고결정성 그래핀 양자점 대량생산 원천기술 개발 - 용액 공정 방식을 통해 고결정성을 획득하는 그래핀 양자점 제조 원천기술 개발 - 원천기술을 활용한 대량생산, 기술 응용 및 상업화에 획기적 전기 마련 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀은 푸말로나이트릴(fumaronitrile)이라고 불리는 백색 고 결정 물질을 이용하여 수용액 상태에서 균일한 크기의 고 결정성을 가지고 양친매성을 보이는 탄소 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 탄소 구조체 합성 방법에는 크게 하향식 접근법 (Top-down Approach)과 상향식 접근법 (Bottom-up Approach)인 두 가지로 나누어지는데, 상대적으로 대량 생산이 가능한 상향식 접근법이 각광받고 있다. 하지만, 해당 공정에 활용되었던 기 보고된 저분자 물질들은 대부분 산성을 띄며, 합성 된 탄소 구조체의 품질이 취약해 응용 연구에는 한계가 있고, 추가적인 정제공정이 필요하다는 단점을 가지므로 공정시간 및 제조단가의 상승이 불가피하다. 이에 연구팀은, 푸말로니트릴을 수용액 상태에서 적정 온도 이상으로 가열하여 합성하는 방식을 통해 탄소화 반응을 유도하여 균일한 크기를 가지는 고 결정성 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 하향식 접근법을 사용하여, 기존의 산성을 띄는 비결정성 유기물질이 아닌 저분자 물질이 가지는 고유의 화학적 성질(산성도, 고 결정성)로 인해 비교적 중성에서 탄소 구조체 합성이 가능하다. 이로 인해 추가적인 정제공정이 필요하지 않고, 비교적 저온 공정 (약 200 °C) 에서도 20분 이내에 충분히 결정성이 뛰어난 탄소 구조체를 합성할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 해당공정으로 합성한 양자점의 경우 추가적인 후처리 공정이 없어도 다양한 용매에 충분한 용해도를 가지므로 산업 현장에서 쉽게 활용이 가능하다. 탄소 기반 나노/마이크로 구조체의 경우, 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 양자컴퓨터, 바이오 이미징, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 주목받고 있다. 최근에는 해당 소재를 활용한 다양한 고성능, 고부가가치를 가지는 복합소재 개발에 전 세계적으로 연구역량이 집중되고 있다. 특히, 초경량, 고강도, 고탄성, 내마모성과 같은 기본적인 물리적 특성 향상 뿐만 아니라, 미래 전자산업의 전모를 바꿀 것으로 기대되는 나노카본기반 일렉트로닉스 복합소재·소자 기술을 비롯하여 자기치유 기능을 가지는 나노복합체 및 생체모방형 융복합소재 합성과 같은 기능성 유/무기 하이브리드 나노복합소재기술 발전에 큰 공헌을 할 것이라 기대하고 있다. 배수강 선임연구원은 "탄소 구조체의 물성 조절을 위해 균일한 크기 및 고 결정성을 가지는 탄소 구조체를 만드는 기술이 핵심이다" 라며 "이 기술은 합성 후 추가적인 후처리 및 정제 공정이 필요하지 않으므로 공정 시간 단축 및 경제성을 크게 높인 것이 장점"이라고 밝혔다. 이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 정밀한 크기 제어 및 특성 향상과 더불어, 해당 원소재의 응용 및 상업화를 위한 획기적인 전기를 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 나노카본 소재의 물성과 크기 조절을 위한 핵심 기술을 연구하고 있으며, 이를 이용한 고기능성 유/무기 복합 소재 개발을 위한 연구를 진행할 예정이다. 본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업, 신규 선임 연구사업으로 수행되었으며, 미국화학학회(American Chemical Society)가 발간하는 재료화학분야의 권위지 케미스트리 오브 머터리얼스(Chemistry of Materials, Impact Factor: 8.354)의 2016년 3월호에 게재되었다. * (논문명) ‘Facile and purification-free synthesis of nitrogenated amphiphilic graphitic carbon dots’ - (제1저자) 문병준 연구원, 오예린 - (교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 배수강 박사 <그림자료> <그림1> KIST 배수강 선임연구원팀은 기존의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 양자점을 보완하기 위해, 나이트릴(nitrile) 및 탄소-탄소 이중결합을 가진 저분자 (푸말로나이트릴, Fumaronitrile (FN))를 이용하여 5 nm 정도의 크기 및 1~2 층을 가지는 고품질의 탄소 양자점을 합성 하였다. 또한, 다른 저분자 물질에 비해 합성 후 중성에 가까운 산성도를 보임으로써 정제 공정을 필요로 하지 않음을 알 수 있다. <그림2> 해당 탄소 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 양자점에 치환 도핑된 질소 원자 및 말단 부분에 결합된 기능기로 인해 넓은 파장 영역의 발광 특성을 가지며, 고 결정성을 가짐에도 불구하고 비교적 긴 전자수명 (대략 8 ns)을 가짐을 알 수 있다. <그림3> 해당 탄소 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 양자점에 치환 도핑된 질소 원자 및 말단 부분에 결합된 기능기로 인해 넓은 파장 영역의 발광 특성을 가지며, 고 결정성을 가짐에도 불구하고 비교적 긴 전자수명 (대략 8 ns)을 가짐을 알 수 있다.

