뇌의 신경세포 활동을 실시간으로 볼 수 있는 형광 단백질센서‘봉우리’개발 - 뇌의 정보 전달 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 초고속으로 뇌 전역에서 일어나는 신호를 실시간으로 한 눈에 볼 수 있는 가능성 열어 - 해외 유치과학자의 성과로 개발된 센서를 순우리말 ‘봉우리’로 작명 뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 해외 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 신경세포의 전기적 활동을 시각적 신호로 전환할 수 있는 형광단백질 센서 ‘봉우리’를 개발했다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀은 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에 1월 7일 게재되었다.(논문명 : Combinatorial Mutagenesis of the Voltage-Sensing Domain Enables the Optical Resolution of Action Potentials Firing at 60Hz by a Genetically Encoded Fluorescent Sensor of Membrane Potential) 신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다. 연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다. 기존의 형광 단백질 센서는 40 밀리초의 반응시간으로 활동전위를 측정할 수 있었다. ‘봉우리’는 8 밀리초로 측정이 가능해 센서의 시간 해상도* (Time Resolution)를 5배로 앞당겼다. 일반적인 활동 전위가 2 밀리초로 일어난다는 점을 감안할 때 봉우리의 시간해상도는 활동 전위 파악에 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다. * 시간해상도(Time resolution) : 센서가 신호 또는 화상을 얼마나 빠른 속도로 기록할 수 있는지를 나타내는 지표 뿐만 아니라, ‘봉우리’는 60 Hz(1 초에 60번)로 발화(Fire)되는 활동전위를 측정할 수 있다. 이는 세계적으로 보고된 센서 중 가장 빠른 센싱 속도로, 일반적인 세포의 발화는 50~60 Hz 로 일어나기 때문에 봉우리를 사용하게 되면 대부분의 세포의 신경전달 상태를 파악하는 것이 가능하다. * 발화(Fire) : 세포가 신호를 받고 다른 세포로 신호를 전달하는 것 ‘봉우리’를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있기 때문에 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 ‘봉우리’를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다. 브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 되었고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 되었다. 머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원되었다. ○ 그림자료 그림 1) 세포막에서 발현하는 봉우리 단백질의 모양. S1-S4는 전압을 센싱하는 단백질 구조를 나타내고 SE A227D는 형광을 내는 단백질 구조를 나타낸다. 주위에 있는 공과 꼬리는 세포막을 형성하는 지방분자들을 표시한다. 그림 2) 왼쪽사진은 ‘봉우리’를 발현하는 하나의 신경세포를 찍은 사진이고 빨간선은 신경세포에서 발현하는 ‘봉우리’의 형광세기의 시간적 변화를 나타내고, 파란선은 자극이 전해질 때 빨간선과 동일한 신경세포에서의 전압의 변화를 시간적으로 나타냄. 봉우리는 12밀리초(0.012초) 정도로 빠른 신경세포 활동도 광학적으로 변환이 가능하며, 신경활동의 변화를 보여주는 파란선이 변할때마다 형광세기인 빨간선도 같이 변하는 것을 관찰 할 수 있음 그림 3) 봉우리를 통해 뇌가 기능하는 모습을 실시간으로 관찰. 위의 왼쪽사진은 봉우리센서가 해마에서 발현하고 있는 모습. 뇌 자극 후 8 밀리초 후에 막전압이 변화하는 모습을 색으로 표시하였음. 박스는 해마의 0.5 cm X 0.5 cm 지역을 나타냄

