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[기후의 역습(31)] 남극 빙하 녹는 경로, 센서 부착 물개와 드론으로 밝혀내
- 과학자들이 센서가 장착된 물개와 드론을 활용해 남극 빙하의 녹는 경로를 확인했다. 미국 캘리포니아 공과대학(칼텍, Caltech) 연구팀이 남극 빙하가 녹은 물이 이동하는 경로를 센서를 부착한 물개와 해저 드론 등을 활용해 추적하는 데 성공했다. 이는 남극 빙하 유실과 해수면 상승 예측에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 연구팀은 남미에 가장 가까운 남극 대륙의 벨링하우젠 해로 알려진 지역에서 지금까지 알려지지 않은 해류를 발견하고, 각기 다른 빙붕에서 발생한 녹은 물이 두 갈래의 경로로 흐른다는 사실을 확인했다. 그 중 하나는 해안선을 따라 이동하며 다른 빙붕의 융해를 가속화하는 반면, 나머지 하나는 멀리 외해로 빠져나가는 것으로 밝혀졌다. 또한 물개가 수집한 데이터를 통해 '물개 해구(Seal Trough)'라는 새로운 지형을 발견하기도 했다. 나사(NASA)의 위성 데이터에 따르면 그린란드와 남극은 1년에 각각 283기가톤과 145기가톤의 속도로 질량을 잃고 있다. 1기가톤은 10억미터톤, 또는 완전히 적재된 미국 항공모함 1만척에 해당한다. 뉴욕 센트럴 파크의 길이는 4km, 폭은 0.8km다. 이곳에 1기가톤의 얼음을 쌓으면 높이가 341m에 이른다. 남극의 빙붕은 오늘날 유래없는 속도로 녹고 있으며, 대부분의 피해는 빙붕 아래에서 따뜻한 물이 유입되면서 발생하고 있다. 육지의 따뜻한 물은 바다로 유입되면 남극 연안으로 운반돼, 하류에 있는 빙붕이 녹는 속도가 가속화된다. 빙붕이 녹으면서 발생하는 해수면 상승을 이해하고 예측하기 위해서는 빙붕이 녹는 경로에 대한 지도가 필요하다. 센서 장착된 물개 활용 여러 기관의 연구진이 협력해서 먹이를 찾아 바다를 이동하는 물개에게 잠수할 때 해양의 특성을 측정하는 소형 센서를 장착다. 이 프로그램은 MEOP(해양 포유류 극지에서 극지까지 탐험하기)라고 하며, 수집된 데이터는 연구자들에게 공개적으로 제공된다. 톰슨 연구소의 선임 연구 과학자인 마르 플렉사스와 그녀의 연구팀은 이 데이터와 톰슨 연구소의 해저 해양 글라이더에서 수집한 데이터를 결합해 벨링하우젠과 아문젠 해역의 수은, 염분, 산소함량, 입자 농도와 같은 특정 정보를 수집했다. 이번 연구는 개별 빙붕의 융해가 남극 전체 해류 순환과 다른 빙붕의 융해에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 중요한 발판을 마련했다는 평가를 받는다. 나아가 전 지구적 해수면 상승 예측 모델의 정확성을 높이는 데도 기여할 것으로 전망된다. 엔디 톰슨 칼렉 교수는 "이전에는 각 빙붕이 독립적인 시스템이라고 생각했지만, 이제는 남극 해안을 따라 흐르는 해류를 통해 여러 빙붕이 연결되어 있다는 것은 알게 됐다"며 "한 빙붕에서 일어나는 일이 다른 빙붕에 연쇄적인 영향을 미치므로 정확한 변화 예측을 위해서는 이러한 상호작용을 이해해야 한다"고 강조했다.
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- IT/바이오
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[기후의 역습(31)] 남극 빙하 녹는 경로, 센서 부착 물개와 드론으로 밝혀내
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
- 지구 근처에서 혜성처럼 움직이며 물과 얼음을 포함할 수 있는 소행성인 '어두운(Dark) 혜성'은 대부분 화성과 목성 사이에서 왔으며 지구 근처에 있는 모든 물체의 최대 60%를 차지할 수 있다는 연구 결과가 나왔다고 스페이스닷컴이 전했다. 더불어 이들 어두운 혜성이 과거 지구에 물을 공급했을 가능성도 제기됐다. 어두운 혜성은 2023년 코넬 대학의 대릴 셀리그먼이 이끄는 연구팀이 6개를 식별하면서 처음으로 드러났다. 소행성은 태양의 중력에 따라 궤도를 돈다. 그러나 여섯 개의 어두운 혜성은 태양의 중력만으로는 설명할 수 없는 궤도를 나타낸다. 일반적으로 혜성은 가열될 때 얼음이 승화되어 추진력을 받아 속도를 높이며 가스를 방출해 궤도를 변경할 수 있다. 방출된 가스는 혜성을 안개와 같은 물질로 덮고 꼬리를 형성한다. 그러나 셀리그먼 팀이 발견한 6개의 어두운 혜성은 가스 방출로 인한 안개나 꼬리가 없다. 눈에 보이는 가스 방출이 없음에도 불구하고, 혜성의 얼음이 승화되는 방출은 있을 것으로 추정됐고, 이 때문에 어두운 혜성이라는 별명이 붙었다. 셀리그먼 교수가 포함된 미시간 대학의 아스터 테일러 교수 연구팀은 계속해서 컴퓨터 시뮬레이션에 동적 모델링 기술을 적용함으로써 어두운 혜성의 궤도를 추적, 이 혜성이 어디에서 왔는지를 알아냈다. 이 어두운 혜성이 지구 근처 궤도에 도달할 수 있음도 확인했다. 연구 결과는 이카루스 저널에 발표됐다. 연구 결과, 어두운 혜성은 거의 화성과 목성 사이의 소행성대에서 유래한 것으로 나타났다. 또한 이번 연구는 소행성대에 있는 어두운 혜성 표면 아래에 많은 얼음이 존재할 것이라고 예측했던 1980년대의 초기 이론을 증명했다. 나사의 다운(Dawn) 임무는 왜행성 세레스에서 얼음을 발견했고 소행성 베스타에서 얼음이 있을 것이라는 강한 증거를 발견했는데, 이들 둘 다 주요 소행성대다. 그러나 세레스와 베스타는 대부분의 소행성보다 훨씬 크며, 태양계 초기에 완전한 행성으로 성장하지 못한 원시행성의 잔해로 추정된다. 훨씬 더 작은 소행성에도 얼음이 존재하는지 여부는 확실하지 않았지만, 이번 어두운 혜성 연구에 따르면 실제로 얼음이 존재하는 것으로 나타났다. 활성 소행성(꼬리까지 달려 혜성처럼 움직이는 소행성대의 물체)과 어두운 혜성 사이의 연관성에 대해서는 여전히 논쟁이 있지만, 테일러 박사는 어두운 혜성 및 활성 소행성이 지구의 물 공급원이었을 가능성이 있다고 추정했다. 테일러는 "어두운 혜성이 지구에 물을 공급했는지를 확신할 수는 없지만, 지구의 물 공급에 대한 논쟁이 여전히 남아 있으며, 우리의 연구는 어두운 혜성이 태양계의 나머지 부분 어딘가에서 지구가 얼음을 얻는 또 다른 경로라는 것을 보여준다"고 말했다. 연구팀의 계산과 모델링에 따르면 지구 근처 물체의 최대 60%가 어두운 혜성일 수 있다. 나사의 오시리스 렉스(OSIRIS-REx) 탐사선이 최근 샘플을 채취했던 소행성 베누(Bennu)도 가스 방출 활동을 했음이 드러났으며, 이는 지구에서는 볼 수 없지만 미세한 가스를 방출하는 소행성이 흔할 수 있음을 암시한다. 지구 근처를 공전하는 물체의 수명은 중력에 의해 태양이나 목성 또는 행성으로 흩어지기까지 약 1000만 년 정도다. 따라서 지구 근처의 물체가 현재 숫자를 유지하려면 어두운 혜성이 소행성대에서 나오는 새로운 물체로 지속적으로 보충되어야 한다. 테일러는 "우리가 생각했던 것보다 소행성대에 더 많은 얼음이 있을 수 있다"고 말했다. 어두운 혜성은 '2003 RM'을 제외하고 일반적으로 크기가 수십m 정도에 불과하며 빠르게 회전하고 있다. 파악하지 못하는 상당히 적은 양의 가스 방출은 어두운 혜성의 빠른 회전과 작은 크기의 원인이다. 얼음 조각이 승화하기 시작하면 생성된 증기가 소행성 표면을 통해 폭발하며 가스 방출 기둥을 생성한다. 가스 방출에 의해 전달된 추진력은 소행성을 결국에는 부서질 만큼 빠르게 회전하도록 한다. 그 결과 생성된 파편도 가스를 배출하면서 회전하기 시작하고 점차 오늘날 우리가 볼 수 있는 작은 어두운 혜성의 크기로 작아진다고 연구팀은 밝혔다.
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
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[신소재 신기술(76)] 그래핀 유래 신소재 EGNITE, 신경 보철 성능 강화
- 그래핀에서 파생된 신소재 EGNITE가 신경 보철 성능을 크게 향상시켰다는 연구 결과가 나왔다. 스페인 바르셀로나에 위치한 UAB 신경과학 연구소(INc-UAB) 연구팀은 그래핀 유래 소재인 EGNITE 전극의 말초 신경 자극과 기록 능력을 장시간 연구해 이같은 결과를 얻었다고 메디컬 익스프레스가 지난 10일(현지시간) 보도했다. EGNITE(Engineered Graphene for Neural interface) 전극은 그래핀 유래 신소재로 만들어진 차세대 신경 인터스페이스 기술이다. 기존의 금속 미세 전극보다 크기가 작고 유연하며, 우수한 전기적 특성과 생체 적합성을 가지고 있어 신경 자극 등의 효율을 높일 수 있다. 절단 또는 신경 손상 환자는 팔다리의 운동과 감각 기능을 상실해 일상 생활에 제약을 받는다. 이러한 기능 회복을 위한 유일한 방법은 신경 보철이다. 신경 보철은 특정 감각을 유도하기 위해 신경을 자극하고. 운동 신호를 기록해 생체 공학 보철물로 전송하는 전극으로 구성된다. 신경 보철 설계에서 전극은 신경 내 소수의 축삭과만 선택적으로 상호작용할 수 있도록 충분히 작아야 한다. 기존 신경 보철에는 금, 백금, 산화이리듐과 같은 금속이 주로 사용됐다. 그러나 더 작은 전극 접점을 만들기 위해 전도성이 향상된 새로운 소재 개발이 필요했다. 이러한 요구에 부응해 그래핀과 그 유도체는 탁월한 전기적 특성을 바탕으로 차세대 미세 전극 개발에 활용되고 있다. 연구팀은 그래핀 유래 소재인 EGNITE의 말초 신경 자극 및 기록 능력을 연구하고, 장시간 기능 유지를 위한 생체 적합성을 검증했다. 연구 결과는 '어드밴스트 사이언스(Advanced Science)' 저널에 게재됐다. 이번 연구는 자비에 나바로 교수가 이끄는 INc-UAB의 신경 가소성 및 재생 연구팀과 INC2의 호세 가리도 연구팀의 협력으로 진행됐다. INC2는 신경 인터페이스와 함께 EGNITE 개발을 담당했다. 연구팀은 쥐 실험을 통해 쥐의 좌골 신경에 이식된 EGNITE 전극이 최대 60일 동안 선택적인 근육 활성화를 유도하는 것을 확인했다. 팀은 EGNITE 전극이 기존 금속 미세 전극보다 근육 활성화에 필요한 전류가 현저히 감소했다고 설명했다. EGNITE 전극은 크기가 작아 신경 내 특정 부위만 선택적으로 자극할 수 있어, 신경 보철 장치의 정확도와 효율성을 향상시켰다. 또한 그래핀의 우수한 전기 전도성을 바탕으로 신경 신호를 효과적으로 전달하고 기록할 수 있다. INc-UAB의 박사후 연구원이자 이 논문의 제1저자인 브루노 로드리게스-메이나는 "근육 활성화를 생성하는 데 필요한 전류의 감소는 다른 대형 금속 미세 전극과 비교할 때 현저한 차이가 있었다"고 말했다. 또한 EGINITE 전극은 생체 적합성이 우수해 이식된 인터페이스로 인한 기능 변화나 염증 반응이 관찰되지 않았다. 나바로 교수는 "이 연구의 다음 단계는 EGNITE 기반 기술의 최적화외 미주 신경 또는 척수 자극 시스템에 대한 임상 전 연구에의 적용으로 구성될 것이다"라고 말했다. 연구팀은 아울러 생체 전자 의학 분야에서 임상 적용을 위한 연구도 병행할 계획이다. EGNITE 전극은 신경 보철뿐만 아니라, 뇌-컴퓨터 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 또한 팔다리 절단 환자나 신경 손상 환자의 운동 및 감각 기능 회복에 기여해 삶의 질을 높일 것으로 기대된다.
