 때 얼마나 유용할 수 있는지를 분명하게 보여줬다고 말했다. MIT 교수이자 맥거번 연구원인 펭 챵(Feng Zhang), 오마르 아부다예, 조나단 구텐베르그(Jonathan Gootenberg) 등이 개발한 CRISPR 기반 게놈 편집 도구는 과학자들이 DNA를 수정하는 방식을 변화시켜 연구를 가속화하고 많은 실험적 유전자 치료법의 개발을 가능하게 한다. 이후 연구자들은 박테리아 세계 전체에서 다른 RNA 가이드 효소를 발견했고, 그 중 상당수는 실험실에서 가치 있는 기능을 가지고 있음을 식별했다. 올해 초 챵의 팀에 의해 RNA 유도 방식으로 DNA를 절단하는 능력이 보고된 Fanzor의 발견은 RNA 유도 생물학의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다. Fanzor는 진핵생물에서 발견된 최초의 효소다. 진핵생물은 각 세포의 유전 물질을 보유하고 있는 막으로 둘러싸인 핵으로 정의되는 식물, 동물, 곰팡이를 포함한 광범위한 생명체 그룹이다. 아부다예와 구텐베르그는 진핵생물에서 자연적으로 진화한 효소가 인간을 포함한 다른 진핵생물의 세포에서 안전하고 효율적으로 기능하는 데 더 적합할 수 있다는 것이 기대된다고 말했다. 챵의 연구팀은 Fanzor 효소가 인간 세포의 특정 DNA 서열을 정확하게 절단하도록 조작될 수 있음을 보여줬다. 아울러 새로운 연구에서 일부 Fanzor가 최적화 없이도 인간 세포의 DNA 서열을 표적으로 삼을 수 있음을 발견했다. 진화적 통찰력과 응용 가능성 기존 연구에서는 진핵생물 중에서 수백 개의 Fanzor가 발견됐다. 실험실 구성원인 저스틴 림(Justin Lim)이 주도한 광범위한 유전자 데이터베이스 검색을 통해 연구팀은 이제 이효소들의 다양성을 크게 확장시켰다. 연구팀은 진핵생물과 이를 감염시키는 바이러스에서 발견한 3600개 이상의 Fanzor 중에서 5개의 서로 다른 효소 계열을 식별했다. 이들 효소의 정확한 구성을 비교 분석함으로써 연구팀은 그들의 긴 진화 역사를 밝혀냈다. Fanzor는 TnpB라고 불리는 RNA 유도 DNA 절단 박테리아 효소에서 진화했을 가능성이 높다. 실제로 챵의 연구팀과구텐베르그 및 아부다예 팀 모두 Fanzor와 이러한 박테리아 효소와의 유전적 유사성에 주목했다. 구텐베르그와 아부다예가 추적한 진화적 연관성은 Fanzor의 박테리아 전임자가 진핵 세포에 들어가서 두 번 이상 진화를 시작했음을 암시한다. 일부는 바이러스에 의해 전염되었을 가능성이 있는 반면, 다른 일부는 공생 박테리아에 의해 도입됐을 수 있다. 이 연구는 또한 효소가 진핵생물에 흡수된 후 DNA에 접근할 수 있는 세포핵으로 들어갈 수 있게 하는 신호와 같이 새로운 환경에 적합한 특징을 진화시켰다고 제안한다. 생물학 공학 대학원생 카이위 지앙(Kaiyi Jiang)이 이끄는 연구팀은 유전적 및 생화학적 실험을 통해 Fanzor가 이전 박테리아와는 다르게 DNA 절단 활성 부위를 진화시켰음을 밝혀냈다. 연구 결과, 이 효소는 시험관내 DNA 서열을 목표로 삼을 때 TnpB의 조상인 표적 서열을 더 정확하게 절단할 수 있게 하는 것으로 나타났다. 이는 Fanzor가 더 선택적인 DNA 절단 활동을 가지며 임의의 서열 절단을 피한다는 것을 의미한다. 또한 연구팀은 RNA 가이드를 사용하여 Fanzor가 인간 세포 게놈의 특정 부위를 대상으로 절단하도록 했을 때 특정 Fanzor가 약 10~20%의 효율성으로 이러한 표적 서열을 절단할 수 있음을 발견했다. 연구팀은 추가적인 연구를 통해 Fanzor에서 다양한 정교한 게놈 편집 도구를 개발할 수 있기를 기대한다. 구텐베르그는 이를 "다기능을 갖춘 새로운 플랫폼"이라고 말했다. 아부다예는 "이러한 유형의 RNA 유도 시스템을 진핵생물 세계 전체에 개방하는 것은 우리에게 많은 가능성을 제공할 것이다"라고 강조했다.
