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아주대 연구진이 실생활에서 쉽게 구할 수 있는 임신진단키트를 활용해 프로테아제 효소의 활성을 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 단백질의 분해에 관여하는 프로테아제는 생명현상의 지표이며 이 효소의 비정상적 활성은 많은 종류의 질병과 연관되어 있어, 신속·간편하게 질병을 진단할 수 있는 진단키트의 원천기술로 활용될 수 있을 전망이다.유태현·윤현철 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 공동 연구팀은 프로테아제 활성을 측정할 수 있는 센서를 개발, 이를 임신진단키트를 통해 분석할 수 있는 방법을 찾아냈다고 밝혔다. 해당 연구 내용은 ‘임신진단키트를 이용한 프로테아제 활성 측정 방법 개발(Coupling hCG-based protease sensors with a commercial pregnancy test strip for simple analyses of protease activities)’이라는 논문으로 센서 분석 화학 분야의 최상위 저널인 <바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)> 9월호에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 유태현·윤현철 교수가 공동 교신저자로 참여했고, 박현지 박사(아주대 분자과학기술센터)와 김유선 학생(대학원 분자과학기술학과)이 공동 제1저자로, 이경원·권민지 학생(대학원 분자과학기술학과)이 공동 저자로 함께 했다.프로테아제(protease, proteolytic enzyme)는 펩타이드 결합을 절단하여 단백질의 분해에 관여하는 효소를 통틀어 이르는 말이다. 우리 몸에서 발생하는 분화와 성장, 면역과 감염 같은 다양한 현상은 단백질 분해효소인 프로테아제에 의해서 조절되고, 이 효소의 비정상적인 활성은 암, 염증 질환, 알츠하이머 등 여러 질병의 발생과 연관되어 있다. 실제 프로테아제는 바이러스 감염 질환(HIV, B형·C형 간염 바이러스) 치료제의 타깃이며, 혈우병(제8인자, 제9인자 등)의 경우에는 치료제로 사용되는 등 여러 질병의 치료·관리에 활용되고 있다. 뿐만 아니라 더 넓은 의약학적 활용과 질병의 빠른 진단 및 관리를 위해 프로테아제를 신속·정확·간편하게 확인할 수 있는 방안을 찾으려는 학계의 노력도 계속되고 있다.현재 널리 사용되고 있는 프로테아제 검출 방법은 고가의 장비와 분석 전문가를 필요로 하는 복잡한 과정으로 이루어져 있다. 이에 질병을 빠르게 진단하고 상태를 모니터링하는 수준까지 적용하기에는 어려움이 따른다. 최근 이를 극복하기 위해서 다양한 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 프로테아제의 활성을 간편하고 신속하게 측정할 수 있는 방법의 개발까지는 이어지지 못했다. 아주대 연구팀은 먼저 단백질공학(protein engineering)과 바이오컨쥬게이션(bioconjugation) 기술을 이용, 검출하고자 하는 프로테아제에 의해서 선택적으로 활성화될 수 있는 센서를 개발했다. 연구팀은 더불어 특정 프로테아제가 존재할 때 센서에서 인간 융모성 생식선 자극호르몬(human chorionic gonadotropin; hCG)이 방출되도록 함으로써, 임신진단키트를 통해 측정이 가능할 수 있도록 설계했다. 즉 시료와 센서를 혼합한 용액을 임신진단키트로 분석하는 간단한 방법으로 타깃 프로테아제의 활성을 측정할 수 있는 길을 찾은 것. 임신진단키트는 제작이 쉽고 비용이 매우 저렴할 뿐 아니라 소비자가 일상에서 쉽게 어디에서나 구입할 수 있다. 아주대 연구팀의 센서는 프로테아제의 종류에 따라서 센서 물질을 쉽게 제조할 수 있도록 고안·설계됐고, 연구팀은 여러 프로테아제 가운데 대표적인 세 종류의 프로테아제(MMP-2, thrombin, caspase-3)에 대한 실험 결과를 보고했다. 