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[신소재 신기술(76)] 그래핀 유래 신소재 EGNITE, 신경 보철 성능 강화
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[우주의 속삭임(21)] 중국, 달 샘플서 '그래핀' 발견…달 기원에 도전장
- 중국 달 탐사선이 달에서 채취한 샘플에서 자체 토착 탄소인 그래핀이 발견돼 달의 기원에 도전장을 내밀고 있다. 달의 기원에 대해서는 여러 가지 가설이 존재하지만, 현재 가장 유력한 가설은 '거대 충돌설'이다. 약 45억년 전 원시 지구와 화성 크기의 천체 테이아(Theia)가 충돌해 두 천체가 합쳐지고, 그, 충격으로 떨어져 나간 파편들이 지구 주위를 돌며 뭉쳐져 달이 형성됐다는 이론이다. 이 가설은 달 샘플의 화학적 구성, 달 공전 궤도, 지구와 달의 자전축 기울기 등 여러 증거를 통해 뒷받침되고 있다. 중국 지린 대학교 과학자들은 2020년 12월 창어 5호가 달 표면에서 채취한 샘플을 분석하는 과정에서 특이하게 그래핀을 발견했다. 연구팀은 자연 상태에서 생성된 '소수층 그래핀(few-layer graphene)'을 달 샘플에서 처음으로 발견했다고 국영 통신사 글로벌 타임스가 보도했다. 이는 향후 인류가 달 현지 자원을 활용하는 계획에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 욱각형 벌집 모양으로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 소재다. 그래핀은 원자 한 층으로 이루어져 세상에서 가장 얇은 물질이다. 쉽게 말하면 연필심에 사용되는 흑연을 아주 얇게 한 겹만 떼어낸 것으로 볼 수 있다. 이번 발견은 달의 초기 지질학적 진화 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있으며, 달이 지구와 소행성의 충돌로 형성되었고 탄소 대부분이 이 충돌에서 유래했다는 기존 이론에 의문을 제기할 수 있다고 퓨처리즘은 전했다. 연구팀은 "널리 받아들여지는 '거대 충돌 이론'은 (미국 우주선) 아폴로 샘플의 초기 분석에서 파생된 '탄소 결핍 달'이라는 개념에 의해 강력하게 뒷받침되어 왔다"고 논문에서 밝혔다. 그러나 이번 연구 결과는 달에서 '탄소 포집 과정'이 존재하며, '토착 탄소의 점진적 축적'이 일어났음을 시사한다. 이는 '달의 화학 성분 및 역사에 대한 이해를 재정립할 수 있는 발견'이라는 점에서 중요하다. 연구팀은 비파괴 화학 분석 방법인 '라만 분광법'을 사용하여 소수층 그래핀의 존재를 확인했다. 소수층 그래핀은 2~10개 층으로 이루어진 그래핀으로, 실험실에서도 제조될 수 있다. 연구팀은 이 물질이 태양풍이 달 표면을 강타하고 초기 화산 폭발이 일어나는 과정에서 형성되었을 가능성을 제시했다. 순수한 '토착 탄소'의 존재는 약 44억 5000만 년 전 화성 크기의 소행성이 지구와 충돌하여 달이 형성되었다는 기존 가설에 배치되는 점이다. 그러나 연구팀은 이전 연구 결과와 마찬가지로 운석 충돌이 달에서 흑연 탄소 형성에 기여했을 가능성도 인정했다. 연구팀은 "자연 그래핀의 특성에 대한 심층적인 연구는 달의 지질학적 진화에 대한 더 많은 정보를 제공할 것"이라고 말했다. 한편, 중국은 무인 달 탐사선 창어-6호가 세계 최초로 달 뒷면의 샘플을 채취해 지난 6월 25일 내몽골에 성공적으로 착륙했다. 창어-6호는 달 뒷면에 있는 거대한 분화구인 남극 에이컨 분지(South Pole-Aitken Basin) 분지에서 달 토양을 수집해 지구로 53일만에 귀환한 것. 최대 2kg(4.4 파운드)에 달하는 이 샘플은 지난 26일 새벽 베이징으로 공수돼 중국 우주 기술 아카데미(CAST)로 이송됐다. 스페이스닷컴에 따르면 중국이 달 뒷면에처 채취한 샘플은 2020년 창어-5호가 수집한 샘플과 마찬가지로 재료를 분류한 다음 중국 전역의 과학자 및 기관의 연구에 사용할 수 있도록 제공될 예정이다. 이 자료는 2년 후 국제 그룹과 연구자들의 응용 프로그램에 제공될 가능성이 높다고 한다. 미 항공우주국(나사·NASA)의 자금 지원을 받은 연구원들은 지난해 말 달 샘플에 대한 접근을 신청할 수 있는 특별 허가를 받았다. 과학자들은 이 샘플이 달, 지구, 태양계의 형성에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대하고 있다. 중국은 우주 강국으로 자리매김하기 위해 2026년 창어-7호를 달 남극에 발사하고, 2028년에는 창어-8호를 발사해 자원 활용에 집중할 계획이다. 아울러 중국은 2030년까지 우주비행사를 달 남극에 보낼 계획이다. 달 남극은 인간의 생존에 필수적인 물과 각종 희토류 등이 있는 것으로 알려져 인도와 미국 등 세계 각국의 탐사 목표지로 급부상했다.
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[우주의 속삭임(21)] 중국, 달 샘플서 '그래핀' 발견…달 기원에 도전장
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[우주의 속삭임(13)] 느린 태양풍의 미스터리, 태양 궤도 우주선 '솔라 오비터'가 밝혀
- 태양 궤도선 솔라 오비터(Solar Orbiter) 우주선의 첫 번째 태양 근접 여행으로 수집된 데이터에를 통해 느린 태양풍의 신비한 미스터리가 풀릴 실마리가 밝혀졌다고 전문 매체 PHYS가 전했다. 초당 수백 킬로미터의 속도로 이동하는 태양풍은 수년 동안 과학자들의 연구 대상이었다. 그런데 '네이처 천문학지(Nature Astronomy)'에 발표된 최근의 연구에서 마침내 태양풍이 어떻게 형성되는지가 밝혀졌다는 것이다. 이 연구는 영국 노섬브리아 대학교 스테판 야들리 박사팀이 수행했다. 태양풍은 전하를 띠는 플라즈마 입자가 태양에서 우주로 계속 유출되는 것을 말한다. 바람은 초속 500km을 기준으로, 그 이상일 경우 '빠름'으로, 그 미만을 '느림'으로 규정한다. 태양풍이 지구까지 날아와 대기에 부딪히면 북극광으로 알려진 오로라가 나타난다. 그러나 더 많은 양의 플라즈마가 코로나 질량 방출의 형태로 방사되면 위험할 수 있으며, 위성과 통신 시스템에 심각한 손상을 초래할 수 있다. 수십 년 동안의 관찰에도 불구하고, 태양이 태양풍 플라즈마를 태양계로 방출, 가속 및 이동시키는 원인과 메커니즘, 특히 느린 태양풍에 대해서는 제대로 규명되지 않았다. 지난 2020년 유럽우주국(ESA)은 나사(NASA)의 지원을 받아 태양 궤도선 임무를 시작했다. 이 임무의 주요 목표 중 하나는 태양의 가장 가깝고 상세한 이미지를 포착하는 것 외에도, 태양풍을 측정해 분석하는 것이었다. 이를 위해 쏘아 올려진 솔라 오비터 우주선에는 10개의 서로 다른 과학 장비가 탑재됐다. 일부는 우주선을 통과할 때 태양풍 샘플을 현장에서 수집하고 분석하며 원격 감지도 수행한다. 태양 표면 활동에 대한 고품질 이미지를 캡처하도록 설계된 장비다. 연구팀은 솔라 오비터가 촬영한 사진과 기기 데이터를 결합함으로써 처음으로 느린 태양풍이 어디서 발생하는지 더 명확하게 식별하는 데 성공했다. 연구팀은 "우주선이 현장에서 측정한 태양풍 흐름의 변동성은 우리에게 그 근원에 대한 많은 정보를 제공했다. 태양에 가까이 접근함으로써 태양풍의 복잡한 특성을 포착할 수 있었으며, 태양풍의 기원과 복잡성이 발생 지역의 변화에 따라 어떻게 변화하는지에 대한 그림을 얻을 수 있었다"고 밝혔다. 연구팀은 빠른 태양풍과 느린 태양풍의 속도 차이가 태양풍의 기원이 되는 대기의 가장 바깥층인 코로나의 영역이 다르기 때문이라고 추정했다. 개방형 코로나는 자기장 선의 한쪽 끝이 태양에 고정되고 다른 쪽 끝은 우주로 뻗어나가 플라즈마와 같은 우주 물질이 우주로 나갈 수 있는 고속도로를 만드는 영역을 말한다. 이는 빠른 태양풍의 근원지로 여겨진다. 반대로 폐쇄형 코로나는 태양의 자기장 선이 닫혀 있는 영역을 의미한다. 태양 표면의 양쪽 끝이 연결되어 닫혀 있다는 뜻이다. 이는 자기 활성 영역 위에 형성되는 크고 밝은 루프로 볼 수 있다. 때로는 닫힌 자기 루프가 끊어지는 현상이 발생하고 끊어진 루프가 다시 연결되는 사이에 짧은 시간차가 발생하고, 그 사이에 플라즈마가 탈출하게 된다. 이는 개방형 코로나와 폐쇄형 코로나가 만나는 지역에서 발생한다. 솔라 오비터의 미션 중 하나는 느린 태양풍이 폐쇄형 코로나에서 발생하고, 자기장 선이 끊어지고 다시 연결되는 과정을 통해 우주로 탈출할 수 있다는 이론을 테스트하는 것이었다. 태양풍의 구성을 측정하는 방법을 통해서다. 태양 물질에 포함된 중이온의 조합은 그것이 어디서 유래되었는지에 따라 달라진다. 연구팀은 솔라 오비터에 탑재된 장비를 사용해 태양 표면에서 일어나는 활동을 분석한 후 이를 우주선이 수집한 태양풍 흐름과 대비했다. 솔라 오비터가 포착한 태양 표면의 이미지를 사용해 연구팀은 느린 태양풍의 흐름이 열린 코로나와 닫힌 코로나가 만나는 지역에서 발생했다는 것을 정확히 찾아낼 수 있었다. 결국 끊어지고 다시 연결되는 과정을 통해 느린 태양풍이 닫힌 자기장에서 벗어날 수 있다는 이론을 증명했다. 야들리 박사는 "솔라 오비터에서 측정한 태양풍의 다양한 구성은 코로나 소스 전체의 구성 변화와 일치했다. 코로나의 폐쇄 루프와 개방 루프 사이에서 발생하는 재연결 과정에서 발생한다는 강력한 증거를 제공했다"고 설명했다. 이로써 태양풍의 기원을 구체적으로 연구할 수 있는 길을 열어줄 것이라는 기대다.
