[학술][이달의 연구자] 배상수 교수, 아데닌 염기교정 유전자가위 규명하다

아데닌 염기교정 유전자가위(Adenine Base Editor)는 유전자 염기서열 중 특정 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꾸기 위해 개발됐다. 배상수 서울캠퍼스 화학과 교수는 아데닌에만 작용해야 할 염기교정 유전자가위가 사이토신(C)을 잘라낸다는 문제점을 최초 발견했다. 모든 생물은 유전자를 가지고 있으며 유전자의 정보를 통해서 세포와 단백질 등을 만들어낸다. 생물은 자신의 개체에 필요한 단백질을 만들어야 한다. 간혹 특정 유전자에 오류가 있다면 의도하지 않은 물질이 생성돼 암과 같은 질병으로 이어진다. 유전자 가위는 유전자(DNA)의 일부를 잘라내거나 교정하는 도구로서 사람에게 질환을 일으키는 DNA의 제거 등 의학계 활용도가 높게 평가되는 기술이다. 염기교정 유전자가위는 유전자 연구 및 실험에 광범위하게 쓰이고 있다. 기존 크리스퍼(CRISPR/Cas9) 유전자가위는 DNA의 두 가닥을 모두 잘라낸 후 세포 내의 DNA 수선 기작(DNA의 절단된 부분을 세포 스스로 복구)을 이용했다. 이와 달리 아데닌 염기교정 유전자가위는 가이드RNA(표적 DNA를 인식하는 유전물질)를 기반으로 DNA 이중나선을 절단하지 않으면서도 특정 아데닌 염기 하나만을 바꾸는 정교함을 자랑한다. 가이드RNA는 20 베이스(RNA의 길이 단위, Nucleotide)의 염기서열로 이루어져 목표하는 DNA 염기의 위치를 높은 확률로 찾아간다. ▲배상수 서울캠퍼스 화학과 교수는 아데닌(A)에만 작용해야 할 염기교정 유전자가위가 사이토신(C)을 잘라낸다는 문제점을 찾았다. 인간의 게놈 지도가 밝혀진 후 DNA를 바꾸기 위해 크리스퍼 유전자가위를 개발한 건 불과 7년이 채 안 된다. 아데닌 염기교정 유전자가위는 지난 2017년 개발돼 2년 째 사용 중이다.사용되기 시작한 기간은 2년이다. 지금까지 염기교정 유전자가위의 정확성을 입증하는 논문들은 발표됐지만 해당 도구가 지닌 특징과 문제점은 미지의 영역이었다. 배 교수 연구팀은 기초과학연구원(IBS)과 공동 연구를 통해 염기교정 유전자가위의 문제점을 최초로 찾아내 지난해 9월 24일 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology) 온라인판에 실었다. 이번 연구는 염기교정 유전자가위의 특성을 더 이해하는 데 도움을 줬다. 특정 조건에서 염기교정 유전자가위가 아데닌이 아닌 사이토신을 교정한다는 사실의 발견으로 새로운 파생연구들이 가능해졌다. 유전자가위의 문제점을 고칠 수 있을 뿐만 아니라 사이토신 이외의 유전체 교체나 사이토신을 교정하는 유전자가위로의 용도 전환 등 다양한 연구가 진행될 수 있게 됐다. 배 교수는 유전자가위를 ‘새로 출시된 부엌칼’이라고 빗대며 "이번 연구는 칼날이 조금 휘어진 것을 발견한 것이며 파생연구는 이 특징을 활용하거나 고치는 것”이라 전했다. ▲아데닌 염기교정 유전자가위의 사이토신 치환 모식도. 배 교수는 특정 조건에서 아데닌 염기교정 유전자가위(Adenine Base Editor)가 아데닌(A)이 아닌 사이토신(C)을 잘라내는 현상을 발견했다. (배상수 교수 제공) 배 교수의 연구에 따르면 DNA 5’말단에서부터 티민(T) 다음으로 사이토신(C)이 온다. 아데닌 염기교정 유전자가위는 위 그림처럼 5‘-TCC-3’와 같이 사이토신이 두 개 이상일 때 사이토신을 티민과 구아닌 같은 다른 염기로 정교하게 교체할 수 있다. 배 교수 연구팀은 현재 오류를 없앤 아데닌 염기교정 유전자가위를 만드는 연구와 사이토신 가위로의 전환 가능성에 대한 후속 연구를 이어가고 있다. 해당 사실로 유전자가위가 보정되면 염기 하나를 바꿈으로써 농산물 생산량을 증가키길 수 있고 사람 질병을 치료하는 등의 가능성이 열린다. 이번 연구는 지난 2018년 3월에 시작해 1년 반 동안 진행됐다. 배 교수 연구팀의 한 연구원이 아데닌을 교체하기 위해 염기교정 유전자가위를 사용하자 아데닌이 아닌 사이토신이 바뀐다고 배 교수에게 보고했다. 배 교수 연구팀은 실수나 우연으로 치부하지 않고 의구심을 품었다. 동일 조건을 반복해서 실험한 결과 특정 경우만 사이토신이 바뀌는 규칙성을 짐작했고 연구를 거듭한 결과 염기교정 유전자가위 자체의 문제점을 밝힐 수 있었다. 배 교수는 “단순한 실험 실패라고 넘길 수 있는 사건에서 의문점을 가지고 파고드는 태도가 중요했다”고 전했다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