또한 스마트폰의 카메라와 앱을 통해서 분석 결과를 얻을 수 있음을 확인, 생체 물질 분석을 위한 자원이 제한된 여러 환경에서도 비교적 쉽고 간편하게 프로테아제 검출이 가능함을 보여줬다. 유태현 아주대 교수는 “이번 연구에서 개발한 센서 물질과 임신진단키트는 간단한 공정만으로 제조할 수 있다”며 “이에 프로테아제 진단키트의 개발로 이어져, 다양한 질병의 진단과 관리에 사용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 전했다. 아주대 연구팀은 해당 기술에 대한 여러 기업들의 관심을 바탕으로, 공동 연구 및 기술이전 등에 대한 논의를 이어가고 있다. 한편 이번 연구는 과학기술사업화진흥원, 한국연구재단, 보건산업진흥원의 지원을 받아 수행됐다.사진 왼쪽부터 박현지 박사(공동 제1저자), 김유선 학생(공동 제1저자), 이경원 학생(공동 저자), 권민지 학생(공동 저자) 가)프로테아제 센서와 이를 이용한 프로테아제 활성. 검출하고자 하는 프로테아제가 존재할 때, 센서로부터 인간 융모성 생식선 자극호르몬이 방출되고 이는 임신진단키트를 통해서 검출할 수 있다. 즉, 프로테아제 활성과 임신진단키트의 신호는 비례한다. (나)프로테아제 활성 측정 절차. 시료와 프로테아제 센서를 혼합한 용액을 임신진단키트에 로딩한다. 이미지 분석을 통해서 정량적인 결과를 얻을 수 있다.* 위 사진 - 왼쪽이 아주대 유태현 교수, 오른쪽이 윤현철 교수
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우리 학교 조성범 교수 연구팀이 차세대 배터리 시스템에 사용될 새로운 설계 전략을 개발했다. 전기차의 확산으로 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 배터리에 대한 요구가 높아지고 있어, 차세대 배터리의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 주목된다.조성범 교수(첨단신소재공학과)와 한국세라믹기술원 최정현 박사 연구팀 차세대 고체 배터리 시스템의 핵심인 고체 전해질 소재의 다성분계 도핑을 통한 새로운 조성 설계 전략을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘향상된 리튬 이동도를 가지는 큐빅-Li7La3Zr2O12 소재의 다양한 동종 이온가 수 도핑을 통한 상 안정화 전략(Isovalent multi-component doping strategy for stabilizing cubic-Li7La3Zr2O12 with excellent Li mobility)’이라는 제목으로 화학공학 분야 세계 최고 수준의 학술지인 <화학공학저널(Chemical Engineering Journal)> 9월호에 게재됐다.에너지 저장 장치로서의 배터리는 우리의 일상생활에 필수적인 요소로 자리 잡았다. 특히 전기 자동차가 널리 보급·확산 되면서 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 배터리 시스템의 필요성이 높아지고 있다. 현재 사용되는 리튬이온 배터리는 액체 전해질로 인해 부피가 큰 데다 충격 시 화재가 발생할 수 있어, 이를 개선한 가벼우면서도 높은 저장 용량을 가진 새로운 시스템의 개발이 필요하다.차세대 배터리 시스템 중 산화물계 기반 전고체 배터리 산화물계 기반 전고체 배터리는 기존에 널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리와 달리 고체 전해질을 사용, 안정성과 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 산화물계 고체 전해질은 합성 온도가 1000℃ 이상으로 높아 제작에 높은 비용이 수반되며, 수율 저하의 원인이 되기도 한다. 또 고체 전해질의 경우, 배터리가 실제 작동하는 온도인 상온에서 불안정한 소재 결정 구조를 보임에 따라 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다. 이를 극복하기 위해 학계와 산업계에서 다양한 원소의 도핑을 통해 신규 조성을 설계하는 전략이 많이 시도되고 있다. 