AI(인공지능)가 다양한 분야에 적용되면서, 질병 연관 유전자 발굴에도 AI가 활용되고 있다. 기존 AI 시스템에서는 단순히 특정 유전자의 질병 연관성만을 예측하는 데 그친 반면, 이번에 정보컴퓨터공학부 송길태 교수 연구팀이 유전자의 질병 연관성 예측과 동시에 해당 유전자가 질병 치료 타깃 또는 생체 지표 유전자로서 기능할 수 있는지 여부를 예측하는 AI 시스템 개발에 성공했다. AI를 통해 환자별 유전자 맞춤 치료를 제공하는 정밀 의료 시대가 앞당겨질 것이라는 기대도 커지고 있다. 

송길태 교수팀은 부산대병원 순환기내과 이혜원 교수팀과의 공동연구를 통해, 질병에 대한 유전자의 치료적 유전자 타깃 및 생체 지표 유전자 여부를 예측하고 결과에 대해 충분한 설명을 제공하는 AI 시스템을 개발했다.  

질병은 개인이 가진 여러 유전적 요소들의 복합적 상호작용으로 발생한다. 연구팀은 이 같은 상호작용을 반영해 어떤 유전자의 치료적 유전자 또는 생체 지표 유전자로서의 가능성을 예측하는 AI 시스템을 제안했다. 이 시스템은 하이퍼그래프(Hypergraph)* 및 어텐션(Attention)** 메커니즘을 사용해 질병에 관여하는 여러 생물학적 요소들 사이 복합적 상호작용을 모델링하고, 어텐션 연산 결과 시각화를 통해 모델 예측 결과에 대한 설명도 제공한다. 

* 하이퍼그래프(Hypergraph): 네트워크(Network) 형태 데이터의 일종으로 노드와 하이퍼엣지의 집합으로 정의되고, 각 하이퍼엣지는 2개 이상 노드를 동시에 연결하고 이들 사이 복합적, 공통적 상호작용을 포착한다. 

** 어텐션(Attention): 최신 인공지능(딥러닝) 모델들에서 널리 쓰이는 계산 알고리즘의 일종으로, 인간의 ‘주의 집중’을 모방해 인공지능 모델이 중요한 정보에 좀 더 집중하고, 덜 중요한 정보는 상대적으로 덜 집중하도록 만드는 정보 연산 알고리즘이다. 모델의 어텐션 메커니즘 연산 결과를 시각화 하면 모델이 특정한 의사결정을 내리는 데 있어 어떤 정보를 좀 더 중요하게 반영했는지 알 수 있다. 

연구팀은 DisGeNET을 비롯한, 생물학 전문가들에 의해 큐레이션 된 오픈소스 데이터베이스로부터 유전자, 유전자 온톨로지(ontology, 언어로 표현된 개념 간 연관 관계 지식이 드러나는 망), 질병, 질병 온톨로지, 그리고 인간 표현형 온톨로지 사이 관계 데이터를 얻어 개발한 AI 시스템을 검증했다. 

【연구 개념도】

송길태 교수는 “이번 연구는 기존 연구들이 질병과 유전자 사이 연관성 여부만 단순 예측했던 것에서 한 발 더 나아가, 특정한 유전자의 치료적 유전자 및 생체 지표 유전자로서 가능성을 정밀 예측하는 실전적 AI 시스템을 개발했다는 데 큰 의미가 있다”며 “제안 AI 시스템을 활용하면 단시간 내 특정 질병에 대한 치료적 유전자 후보군을 발굴하고, 이를 기반으로 질병 유발 유전자에 직접 작용해 질병의 근본 원인을 제거하는 정밀 의료 실현에 한 걸음 다가갈 수 있을 것”이라고 설명했다.  

연구팀은 해당 AI 시스템에 대한 특허를 국내 출원 완료했고, 부산대 산학협력단의 지원을 받아 미국 특허 출원도 진행 중이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실 및 중견연구 사업과 정보통신기획평가원이 지원하는 인공지능융합혁신인재양성사업의 지원을 받았으며, 정보컴퓨터공학부 송길태 교수가 교신저자, 대학원 AI전공 김기범 박사과정 연구원이 제1저자, 부산대병원 이혜원 교수가 공동저자로 수행했다. 

질병과 유전자 사이 연관관계 예측에 대한 기존 AI 시스템의 한계를 극복할 것으로 전망되는 이번 연구 성과는 영국 옥스퍼드대가 발간하는 국제 학술지 『Briefings in Bioinformatics』 1월 22일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Therapeutic gene target prediction using novel deep hypergraph representation learning 

- 논문 링크: https://doi.org/10.1093/bib/bbaf019 

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 김기범 연구원, 송길태 교수.

[Abstract]

As AI continues to advance across various fields, its application in identifying disease-related genes is expanding. While traditional AI systems only predicted gene-disease associations, a research team at Pusan National University has developed an AI system that also determines whether a gene can serve as a therapeutic target or biomarker. This breakthrough is expected to accelerate precision medicine by enabling gene-based treatments tailored to individual patients.

Led by Professor Giltae Song in collaboration with Professor Hyewon Lee’s team at Pusan National University Hospital, the system uses hypergraph structures and attention mechanisms to analyze complex biological interactions and provide interpretable results. Validated through curated open-source biological databases like DisGeNET, the model enhances the accuracy of identifying therapeutic gene candidates.

Professor Song emphasized that this research surpasses conventional methods by refining gene predictions, ultimately facilitating faster drug development and targeted treatments. The first author of the study, Kibeom Kim, a Ph.D candidate researcher in AI and a student of Professor Song, played a key role in its development. The team has filed a domestic patent and is pursuing a U.S. patent with university support. The study, backed by major Korean research institutions, was published in Briefings in Bioinformatics on January 22, marking a significant step in AI-driven medical innovation.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Kibeom Kim (Division of Artificial Intelligence)

 · Corresponding author: Giltae Song (Department of Electrical and Computer Engineering)

- Title of original paper: Therapeutic gene target prediction using novel deep hypergraph representation learning

- Journal: Briefings in Bioinformatics

- DOI: https://doi.org/10.1093/bib/bbaf019

화학과 최정모(사진) 교수팀이 생체분자 응축제 연구에 활용할 수 있는 단순한 화학 모델 시스템 개발에 성공했다. 

‘생체분자 응축체(biomolecular condensate)’는 세포 내에서 특정 생체분자가 국소적으로 조밀하게 분포하는 덩어리다. 신호 전달, 스트레스 반응, 유전자 발현 조절 등 다양한 생물학적 기능을 수행해 최근 신약 개발 및 질병 연구에서 중요한 주제로 부각되고 있다.

생체분자 응축체는 세포 내에서 생체분자들이 자발적으로 모여 형성되며, 다양한 종류가 알려져 있다. 세포가 스트레스를 받을 때 mRNA(메신저 리보핵산)와 단백질이 모여 일시적으로 단백질 합성을 조절하는 구조체인 ‘스트레스 과립(Stress granules)’이나 mRNA를 분해·저장하는 세포질 내 구조체인 ‘P-바디(P-bodies)’, 단백질 합성 장치인 리보솜을 만드는 ‘인(Nucleolus)’ 등이 모두 생체분자 응축제에 해당한다.

이들은 세포 내에서 여러 가지 기능을 수행할 수 있으며, 특히 생체분자의 국소적 농도가 높아지면서 효소 활성 등이 비약적으로 증대될 수 있다. 이에 따라 생체분자 응축체의 형성 원리를 탐구해 새로운 생체 촉매 플랫폼을 설계하려는 연구가 세계적으로 널리 시도되고 있다.