[학술][이달의 연구자] 안강호 교수, 드론으로 미세먼지 흐름 파악하다

나들이가 어려운 날이 많아지고 있다. 통계청은 지난 13일 2015년 이후 서울시 일평균 초미세먼지 농도가 76㎍/㎥를 넘는 빈도가 점차 증가하고 있다고 밝혔다. 정부는 석탄발전소 가동을 멈추고 계절 관리제를 시행하는 등 미세먼지 저감에 힘쓰고 있다. 이때 미세먼지의 움직임, 원인과 분포를 알아야 효과적인 대책을 세울 수 있다. 안강호 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수는 드론으로 미세먼지 생성 원인을 파악하고자 한다. ▲안강호 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수는 드론으로 미세먼지 생성 원인을 파악하고자 한다. 국제암연구소(IARC)에서 지난 2013년 10월 미세먼지를 1군 발암물질로 분류하면서 미세먼지에 관한 관심이 급증했다. 크기를 기준으로 미세먼지는 지름이 10μm보다 작은 미세먼지(PM10)와 지름이 2.5μm보다 작은 초미세먼지(PM2.5)로 나뉜다. 미세먼지는 톱다운(top-down)방식과 보텀업(bottom-up)방식을 통해 생성된다. 톱다운은 큰 물질에서 작은 물질로 변하는 과정이다. 바위에서 자갈로, 자갈에서 모래로 변하는 과정으로 보통 분자 단위까지 진행되지 않기 때문에 인체에 덜 유해하다. 반면 보텀업은 분자들이 화학반응을 일으키면서 크기가 커지는 방식이다. 초미세먼지로 분류되는 PM0.1~1 크기로 성장하기 때문에 폐 안까지 들어갈 수 있다. ▲ 28일 동안 미세먼지에 노출된 쥐의 림프 사진(왼쪽)과 그 후 90일 동안 깨끗한 공기를 마신 쥐의 림프 사진. (안강호 교수 제공) 폐는 배출 기능이 부족해서 폐에 침투한 미세먼지가 배출되기에는 오랜 시간이 걸린다. 실제로 안 교수는 쥐를 28일 동안 미세먼지에 노출한 뒤 90일 동안 깨끗한 공기를 마시게 하는 실험을 진행했다. 그 결과 90일이 지났음에도 불구하고 림프 안에서 미세먼지를 확인할 수 있었다. ▲안 교수가 제작한 계측장비(왼쪽)와 풍선에 장착한 초기 모델. (안강호 교수 제공) 안 교수는 시시각각 변하는 미세먼지의 흐름을 파악하고 효율적인 미세먼지 저감 정책에 도움을 주기 위해 이 연구를 시작했다. 기존 측정 장비는 규모가 커서 실험실에서만 사용할 수 있었다. 밖에서 표본을 채취해 실험실에서 표본을 연구하는 방식은 변화가 심한 대기환경을 파악하기 힘들다. 이뿐 아니다. 관측소 대부분이 지상에 위치해서 상공의 대기환경을 파악하기 힘든 문제가 있다. 안 교수는 문제를 해결하기 위해 계측장비를 소형화했고 고도에 따른 미세먼지 농도를 측정하기 위해서 장치를 풍선에 매달았다. 풍선 모델은 풍선을 잡아주고 데이터를 받아주는 사람 등 많은 인력이 필요했고 넓은 범위를 측정하기 힘든 단점이 있었다. 안 교수는 드론을 이용하여 단점을 극복했다. 드론은 미세먼지의 농도와 풍속, 풍향 정보를 수집할 수 있기 때문에 단위 시간당 미세먼지의 양을 확인할 수 있다. ▲항만 지역의 미세먼지를 측정하는 드론. (안강호 교수 제공) 안 교수는 평택 공업단지, 고속도로변, 항만 지역과 농촌지역에 드론을 띄울 계획이다. 공업단지와 자동차에서 발생하는 먼지뿐만 아니라 배와 축산업에서 발생하는 먼지도 무시할 수 없기 때문이다. 안 교수는 드론 추락 위험 우려에 “새로운 기술에 대해 어떤 이는 두려움을 가지고 어떤 이는 환상을 가지고 있다"며 "객관적인 시선으로 새로운 기술을 바라볼 필요가 있다”고 드론을 통한 미세먼지 측정의 필요성을 역설했다. 글/ 윤석현 기자 aladin@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