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[우주의 속삭임(13)] 느린 태양풍의 미스터리, 태양 궤도 우주선 '솔라 오비터'가 밝혀
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세계 최초 iPS 세포 치료제, 일본 스타트업 쿼오립스서 승인 추진
- 일본 스타트업 쿼오립스가 심장병 치료를 위한 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 치료제에 대한 세계 최초 정부 승인을 신청한다고 닛케이가 24일(현지시간) 보도했다. 오사카대 계열의 쿼오립스는 관상동맥 질환 환자의 심장에 이식할 수 있는 iPS 세포 심장 조직 시트를 개발했으며, 이르면 6월 초 일본 후생노동성에 제조 및 판매 신청을 제출할 계획이다. 임상 시험에서 치료받은 8명의 환자 모두 긍정적인 결과를 보였고, 최소 한 명은 심장 기능이 크게 개선된 것으로 보고됐다. 기존 중증 관상동맥 질환 치료는 심장 이식이나 심실 보조 장치가 필요했지만, 이 심장 조직 시트는 내시경 수술로 삽입 가능해 덜 침습적이다. 심장 질환은 일본에서 두 번째로 흔한 사망 원인이며, 이 중 관상동맥 질환이 약 30%를 차지한다. 2020년 기준 일본의 관상동맥 질환 환자는 약 72만 명으로 추정되며, 전 세계적으로는 2억4000만 명이 넘는 것으로 알려져 있다. 일본 정부는 2014년부터 재생 의학 촉진을 위해 제한된 임상시험을 거친 치료법에 조건부 승인을 부여하고 있으며, 쿼오립스도 이 제도를 활용할 계획이다. 쿼오립스 사장 겸 CEO 쿠사나기 타카유키는 "2025년에 조건부 승인을 받는 것을 목표로 한다"고 밝혔다. 2017년 설립된 쿼오립스는 다이이치 산쿄, 테루모, 미쓰비시 상사 등으로부터 투자를 받았으며, 2023년 도쿄증권거래소 성장주 시장에 상장했다. 쿠오립스의 심장 조직 시트는 최고 기술 책임자이자 오사카 대학 교수인 요시키 사와의 40년 연구를 바탕으로 개발됐으며, 교토대학교 iPS 세포 연구 및 응용 센터에서 공급하는 iPS 세포를 사용한다. 쿠오립스는 다른 질병에 대한 임상시험도 준비 중이다. 일본에서 심장 이식과 세포 치료는 일반적으로 1000만 엔(약 8716만 원) 이상의 비용이 들며, 쿠오립스의 심장 조직 시트도 비슷한 가격 또는 그 이상으로 책정될 것으로 예상된다. 한편, iPS체료는 유도만능줄기세포(iPSC)를 이용해 질병을 체료하는 새로운 방법이다. iPSC는 우리 몸의 피부 세포나 혈액 새포와 같은 성체 세포를 특수한 기술로 인공적으로 만든 만능 줄기세포다. 만능 줄기세포는 인체를 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다. iPSC는 환자 본인의 세포로부터 만들어지기 때문에 면역 거부 반응이 거의 일어나지 않는다ㅣ. 이는 장기 이식 등에 큰 장점이 될 수 있다. 또한 iPSC는 배아를 사용하지 않기 때무네 배아 줄기세포와 관련된 윤리적 문제를 피할 수 있다. 반면, 툭정 유전자들을 도입하는 과정에서 발생할 수 있는 돌연변이와 같은 위험이 존재할 수 있다. 아울러 원하는 세포로 정확하게 분화시키는 기술이 아직 완벽하지 않으면, 이는 임상 적용에 있어서 중요한 도전 과제이기도 하다.
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세계 최초 iPS 세포 치료제, 일본 스타트업 쿼오립스서 승인 추진
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[신소재 신기술(44)] 혈액뇌장벽 관통 나노입자 개발
- 혈액 뇌 장벽을 뚫는 나노입자가 개발돼 유방암과 뇌 전이 치료의 새로운 가능성을 열었다. 미국 마이애미 대학교 밀러 의과대학 실베스터 종합 암 센터의 연구원들은 혈액뇌장벽을 관통할 수 있는 나노입자를 개발했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 6일(현지시간) 보도했다. 연구원들의 목표는 한 번의 치료로 원발성 유방암 종양과 뇌 전이를 죽이는 것이다. 이 연구는 실험실 연구에서 유방암과 뇌종양을 줄일 수 있음을 보여준다. 이차 종양이라고 불리는 '뇌 전이'는 유방암, 폐암, 대장암과 같은 고형 종양에서 가장 흔하게 발생하며 예후가 좋지 않은 경우가 많다. 암이 뇌에 침범하면 뇌와 신체의 나머지 부분을 분리하는 거의 뚫을 수 없는 막인 혈액 뇌 장벽으로 인해 치료가 어려울 수 있다. 이 연구를 주도한 실베스터의 생화학 및 분자생물학 부교수이자 기술 및 혁신 부책임자인 샨타 다르 박사는 연구팀이 개발한 나노 입자가 향후 원발 종양을 동시에 치료하는 추가적인 이점과 함께 전이를 치료하는 데 사용될 수 있다고 말했다. 다르 박사는 이번 논문의 시니어 저자이기도 하다. 이 연구 논문은 지난 5월 6일 미국 국립과학원 회보에 게재됐다. 연구팀은 전임상 연구에서 세포의 에너지 생산 중심인 미토콘드리아를 표적으로 하는 두 가지 전구 약물을 입자에 탑재해 유방암과 뇌종양을 축소할 수 있음을 보여주었다. 다르 박사는 "저는 항상 나노 의학이 미래라고 말한다. 물론 우리는 이미 그 미래에 와 있다"며 나노 입자를 제형에 사용하는 상용화된 코로나19 백신을 언급했다. 그러면서 "나노 의학은 암 치료제의 미래이기도 하다"라고 덧붙였다. 이 새로운 방법은 다르 연구팀이 이전에 개발한 생분해성 폴리머로 만든 나노 입자와 암의 에너지원을 겨냥하여 연구실에서 개발한 두 가지 약물을 결합해서 사용한다. 암세포는 건강한 세포와 다른 형태의 신진대사를 하는 경우가 많기 때문에 대사를 억제하면 다른 조직을 해치지 않고 종양을 죽이는 효과적인 방법이 될 수 있다. 이러한 약물 중 하나는 고전적인 화학 요법 약물인 시스플라틴의 변형 버전으로, 빠르게 성장하는 세포의 DNA를 손상시켜 암세포의 성장을 효과적으로 중단시킴으로써 암세포를 죽인다. 그러나 종양 세포는 DNA를 복구해 때때로 시스플라틴 내성을 일으킬 수 있다. 다르 박사팀은 약물의 표적을 염색체와 게놈을 구성하는 DNA인 핵 DNA에서 미토콘드리아 DNA로 바꾸도록 수정했다. 미토콘드리아는 세포의 에너지원이며 훨씬 작은 자체 게놈을 포함하고 있으며, 암 치료 목적상 중요한 것은 큰 게놈과 동일한 DNA 복구 메커니즘을 가지고 있지 않다는 점이다. 암세포는 성장과 증식을 유지하기 위해 다양한 에너지원을 전환할 수 있기 때문에 연구팀은 산화적 인산화로 알려진 에너지 생성 과정을 공격하는 변형 시스플라틴을 키나아제로 알려진 미토콘드리아 단백질을 표적으로 하고 다른 종류의 에너지 생성인 해당 작용을 억제하는 또 다른 약물인 Mito-DCA와 결합하여 개발했다. 다르 박사는 뇌에 접근할 수 있는 나노입자를 개발하는 것은 먼 길이라고 말했다. 그녀는 평생 동안 나노 입자를 연구해 왔으며, 다양한 형태의 폴리머를 연구하는 이전 프로젝트에서, 전임상 연구에서 일부 나노 입자가 뇌에 도달하는 것을 발견했다. 다르의 연구팀은 이러한 폴리머를 더욱 연마하여 혈액-뇌 장벽과 미토콘드리아의 외막을 모두 통과할 수 있는 나노 입자를 개발했다. 다르 박사는 "이 사실을 알아내기까지 많은 우여곡절이 있었으며, 이 입자가 혈액뇌장벽을 통과하는 메커니즘을 이해하기 위해 여전히 노력하고 있다"고 말했다. 그런 다음 연구팀은 전임상 연구에서 특수 약물이 탑재된 나노 입자를 테스트한 결과 유방 종양과 뇌에 종양을 형성하기 위해 주입된 유방암 세포를 모두 축소시키는 효과가 있다는 사실을 발견했다. 나노 입자-약물 조합은 또한 실험실 연구에서 무독성이며 생존 기간을 크게 연장하는 것으로 나타났다. 연구팀은 향후 환자 유래 암세포를 사용해 인간의 뇌 전이를 더 가깝게 재현하기 위해 실험실에서 이 방법을 테스트할 계획이다. 또한 특히 공격적인 뇌암인 교모세포종의 실험실 모델에서 이 약물을 테스트할 예정이다. 다르 박사의 연구실에서 근무하는 마이애미 대학교 박사 과정 학생이자 이번 연구의 공동 제1저자인 아카시 아쇼칸은 "저는 고분자 화학에 관심이 많고, 이를 의료 목적으로 사용하는 것이 정말 매력적이다"라고 말했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(44)] 혈액뇌장벽 관통 나노입자 개발
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미국 최초의 나트륨 이온 배터리 공장, 미시간주 홀랜드에 건설
- 미국 최초의 나트륨 이온 배터리 공장이 미시간주 홀랜드에 건설됐다고 클린테크니카가 최근 보도했다. 리튬 이온 배터리는 2000년대 초반부터 재생 에너지 전환의 주력원이 되어왔지만 현재 에너지 저장 시징은 나트륨 이온 배터리를 주목하고 있다. 연구원들은 공급망 문제를 야기할 수 있는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 높은 성능을 제공하는 새로운 나트륨 이온 배터리를 연구해왔다. 미국 스타트업 나트론 에너지(Natron Energy)는 지난 4월 29일 미시간 주 홀랜드에 위치한 공장 가동을 시작하면서 미국 최초의 상업용 규모 나트륨 이온 배터리 생산을 시작했다. 이 새로운 공장은 리튬 이온 배터리 공장을 개조했다. Natron은 이 공장을 통해 연간 600메가와트 규모의 나트륨 이온 배터리를 생산할 예정이다. 600메가와트는 1시간 동안 테슬라 모델 3과 같은 전기차를 약 1만800대를 충전할 수 있는 규모다. 이는 각 차량의 배터리 용량이 50kw이고 충전 효율이 90% 일 때의 계산 결과다. 다만, 이 공장은 초기에 급격히 증가하는 데이터 센터의 에너지 저장 요구를 충족시킬 예정이다. 나트론은 특히 인공지능 기술의 폭발적인 성장이 미국 데이터 센터에서 24시간 전력 공급 및 에너지 저장에 대한 더 큰 수요를 유발할 것으로 예상한다. 나트론은 홀랜드 공장이 향후 기가와트 규모 공장의 모델이 될 것으로 예상하며, 오프로드 산업용 차량, EV 고속 충전소 및 통신 분야 등 추가 시장을 목표로 하고 있다. 미 정부, 나트륨 이온 배터리 개발 지원 미국 에너지부(DOE)가 나트론의 새로운 나트륨 이온 배터리 공장 건설에 기여했다. 2020년 9월, 나트은 고위험 고수익 프로젝트 지원을 위한 에너지부 ARPA-E 사무소로부터 1990만 달러(약 274억원)의 지원금을 받았다. 이 지원금은 새로운 공장 건설을 목표로 하며, 6개월 동안 지속적인 생산 및 판매를 통해 공급망 및 제품의 완전한 위험 제거를 목표로 한다. ARPA-E는 회사의 8킬로와트 50볼트 배터리 트레이가 주로 데이터 센터의 최대 부하량 관리 및 비상 백업 전력 공급을 위해 설계되었지만, EV 고속 충전소 및 그리드 규모 저장과 같은 신흥 시장도 타겟으로 하고 있다고 말했다. ARPA-E는 또한 "나트론의 트레이는 기존 제품에 비해 데이터 센터 운영자에게 최대 2배 높은 출력 밀도와 10배 긴 수명주기를 제공하며 우수한 안전 성능을 보유하고 있다"고 덧붙였다. 은백색 금속 원소인 나트륨(라틴어 natrium에서 유래된 화학 기호 Na)의 지속 가능성 요인은 나트륨 이온 배터리에 대한 관심을 끌고 있다. 하지만 미래의 배터리로 주목받아온 나트륨 이온 배터리는 최근 몇 년 전까지도 쉽게 구현되지 못했다. 나트륨은 리튬보다 훨씬 풍부하지만 무게도 훨씬 무겁다. 전기차용 에너지 저장 측면에서 리튬은 주행 거리 면에서 나트륨보다 유리하다. 반면 나트륨과 리튬 간의 화학적 친밀감은 배터리 연구에 도움이 된다. '피직스 매거진(Physics Magazine)'은 지난 주 "나트륨은 주기율표에서 리튬 바로 아래에 위치하여 화학적 특성이 매우 유사하다"고 설명했다. 나트륨 이온 배터리의 과제 나트륨 이온 배터리는 아직 초기 개발 단계이지만, 리튬 이온 배터리의 단점을 보완할 수 있는 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 특히 대규모 에너지 저장 시스템(ESS), 저가형 전기 자동차, 항공 우주 분야 등에 활용될 가능성이 높다. 리튬 이온 배터리는 충전과 방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하지만 나트륨 이온 배터리는 나트륨 이온이 음극과 양극 사이를 이동하는 것이 차이점이다. 나트륨 이온 배터리를 리튬보다 풍부하고 저렴하다. 또한 우수한 저온 성능(영하 20°C에서도 90% 이상의 용량 유지)을 제공하고 안전성이 높다. 반면 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 휴대폰, 노트북 등 소형 전자 기기에 적합하다. 단, 고온에서 성능 저하 및 안전 문제가 발생할 수 있다. 나트륨 이온 배터리는 에너지 말도가 낮으며 아직 초기 개발 단계라서 상용화에 시간이 걸릴 수 있다. 게다가 나트륨 이온을 전달하는데 적합한 전해질과 음극 재료 개발이 필요하다. 향후 지속적인 연구개발을 통해 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이고 상용화에 필요한 기술을 개발한다면 리튬 이온 배터리의 강력한 경쟁자가 될 것으로 예상된다.
