광메카트로닉스공학과 홍석원 교수와 한의과학과 신화경 교수 연구팀이 두께 약 3.6 ㎛(마이크로미터, 1㎛=0.001㎜)의 초박막 유연 신경 프로브를 개발했다. 

‘신경 프로브(Neural Probe)’는 뇌와 같은 신경 조직에 삽입해 신경세포의 전기 신호를 기록하거나 자극을 전달하는 미세 전자소자로, 신경과학 연구, 뇌질환 진단 및 치료, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 개발 등에 핵심 도구로 활용된다. 

연구팀은 이번에 개발한 신경 프로브를 마우스의 뇌 깊은 부위(deep brain)에 삽입해 32채널 전기생리학적 신호를 고해상도로 기록하는 데 성공함과 동시에, 심부 뇌 자극(Deep Brain Stimulation, DBS) 실험까지 수행함으로써 하나의 장비로 뇌 신호 측정과 치료 자극을 동시에 수행할 수 있는 가능성을 보였다.

【저널 표지 이미지】 

차세대 유연 전자소자 기술과 신경공학이 융합된 이번 연구 성과는 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 6월 5일자 표지 논문으로 소개되며 생체친화적인 신경 인터페이스 개발에 중요한 전환점을 마련할 것으로 기대된다.

- 논문 제목: Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact(뇌 심부 신호 모니터링 및 자극을 위한 생체 적합성 신경 탐침의 생체 모방 설계: 면역 반응 강화 접촉을 위한 초밀착형 신경인터페이스)

- 논문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417727 

연구팀은 반도체 공정에 널리 사용되는 SU-8 포토레지스트를 기판(유연한 바닥층)과 패시베이션층(절연 보호막)으로 활용했다. SU-8은 빛에 반응해 굳는 에폭시 기반의 특수 플라스틱으로, 가볍고 얇으면서도 튼튼해 신경 프로브 제작에 투입됐다. 그 위에는 전기를 전달하는 금(Au) 전극과 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 샌드위치처럼 얇게 겹겹이 쌓아 올려, 전극과 보호막이 한데 어우러진 단층(polymer/metal/polymer) 초박막 구조를 완성했다.

이러한 구조는 두께를 3.6 마이크로미터로 대폭 줄이면서도 유연성과 기능성을 동시에 확보할 수 있어, 생체 조직에 더 잘 적응하고 안정적으로 작동할 수 있는 장점이 있다.

특히 불규칙한 기계적 움직임에도 프로브가 부드럽게 적응할 수 있도록 ‘키리가미(kirigami)’라는 미세 오려내기 기법을 적용해 접히거나 늘어나도록 설계했다. 이를 통해 마우스 뇌의 미세 움직임(micromotion)이 빈번한 상황에서도 자극이나 기록 신호가 정확히 유지되도록 했다.

연구팀은 신경 프로브가 체내에 삽입될 때 발생할 수 있는 면역 반응을 줄이기 위해, 프로브 표면에 라미닌(laminin)이라는 물질을 코팅했다. ‘라미닌’은 우리 몸의 세포외기질(ECM)을 구성하는 주요 성분 중 하나로, 세포가 안정적으로 자리를 잡고 염증 반응을 줄이는 데 도움을 준다.

시험관 실험에서, 염증 반응을 일으키는 지질다당류(LPS) 물질로 자극한 뇌 면역세포들(마이크로글리아와 아스트로사이트)에 라미닌을 처리한 결과, 염증 반응의 지표인 단백질들(IBA-1, GFAP)의 수치가 약 25~30% 줄었고, 세포 손상을 유발하는 활성산소(ROS)도 현저히 감소했다. 이는 실제 동물실험에서도 라미닌 코팅이 신경 프로브 주변의 염증성 반응과 흉터 조직을 억제해, 장기간 안정적으로 뇌 전기신호를 기록할 수 있음을 보여준다.

연구팀은 개발한 신경 프로브를 마우스의 뇌에 삽입해, 뇌 표면부터 깊은 부위(시상하부)까지 약 195 마이크로미터 간격으로 총 32개의 미세 전극을 나란히 배치했다. 이 배열 덕분에, 넓은 뇌 영역에서 동시에 신경 신호를 정밀하게 측정할 수 있게 됐다. 

이 장치를 통해 연구팀은 뇌의 느린 전기 흐름(국소장 전위, LFP)과 개별 신경세포의 활동 즉, 스파이크 신호를 동시에 포착할 수 있었다. 신호의 해상도는 기존 대비 월등히 향상된 수준이었다.

뇌의 기억과 학습을 담당하는 해마 부위에 카바콜(Carbachol)이라는 신경전달물질을 직접 주입한 뒤 실시간으로 반응을 관찰한 결과, 약물 주입 75초 뒤부터 신경세포의 활동이 급격히 증가했다가, 4분 후에는 다시 정상으로 회복되는 과정을 아주 세밀하게 추적할 수 있었다. 이처럼 실시간으로 뇌의 반응을 정확히 기록하고 분석할 수 있는 기술은 신경과학 연구는 물론, 뇌질환 진단이나 치료기기 개발에도 큰 도움이 될 수 있다.

【왼쪽부터 a) 키리가미 구조 기반 초박막 최소침습형 뇌신경 프로브의 임플란트 구조

b) 실험용 마우스 두개골 개방 및 프로브 삽입 사진 

c) 뇌 신호 기록 위치 및 데이터

d) DBS 자극 전·중·후의 주파수-위상 변화 및 장기간 삽입 후 염증 반응 평가】 

또한 연구진은 파킨슨병 모델 마우스를 대상으로 심부 뇌 자극(DBS) 실험을 진행했다. 이 실험은 뇌 속 깊은 곳을 전기 자극해 운동 기능을 회복시키는 치료법을 모방한 것이다. 

실험 결과, 자극 전후에 뇌에서 측정된 전기 신호 패턴(LFP)이 뚜렷하게 달라졌고, 마우스의 움직임 능력도 눈에 띄게 개선됐다. 이는 연구팀이 개발한 초박막 유연 신경 프로브가 기존의 딱딱한 실리콘 전극보다 뇌에 더 부드럽게 작용하며, 신경세포를 손상시키지 않고 자극을 전달할 수 있음을 보여준다. 즉, 이 기술은 보다 안전하고 효과적인 뇌 질환 치료용 전극으로 실제 임상에 적용될 가능성을 크게 높인 셈이다.

최근 글로벌 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 분야에서는 일론 머스크 테슬라 최고경영자가 이끄는 뉴럴링크(Neuralink)가 약 6억 5,000만 달러 규모의 투자금을 유치해 초기 임상시험 단계에 돌입했다. 뉴럴링크는 인간에게 이식형 칩을 장착한 뒤 시각·언어 기능 회복과 사지 마비 환자의 디지털 기기 제어 실험을 속속 성공시키며 주목받고 있다. 