[학술][이달의 연구자] 김종호 교수, 다기능성 나노 촉매 개발로 환경문제 해결의 길 열다

김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 다기능성 나노 촉매 PdO@WO₃(PdO on WO₃)와 해당 물질의 합성법을 개발했다. 기존 학계에 보고된 사례가 없는 PdO@WO₃는 광촉매뿐만 아니라 전기화학 촉매의 역할도 효과적으로 수행한다. ▲김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 광촉매/전기화학 촉매 기능을 하는 PdO@WO₃ 합성법과 해당 소재를 개발했다. 김 교수가 개발한 PdO@WO₃은 촉매 특성을 가진 PdO 나노 클러스터를 얇은 산화텅스텐(WO₃) 반도체 막에 도입한 형태다. 이렇게 개발한 나노소재는 빛에너지를 화학에너지로 변환시키는 광촉매 역할을 수행하며 탄소-탄소 결합반응을 효과적으로 촉진한다. 해당 소재는 음극 반응 중 하나인 산소 환원 반응을 활성화하는 전기화학 촉매 기능도 가지고 있다. PdO@WO₃는 여러 분야의 환경문제를 해결할 것으로 전망된다. 항암제를 비롯한 의약품을 만들 때 탄소-탄소 결합(두 벤젠 고리의 연결 등)이 필수적이다. 이때 팔라듐(Pd)의 광촉매 작용이 필요하다. 기존 방식은 용액에 팔라듐을 균일 혼합물로 섞어 화학반응을 유도하기 때문에 회수가 거의 불가능했다. 반면 김 교수가 개발한 소재를 이용할 경우 불균일 혼합물이 돼 온전한 회수가 가능하다. 회수된 나노 소재는 여러 번 재사용해도 촉매 활성을 유지했다. 팔라듐은 금보다 비싼 희귀광물 중 하나로, 나노 소재의 재사용 가능성이 의약품 단가를 크게 낮출 것으로 기대된다. 광물 채굴은 환경파괴의 한 종류로 팔라듐 소재의 재사용은 환경문제도 해소한다. 현재 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 전지는 낮은 효율과 폭발 위험성을 가지고 있다. 이 때문에 차세대 배터리로 금속-공기 전지가 각광받고 있다. PdO@WO₃를 음극 전기화학 촉매로 사용해 만든 아연-공기 전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높고 폭발성은 없다. 해당 기술이 상용화된다면 내연 기관 자동차를 대체할 전기차 개발이 수월해질 것으로 기대된다. ▲a)PdO@WO₃ 나노 소재를 광촉매로 사용해 진행된 탄소-탄소 결합반응에 대한 모식도. b) PdO@ WO₃ 나노 소재를 전기화학촉매로 이용해 진행된 산소 환원 반응(ORR) 결과. (김종호 교수 제공) 이번 연구(논문명 'Ultrathin WO3 Nanosheets Converted from Metallic WS2 Sheets by Spontaneous Formation and Deposition of PdO Nanoclusters for Visible Light-Driven C-C Coupling Reactions')는 실험 실패를 통한 발견으로 이뤄졌다. 김 교수는 본래 도체성 WS₂ nano sheet로부터 반도체성 WS₂ nano sheet를 만드는 실험을 진행했지만, 의도와 다른 물질인 WO₃가 계속 생성됐다. 그는 해당 물질을 분석하고 여러 실험을 이어간 결과 다기능성 소재인 PdO@WO₃를 발견했다. 이후 김 교수는 합성 원리를 규명하고 촉매 소재로 응용해냈다. 김 교수는 “실패라고 생각했던 결과로부터 새로운 과학적 사실을 발견했다”며 “우리 학생들도 실패를 두려워하는 대신 그 속에서 새로운 배움을 발견하길 바란다”고 전했다. 이번 연구는 원래 의도한 실험의 실패로 1년, PdO@WO₃의 분석과 규명으로 2년이라는 긴 시간이 소요됐다. 김 교수의 연구실(클릭 시 이동)은 지속 가능하고 친환경적인 나노 촉매 소재 개발을 진행해오고 있다. 김 교수는 이번 연구를 통해 '다기능성 PdO@WO₃ 합성법 및 광촉매/전기화학촉매 응용 기술'에 대한 원천 특허를 확보했고 광촉매 연구를 학술지에 발표했다. 김 교수는 PdO@WO₃를 금속-공기 전지에 응용한 연구 결과를 국제 학술지에 투고할 예정이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