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- 산업
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미국 최초의 나트륨 이온 배터리 공장, 미시간주 홀랜드에 건설
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빠르고 정확하며 부드럽게 움직이는 휴머노이드 로봇 '아스트리봇 에스원' 주목
- 휴머노이드 로봇 신제품 출시 붐이 이어지고 있다. 거의 매주 거르지 않는다. 그런 가운데 어떤 로봇보다 빠르고 정밀하며 부드럽게 움직이는 휴머노이드 로봇이 중국에서 출시돼 주목된다고 뉴아틀라스가 전했다. 새로 선보인 휴머노이드 로봇은 아스트리봇(Astribot)의 에스원(S1)이다. 인공지능(AI)으로 작동되는 휴머노이드 로봇 출시는 올 들어 가속화됐다. 지난 3월에만 오픈AI의 플랫폼을 적용한 인상적인 제품들이 나왔다. 하나는 ‘소프트 터치’ 기술을 뽐낸 노르웨이 협력사 1X의 ‘세탁물을 접는’ 봇이고, 다른 하나는 진정한 차세대 자연어 추론 능력을 시연한 협력업체 피규어(Figure)의 봇이었다. 이번 달에는 보스턴 다이내믹스가 새로운 아틀라스 로봇을 발표하면서 놀라운 손재주로 사람들의 경탄을 자아냈으며, 중국의 UB테크는 소프트 터치 말하기 로봇인 워커S로 깊은 인상을 심어 주었다. 이번에 발표된 에스원도 놀랄만한 성능으로 높은 평가를 받고 있다. 스타더스트 인텔리전스의 자회사로 중국의 싫리콘밸리로 불리는 선전(深川)에 위치한 아스트리봇의 에스원은 빠르고 정확하게 동작한다는 점에서 다른 여타 로봇과 크게 차별화됐다는 사실을 최근 공개된 홍보 동영상에서 보여주고 있다. 아스트리봇에 따르면 에스원은 초당 최고 10m의 속도로 움직일 수 있다. 한쪽 팔로 10kg 무게의 짐을 처리할 수 있다. 두 팔을 사용하면 20kg을 감당한다는 의미다. 그러나 무게는 에스원에게는 그다지 중요하지 않다. 홍보 동영상을 보면 테이블 위에 식탁보를 깔고 그 위에 와인잔을 3층으로 올린 후 에스원이 바닥에 깔린 식탁보를 잡고 신속하게 당겨 빼낸다. 그런데 3층으로 쌓인 와인잔이 무너지지 않았다. 그만큼 빠르다는 얘기다. 로봇은 속도가 빠를 뿐 아니라 놀라울 정도로 정확하다. 스크루를 이용해 와인병 코르크 마개를 따고 와인을 잡아 디켄터에 붓고 디켄터를 흔든다. 오이를 잡고 칼로 껍질을 얇게 깎는다. 프라이팬에 올려진 샌드위치를 뒤집기도 한다. 테이블 위에 올려진 소품들을 서랍을 열고 집어넣어 정돈한 후 서랍을 닫는다. 영상은 로봇이 인간의 움직임을 모방하는 데 매우 능숙하다는 것을 보여준다. 로봇의 학습 능력은 대단히 우수하다. 다만 영상으로 보면 에스원은 상반신만 보인다. 모든 휴머노이드 로봇에는 다리 또는 바퀴와 같은 이동 수단이 있는데, 에스원은 고정된 로봇일 가능성이 높다. 나아가 관계자들은 에스원이 언제 생산될 것인가에 대해서도 궁금해하고 있다. 아스트리봇은 이 같은 궁금증에 대해 공식 발표를 준비하고 있다고 한다. 아스트리봇은 2022년 선전에서 설립됐다고 홈페이지는 밝히고 있다. 에스원 로봇 개발에는 약 1년이 소요됐으며, 올해 말까지는 상용화할 것으로 예상하고 있다. 홈페이지는 또 텐센트 로봇 연구소, 바이두 및 홍콩 폴리테크닉대학교에서 근무했던 라이 지에가 회사를 설립했다고 밝히고 있다. 회사 측은 "아스트리봇이라는 이름은 고대 라틴어 속담 '아스트라퍼 아스페라(Ad astra per aspera)'에서 유래했고, 이는 '우주 먼지에 도달하기 위한 고난의 여정‘을 의미하며, AI 로봇 기술 개발과 대중화에 대한 회사의 장기 계획과 의지를 의미한다“고 밝혔다.
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- IT/바이오
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빠르고 정확하며 부드럽게 움직이는 휴머노이드 로봇 '아스트리봇 에스원' 주목
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남극 활화산, 매일 6000달러 상당 금가루 분출⋯사업성은?
- 남극 최남단의 활화산 에레버스 산에서 매일 6000달러(약 830만원) 상당의 금가루가 분출되지만 가까이 다가가 쓸어담을 수는 없는 것으로 확인됐다고 IFL사이언스와 뉴욕포스트, 지오 뉴스 등 다수 외신이 보도했다. 지구 최남단에 있는 에레버스 산(Mount Erebus)은 남극 대륙 로스 해의 제임스로스 섬에 있는 활화산이다. 남극에는 수십 개의 화산이 있으며, 그 중 대부분은 서남극과 마리 버드 랜드에 위치해 있다. 2017년의 한 연구에 따르면 남극 대륙의 이 지역에서만 138개의 화산이 발견됐다. 이 중 대부분은 휴화산이지만, 8~9개의 남극 화산은 활화산으로 간주된다. 최근 역사상 남극의 화산이 폭발한 사례는 단 3건에 불과하다. 남극 대륙의 얼음 코어를 수집한 연구에 따르면 남극 대륙은 마지막 빙하기 동안 거대한 화산 폭발로 몸살을 앓았으며, 그 중 상당수는 현대 역사상 어떤 폭발보다 더 컸던 것으로 나타났다. 현재 남극 대륙에서 가장 사납게 활동하는 화산 중 하나인 에레버스 산은 정상 고도가 3794미터(1만2448피트)이다. 참고로 우리나라 제주도의 한라산 정상 높이는 약 1947m이다. 그리스 신화에 나오는 어둠의 화신에서 이름을 따온 에레버스 산은 1841년 영국 탐험가 제임스 클라크 로스 경이 처음 발견했을 때 분화 중이었다고 전해진다. 산 이름은 탐험가 제임스 클라크 로스의 배 이름에서 유래됐다고도 한다. 이 화산은 영국 탐험가의 이름을 딴 로스 섬의 다른 두 화산과 나란히 위치해 있다. 이 거대한 화산의 위성 사진을 자세히 보면 정상 분화구(lava lake)에 용암이 끓고 있음을 암시하는 아주 작은 붉은 색이 엿보인다. 뉴욕 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 관측소의 코너 베이컨에 따르면 에레버스는 1972년부터 지속적으로 폭발해왔다. 그는 산 정상 분화구 중 하나에 끓어오르는 뜨거운 용암호수가 있는 것으로 알려져 있다고 덧붙였다. 화산은 정기적으로 많은 양의 가스와 증기를 뿜어낸다. 과거의 화산 활동에서는 '화산 폭탄'으로 알려진 용암에 의해 부분적으로 녹은 매우 뜨거운 암석을 분출하는 것으로도 알려져 있다. 미국 항공우주국(나사·NASA)에 따르면 에레버스 화산은 정기적으로 가수와 증기 기둥을 방출하고, 때때로 (용암으로 된)암석 폭탄을 뿜어낸다고 한다. 나사 과학자들은 이 화산이 분출하는 가스에는 20㎛(마이크로미터) 이하의 작은 금속 금 결정이 들어 있다는 사실을 발견했다. 이 화산은 하루 동안 약 80g의 금을 분출하는 것으로 추정되며, 이는 약 6000달러의 가치가 있다. 또한 남극의 연구자들은 이 화산에서 최대 1000km(621마일) 떨어진 대기에서 금 가루의 흔적을 발견했다. 1841년 영국의 탐험가이자 해군장교 제임스 클라크 로스가 처음 발견한 이후 여러 사람이 등정을 시도했으나 소규모 화산 폭발로 번번히 등정에 실패했다. 이후 1908년 호주의 지질학자 에지워스 데이비드가 처음으로 등반에 성공했다. 하지만 이 화산은 에레버스 화산 재해로 가장 악명이 높다. 1979년 11월 28일, 에어뉴질랜드 901편이 화산 측면을 정면으로 들이받아 탑승자 257명 전원이 사망했다. 당시 이 비행은 오클랜드에서 남극까지 11시간 동안 관광 비행을 한 후 다시 뉴질랜드로 돌아오는 에어뉴질랜드 프로그램의 일부였다. 1979년 11월 28일 사고 당일 날씨가 흐려졌지만 항공 투어는 예정대로 진행됐다. BBC의 보도에 따르면, 기장 짐 콜린스 대위는 비행기를 두 번 크게 돌면서 약 610m(2000피트)까지 하강하려고 시도했다. 이 기동 중 오후 1시 직전에 비행기는 에레버스 산 서쪽 측면에 부딪혀 탑승자 전원이 사망했다. 구조대원들은 사고 현장에서 승객들의 카메라에 필름이 온전히 남아 있는 것을 발견했다. 충돌 몇 초 전에 촬영된 이 사진들은 추락 당시 시야가 좋았고 비행기가 구름 아래에 있었음을 보여 주었다. 그로 인해 두꺼운 구름 층에 의해 화산이 시야에서 가려졌을 가능성은 배제됐다. 에어뉴질랜드 901편의 추락 원인은 '화이트아웃(whiteout)'으로 추정된다. 화이트아웃은 극심한 눈보라 상태에서 주로 발생하는 기상 현상으로, 눈과 얼음이 확산된 빛을 반사하여 지평선과 다른 시각적 지표들을 구분할 수 없게 만든다. 이 현상은 주로 극지방이나 높은 산악 지역에서 발생하며, 시야가 극도로 제한되어 항해나 이동에 매우 위험할 수 있다. 눈, 구름, 안개가 혼합되어 시야가 거의 제로에 가까워지는 상태를 말한다. 당시 조종사는 거리감을 가늠할 수 없었고 조종석 바로 앞에 보이는 산은 화이트아웃으로 인해 산의 모습이 아니라 아래 풍경의 얼음과 눈이라고 착각했다는 것이다. 이 사고로 인해 에어뉴질랜드는 여러 차례의 소송과 수많은 논란 끝에 남극 상공 관광 비행을 중단했다. 남극의 몇 안 되는 활화산인 에레버스 산은 매우 아름다운 풍경과 금가루를 뿌리는 신비한 모습으로 유혹하지만 동시에 매우 위험한 곳임을 기억해야 한다.