생체분자 응축체의 형성과 소멸은 기본적으로 ‘생체분자-생체분자’ 상호작용과 ‘생체분자-용매’ 상호작용의 경쟁에 의해 결정된다. 이번 연구에서는 이 두 가지 요소를 포함하는 가장 작은 모델 시스템을 만드는 데 성공했다. 

연구팀은 간단한 화학 물질로 생체분자 응축제 모방에 나섰다. 세포 속 응축제와 비슷한 현상을 실험실에서 쉽게 구현할 수 있는 단순한 화학 시스템으로, ‘Fmoc’라는 특수한 화학 작용기를 결합시킨 아미노산을 사용했다. 

* Fmoc(fluorenylmethoxycarbonyl) 작용기: 소수성을 띠고 있는 여러 고리 작용기로, 단백질의 말단을 보호하기 위한 용도로 활용된다.

이 화학 물질은, Fmoc 작용기는 물을 싫어해(소수성) 스스로 뭉치는 반면, 아미노산의 뼈대 부분은 물을 좋아하는 성질(친수성)을 갖고 있어 생체분자-용매 상호작용에 참여할 수 있다. 연구팀은 아미노산의 구조를 조금씩 바꾸며 어떤 조건에서 가장 잘 뭉치는지를 실험했다.

아미노산의 곁사슬을 변화시키면서 분자의 소수성 정도를 세밀하게 변화시킬 수 있었는데, 다양한 곁사슬을 도입해 생체분자 응축체가 시험관 내에서 형성되는지, 형성된다면 안정적으로 그 상태가 유지되는지를 살폈다. 그리고 이 모델 시스템을 이용해 실제로 포집된 분자의 촉매 활성이 증가함을 확인했다.

【액체-액체 상 분리를 만들어낼 수 있는 아미노산 유도체의 구조와 사용 가능한 곁사슬의 종류 및 액체-액체 상 분리 과정을 그린 모식도】 

이번 연구는 부산대와 경희대 연구팀이 공동으로 수행했다. 경희대는 실험적 검증을, 부산대는 모델링을 담당했다. 부산대 연구팀은 분자동역학 시뮬레이션* 기법을 활용해 모델 분자가 응축체를 형성하는 화학적 기작을 분석했다. 특히 분자의 소수성 정도가 증가함에 따라 응축체 형성 경향성이 높아지는 것을 정량적으로 확인했으며, 이를 통해 이 모델 시스템에서는 소수성 상호작용이 응축체 형성의 주된 메커니즘임을 증명했다.

* 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션: 각 원자를 공처럼, 결합을 용수철처럼 취급하고 원자들이 주고받는 상호작용을 고려해 이들의 움직임을 시간에 따라 추적해 나가는 컴퓨터 시뮬레이션 기법.

생체분자 응축체의 형성 원리는 세포의 기능을 분자 차원에서 이해하는 데 반드시 필요한 개념이다. 이번 연구를 통해 생체분자 응축제의 형성 원리와 이렇게 만들어진 응축제 안에서 화학반응이 활발해지는 것을 확인했다. 

최정모 교수는 “이번에 개발한 모델 시스템은 화학적으로 변화시키기 매우 용이하기 때문에 다양한 상호작용을 도입할 수 있고, 이를 이용해 생체분자 응축체의 형성 원리를 보다 깊이 있게 탐구할 수 있다. 이는 생명체의 기능에 밀접하게 연결돼 있으므로, 여기서 얻은 지식을 질병 치료 등에 활용할 수 있을 것”이라고 기대했다. 

또한 이 시스템을 이용해 친수성 용매 내에 소수성 방울을 만들어 친수성 용매와 소수성 용매를 모두 필요로 하는 유기화학 반응 등도 진행할 수 있어 합성화학의 새로운 방법론으로의 응용도 전망된다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지 『Biomacromolecules』 1월 26일자 온라인판에 게재됐다. 

- 논문 제목: A Single Amino Acid Model for Hydrophobically Driven Liquid-Liquid Phase Separation(소수성 상호작용으로 추동되는 액체-액체 상 분리를 위한 단일 아미노산 모형)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01410 

해당 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업 지원을 받았다. 

[Abstract]

The study presents a minimalistic model for liquid-liquid phase separation (LLPS) using fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc)-protected single amino acids (Fmoc-AAs). The authors systematically investigate how different Fmoc-AAs undergo LLPS based on hydrophobic interactions, pH, and ionic strength. Their findings highlight residue-dependent variations in critical concentrations and phase behavior, demonstrating that hydrophobic interactions predominantly drive phase separation. Furthermore, they explore the transition from liquid condensates to solid aggregates, revealing that this transformation may be governed by mechanisms distinct from LLPS. These insights contribute to the understanding of biomolecular condensation and its implications in cellular organization and protein aggregation diseases.

The researchers also analyze how environmental factors such as salt concentration, pH, and temperature affect the stability and behavior of Fmoc-AA condensates. Notably, the study shows that mixing different Fmoc-AAs, including enantiomers, significantly enhances the stability of condensates by disrupting molecular stacking, thereby preventing rapid aggregation. This suggests that phase separation and subsequent fibrillization are controlled by different molecular interactions. Additionally, molecular dynamics simulations corroborate these experimental observations, further elucidating the role of hydrophobicity in the condensation process.

Beyond fundamental insights, the study explores potential applications of Fmoc-AA condensates in mimicking cellular environments. The authors demonstrate that these condensates can selectively accommodate biomolecules and facilitate chemical reactions, highlighting their potential as artificial cells or catalytic microreactors. The enhanced reaction rates within the condensates suggest that they provide a unique microenvironment for biochemical transformations. Overall, this research advances our understanding of phase separation and protein aggregation, offering a versatile model system with applications in synthetic biology and material science.

- Author (Pusan National University): Jeong-Mo Choi (Department of Chemistry)

- Title of original paper: A Single Amino Acid Model for Hydrophobically Driven Liquid-Liquid Phase Separation

- Journal: Biomacromolecules

- Web Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01410  

지방 조직이 내분비 기관으로 인식되면서 면역 반응과 조직 재생에 중요한 역할을 한다는 연구가 증가하고 있지만, 구조와 기능을 생체처럼 재현하는 것이 어려워 재생의학에서 활용이 제한적이었다. 의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 최근 3D 바이오프린팅 기술을 활용한 내분비성 지방 조직 조립을 통해 피부 재생을 촉진하는 기술을 개발해 조직 재생과 상처 치료 분야에서 새로운 가능성을 제시했다.

이번 연구에서는 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과의 통합을 가능하게 하는 신속한 조직 조립 기술을 개발했으며, 이를 통해 지방 조직이 피부 조직과 효과적으로 결합해 상처 치유를 촉진함을 확인했다.

지방 조직의 내분비 기능을 활용한 조직 재생 연구의 새로운 패러다임을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 세계적으로 인정받는 국제학술지 『Advanced Functional Materials』 2월 2일자에 게재됐다.

- 논문 제목: 3D Bioprinting-Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration (3D 바이오프린팅을 활용한 내분비 지방 조직 유닛의 조립 및 피부 재생 촉진)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202419680 

지방 조직은 단순한 에너지 저장소를 넘어 다양한 생리활성을 조절하는 내분비 기관으로서의 역할이 주목받고 있다. 내분비란, 체내에서 생성된 호르몬을 도관(導管)을 거치지 않고 직접 혈액 속으로 보내는 작용을 말한다.