[학술][우수 R&D] 김희진 교수, 조기 알츠하이머병 환자 위한 새로운 치료제 고안

김희진 의과대학 신경과학교실 교수는 조기 알츠하이머병 환자를 치료하는 약 BAN 2401 임상연구로 알츠하이머병 극복에 한 걸음 다가갔다. BAN 2401은 알츠하이머병의 주요 원인 중 하나인 아밀로이드 단백질을 제거한다. 본격적으로 병이 진행되지 않은 조기 환자에게 BAN 2401을 투여할 경우 큰 치료 효과를 볼 수 있다. 알츠하이머병 치료의 또 다른 길을 열고 있는 김 교수를 만났다. ▲ 김희진 의과대학 신경과학교실 교수가 알츠하이머병의 치료제인 BAN 2401을 설명하고 있다. 몸에는 단백질의 원료인 아미노산이 있다. 대체로 바른 아미노산 간의 결합은 정상적인 단백질을 만들지만 잘못된 아미노산의 결합은 비정상적인 단백질을 생성한다. 바로 비정상 단백질이 알츠하이머병의 가장 큰 원인인 ‘아밀로이드 단백질’이다. 뭉친 아밀로이드 단백질은 신경 세포들의 이동 통로를 차단한다. 해당 과정에서 뇌세포는 소멸하고 이는 알츠하이머병으로 연결된다. BAN 2401은 아밀로이드 단백질을 극복할 수 있다. BAN 2401은 실타래처럼 엉킨 아밀로이드 단백질과 선별적인 결합을 통해 아밀로이드 단백질을 제거한다. 특히 BAN 2401은 아직 병이 진행되지 않은 조기 알츠하이머병 환자에게 큰 효력이 있다. 아밀로이드 단백질이 알츠하이머병의 주요 원인은 맞지만, 질환이 진행된 이후에 약을 공급할 경우 효과가 현저히 떨어진다. 김 교수는 “알츠하이머병이 본격적으로 진행되기 이전, 단기기억력만 떨어진 환자들에게 약을 투여했다”며 “결과는 상당히 고무적이었다”고 말했다. 단기기억력이 떨어졌던 환자들의 기억력이 정상으로 회복되고 아밀로이드 단백질도 대부분 제거됐다. ▲ 김희진 교수는 알츠하이머병 환자들의 치료를 위해 노력하고 있다. 김 교수는 신약 관련 임상시험인 만큼 여러 항목의 조건부 실험을 진행했다. 공개연장, 위약 대조, 이중 눈가림 등 다양한 조건이 존재했다. 공개연장은 일정 기간 동안 환자가 모르게 약을 투여하고 해당 기간이 지난 후 약을 공개함과 동시에 투약 기간을 연장하는 것을 말한다. 위약 대조는 실험 환자들에게 50:50의 확률로 진짜 약과 가짜 약을 제공해 결과를 알아내는 방법이다. 이때 기존의 약은 동일하게 투여된다. 끝으로 이중눈가림은 현재 실험자들에게 어떤 약이 투여되고 있는지 의사와 환자 모두 알지 못함을 의미한다. 알츠하이머병의 해결은 사회적 시선에서 봤을 때도 청신호다. 병 특성상 환자 한 명당 평균 3명의 간호가 필요하다. 알츠하이머병은 주변인들의 일상생활과 직업능력을 저하시킨다. BAN 2401 약을 통해 많은 알츠하이머병 환자에게 긍정적 변화가 생긴다면 이야기는 달라진다. 알츠하이머병 환자 인구가 감소하면 그만큼 환자를 관리하는 인력들도 절약돼 경제적 및 사회적 효과도 상당해질 것으로 기대를 모으고 있다. 글/ 정연 기자 cky6279@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

[학술][이달의 연구자] 김래영 교수, 전력 마이크로그리드와 직류 전력망으로 에너지 효율 높이다

책과 아날로그 시계 못지 않게 태블릿PC와 스마트워치를 자주 볼 수 있다. 주변 사물들이 전자기기로 변하면서 전원과 에너지에 대한 연구도 활발하다. 김래영 서울캠퍼스 전기·생체공학부 교수는 에너지를 더 효율적으로 생산, 저장, 전송하는 방법을 찾고 있다. 수소차와 스마트폰이 각각 수소 전지와 리튬 이온 전지를 사용하는 것처럼 모든 전자기기는 각자 알맞은 형태의 전원 장치가 필요하다. 김래영 교수가 연구하는 전력전자학은 주파수와 전압·전류의 크기를 조절해 전기 에너지의 효율적인 변환과 제어를 다룬다. ▲ 김래영 서울캠퍼스 전기·생체공학부 교수가 최근 연구 중인 마이크로그리드와 직류 전력망 시스템을 설명하고 있다. 김 교수가 최근 연구하는 분야는 마이크로그리드와 직류 전력망 시스템이다. 마이크로그리드는 여러 개의 분산형 전원을 이용해 개인적이고 국소적인 전력 공급 및 저장 시스템을 갖춘 형태를 말한다. 기존 전력 시스템은 원자력과 화력 발전소와 같은 대규모 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달한다. 이 과정에서 많은 송·배전망을 거치기 때문에 전력 손실을 초래한다. 김 교수는 레고-블록형 스마트 전력전자 플랫폼을 통해 마이크로그리드 구축하고 있다. 기존은 시스템 규모에 맞게 전력 플랫폼을 개발해야 했다. 레고-블록형 플랫폼은 전력망 규모에 맞게 마이크로그리드를 병렬 연결할 수 있어 다양한 크기의 발전소를 제작할 수 있다. 전기 수요가 높은 부근에 발전소를 구축한다면 전송에 따른 손실도 줄일 뿐 아니라 부지 제약도 줄 일 수 있다. ▲레고-블록형 전력전자 플랫폼을 병렬 연결함으로써 마이크로그리드를 구축할 수 있다. (김래영 교수 제공) 김 교수가 연구 중인 직류 전력망은 높은 효율을 자랑한다. 오늘날 대부분의 전력망은 교류 에너지로 구성돼 있다. 에디슨의 직류보다 테슬라의 교류 전력이 전송 효율이 좋았기 때문이다. 하지만 전자기기는 대부분 전원이 직류다. 직류 전력망에선 교류를 직류로 변환하는 과정이 없어 전력 손실이 적다. 김 교수는 "지금은 반도체 기술을 통해 교류를 직류처럼 바꿀 수 있다”고 전했다. 김 교수가 연구하는 전력전자 기술은 전기자 충전소에서부터 무선전력전송까지 다양한 세상을 그릴 수 있다.김 교수는 “전력전자 기술뿐만 아니라 공학을 통해 사람들에게 더욱 편리하고 새롭고 멋진 경험을 선사하는 것”이 궁극적인 목표라고 밝혔다. 글/ 윤석현 기자 aladin@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