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남극 활화산, 매일 6000달러 상당 금가루 분출⋯사업성은?
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무중력 상태서 소행성 탐사 가능한 3족 소형 로봇 개발
- 소행성이나 위성 등 무중력 또는 저중력 환경에서 탐사할 수 있는 세 발 달린 소형 로봇이 개발됐다고 우주항공 전문 매체 스페이스닷컴이 전했다. 스페이스호퍼(SpaceHopper)라는 이름의 이 로봇은 행성 등 우주 탐험과 관측에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 스페이스호퍼는 스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 학생 연구 프로젝트로 2년 6개월 동안 진행된 결과 도출된 성과다. 최근 연구팀은 유럽우주국의 포물선 비행 동안, 모의 무중력 환경에서 로봇을 테스트했다. 로봇은 3개의 발을 이용해 깡충깡충 뛰며(호핑) 표면을 이동한다. 로봇의 이동 방식이 스페이스호퍼라는 이름의 유래인 셈이다. 로봇은 각 모서리에 관절이 있는 다리가 달린 삼각형의 몸체로 구성되어 있다. 세 개의 다리에는 각각 무릎과 엉덩이 관절이 있다. 관절을 이용해 로봇의 발이 표면을 밀어내고 지면을 차서 스스로를 밀고 나아가면서 지정된 지역 내에 착륙하는 것을 제어할 수 있다. 스페이스호퍼는 중력이 거의 또는 전혀 없는 소행성이나 달과 같은 비교적 작은 천체들을 탐험하도록 특별히 설계됐다. 연구팀은 "(소행성들은) 미래에 인류에게 유용하게 쓰일 수 있는 귀중한 광물 자원을 포함하고 있을 것이며, 개발된 로봇은 이런 탐사에 활용될 수 있다"면서 "행성 또는 위성 탐사는 또한 우주에 대한 지식을 풍부하게 할 것"이라고 기대했다. 물론 천체 탐사에 어려움은 많다. 기본적으로 중력이 거의 없는 환경에서는 우주선의 바퀴와 그 바퀴가 지나가는 표면 사이에 견인력이 없다. 우주선이 통과할 수 있는 대기도 거의 없다. 스페이스호퍼가 바퀴 대신 위 또는 옆으로 이동하기 위해 '톡톡' 짧게 튀도록 개발된 이유도 거기에 있다. 유럽우주국의 포물선 비행은 연구팀이 스페이스호퍼를 배치할 수 있는 저중력 상태에서의 모의 실험을 충실히 수행할 수 있도록 지원했다. 모의실험 중 촬영된 비디오는 스페이스호퍼가 약 30번에 걸쳐 발생했던 무중력 상태에서 각각 약 20~25초 동안 세 다리를 발로 차면서 작동하는 모습을 보여주었다. 연구팀은 "실험은 성공적이었다. 로봇은 세 다리를 사용해 자세를 바로잡고 특정 방향으로 점프할 수 있음을 보여주었다"고 밝혔다.
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- IT/바이오
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무중력 상태서 소행성 탐사 가능한 3족 소형 로봇 개발
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"알데히드 인체 노출 줄이면 노화 현상 지연시켜"
- 알데히드(aldehyde)가 신체 대사의 부산물이며, 이는 조기 노화 현상과 관련돼 있다는 사실이 일본 나고야대학 연구팀에 의해 발견됐다고 과학 전문매체 사이테크데일리가 전했다. 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology)에 출판된 연구 결과는 알코올, 환경 오염, 연기나 연무 등 알데히드 유도 물질에 대한 노출을 통제함으로써 건강한 개인의 조기 노화를 방지할 수 있다고 지적한다. 조기 노화 질병에 대한 예방 가능성을 보여주고 있다. 알데히드는 사람의 건강에 해를 끼칠 수 있다. 나고야대학의 연구 결과는 알데히드의 해로운 영향에 노화도 포함하고 있음을 시사한다. 나고야대학의 연구팀은 오카 야스요시, 나카자와 유카, 시마다 마유코, 오기 토무 연구원들로 구성됐다. 오카 박사는 "DNA 손상은 노화와 관련이 있으며, 이번 연구는 알데히드에서 유발된 DNA 손상과 조기 노화 사이의 관계를 규명한 것"이라고 말했다 알데히드와 노화의 관계 연구진은 'AMeD 증후군(어린 시절 골수 부전이 시작돼 재생불량성 빈혈을 초래하고 전반적인 발달 지연, 지적 장애, 저신장으로 인한 전반적인 성장 불량을 일으키는 증세)'과 같은 조기 노화 장애를 가진 사람은 알데히드를 분해하는 ALDH2(알데히드 탈수소 효소)와 같은 효소의 활성이 불충분하기 때문에, 알데히드와 노화 사이에 연관성이 있다고 가정했다. 건강한 사람들에게 ALDH2는 알코올에 대한 신체 반응에서도 중요하다. 사람이 술을 마실 때 간은 알코올을 알데히드로 대사하여 몸에서 제거한다. ALDH2의 활성은 알데히드를 독성이 없는 물질로 전환시키는 역할을 한다. 알데히드는 DNA 및 단백질과 반응성이 높기 때문에 몸에 해롭다. 체내에서 세포 증식 및 유지에 중요한 효소를 차단하는 'DNA-단백질 연결(DPC)'을 형성해 인체의 노화를 일으킨다는 것이다. 연구팀은 알데히드에 의한 DPC 형성에 초점을 맞추어, 조기 노화 질병 환자들의 알데히드 축적과 DNA 손상 사이의 연관성을 조사했다. 이를 위해 'DPC-seq'라고 불리는 방법을 사용했다. 연구팀은 실험에서, T세포 수용체(TCR) 복합체, 근병증을 유발하는 발로신 함유 단백질인 VCP 또는 p97, 그리고 세포 내에 존재하는 단백질을 분해하는 큰 단백질 복합체인 프로테아좀이 알데히드에 의해 형성된 DPC의 제거에 관여한다는 사실을 발견했다. 이는 AMeD 증후군 증상을 보인 실험 쥐를 통해 확인됐다. 요컨대, 알데히드를 줄이면 인체 노화도 완화된다는 것이다. "조기 노화 질환 치료 가능성 제시" 오기 교수는 "이번 연구에서 DNA 손상이 빠르게 치유되는 메커니즘을 규명함으로써 유전적 조기 노화의 원인 중 일부를 밝혀냈다"며 의미를 부여했다. 오카 박사도 "연구 결과는 조기 노화 질환의 기본 메커니즘을 이해하기 위한 새로운 길을 열어주고 치료 가능성을 제시하고 있다"고 말했다. 그는 "DNA 손상과 노화에 대한 알데히드의 역할을 밝혀냄으로써, 새로운 치료법 개발의 길을 닦았다"고 평가했다. 지금까지는 AMeD 증후군, 코케인 증후군(거동 불편, 왜소증, 소두증, 시력 감퇴, 광과민성, 조숙증 등을 특징으로 하는 선천적 증후군)의 원인을 완전히 파악하지 못해 치료제 개발이 진척되지 못했다. 이번 연구 결과는 이런 증후군이 세포 내에서 생성된 알데히드에서 유래된 DPC와 관련이 있음을 시사하며, 알데히드를 제거하는 방법으로 이들 증후군의 치료약을 개발할 수 있을 가능성이 열렸다는 기대다. 연구팀은 알데히드로 인한 DNA 손상이 건강한 개인의 노화 과정에도 영향을 미칠 수 있다고 밝혔다. 알데히드를 인체 노화에 기여하는 물질로 지적함으로써, 환경 요인과 세포 노화 사이의 연관성도 밝히고 있다. 이는 인간의 건강과 수명에 중요한 영향을 미칠 수 있다는 지적이다.
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- 생활경제
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"알데히드 인체 노출 줄이면 노화 현상 지연시켜"
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지구 700km 지하에서 해양 전체 부피 3배의 거대한 바다 발견
- 미국 일리노이 주 에번스턴에 있는 노스웨스턴 대학 연구팀이 지하 깊은 곳에 존재하는 거대한 바다를 발견해 주목된다고 글로벌 소식을 전하는 위오뉴스(WION)와 WECB등 다수 외신이 전했다. 발견된 지하 바다는 지구 전체 해양 부피의 3배에 달하는 거대한 것이었으며, 지구 각지의 지하수원 역할도 하는 것으로 나타났다. 거대 해양은 무려 지상에서 700km나 깊은 곳에 위치해 있었다. 보도에 따르면 지구에 존재하는 물의 기원을 찾으려는 연구를 통해 연구팀은 지표면 아래로 700km 이상, 지구 맨틀 내에 거대한 바다가 자리잡고 있다는 획기적인 사실을 발견하게 됐다고 한다. 지금까지 숨겨졌던 바다는 지하 깊은 곳 링우다이트(Ringwoodite)로 알려진 푸른 암석 밑에 잠겨 있었다. 연구팀은 이 지하 바다를 통해 지구의 물이 어디서 왔는지를 이해할 수 있다고 밝혔다. 해양의 모든 바닷물 합계의 3배에 달한다는 엄청난 규모가 놀라움을 더한다고 연구팀은 말했다. 새로운 발견은 거대한 규모의 경이로움뿐 아니라, 지구의 물 순환에 대한 새로운 이론이 만들어질 가능성도 있음을 시사한다. 일부 이론이 주장하는 것처럼 혜성 충돌에서 그 기원을 찾는 대신, 지구의 바다가 지하 중심부에서 서서히 스며 나왔을 수 있다는 것이다. 발견 뒤에 숨겨진 과학 연구팀을 이끈 노스웨스턴 대학 스티븐 제이콥슨 박사는 지하 바다의 발견은 지구상의 물이 외부가 아닌 내부에서 유래됐다는 실질적인 증거라고 주장했다. 지하 바다를 발견하기 위해 연구원들은 미국 전역에서 2000개의 지진계를 사용하여 500회 이상의 지진에서 발생하는 지진파를 분석했다. 핵을 포함한 지구의 내부 층을 통과하는 파장은 젖은 암석을 통과할 때 속도가 느려지게 되고, 과학자들은 이 과정에서 광대한 물 퇴적물의 존재를 가정할 수 있었다고 한다. 재해석된 지구의 물 순환 지구 맨틀에 물이 존재하고 암석 알갱이 사이에 수액이 흘렀을 가능성은 지구의 물 순환에 대한 우리의 인식에 근본적 변화를 가져다 준다. 제이콥슨은 이 저수지의 중요성을 강조하면서, 저수지가 없었다면 물은 모두 지구 표면에만 존재할 것이며 눈에 보이는 유일한 땅은 산봉우리뿐일 수 있다고 주장했다. 이러한 혁신적인 발견을 통해 연구팀은 맨틀이 녹는 것이 흔한 일인지 확인하기 위해 전 세계에서 더 많은 지진 데이터를 수집하는 데 열중하고 있다. 그들의 발견은 지구상의 물 순환에 대한 우리의 인식에 혁명을 일으키고, 지구의 가장 근본적인 과정 중 하나에 대한 새로운 가능성을 제공하고 있다.