지방 세포는 여러 사이토카인(면역세포가 분비하는 단백질 신호물질)을 분비해 주변 조직과 상호작용하며, 이러한 내분비 기능은 대사 항상성과 조직 재생에 중요한 영향을 미친다. 하지만 기존 조직공학 기술로는 지방 조직의 구조와 기능을 효과적으로 재현하는 데 한계가 있었다. 특히, 지방 조직은 피부 및 근육과의 상호작용을 통해 조직 항상성과 재생을 조절하는데, 이를 반영한 조직 제작 기술이 부족해 재생의학에서 활용이 제한적이었다​.

이에 연구팀은 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과 결합할 수 있는 조립 기술을 개발하고, 이를 활용해 피부 재생을 촉진하는 연구를 진행했다. 

지방 조직과 피부 조직의 통합이 중요하다는 점에서, 연구팀은 지방 조직을 레고 블록과 유사한 모듈 단위로 제작해 피부 진피층과 결합하는 방식을 도입했다.

지방 조직의 높은 세포 밀도를 유지하고 기능성을 극대화하기 위해 내장형 3D 바이오프린팅(embedded 3D bioprinting) 기법을 적용해 지방 조직 단위를 안정적으로 형성할 수 있는 최적의 바이오잉크 조성과 프린팅 조건을 설정했다. 이를 위해 유변학적 분석과 유체역학적 시뮬레이션을 수행해 바이오잉크의 점탄성을 최적화했다. 

지방 조직 단위 내 세포가 효과적으로 성숙할 수 있도록 알지네이트(alginate)를 포함한 하이브리드 바이오잉크를 개발했다. 기존의 AdECM* 바이오잉크만 사용할 경우, 지방 전구세포가 주변 배지로 이동하면서 밀집된 세포 환경이 유지되지 않는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 세포 부착 특성이 낮은 알지네이트를 AdECM 바이오잉크에 첨가해 세포 이동을 제한했다. 

* AdECM(지방 유래 탈세포화 ECM): AdECM은 지방 조직의 자연적인 환경을 모방해 지방세포의 성숙과 내분비 기능을 극대화하는 중요한 바이오잉크의 주재료임.

그 결과, 0.5% 알지네이트를 포함한 하이브리드 바이오잉크에서 지방 세포의 밀집도가 가장 높고, 지방 세포의 성숙을 촉진하는 유전자의 발현이 증가하는 것을 확인했다.

이어 연구팀은 하이브리드 바이오잉크를 기반으로 지방 단위(adipose unit)의 최적 크기를 설정했다. 실험 결과, 900 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 이상의 크기에서는 지방 단위 내부에 저산소(hypoxia) 환경이 형성돼 기능성이 저하됨을 확인했으며, 600 ㎛ 에서 지방 세포의 생존 및 성숙이 최적화됨을 밝혔다. 

또한, 지방 단위 간의 상호작용을 극대화해 내분비 기능을 강화하기 위해 간격을 조정하는 실험을 수행해, 1,000 ㎛ 이하에서 세포 간 신호 전달 및 성숙도가 가장 높은 것으로 파악됐다.

지방 단위가 피부 재생에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 3D 프린팅 기반 맞춤형 상처 치유 플랫폼(wound scratch assay platform)을 제작했다. 이에 따르면, 지방 단위가 포함된 환경에서 피부 세포(섬유아세포 및 각질형성세포)의 이동 속도가 증가해 16시간 내 80% 이상의 상처 폐쇄율을 기록했으며, 특히 지방 단위 간 간격이 1,000 ㎛일 때 가장 높은 세포 이동성을 보였다.

【3D 바이오프린팅 기반 지방 조직 모듈 조립체를 활용한 피부 재생 촉진】

A: 다용도 PCL 프레임워크 내에서 지방 모듈의 바이오패브리케이션 과정 개략도

B: 피부 재생을 위한 레고 형태 조직 조립체의 생체 내 평가 개략도

C: PCL 프레임워크에 지방 모듈과 진피 모듈을 결합해 조직 조립체를 구성하는 과정

D: 지방 조직의 내분비 기능 여부에 따른 재생 촉진 효과 평가

누드 마우스(nude mouse) 모델을 이용해 지방 단위가 포함된 모듈을 피부 손상 부위에 이식한 결과, 상처 부위의 혈관 형성이 증가하고 표피 재생이 촉진됨을 확인했다. 레이저 도플러 혈류 이미징(LDPI) 분석에서 혈관 생성이 증가해 혈류 공급이 원활하게 이뤄짐을 증명했으며, 면역조직화학 분석에서 혈관 생성 마커(CD31) 및 표피 형성 마커(K10, involucrin)의 발현이 증가해 피부 재생이 활성화됨을 입증했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 내분비 기능을 갖춘 지방 조직을 3D 바이오프린팅을 이용해 제작하고, 이를 피부 조직과 정밀하게 결합하는 어셈블리 전략이 기존 조직 공학적 접근법보다 더 빠르고 효율적인 재생 효과를 제공할 수 있음을 밝혔다. 특히, 모듈형(polycaprolactone, PCL) 프레임워크를 활용한 정밀한 조직 어셈블리 기술을 적용해 지방 조직과 피부 조직을 효과적으로 결합하고, 생체 내 환경에서 안정적인 구조를 유지할 수 있도록 설계했다. 

또한, PCL 프레임워크의 조립식(Lego-like) 디자인을 통해 다양한 조직 모듈을 유연하게 조합할 수 있어, 지방 조직뿐만 아니라 혈관 조직, 피부 조직 등과의 결합이 용이하며, 맞춤형 복합 조직 제작이 가능하다는 점에서 기존 바이오프린팅 방식과 차별성을 가진다. 이러한 정밀 어셈블리 시스템을 통해 조직 간 신호 전달을 극대화하고, 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 피부 재생을 촉진하는 효과적인 조직 통합이 가능함을 증명했다.

김병수 교수는 “이번 연구는 지방 조직의 내분비 기능을 활용해 피부 재생을 촉진할 수 있는 혁신적인 3D 바이오프린팅 기술을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이 기술이 조직 공학 및 재생의학 분야에서 지방 조직뿐만 아니라 다기능성 인공 조직 제작을 위한 새로운 가능성을 제시할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 의생명융합공학부 김병수 교수가 교신저자, 정보융합공학과 의생명융합전공 이재성 석박통합과정생과 의학연구원 안민준 박사가 공동 제1저자로 수행됐다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 우수신진연구사업, 선도연구센터 및 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 지원을 받았다​.

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 김병수 교수, 이재성 석박사통합과정생, 안민준 박사.

[Abstract]

Endocrine Function of Adipose Tissue and Tissue Regeneration

Adipose tissue is not merely an energy storage site but also an endocrine organ that secretes hormones and cytokines, playing a crucial role in metabolic homeostasis and tissue regeneration. However, existing tissue engineering technologies have struggled to effectively replicate the structure and function of adipose tissue. To overcome these limitations, the research team developed a novel assembly technique that preserves the endocrine function of adipose tissue while allowing integration with skin tissue.

Embedded 3D Bioprinting and Optimized Bioink

The research team applied an embedded 3D bioprinting technique to stably fabricate adipose tissue units. To achieve this, rheological analysis and computational fluid dynamics simulations were conducted to optimize the viscoelastic properties of the bioink.

Additionally, a hybrid bioink containing alginate was developed to limit cell migration and promote adipocyte maturation in a densely packed environment. Experimental results showed that bioink containing 0.5% alginate resulted in the highest cell density and significantly increased the expression of genes promoting adipocyte maturation.