[학술][우수 R&D] 황승준 교수, IC-PBL로 중소기업 경영 컨설팅 선도인력 양성하다

지난 1997년 아시아 금융 위기는 한국의 많은 기업을 무너뜨렸다. 당시 국내 기업들은 인수합병(M&A)을 외국계 컨설턴트 회사에 자문했다. 20년이 넘게 흘렸다. 지금은 세계가 한국에 고속성장을 이룬 방법을 묻는다. 황승준 ERICA캠퍼스 경영학부 교수는 한양대학교 지식서비스 연구소장을 맡으며 한국 성공 사례들을 체계화해서 다른 나라에 컨설팅을 제공하고자 한다. 한국연구재단은 지난 10월 한양대 지식서비스 연구소를 ‘2019년 인문사회연구소 지원사업’에 선정했다. 지식서비스 연구소는 중소기업 경쟁력 향상과 균형적인 국가 경제발전을 목표로 지난 2009년 개소했다. 연구소는 한양대 컨설팅 전문인력 양성과 연구개발(R&D) 체계 구축에 힘쓰고 있다. 산업 연계 문제 기반 프로젝트 수업(IC-PBL:Industry-Coupled Project(Problem)-Based Learning)을 개발 및 운영하며 대한무역투자진흥공사와 해외 인턴십을 진행하고, 21건의 경영 컨설팅 방법론을 개발하는 등 활발히 활동 중이다. ▲황승준 ERICA캠퍼스 경영학부 교수가 경영 컨설팅 인력 양성의 필요성에 관해 설명하고 있다. 황 교수가 진행한 ‘4차산업혁명 시대 중소기업 컨설팅 인력 양성을 위한 IC-PBL 교육 방법 연구’는 우수한 경영 컨설팅 인력을 양성해 중소기업이 급변하는 산업환경 변화에 대응하도록 돕는 것이 목표다. 황 교수는 “데이터에서 새로운 가치를 찾아내고 수익 구조를 만드는 기업이 승리한다”며 “하지만 중소기업은 급격한 환경 변화에 대응하기에는 기술이 부족하다"고 말했다. ▲ 산업 연계 문제 기반 프로젝트 수업(IC-PBL:Industry-Coupled Project(Problem)-Based Learning) 의 MECA 모델. 한양대 지식서비스 연구소는 기존 C(문제 해결형)방식에서 M(현장 통합형)방식으로 변화를 꾀하고 있다. (한양대학교 ERICA캠퍼스 IC-PBL 센터 제공) 지식서비스 연구소는 인재를 양성하기 위해 기존의 IC-PBL 중 현장 중심적인 성격에 경험 지향적인 성격을 접목했다. 동시에 교육방식 체질도 개선했다. 지식서비스 연구소 IC-PBL의 핵심 목표는 ▲오래된 외국 사례를 새로운 국내 사례로 대체 ▲이론 위주의 교육에서 현장 중심의 교육으로 변화 ▲ 대기업 중심에서 중견·중소기업 중심으로 이동하는 것이다. 황 교수는 “지식서비스 연구소가 컨설팅 인력을 양성하는 기관에서 중소기업 컨설팅 플랫폼으로 진화하는 것이 최종 목표”라고 밝혔다. ERICA캠퍼스 학부 3, 4학년과 대학원생은 다음 학기부터 컨설팅 양성 수업을 들을 수 있다. 학생들은 플립-러닝(Flip-Learning, 온라인을 통해 선행학습을 한 뒤 교실에서는 토론식 강의를 진행하는 수업)을 통해 대상 기업과 산업 기초 지식을 습득한다. 수강생들은 상황인식부터 문제 정의, 문제분석, 해결책 제시와 적용까지 총 5단계의 과정을 거치며 기업에 직접 경영 컨설팅을 제공한다. 글/ 윤석현 기자 aladin@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