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- IT/바이오
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지구 700km 지하에서 해양 전체 부피 3배의 거대한 바다 발견
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홍콩대, 파킨슨병(PD) 신경퇴행 강력 억제하는 식이요법 보충제 발견
- 홍콩대(HKU) 생명과학부 차오구 정 교수팀이 진행한 연구에서 짧은사슬 지방산(SCFA: 탄소 수 6개 이하의 지방산)인 프로피오네이트가 장과 뇌 사이의 기관 간 신호전달을 조절해 파킨슨병(PD) 신경퇴행을 강하게 억제한다는 사실이 밝혀졌다고 과학 전문 매체 사이테크데일리가 전했다. 프로피오네이트 분해를 억제하거나 식이요법을 통해 프로피오네이트를 보충하면, PD와 관련된 지표가 개선되고 장에서 에너지 생산이 향상돼 단백질 응집체를 분산시킬 필요 없이 신경 건강이 촉진된다는 것이다. 프로피오네이트 수치를 증가시켜 신경퇴행을 대사적으로 막는 것은, 파킨슨 등 신경퇴행성 질환의 치료에 대한 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 주목받고 있다. 이 연구 결과는 최근 선도적인 생물학 저널인 '셀리포트(Cell Reports)'에 발표됐다. 연구 배경 뇌의 단백질 응집체를 표적으로 삼아 PD와 알츠하이머병(AD)과 같은 신경퇴행성 질환을 치료하는 전통적인 방법은 지금까지 성공 가능성이 매우 낮았다. 그러나 이번 새로운 연구는 장내 세균에서 유래한 대사산물이 신경퇴행을 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여 준다. PD는 도파민성 신경세포에 알파시누클레인(알파-신: 뇌세포 사이에 신경 전달을 돕는 단백질로 PD를 일으키는 주요 원인) 단백질이 비정상적으로 축적되고 응집되는 것을 특징으로 하며, 이는 단백질 독성 스트레스와 신경 세포 사망을 유발한다. 실험용 쥐를 대상으로 한 PD 모델에 대한 이전 연구에서는 장내 미생물군이 알파-신 병리학의 운동 결핍 및 신경 염증을 유발하는 것으로 나타났다. 그러나 어떤 미생물이 숙주 신경퇴행에 영향을 미치는지는 대부분 불분명하다. 최근 몇 년 동안 관심을 끌고 있는 박테리아 대사산물의 한 종류는 식이섬유의 발효를 통해 혐기성 박테리아가 생산하는 SCFA(초산, 프로피온산 및 부티르산)이다. 그러나 SCFA가 신경 퇴행에 미치는 영향은 논란의 여지가 있다. 일부 연구에서는 SCFA가 신경 퇴행을 악화시키고 염증을 증가시키는 것으로 나타났다. 반면 다른 연구에서는 SCFA가 신경 퇴행을 방지한다는 사실이 밝혀졌다. 정 교수팀은 이전에 흙 속에 사는 1mm정도 크기의 작은 선형동물(C. elegans) PD 모델을 사용해 전체 게놈을 검사, 여기에서 38개의 신경퇴행성 유전자를 확인했다. 이 박테리아 유전자 중 일부는 숙주에서 프로피오네이트의 분해를 유도하는 비타민 B12의 생합성에 필수적이다. 이에 따라 연구팀은 프로피오네이트의 수치를 높이면 신경퇴행을 억제할 수 있다고 가정했다. 주요 조사 결과 정 교수팀은 PD 질환 동물이 정상 동물보다 프로피오네이트 수치가 낮았으며, 프로피오네이트 분해를 유도하는 식이성 비타민 B12를 제거하거나 프로피오네이트를 직접 보충하면 프로피오네이트 수치를 높이고, 알파-신으로 유발된 신경 세포 사망 및 운동 장애를 막는다는 사실을 발견했다. 놀랍게도 프로피오네이트의 신경보호 효과는 뉴런과 장 사이의 기관 간 신호 전달에 의해 매개됐다. 알파-신의 신경 세포 응집은 장에서 미토콘드리아 전개 단백질 반응(mitoUPR)을 유발해 프로피오네이트 생산을 줄였다. 낮은 프로피오네이트 수치는 지방산 및 아미노산 대사에 관여하는 수많은 프로피오네이트 반응 유전자의 하향 조절을 유발했고, 결국 장의 에너지 생산 결함을 초래했으며, 이는 젖산 및 신경펩티드와 관련된 장-뇌 통신을 통해 신경퇴행을 더욱 악화시켰다. 장에서 프로피오네이트 생산을 유전적으로 강화하거나 프로피오네이트 하류의 주요 대사 조절 인자의 장 발현을 복원하면 신경퇴행이 개선됐다. 이는 장의 대사 상태가 알파-신 유도 신경퇴행을 조절할 수 있음을 시사한다. 중요한 것은 프로피오네이트 보충이 알파-신 응집을 감소시키지 않고 신경퇴행을 억제해 단백질 응집체 하류의 신경 단백질 독성의 대사 구조를 입증한다는 것이다. 이 새로운 연구는 신경퇴행성 질환의 장-뇌 상호작용에 소분자 대사산물이 관여한다는 점을 강조한다. 건강 영향에 미칠 가능성 이 연구는 PD 질환 동물 모델의 실험 결과와 임상 관찰을 연결한다는 점에서 흥미롭다. PD 동물과 마찬가지로 인간 PD 환자도 SCFA를 생성하는 공생 박테리아의 양이 감소하기 때문에 건강한 개인보다 SCFA 수준이 감소한다. 따라서 PD 환자의 낮은 양의 SCFA는 실제로 질병 진행 및 중증도를 초래할 수 있으며, 식이요법을 통해 프로피오네이트를 보충하면 질병을 치료하고 증상을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 정 교수는 강조했다. 정 교수는 SCFA가 장내 식이섬유의 혐기성 발효에 의해 생성되기 때문에 섬유질이 풍부한 식품, 예컨대 씨앗, 견과류, 과일, 야채 등을 식단에 추가하면, 장내 세균에 의한 SCFA 생성도 증가할 수 있으며 뇌 건강에 유익하다고 제안했다.
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홍콩대, 파킨슨병(PD) 신경퇴행 강력 억제하는 식이요법 보충제 발견
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알츠하이머병, 수혈 통해 전염 가능
- 캐나다 과학자들이 혈액 수혈을 통해 건강한 사람에게 알츠하이머병이 전염될 수 있다고 발표했다. 네오스콥은 알츠하이머병의 정확한 원인은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학 연구팀의 이번 연구 결과는 환경 요인이 질병 발병에 영향을 미칠 수 있다는 점을 지속적으로 시사하고 있다고 지난달 30일(현지시간) 전했다. 최근 학술지 '줄기세포 보고서(Stem Cell Reports)'에 발표된 연구 결과에 따르면 혈액 수혈이나 골수, 장기 등 생체 물질의 이식을 통해 유전성 알츠하이머 환자의 질병이 건강한 사람에게 전염될 가능성이 제기됐다. 연구팀은 쥐와 줄기세포를 이용한 실험을 통해 알츠하이머병이 건강한 사람에게 전염될 수 있다는 결론을 도출했다. 연구팀은 실험을 위해 인간 유전성 알츠하이머병 유전자, 특히 아밀로이드 플라크 생성과 관련된 유전자를 가진 쥐를 배양했다. 그리고 이 쥐의 골수에서 줄기세포를 추출해 건강한 쥐에 주입했다. 그 결과 9개월 만에 정상 쥐들의 뇌에서 인지 기능 저하와 아밀로이드 플라크 축적과 같은 알츠하이머병의 전형적인 징후가 나타났다. '알츠하이머는 유전성' 기존 인식 뒤바꿔 연구 결과는 몇 가지 중요한 시사점을 제공한다. 첫째, 이 연구는 알츠하이머병이 신경 중추계 외의 줄기세포에서 발생할 수 있다는 점을 보여주었다. 이는 기존의 알츠하이머 병 형성에 대한 인식을 뒤바꿨다. 연구팀은 "이 연구의 핵심적인 결과 중 하나는 알츠하이머병 병리학의 기존 중심 교리, 즉 뇌에서 생성된 베타 아밀로이드(Aβ) 축적이 질병의 원인이라는 가설에서 벗어나는 계기가 될 것"이라며 "이 연구는 뇌의 외부에서 생성된 Aβ가 질병 발병에 기여한다는 사실을 입증했다"고 말했다. 둘째, 이 연구는 알츠하이머병의 발병 경로가 크로이츠펠트-야콥병과 유사할 수 있다는 점을 시사한다. 크로이츠펠트-야콥병은 전염성 질환으로 감염된 소고기를 섭취한 사람들에게 발병하는 것으로 알려져 있다. 간단히 말해, 이번 연구 결과는 혈액이나 장기 등 생체 물질의 기증을 통해 알츠하이머병이 건강한 사람에게 전염될 수 있다는 가능성을 제시한다. 이는 잠재적인 기증자에 대한 알츠하이머 질병 검사가 필요하다는 것을 의미한다. 연구팀의 주요 저자인 브리티시 컬럼비아 대학 면역학자인 윌프레드 제프리스 박사는 성명서에서 "이 연구는 뇌의 외부에서 발현되는 아밀로이드가 중추 신경계 병리에 영향을 미치는 전신 질환이라는 알츠하이머병 이론을 뒷받침한다"고 말했다. 제프리스 박사는 "이 메커니즘에 대한 연구를 지속함에 따라 알츠하이머병은 정복될 수 있을 것으로 보인다. 아울러 혈액, 장기 및 조직 이식과 인간 유래 줄기세포 또는 혈액 제품의 이식에 사용되는 기증자에 대한 더욱 엄격한 관리 및 검사가 필요하다"고 강조했다. 한편, 알츠하이머병은 치매 중 가장 흔한 유형으로, 인지 기능의 저하를 특징으로 하는 퇴행성 뇌 질환이다. 전 세계적으로 약 3200만 명이 이 질환으로 고통받고 있으며, 인구 고령화가 진행됨에 따라 이 수치는 증가할 것으로 예상된다. 현재 많은 연구가 이루어지고 있음에도 불구하고, 알츠하이머병의 정확한 원인과 치료법은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 연구자들은 생활 습관, 유전적 요인, 환경적 요인이 이 병의 발병에 복합적으로 영향을 미친다고 보고 있다.