KIST, 기초원천분야 수월성 연구성과를 위해 국내 최고수준의 대학 협력연구실 선정 - KIST 중점연구분야의 국내 최고 교수진을 선정하여 협력하는 「KIST Joint Research Lab」사업 수행 - 수월성 연구성과 창출을 위해 연 2억 원의 연구비 지원 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 KIST의 중점연구분야의 국내 최고 수준의 유능한 교수를 선정하여 KIST 연구팀과의 전략적 협력 연구를 진행하는 새로운 융합연구 형태의 프로그램인 「KIST Joint Research Lab」사업에 착수했다. 국내대학의 우수한 연구역량과 연구인력을 활용하여 수월성 연구성과를 달성하기 위한 장기적이고 실질적인 학연협력을 촉진하겠다는 취지이며 선정된 대학교수들은 각각 연 2억 원의 연구비를 1단계 3년간 지원받으며 우수 성과 달성 여부에 따라 연장도 가능하다. 이를 위해 KIST는 지난 3월 25일(금), 서울대 김성연 교수(뇌과학분야), 남기태 교수(탄소자원화분야), KAIST 김대식 교수(인공지능(AI)분야), 그리고 포항공대 김윤호 교수 (양자컴퓨팅분야)를 각각 사업책임자로 선정하였다. 이들 교수진은 안정된 연구비의 확보를 통해 창의적이고 자율적인 기초？원천분야의 수월성 연구 수행이 가능하며, KIST의 협력 연구팀들은 대학 협력연구실의 우수한 연구역량 활용을 위한 연구분야 협력 네트워크 확대로 R&D 역량 제고와 대형 연구성과 창출을 기대하고 있다. 해당 연구분야에서 국내 최고수준의 협력연구실 선정은 향후 확대될 예정이다. KIST는 국가？사회의 현안문제 해결을 위해 주요사업비를 외부에 개방하여 우수한 연구성과를 도출하기 위해 추진하는 개방형연구사업(ORP; Open Research Program)을 2013년부터 수행해 왔으며, 산학연의 융합연구로 진행된 ORP사업에서 개발된 ‘혈액을 이용한 치매 조기진단기술’의 경우 최근 대형 기술이전을 실시한 바 있다. 이러한 성공적인 ORP사업의 경험을 토대로 기초？원천기술 분야의 개방형 연구 형태인 「KIST Joint Research Lab」을 지정하여 지원함으로써 학연 협력연구를 통한 대형 수월성 연구성과 창출을 목표로 하고 있다. 이병권 원장은 이번 사업 착수를 통해 “KIST는 미래 사회를 혁명적으로 바꿀 소재？소자, 정보, 로봇, 농업, 에너지, 바이오, 환경 분야의 기술적 한계를 극복하고 미지의 영역을 개척하고자 한다. 이러한 선도형 연구를 수행하기 위해서는 신선한 사고와 새로운 접근 방식이 필요하다. 해당 연구분야에서 가장 뛰어난 인재들에게 맞춤형 지원을 하여 KIST 중점 연구분야와의 시너지 창출을 목표로 하고 있다.”고 말했다. ○ 문의 - KIST 홍보팀 염기홍 팀장 (TEL. 02-958-6135, C.P : 010-4245-1303, keytong@kist.re.kr)

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.