뇌의 신경세포 활동을 실시간으로 볼 수 있는 형광 단백질센서‘봉우리’개발 - 뇌의 정보 전달 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 초고속으로 뇌 전역에서 일어나는 신호를 실시간으로 한 눈에 볼 수 있는 가능성 열어 - 해외 유치과학자의 성과로 개발된 센서를 순우리말 ‘봉우리’로 작명 뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 해외 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 신경세포의 전기적 활동을 시각적 신호로 전환할 수 있는 형광단백질 센서 ‘봉우리’를 개발했다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀은 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에 1월 7일 게재되었다.(논문명 : Combinatorial Mutagenesis of the Voltage-Sensing Domain Enables the Optical Resolution of Action Potentials Firing at 60Hz by a Genetically Encoded Fluorescent Sensor of Membrane Potential) 신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다. 연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다. 기존의 형광 단백질 센서는 40 밀리초의 반응시간으로 활동전위를 측정할 수 있었다. ‘봉우리’는 8 밀리초로 측정이 가능해 센서의 시간 해상도* (Time Resolution)를 5배로 앞당겼다. 일반적인 활동 전위가 2 밀리초로 일어난다는 점을 감안할 때 봉우리의 시간해상도는 활동 전위 파악에 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다. * 시간해상도(Time resolution) : 센서가 신호 또는 화상을 얼마나 빠른 속도로 기록할 수 있는지를 나타내는 지표 뿐만 아니라, ‘봉우리’는 60 Hz(1 초에 60번)로 발화(Fire)되는 활동전위를 측정할 수 있다. 이는 세계적으로 보고된 센서 중 가장 빠른 센싱 속도로, 일반적인 세포의 발화는 50~60 Hz 로 일어나기 때문에 봉우리를 사용하게 되면 대부분의 세포의 신경전달 상태를 파악하는 것이 가능하다. * 발화(Fire) : 세포가 신호를 받고 다른 세포로 신호를 전달하는 것 ‘봉우리’를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있기 때문에 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 ‘봉우리’를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다. 브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 되었고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 되었다. 머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원되었다. ○ 그림자료 그림 1) 세포막에서 발현하는 봉우리 단백질의 모양. S1-S4는 전압을 센싱하는 단백질 구조를 나타내고 SE A227D는 형광을 내는 단백질 구조를 나타낸다. 주위에 있는 공과 꼬리는 세포막을 형성하는 지방분자들을 표시한다. 그림 2) 왼쪽사진은 ‘봉우리’를 발현하는 하나의 신경세포를 찍은 사진이고 빨간선은 신경세포에서 발현하는 ‘봉우리’의 형광세기의 시간적 변화를 나타내고, 파란선은 자극이 전해질 때 빨간선과 동일한 신경세포에서의 전압의 변화를 시간적으로 나타냄. 봉우리는 12밀리초(0.012초) 정도로 빠른 신경세포 활동도 광학적으로 변환이 가능하며, 신경활동의 변화를 보여주는 파란선이 변할때마다 형광세기인 빨간선도 같이 변하는 것을 관찰 할 수 있음 그림 3) 봉우리를 통해 뇌가 기능하는 모습을 실시간으로 관찰. 위의 왼쪽사진은 봉우리센서가 해마에서 발현하고 있는 모습. 뇌 자극 후 8 밀리초 후에 막전압이 변화하는 모습을 색으로 표시하였음. 박스는 해마의 0.5 cm X 0.5 cm 지역을 나타냄

뇌의 신경세포 활동을 실시간으로 볼 수 있는 형광 단백질센서‘봉우리’개발 - 뇌의 정보 전달 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 초고속으로 뇌 전역에서 일어나는 신호를 실시간으로 한 눈에 볼 수 있는 가능성 열어 - 해외 유치과학자의 성과로 개발된 센서를 순우리말 ‘봉우리’로 작명 뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 해외 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 신경세포의 전기적 활동을 시각적 신호로 전환할 수 있는 형광단백질 센서 ‘봉우리’를 개발했다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀은 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에 1월 7일 게재되었다.(논문명 : Combinatorial Mutagenesis of the Voltage-Sensing Domain Enables the Optical Resolution of Action Potentials Firing at 60Hz by a Genetically Encoded Fluorescent Sensor of Membrane Potential) 신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다. 연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다. 기존의 형광 단백질 센서는 40 밀리초의 반응시간으로 활동전위를 측정할 수 있었다. ‘봉우리’는 8 밀리초로 측정이 가능해 센서의 시간 해상도* (Time Resolution)를 5배로 앞당겼다. 일반적인 활동 전위가 2 밀리초로 일어난다는 점을 감안할 때 봉우리의 시간해상도는 활동 전위 파악에 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다. * 시간해상도(Time resolution) : 센서가 신호 또는 화상을 얼마나 빠른 속도로 기록할 수 있는지를 나타내는 지표 뿐만 아니라, ‘봉우리’는 60 Hz(1 초에 60번)로 발화(Fire)되는 활동전위를 측정할 수 있다. 이는 세계적으로 보고된 센서 중 가장 빠른 센싱 속도로, 일반적인 세포의 발화는 50~60 Hz 로 일어나기 때문에 봉우리를 사용하게 되면 대부분의 세포의 신경전달 상태를 파악하는 것이 가능하다. * 발화(Fire) : 세포가 신호를 받고 다른 세포로 신호를 전달하는 것 ‘봉우리’를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있기 때문에 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 ‘봉우리’를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다. 브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 되었고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 되었다. 머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원되었다. ○ 그림자료 그림 1) 세포막에서 발현하는 봉우리 단백질의 모양. S1-S4는 전압을 센싱하는 단백질 구조를 나타내고 SE A227D는 형광을 내는 단백질 구조를 나타낸다. 주위에 있는 공과 꼬리는 세포막을 형성하는 지방분자들을 표시한다. 그림 2) 왼쪽사진은 ‘봉우리’를 발현하는 하나의 신경세포를 찍은 사진이고 빨간선은 신경세포에서 발현하는 ‘봉우리’의 형광세기의 시간적 변화를 나타내고, 파란선은 자극이 전해질 때 빨간선과 동일한 신경세포에서의 전압의 변화를 시간적으로 나타냄. 봉우리는 12밀리초(0.012초) 정도로 빠른 신경세포 활동도 광학적으로 변환이 가능하며, 신경활동의 변화를 보여주는 파란선이 변할때마다 형광세기인 빨간선도 같이 변하는 것을 관찰 할 수 있음 그림 3) 봉우리를 통해 뇌가 기능하는 모습을 실시간으로 관찰. 위의 왼쪽사진은 봉우리센서가 해마에서 발현하고 있는 모습. 뇌 자극 후 8 밀리초 후에 막전압이 변화하는 모습을 색으로 표시하였음. 박스는 해마의 0.5 cm X 0.5 cm 지역을 나타냄

뇌의 신경세포 활동을 실시간으로 볼 수 있는 형광 단백질센서‘봉우리’개발 - 뇌의 정보 전달 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 초고속으로 뇌 전역에서 일어나는 신호를 실시간으로 한 눈에 볼 수 있는 가능성 열어 - 해외 유치과학자의 성과로 개발된 센서를 순우리말 ‘봉우리’로 작명 뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 해외 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 신경세포의 전기적 활동을 시각적 신호로 전환할 수 있는 형광단백질 센서 ‘봉우리’를 개발했다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀은 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에 1월 7일 게재되었다.(논문명 : Combinatorial Mutagenesis of the Voltage-Sensing Domain Enables the Optical Resolution of Action Potentials Firing at 60Hz by a Genetically Encoded Fluorescent Sensor of Membrane Potential) 신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다. 연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다. 기존의 형광 단백질 센서는 40 밀리초의 반응시간으로 활동전위를 측정할 수 있었다. ‘봉우리’는 8 밀리초로 측정이 가능해 센서의 시간 해상도* (Time Resolution)를 5배로 앞당겼다. 일반적인 활동 전위가 2 밀리초로 일어난다는 점을 감안할 때 봉우리의 시간해상도는 활동 전위 파악에 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다. * 시간해상도(Time resolution) : 센서가 신호 또는 화상을 얼마나 빠른 속도로 기록할 수 있는지를 나타내는 지표 뿐만 아니라, ‘봉우리’는 60 Hz(1 초에 60번)로 발화(Fire)되는 활동전위를 측정할 수 있다. 이는 세계적으로 보고된 센서 중 가장 빠른 센싱 속도로, 일반적인 세포의 발화는 50~60 Hz 로 일어나기 때문에 봉우리를 사용하게 되면 대부분의 세포의 신경전달 상태를 파악하는 것이 가능하다. * 발화(Fire) : 세포가 신호를 받고 다른 세포로 신호를 전달하는 것 ‘봉우리’를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있기 때문에 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 ‘봉우리’를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다. 브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 되었고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 되었다. 머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원되었다. ○ 그림자료 그림 1) 세포막에서 발현하는 봉우리 단백질의 모양. S1-S4는 전압을 센싱하는 단백질 구조를 나타내고 SE A227D는 형광을 내는 단백질 구조를 나타낸다. 주위에 있는 공과 꼬리는 세포막을 형성하는 지방분자들을 표시한다. 그림 2) 왼쪽사진은 ‘봉우리’를 발현하는 하나의 신경세포를 찍은 사진이고 빨간선은 신경세포에서 발현하는 ‘봉우리’의 형광세기의 시간적 변화를 나타내고, 파란선은 자극이 전해질 때 빨간선과 동일한 신경세포에서의 전압의 변화를 시간적으로 나타냄. 봉우리는 12밀리초(0.012초) 정도로 빠른 신경세포 활동도 광학적으로 변환이 가능하며, 신경활동의 변화를 보여주는 파란선이 변할때마다 형광세기인 빨간선도 같이 변하는 것을 관찰 할 수 있음 그림 3) 봉우리를 통해 뇌가 기능하는 모습을 실시간으로 관찰. 위의 왼쪽사진은 봉우리센서가 해마에서 발현하고 있는 모습. 뇌 자극 후 8 밀리초 후에 막전압이 변화하는 모습을 색으로 표시하였음. 박스는 해마의 0.5 cm X 0.5 cm 지역을 나타냄

뇌의 신경세포 활동을 실시간으로 볼 수 있는 형광 단백질센서‘봉우리’개발 - 뇌의 정보 전달 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광전압센서 개발 - 초고속으로 뇌 전역에서 일어나는 신호를 실시간으로 한 눈에 볼 수 있는 가능성 열어 - 해외 유치과학자의 성과로 개발된 센서를 순우리말 ‘봉우리’로 작명 뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 해외 유치과학자가 주축이 된 국내 연구진이 신경세포의 전기적 활동을 시각적 신호로 전환할 수 있는 형광단백질 센서 ‘봉우리’를 개발했다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀은 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서를 개발하였다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에 1월 7일 게재되었다.(논문명 : Combinatorial Mutagenesis of the Voltage-Sensing Domain Enables the Optical Resolution of Action Potentials Firing at 60Hz by a Genetically Encoded Fluorescent Sensor of Membrane Potential) 신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다. 연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다. 기존의 형광 단백질 센서는 40 밀리초의 반응시간으로 활동전위를 측정할 수 있었다. ‘봉우리’는 8 밀리초로 측정이 가능해 센서의 시간 해상도* (Time Resolution)를 5배로 앞당겼다. 일반적인 활동 전위가 2 밀리초로 일어난다는 점을 감안할 때 봉우리의 시간해상도는 활동 전위 파악에 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다. * 시간해상도(Time resolution) : 센서가 신호 또는 화상을 얼마나 빠른 속도로 기록할 수 있는지를 나타내는 지표 뿐만 아니라, ‘봉우리’는 60 Hz(1 초에 60번)로 발화(Fire)되는 활동전위를 측정할 수 있다. 이는 세계적으로 보고된 센서 중 가장 빠른 센싱 속도로, 일반적인 세포의 발화는 50~60 Hz 로 일어나기 때문에 봉우리를 사용하게 되면 대부분의 세포의 신경전달 상태를 파악하는 것이 가능하다. * 발화(Fire) : 세포가 신호를 받고 다른 세포로 신호를 전달하는 것 ‘봉우리’를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있기 때문에 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 ‘봉우리’를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다. 브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 되었고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 되었다. 머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원되었다. ○ 그림자료 그림 1) 세포막에서 발현하는 봉우리 단백질의 모양. S1-S4는 전압을 센싱하는 단백질 구조를 나타내고 SE A227D는 형광을 내는 단백질 구조를 나타낸다. 주위에 있는 공과 꼬리는 세포막을 형성하는 지방분자들을 표시한다. 그림 2) 왼쪽사진은 ‘봉우리’를 발현하는 하나의 신경세포를 찍은 사진이고 빨간선은 신경세포에서 발현하는 ‘봉우리’의 형광세기의 시간적 변화를 나타내고, 파란선은 자극이 전해질 때 빨간선과 동일한 신경세포에서의 전압의 변화를 시간적으로 나타냄. 봉우리는 12밀리초(0.012초) 정도로 빠른 신경세포 활동도 광학적으로 변환이 가능하며, 신경활동의 변화를 보여주는 파란선이 변할때마다 형광세기인 빨간선도 같이 변하는 것을 관찰 할 수 있음 그림 3) 봉우리를 통해 뇌가 기능하는 모습을 실시간으로 관찰. 위의 왼쪽사진은 봉우리센서가 해마에서 발현하고 있는 모습. 뇌 자극 후 8 밀리초 후에 막전압이 변화하는 모습을 색으로 표시하였음. 박스는 해마의 0.5 cm X 0.5 cm 지역을 나타냄

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 2014년도 과학기술출연기관장협의회(이하 과출협) 제4회 총회를 통하여 이병권 원장이 과출협 회장으로 선출되었다고 밝혔다. 과출협은 과학기술분야 정부출연기관(이하 출연기관)의 공동관심사에 관한 협의 및 상호 협력도모를 위해 설립된 기관장 협의체이다. 대덕연구단지, 서울, 창원, 광주 등에 소재한 51개 출연기관이 회원으로 참여하고 있다. 신임 이병권 회장은 KIST 부원장을 거쳐 2014년 3월 KIST 23대 원장으로 선임되었으며, 창의적 연구환경 조성, 투명한 경영체계 확립 등을 주도하는 안정적 리더쉽을 발휘하였다. 또한, GWP(Great Work Place) 3년 연속 대상 수상, 공공기관 청렴도 평가 2년 연속 1등급 달성 등 KIST의 변화와 혁신에 앞장서며 경영 능력을 인정받았다. 또한 과출협 산하 출연(연)의 부원장/선임본부장의 협의체인 출연(연)발전위원회 위원장을 역임하며 출연(연)간 협력·융합과제의 도출을 이끌고 중소기업 지원을 강화하는 등 출연(연)의 자발적 역할 변화와 기능 재정립을 주도해왔다. 이런 공로를 인정받아 신임 회장으로 선출된 이병권 원장은 2년간 과출협을 이끌게 된다. 이병권 회장은 “51개 출연기관들의 소통과 협력을 강화하고 정부와의 원활한 협력 도모를 통하여, 출연기관이 국가·사회적 현안 문제를 해결하고 국민 행복과 국가 발전에 이바지하는 주역으로 거듭날 수 있도록 회장으로서 최선을 다하겠다”는 포부를 밝혔다. <KIST 이병권 원장>

2014년 기관 업무보고(연구지원부문)

궁극의 디스플레이‘양자점 발광소자’효율 변화의 원인 밝혀 - 효율 저하 원인 규명으로 저비용, 고색순도, 고휘도 양자점 발광소자 개발 앞당겨 - 높은 안정성에 세계 최대 밝기 구현, 차세대 디스플레이 및 조명에 적용 가능성 열어 국내 연구진이 에너지 효율이 높고 밝은데다 다양한 색상 구현이 가능해 궁극의 디스플레이로 각광받고 있는 ‘양자점 발광소자’의 효율에 영향을 미치는 핵심 요인을 밝혔다. 연구진은 발광소자의 발광층에서 발생하는 양자점들 사이의 에너지 전달 현상이 소자의 효율을 저하시킨다는 사실을 밝혔다. 뿐만 아니라, 이러한 에너지 전달 현상을 최소화하기 위해 연구진은 양자점의 구조를 변화시켰고 이를 바탕으로 적색 소자중 세계 최고 밝기를 지니는 고효율 양자점 발광소자를 제작하는데 성공했다. 이번에 개발된 기술은 차세대 고색순도 디스플레이 및 고휘도 조명등에 폭넓게 적용될 전망이다. 한국과학기술연구원(원장 이병권) 광전하이브리드연구센터의 배완기 박사팀은 한국과학기술원(KAIST) 이도창 교수팀 및 서울대학교 이창희 교수팀과의 공동연구로, 양자점간의 에너지 전달현상이 최소화된 양자점 광원소재를 개발하였고, 이를 전계 발광소자에 적용하여 세계 최대 밝기를 보이는 고휘도, 고성능, 고색순도 양자점 발광소자를 개발하였다. 본 연구는 ‘Influence of Shell Thickness on the Performance of Light-Emitting Devices Based on CdSe/Zn1-XCdXS Core/Shell Heterostructured Quantum Dots’ 라는 제목으로 재료분야 과학전문지 ‘Advanced Materials'지 12월 17일호에 게재되었다. 양자점은 1-20나노미터(1 나노미터는 10억분의 1미터) 크기를 지니는 동그란 모양의 반도체 나노입자이다. 크기, 모양 및 조성에 따라 방출하는 빛의 파장이 손쉽게 조절되고, 높은 광효율 및 우수한 색순도를 지니고 있어, 차세대 디스플레이 및 조명 소재로 각광받고 있다. ‘양자점 전계 발광소자“는 디스플레이나 조명 같이 빛을 내는 제품을 만들기 위한 소자 내부에 양자점들을 필름 형태로 코팅하고 전기를 공급한 것이다. 양자점 소자의 효율을 규명하기 위해 연구진은 동일한 크기의 빛을 내는 양자점 코어(Core) 위에 다양한 두께를 가진 껍질층 (Shell)을 단계적으로 형성하였다. 이렇게 만들어진 다양한 양자점은 코어 크기가 동일하기 때문에 광학적 특성이 유사하지만, 그 껍질(Shell)의 두께 차이로 인해 에너지 전달 효율에 큰 차이를 지니게 된다. 얇은 두께의 껍질을 지니는 양자점 필름 내에서는 에너지 전달(Energy Transfer) 현상이 가속화되고 이는 급격한 광효율 저하 현상으로 이어졌다. 반면 두꺼운 껍질의 양자점은 코어 간 간격이 멀어지고 그에 따라 에너지 전달 현상이 감소하여 높은 필름 효율을 나타내는 것을 확인했다. 한편 높은 전하 밀도에서 안정성이 떨어지는 문제로 상업화가 어려운 발광소자의 한계를 개선하기 위해 연구진은 낮은 전하 밀도에서 높은 전하 밀도까지 전하량을 달리하여 양자점 내부로 들어가는 전하량의 변화가 양자점의 소자 특성과 어떻게 연관되는지 분석하였다. 그 결과 낮은 전하 밀도에서 높은 전하 밀도까지 전 영역대에 걸쳐, 두꺼운 껍질의 양자점이 높은 광자 변환 효율과 소자 구동 안정성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 활용해 적색 발광소자를 개발했고 개발된 소자는 높은 전하 밀도에서도 뛰어난 안정성과 현재까지 보고된 소자 중 세계 최대 밝기인 10만 nit(니트) 밝기를 구현했다. 현재까지 양자점을 활용하여 개발된 발광소자는 색순도가 높은 장점이 있지만, 실제 디스플레이 제품에 쓰이는 밝기 영역에서는 효율이 비교적 낮고 안정성이 저하되는 등 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었다. 본 연구를 바탕으로 양자점 구조에 따른 발광소자의 효율 문제 및 안정성 문제를 해결하여 차세대 디스플레이 및 조명등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 배완기 박사는 “이번에 규명된 양자점 발광소자의 효율저하 원인을 해결하고, 또한 소자의 구동 안정성을 확보하면, 양자점 기반의 차세대 고색순도 디스플레이 및 고휘도 조명의 상용화를 앞당길 수 있을 것 보인다”며, “앞으로 높은 안정성을 지닌 양자점 소재 및 소자 구조 개발에 집중하여, 양자점 기반 기술의 상용화에 힘쓸 계획이다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유사업의 지원으로 추진되었다. (연구자)KIST 배완기 박사 <그림 1. KIST에서 개발된 고휘도, 고색순도 양자점 재료 구조 및 전자현미경 사진> <그림 2. 양자점 발광소자, (좌) 단면 현미경 사진 및 (우) 발광 사진>