다사다난한 한 해였지만, 그럼에도 묵묵히 연구는 계속되어왔다. 올해는 특히 ‘나노’라는 화두가 두드러졌다. 나노 외에도 생체리듬, 제올라이트, 그래핀 등 다양한 분야의 연구가 <네이처>, <사이언스> 를 비롯한 세계 유수의 학술지에 실려, KAIST는 명실상부한 국내 최고의 연구 중심대학으로 입지를 굳혔다. 올해의 연구성과를 돌아보자

※ 학과 사정으로 원고를 보내지 못한 학과는 누락되었습니다. 독자 여러분의 양해 바랍니다

[생명과학과] 일주기성 생체리듬 조절 유전자 발견

 생명과학과 최준호 교수팀이 초파리의 일주기성 생체리듬 조절에 관여하는 투엔티-포(Twenty-four) 유전자를 발견해 작용 메커니즘을 밝혔다. 미국 노스웨스턴대학교 신경생물학과 라비 알라다 교수팀과 공동으로 밝혀낸 이번 연구는 저명한 학술지 <네이처> 2월호에 게재되었다.

일주기성 생체리듬을 조절하는 클록과 피리어드

 일주기성 생체리듬으로 생물체는 하루 24시간의 주기에 적응한다.

 생명체의 일주기성 생체리듬에는 클록(Clock)과 피리어드(Period) 유전자가 중요한 역할을 한다. 클록 단백질과 사이클(Cycle)이라는 단백질이 중합체를 형성해 피리어드 유전자의 전사를 촉진하며, 피리어드 유전자는 클록-사이클 중합체의 활성화를 방해한다.

새로운 방식으로 일주기성을 조절하는 투엔티-포 유전자

 최 교수팀은 적외선 채널이 설치된 유리관에 초파리를 넣고, 사흘 동안 빛을 켜는 시간을 조절해 초파리에게 낮과 밤을 구분시켰다. 이후 초파리가 움직이면서 적외선을 차단하게 되고, 이를 센서가 감지해 컴퓨터에 초파리의 행동 주기를 기록했다.

 실험군 중 행동 양상에 변화가 큰 초파리를 중심으로 생체리듬이 변한 몇 가지 돌연변이체가 나타났다. 이 돌연변이체의 유전자 분석 결과 CG4857 유전자에 손상이 일어나있었고 최 교수팀은 이 유전자를 투엔티-포라고 이름 붙였다. 투엔티-포는 하루가 24시간인 점과 유전자 기호 번호에 있는 수의 합이 총 24라는 데서 착안해 붙인 이름이다.

 투엔티-포 유전자는 지금까지 발견된 생체리듬 유전자가 단백질의 전사단계에서 조절되는 것과 달리 번역단계에서 조절된다.

 이 연구는 새로운 생체리듬 조절 유전자를 발견했다는 점과 이 유전자가 기존에 알려졌던 것과 다른 메커니즘으로 생체리듬을 조절한다는 것을 밝혔다는 데에 큰 의미가 있다. 최 교수는 생체리듬에 관여하는 다른 유전자의 작용 메커니즘도 밝혀야 할 것이라며 앞으로의 연구 방향을 제시했다.

[화학과] 계면활성제로 3세대 제올라이트 합성해

 화학과 유룡 교수팀이 특수설계한 계면활성제를 이용해 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’를 개발했다. 이 연구결과는 세계적인 과학 학술지 <사이언스> 7월 15일 자에 게재되었다.

화학산업 전반에 각광받는 제올라이트

 제올라이트는 주로 규소산화물로 구성된 결정형 물질로서, 규소산화물이 알루미늄산화물로 치환된 경우도 있다. 빈 공간이 큰 구조적 특성 때문에 화학 산업 전반에 사용된다.

 1세대 제올라이트는 나트륨 수화물을 구조유도체(Structure Directing Agent)로 이용해 합성한 제올라이트다. 2세대 제올라이트는 암모늄 이온에서 수소를 알킬기로 치환해 부피를 조절한 유기 암모늄을 구조유도체로 이용해 제올라이트를 합성했다. 그러나 이러한 방법으로는 구조유도체의 크기를 조절하는 데 한계가 있어 구멍의 크기를 조절하는데 제한적이다.

계면활성제로 제올라이트 구멍 크기 조절

 유 교수팀은 이 문제를 계면활성제의 미셸로 해결했다. 계면활성제는 물에 녹아있을 때 소수성인 꼬리 부분끼리 한데 뭉쳐 구 모양을 형성하는데, 이때 계면활성제의 꼬리 길이를 조절하면 구의 반지름을 조절할 수 있다. 유 교수팀은 이를 구조유도체로 이용해 작은 크기의 마이크로나노기공과 상대적으로 큰 크기의 메조나노기공이 효율적으로 배치된 3세대 제올라이트를 합성하는 데 성공했다.

구멍크기가 제올라이트의 성능을 향상시켜

 메조나노기공과 마이크로나노기공이 적절히 배치된 제올라이트는 촉매로서의 효율이 크게 증가한다. 우선, 잘 정렬된 메조나노기공과 마이크로나노기공은 반응물과 촉매의 접촉 가능성을 높인다. 또한, 구멍의 크기를 조절할 수 있게 되면서 제올라이트에 포획할 수 있는 촉매 분자의 크기도 다양해진다.

 이 연구는 2009년에 유 교수팀이 제작에 성공한 ‘나노판상형태의 초박막 제올라이트 물질’ 합성의 연장선에 있는 연구로, 기존보다 더 안정적인 구조를 갖는 제올라이트를 합성할 수 있게 되었다는 데 의의가 있다.