KIST 외국인 유치과학자, 뇌 활동을 시각적으로 측정하는 형광전압센서 ‘파도’ 개발 - 뇌의 산성도 및 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 억제성 신경세포의 상호작용 원리를 규명 인체의 면역계가 정상적으로 작용하기 위해서는 적정수준의 pH(산성도)가 유지되어야 하며, 특히, 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등의 질병과 연관성이 높다고 알려져 있다. 외국인 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능한 형광전압센서 단백질의 개발에 성공하였다. 해당 단백질을 통해 세계 최초로 신경세포내의 pH농도 조절 및 상호작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker) 박사 연구팀은 빛을 통해 뇌 활동을 측정하여 실시간으로 산성도(pH)도 조절이 가능한 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 권위 있는 해외 학술지인 ‘Scientific Reports’ 4월 4일자 온라인판에 게재되었다. 2011년 미래창조과학부(장관 최양희)의 세계적 수준의 연구센터(WCI, World Class Institute)사업의 유치 과학자로 초빙되어 현재 KIST 정규직 연구원으로 재직 중인 브래들리 베이커 박사는 위와 같은 센서의 이름을 우리말 ‘파도, Pado’로 정하였는데, 센서를 통해 측정된 산성도와 전압 활동 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻었다. 브래들리 베이커 박사는 2015년 뇌 속 신경활동의 시각적 관찰이 가능한 제 1호 탐침 ‘봉우리, Bongwoori’(*용어설명)에 이어, 두 번째로 ‘파도, Pado’개발에 성공한 것으로 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과이기에 그 의미가 더욱 깊다. 브래들리 베이커 박사 연구팀은 수소이온통로 단백질과 뇌에서 발현 가능한 형광물질을 이용하여 형광단백질 센서 ‘파도’를 개발하였고, 이를 배양이 용이하여 일반적으로 생물학 실험에 사용되는 HEK 293세포(인간배아신장유래세포)에 발현시켜 pH에 변화에 따라 연결된 다른 세포가 연동됨을 증명하였다. 이 연구결과는 HEK 293세포와 유사하게 전기적으로 연결되어 있는 억제성 뉴런은 물론이고 심장, 신장 등의 연구에도 적용이 가능하며, 추후 ‘파도, Pado’를 이용한 산성도 변화관찰은 물론 산성도 조절을 통해 뇌 세포간의 상호작용 및 다양한 연구 진행이 가능할 것으로 보인다. 또한, ‘파도’는 기존의 ‘봉우리’에서 관찰이 가능하였던 전압과 빛의 세기와의 연관성을 실험적으로 증명할 수 있었는데, 이러한 원리규명을 통하여 그 기능이 향상된 3호 탐침이 개발 중이다. 베이커 박사는 “본 연구로, 신경세포부터 면역세포에 이르기까지 건강상태와 질병상태에서 pH의 역할을 파악할 수 있었고, 향후 파킨슨병과 같이 억제성 뉴런의 이상으로 발생되는 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하는데 일조할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. * (논문명) Pado, a fluorescent protein with proton channel activity can optically monitor membrane potential, intracellular pH, and map gap junctions - (제1저자) Bok Eum Kang - (교신저자) Bradley J. Baker <그림자료> <그림 1> 형광단백질센서 ‘파도, Pado’의 구조 S1-S4는 전압을 감지하며, 수소이온농도를 조절하는 수소이온통로의 역할을 가지며, SE A227D는 수소이온통로의 변화 혹은 S1-S4에서 감지되는 전압변화에 따라 형광세기를 변화시키는 역할을 한다. <그림 2> 왼쪽사진은 파도를 발현하는 HEK293 세포사진이고, 빨간선은 전기적 활동과 pH농도변화에 따른 형광세기 변화를 파란선은 수소이온이 세포막을 통과하면서 발생하는 전류의 변화를 나타냄. 수소이온이 통과하면서 발생하는 전류 1nA(전류의 단위; 암페어(ampere)의 10억분의 1)당 형광신호 변화량이 약 15% 변화하는 것을 관찰할 수 있음. <그림 3> ‘파도’로 관찰한 전압과 pH이미지 전압은 파란색, pH는 빨간색을 보여줌. 세포는 전압의 변화를 보여주며 파란색으로 시작한다. 3670번 사진에서 세포의 왼쪽 아래 코너에서 pH변화가 보이기 시작하고, 4090사진에서 위쪽 오른쪽 세포의 코너에서 pH가 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 4450사진에서는 pH의 움직임이 세포 전역에서 파도처럼 퍼져있다. 각 사진번호는 밀리세컨드(1000분의 1초)를 나타내며, 이 과정은 대략 1초가 소요된다. <그림 4> ‘파도’를 억제성 뉴런에 적용한 예상도 초록색으로 표기된 파도가 발현함에 따라 한 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)에서의 변화가 다른 억제성 뉴런(Inhibitory Neuron)로 이동하는 것을 볼 수 있다.