그러나 실험을 통해 신규 조성을 설계하는 것은 매우 시간이 많이 소모되는 작업으로, 도핑하는 원소의 종류가 늘어나기 때문에 여러 난관이 존재한다. 이에 아주대 공동 연구팀은 AI와 모델링과 같은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 신규 조성을 설계했다. 해당 고체 전해질 배터리 소재의 개발을 위해 주기율표 상 다양한 원소의 신규 조합을 설계하고, 실험을 통해 저온 합성 및 상 안정화가 가능함을 실증해 낸 것. 연구팀은 선정된 후보군에 대한 실험을 통해, 기존 물질 대비 400℃ 낮은 온도에서 합성이 가능함을 확인했다. 이 작업은 모두 원소에 대한 기존 데이터베이스를 통해 컴퓨터 시뮬레이션으로 이루어졌다. 조성범 아주대 교수는 “연구팀의 AI 기술과 시뮬레이션 모델링을 통해 높은 성능에 안정성도 우수한 전고체 전해질을 새로 찾아낼 수 있었다”라고 설명했다.조 교수는 이어 “특히 저온 공정이 가능해짐에 따라 배터리 생산 과정에서 에너지 소모를 줄이고 안정성과 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라며 “전고체 배터리의 상용화를 앞당겨 환경친화적인 에너지 저장 솔루션을 개발하는 데 기여할 수 있기를 기대한다”고 전했다.최정현 한국세라믹기술원 박사는 “시뮬레이션을 통해 예측된 아주대 연구진의 조성 설계 기술과 한국세라믹기술원 에너지저장소재센터의 산화물계 고체전해질 합성 기술이 시너지를 내 의미 있는 연구 결과를 도출할 수 있었다”라고 말했다. 한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 우수신진연구사업과 브릿지융합기술개발사업 등의 지원을 통해 수행됐다.다성분계 도핑을 통한 상안정화 전략 개요도 및 리튬 확산 성능 향상의 확인(왼쪽) 다양한 원소의 도핑을 통한 고체 전해질 물질 신규 조성 개발 전략 개요도. 주기율표상의 다양한 원소를 기존의 데이터베이스를 통해 도핑 가능성을 분석하고 가능한 원소 조합을 탐색했다. 이어 후보 원소 조합에 대해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고속으로 상 안정성을 분석했다. (오른쪽) 연구팀의 시뮬레이션을 통해 선정된 신규 조성 물질과 도핑하지 않은 물질 간의 리튬 확산 성능을 보여주는 그래프. 도핑으로 인해 리튬 확산 성능이 향상될 수 있음을 확인했다.* 위 사진 : 왼쪽부터 조성범 아주대 교수, 이한욱 학생(에너지시스템학과 석사과정), 최정현 한국세라믹기술원 선임연구원
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아주대 연구진이 중견기업 대현에스티와 산학 공동 연구를 통해 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 센서 모듈의 국산화에 성공했다. 차세대 친환경 에너지로 주목받고 있는 수소는 연료 자체의 무색·무취한 특성 탓에 폭발 위험성이 높아 안정성 확보 및 순도 측정 기술에 대한 요구가 크지만 국내 기술로 광범위 농도를 측정하는 수소 센서를 구현한 사례는 그동안 없었다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 중견기업 대현에스티와 공동으로 다층 초박막 합금 촉매-전극을 이용한 고정밀·고신뢰성 수소 농도 센서 모듈 시스템을 개발했다고 밝혔다. 공동 연구팀이 구현해 낸 수소 농도 센서는 뛰어난 내구성을 가지고 있을 뿐 아니라 촉매-전극 신소재를 기반으로 ppm 단위부터 100%까지의 수소 농도를 탐지할 수 있다. 단일 센서 소자로 이 농도 범위를 측정하는 기술은 세계 최초다. 수소는 차세대 친환경 에너지 연료원으로 자동차와 전기 생산 분야 등 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 특히 수소전기차의 보급이 늘면서 친환경 수송 분야에서 수소의 중요성이 높아지고 있다. 기존 산업 분야에서도 수소는 반도체, 디스플레이, 원자력, 정유, 우주항공 분야에서 필수적으로 활용되고 있다. 그러나 수소 연료 자체의 특성으로 인한 안전성 확보 문제가 한계로 지적되어 왔다. 