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- IT/바이오
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조류·달팽이에서 유전자 편집 능력 발견⋯의료계 혁신 기대
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나노플라스틱, 파킨슨병의 새로운 원인으로 부상
- 나노플라스틱이 인간의 뇌에서 특정 단백질과 결합해 파킨슨병을 일으킨다는 연구 결과가 나왔다. 미국 과학 전문매체 인터레스팅 엔지니어링이 지난 18일(현지시간) 듀크 대학교 의과대학의 연구 결과를 인용해 이같이 보도했다. 나노플라스틱은 일반적으로 크기가 100나노미터(0.1마이크로미터) 미만인 아주 작은 플라스틱 입자를 말한다. 나노플라스틱은 크기가 작기 때문에 세포나 분자 수준에서 유기체에 침투할 수 있다. 최근 몇 년 동안 나노플라스틱이 환경과 인간 건강에 미치는 영향에 대한 연구와 관심이 증가했다. 이번 연구에서는 나노플라스틱이 바로 인간의 뇌에 침투해 파킨슨병을 일으킬 수 있다는 것을 확인했다. 인간의 뇌에서 나노플라스틱 발견 듀크대학교 의과대학이 진행한 새로운 연구에서는 나노플라스틱과 신체 기관에 자연적으로 존재하는 특정 단백질 사이의 상호 작용으로 인해 발생하는 파킨슨병 및 특정 형태의 치매와 관련된 변화를 관찰했다. 연구를 주도한 듀크대학교 의과대학 약리학 및 암 생물학과 교수인 앤드류 웨스트 박사는 "파킨슨병은 세계에서 가장 빠르게 성장하는 신경 질환으로 불려 왔다"라고 말했다. 웨스트 박사는 "수많은 데이터가 환경적 요인이 파킨슨병에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사하지만, 그러한 요인은 대부분 밝혀지지 않았다"고 설명했다. 연구진은 다음의 세 가지 방법을 통해 알파-시누클레인 단백질과 폴리스티렌 나노입자 사이에 중요한 연관성이 있다는 것을 발견했다. 첫째, 시험관 실험을 통해 알파-시누클레인 단백질을 관찰했다. 둘째, 배양된 신경세포를 사용하여 이 단백질의 반응을 연구했다. 셋째, 파킨슨병을 가진 마우스(쥐) 모델을 사용하여 알파-시누클레인 단백질의 특성을 분석했다. 그 결과 연구진은 알파-시누클레인 단백질이 폴리스티렌 나노 입자를 포함한 플라스틱으로 만들어진 일회용 컵이나 수저와 같은 제품에 응집되는 경향이 있음을 발견했다. 이 단백질은 주로 파킨슨병과 다른 신경 퇴행성 질환과 연관되어 있다. 연구진의 이러한 발견은 파킨슨병의 발병 메커니즘에 대한 새로운 이해를 제공하며, 향후 치료 전략 개발에 중요한 정보를 제공할 수 있다. 이번 연구에서 얻은 가장 놀라운 결과 중 하나가 세포 내 폐기물을 분해하고 재활용하는 중요한 기능을 하는 리소좀과 관련된 것이었다고 연구진은 지적했다. 리소좀은 세포의 '쓰레기 처리' 또는 '재활용 센터'로 불리는데, 연구진은 이 리소좀에서 발견되는 단백질과 플라스틱 사이에 강력한 연결 고리가 존재한다는 사실을 발견했다. 이는 세포의 폐기물 처리 및 재활용 과정에 영향을 미칠 수 있으며, 플라스틱과 같은 외부 물질이 세포 내 기능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 새로운 통찰을 제공한다. 