이러한 상황에서 부산대 연구팀이 개발한 초박막 키리가미 기반 프로브는 ‘면역 반응 억제’와 ‘초고해상도 신호 기록’이라는 두 가지 난제를 동시에 해결했다는 점에서, 국내외 BCI 연구와 시너지를 일으킬 것으로 기대된다.

실험을 주도한 인지메카트로닉스공학과 정정화 박사과정 연구원은 “기존 실리콘 기반 전극은 뇌 조직과의 물리적 불일치 때문에 염증 반응이 발생해 장기간 기록이 어렵다는 한계가 있었다”며 “우리 연구진의 초박막 유연 프로브는 마우스 뇌에 삽입했을 때 염증 반응을 최소화하면서도 고해상도 신호를 안정적으로 얻어낼 수 있었다”고 설명했다. 

홍석원 교수와 신화경 교수는 “앞으로 광유전학(optogenetics)용 광섬유나 미세약물주입 채널, 무선 전력전송 모듈을 결합하면 실시간 광자극과 전기신호 기록을 동시에 수행하는 차세대 뇌 연구 플랫폼으로 발전시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터, 집단연구지원사업 기초연구실 지원을 받아, 인지메카트로닉스공학과 정정화, 허경화 박사과정생, 반도체특성화대학산업단 권영우 산학협력중점교수, 컬러변조초감각인지기술 선도연구센터 채선영 박사, 한의과학과 김민재 박사가 제1저자, 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수, 한의과학과 신화경 교수가 교신저자로 수행했다. 연구진은 우수한 성과를 바탕으로 향후 임상용 이식형 의료기기 상용화에도 박차를 가할 계획이다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 신화경 교수, 홍석원 교수.

[Abstract]

The ability to measure changes in neural activities using devices implanted in the brain can be useful for recording brain signals to assess specific risk factors, monitor the development of brain diseases, and expand the understanding of neural circuitry. Here, a neuroimplantable interface is introduced that integrates biomaterials with an advanced structural design to facilitate monitoring of electrophysiological responses in widespread brain regions. The neural interface uses biocompatible and photopatternable materials to create ultrathin, homogeneous encapsulant/substrate laminates. Comprehensive in vitro tests of the laminin-enveloped neural interface demonstrate efficacy in relieving inflammation via a biomimetic strategy by diminishing microglia and astrocyte aggregation near recording sites, enhancing periodic signal acquisition. The performance is evaluated by injecting an acetylcholine receptor agonist into mouse brains. This approach enables to monitor real-time signal changes, gain insights into neural network dynamics by assessing stimulus-evoked signaling at specific sites, and identify signaling patterns and hippocampal synaptic connections. Additionally, in a Parkinson's disease mouse model, deep brain stimulation is performed and signals are recorded to confirm symptom amelioration, offering a biomedical device approach. The key strategy highlights intact neural electrodes with biocompatible, mechanically compliant materials conferring compact bioelectronic functionalities, high neuronal microenvironment compatibility, and pathological neural system recognition.

- Authors (Pusan National University): Suck Won Hong (Department of Cogno-Mechatronics Engineering), Hwa Kyoung Shin (Department of Korean Medical Science)

- Title of original paper: Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417727

- Contact e-mail: swhong@pusan.ac.kr, julie@pusan.ac.kr 

우리가 글을 읽을 때 여러 단어를 동시에 이해할 수 있는지, 아니면 한 단어를 끝내야 다음 단어로 넘어가는지, 이 오래된 의문에 부산대 연구진이 흥미로운 연구 결과를 내놓았다. 영어 단어를 사용한 선행 연구들은 ‘두 단어 병렬 이해는 불가능하다’는 결론에 머물렀지만, 한글 단어를 사용한 이번 연구는 결과가 달랐다. 한글은 영어보다 정보 처리가 효율적일 뿐만 아니라, 특히 자주 함께 쓰이는 한글 단어는 병렬 처리까지도 가능했다.

심리학과 주성준(사진) 교수 연구팀은 보통 동시에 두 단어에 주의를 배분해 각각의 의미를 파악하는 것은 매우 어렵지만, ‘두 단어가 합성어를 이룰 때(예: 눈+사람)’와 ‘의미적으로 연결돼 있을 때(예: 연필-지우개)’에는 두 단어 모두에 자연스럽게 주의가 분산되고, 뇌가 더 효율적으로 정보를 병렬 처리함을 밝혀냈다.

합성어를 만드는 두 단일어는 함께 쓰이는 빈도가 높기 때문에, 하나의 단어를 읽을 때 나머지 하나의 단어가 동시에 뇌에서 활성화될 가능성이 있다. 또한, 보통 문장을 이루는 단어들은 그 의미가 연결돼 있을 가능성이 크며, 예측이 가능한 단어가 나올 때가 많다. 연구팀은 이러한 맥락 단서와 한글 쓰기 체계의 특징이 한글 단어의 병렬 처리를 가능하게 할 수 있을지 확인하고자 실험을 진행했다.

연구팀은 19~28세 남녀 42명을 대상으로, 각 한글 단어쌍을 보여주고 생물/무생물을 명확하게 분류하게 했다. 제시된 단어는 1,440개로, 총 720개 단어쌍이었다. 

이때 단어쌍은 크게 세 유형으로 나눴다. 첫 번째 유형은 자주 함께 등장하지 않고 의미적으로 연결이 없는 ‘무관련 단어쌍’, 두 번째 유형은 ‘합성어 내 단일어 단어쌍’, 마지막 유형은 뉴스 기사나 일상 언어에서 자주 함께 등장하고 의미적으로도 관련 있는 ‘의미 연관 단어쌍’이었다. 무관 단어쌍은 가위-마당, 모래-대학생, 단일어 단어쌍은 고추-잠자리, 척추-동물, 의미 연관 단어쌍은 고모-이모, 연필-지우개와 같은 단어들의 모음이다.

연구팀은 각 단어쌍을 동시에 제시한 뒤, 참가자들에게 단어를 생물/무생물로 분류하는 의미 범주화 과제(semantic categorization task)를 수행하게 했다. 누이(생물)-동생(생물), 가족(생물)-사진(무생물), 모래(무생물)-시계(무생물) 등으로 분류하는 방식이다. 

연구팀은 제시된 단어쌍 중 하나의 단어에만 주의를 주어 과제를 수행하는 단일 과제와 두 단어 모두에 주의를 주어 과제를 수행하는 이중 과제 조건의 결과를 토대로 각 조건의 단어쌍이 동시에 병렬적으로 처리될 수 있는가를 조사했다.

실험 결과, 영어 단어쌍을 사용한 선행 연구에 비해 이번 연구에 사용한 한글 무관련 단어쌍의 두 단어의 의미 파악이 더 효율적임을 확인했다. 그러한 한글 단어 처리의 효율성에 더해, 합성어 내 단일어 단어쌍과 의미 연관 단어쌍과 같이 두 단어가 연관이 있을 때에는 두 단어를 동시에 병렬적으로 처리할 수 있음을 알 수 있었다. 