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- 생활경제
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알츠하이머병, 수혈 통해 전염 가능
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[신소재 신기술(21)] 홍게껍질로 반도체 및 에너지 저장 기능 갖춘 나노시트 개발
- 일본 과학자들이 홍게의 껍질에 포함된 키토산으로 만든 나노섬유에서 반도체와 에너지 저장 특성을 발견했다. 26일(이하 현지시간) 뉴스마이네비에 따르면 일본 도호쿠대학(東北大學) 연구팀은 홍게 껍질에 포함된 불용성 식이섬유의 일종인 '키토산'으로 만든 나노섬유(ChNF) 조직을 제어해 만든 나노미터 두께의 시트 소재에서 반도체 특성과 에너지 저장 특성을 나타내는 것을 발견했다고 25일 밝혔다. 이번 성과는 도호쿠대 미래과학기술공동연구센터 후쿠하라 미키오 학술연구원, 동 대학 하시타 토시유키 특임교수, 도쿄대 이소카이 아키라 특임교수 등의 공동연구팀에 의해 이루어졌다. 연구 결과는 미국 물리학 협회에서 발행하는 학술지 'AIP-Advances'에 게재됐다. 이번 연구는 친환경적인 반도체와 에너지 저장 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다. 반도체는 실리콘으로 대표되는 원소 반도체와 갈륨비소(GaAs) 및 '파이(π) 공액 고분자'와 같은 화합물 반도체로 크게 두 가지로 분류된다. 두 반도체 모두 광물이나 인공 화합물에서 금속을 정제해 만드는데, 생산 과정에서 많은 양의 에너지가 필요하고 환경에 미치는 영향이 크다. 연구팀은 절연체로 인식되는 종이와 셀룰로오스의 나노 크기 미세 구조체인 케나프 식물에서 추출한 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nanofibers·CNF)를 이용해 전하 분포와 전자 이동을 측정했다. 그 결과, '템포 산화 CNF(TEMPO-oxidized CNF, TEMPO 촉매를 사용해 산화 처리된 셀룰로오스 나노섬유)'는 고전압 단시간 충전 특성을, CNF는 n형 음의 저항을 나타내는 n형 반도체의 다양한 특성을 발견했다. 이 연구에서는 식물 셀룰로오스와 분자 구조가 유사하고 지구상에서 두 번째로 풍부한 바이오매스 화합물인 동물성 키토산에 초점을 맞췄다. 연구팀에 따르면, 키토산에는 케나프(CNF)에서 발현되지 못했던 고속 충전 특성이 발견됨과 동시에 액체 누출 등의 문제를 극복할 수 있는 고체형 축전지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 키토산과 같은 자연 유래의 해양 바이오매스 소재를 반도체, 에너지 저장 분야에 활용할 수 있다면 폐기물을 줄여 자원순환형 사회 조성에 기여할 수 있다. 이번 연구에서는 홍게 껍질로 만든 키토산 나노섬유(ChNF)를 대표적인 동물성 소재로 활용하고, 섬유 길이를 300nm 이하로 제어한 ChNF 시트에 Al 전극을 부착한 소자를 제작했다. ChNF 시트 소자의 I(전류)-V(전압) 특성, AC(교류) 임피던스, 주파수 분석, 축전성을 측정한 결과, 전압 제어에 의한 전압 유도 반도체와 같은 특성이 나타나는 것을 확인했다. 또한, ChNF 시트의 -210~+80V 범위에서 동작 속도 1.24V/s의 승강 전압에 대한 I-V 특성에서 음전압 영역에서 전류의 전압 의존성이 역전되는 거동, 이른바 n형 반도체 특성을 보였다. 즉, I-V 특성은 옴의 법칙을 따르지 않고, 전압 상승에 따라 일정 전압 이상에서 전류가 감소하는 음극 저항이 발현된 것이다. 반면, R(저항)-V(전압) 특성을 분석한 결과, 승압 -1V~0V, 강압 +2V~0V 사이에서 3자리 스위칭 효과를 보이는 특성이 관찰됐다. 또한 10~500V에서 2mA의 전류로 5초간 충전한 후 1μA의 정전류로 방전했을 때 충전 전압 대비 저장 용량의 변화를 조사한 결과, 전압 증가에 따라 저장 용량이 선형적으로 증가하며 450V부터 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 다음으로 ChNF 시트의 AC 임피던스 특성을 측정한 결과, 저저항과 고저항의 두 개의 반원을 가진 나이키스트 선도(The Nyquist diagram)를 얻었다. 두 개의 반원은 원자간력 현미경 이미지 관찰을 통해 각각 120~350nm의 바늘 모양과 구형으로 이루어진 갑각류 외골격과 세포벽 조직의 기여하는 것으로 추론했다, 이 나이키스트 선도의 특성으로부터 ChNF 시트는 직류와 교류 영역에서 동일한 회로를 가질수 있음을 시사했다. 연구팀은 또한, 반도체 특성의 전자의 기원을 규명하기 위해 ESR 분석을 시도했다. 전자의 기원을 결정하는 단수 대칭의 피크를 관찰했고, 스펙트럼 강도의 선도가 횡축과 교차하는 자기장의 g값을 통해 키토산의 생성 전자는 비정질 키토산에서 발생하는 아미닐 라디칼(NH¯₂)에서 생성된 전자임을 확인했다. 연구팀은 이번 성과에 대해 "저밀도 경량 반도체 및 에너지 저장 장치 제작을 통해 천연 유래의 바이오 소재 자원을 활용함으로써 지구의 생물 순환 시스템을 활용한 바이오 일렉트로닉스가 발전할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(21)] 홍게껍질로 반도체 및 에너지 저장 기능 갖춘 나노시트 개발
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[신소재 신기술(17)] 탄소 배출량 25만 톤 감소! 탄소 네거티브 복합 데크로 건설 산업의 탄소 발자국 줄이기
- 건축 자재에 이산화탄소(CO₂)를 저장해 보다 친환경적인 건축 자재를 만드는 혁신적인 기술이 개발됐다. 건물과 건축에 사용되는 자재의 생산은 일반적으로 지구 온난화와 기후 변화에 영향을 미치는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 다량 배출한다. 기술 전문매체 테크익스플로어는 18일(현지시간) 과학자들이 새로 개발한 복합 데크는 제조 과정에서 배출되는 이산화탄소보다 더 많은 이산화탄소를 저장함으로써 탄소 네거티브 특성을 구현했다고 보도했다. 이는 기존 복합 데크의 한계를 극복하는 중요한 성과다. 연구팀은 미국 화학회(ACS) 춘계 회의에서 이번 연구 결과를 발표했다. 이 프로젝트의 수석 연구자 중 한 명인 유기 화학자 데이비드 헬데브란트에 따르면 페록 등 몇 가지 유형의 시멘트를 제외하고는 탄소 네거티브 복합재가 거의 없는 상태다. '페록'은 돌과 철을 결합한 것으로 콘크리트 보다 강도가 5배 높은 친환경 차세대 건축자재다. 시멘트 대용품으로 사용되는 친환경 건축 자재인 페록은 주로 폐철강 분진과 유리 분쇄물에서 나온 실리카 등 재활용 재료로 생산된다. 철강 분진은 이산화탄소와 반응해 탄산철을 생성하고, 이것이 응고되면 페록이 된다. 건축, 전체 탄소 배출량의 11% 차지 헬데브란트는 그의 팀이 개발한 복합 데크는 "사용 기간 동안 이산화탄소를 배출하지 않는 최초의 복합 재료 중 하나"라고 말했다. 데이비드 힐데브란트는 미국 태평양 북서부 국립연구소(PNNL)에서 일하며 CO₂ 포집을 위한 특수 액체를 개발하고 있다. 세계그린빌딩위원회에 따르면 건물 건설에 사용되는 자재와 공정은 전체 에너지 관련 탄소 배출량의 11%를 차지한다. 그로 인해 업계에서는 재활용 또는 식물 유래 제품을 사용하는 등 탄소 배출량을 상쇄할 수 있는 건축 자재를 개발하는 데 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 대부분의 경우 이러한 지속 가능한 건축 자재는 기존 자재보다 비싸거나 강도나 내구성과 같은 특성을 따라갈 수 없는 경우가 많다. 건축 자재의 한 유형인 데크는 수십억 달러 규모의 산업이다. 목재 플라스틱 합성물로 만든 데크 보드는 자외선에 의한 손상이 적고 오래 사용할 수 있기 때문에 목재 보드의 대안으로 인기가 높다. 합성 데크는 일반적으로 목재 칩 또는 톱밥과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 플라스틱을 혼합하여 제작한다. 이러한 복합재를 보다 지속가능하게 만들기 위한 대안은 폐기물 또는 태워버릴 수 있는 필러를 사용하는 것이다. 헬데브란트의 동료인 키르티 카파간툴라가는 저품질의 갈탄과 제지 과정에서 남은 목재 유래 제품인 리그닌을 데크 합성물의 충전재로 사용했다. 연구팀은 석탄과 리그닌 입자를 플라스틱과 혼합하여 플라스틱에 부착되게 하기 위해 입자의 표면에 에스테르 기능기를 첨가했다. 헬데브란트는 "에스테르는 본질적으로 카복실산이며, 이는 CO₂가 포집된 상태"라고 설명했다. 연구팀은 이 과정을 검증하기 위해 CO₂와 석탄, 리그닌과 같은 목재 제품에 풍부한 페놀 사이에 새로운 화학 결합을 형성하는 고전적인 화학 반응으로 전환했다. 이 반응을 거친 후 리그닌과 석탄 입자는 무게 기준으로 2~5%의 CO₂를 함유했다. 이어서 연구팀은 이 입자들을 다양한 비율로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 혼합해 갈색을 띠는 검은색 복합재를 제작하고 그 성질을 평가했다. 필러를 80%까지 포함한 복합재는 CO₂ 함량을 최대화하면서도 국제적인 건축 자재 규정에 부합하는 강도와 내구성을 보였다. 이 소재는 PNNL의 전단 보조 가공 및 압출(ShAPETM) 기계를 사용해 마찰 압출 공정으로 제조됐다. 연구원들은 이 기술을 이용해 데크나 야외 가구에 적합한, 표준 목재 복합재와 유사한 외형과 질감을 지닌 10피트(약 3m) 길이의 복합재 패널을 제작했다. 이 새로운 합성 데크 재료는 우수한 물리적 성질뿐만 아니라, 상당한 경제적 및 환경적 이점을 제공한다. 이 데크는 표준 합성 데크 재료보다 18% 더 저렴하다. 헬데브란트는 이 데크가 제조 과정과 사용 기간 동안 발생하는 이산화탄소 양보다 더 많은 이산화탄소를 저장할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 말했다. 미국, 1년간 목재 데크 판매량은? 미국에서 매년 판매되는 데크의 양은 35억 5000만피트(약 108만 2040km)에 달한다. 헬데브란트는 연구팀이 개발한 CO₂ 네거티브 복합 데크가 이를 대체하게 되면, 연간 약 25만 톤의 CO₂를 격리할 수 있으며, 이는 5만4000대의 자동차가 1년 동안 배출하는 CO₂량과 맞먹는다고 설명했다. 연구팀은 향후 더 다양한 복합재 조합을 개발하고 그 특성을 실험할 계획이다. 또한 울타리나 사이딩(건물 외벽 마감재)과 같은 여러 건축 자재에 대한 탄소 네거티브 복합재를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 동시에, 연구팀은 이 새로운 탄소 네거티브 데크의 상용화를 위해 노력 중이다. 이 혁신적인 데크는 이르면 내년 여름부터 건축 자재 전문 매장에서 판매될 수 있을 것으로 예상된다.