[학술][이달의 연구자] 좌용호 교수, 상온 구동 수소·황화수소 가스 감지 센서 개발

가스 감지 센서는 일반적으로 인식 감도를 높이기 위해 히터가 내장돼 있다. 따라서 전력 소비가 높을 뿐만 아니라 소형화하기도 어렵다. 좌용호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 히터 없이 상온(25℃)에서 수소(H2)와 황화수소(H2S)를 감지할 수 있는 센서를 개발했다. 이번 연구는 산업통상자원부 나노소재원천개발사업의 지원을 받아 진행했다. ▲ 좌용호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수가 최근 자신의 연구실에서 포즈를 취하고 있다. 좌 교수는 지난 2010년부터 가스 센서에 대한 연구를 진행해오고 있다. 천연가스 사용량은 점차 증가하고 있다. 가정에서부터 산업 현장에 이르기까지 가스 폭발사고와 중독 등 위험이 도사리고 있다. 특히 황화수소는 유독 가스로 세포 호흡을 정지시켜 중추신경을 마비시키고 질식을 유발한다. 석유 정제공정과 아교, 피혁 제조공정뿐 아니라 하수처리장과 쓰레기장에서도 발생한다. 해로운 물질 중 하나이기 때문에 산업 현장에서 실시간 모니터링이 필요하다. 한편 수소는 폭발 위험이 있어 가스 유출에 철저한 감시가 필요하다. 인간의 감각기관은 위험한 가스를 인식하거나 구분하지 못 한다. 이번 연구(논문명 "Facile tilted sputtering process (TSP) for enhanced H2S gas response over selectively loading Pt nanoparticles on SnO2 thin films")를 통해 개발한 가스 센서의 특징은 상온 구동이다. 좌 교수는 가스 농도에 따라 저항이 변하는 ‘화학 저항성’ 센서와 전압을 발생시키는 ‘열화학’ 센서를 개발했다. 두 센서 모두 별도의 히터 없이 상온에서 구동이 가능해 전력 소모가 크게 줄어들었다. 열화학 센서는 전압을 공급받아 신호를 읽는 기존 센서들과 달리 가스 감지를 통한 신호 자체가 전압을 발생시켜 이론적으로 전력 소비가 없다. ▲ 수소(H2) 가스 센서에 대한 연구 자료의 일부. 좌 교수는 수소 가스의 농도가 높아질수록 출력전압이 커지는 센서를 개발했다. (좌용호 교수 제공) 좌 교수는 센서 개발에 그치지 않고 감지장치(센싱) 시스템 전반을 설계했다. 또한 센서 소자의 모듈화와 무선 네트워크를 적용한 스마트 센서까지 직접 제작해 실험했다. 좌 교수는 “가스 감지 시스템은 표준이 없어 객관적인 성능 향상을 입증하기가 어려웠다”고 전했다. 개발된 시스템과 비교할 적절한 대조군이 없어 한국산업기술시험원에 공인인증을 받아 객관성을 확보했다. 좌 교수는 지난 2010년부터 상온 구동 센서를 중심으로 다양한 방식의 센서를 개발했다. 좌 교수는 해당 분야에서만 국내외 10여 건의 특허를 등록했다. 현재 사물인터넷(IoT)의 보편화로 스마트홈과 스마트팩토리 등에 가스 센서 수요가 급증하고 있다. 좌 교수는 “가스 센서는 실생활에 유용한 기술”이며 “수소와 황화수소 외 다양한 가스 센서를 개발할 예정”이라고 밝혔다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