나노플라스틱, 암 그 이상의 영향? 연구진은 이러한 연구 과정에서 여전히 해결해야 할 많은 의문점들을 가지고 있다고 말했다. 그러나 이번 연구는 암을 넘어서 나노플라스틱이 건강에 미치는 영향을 조사할 필요성을 시사한다. 웨스트 박사는 "미세 플라스틱 및 나노 플라스틱 오염 물질이 암과 자가 면역 질환에 미치는 잠재적 영향이 현재 연구되고 있음에도 불구하고, 이들의 연구 모델에서 관찰된 상호 작용의 놀라운 특성은 특히 파킨슨병과 치매의 위험 및 진행과 관련해 나노 플라스틱 오염 물질의 영향을 평가할 필요성을 보여준다"고 강조했다. 한편, 웨스트 박사는 나노 입자가 치매나 기타 신경 퇴행성 질환에 미치는 영향에 대한 결정적인 증거를 제시하는 데 필요한 기술은 현재 존재하지 않는다고 설명했다. 그러나 과학자들은 나노 입자가 인체에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 잠재력을 밝혀내는 연구를 계속 진행하고 있다. 이러한 연구는 나노플라스틱의 잠재적인 위험에 대한 인식을 높이고, 이에 대한 대응 전략을 개발하는 데 필수적인 기여를 할 것으로 기대된다.
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나노플라스틱, 파킨슨병의 새로운 원인으로 부상
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AI 생성 논문을 전례 없는 정확도로 포착하는 '챗GPT 감지기'
- 인공지능(AI)이 인간의 능력을 넘어서면서 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 하지만 이러한 AI의 능력이 다 유용한 것은 아닌 것 같다. 최근 한국은행의 보고에 따르면 의사, 회계사, 변호사와 같은 전문직의 업무 영역이 AI에 의해 위협받을 가능성이 제기됐다. 특히 교육계에서는 이 문제를 더욱 심각하게 받아들이고 있다. 자연과학, 응용과학, 의학 등의 분야에서 AI가 인간 대신 논문을 작성할 수 있게 되었다는 사실이 큰 우려를 낳고 있다. 그런데 이 같은 걱정을 앞으론 덜 수 있을 것 같다. 최근 국제 학술지 '네이처'는 캔자스 대학의 헤서 디자이어 교수와 그의 연구팀이 개발한 새로운 툴(도구)을 소개했다. 이 도구는 AI가 작성한 글을 분류할 수 있어, AI의 글쓰기 능력과 관련된 문제를 해결하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 최근에 개발된 새로운 AI 탐지 툴은 기존의 두 가지 AI 탐지기보다 우수한 성능을 자랑한다. 이 특화된 도구는 학술 출판사들이 AI 텍스트 생성기를 통해 만들어진 논문을 식별하는 데 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 헤서 디자이어 교수는 이번 연구 결과가 AI 감지기 개발에 있어서의 중요한 진전을 보여준다고 언급했다. 이는 소프트웨어를 특정한 유형의 글쓰기에 맞게 조정함으로써 감지 능력을 강화할 수 있음을 시사한다. 문장 길이, 특정 단어 및 문장 부호 등으로 특징 디자이어 교수와 그의 연구팀은 챗GPT 탐지기를 '사이언스2(Science2)' 저널의 '퍼스펙티브(Perspective)' 기사에 적용한 사례를 소개했다. 이 탐지기는 기계 학습을 활용하여 글쓰기 스타일의 20가지 특성, 예를 들어 문장 길이의 변화, 특정 단어 및 문장 부호의 사용 빈도 등을 분석한다. 이를 통해 텍스트가 학술 과학자에 의해 작성되었는지, 아니면 챗GPT와 같은 AI에 의해 작성되었는지를 판별할 수 있으며, 이 연구는 높은 정확도를 달성했다고 보고됐다. 최근 진행된 연구에 따르면, 개발된 검출기는 미국 화학 학회(ACS)에서 발행한 10개의 화학 저널에서 나온 논문들의 서문 섹션을 분석하기 위해 특별히 교육을 받았다. 연구 팀은 논문의 서문 작성이 챗GPT를 사용할 경우 특히 쉽다는 점을 인지하고, 배경 문헌에 접근할 수 있는 상황에서 이 섹션을 선택했다. 연구원들은 이 도구를 효과적으로 교육하기 위해 100편의 인간이 작성한 서문을 사용했다. 이후, 그들은 챗GPT-3.5에게 ACS 저널의 스타일에 맞춰 200개의 서문을 작성하도록 요청했다. 이 중 100개는 논문의 제목을 도구에 제공하여 작성되었고, 나머지 100개는 논문의 초록을 기반으로 작성됐다. 실험 결과, 이 도구는 제목을 기반으로 한 챗GPT-3.5로 작성된 서문을 100% 정확도로 식별할 수 있었다. 반면, 논문 초록을 기반으로 작성된 서문의 경우, 정확도는 약간 낮은 98%로 나타났다. 이러한 결과는 동일한 저널에서 인간과 AI가 작성한 서문을 비교할 때 얻어졌다. 이 새로운 도구는 최신 버전인 챗GPT-4가 작성한 텍스트에서도 효과적으로 작동했다. 반면, AI 탐지기 ZeroGPT는 사용된 챗GPT 버전과 논문의 제목 또는 초록에서 생성된 소개에 따라 35~65%의 정확도로 AI가 작성한 소개를 식별하는 데 그쳤다. 또한, 챗GPT 제조사인 오픈AI가 제작한 텍스트 분류 도구의 성능 역시 높지 않았다. 이 도구는 AI로 작성된 소개를 찾아내는 데 약 10~55%의 정확도를 보였다. 이에 비해 새로운 챗GPT 탐지 도구는 훈련받지 않은 저널의 서문에서도 높은 성능을 발휘했다. 이 도구는 AI 탐지기를 혼동시키기 위해 다양한 프롬프트에서 생성된 AI 텍스트를 포착하는 데 성공했다. 하지만, 이 시스템은 과학 저널 기사에 특화되어 있어, 대학 신문의 실제 기사를 제시했을 때에는 인간이 작성한 것으로 인식하지 못하는 한계를 보였다. 학술 표절, 짧은 논문작성 기간 압박으로 탄생 베를린 응용과학대학교에서 학술 표절을 연구하는 컴퓨터 과학자인 데보라 웨버 울프는 학계에서 챗GPT의 사용이 증가하는 배경에 다른 문제들이 있다고 언급했다. 그녀는 많은 연구자들이 논문을 신속하게 작성해야 하는 압박을 받고 있으며, 이로 인해 논문 작성 과정이 과학의 중요한 부분으로 인식되지 않을 위험이 있다고 지적했다. 웨버 울프 교수는 AI 탐지 도구가 이와 같은 문제를 해결할 수 없다고 강조했다. 그녀는 이러한 도구들을 사회적 문제에 대한 '마법의 소프트웨어 솔루션'으로 여겨서는 안된다고 주장하며, 이는 더 넓은 사회적 맥락에서의 해결이 필요한 문제임을 시사했다.
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AI 생성 논문을 전례 없는 정확도로 포착하는 '챗GPT 감지기'
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노화 속도 6년 늦추는 8가지 습관⋯"심혈관 건강 개선" 중요
- 나이가 들면 누구나 신체가 점차 노화되는 것을 경험하게 된다. 하지만 건강한 생활 방식을 유지하면 생물학적 노화 속도를 늦출 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 미국 심장 협회(American Heart Association)의 '2023 과학 세션'에서 발표된 연구에 따르면, 심혈관 건강이 좋은 사람들은 생물학적 노화 속도가 최대 6년까지 늦춰질 수 있는 것으로 나타났다고 영국매체 익스프레스(express)가 보도했다. 연구진은 성인 6500명의 생물학적 나이를 계산해 분석했다. 그 결과, 심혈관 건강이 좋은 참가자들의 평균 실제 나이는 41세였지만 그들의 생물학적 나이는 36세였다. 반면, 심혈관 건강이 낮은 사람들의 평균 실제 나이는 53세였지만, 그들의 생물학적 나이는 57세였다. 연구진은 이러한 결과에 대해 "심혈관 건강이 좋으면 신체의 염증 수치가 낮아지고, 혈관 기능이 향상되며, 세포 손상이 줄어드는 등 여러 가지 건강상의 이점이 있다"고 설명했다. 연구진은 미국 심장 협회의 '라이프스 에센셜 8(Life’s Essential 8)' 체크 리스트를 사용해 심장과 뇌 건강 사이의 연관성을 분석했다. 이 체크리스트는 체중 관리, 혈압 관리, 콜레스테롤 관리, 혈당 관리, 건강한 식단, 규칙적인 운동, 금연 등 8가지 건강 습관을 포함한다. 심혈관 건강을 개선하기 위해서는 위에서 언급한 8가지 습관을 실천하는 것이 중요한데 그 첫번째는 건강한 식단을 유지하는 것이다. 과일, 채소, 통곡물, 저지방 단백질을 충분히 섭취하고, 설탕이 든 음료, 가공식품, 포화 지방, 트랜스 지방의 섭취를 줄이는 것이 좋다. 두번째는 규칙적인 운동으로, 심혈관 건강을 개선하는 데 매우 효과적이다. 매주 150분의 적당한 운동 또는 75분의 격렬한 운동을 목표로 하는 것이 좋으며, 세번째는 충분한 수면 취하는것인데 성인은 매일 밤 약 7시간에서 9시간 수면이 적당하다. 네번째는 체중관리로 식사량을 조절하고 활동적으로 지내고 영양가 있는 식사를 함으로써 체중을 관리를 해아하며 다섯번쨰는 금연으로 흡연은 심장 질환의 주요 위험 요인으로 금연은 심혈관 건강을 개선하고 사망 위험을 낮추는 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 여섯번째는 혈압을 관리로 혈압이 높으면 심장병, 뇌졸중, 심부전 등의 위험이 증가한다. 혈압을 120/80mmHg 미만으로 유지하는 것이 좋으며 일곱번쨰는 혈당 관리로 공복혈당 또는 포도당 수치가 100mg/dL 미만이면 건강한 범위다. 여덟번쨰는 콜레스테롤 관리로 콜레스테롤 수치가 높으면 심장병의 위험이 증가한다. 총 콜레스테롤 수치를 200mg/dL 미만, LDL 콜레스테롤 수치를 100mg/dL 미만으로 유지하는 것이 좋다. 생물학적 노화 속도를 늦추고 건강하게 오래 살기 위해서는 건강한 생활 방식을 실천하는 것이 중요하다. 특히, 심혈관 건강을 개선하는 데 집중하면 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있다.