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[신소재 신기술(17)] 탄소 배출량 25만 톤 감소! 탄소 네거티브 복합 데크로 건설 산업의 탄소 발자국 줄이기
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털매머드 부활하나?...코끼리 줄기세포 배양 성공
- 과학자들이 코끼리 피부 세포로 줄기세포 배양에 성공해 털매머드 부활에 한 발 더 가까이 다가가고 있다. 미국 텍사스 주 댈러스에 있는 멸종 방지 기업이자 DNA 편집 회사인 콜로설 바이오사이언스(Colossal Biosciences)는 6일(현지시간) 털복숭이 매머드 형질을 가진 코끼리를 유전적으로 복원시키기 위해 아시아 코끼리 세포로 줄기세포 배양에 성공했다고 밝혔다. 콜로설은 자사 웹사이트에서 내한성 코끼리를 만들 것이라고 밝히면서 이 동물은 털매머드의 모든 핵심 생물학적 특성을 갖게 될 것이라고 설명했다. 또한 이 회사는 매머드와 유사한 코끼리가 코끼리 내피 친화성헤르페스 바이러스로 인한 매우 치명적인 질병에 저항성을 갖도록 만들 계획이다. 네이처에 따르면 콜로설은 코끼리 세포의 유전자(게놈)을 편집해 매머드와 비슷하게 만들었다. 하지만 살아 있는 매머드 같은 코끼리를 만들려면 편집된 게놈을 포함하는 배아를 생성해야 한다. 이론적으로 이를 수행하는 한 가지 방법은 유전자 편집된 코끼리 세포를 소위 유도만능줄기세포(iPS)로 전환한 다음 이를 난자와 정자 세포로 전환하는 것이다. 뉴사이언티스트에 따르면 유도만능줄기세포는 난자와 정자를 포함한 신체의 모든 세포로 분화할 수 있다. 배아에서 자연적으로 발생하지만 특정 단백질을 추가하여 성체 세포에서 만들 수도 있으므로 '유도'라고 한다. 많은 동물 종에서 유도만능세포가 만들어졌지만 지금까지 코끼리 세포를 유도만능세포로 만드는 데 성공한 사례는 없었다. 유전자 편집 18년 전, 연구자들은 쥐의 피부 세포를 배아 세포처럼 작동하도록 재프로그래밍할 수 있음을 보여줬다. 이러한 유도만능줄기세포는 동물의 모든 세포 유형으로 분화할 수 있다. 이 세포는 멸종된 털매머드(맘무투스 프리미제니우스·Mammuthus primigenius)의 가장 가까운 친척인 아시아 코끼리(엘레푸스 막시무스·Elephus maximus)를 복원하려는 콜로설의 계획에 핵심으로, 털과 지방 및 기타 매머드의 특성을 갖도록 유전적으로 편집됐다. 콜로설은 아시아 코끼리 세포를 유전자 변형해 핵심 단백질을 영구적으로 생산하도록 했다. 그럼에도 불구하고 세포를 유도만능줄기세로로 전환하는데 두 달이 걸렸다고 한다. 콜로설의 생물과학 책임자인 에리오나 히솔리는 "우리는 이 과정을 더 효율적이고 빠르게 만들고 싶었다"고 말했다. 핵심 단백질을 코딩하는 DNA는 쉽게 제거할 수 있다고 그녀는 덧붙였다. 매사추세츠주 보스턴에 위치한 하버드 의과대학의 유전학자이자 이 연구 논문의 공동 저자인 콜로설의 공동 설립자 조지 처치는 "우리는 세계 기록으로 가장 어려운 iPS 세포 수립에 도전하고 있다고 생각한다"고 말했다. 하지만 연구팀은 코끼리 줄기세포를 확립하는 데에도 어려움을 겪고 있다. 멸종 위기 종에 대한 줄기세포 연구의 권위자인 캘리포니아 주 라호야에 있는 스크립스 연구소의 줄기세포 생물학자인 장 로랑(Jeanne Loring) 박사는 "코끼리는 매우 어려운 과제"라고 말했다. 멸종 동물 복원 프로젝트 2011년 잔 로링과 동료들은 멸종 위기 동물에서 최초로 북방 흰코뿔소(Ceratotherium simum cottoni)와 드릴 원숭이(만드릴루스 류코패우스)로부터 iPS 세포를 만들었다. 이후 눈표범(Panthera uncia), 수마트라 오랑우탄(Pongo abelii), 일본뇌조(Lagopus muta japonica) 등 멸종 위기종에서 배아 유사 줄기세포가 만들어졌지만 수많은 팀이 코끼리 iPS 세포 수립 시도에 실패했다. 콜로설의 생물과학 책임자 에리오나 히솔리가 이끄는 연구팀은 처음에 다른 대부분의 iPS 세포주를 만드는 데 사용되는 매뉴얼에 따라 아시아 코끼리 새끼로부터 세포를 재프로그래밍하려고 시도하면서 동일한 문제에 부딪혔다. 이 방법은 2006년 일본 교토 대학의 줄기 세포 과학자인 야마나카 신야(Shinya Yamanaka)가 확인한 네 가지 주요 재프로그래밍 인자를 과잉 생산하도록 세포에 지시하는 것이다. 이 방법이 실패하자 히솔리 박사팀은 다른 연구원들이 사람과 쥐 세포를 재프로그래밍하는 데 사용했던 화학 칵테일을 코끼리 세포에 처리했다. 대부분의 경우 이 처리로 인해 코끼리 세포가 죽거나 분열을 멈추거나 아무런 반응도 보이지 않았다. 하지만 일부 실험에서는 세포가 줄기세포와 유사한 둥근 모양을 띠게 됐다. 히솔리 박사 팀은 이 세포에 네 가지 '야마나카' 인자를 첨가한 다음 성공의 핵심 요소였던 또 다른 단계를 밟았다. 바로 암 억제 유전자인 TP53의 발현을 억제하는 것이다. 유도만능줄기세포 배양 연구팀은 코끼리로부터 네 개의 iPS 세포 라인을 만들었다. 이 세포들은 다른 유기체의 iPS 세포와 비슷하게 보였고, 비슷하게 행동했다. 즉, 척추동물의 모든 조직을 구성하는 세 가지 '배엽'을 형성하는 세포를 만들 수 있었다. 하지만 콜로설이 최초의 유전자 조작 아시아 코끼리를 만드는 계획은 iPS 세포를 필요로 하지 않는 복제 기술을 포함한다. 처치 박사는 새로운 세포 라인은 아시아 코끼리에 매머드 특징을 부여하는 데 필요한 유전적 변화를 식별하고 연구하는 데 유용할 것이라고 말했다. 그는 "우리는 아기 코끼리에게 넣기 전에 미리 테스트하고 싶다"고 말했다. 코끼리 iPS 세포는 수정되어 모발이나 혈액과 같은 관련 조직으로 변형될 수 있다. 그러나 이러한 과정을 확대하기 위해서는 생식 생물학 분야에서 수많은 기술 도약이 필요하다. 그 중 한 가지 방법은 유전자 조직 iPS 세포를 수정된 정자와 암컷 생식 세포로 변형시켜 배아를 만드는 것이다. 쥐 실험에서는 이 방법이 성공했다. 또한 iPS 세포를 직접 실행 가능한 '합성' 배아로 변환하는 것도 가능했다. 콜로설은 자사의 첫 번째 메머드가 2028년에 태어날 것이라고 주장했다. 히솔리는 연구원들이 코끼리 세포에 단지 50~100개의 유전자 편집을 하는 것을 목표로 하고 있으며, 이는 실현하능하다고 말했다. 코끼리의 임신 기간은 2년이기 때문에 배아는 2026년 말께 생성되어 자궁에 이식되어야 2028년에 매머드 탄생이 가능하다. 처치 박사는 배아 배양을 위해 일부는 iPS 세포에서 유래한 인공 자궁을 사용할 것으로 예상했다. 그는 "우리는 멸종 위기 종의 자연적인 번식을 방해하고 싶지 않기 때문에 체외 임신을 확대하려고 노력하고 있다"고 말했다.
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- IT/바이오
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털매머드 부활하나?...코끼리 줄기세포 배양 성공
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JN.1 변종, 코로나19 판도 전환
- 2023년 후반 발견된 코로나19 변종 JN.1은 바이러스 진화에 중요한 변곡점을 맞이했다. 이 변종의 등장은 지속적인 글로벌 보건 노력의 중요성을 더욱 강조하고 있다. JN.1 변종은 2023년 8월 처음 발견된 이후 호주를 비롯한 전 세계적으로 급속히 확산됐다. 최근 1년 동안 대부분의 국가에서 관찰된 가장 큰 코로나19 확산의 주범으로 지목되고 있다. 과학기술 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 세계보건기구(WHO)가 2023년 12월 JN.1을 '관심 변이체'로 분류했고, 1월에는 장기적인 건강 결과를 초래할 우려가 있는 "훨씬 많은" 예방 가능한 질병을 유발하는 지속적인 세계적인 건강 위협이라고 강력하게 언급했다고 전했다. JN.1은 병원체로서 놀랍게도 새로운 버전의 사스-CoV-2(코로나를 일으키는 바이러스)이고 다른 순환 균주(오미크론 XBB)를 빠르게 대체하고 있다. 또한 코로나바이러스의 진화에 대해 언급하고 있기 때문에 중요하다. 일반적으로 사스-CoV-2 변이체는 이전에 있었던 것과 매우 비슷해 보이며, 한 번에 몇 개의 변이만 축적되어 바이러스가 부모보다 의미 있는 이점을 제공한다. 그러나, 2년 전 오미크론(B.1.1.529)이 발생했을 때와 같이, 때때로, 이전에 있었던 것과 현저하게 다른 특징들을 가진, 겉보기에는 변형들이 출현한다. 이것은 질병과 전염에 중대한 영향을 미친다. 지금까지, 특히 꾸준히 진화하는 오미크론 변종의 지속적인 성공을 고려할 때, 이러한 "단계 변화" 진화가 다시 일어날 것이라는 것은 확실하지 않았다. JN.1은 매우 독특하고 새로운 감염의 물결을 일으키기 때문에 많은 사람들이 WHO가 JN.1을 자체 그리스 문자에 대한 다음 우려의 변종으로 인정할지 궁금해하고 있다. 어쨌든 JN.1을 통해 우리는 팬데믹의 새로운 단계에 진입했다. JN.1의 기원은? JN.1(또는 BA.2.86.1.1) 이야기는 2023년 중반경 모 계통 BA.2.86의 출현으로 시작되며, 이는 2022년 오미크론 하위 변종 BA.2에서 유래했다. 몇 달 동안 해결되지 않은 채 지속될 수 있는 만성 감염은 이러한 단계적 변화 변이체의 출현에 한 역할을 할 가능성이 높다. 만성적으로 감염된 사람들에게서 바이러스는 조용히 테스트를 하고 결국 면역을 피하고 그 사람에게서 생존하는 데 도움이 되는 많은 돌연변이를 보유한다. BA.2.86의 경우 스파이크 단백질(SARS-CoV-2 표면에 있는 단백질이 우리 세포에 부착되도록 한다)의 돌연변이가 30개 이상 발생했다. 전 세계적으로 발생하는 엄청난 양의 감염은 바이러스의 대규모 진화를 예고하고 있다. 사스-CoV-2의 변이율은 매우 높기 때문에 JN.1 자체도 이미 변이가 빠르게 진행되고 있다. JN.1와 다른 변종의 차이점 BA.2.86과 현재 JN.1은 두 가지 측면에서 실험실 연구에서 독특하게 보이는 방식으로 행동하고 있다. 첫 번째는 바이러스가 면역을 어떻게 회피하는지에 관한 것이다. JN.1은 스파이크 단백질에서 30개 이상의 돌연변이를 물려받았다. 또한 항체가 바이러스에 결합하고 감염을 예방하는 능력(면역 체계의 보호 반응의 한 부분)을 더욱 감소시키는 새로운 돌연변이 L455S를 얻었다. 두 번째는 JN.1이 우리 세포에 들어가 복제하는 방식에 대한 변화를 포함한다는 것이다. 미국과 유럽의 최근 세간의 이목을 끄는 실험실 기반 연구에서는 분자 세부 사항을 자세히 설명하지 않고 BA.2.86이 델타와 같은 마이크로미크론 이전 변이체와 유사한 방식으로 폐에서 세포로 들어가는 것을 관찰했다. 그러나 이와는 대조적으로 호주의 커비 연구소가 다른 기술을 사용한 예비 연구에서는 오미크론 계통과 더 잘 일치하는 복제 특성을 발견했다. 이러한 다양한 세포 진입 결과를 해결하기 위한 추가 연구는 바이러스가 질병의 심각성과 전염에 영향을 미칠 수 있는 체내 복제를 선호할 수 있는 위치에 영향을 미치기 때문에 중요하다. 이런 연구 결과들은 JN.1 그리고 일반적으로 SARS-CoV-2가 우리의 면역체계를 돌아다닐 수 있을 뿐만 아니라, 세포를 감염시키고 효과적으로 전염시킬 수 있는 새로운 방법들을 발견하고 있다는 것을 보여준다. 우리는 이것이 사람들에게 어떻게 작용하는지, 그리고 그것이 임상 결과에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 더 연구할 필요가 있다. JN.1의 면역 회피 기능과 결합된 BA.2.86의 단계적 변화 진화는 이 바이러스에 2023년에 직면한 XBB.1 기반 계통을 훨씬 뛰어넘는 글로벌 성장 이점을 제공했다. 이러한 특징에도 불구하고 우리의 적응 면역 체계가 여전히 BA.286과 JN.1을 효과적으로 인식하고 반응할 수 있다는 증거가 있다. 업데이트된 1가 백신, 테스트 및 치료법은 JN.1에 대해 여전히 효과적이다. '심각도'에는 두 가지 요소가 있다. 첫째는 더 '본질적으로' 심각한 경우(면역력이 없는 감염으로 인해 질병이 더욱 악화됨), 두번 째는 바이러스가 전염성이 더 강해 단순히 감염시키기 때문에 더 큰 질병과 사망을 초래하는 경우다. JN.1은 후자에 속한다. 다음은 어떤 바이러스가 퍼질까? 현재 JN.1 변종이 '차세대 일반 감기'로 진화하는 진화적 궤도에 있는지, 그 진화 과정이 얼마나 걸릴지는 불확하다. 과거 네 가지 역사적인 코로나바이러스의 진화 궤적을 분석함으로써 미래 방향을 어느 정도 예측할 수 있지만, 이는 단순히 하나의 가능성에 불과하다. 우리는 비상사태 이후 새로운 팬데믹 단계에 진입했다. 하지만 코로나 바이러스는 여전히 전 세계적으로 피해를 입히는 주요 전염병으로 남아 있다. 사회적 및 개인적 차원에서 새로운 감염 물결에 대한 위험성을 인지해야 한다. 개인 보호와 주변 사람들 보호를 위한 적극적인 조치가 필요하다. 새로운 위협에 대한 팬데믹 대비를 개선하고 현재의 위기에 대한 대응을 개선하기 위해서는 글로벌 감시를 지속하는 것이 중요하다. 또 저소득 및 중소득 국가는 우려할 만한 사각지대라는 것도 고려해야 할 상황이다. 코로나19는 지난 2019년 11월 중국 후베이성 우한시에서 처음으로 발생하여 보고된 새로운 유형의 변종 코로나바이러스인 SARS-CoV-2에 의해 발병한 급성 호흡기 전염병이다. 2019년 11월부터 중국에서 최초 보고되고 퍼지기 시작해 현재까지 전 세계에서 지속되고 있는 범유행전염병이자 사람과 동물 모두 감염되는 인수공통전염병이다. 또한 제1급 감염병 신종감염병 증후군의 법정 감염병이었다.
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JN.1 변종, 코로나19 판도 전환
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[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대
- 미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
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[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대
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