[학술][이달의 연구자] 남진우 교수, 마이크로RNA에 의한 새로운 유전자 조절기전 규명

세포는 DNA로부터 얻어낸 유전자 정보를 기반으로 단백질을 생성한다. 이 과정을 유전자의 발현이라고 한다. 유전자 발현 과정에서 다양한 조절이 이뤄진다. 남진우 서울캠퍼스 생명과학과 교수가 새로운 조절 기전(메커니즘)인 UMD를 최초로 발견했다. 연구결과(논문명 "UPF1/SMG7-dependent microRNA-mediated gene regulation")는 지난 9월 13일 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재됐다. 세포는 DNA의 유전자를 이용해 단백질 만드는 과정을 다양한 방법으로 조절한다. 마치 강의실의 형광등을 켜는 원리처럼 스위치(단백질 발현 조절 인자)를 통해 불의 점멸(단백질 발현 유무)을 조절한다. 차이가 있다면 불의 밝기까지 조절하고 선택하는 것이다. 세포는 ‘DNA→mRNA(핵 안에 있는 DNA의 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 RNA)→단백질’의 유전자 발현 단계를 거치며 발현 정도를 크게 두 번 조절한다. ‘DNA→mRNA’와 ‘mRNA→단백질’ 단계에서는 각각 '전사조절’과 ‘번역조절’이 이뤄진다. ▲남진우 서울캠퍼스 생명과학과 교수가 유전자 발현 기전을 설명하고 있다. 남 교수는 새로운 ‘번역조절’ 메커니즘을 UMD라고 명명했다. 남 교수는 ‘번역조절’을 담당하는 조절인자 마이크로RNA(유전자 발현 조절 등의 기능을 하는 RNA)와 RNA의 품질관리(세포 내 잘못 생성된 RNA를 가려내는 행위)를 담당하는 조절인자 UPF1 사이에 또 다른 ‘번역조절’이 존재한다는 걸 밝혔다. 남 교수팀은 이 유전자 발현 조절을 UMD로 명명했다. 정상 mRNA가 UPF1에 의해 분해 조절되는 현상은 마이크로RNA와 UPF1의 상호작용 때문이다. 유전자 발현 조절의 주체를 밝히는 것은 질병의 진단과 치료의 초석이다. 문제 되는 단백질이 어디서 어떻게 생성되는지를 파악할 수 있기 때문이다. 특히, mRNA의 품질관리 기전과 마이크로RNA에 의한 유전자 발현 조절은 암과 뇌 질환에 직접 영향을 준다. UMD를 통해 마이크로RNA에 의해 조절되는 유전자의 예측력이 크게 올라가면서 표적 치료를 개발하는 길이 열리게 된다. ▲UMD 조절 방식. 정상 mRNA의 분해가 마이크로RNA와 UPF1의 상호작용에 의해 조절된다. (남진우 교수 제공) 연구는 남 교수와 황정욱 의과대학 유전학교실 교수가 각자의 연구데이터를 공유하면서 시작했다. 황 교수는 정상 mRNA가 UPF1에 의존해 분해되는 현상에 주목했다. 남 교수는 기존에 수행하던 연구를 통해 마이크로RNA가 이와 관련이 있음을 유추했다. 남 교수는 일차적으로 생물정보학적 분석을 시행하면서 황 교수와 함께 실험적 검증을 진행했다. 연구의 시작부터 논문이 나오기까지 총 4년 6개월가량 소요됐다. 남 교수는 “처음 1년은 빅데이터 기반의 생물정보학적 분석을 통해 가설 설정과 통계적 검정에 집중했다”고 밝혔다. 이후 실제 실험 설계, 시행과 실험 검증을 반복하며 2년를 추가로 소요했다. 그는 “실험 과정에서 샘플이 알 수 없는 이유로 잘 자라지 않아 예상보다 6개월 이상의 시간이 더 걸렸다”며 연구 과정의 어려움을 전했다. 이번 연구는 데이터 과학의 대표 분야인 생물정보학에 기반한 방법으로 진행했다. 생물정보학은 기존 학계에 공개된 연구 데이터를 통합, 분석해 새로운 연구 가설을 세우고 통계적 검증을 진행한다. 남 교수는 “덕분에 한두 개의 유전자 기능에 초점을 맞추기보다 일반적인 유전자 발현 조절 원리를 규명하는 데 집중할 수 있었다”고 전했다. 한편, 남 교수는 생물정보학 및 유전체 연구실(BIG Lab, http://big.hanyang.ac.kr)에서 연구 책임자로 연구 활동을 이어가고 있다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

[학술][우수 R&D] 제철웅 교수, 의사결정 능력 장애인이 살기 좋은 세상을 만들다

후견인(後見人)제도는 의사결정 능력이 부족한 성년이나 미성년자에게 법률 지원을 하는 제도다. 국가는 의사결정, 사무처리 능력이 부족한 이들을 보호하기 위해 후견인제도를 마련한다. 하지만 국가의 ‘보호’가 의사결정 능력 장애인의 자유를 구속하는 것은 아닌지 다시 한번 생각해볼 필요가 있다. 오히려 그들과의 소통을 방해하는 장애물일 수도 있기 때문이다. 제철웅 법학전문대학원 교수는 “살기 좋은 세상이란 약자들이 살기 좋은 세상"이라며 "약자가 목소리를 내고 사회가 경청할 때 진정한 민주주의가 실현된다”고 정의했다. 제 교수의 ‘의사결정 능력 장애인의 사회통합’ 연구는 지난 2012년 보건복지부의 요청으로 시작했다. 지난 2013년 한국사회과학연구(SSK) 지원사업으로 연구과제를 시작해 오는 2022년까지 수행할 예정이다. 제 교수는 “사회통합을 실현하기 위해서는 제도가 중요하다"며 "현재 제도들은 후견인이 중요 사항을 결정하는 방식이기 때문에 당사자를 소외시킬 수 있다”고 말했다. 현 제도는 사람들에게 의사결정 능력 장애인이 아무것도 할 수 없다는 편견을 심어준다는 것이다. 제 교수는 이러한 문제점을 해결하기 위해 후견인이 장애인의 의사결정을 대신하는 것이 아닌 돕는 제도를 만들려고 한다. 제도뿐 아니라 실생활에서 활용할 수 있도록 매뉴얼을 만드는 것도 이번 연구의 목표다. ▲제철웅 법학전문대학원 교수가 ‘의사결정 능력 장애인의 사회통합’ 연구에 대해 설명하고 있다. 의사결정은 크게 기본권 실현을 위한 의사결정과 사무처리를 위한 의사결정 두 가지로 나눌 수 있다. 의사결정 능력 장애자가 부동산 매매와 같은 복잡한 문서나 계약 조항이 포함된 업무를 하기는 힘들기 때문에 사무처리 의사결정에 한해서는 후견인이 의사를 대신해주어야 한다. 이와 달리 일상생활에서 필요한 욕구는 장애자 혼자서 의사표현을 할 수 있다. 본인이 장애 시설에 들어가고 싶은지 아닌지와 같은 의사결정의 경우엔 언어적 요소가 아닌 몸짓과 표정 같은 비언어적 요소가 90퍼센트를 차지한다. ▲ 제철웅 교수(앞줄 왼쪽에서 세 번째)가 지난 2017년 3월 후견제도와 장애인-고령자의 권익 옹호 포럼에 참가했다. (제철웅 교수 제공) 현재 약 40만 명의 발달 정신장애인과 치매노인이 요양 시설과 정신병원에서 생활하며 지역사회로부터 격리돼있다. 이들이 자신의 삶을 누리기 힘들고 자기 의견과 요구사항을 제기할 수 없다는 게 가장 큰 문제다. 선진국의 경우 발달장애인과 치매 노인 당사자가 중심이 된 단체가 많다. 단체들은 필요한 제도와 개선해야 할 점을 치매나 장애 관련 정책에 반영하길 요청한다. 반면에 한국은 당사자들을 빼놓고 후견인과 대리인들에게 의견을 묻는다. 의사가 아픈 곳을 환자에게 묻는 것이 아니라 보호자에게 묻는 식이다. 제 교수는 "궁극적으로는 연구를 통해 발달장애인, 치매 노인, 정신장애인의 커뮤니티를 만들고 단체를 통해 본인 의견을 직접 말 할 수 있게 해 이런 문제들을 해결하고 싶다”고 밝혔다. 글/ 윤석현 기자 aladin@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