합성어 내 단일어 단어쌍과 의미 연관 단어쌍에서 한쪽 단어(누이)를 맞힐 경우에 다른 한쪽(동생)을 맞힐 확률이 더 높았다. 이러한 결과는 자주 같이 등장하는 단어나 의미적으로 연관된 단어들은 한 단어를 읽을 때 다른 단어를 뇌에서 활성화시킨다는 것을 보여준다.

이는 여러 글자를 ‘이어쓰기’로 단어를 만드는 영어와 달리 자모를 ‘모아쓰기’해 단어를 구성하는 한글의 쓰기 체계, 음운 소리와 글자가 거의 일대일로 대응되는 음절구조, 규칙적인 철자법 등의 차이가 두 단어에 효율적으로 주의를 할당하는 데 큰 역할을 했음을 시사한다. 

이 같은 발견은 언어별 읽기 메커니즘과 주의 집중 전략을 새롭게 조명하며, 다국어 학습과 독서 교육법 개발에도 영향을 미칠 것으로 전망된다.

주성준 교수는 “읽기는 지식 습득, 의사소통, 그리고 개인적 성취를 뒷받침하는 중요한 인간 행동이다. 읽기 과정의 복잡성을 이해하는 것은 인간 인지에 대한 통찰력을 얻는 데 필수적”이라며 “이번 연구를 통해 의미적으로 연관된 한글 단어들에서는 한 단어의 활성화가 관련 단어의 활성화를 촉진할 수 있어, 관련 없는 단어보다 더 효율적으로 인식될 가능성이 높다는 것을 확인했다. 이는 자음 대응 및 단어/음절 경계와 같은 문자 체계의 차이가 읽기에 필요한 지각 및 인지 처리의 양에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. 영어에서 병렬 처리가 어렵다는 선행 연구에 비춰 볼 때, 읽기의 기저 메커니즘을 포괄적으로 이해하기 위해서는 여러 요소를 고려해야 하며 특히 문자 체계가 인지 과정에 미치는 영향이 생각보다 크다는 것을 알 수 있다”고 설명했다. 

이어 “우리 연구팀은 앞으로도 언어별 차이를 정교하게 규명하는 후속 연구를 진행해 읽기 교육과 난독증 등 인지 재활 분야에 실용적인 해법을 제시해 나가고자 한다”고 덧붙였다.

다만 연구팀은 이번 결과를 한글 읽기에서 속독이 가능하다는 주장과 동일시 해서는 안 된다고 선을 그었다. 속독은 한 페이지에 흩어진 수많은 단어를 초고속으로 훑어 정보를 파악하는 기법이지만, 복합적인 의미 이해나 깊이 있는 독해가 요구되는 글에는 부적합하다는 지적이 꾸준하다. 

주성준 교수는 “우리 연구가 보여준 한글 단어의 병렬 처리 가능성은 단어 간 의미가 강하게 연결될 때에 한정된다”며 “본문 전체를 정확히 이해하려면 여전히 순차적 처리 과정이 필수”라고 강조했다.

이번 연구는 교육부 한국연구재단 보호연구지원사업의 지원을 받아, 심리학과 전임연구원 유상아 박사가 제1저자, 주성준 교수가 교신저자로 수행했다. 해당 논문은 『Journal of Experimental Psychology: General』 7월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Korean Hangul Is More Robust to a Serial Bottleneck: Co-Occurring and Semantically Related Korean Words Can Be Processed in Parallel(한글은 순서대로 처리해야 하는 제한에 덜 영향을 받는다: 함께 쓰이거나 의미적으로 연결된 한글 단어는 동시에 처리할 수 있다)

- 논문 링크: https://dx.doi.org/10.1037/xge0001778  

* 상단 이미지: (왼쪽) 두 단어에 대한 이중 과제 수행 시 영어와 한글 수행률 비교: 데이터가 빨간 선에 가까울수록 두 단어에 동시에 주의를 줄 수 없다는 것을 의미하고, 노란 선에 가까울수록 두 단어에 동시에 주의를 줄 수 있다는 것을 의미함. (오른쪽) 두 단어 읽기 실험 절차

[Abstract]

Can readers process multiple words simultaneously, and are there cultural differences in attentional bottleneck in lexical processing? To answer these questions, a research team led by Dr. Sung Jun Joo at the Department of Psychology, Pusan National University asked participants to view two words and categorize only one (single-task) or both words (dual-task), using Korean word pairs that frequently co-occur and are semantically related. They hypothesized that the coactivation of related words could facilitate lexical processing, and that the unique characteristics of Korean Hangul, such as its shallow orthographic depth and clear-cut syllabic boundaries, would enhance this effect. The results suggest that Korean Hangul is more robust to a serial processing bottleneck. Unlike the previous findings in English, independent or unrelated Korean word pairs were not processed in a strictly serial manner. Furthermore, the results for co-occurring and semantically related words supported the parallel processing model. Interestingly, for regularly co-occurring words, accuracy for one word increased if the participant was also correct about the other. These findings suggest that the relation between the words and the properties of writing systems should be considered in the long-standing serial versus  parallel debate in reading research.

- Authors (Pusan National University): Sung Jun Joo, Sang-A Yoo (Department of Psychology)

- Title of original paper: Korean Hangul Is More Robust to a Serial Bottleneck: Co-Occurring and Semantically Related Korean Words Can Be Processed in Parallel

- Journal: Journal of Experimental Psychology: General

- Web link: https://dx.doi.org/10.1037/xge0001778

- Contact e-mail: sungjun@pusan.ac.kr

생명환경화학과 김유진 교수 연구팀이 벼의 씨앗을 만들기 위해 꼭 필요한 꽃가루 신호 전달에 OsPRK 유전자들이 필수적인 기능을 한다는 연구 결과를 발표했다. OsPRK 유전자군을 제거하면 꽃가루가 작동하지 않아 수컷 불임이 됐는데, 이들 유전자가 화분 내 활성산소종(ROS) 수준을 조절해 화분관 발달에 역할했기 때문이다.

* 활성산소종(ROS, Reactive Oxygen Species): 산소 원자를 포함하면서 화학적 반응성이 높은 분자들을 의미한다. 세포 내 과한 활성산소종의 축적은 세포사멸에 이르게 하지만, 적정한 수준이 유지되면 신호분자로서 활용될 수 있다.

식물의 화분은 동물의 정자와 달리 운동성이 없기 때문에 화분관을 형성해 정핵세포를 이동시킴으로써 수정한다. 이 과정은 정교한 신호경로를 통해 이뤄지지만, 지금까지 벼에서는 이에 관여하는 유전자들에 대한 기초연구가 부족했다. 

