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우리 학교 화학공학과 황종국 교수가 참여한 국제 공동 연구팀이 저가의 금속 산화물을 고부가가치의 금속유기구조체 및 탄소 소재로 전환하는 기술을 개발했다.황종국 교수(사진)와 폴란드 포즈난대학 조안나 고시안스카(Joanna Goscianska) 교수, 영국 글래스고대학 베른하드 슈미트(Bernhard Schmidt) 교수, 스페인 바스크과학재단 스테판 부트케(Stefan Wuttke) 교수는 관련 연구 성과를 영국왕립회학회가 발간하는 저명 학술지 <캐미컬 소사이어티 리뷰(Chemical Society Reviews), impact factor 40.443> 4월6일자 온라인판에 게재했다.논문의 제목은 ‘금속유기구조체와 탄소 소재의 형상제어: 형상제어 유도체로서 금속산화물(Controlling the morphology of metal-organic frameworks and porous carbon materials: metal oxides as primary architecture-directing agents)’이다.연구팀은 논문에서 저가의 금속 산화물을 고부가가치를 갖는 금속 유기구조체 및 탄소 소재로 전환하는 기술을 소개하고 ▲제조방법 ▲전환 메커니즘 ▲적용 방향 등을 제시했다.금속유기구조체(metal-organic frameworks, MOF)는 최근 주목받고 있는 다공성 소재로, 금속이온과 유기 리간드의 배위결합을 통해 연결되어 골격구조를 형성하는 결정성 물질이다. 뛰어난 물리화학적 특성(금속유기구조체 1g은 100m*70m 규격 축구장 만큼의 비표면적을 가짐)으로 인해 금속유기구조체는 가스의 저장과 분리, 비균질 촉매, 에너지 저장 및 전환 장치 등에 폭넓게 사용된다.기존에는 분자 수준에서 금속유기구조체의 망구조(topology)를 예측하고 실험적으로 구현하는 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그 결과 지금까지 약 6000개의 금속유기구조체가 보고되었다. 하지만 분자 수준에서 빠르고 복잡하게 결정화되는 특성 때문에, 금속유기구조체가 최종적으로 어떤 거시적 모양과 형상을 가질지 예측하거나 조절하는 것은 매우 어렵고 도전적인 과제로 남아있다.<금속 산화물을 전구체로 사용하여 고부가가치를 갖는 MOF와 다공성 탄소 소재로 전환하는 모식도>황종국 교수는 “금속유기구조체의 고유 특성을 실험실 안에서만이 아니라 실제 산업계에서 구현하기 위해서는 금속유기구조체를 다양한 이종소재와 복합화하고, 그 형상을 원하는 형태로 조절하는 기술이 확보되어야 한다”며 “하지만 고가의 별도 장비가 필요하고, 최종적으로 얻을 수 있는 형상이 단순하고 간단한 것에 국한된다는 기술적 한계를 가지고 있다”고 설명했다.이에 공동 연구팀은 복잡하고 정교한 형상을 갖는 금속유기구조체를 제조할 수 있는 방법으로, 금속 산화물을 유기 리간드와 반응시켜 금속유기구조체로 직접 전환하는 방법을 제시했다. 금속 산화물은 기존의 기술을 통해 원하는 크기와 형상으로 쉽게 성형할 수 있을 뿐만 아니라 직물, 전도성 기판 등의 이종 소재와 복합화될 수 있다. 따라서 원하는 형태와 패턴으로 성형된 금속 산화물을 이용하면, 기존의 방식으로 구현할 수 없는 높은 수준의 복잡성·정교함과 기능성을 갖는 금속유기구조체 및 금속유기구조체 유래 탄소 소재의 합성이 가능하다.황종국 교수는 “이번 총설 논문을 통해 복잡하고 정교한 형상을 갖는 금속유기구조체의 제조법과 제조 메커니즘을 정리했다”며 “형상제어된 금속유기구조체는 향후 에너지, 환경, 의학을 포함한 다양한 분야에 응용이 가능할 것”이라고 말했다.그는 이어 “이 연구 분야는 아직 초기 단계로 장기적으로는 산업 부산물·폐기물과 같이 저렴하고 풍부한 금속원료를 고부가가치의 금속유기구조체와 탄소 소재로 전환할 수 있는 상용화 기술을 개발하는 것이 목표”라고 덧붙였다.황종국 교수는 지난 10여 년간 나노다공성 소재의 구조와 형상을 제어하는 연구를 수행해온 나노 에너지 소재 전문가다. 최근에는 개발한 소재합성 기술을 바탕으로 ▲ 차세대 이차전지 전극재의 맞춤형 설계 ▲고순도 수소 생산을 위한 촉매 개발 연구에 집중해 왔다.