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- 생활경제
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노화 속도 6년 늦추는 8가지 습관⋯"심혈관 건강 개선" 중요
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오픈AI, 샘 올트먼 CEO 해임…이사회 "소통 불투명" 지적
- 오픈AI의 샘 올트먼 최고경영자(CEO)가 돌연 해임됐다. 오픈AI 이사회는 17일(현지시간) 내부 발표와 공개 블로그를 통해 "올트먼이 회사를 계속 이끌 수 있는지에 대한 확신을 갖지 못했다"며 그의 퇴임 소식을 전했다. 오픈 AI는 회사 블로그에서 올트먼의 해심 사유에 대해 자세히 설명하지 않은채 "올트먼의 사임은 이사회의 심의 검토 절차에 따른 것으로, 올트먼이 이사회와의 소통에서 일관되게 솔직하지 않아 이사회의 책임 수행 능력을 저해했다는 결론을 내렸다"고 밝혔다. 경영진 개편의 일환으로 이사회에서 회장직에서 물러난 오픈AI의 사장 겸 공동 설립자 그렉 브록먼 회장은 17일 늦은 밤 메시징 플랫폼 X를 통해 이사회 의장직에서 물러난다고 발표했다. 그는 "오늘 뉴스를 보고 그만두기로 했습니다"라고 썼다. 오픈AI 이사회는 일리야 수츠케버 수석 과학자, 쿼라 CEO 애덤 디엔젤로, 기술 사업가 타샤 맥컬리, 조지타운 보안 및 신흥 기술 센터의 헬렌 토너 등으로 구성되어 있다. 로이터에 따르면 오픈AI는 최고기술책임자(CTO)인 미라 무라티가 임시 CEO를 맡을 것이며, 정식 CEO를 공식적으로 물색할 것이라고 설명했다. 생성형 인공지능(AI)챗 GPT 열풍을 일으킨 올트먼은 오픈AI의 공동 창업자 중 한 명으로, 지난해 말 챗GPT를 출시하며 전 세계적으로 생성형 AI 열풍을 이끌었다. 이를 통해 오픈AI는 마이크로소프트로부터 130억 달러의 투자를 받고, 기업가치를 860억 달러(약 111조 5000억원)로 평가받는 데 중요한 역할을 했다. 이번 해임 소식은 AI 업계에 큰 파장을 불러일으킬 것으로 예상된다. 샘 올트먼은 2015년, 테슬라 CEO 일론 머스크, 링크트인 공동 창업자 리드 호프먼, 피터 틸의 클래리엄 캐피털 사장 등과 함께 인류에게 도움이 될 '디지털 지능' 개발을 목표로 오픈AI를 설립했다. 이들은 인공지능 기술의 긍정적인 발전을 추구하는 데 초점을 맞추었다. 올트먼은 오픈AI의 CEO로 임명되기 전에는 스타트업 인큐베이터인 와이 콤비네이터(Y Combinator)의 회장을 역임했다. 2005년 설립된 와이 콤비네이터는 포브스가 선정한 세계 최고의 스타트업 투자 회사 중 하나로 인정받았다. 한편, 올트먼은 오픈AI에서 지분을 전혀 갖고 있지 않은 것으로 알려져 있다. 오픈AI가 2019년 비영리 기업에서 영리 기업으로 전환한 이후, 올트먼은 회사 지분을 갖지 않기로 결정했다고 전해진다. 이러한 배경은 오픈AI가 이윤 창출을 목표로 하는 회사로 변모한 이후에도 그의 비전과 가치관을 반영하는 것으로 보인다. 한편, 오픈AI는 지난해 11월 세계에서 가장 빠르게 성장하는 소프트웨어 애플리케이션 중 하나가 된 챗GPT 챗봇을 출시하며 생성형 AI(제너레이티브 AI) 열풍을 일으켰다. 생성형 AI는 방대한 데이터를 학습해 인간과 같은 완전히 새로운 콘텐츠를 생성하여 사용자가 학기 논문을 작성하고, 과학 숙제를 완료하고, 심지어 소설 전체를 쓸 수 있도록 도와주고 있다. 이같은 능력으로 인해 세계 각국의 규제 당국은 챗GPT가 출시된 후 규제를 위해 발빠르게 움직였다. 유럽연합(EU)은 정의되지 않은 AI 법을 개정했고, 미국은 AI 규제 노력을 시작했다. 한국도 생성형 AI 제작물에 워터마크를 도입하는 등 규제 움직임을 보이고 있다.
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오픈AI, 샘 올트먼 CEO 해임…이사회 "소통 불투명" 지적
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