연구팀은 이 신호를 받아들이는 데 PRK(Pollen-specific Receptor-Like Kinase) 유전자군인 OsPRK1, OsPRK2, OsPRK3 유전자가 필요함을 확인했다. 이 유전자들은 ‘수용체 유사 키나아제’로, 세포가 신호를 받아들이고 전달하는 데 쓰는 단백질이다. 이 세 유전자를 유전자 가위 기술(CRISPR/Cas9)로 제거하면 꽃가루가 암술에 붙지 않고, 잘 자라지 않는다. 결과적으로 씨가 맺히지 않아 수컷 불임이 유발됐다.

벼의 감수 분열 후 화분이 꽃가루관으로 성장해 정자를 암선으로 운반하는 과정은 식물의 유성 생식에서 핵심이다. 연구팀은 이 과정에서 활성산소종이 세포벽 확장을 유도하는 신호 활성 인자로 작용한다는 점에 주목했다.

연구팀이 벼에서 처음 발굴한 PRK 유전자군은 화분 특이적 발현이 특징인 수용체 단백질*의 특징을 가진다. 유전자 가위 CRISPR/Cas9에 의해 이들의 기능을 모두 잃은 3중 돌연변이체는 화분관 발아**를 하지 못하며, 이는 낮은 활성산소종 수준과 관련 있다. 돌연변이체에 활성산소종의 일종인 과산화수소 (H₂O₂)를 처리하면 화분관 발아율이 일부 회복된다. 이를 통해 OsPRK 유전자군이 화분관 발아에 필수적이며, 이 기작은 활성산소종과 관련 있음을 이해할 수 있다. 

* 수용체 단백질(receptor protein): 세포막에 존재하며, 세포 밖의 신호를 감지해 세포 내로 전달하는 역할을 하는 세포막 단백질의 일종이다.

** 화분관 발아(pollen tube germination): 웅성(male) 생식기관인 수술(anther)로부터 나온 화분(꽃가루, pollen)이 정핵 세포(sperm cell)를 전달하고자 한 방향으로 극성 생장(polar growth)을 시도하는데, 이러한 생장을 ‘화분관 발아’라고 표현한다.

【벼 화분관 내에서 OsPRK 유전자군이 매개하는 신호경로 모델】 

한편, OsPRK1/2/3이 모두 기능을 잃은 3중 돌연변이 라인은 웅성(雄性)에 의해서만 불임(sterility) 표현형을 보이는 식물체로, 제웅(除雄) 과정을 생략하고도 교배에 활용해 품종 개발을 더 효율적으로 할 수 있다.

이 같은 내용을 담은 연구팀의 논문은 국제 학술지 『Journal of Integrative Plant Biology』 5월 9일자에 게재됐다.

- 논문 제목: OsPRK1/2/3-mediated reactive oxygen species signaling is required for pollen tube germination in rice(OsPRK1/2/3이 매개하는 활성산소종 시그널링은 벼 화분관 발아에 필수적이다)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1111/jipb.13921 

이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업과 기초연구실지원사업 지원을 받아, 부산대 생명환경화학과 김유진 교수가 교신저자, 손예진 연구원(석사과정 졸업)이 제1저자로, 경희대 정기홍 교수팀과 공동으로 수행했다. 해당 연구는 부산대 LMO(Living Modified Organisms) 격리 포장 시설에서 진행했다.

김유진 교수는 “이번 연구를 통해 벼에서 처음으로 PPK를 찾았고, CRISPR/Cas9을 이용해 3개의 기능중복적 유전자를 동시에 knock-out 시킨 돌연변이를 제작함으로써, 화분관의 수화, 발아에 기능함을 발견했다. 특히, 활성산소 시그널링에 관여함을 확인하고, 웅성불임을 회복할 수 있는 방법을 모색해 응용가치가 높을 것으로 기대한다”고 말했다.

* 상단 인물 사진: 앞줄 왼쪽 세 번째 김유진 교수와 연구실 학생들.

[Abstract]

Pollen hydration, germination, and tube growth are vital processes for the successful fertilization of flowering plants. These processes involve complex signaling pathways. Reactive oxygen species (ROS) generated in apoplast involves signaling for the cell wall expansion during tube growth, however molecular regulators are less known. We identified pollen-specific receptor-like kinase (OsPRK) family genes from rice (Oryza sativa), which have conserved leucine-rich repeat (LRR) and kinase domains. To understand the function of these genes, we produced single and triple mutations for OsPRK1, OsPRK2, and OsPRK3 using the clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR/Cas9) system. Among these mutants, triple knockout (KO) lines (osprk1/2/3) exhibited the male-sterile phenotype with normal vegetative growth and floret formation. Through cytological analysis, we confirmed that the reduced seed fertility was due to defects in pollen hydration and germination with low ROS accumulation. This defect of pollen germination was partially recovered by treatment with exogenous H2O2. We also confirmed that OsPRKs could interact with the LRR extension protein. Our results suggest that rice PRKs redundantly play a role in ROS signaling for pollen hydration and germination, and fertility can be controlled by exogenous application.

- Authors (Pusan National University): Yu-Jin Kim, Ye-Jin Son(Department of Life Science and Environmental Biochemistry)

- Title of original paper: OsPRK1/2/3‐mediated reactive oxygen species signaling is required for pollen tube germination in rice

- Journal: Journal of Integrative Plant Biology

- Web link: https://doi.org/10.1111/jipb.13921 

- Contact e-mail: yjkim2020@pusan.ac.kr

DNA를 특정 위치에서 자르고 고치는 첨단 기술인 ‘유전자 가위 기술’이 질병 치료와 작물 개량에 혁신을 가져오고 있는 가운데, 의생명융합공학부 박정빈 교수 연구팀이 개인별 DNA 차이를 고려해 유전자 가위의 부작용을 미리 예측하는 맞춤형 도구 개발에 성공했다. 이 기술로 환자별 맞춤 유전자 치료와 부작용 최소화가 가능한 정밀 의료 시대가 앞당겨질 것이라는 기대가 커지고 있다.

박정빈 교수팀은 강원대와의 협업으로 개인별 유전체 변이를 고려해 유전자 가위의 정확한 작용 위치와 잠재적 부작용 위치를 예측하는 웹 기반 도구(Variant-aware Cas-OFFinder)를 개발했다. 개인 유전체 데이터를 입력하면 맞춤형 DNA 지도를 만들고, 이를 바탕으로 유전자 가위가 정확히 작동할 위치와 예상치 못한 부작용이 발생할 수 있는 위치를 알려준다. 기존 도구들이 표준 유전체만 분석해 개인차를 반영하지 못했던 한계를 극복한 것이다.

【연구팀이 개발한 유전자 가위 부작용을 예측하는 맞춤형 도구의 알고리즘 개요도】

이 도구는 유전자 가위가 잘못 작용할 수 있는 오프타겟*을 찾아내기 위해, 표준 유전체 정보와 개인 맞춤형 유전체 정보를 함께 사용한다. 개인의 유전체 정보는 VCF 파일 형식으로 제공된다. 

* 오프타겟(off-target): 유전자 가위가 원래 목표한 DNA 서열이 아닌 비의도적인 위치를 잘못 절단하거나 편집하는 현상.