수소는 무색·무취의 특성을 가지고 있는 데다 무게가 가벼워 누설의 위험성이 높기 때문이다. 공기 중의 수소 농도가 4%만 되어도 낮은 에너지의 점화원만 있으면 폭발할 수 있다. 특히 수소 연료는 에너지 밀도(단위부피 당 저장된 에너지) 향상을 위해 수백 기압의 고압을 활용하고, 금속 재질의 수소 용기 소재는 균열 발생 가능성이 높아 수소 누설의 사전 감지가 꼭 필요하다.또한 수소연료전지를 포함해 여러 형태로 수소를 활용하기 위해서는 수소의 순도 모니터링과 농도 제어가 필요하다. 이를 위해서는 실시간으로 95-100% 구간의 고농도 수소를 높은 농도 분해능으로 정밀 모니터링하는 센서가 필요하다. 하지만 고순도 수소의 측정이 가능한 수소 센서 구현은 고난이도 기술로, 전 세계적으로 미국 및 유럽에서 극소수의 고가 제품만이 나와 있는 상황이다. 그 중에서도 단일 형태 센서 소자로 ppm부터 100%까지의 광범위 농도 감지를 구현한 바는 현재까지 없었다. 아주대 연구팀은 수소 농도의 정밀 모니터링과 신뢰성 확보를 위해 기존 화학저항식 수소 센서에 널리 활용되는 팔라디움(Pd) 촉매 전극을 탈피, Pd 합금 기반의 초박막 전극에 대한 원천기술을 확보했다. 이 원천기술이 적용된 수소 센서는 약 3만번의 반복적 고순도 수소 농도 감지가 가능할 만큼 내구성도 우수하다. 수소전기차의 수소 센서는 99% 이상 고순도 수소 농도를 수 초 이내에 연속적으로 측정해야 해 내구성은 센서의 상용화를 위해 중요한 요소다. 8명의 아주대 연구진이 7년에 걸쳐 개발한 이 기술은 두 차례에 걸쳐 총 37억원 상당 규모로 중견기업 대현에스티에 기술이전됐고, 연구팀은 국내외 특허도 확보했다. 이후 아주대와 대현에스티는 공동 산학 연구를 통해 양산화 공정, 신뢰성 최적화, 센서 동작 로직 및 신호처리 기술 개발, 모듈화 및 패키징까지의 모듈 제품화 기술을 개발하는 데 성공했다. 서형탁 교수는 “수소 에너지 기술에 대한 전 세계적 주목도가 높아지고 있는 가운데 한국 기업들은 수소 인프라 및 전기차 기술에서 리더십을 키워가고 있다”며 “더불어 수소의 정밀 농도 측정 및 안전 확보를 위한 측정 센서의 중요성이 날로 커지고 있으나, 신뢰성 있는 국내 기술의 부재로 고가의 수입 제품에 의존할 수밖에 없었다”라고 설명했다.이어 “이번에 개발한 광범위 수소 전기식 센서 모듈화 기술은 수소를 활용하는 여러 산업 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 말했다. 공동 연구팀은 이번에 개발한 센서 모듈을 국내에서 개최되는 세계 최대 수소 기술 전시회인 ‘H2 MEET 2023’에 출품한다. 이 행사는 9월 13일부터 9월 15일까지 킨텍스(KINTEX)에서 개최된다. 아주대와 대현에스티는 이번에 앞서 상용화에 성공한 수소 변색 필름을 기반으로 구현해 낸 근적외선· 가시광 기반 광학 감지 및 전기식 센서 일체화 광학식 다중모드 센서 기술에 대해서도 발표한다. 아주대는 지난 2021년 수소 변색 필름을 대현에스티에 기술이전했고, 이 기술은 글로벌 시장에서 최고 수준으로 인정받아 수소연료 전기차 업체와 수소 충전소 등 글로벌 기업에 공급되고 있다. 한편 이번 국산화 기술 개발은 산업통상자원부·한국에너기술평가원 주관 에너지기술개발사업, 과학기술정보통신부·과학기술일자리진흥원 주관 중대형성과확산사업, 한국전력공사·전력연구원 주관 기초연구개발사업의 지원으로 수행됐다. 해당 기술은 국내·외 특허 등록이 완료됐다. * 위 그림 설명 : (왼쪽 그림) 아주대 연구팀이 개발한 나노 합금 촉매 구조. Pd 나노 초박형 합금을 전극으로 적용하여 ppm-100%까지의 수소 농도 응답성, 99.99% 수소에 대해 3만회 수소 감지 가속 내구 신뢰성 시험을 거쳤다. 이에 광범위 농도의 수소를 우수한 응답성으로 감지하고 내구성이 탁월함을 확인했다. (오른쪽 위 그림) 대현에스티와 공동개발한 광범위 수소 센서 모듈 시스템과 (오른쪽 아래 그림) 아주대-대현에스티가 개발한 수소 변색 필름 기반 광학 감지 센서 모듈
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