Optimization of Adipose Tissue Size and Spacing

The research team determined that a tissue unit size of 600 μm provides the highest cell viability and maturation. Moreover, when the spacing between adipose units was less than 1,000 μm, endocrine signal transmission was maximized.

Based on these findings, a customized wound healing platform using 3D printing was developed to evaluate skin cell motility. Experimental results showed that the presence of adipose units significantly increased skin cell migration, achieving over 80% wound closure within 16 hours, with the highest migration observed at a spacing of 1,000 μm between adipose units.

Verification of Skin Regeneration Effects Through Animal Studies

To assess the regenerative effects of the adipose tissue modules, the research team implanted the modules into a nude mouse model with skin injuries. The results showed increased vascularization and enhanced epidermal regeneration. Laser Doppler perfusion imaging (LDPI) analysis confirmed improved blood supply, while immunohistochemical analysis demonstrated increased expression of CD31, K10, and involucrin, markers associated with skin regeneration.

Future Research Directions

This study presents a precise tissue assembly technique for fabricating composite adipose-skin tissues. The approach is distinguishable from conventional bioprinting methods, as it allows for the flexible integration of multiple tissue modules, including vascular and skin tissues.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Byoung Soo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

 · Corresponding authors: Jae-Seong Lee (Department of Biomedical Convergence Engineering), Minjun Ahn (Medical Research Institute)

- Title of original paper: 3D Bioprinting-Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adfm.202419680 

- DOI: 10.1002/adfm.202419680

응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 온도에 따라 접착력을 온·오프할 수 있는 스마트 감압성 점착제 개발에 성공했다.

‘감압성 점착제’는 압력만으로 접착을 형성하는 비반응성 접착제로, 라벨, 포스트잇 등과 같은 일상적인 접착 제품뿐만 아니라 반도체 및 디스플레이용 보호 필름 등 첨단 기술 분야에도 널리 활용된다. 

특히, ‘고기능성 점착제’는 기판의 재활용성과 사용자의 편리성을 고려해 반복적인 접착과 탈착이 가능하거나, 특정 조건에서 접착력을 변화시키는 기능을 갖추는 것이 필수적이다. 

그러나 기존 고기능성 점착제는 화학적 기능성을 부여하거나 표면 지형(topography)을 변화시켜 접착력을 조절하는 방식이었으며, 이는 복잡한 공정과 처리과정을 요구하는 단점이 있었다. 또한, 반복사용에 따라 접착력이 약해지거나 불규칙하게 변동하는 한계도 존재했다.

이를 해결하기 위해, 최근 학계에서는 액정 탄성체* 기반 감압성 점착제 연구에 주목하고 있다. 액정 탄성체는 외부 충격 시 액정 분자들이 회전할 수 있는 특성 덕분에 우수한 댐핑(damping)** 효과를 나타낼 수 있으며, 이러한 댐핑특성은 접착 성능과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존 연구는 공유 결합***으로 연결된 가교점으로 구성된 액정 탄성체에만 초점이 맞춰져 있었으며, 이로 인해 접착력 향상에 근본적인 한계를 초래했다.

* 액정 탄성체: 액정 분자가 유연한 고분자 사슬에 결합한 뒤 약한 가교결합을 하고 있는 고분자로, 외부 자극에 따라 형태와 물성을 변화시킬 수 있는 스마트 소재.

** 댐핑: 진동이나 충격 에너지를 흡수하거나 소멸시키는 재료의 특성을 의미하며, 고분자의 경우 유리전이온도에 접근할 때 극대화되는 경향이 있음. 

*** 공유 결합: 분자들이 전자쌍을 공유해 형성하는 강한 화학결합으로, 고분자 내 고정된 가교점을 형성함.

이에 연구팀은 액정 탄성체에 ‘폴리로탁산’이라는 물질을 가교제로 도입해 새로운 개념의 액정 탄성체를 최초로 개발했다. 폴리로탁산은 고리 형태의 분자로 구성된 초분자(supramolecule) 물질로, 외부 힘이 가해지면 고리 분자가 사슬을 따라 이동하며 힘을 분산시키는 독특한 특성을 가진다. 이러한 움직임은 가교점에서 발생하는 응력 집중을 효과적으로 완화하고, 점착제 내부에서 에너지를 효율적으로 소산시키는 역할을 한다. 

결과적으로, 이러한 동적 가교점이 도입된 폴리로탁산 액정 탄성체는 외부 힘을 받았을 때 가교점이 자유롭게 움직일 수 있는 구조적 특성 덕분에, 기존 액정 탄성체보다 뛰어난 댐핑 효과를 발휘한다. 연구팀이 개발한 점착제는 이러한 특성을 바탕으로 상온에서 기존 액정 탄성체 대비 3.5배, 기존 상용 점착제 대비 13배 우수한 접착강도를 구현했다.

【액정 탄성체의 분자 구조 모식도, 점착제 특성 비교 사진 및 온도에 따른 가변 접착력 시연】

(a) 기존 액정 탄성체와 슬라이딩 가교 기반 액정 탄성체의 분자구조 모식도

(b) 기존 액정 탄성체와 슬라이딩 가교 기반 액정 탄성체의 점착력(probe tack) 비교

(c) 온도 증가에 따라 탈착이 가능해지는 가변 접착력 시연

또한, 액정 탄성체의 온도에 따른 상전이 변화를 활용해 접착력을 가역적으로 조절할 수 있는 혁신적인 방법을 제시했다. 연구팀은 상온에서 약 2kg의 아령을 지탱할 수 있는 접착력을 제공하며, 고온(100℃)에서는 접착력이 0으로 감소해 기판에서 완벽하게 탈착할 수 있음을 확인했다. 이러한 특성 덕분에 점착제는 반복사용에도 안정적인 접착 성능을 유지할 수 있었다. 

연구책임을 맡은 안석균 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 댐핑기반 액정 탄성체 점착제는 기존 상용 점착제를 뛰어넘는 접착 성능을 제공할 뿐만 아니라, 외부자극에 의해 접착력을 가역적으로 변경할 수 있다는 점에서 혁신적”이라고 설명했다. 

이어 “이러한 특성 덕분에 액정 탄성체는 차세대 점착제 기술의 유망한 후보물질로 자리잡을 수 있으며, 특히 반도체 제조 및 디스플레이 공정처럼 접착과 탈착이 반복적으로 요구되는 첨단 산업 분야에서의 응용 가능성을 크게 열어줄 것“이라고 덧붙였다.

해당 연구 성과는 소재 분야의 세계적인 학술지 『어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)』 1월 15일자에 게재됐다.

- 논문 제목: 폴리로탁산이 도입된 액정 탄성체의 극한 내부 댐핑을 활용한 감압성 점착제 개발 (Harnessing Extreme Internal Damping in Polyrotaxane-Incorporated Liquid Crystal Elastomers for Pressure-Sensitive Adhesives)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202413824

- DOI: 10.1002/adfm.202413824

이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자지원사업과 나노소재기술개발사업의 지원을 받아, 응용화학공학부 석박사통합과정의 최수비 연구원(제1저자)과 연구책임자인 안석균 교수(교신저자)의 주도 하에 진행됐으며, 고려대 신소재공학부 서지훈 교수 연구팀, 영국 캠브리지 대학의 Mohand Saed 박사 및 Eugene Terentjev 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐다.

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 최수비 연구원, 안석균 교수.

[Abstract]

Liquid crystal elastomers (LCEs) exhibit extraordinary energy dissipation due to their unique viscoelastic response, resulting from the rotation of mesogens under mechanical stress. While recent studies demonstrate the LCE-based pressure-sensitive adhesives (PSAs) by exploiting the enhanced damping, all previous studies have focused on LCEs with covalent crosslinks. Here, a new class of PSAs is developed by integrating movable polyrotaxane crosslinkers into an LCE matrix (PRx-LCEs). Dynamic viscoelastic measurements reveal that PRx-LCE exhibits a remarkably high energy dissipation, as indicated by a large tan δ. Interestingly, the secondary tan δ peak associated with LCE damping is more pronounced than the primary peak of the glass transition. The exceptional energy dissipation in PRx-LCE results in superior adhesion strength (≈1864 N m−1), which is 3.5 times higher than conventional LCEs and 13 times higher than commercial PSAs in the peel test. Additionally, PRx-LCEs demonstrate thermally reversible adhesion, enabling clean removal at elevated temperatures. Furthermore, the sliding effect in PRx-LCE enhances both deformability and stress relaxation under load, resulting in deeper indentation, and superior adhesion during the probe tack test. The combination of LCE and slidable crosslinks provides robust and switchable adhesion, making them promising for applications in biomedical engineering, display, and semiconductor industries.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Subi Choi (School of Chemical Engineering)

 · Corresponding author: Suk-kyun Ahn (School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Harnessing Extreme Internal Damping in Polyrotaxane-Incorporated Liquid Crystal Elastomers for Pressure-Sensitive Adhesives

- Journal: Advanced Functional Materials

- https://doi.org/10.1002/adfm.202413824

사학과 최덕경(사진) 명예교수가 20년간의 연구를 집적해 한국과 중국 간 논쟁점이었던 콩의 기원 문제를 밝히고, 콩 가공식품들의 출현과 용도를 새롭게 해석한 『우리 콩의 역사: 기원과 용도』(자연경실, 2024.12.9.)를 발간했다.

기존의 연구에서는 대두 기원지가 중국의 각 지역, 일본, 인도 등 매우 다양했다. 최근에는 동북 지역이 그 기원지라는 견해가 점차 늘어나고 있는데, 그 주된 근거는 대두의 자연 선택 조건이 적합하다는 점이다. 특히 한반도 중남부 지역은 이들 동북 지역보다 앞서 순화, 재배된 재배두가 출토되고 있다.

이 책에서는 대두(大豆)의 기원지가 한반도임을 밝히고, 그 다양한 용도와 전파경로를 심층적으로 분석했다. 한반도는 원시 콩이 순화 재배되기에 가장 적합한 생태조건을 가졌다. 여기서 재배된 콩은 기원전 3,000년까지 소급되며, 중원의 원시 콩과는 크기, 형태 및 질량에서 차이가 있었다. 

콩을 이용해 만든 장(醬)은 동아시아인의 입맛을 좌우했다. 가공 도구가 발달해 제분업이 성장하면서 등장한 두부, 분식(粉食)과 두유(豆油)는 식생활의 변화를 견인하기도 했으며, 그 과정에서 배출된 콩 부산물은 가축 사료, 비료 및 연료로 다양하게 이용됐다. 재난 시에는 구황작물로 활용되기도 하고, 그루갈이나 사이짓기를 통해 토지 이용도를 높이는 등 콩은 농가의 일상에서 어떤 작물보다 필요불가결했다. 

【『우리 콩의 역사』 표지】 

이번 신간은 대두와 콩 식품의 기원 및 확산 과정을 3부에 걸쳐 다룬다. 제1부에서는 융숙(戎菽)을 검토해 그 뿌리가 한반도 메주콩임을 확인하고, 제2부에서는 장시(醬豉, 장과 메주), 두부, 두유, 콩나물 등 콩 식품과 이를 확산시킨 생산수단의 발달, 부산물의 활용이 식생활과 농업 생산성을 높였음을 분석했다. 제3부에서는 한반도 대두의 기원과 가공품의 전파를 중국과 비교하며 연구했다. 

저자인 최덕경 교수는 “한반도에서 콩 식품이 발원한 주요 조건으로는 양질의 콩과 소금, 저장 도기, 선진 발효 기술이 꼽힌다. 고대 사료 부족은 한계로 작용했으나, 고려와 일본, 조선의 기록이 연구에 도움을 줬다. 이를 통해 한반도에서의 두부와 콩나물 출현이 중국과 비슷한 시점이며, 장시 기술과 보급이 중국보다 구체적이고 다양했음을 확인했다. 이는 대두의 생태적 특성과 역사적 정체성에 기반한다”고 설명했다. 

[Abstract]

Origin and Uses of Soybeans

Soybeans are one of the five major grains, known for its diverse uses and as a staple that shapes East Asian food culture. In this paper, I will argue that soybeans originated in the Korean Peninsula, whose usage there can be verified from multiple sources. The Korean Peninsula provided an optimal natural selection environment for the cultivation of primitive soybeans, whose origins date back to about 3000 BCE. These soybeans differed in size, shape, and mass from the primitive soybeans of the Central Plains. Furthermore, various processed foods made from soybeans—such as soy sauce, tofu, soybean oil, and bean sprouts—have influenced the taste preferences of East Asians and elevated the status of soybeans.

Moreover, the development of processing techniques has led to the development of the flour industry and introduced flour-based foods and soybean oil, bringing changes to dietary habits. The byproducts from this processing have been utilized as livestock feed, fertilizers, and fuel, and were also used as emergency crops during disasters. Additionally, the intercropping and root cultivation of soybeans has increased land utilization, making them an indispensable presence in the daily lives of farmers.

This paper is divided into three main parts. The first part presents the idea that "rongshu" from the Northeast during the Spring and Autumn period underwent domestication and evolution starting from the Korean Peninsula and then spread throughout the world. This led to the possibility of producing fermented soybean products like soy sauce, which would have been impossible with wild soybeans alone. This "rongshu" was a precursor to the Goryeo bean (高麗豆),  which has been discovered to have been cultivated earlier in various primitive forms in the Korean Peninsula. Therefore, it is reasonable to conclude that the Korean Peninsula was the origin of cultivated soybeans, with its roots in the "meju" beans of Korea.

The second part of my paper examines the processing methods for soybeans and related foods. The critical transformation of soybeans from a staple to a side dish was made possible by the development of processing tools. The progression from mortars to grinding stones, watermills, and stone rollers improved milling productivity, leading to the flourishing of the milling industry. However, conflicts soon arose between farmers and millers over the access to water that powered the watermills, requiring the intervention of the imperial court. This rapid development of production methods brought about changes in agricultural management during the Middle Ages, steering dietary habits toward a focus on flour-based foods.

The third part of my paper will consider the emergence of soybean and adzuki beans[小豆] that were processed for food in the Korean Peninsula. The conditions that allowed for the early appearance of sauces and meju (豉) alongside Goryeo beans in the Korean Peninsula included high-quality ceramics and fermentation techniques (such as fish sauce and compost production). However, the biggest challenge in researching ancient soybean processed foods in the Korean Peninsula has been the lack of records, which has necessitated heavy reliance on Chinese sources. Fortunately, the records of doenjang(末醬) excavated from the Goryeo seabed and ancient Japanese soy sauce and meju provided insight into the spread of these processed foods. Additionally, abundant materials on soybeans and their processed products in Joseon period allowed for inferences about earlier periods.