VCF(Variant Call Format) 파일은 개인의 유전체에서 표준 유전체와 다른 부분, 즉 유전적 변이를 담고 있는 파일이다. 각 개인의 유전자에서 어떤 부분이 다른지를 기록한 유전체 요약 파일이라고 보면 된다. 개발 도구는 이 VCF 파일을 분석에 활용해, 각 개인에게서만 나타나는 오프타겟 위험까지 예측할 수 있다는 것이 특징이다.

연구팀은 새로 개발한 도구의 성능을 검증하기 위해 인간 유전체와 고추 품종을 대상으로 테스트를 진행했다. 그 결과, 개인별 DNA 차이에 따라 서로 다른 오프타겟 패턴이 나타나는 것을 확인했고, 기존 도구로는 발견할 수 없었던 고유한 오프타겟 위치를 식별하는 데 성공했다.

이 도구는 557개 생물종과 40개 유전자 가위 유형을 지원해 인간 치료부터 작물 개량까지 폭넓게 활용 가능하다. 또한, 누구나 쉽게 접근할 수 있는 무료 웹 서비스(https://rgetoolkit.com/var-cas-offinder)로 제공되며, 로그인 없이도 이용할 수 있다.

【왼쪽부터 박정빈 교수, 아비요트 멜카무 메코넨 연구원, 성강 연구원】

박정빈 교수는 “이번에 개발한 도구는 마치 유전자 가위를 위한 ‘맞춤형 내비게이션’과 같다”며 “개인별 DNA 특성에 맞춰 안전한 위치를 안내해 유전자 치료의 부작용은 줄이고 효과는 높이는 맞춤형 정밀 의료 시대를 앞당길 것”이라고 설명했다.

의생명융합공학부 수학 중 연구에 참여한 공동 제1저자 아비요트 멜카무 메코넨(정보융합공학과 박사과정)과 성강(연구 당시 학사과정, 현 KAIST 석사과정) 연구원은 “우리가 개발한 기술이 개개인의 유전자를 교정하는 데 실질적인 도움이 가능한 도구로 활용될 수 있다는 점에 큰 보람을 느낀다”고 말했다.

이번 연구는 농촌진흥청 신육종기술개발사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 바이오·의료기술개발사업, BK21 Four 한국동남권 4차산업혁명 리더 교육사업단의 지원을 받았으며, 부산대 박정빈 교수가 교신저자, 아비요트 멜카무 메코넨과 성강 연구원이 공동 제1저자, 강원대 김혜란 교수가 공동저자로 참여했다.

개인 맞춤형 유전자 편집 기술의 정확도와 안전성을 획기적으로 높일 것으로 기대되는 이번 연구 성과는 해당 분야 최상위 국제 저명 학술지인 『Nucleic Acids Research』 7월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Variant-aware Cas-OFFinder: web-based in silico variant-aware potential off-target site identification for genome editing applications(유전자 편집을 위한 웹 기반 변이 인지형 오프타겟 후보 컴퓨터 분석 도구)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1093/nar/gkaf389 

* 상단 이미지: 연구 개념도

[Abstract]

Researchers from Pusan National University have successfully developed a web-based tool that can predict potential side effects of gene editing technologies by considering individual DNA variations. This breakthrough is expected to accelerate personalized gene therapy with minimized side effects.

The research team led by Professor Jeongbin Park from the School of Biomedical Convergence Engineering at Pusan National University, in collaboration with Professor Hye-Ran Kim from the Department of Life Sciences at Kangwon National University, has developed a web-based tool called "Variant-aware Cas-OFFinder."

This novel tool creates personalized DNA maps by analyzing individual genomic data, then identifies both the precise locations where genome editors will function correctly and potential sites where unexpected side effects might occur. The tool overcomes limitations of existing technologies that only analyze standard genomes without reflecting individual differences.

The tool's effectiveness was validated through tests on human genomes and pepper varieties, successfully identifying unique off-target patterns specific to individual DNA differences that couldn't be detected with conventional tools.

Professor Park described the tool as a "customized navigation system for genome editors" that guides safe locations based on individual DNA characteristics, reducing side effects while enhancing the effectiveness of gene therapy.

Co-first authors Abyot Melkamu Mekonnen (doctoral student) and Kang Sung (formerly undergraduate, now master's student at KAIST) expressed satisfaction that their technology could provide practical assistance in editing individual genes.

* Reference

- Authors (Pusan National University): 

  Abyot Melkamu Mekonnen (Department of Information Convergence Engineering) 

  Seong Kang (School of Biomedical Convergence Engineering) 

  Jeongbin Park (School of Biomedical Convergence Engineering) 

- Title of original paper: Variant-aware Cas-OFFinder: web-based in silico variant-aware potential off-target site identification for genome editing applications

- Journal: Nucleic Acides Research

- Web link: https://doi.org/10.1093/nar/gkaf389  

- Contact e-mail: jeongbin.park@pusan.ac.kr

생명과학과 윤부현 교수 연구팀이 암세포 중에서도 치료가 잘되지 않고 재발과 전이를 유도하는 ‘암 줄기세포(Cancer Stem Cells, CSC)’의 복잡한 메커니즘을 규명해, 표적 치료를 통한 난치암 극복 가능성을 열었다.

이번 연구는 암의 재발과 전이를 유발하는 암 줄기세포의 이질성과 대사 유연성을 분석함으로써, 기존 치료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 치료 방향을 설정했다. 

연구팀은 암 줄기세포가 보유한 대사 및 표현형의 유연성이 암 치료 저항성의 중요한 원인이라는 최근 연구들을 종합해 고찰하고, 이를 바탕으로 효과적인 치료 접근법의 방향을 잡았다. 특히, 단일세포 오믹스(omics·體學)와 공간 전사체 분석 등 최신 기술을 통해 알려진 암 줄기세포의 이질성과 대사 적응 메커니즘에 주목하며, 이를 활용한 이중 대사 억제 및 면역 기반 치료 전략의 가능성을 소개했다.

‘암 줄기세포’는 암세포 중에서도 치료에 강한 저항성을 보이며, 종양의 재발과 전이를 유도하는 핵심 집단으로 주목받고 있다. 

대사 가소성(plasticity) 덕분에 암 줄기세포는 당을 분해하는 작용과 산화적 인산화, 그리고 글루타민과 지방산 같은 대체 연료원 사이를 전환해 다양한 환경 조건에서 생존할 수 있다. 또한, 기질 세포, 면역 구성 요소, 혈관 내피 세포와의 상호작용은 대사 공생을 촉진해 암 줄기세포의 생존과 약물 내성을 더욱 촉진한다.

기존 치료법을 회피하고 대사 스트레스에 적응하며 종양 미세환경과 상호작용하는 이러한 특성은, 암 줄기세포를 혁신적인 치료 전략의 중요한 표적이 되게 한다. 하지만 이들의 특성을 정밀하게 파악하고 표적한 연구는 지금까지는 초기 단계에 머물러 있었다.

연구팀은 이번 리뷰에서 암 줄기세포(CSC)의 치료 저항성과 관련된 최신 연구 동향을 분석·정리하고, 3D 오가노이드 모델*, CRISPR-Cas9(유전자가위) 기반 기능 분석, AI(인공지능) 융합 분석 기법 등의 응용 사례를 종합해 향후 CSC 정밀 타깃 치료 개발의 전망을 조망했다.

* 3D 오가노이드 모델: 줄기세포나 조직세포를 3차원적으로 배양해 실제 인체 기관과 유사한 구조와 기능을 재현한 실험 모델.

【암 줄기세포(CSC)의 생존과 악성화를 돕는 주변 환경 요인 분석】

연구책임자인 윤부현 교수는 “암 줄기세포는 기존 치료로 제거되지 않고 남아있다가 암을 재발시키는 주범으로, 이들의 대사적 생존 전략을 정밀 타격하는 것이 궁극적인 치료 혁신의 핵심”이라며 “이번 연구는 다양한 암에 적용 가능한 맞춤형 치료의 단초를 제공한 의미 있는 성과”라고 말했다.

해당 연구 결과는 생화학·분자생물학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 『Signal Transduction and Targeted Therapy』 8월 5일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Cancer stem cells: landscape, challenges and emerging therapeutic innovations(암 줄기세포: 연구 현황, 도전 과제 및 신흥 치료 혁신)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41392-025-02360-2 

이번 연구는 생명시스템학과 이학수 박사와 김병수 박사과정생, 박준형 박사과정생이 제1저자, 세종대 윤혜숙 교수가 공동저자로 참여했으며, 생명과학과 윤부현 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다. 한국연구재단 및 미래지구연구소 지원으로 수행됐다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 윤부현 교수, 이학수 박사, 김병수 박사과정생, 박준형 박사과정생.

[Abstract]

Cancer stem cells (CSCs) represent a highly plastic and therapy-resistant cell subpopulation within tumors that drive tumor initiation, progression, metastasis, and relapse. Their ability to evade conventional treatments, adapt to metabolic stress, and interact with the tumor microenvironment makes them a critical target for innovative therapeutic strategies. Recent advances in single-cell sequencing, spatial transcriptomics, and multi-omics integration have significantly improved our understanding of CSC heterogeneity and metabolic adaptability. Metabolic plasticity allows CSCs to switch between glycolysis, oxidative phosphorylation, and alternative fuel sources such as glutamine and fatty acids, enabling them to survive under diverse environmental conditions. Moreover, interactions with stromal cells, immune components, and vascular endothelial cells facilitate metabolic symbiosis, further promoting CSC survival and drug resistance. Despite substantial progress, major hurdles remain, including the lack of universally reliable CSC biomarkers and the challenge of targeting CSCs without affecting normal stem cells. The development of 3D organoid models, CRISPR-based functional screens, and AI-driven multi-omics analysis is paving the way for precision-targeted CSC therapies. Emerging strategies such as dual metabolic inhibition, synthetic biology-based interventions, and immune-based approaches hold promise for overcoming CSC-mediated therapy resistance. Moving forward, an integrative approach combining metabolic reprogramming, immunomodulation, and targeted inhibition of CSC vulnerabilities is essential for developing effective CSC-directed therapies. This review discusses the latest advancements in CSC biology, highlights key challenges, and explores future perspectives on translating these findings into clinical applications.

- First author: Haksoo Lee1,2, Byeongsoo Kim1, Junhyeong Park1

- Corresponding author: BuHyun Youn1,3,4
  1. Department of Integrated Biological Science, Pusan National University
  2. Institute for Future Earth, Pusan National University

  3. Department of Biological Sciences, Pusan National University

  4. Nuclear Science Research Institute, Pusan National University

- Title of original paper: Cancer stem cells: landscape, challenges and emerging therapeutic innovations

- Journal: Signal Transduction and Targeted Therapy

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41392-025-02360-2  

- Contact e-mail: bhyoun72@pusan.ac.kr

재료공학부 이승기(사진) 교수 연구팀이 레이저를 이용해 나노 소재 내부의 결정 구조를 조절하는 원천 기술을 개발했다.

이 기술은 빛을 활용해 소재에 정밀한 열을 인가하고, 그 효과를 통해 나노 단위의 구조를 정교하게 설계하는 방식으로, 차세대 소재 공정의 핵심 기반으로 주목받고 있다. 

이승기 교수는 레이저 기반 광열반응 기술을 활용해 나노 반도체 소재의 결정성과 전기적 특성을 개선하는 연구를 꾸준히 진행해 왔다. 이번 연구는 그 기술적 연장선상에서, 동일한 열처리 원리를 전기화학 반응 소재에 적용함으로써 레이저 기술이 소재 분야 전반에 걸쳐 보편적이고 범용적인 플랫폼 기술로 확장 가능함을 입증했다.

연구팀은 몰리브덴 카바이드(Mo₂C)라는 전이금속 탄화물에 레이저를 통해 열을 국소적으로 발생시킴으로써 결정립의 구조를 조절하고, 내부 경계 구조(결정립계)를 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 이러한 구조 변화는 소재에 추가적인 첨가물 없이도 전기적 전도성과 화학 반응성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 특히, 수소 발생 반응(HER)에서 촉매 반응 속도를 효과적으로 개선하는 결과를 얻었다.

【레이저 기반 광열반응을 이용한 나노 소재 합성 및 결정성 제어 결과】

기존의 고온 열처리 방식과 달리, 이번 기술은 짧은 시간 동안 레이저로 원하는 영역의 열 분포를 제어할 수 있어 기판의 손상을 최소화하면서도 고품질의 활성 재료를 제작할 수 있는 장점이 있다. 이는 저온에서도 나노 소재의 구조를 정밀하게 설계할 수 있는 새로운 공정 기술로 평가된다. 

이승기 교수는 “레이저 기반 결정 제어 기술은 나노 소재의 물성과 기능을 타겟 기판상에서 직접 설계할 수 있는 효과적인 접근법”이라며 “이번 연구는 특히 반도체 소재 기술을 에너지 재료 분야로 성공적으로 확장한 사례로서 의미가 크다”고 말했다.

이번 기술은 친환경 수소 에너지 생산용 촉매로서의 가능성을 보였으며, 나아가 고민감 센서, 랩온어칩(Lab-on-a-chip), 웨어러블 소자 등 다양한 산업 응용 분야에서도 활용이 기대된다.

【저널 표지 이미지】

이번 연구 결과는 신소재 분야의 세계적인 학술지 『Advanced Functional Materials』 7월 21일자 표지 논문으로 게재됐다. 

- 논문 제목: Artificial Modulation of the Hydrogen Evolution Reaction Kinetics via Control of Grain Boundaries Density in Mo₂C Through Laser Processing(레이저 광열 공정을 통한 Mo₂C의 결정립계 밀도 제어 및 수소 발생 반응 속도의 인공적 조절)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202422918 

해당 연구는 이승기 교수가 교신저자로, 한국과학기술연구원(KIST)과 성균관대가 공동으로 수행했으며, 한국연구재단의 글로벌 선도연구센터와 기초연구실 지원을 받았다. 

[Abstract]

Mo₂C-based electrocatalysts have emerged as promising alternatives to Pt noble metals for hydrogen production, owing to their high catalytic activity. However, the catalytic efficiency of Mo₂C is highly sensitive to factors such as surface termination, morphology, and support. Therefore, it is crucial to develop systematic crystal structure engineering methods to precisely modulate the activity, thereby enhancing both catalytic efficiency and stability. In this study, laser-based material processing is employed to modulate the microstructure of Mo₂C catalysts, with a focus on grain size control and developing a grain boundary (GB)-rich structure to enhance the kinetics of hydrogen evolution reaction (HER). Laser-based thermal control promoted the formation of fine and uniformly distributed Mo₂C grains (15.6 ± 5 nm) and high-density GBs (130 µm−1). High-angle GBs, which occupy most Mo₂C GBs, enhance electrochemically active sites, facilitate electron transfer, and shift the work function to 5.10 eV, thereby reducing hydrogen adsorption energy. In addition, electrochemical tests reveal a significant decrease in overpotential (148 mV at 10 mA cm−2) and improve Tafel slopes (67.6 mV dec−1), confirming the enhanced kinetics of the HER. This laser-induced GB engineering strategy opens a new pathway for designing high-performance Mo₂C-based electrocatalysts, advancing next-generation hydrogen production technologies.

- Author (Pusan National University): Seoung-Ki Lee (School of Materials Science and Engineering )

- Title of original paper: Artificial Modulation of the Hydrogen Evolution Reaction Kinetics via Control of Grain Boundaries Density in Mo₂C Through Laser Processing

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202422918

- Contact e-mail: ifriend@pusan.ac.kr

분자생물학과 장세복 교수 연구팀이 암세포 생존에 관여하는 단백질 복합체의 구조를 규명하고, 이를 억제하는 펩타이드*를 개발해 암 억제 효과를 입증했다. 

* 펩타이드: 단백질을 구성하는 물질인 아미노산이 2개 이상 연결된 분자로, 생물체 내에서 호르몬, 효소, 신호전달 물질 등 다양한 역할을 한다. 

연구팀은 암세포 생존을 촉진하는 HMGB1(High Mobility Group Box 1)-RAGE(Receptor for Advanced Glycation End-products) 단백질 복합체의 결합 구조를 극저온 전자현미경(Cryo-EM)* 기법으로 세계 최초로 원자 수준에서 해석하고, 이 구조를 기반으로 암세포 증식·이동 억제 기능을 갖춘 펩타이드를 설계해 차세대 항암제 후보물질로서의 가능성을 제시했다.

* 극저온 전자현미경(Cryo-EM, Cryogenic Electron Microscopy): 생체 단백질을 극저온 상태에서 관찰해 원자 수준의 구조를 파악할 수 있는 최신 전자현미경.

Cryo-EM을 통해 HMGB1-RAGE 복합체의 결합 부위를 규명한 결과, HMGB1와 RAGE 간 정전기적 상호작용이 확인됐다. 이 결합을 차단하는 새로운 펩타이드는 당 독소 수용체인 RAGE와 경쟁적으로 결합해 기존 HMGB1-RAGE 복합체 형성을 저해하고, 암세포에서 활성화되는 ERK1/2(Extracellular signal-regulated kinase)–Drp1(Dynamin-related protein 1) 신호전달 경로를 억제해 자가포식(autophagy), 세포 증식 및 이동을 현저히 차단하는 것으로 나타났다.

* RAGE(Receptor for AGE): 당화 최종산물(AGEs, 당 독소)과 결합해 염증 반응을 유발하는 수용체.

【HMGB1-RAGE 복합체 구조와 펩타이드에 의한 암 억제 메커니즘】 

특히 이번 연구에서는 폐암 세포주와 대장암 세포주 및 췌장암 세포주에서 펩타이드 투여 시 암세포의 ATP(아데노신 삼인산) 생성이 현저히 감소하고 세포 이동성이 억제됨을 관찰했다. 또한 정상 세포에서는 독성이 나타나지 않아 안전성 측면에서도 긍정적인 평가를 받았다.

동물실험에서도 높은 효과가 입증됐다. 면역결핍 마우스에 이식된 폐암 모델에서 펩타이드 단독 투여만으로 종양의 부피와 무게를 40% 이상 감소시켰으며, 독성은 확인되지 않았다. 정상 세포에서도 세포 독성이 나타나지 않아 안전성 확보 측면에서 유망한 결과를 보였다.

기존의 RAGE 억제제들은 비특이적 결합으로 인해 높은 부작용과 낮은 선택성이라는 한계를 갖고 있었으나, 이번 연구의 펩타이드는 복합체 결합 부위만을 정밀 저해하기 때문에 보다 표적 지향적이고 특이적인 작용기전을 구현할 수 있다는 점에서 치료제의 확장성이 매우 크다 할 수 있다.

장세복 교수는 “기존 RAGE 억제제는 낮은 특이성과 독성으로 인해 임상적 한계가 있었다”며 “이번 연구에서 제시한 펩타이드 기반 치료법은 특정 단백질 간 상호작용을 통해 암세포에 관여하는 단백질 복합체의 활동을 선택적으로 차단해 부작용을 최소화하면서 항암 효과를 극대화할 수 있는 전략”이라고 설명했다.

이번 연구성과는 생의학 분야 국제 저명 학술지인 『Biomedicine & Pharmacotherapy』 6월 1일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Cryo-EM structure of HMGB1-RAGE complex and its inhibitory effect on lung cancer(HMGB1-RAGE 복합체의 Cryo-EM 구조와 폐암 억제 효과)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.biopha.2025.118088

이번 연구는 과학기술정보통신부 및 교육부·한국연구재단 기초연구사업 및 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐으며, 부산대 분자생물학과 장세복 교수가 교신저자, 금정제약(주) 정미숙 대표이사가 공동 교신저자, 부산대 생명시스템연구소 김현진 전임연구원이 제1저자로 참여했다. 이번 연구 결과는 국내 특허 등록된 상태다.

* 상단 연구진 사진: 오른쪽부터 장세복 교수, 김현진 전임연구원.

[Abstract]

Mitochondrial dysfunction and mitophagy are closely linked with human diseases such as neurodegenerative diseases, metabolic diseases, and cancer. High-mobility group box 1 (HMGB1) has been shown to mediate a wide range of pathological responses by binding with the receptor for advanced glycation end-products (RAGE) and toll-like receptors (TLRs). Extracellular HMGB1 and its ligand RAGE stimulate the growth, metastasis, invasiveness, and treatment resistance of different cancer cells. Through extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) signaling, HMGB1 and RAGE lead to the phosphorylation of Drp1-S616 and Drp1-mediated mitochondrial fission, which consequently causes autophagy. Although the structure of the RAGE and HMGB1 complex is not clearly known, the complex has emerged as a potential therapeutic target. In the present study, the structure of the RAGE and HMGB1 complex was determined at a resolution of 5.19 Å using cryogenic electron microscopy. The structure revealed that the residues P66, G70, P71, S74, and R77 in RAGE and E145, K146, E153, and E156 in HMGB1 were the sites of interaction between the two proteins. Additionally, an HMGB1 peptide (151 LKEKYEK 157) was synthesized based on the RAGE-HMGB1 complex. We investigated the inhibitory function of the HMGB1 peptide and demonstrated that it inhibits tumor growth, metastasis, and invasion by binding to the RAGE protein in lung cancers. The HMGB1 peptide significantly suppressed mitochondrial dysfunction and the initiation of autophagy. Furthermore, the HMGB1 peptide dramatically reduced cell viability, migration, and mitophagy in the colorectal and pancreatic cancer cell lines HCT-116 and AsPC-1, respectively.

- Authors (Pusan National University): Hyeon Jin Kim (Insitute of Systems Biology), Mi Suk Jeong (Insitute of Systems Biology), Se Bok Jang (Department of Molecular Biology)

- Title of original paper: Cryo-EM structure of HMGB1-RAGE complex and its inhibitory effect on lung cancer

- Journal: Biomedicine & Pharmacotherapy

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.biopha.2025.118088 

- Contact e-mail: sbjang@pusan.ac.kr

의학과 홍창완 교수와 양산부산대병원 의생명융합연구원 류지현 교수 연구팀이 미세먼지(PM·Particulate Matter)가 폐의 면역체계에 미치는 심각한 영향을 과학적으로 입증했다. 연구팀은 장기간 미세먼지에 노출될 경우, 폐의 면역균형이 무너지고 심각한 염증 반응이 유발돼 알레르기성 폐질환의 발생 위험이 높아진다고 밝혔다.

이번 연구는 현대사회에서 점점 더 심각해지고 있는 미세먼지 문제에 대한 과학적 대응의 일환으로 진행됐다. 미세먼지는 초미세먼지(PM2.5, 입자의 지름이 2.5마이크로미터 이하)를 포함해 직경이 매우 작은 입자들이 공기 중에 떠다니다가 호흡기를 통해 인체로 흡입되는 환경오염 물질이다. 그동안 단기적인 호흡기 불편이나 심혈관계 질환과의 연관성은 일부 밝혀져 왔으나, 장기적인 노출이 폐 면역체계에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 실정이었다.

연구팀은 실험용 쥐 모델을 대상으로 16주간 미세먼지에 노출시킨 결과, 폐 조직 내에서 염증세포의 급격한 증가와 폐 조직의 심각한 손상을 관찰했다. 이는 단순한 자극 반응을 넘어 조직 수준의 병리학적 변화를 나타내는 것으로, 특히 폐를 보호하는 면역세포인 T세포의 균형이 깨져 알레르기 반응을 일으키는 특정 세포군이 비정상적으로 증가하는 것을 확인했다.

【미세먼지의 폐질환 영향 연구 모식도】

이러한 결과는 미세먼지가 단순히 일시적인 호흡기 자극을 넘어, 만성적인 염증 상태를 유도하고 알레르기성 천식과 같은 만성 호흡기 질환을 유발할 수 있는 중요한 위험 인자임을 과학적으로 뒷받침하는 것이다. 

이번 연구는 미세먼지의 장기 노출이 면역체계의 근본적인 변화를 일으킨다는 점에서, 미세먼지 노출을 최소화하고 면역체계를 보호하는 질병 예방 및 정책 수립에 있어 보다 근본적이고 심도 있는 접근이 필요함을 시사한다.

연구 책임을 맡은 홍창완 교수는 “미세먼지가 건강에 미치는 영향을 단순히 호흡기 질환의 악화로만 생각하지 말고, 면역체계 전반에 미치는 심각성을 인식하고 적극적으로 대처해야 한다”고 강조했다.

미세먼지의 폐질환 영향을 다룬 이번 논문은 국제 학술지 『리독스 바이올로지(Redox Biology)』 5월호에 게재됐다. 

- 논문 제목: Particulate matter exposure induces pulmonary Th2 responses and oxidative stress-mediated NRF2 activation in mice (미세먼지 노출은 마우스에서 폐 Th2 면역반응과 산화 스트레스 의존적 NRF2 활성화를 유도한다)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.redox.2025.103632 

이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 개인연구사업의 중견연구 와 세종과학펠로우십 사업의 지원을 받아, 의학과 홍창완 교수와 양산부산대병원 의생명융합연구원 류지현 교수가 교신저자, 의학연구원 조유나 연구교수, 양산부산대병원 의생명융합연구원 김보영 박사가 제1저자로 수행했다

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 (앞줄) 류지현 교수, 홍창완 교수 (뒷줄) 김보영 박사, 조유나 연구교수.

[Abstract]

Particulate matter (PM) is a broad-spectrum risk factor for the respiratory and cardiovascular respiratory systems. The impact and underlying mechanisms of adaptive immune responses in PM-induced pulmonary inflammation remain largely unexplored. In this study, we established a mouse model for long-term exposure to PM2.5 and PM10 via intranasal instillation and performed a comparative analysis of the effects on adaptive immunity, specifically T cell immune responses. PM-exposed mice exhibited overall increased pulmonary injuries, inflammation, fibrosis, oxidative stress, and apoptosis, with a more pronounced effect in PM2.5 than PM10. Alongside pulmonary inflammation, IL-4-producing CD4+ T cells were increased, whereas the IFNγ- and TNFα-producing CD4+ T cells were decreased. PM exposure induced the expression of Th2-type cytokines in bronchoalveolar lavage fluid (BALF), which elevated the levels of IgE and IgG1 in the plasma. PM-activated nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) and its downstream genes and overexpression of Nrf2 skewed CD4+ T cells toward Th2 differentiation in Nrf2 Tg mice. The negative effects of PM were more enhanced in the PM2.5 than PM10 exposure models and associated with TH2 immune responses. These findings highlight how PM exposure disrupts immune balance and exacerbates conditions like asthma and chronic obstructive pulmonary disease by promoting TH2-driven inflammation through NRF2 activation.

- Authors: Yuna Jo (Research Institute for Medicine, Pusan National University), Bo-Young Kim, Ji Hyeon Ryu (Research Institute for Convergence of Biomedical Science and Technology, Pusan National University Yangsan Hospital), Changwan Hong (Department of Medicine, Pusan National University)

- Title of original paper: Particulate matter exposure induces pulmonary TH2 responses and oxidative stress-mediated NRF2 activation in mice

- Journal: Redox Biology

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.redox.2025.103632 

- Contact e-mail: chong@pusan.ac.kr