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- 작성일2020-04-20
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우리 학교 윤태종 교수 연구팀이 나노-유전자 가위 기술을 활용해 대장암 치료제를 개발하는 데 성공했다. 현재 널리 쓰이고 있는 대장암 항암제에 치료 효과를 보이지 않는 유전자 변이 대장암 환자들을 위한 치료법이다.윤태종 교수(약학과)는 조영석 가톨릭대 교수(의과대학 내과학교실)와 함께 나노 전달체에 유전자 가위 단백질 구조체를 탑재하는 방식을 통해 유전적 이상 부위를 효과적으로 편집함으로써 새로운 대장암 치료제를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 내용은 저명 학술지 <나노 리서치(Nano Research)> 4월4일자 온라인판에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘항암제 내성 대장암을 치료하기 위한 유전자 편집 나노 입자 시스템의 치료적 접근(Gene editing particle system as a therapeutic approach for drug-resistant colorectal cancer)’이다.윤 교수팀이 개발한 방법은 현재 대장암 치료를 위해 널리 사용되고 있는 약물에 저항성을 가져 치료가 어려웠던 환자들을 위한 것이다. 세툭시맙(cetuximab) 항암제는 대장암 치료를 위해 많이 쓰이고 있지만 암세포의 성장과 관련된 KRAS 유전자의 변이로 인해 치료 효과를 보지 못하는 환자가 많다는 점이 한계로 지적되어 왔다.대장암은 현대인의 식습관과 생활방식 탓에 지속적으로 발생이 증가하는 질병이다. 때문에 치료제 개발이 매우 활발히 진행되고 있으며, 주로 항체를 기반으로 한 약물이 사용되고 있다. 이 때쓰이는 약물은 EGFR 수용체에 결합, 암세포의 성장과 생존을 억제함으로써 치료 효과를 보인다. 그러나 대장암 환자 중 60% 정도는 약물에 저항을 나타내 더 이상 치료효과를 보이지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 경우는 암세포 성장과 관련된 KRAS 유전자의 변이에 의한 것으로, 관련된 환자들의 경우 예후가 매우 좋지 않다.많은 연구자들이 KRAS 유전자 변이에 의한 암을 치료하기 위해서 노력하고 있으나, 유전자 변이로 인해 지속적으로 암이 재발하면서 근본적 치유 방법에 대한 연구가 요구되어 왔다. 때문에 유전자 가위 기술유전자 가위 기술을 활용하는 것이 대안으로 제시되어 왔으나, 단백질 형태의 유전자 가위 소재가 체내에서 안정성이 크게 저하되어 효율성 문제의 해결이 쉽지 않았다.이에 윤태종 교수 연구팀은 나노 전달체에 유전자 가위 단백질 구조체를 탑재하여 유전적 이상 부위를 효과적으로 편집함으로써, 높은 치료 효과를 거둘 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 나노 리포좀 구조체나노를 사용하여 KRAS 유전자 변이 부위를 편집할 수 있는 유전자 가위 단백질 소재를 탑재했다. 또한 이 나노 구조체 표면에 대장암 표적을 위한 항체를 도입함으로써, 유전자 가위 소재의 안정성과 치료 효과를 극대화할 수 있음을 확인했다. 생체 내 실험(in vivo)에서 암조직으로의 유전자 가위 소재 전달 효율은 60%에 달했으며, 동물 모델에서의 치료 효과는 대조군 대비 높은 치료 효과를 보였다.윤태종 교수는 “기존 유전자 형태의 유전자 가위 소재는 바이러스 전달체를 이용, 생체에 적용하는 구조로 전달 효율이 낮고, 원치 않는 부위까지 편집하게 되는 부작용(off-target 효과)이 문제였다”며 “이에 대안으로 단백질 구조체로 이뤄진 유전가 가위 소재가 부상했지만, 생체 내 주입 이후 효소들에 의해 분해되면서 전달·편집 효율이 낮아 한계를 보여 왔다”고 설명했다.이에 윤 교수 연구팀은 생체 적용이 가능한 소재로 이뤄진 나노 구조체를 발굴해 적용했다. 유전자 가위 기술을 이용해 유전자적 문제 부위를 편집하면 근본적 치료 가능성이 높아지나, 체내 주입 시 안정성이 떨어졌던 문제를 극복해낸 것.윤 교수는 “지금 현재는 암 치료를 위해 시험관 환경(in vitro)에서 면역 세포의 활성을 조절하는 수준의 유전자 가위 기술이 사용되고 있다”며 “앞으로는 직접 체내 주사를 통해 치료 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다. KRAS 유전자 변이에 의한 암은 대장암뿐 아니라 췌장암, 폐암, 난소암 등 많은 암 질환과 관련되어 있어, 치료가 어려운 암 질환의 극복을 위해서는 나노-유전자 가위 기술에 대한 연구가 더욱 긴요하다.윤태종 교수는 지난 20여 년간 다양한 바이오 물질을 효과적으로 세포나 조직에 전달할 수 있는 나노 소재를 연구해온 전문가다. 최근에는 유전자 가위 기술의 한계로 지적되어 온 ▲낮은 체내 안정성과 세포 침투율 ▲국부 치료가 불가능하다는 문제점 등을 극복하고자 나노 기술을 접목하는 연구에 집중해 왔다. 윤 교수는 우리 학교 산학협력단 산하의 엔포유 기술지주회사 ㈜무진메디의 대표를 맡고 있고 이 회사를 통해서 임상 시험을 진행할 계획이다.
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- 작성일2020-04-08
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