The reason for reexamining the history of soybeans in this book is not only due to the origins of the bean itself but also because soybeans are gaining attention as a future health food. Processed products made from soybeans include a variety of items such as bean rice, soybean paste, meju (豉), tofu, bean sprouts (豆芽), soybean oil, soy milk, bean cake (豆餠), bean flour (豆粉), cheongkukjang (淸麴醬: fermented soybeans), and industrial raw materials, among many others. The by-products are increasingly being used as livestock feed and fertilizers. Soybeans are rich in plant-based protein, making them a focus of a healthy diet for modern consumers. Therefore, interest in soybeans is natural, and a new examination of their origins, dissemination, and uses is needed.

As outlined above, soybeans and adzuki beans, along with their related products, have become widely popular and diverse over time in the Korean Peninsula, and are now firmly established as essential foods for Koreans. This can be attributed to the ecological conditions and historical identity that soybeans possess.

- Author: Choi, Dukkyung (Department of History, Pusan National University) 

나노에너지공학과 오진우 교수 연구팀이 수질 오염을 일으키는 질산성질소를 전처리 과정 없이 현장에서 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 

‘질산성질소(NO₃-N)’는 부영양화(富營養化, 수역에 질소·인 등 영양염류가 과도하게 공급돼 플랑크톤 같은 조류나 수생식물이 과도하게 번성하는 현상)의 주요 원인 중 하나이며, 농도가 증가할수록 질소 순환의 불균형을 초래하고, 생태계를 교란하는 문제가 발생한다. 이로 인해 양식 어류에서 성장 속도 저하가 나타나 대규모 폐사를 유발할 수 있다. 유아의 인체에 유입될 경우 청색증과 같은 위험을 초래하기도 한다. 

질산성질소를 모니터링하기 위해 다양한 기술이 개발됐지만, 질산성질소 자체가 열역학적인 면에서는 안정된 상태이기 때문에 일반적인 화학적 방법으로 검출하기 어려워 전처리 과정이 필수적이다. 또한 다양한 미네랄의 간섭으로 측정 정확도가 저하될 가능성이 크고 기존 측정방법으로는 시간이 오래 걸려 실시간으로 정량적 분석을 할 수 있는 기술이 부족해 새로운 센서 기술의 필요성이 대두돼 왔다.

이번 연구에서는 전이금속 기반 비색(比色) 센서*를 활용해 질산성질소 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 개발했다. 기존 방법과 달리 화학적 분석법에 의존해 분석하는 것이 아닌 색 변화를 이용해 질산성질소 농도를 측정할 수 있어 높은 실용성을 갖는다. 

* 비색(比色) 센서: 특정 물질과 화학 반응을 일으켜 색이 변하는 원리를 이용한 센서.

이를 위해 4주기 전이금속*(Mn, V, Fe, Co, Cr, Cu, Ni)과 용매 및 첨가제를 특정 비율로 혼합해 센서의 색 변화를 시간에 따라 측정하고, 색 변화가 질산성질소의 농도에 선형적으로 증가하는 센서를 선정해 조합을 구성했다. 그리고 센서 성능 검증을 위해 색 변화 데이터를 기반으로 계층적 군집 분석과 조성 분석을 실시해 센서의 능력을 평가했다. 단순 센서의 색 변화만이 아니라 시간에 따른 색 변화 데이터를 사용한다는 점이 다른 비색 센서와의 차별점이다.

* 4주기 전이금속: 주기율표에서 4주기에 속하는 전이금속 원소군(21번~30번)으로, Sc(스칸듐), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크로뮴), Mn(망간), Fe(철), Co 코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연)이 있다. 이들은 여러 산화 상태를 가질 수 있어 색이 변하는 성질이 있으며, 촉매 작용, 산화·환원 반응에서 중요한 역할을 한다. 착화합물 형성 능력이 뛰어나 화학 센서, 촉매, 생체 금속 단백질 등에도 활용된다. 

【전이금속 기반 비색 센서의 필요성 및 수질 분석 플랫폼 구축】

연구팀은 또한 색 변화 패턴의 대규모 데이터를 구축해 질산성질소뿐만 아니라 해수 및 지하수 내 주요 오염물질을 감지할 수 있는 확장 가능한 선택적 센서 시스템을 개발했다. 머신러닝 기반 패턴 분석을 적용하면 다양한 오염물질을 동시에 분석할 수 있는 차세대 필드 진단 기술로 발전할 가능성이 존재한다.

오진우 교수는 “이번 연구는 전이금속 기반 비색 센서 어레이를 활용해 질산성질소를 정밀하게 검출할 수 있는 시스템을 개발한 것으로, 기존 화학 분석법의 복잡한 전처리 과정 없이도 해수 및 지하수 내 질산성질소를 신속하게 감지할 수 있어 향후 수질 모니터링 및 환경 오염 감지 기술로 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

전이금속 기반의 비색 센서 어레이를 이용해 전처리 없이 질산성질소를 효과적으로 검출하는 기술을 개발한 이번 논문은 국제학술지 『ACS sensors』 2월 2일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Point-of-Care-Testing NO3-N Detection Technology with Selected Transition-Metal-Based Colorimetric Sensor Arrays(전이금속 기반 비색 센서 어레이를 이용한 현장 진단용 질산성질소 검출 기술)

- DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c02771

이번 연구는 나노에너지공학과 오진우 교수와 나노바이오융합연구소 정태영 박사가 교신저자, 나노융합기술학과 이정근 박사과정생이 제1저자로 수행했으며, 해양수산부 재원의 한국해양과학기술진흥원(KIMST) 지원 및 2024년도 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 IRC(Innovation Research Center) 과제 연구비 지원을 받아 부산대, 젠라이프, 피쉬케어, 블루젠이 협력해 이뤄졌다.

* 상단 사진: 왼쪽부터 정태영 박사, 이정근 박사과정생, 오진우 교수.

[Abstract]

Nitrate-nitrogen (NO₃-N) is a significant contaminant in groundwater and seawater, primarily due to the oxidation of ammonia through nitrification. This process disrupts the nitrogen cycle, leading to environmental pollution and posing risks to marine aquaculture and human health. Excessive NO₃-N concentrations can cause severe health effects, such as methemoglobinemia in infants and the formation of carcinogenic N-nitrosamines. In aquatic ecosystems, elevated NO₃-N levels contribute to algal blooms, oxygen depletion, and the decline of marine life, while in aquaculture, they reduce fish growth and immunity, leading to increased mortality.

Traditional NO₃-N detection methods, including ion chromatography and continuous flow analysis, require pretreatment and are time-consuming. Many existing techniques suffer from measurement uncertainties due to interference from complex chemical substances in seawater. Moreover, field-deployable NO₃-N sensors with high sensitivity and selectivity remain scarce. In this study, we developed a transition-metal-based colorimetric sensor capable of detecting NO₃-N on-site without pretreatment. By mixing transition metals (Mn, V, Fe, Co, Cr, Cu, Ni) with solvents and additives, we analyzed the color changes induced by NO₃-N at concentrations ranging from 1 to 100 ppm.

We selected sensors that exhibited a linear increase in color velocity with increasing NO₃-N concentrations and designed an array sensor using these optimal candidates. The performance of the array was validated through hierarchical cluster analysis (HCA) and compositional analysis, confirming its ability to detect NO₃-N in complex matrices. The sensor array's effectiveness was further demonstrated by analyzing seawater samples with varying NO₃-N concentrations, where HCA classification results based on color distance measurements corresponded closely with results obtained from conventional seawater testing methods. Additional HCA classification, incorporating pH, phosphate-phosphorus, total dissolved phosphorus, and chloride ion data, revealed differing clustering patterns, emphasizing the specificity of our sensor for NO₃-N detection. Furthermore, experiments conducted with varying NaCl concentrations confirmed that clustering was primarily driven by NO₃-N levels rather than mineral content. These findings validate that our transition-metal-based colorimetric array sensor can selectively detect NO₃-N in complex seawater matrices, offering a promising approach for rapid, on-site environmental monitoring and multi-target sensing applications.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Jung-Geun Lee (Institute of Nanobio Convergence)

 · Corresponding authors: Tae-Young Jeong (Institute of Nanobio Convergence), Jin-Woo Oh (Department of Nano Fusion Technology)

- Title of original paper: Point-of-Care-Testing NO₃-N Detection Technology with Selected Transition-Metal-Based Colorimetric Sensor Arrays

- Journal: ACS sensors

- DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c02771

임신 중 초기 신경발달 시기의 환경호르몬 노출은 성인기 뇌에도 지속적으로 악영향을 미친다는 연구결과가 나왔다.

분자생물학과 정의만 교수 연구팀은 ‘환경호르몬’으로 알려진 ‘내분비계 교란물질(Endocrine disrupting chemicals, EDCs)’이 임신기 및 수유기에 노출되면 정상적인 뇌 발달을 방해하며 성인기까지 영구적인 손상을 낳는다는 연구 결과를 발표했다.

‘내분비계 교란물질’은 체내 호르몬의 정상적인 기능을 방해할 수 있는 외래 화학물질이다. 화장품, 알루미늄 캔, 플라스틱, 의약품 등에 포함된 화학물질로 우리 일상생활에서 광범위하게 사용된다. 인간은 내분비계 교란물질에 항시 노출돼 있으며, 그 결과 인체에 악영향을 끼치기도 한다. 

세계적으로 내분비계 교란물질의 유독성 및 유해성 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 정의만 교수팀은 알킬페놀류 내분비계 교란물질 일종인 옥틸페놀(4-tert-octylphenol)이 마우스의 뇌 발달에 미치는 영향을 조사해 논문에 실었다.

연구팀은 신경발달 시기의 옥틸페놀 노출이 에스트로겐 신호전달 경로를 통해 성체 자손 마우스의 미세아교세포(microglia)의 형태 및 기능에 지속적인 악영향을 미치는 것을 확인했다.

교세포는 신경세포의 기능을 도와줄 뿐 아니라, 뇌 발달 과정 동안 신경세포의 이동 및 생성, 사멸이 정상적으로 이루어지도록 돕는 역할을 한다. 특히 미세아교세포는 뇌 내 손상된 세포를 제거해 뇌가 정상적으로 기능할 수 있도록 돕는 면역세포다.

연구팀은 마우스의 뇌에서 분리된 미세아교세포에 옥틸페놀을 노출시켰을 때 미세아교세포의 세포 면적이 증가할 뿐만 아니라, 미세아교세포와 관련한 특정 유전자(Iba-1*)의 발현이 증가함을 확인했다. 또한, 옥틸페놀 노출에 의해 교세포에서 Iba-1 유전자 전사 조절 영역과 에스트로겐성 환경호르몬에 의해 조절될 수 있는 에스트로겐 반응성 서열(estrogen response element)의 전사가 활성화되는 것을 확인했다.

* Iba-1 유전자: 미세아교세포가 정상적인 기능인 포식 작용 및 세포막 형태 조절에 관여하는 칼슘 결합 단백질.

이러한 연구 결과는 옥틸페놀이 에스트로겐 유사체처럼 작용해, 미세아교세포의 에스트로겐 신호전달 경로를 통해 유전자 발현을 조절하며 미세아교세포의 형태적 변화로 이어질 수 있음을 입증한다.

또한 연구팀은 뇌 발달 시기 옥틸페놀 노출이 실험동물 성체 마우스 뇌에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자, 활발하게 뇌 발달이 일어나는 임신기부터 수유기까지 옥틸페놀을 임신 마우스에 노출시켜 자손 마우스에 간접적으로 옥틸페놀을 노출했으며, 이 자손 마우스를 성체까지 키웠다.

앞선 뇌에서 분리된 미세아교세포 실험과 유사하게, 연구팀은 옥틸페놀이 성체 자손 마우스의 대뇌 피질에서 미세아교세포의 형태를 변화시켰음을 확인했다. 더불어 옥틸페놀의 모계 노출은 성체 마우스 뇌에서 Iba-1 유전자의 발현량을 증가시키며, 세포 골격과 관련한 유전자의 발현을 변화시키는 것을 확인했다. 

마이크로어레이 분석(Microarray)을 통해 옥틸페놀 노출에 의한 성체 마우스 뇌의 유전자 발현 변화 양상을 확인한 결과, 옥틸페놀 노출군은 대조군에 비해 면역 반응과 관련한 유전자 및 사이토카인 유전자의 발현량이 감소했음을 확인했다. 이러한 연구 결과는 옥틸페놀의 모계 노출이 성체 자손 마우스 뇌에서 미세아교세포의 기능에 잠재적으로 지속적인 영향을 미침을 시사한다. 

이번 연구는 뇌 발달 시기 내분비계 교란물질이 교세포에 미치는 새로운 작용기전을 확인한 것으로, 일상생활에서 항시 노출될 수 있는 내분비계 교란물질이 뇌 건강에 잠재적인 위험이 될 수 있다는 경각심을 일깨워 줄 수 있을 것으로 기대된다.

【정의만 교수, 이승현 석사과정생(왼쪽부터)】

연구책임을 맡은 정의만 교수는 “이번 연구를 통해 ‘내분비계 교란물질(환경호르몬)’이 뇌 발달에 미치는 영향을 이해하는 데 새로운 단서를 제공했다”며 “앞으로도 다양한 환경적 요인이 뇌 발달에 미치는 영향을 탐구해 관련 요인의 위험성을 제고하고, 관련 정책 및 규제 수립에 기여할 수 있도록 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.

해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 온라인판 2024년 10월 26일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Maternal exposure to 4-tert-octylphenol causes alterations in the morphology and function of microglia in the offspring mouse brain (옥틸페놀의 모계 노출에 의한 성체 자손마우스 뇌 미세아교세포의 형태 및 기능적 변화)

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424028371 

이번 연구는 G-LAMP 사업 및 한국연구재단의 지원을 받아, 분자생물학과 및 미래지구환경연구소 정의만 교수가 교신저자, 이승현 석사과정생이 제1저자로 수행했다. 

* 상단 이미지: 옥틸페놀의 모계 노출이 자손 마우스 미세아교세포에 미치는 영향(교세포 배양 및 실험동물을 이용해 옥틸페놀 노출이 자손 마우스 뇌 미세아교세포에 미치는 영향 확인)

[Abstract]

4-tert-Octylphenol (OP), an endocrine disrupting chemical is widely used in the production of industrial products. Prenatal exposure to endocrine-disrupting chemicals negatively affects the brain. However, the influence of OP exposure during neurodevelopment in adult offspring remains unclear. Thus, in the present study, we investigated the effects of maternal OP exposure on brain development in adult offspring by analyzing primary glial cell cultures and mice. Our findings revealed that OP exposure led to a specific increase in the mRNA expression of the ionized calcium-binding adapter molecule 1 (Iba-1) and the proportion of amoeboid microglia in the primary glial cell culture and adult offspring mice. Exposure to OP increased the transcriptional activation of Iba-1 and estrogen response element, which were counteracted by estrogen receptor antagonists ICI 182,780. Moreover, OP exposure increased the nuclear localization of the estrogen receptor. Remarkably, OP exposure decreased the mRNA expression levels of proinflammatory cytokines and genes associated with immune response in the brains of the offspring. OP exposure upregulated actin filament-related genes and altered cytoskeletal gene expression, as demonstrated by microarray analysis. The morphological changes in microglia did not result in an inflammatory response following lipopolysaccharide treatment. Taken together, the effects of OP exposure during neurodevelopment persist into adulthood, resulting in microglial dysfunction mediated by estrogen receptor signaling pathways in the brains of adult offspring mice.

* Reference

- Authors (Pusan National University): Seung Hyun Lee, Prof. Eui-Man Jung (Department of Molecular Biology; Institute for Future Earth)  

- Title of original paper: Maternal exposure to 4-tert-octylphenol causes alterations in the morphology and function of microglia in the offspring mouse brain

- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424028371   

- Journal: Journal of Hazardous Materials

- DOI: doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.136258

식물생명과학과 조래현 교수 연구팀이 일반적으로 식물의 주된 에너지원으로 알려진 광합성 산물 자당(sucrose, 설탕의 주성분)이 벼의 개화 시기를 촉진하는 신호물질로도 작용한다는 연구결과를 발표했다.

‘자당(sucrose)’은 식물에서 광합성 과정을 통해 생성되는 주요 당류 중 하나로, 단당류인 포도당(glucose)과 과당(fructose)이 결합해 형성된 이당류다. 자당은 세포 호흡을 통해 에너지를 공급하며, 식물의 다양한 발달 및 생리적 과정에서 중요한 역할을 한다. 

조래현 교수팀은 인하대·경희대 연구팀과 공동연구를 수행해 자당 신호에 따른 벼의 개화 조절 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 자당이 신호전달 물질로서 수행하는 새로운 기능을 설명했다. 

작물의 개화 시기는 농작물의 생산성과 품질 향상을 위한 중요한 연구 주제 중 하나다. 

작물의 개화 시기는 이삭 형성, 알곡 수 및 품질에 중요한 영향을 미친다. 개화가 이르면 고온이나 태풍 피해를 피할 수 있어 생산성에 유리할 수 있다. 그러나 지나치게 이른 개화는 영양생장 부족과 냉해로 인해 수정률이 저하돼 수량 감소를 초래할 위험이 있다. 반면, 개화가 늦으면 고온을 피하고 충분한 생육 기간을 확보할 수 있지만, 성숙 후반(가을철) 냉해나 성숙 지연으로 품질 저하가 우려된다. 

적절한 시기(온도·습도·일장 등)에 개화하는 것은 작물의 생산성과 품질을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 따라서 작물의 개화 생리에 대한 이해를 바탕으로 재배 환경을 최적화하고 조율하는 것이 필요하다. 특히, 기후 변화로 인해 이상 기상이 증가하는 요즘에는 이에 따른 개화 시기 변화를 예측하고 적절히 대응하는 것이 중요하다. 

【자당 농도에 따른 Ghd7 안정성 조절 모델】

이번 연구에서는 광합성 산물인 자당이 단순한 에너지원이 아니라 식물이 꽃을 피우도록 유도하는 신호물질로도 역할한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 자당이 벼에서 개화를 억제하는 ‘Ghd7’이라는 단백질의 안정성을 낮춰 개화를 촉진한다는 것을 확인했다. 

* Ghd7: Grain number, plant height, and heading date7 단백질로 벼 개화를 억제하는 역할뿐 아니라 종자 수확량과 식물체의 키를 조절하는 중요 인자.

개화 시기가 되면 식물 체관 내 자당 농도가 급격히 증가하는데 이러한 현상은 자당 농도와 개화 시기가 밀접한 상관관계가 있음을 시사하지만, 두 현상을 연결하는 분자적 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 특히, 식량작물인 벼에서는 자당의 역할에 대한 연구가 거의 이뤄지지 않았다. 

이번 연구에서는 외부에서 자당을 공급해 줄 경우 개화를 촉진하는 유전자의 발현이 증가하는 반면, 자당을 제대로 운반하지 못하는 돌연변이체나 자당 분해가 과도하게 일어나는 식물에서는 세포 내 자당 농도가 감소해 개화가 지연된다는 것을 발견했다.

특히 연구진은 높은 자당 농도에 반응해 IPI1 단백질이 벼의 개화 억제 단백질인 Ghd7을 분해하는 과정을 규명했다. 이 연구 결과는 자당이 단순한 에너지원 이상으로 벼의 개화 시기를 조절하는 중요한 신호물질로 작용함을 시사한다. 이러한 발견은 식량 작물의 광합성과 개화 시기 조절을 연계해 농업 생산성을 향상시키기 위한 전략에 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 

【자당에 의한 Ghd7 단백질의 분해 촉진 및 poly-ubiquitination 패턴 변화】

조래현 교수는 “이번 연구는 광합성 산물인 자당이 에너지원뿐 아니라 개화 시기를 조절하는 신호전달 분자로 작용함을 밝혀낸 데에 큰 의의가 있다”며 “이 결과를 바탕으로 신호전달 물질로서의 자당 기능 연구의 확장이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 농촌진흥청 저탄소그린라이스생산기술개발 사업에서 연구비를 지원받아, 식물생명과학과 조래현 교수와 백기범 박사과정생이 제1저자로, 인하대 생명과학과 윤진미 교수팀, 경희대 유전생명공학과 안진흥 교수팀과 전종성 교수팀이 함께 수행했다. 

해당 논문은 식물 분야에서 국제적으로 권위 있는 학술지인『Journal of Integrative Plant Biology』 2024년 12월호에 출판됐다.

- 논문 제목: Sucrose induces flowering by degradation of the floral repressor Ghd7 via K48-linked polyubiquitination in rice(자당은 K48-연결 폴리유비퀴틴화를 통해 개화 억제 인자 Ghd7을 분해하여 벼의 개화를 촉진함) 

- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jipb.13790

* 상단 사진: 조래현 교수와 백기범 박사과정생

[Abstract]

Sucrose functions as a signaling molecule in several metabolic pathways as well as in various developmental processes. However, the molecular mechanisms by which sucrose regulates these processes remain largely unknown. In the present study, we demonstrate that sucrose promotes flowering by mediating the stability of a regulatory protein that represses flowering in rice. Exogenous application of sucrose promoted flowering by inducing florigen gene expression. Reduction of sucrose levels in the phloem through genetic modifications, such as the overexpression of the vacuolar invertase OsVIN2 or the mutation of OsSUT2, a sucrose transporter, delayed flowering. Analysis of relative transcript levels of floral regulatory genes showed that sucrose activated Ehd1 upstream of the florigen, with no significant effect on the expression of other upstream genes. Examination of protein stability after sucrose treatment major floral repressors revealed that the Ghd7 protein was specifically degraded. The Ghd7 protein interacted with the E3 ligase IPI1, and sucrose induced K48-linked polyubiquitination of Ghd7 via IPI1, leading to protein degradation. Mutants defective in IPI1 delayed flowering, confirming its role in modulating proteins involved in flowering. We conclude that sucrose acts as a signaling molecule to induce flowering by promoting Ghd7 degradation via IPI1. 

* Reference

- Authors (Pusan National University, Department of Plant Bioscience): Prof. Lae-Hyeon Cho, Gibeom Baek 

- Title of original paper: Sucrose induces flowering by degradation of the floral repressor Ghd7 via K48-linked polyubiquitination in rice 

- Journal: Journal of Integrative Plant Biology

- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jipb.13790  

- DOI: 10.1111/jipb.13790