[학술][이달의 연구자] 박준영 교수, 단순 자율주행 너머 ‘안전’ 자율주행에 힘쓰다

바야흐로 4차 산업 혁명 시대다. 많은 사람들이 자율 주행에 관심을 두고 있다. 자율 주행이 수면 위로 떠오르자 안전을 고민하는 사람이 있다. 박준영 ERICA캠퍼스 교통물류공학과 교수는 커넥티드 환경(모바일 기기, 가전 제품 등 여러 디바이스가 연결돼 상호 작용하는 IoT 환경)에서 운전자가 안전하게 자율 주행을 할 수 있도록 운전 보조 시스템을 디자인했다. ▲박준영 ERICA캠퍼스 교통물류공학과 교수가 커넥티드 환경(모바일 기기, 가전 제품 등 여러 디바이스가 연결돼 상호 작용하는 IoT 환경)에서 차내 운전자 보조 및 안전정보 제공 개선을 위한 시스템을 설명하고 있다. 안전한 자율 주행의 상용화를 위해선 자율 주행 자체뿐만 아니라 차량과 차량, 차량과 차량 주변의 인프라 관계 구축이 잘 돼야 한다. 본인 차량 주변 차나 신호등 같은 교통 장치와도 소통을 해야 한다. 박 교수는 “본인 차량과 근처 차량 혹은 주변 인프라와 정보를 교환해야 정보망을 통한 차량 정보 보조가 가능하다”고 말했다. 안전한 자율 주행의 첫 단계는 각 차량에 칩셋(시스템 전체를 하드웨어적으로 컨트롤하는 장치)을 삽입해 차와 차 사이의 정보 교환이 가능한 환경을 만드는 것이다. 운전자 차량 앞쪽 유리창을 디스플레이 화면(헤더 디스플레이)으로 삼아 실시간으로 각종 정보들을 표출한다. 이때 주변 차의 현 정보(속력, 내 차와 주변 차 사이의 거리 등)를 도형과 색상을 통해 쉽게 알 수 있다. 예를 들어 헤더 디스플레이의 바 개수 감소는 내 차와 주변 차와의 거리가 가까워지고 있음을 의미한다. ▲앞차와의 거리와 속력 등을 수치와 바(막대기)를 통해 알 수 있다. (박준영 교수 제공) 박 교수가 유독 안전한 자율 주행을 위한 연구에 집중한 이유가 있다. 바로 ‘안개’때문이다. 그가 처음 연구를 시작했던 미국 플로리다주는 지리적 특성상 안개가 잘 끼는 지역이라 교통사고가 자주 발생한다. 특히 자율 주행은 기상이 악화될수록 기능이 떨어진다. 박 교수는 악조건의 기상 상황에서도 안전하게 자율 주행할 수 있는 방법을 고민했다. 결국 자율 주행 시 근처 차량의 패턴과 주변 정보 등을 교환해야 안전한 주행이 가능함을 깨닫고 연구를 시작했다. 연구 과정이 순탄치만은 않았다. 박 교수는 “시스템 개발 후 프로그램 시뮬레이션을 진행할 대상이 필요했다”며 “연령, 성비와 운전 경력 등을 고려해 다양한 사람들을 섭외하는 것이 쉽지 않았다”고 전했다. 또 관련 자료가 워낙 방대해 데이터 수집에도 어려움을 겪었다. 그럼에도 박 교수는 여러 난관을 극복한 끝에 안전한 자율 주행을 현실로 만들 운전 보조 시스템을 개발했다. ▲박준영 교수는 "미래 자율 주행의 키워드는 ‘안전’"이라고 말했다. 박 교수는 안전한 자율 주행 환경을 조성해 걱정 없는 자율 주행 시대를 앞당기고 있다. 박 교수는 “안전을 빼놓고는 교통을 말할 수 없다”며 “자율 주행의 기술적인 발전도 좋지만 그전에 안전이라는 전제가 꼭 있어야 한다”고 ‘안전’한 자율 주행을 강조했다. 글/ 정연 기자 cky6279@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr