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구글, AI 날씨 및 기후 모델 정확도 향상
- 구글이 주축이 된 연구팀이 개발한 AI(인공지능) 적용 날씨 및 기후 예측 모델이 기존의 물리학 기반 기후 모델과 융합함으로써 중장기 기상 예측 정확도를 대폭 향상시켰다고 악시오스가 보도했다. 분석 결과 보고서는 '네이처' 저널에 발표됐다. 발표에 따르면 구글 리서치와 구글 딥마인드, MIT, 하버드 대학교 및 유럽 일기예보 센터 연구팀이 협력해 개발한 기계 학습과 신경망을 사용하는 기후 모델 '뉴럴GCM(NeuralGCM)'이 현재 사용되는 모델 및 1~10일의 중단기 일기 예보에 대한 다른 기계 학습 기반 모델보다 더 정확한 것으로 나타났다. 또한 수십 년에 걸쳐 장기적인 기후 조건을 예측하는 데서도 탁월한 기술임을 입증했다. 이 발전은 AI 기반 기상 및 기후 예측 분야가 얼마나 빠르게 발전하고 있는지를 보여준다는 지적이다. AI 모델은 기존 컴퓨터 분석 모델에 비해 엄청난 컴퓨팅 성능과 시기적인 적절성을 제공한다는 것이다. 개발에 참여한 구글 리서치의 스티픈 호이어 박사는 "새로운 AI 기반 기후 모델은 오픈소스이며, 노트북에서 상대적으로 빠르게 실행되도록 설계됐다"고 밝혔다. 그러나 전통적인 기상 예측 모델은 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터를 사용하는데, 그럼에도 불구하고 대기와 해양의 작동에 대한 물리적 법칙을 설명하는 수만 줄의 코드를 처리하는 데 몇 시간이 걸린다. 개발된 AI 모델은 수십년 동안의 과거 날씨 데이터를 기계 학습으로 훈련했다. 대규모 날씨 패턴을 설명하는 물리 방정식을 사용했으며, 본질적으로 글로벌 순환 모델과 물리 집약적 접근 방식, AI 기반 작업을 결합하고 있다. 오클라호마 대학의 아론 힐 기상학 교수는 "새 기후 모델의 가장 큰 참신함 중 하나는 기후 예측에서 사용하는 대규모 물리학을 그대로 유지하면서 모델링을 AI로 대체한 방법"이라고 설명했다. 엔비디아나 마이크로소프트 등 다른 회사가 만든 AI 기후 예측 모델은 전통 물리학을 완전히 배제하고 있다는 것이다. 힐은 AI와 기계 학습 기술이 기상 및 기후 연구에서 빠르게 뿌리내리고 있다고 부연했다. 그러나 AI 예측 모델은 여전히 NOAA(국립해양대기청) 등 국제적인 기관에서 운영하지 않고 있다. 이는 기상 예측 전문가들이 AI 기반 예측 시스템에 대해 아직 온전히 신뢰하지 못하기 때문이다. 현재는 AI 예측 결과의 정확도를 확인하는 단계에 있다. 호이어는 "공공 기후 예측 관련 기관의 시스템이 빠르게 발전하고 AI 기후 모델 채택 가능성을 보여주고는 있지만, 아직 전통적인 날씨 및 기후 모델을 대체하지는 못하고 있다"면서도 "AI 기후 예측 시스템에 더 적극적인 투자가 이루어져야 한다"고 강조했다. 호이어는 최근의 연구에 대해 "날씨와 기후 시뮬레이션 엔진에 AI를 사용할 수 있다는 사실 자체는 현장의 많은 사람들에게 확인됐다"며 기후 예측에 AI가 깊이 개입할 시점이 다가오고 있다고 전망했다.
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- IT/바이오
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구글, AI 날씨 및 기후 모델 정확도 향상
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[우주의 속삭임(31)] 화성 지진 활동, 운석 충돌과의 연관성 확인
- 화성에서 일어나는 지진이 대부분 화성 지하의 지각운동에 의해 일어나지만, 많은 경우 운석 충돌의 여파로 인해 발생한다는 주장이 국제 천문학 연구팀에 의해 제기됐다고 ARS테크니카가 전했다. 이 연구 논문은 학술지 '네이처'에 발표됐다. 국제 연구팀은 지난 2019년 화성에 도착해 탐사를 이어온 나사(NASA)의 인사이트(InSight) 착륙선 데이터를 분석, 인사이트의 지진계 SEIS가 인근에서 6건의 지진을 감지했음을 발견했다. 특히 이 지진은 운석이 화성 대기를 통과하면서 발생한 음향 신호와 연결되어 있었다. 연구팀은 6개 지진 모두가 VF(초고주파) 신호의 완전히 새로운 종류의 지진임도 확인했다. 화성에서 VF 지진을 야기하는 충돌은 불과 몇 초 안에 발생한다. 이는 지각 활동으로 일어나는 것보다 훨씬 짧은 시간이다. 이 데이터는 화성에 유성이 충돌하면서 발생하는 지진을 이해하는 중요한 지진학 정보다. 지진 데이터를 이용해 운석 충돌에 의한 분화구가 얼마나 많이 생기는지를 파악한 것도 이번 연구가 처음이라고 한다. 연구팀은 화성 표면에 있는 분화구와 운석에 의해 만들어진 달의 분화구를 비교 분석하는 방법을 사용했다. 이를 비교함으로써 화성에서의 대략적인 운석 영향을 추정했다. 달 분화구의 모델은 화성의 조건에 맞게 조정됐다. 운석이 화성에 충돌하면 지각 변동에 의한 지진과 마찬가지로 지진파가 생성되며, 파동은 맨틀과 지각을 통과할 때 지진계로 감지할 수 있다. SEIS 지진계가 포착한 큰 파동의 지진은 폭 150m의 분화구와 연결되었다. 운석 충돌과의 연관성이 확인된 것이다. 인사이트 착륙선의 다른 센서에 의해 감지된 다른 음향 신호와 함께 SEIS는 5개의 화성 지진을 더 감지해 냈다. 데이터를 통해 감지된 6개의 운석 충돌에 의한 지진은 초당 3km 이상의 고속인 운석 하강 속도로 인해 지각 변동에 의한 지진보다 훨씬 빠르게 발생했다. 특히 일반 지진에서 나타나는 고주파(HF) 등급보다 훨씬 더 높은 VF파 지진이었다. 연구팀이 화성 궤도관측선 MRO(Mars Reconnaissance Orbiter)의 카메라(CTX)를 사용해 SEIS가 포착한 지진 위치를 이미지화한 결과 새로운 분화구가 인지됐다. 농구공만한 크기의 작은 운석에 의해 형성된 소규모 지진과 작은 분화구도 있을 것으로 추정됐지만 MRO로 관측하기는 어려웠다. 화성에는 거의 매일 운석이 충돌하지만, 대부분은 크기가 작아 관측선에 기록될 정도의 지진으로 연결되지는 않는다. 연구팀은 SEIS 데이터를 사용해 지진파가 인사이트 우주선에 도달하는 데 걸리는 시간과 VF 지진의 크기에 따라 분화구의 직경을 추정하는 한편 SEIS가 포착한 지진의 빈도도 도출할 수 있었다. 이 결과를 화성 표면 전체에 적용하면 매년 약 280~360회의 VF 지진이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 운석 충돌 속도를 파악하면 우주선의 화성 탐사 위험을 방지할 수 있으며, 미래에 이루어질 화성의 유인 탐사와 우주비행사를 보호할 수 있다. 화성에서 운석 충돌이 다소 빈번하게 발생하는 기간이 있으므로, 이 시기를 미션 기간에서 제외하는 것이 가능하다. 지구의 경우 운석은 대부분 대기권에서 타버리기 때문에 그다지 위험하지 않다. 반면 화성은 대기가 지구에 비해 훨씬 얇아 더 많은 운석이 대기권을 통과할 수 있다. 유성우를 피할 수 있는 우산도 없어 운석 충돌에 대비하는 것은 화성 관측에 매우 중요하다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(31)] 화성 지진 활동, 운석 충돌과의 연관성 확인
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[우주의 속삭임(29)] 달에서 지하동굴 발견, 미래 달 탐사 기지 기대
- 닐 암스트롱과 버즈 올드린이 55년 전 달에 착륙한 지점에서 멀지 않은 곳에서 동굴이 발견됐다. 이 동굴은 미래의 우주 비행사들이 거주할 수 있을 것으로 기대되며, 이런 동굴은 최소 수백 개에 달할 것으로 추정된다고 CBS뉴스 등이 보도했다. 이탈리아 천문학자팀은 최근 달에서 가장 깊은 곳으로 알려진 '고요한 바다(Sea of Tranquility)'에서 거대한 동굴의 증거가 나타났다고 보고했다. 이 동굴은 아폴로 11호의 착륙 지점에서 불과 400km 떨어진 곳에 위치해 있다. 동굴은 이미 발견된 200개 이상의 다른 구덩이와 마찬가지로, 용암 동굴이 붕괴되면서 만들어졌다. 연구팀은 나사(NASA)의 달 정찰 궤도선에 의한 레이더 측정을 분석하고 그 결과를 지구의 용암 동굴과 비교해 이를 밝혔다. 연구 결과는 '네이처 천문학' 저널에 실렸다. 연구팀에 따르면, 레이더 정보는 동굴의 입구 부분만을 보여주고 있지만, 동굴은 폭이 적어도 40m, 길이도 최대 수십m에 이를 것으로 추정된다. 연구팀원인 트렌토 대학의 레오나르도 카레와 로렌조 브루존은 "달에 존재하는 동굴은 50년 넘게 수수께끼로 남아 있었지만 마침내 그 존재를 증명해 냈다"고 말했다. 연구 결과는 달에 수백 개의 구덩이와 수천 개의 용암 동굴이 있을 수 있음을 시사한다. 네이처는 이 동굴이 달 표면의 가혹한 환경으로부터 우주인에게 은신처를 제공하고 인간의 달 탐사를 장기적으로 지원할 수 있는 '유망한 달 탐사 기지 후보지'가 될 수 있다고 밝혔다. 그러나 기지를 건설하는 것은 더 많은 시간과 노력이 필요할 것이며, 동굴 벽을 보강하는 등 어려운 작업이 수반될 것이라는 지적이다. 영국 우주비행사 헬렌 샤먼은 BBC 뉴스와의 인터뷰에서 "우주인이 20~30년 안에 달의 동굴에서 활동할 수 있겠지만 동굴이 깊어 리프트와 같은 장비가 필요할 것"이라고 말했다. 한편, 동굴 내부의 암석 및 다른 물질들은 오랜 세월 동안 유지되어 왔기 때문에 천문학계가 달이 어떻게 진화했는지, 특히 달의 화산 활동에 대해 이해할 수 있는 단초를 제공할 수 있을 곳으로 보인다. 학계는 지속적으로 달 관련 데이터 아카이브를 추가하고 있다. 중국의 창어 6호 달 탐사선은 몇 주 전 달의 표면에서 암석과 토양 샘플을 수집해 지구로 귀환했다. 중국은 이번에 입수한 샘플이 독특한 지리적 특징을 가진 달의 양면 사이의 차이점을 밝혀줄 것으로 기대하고 있다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(29)] 달에서 지하동굴 발견, 미래 달 탐사 기지 기대
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[신소재 신기술(79)] 레이저와 2D 물질로 플라스틱 쓰레기 분해
- 레이저를 활용해 플라스틱 오염을 해결할 수 있는 방법이 개발됐다. 미국 텍사스 대학교 연구진이 주도하는 국제 연구팀은 레이저를 이용해 플라스틱 분자를 기본 요소로 분해해 재활용하는 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 매년 수백만톤의 플라스틱 폐기물이 매립지와 바다에 쌓이는 등 플라스틱 오염은 전세계적인 환경 문제로 떠올랐다. 기존의 플라스틱 분해 방법은 에너지 집약적이고 환경적으로 유해해 비효율적인 경우가 많았다. 연구팀은 분해하려는 물질을 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라는 2차원 물질 위에 놓고 빛을 비추는 방식을 활용했다. 이는 기존 기술로는 분해가 어려운 플라스틱 폐기물 해결에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 이 기술을 통해 플라스틱의 화학 결합을 끊고 새로운 화학 결합을 형성해 발광 탄소점(carbon dot)을 생성했다. 탄소 기반 나노 물질은 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다. 특히 이 발광 탄소점은 차세대 컴퓨터 메모리 소자로 활용될 가능성도 있다. 텍사스 오스틴 캠퍼스(UT Austin)의 18개 단과대학 중 하나인 콕렐 공과대학 워커 기계공학부 교수이자 프로젝트 리더 중 한 명인 유빙 정은 "이러한 독특한 반응을 활용하면 환경 오염 물질을 가치있고 재사용 가능한 화학물질로 전환하는 새로운 경로를 탐색해 보다 지속 가능한 순환 경제 발전에 기여할 수 있다"고 말했다. 그는 "이 새로운 발견은 환경 문제를 해결하고 친환경 화학 분야를 발전시키는 데 중요한 의미가 있다"고 덧붙였다. 또한 이번 연구는 탄소-수소 결합 활성화(C-H activation)라는 특정 반응을 이용했다. 이 반응은 유기 분자 내 탄소-수소 결합을 선택적으로 분해해 새로운 화학 결합을 형성하는 과정이다. 연구팀은 TMD를 촉매로 사용해 수소 분자를 가스 형태로 변환시키고, 탄소 분자들이 서로 결합해 정보 저장 점을 형성하도록 유도해 플라스틱 분해를 높였다. 이번 연구는 플라스틱 폐기물 문제 해결을 위한 지속 가능한 방안 모색에 중요한 발걸음을 내디뎠다는 평가를 받고 있다. 하지만 산업적 응용을 위해서는 빛 기반 C-H 활성화 공정의 최적화 및 확장에 대한 추가 연구 개발이 필요하다. 빛 기반 C-H 활성화 공정은 플라스틱 외에도 폴리에틸렌, 계면활성제 등 다양한 고분자 유기화합물에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 최근 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 연구에는 텍사스대학교를 포함해 버클리 캘리포니아 대학교, 일본 도호쿠 대학교, 로렌스 버클리 국립 연구소, 베일리 대학교, 펜실베니아 주립대학교의 연구진이 참여했다.
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[신소재 신기술(79)] 레이저와 2D 물질로 플라스틱 쓰레기 분해
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[기후의 역습(25)] 약한 해양 순환, 대기 중 이산화탄소 축적 증가
- 기후변화가 진행됨에 따라 해양 역전순환(적도 부근의 따뜻한 바닷물이 북쪽으로 흘러가고, 북쪽의 차가운 물이 하층부로 내려가 남쪽으로 흐르는 해류 순환) 흐름이 크게 약화될 것으로 예상된다. 그런 가운데, 해류가 약화되면 바다가 대기에서 이산화탄소를 흡수하는 양이 줄어들고, 결국 대기에 축적되는 이산화탄소가 증가할 것이라는 연구 결과가 나왔다고 PHYS가 전했다. 네이처 커뮤니케이션에 발표된 MIT의 새로운 연구에 따르면, 해류가 약해짐에 따라 심해에서 대기로 방출되는 탄소가 더 많아질 것이며, 따라서 해양 순환과 바다의 장기적인 탄소 저장 능력 사이의 관계가 재정립되어야 할 것으로 보인다. 그 이유는 바다의 철분, 용승하는 탄소와 영양분, 표면 미생물 등의 작용 때문이다. 해류가 종전보다 느리게 순환하면 이들은 궁극적으로 바다가 대기로 다시 배출하는 이산화탄소의 양을 증가시키는 작용을 하게 된다는 것이다. MIT 연구팀을 이끈 조나단 로더데일 박사는 ”기후에 영향을 미치는 해양 순환과 대기 탄소 수준 사이의 관계를 볼 때 미래의 바다가 심해에 탄소를 충분히 저장할 것이라고 기대할 수 없다. 기후 변화 완화를 위해 자연적인 정화에 의존하기보다 탄소 배출을 줄이는 데 더 공격적으로 나서야 한다"라고 밝혔다. 로더데일 연구팀은 해양 영양분, 해양 유기체, 철분을 분석, 이들의 상호 작용이 전 세계 식물성 플랑크톤의 성장에 어떻게 영향을 미치는지를 분석했다. 바다의 식물성 플랑크톤은 해양 표면에 서식하며, 심해에서 용승하는 탄소와 영양분과 철분을 섭취하는 미세한 유기체다. 식물성 플랑크톤이 많을수록 광합성을 통해 대기에서 더 많은 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 특히 이는 바다의 탄소 격리에 큰 역할을 한다. 연구팀은 여러 지역 해양의 조건에 맞춰 이를 상자로 구성한 ‘상자 모델’을 개발했다. 각 상자에는 지역별 해양 상황과 유사한 영양분, 철 및 리간드(식물성 플랑크톤의 부산물로 여겨지는 유기 분자)가 담겼다. 팀은 또한 바다의 더 큰 해류 순환을 나타낼 수 있도록 상자 사이에 해류의 순환을 모델링했다. 해류 역전순환을 상자 모델에서 그대로 재현한 것이다. 모델을 바탕으로 실험한 결과 팀은 바다에 철분이 과도해도 남는 철분이 식물성 플랑크톤 성장에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 밝혔다. 철분은 바다에 용해되지 않으므로 그 자체로는 식물성 플랑크톤이 사용할 수 없었다. 철분은 플랑크톤이 소비할 수 있는 형태로 리간드와 연결될 때 "유용한" 수준에서만 용해됐다. 리간드의 존재가 해양의 이산화탄소 농도를 좌우하는 가장 큰 변수였다. 팀은 상자 모델을 확장해 태평양, 북대서양 등 보다 다양한 환경으로 넓혔고, 다양한 해양 순환의 효과를 포함해 모델 내의 다른 상호 작용도 실험했다. 팀은 다양한 해류 강도에서 플랑크톤 등의 생물 활동과 함께 탄소, 영양소, 철 및 리간드 농도를 분석하고 다양한 시나리오를 비교 분석했다. 실험 결과는 새로운 결과를 보여주었다. 바다의 순환, 즉 해류가 약해질수록 바다가 깊은 곳에서 끌어오는 탄소와 영양분의 양이 적어졌다. 그러면 표면의 모든 식물성 플랑크톤은 자양분이 부족해지고, 그 결과 플랑크톤이 생성하는 리간드 등 부산물도 감소한다. 사용 가능한 리간드가 줄어들면 식물성 플랑크톤은 해수 표면의 철분을 덜 사용하게 돼 개체수가 더욱 감소한다. 대기에서 이산화탄소를 흡수하고 심해에서 용승된 탄소를 소비하는 식물성 플랑크톤이 크게 줄어들 수밖에 없다. 결국 해양 순환이 약해질수록 대기 중에 더 많은 이산화탄소가 축적된다고 보고서는 밝혔다. 해양의 순환은 기후 변화로 인해 크게 약화될 것이라는 우려다. 일부 기후 모델에 따르면, 특히 남극 주변의 빙상이 급속도로 녹아 내리고 있으며, 이로 인해 해양 순환이 30% 둔화될 것으로 예측한다. 이로 인해 해양이 대기에서 흡수하는 이산화탄소가 크게 줄 뿐만 아니라 심해의 이산화탄소 방출을 일으킬 수 있다는 지적이다. 지구 온난화가 증폭된다는 의미다.
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[기후의 역습(25)] 약한 해양 순환, 대기 중 이산화탄소 축적 증가
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세계 최초로 인간 면역체계 완전히 갖춘 쥐 모델 개발
- 미국 텍사스대 과학자들이 완전하고 기능적인 인간 면역체계를 가진 쥐 모델 개발에 성공했다. 이 모델은 또한 특정 항체 반응을 생성할 수 있는 인간과 유사한 장내 미생물군을 가지고 있는 것으로 보고됐다고 메디컬 익스프레스와 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 8일(현지시간) 보도했다. 샌안토니오에 있는 텍사스 대학교 건강 과학센터의 과학자들이 개발한 이 인간화된 쥐는 TruHuX(진정한 인간, 또는 THX)라는 이름을 가지고 있다. 텍사스 대학교 롱 의과대학 미생물학, 면역학 및 분자유전학과의 파울로 카살리(Paolo Casali) 교수 연구팀은 면역학 및 미생물학 분야에서 50년 이상의 경력을 지닌 연구자로, 항체 반응의 분자 유전학 및 후성유전학 분야의 전문가다. 연구팀은 기존 인간 모델의 한계를 극복하기 위해 완전히 발달하고 기능하는 인간 면역 체계를 가진 인간화된 쥐 모델 개발을 목표로 했다. 쥐는 크기가 작고, 취급이 용이하며, 인간과 많은 면역 요소 및 생물학적 특성을 공유하고, 유전적 변형이 용이하기 때문에 생물학 및 생물 의학 연구에 널리 사용된다. 그러나 1600개 이상의 쥐 면역 반응 유전자 중 상당수는 인간 유전자와 일치하지 않아 인간 면역 반응 예측에 차이 또는 결함을 초래한다. 이러한 이유로 인간 면역 반응을 정확하게 재현하는 '인간화된 쥐' 모델 개발이 중요한 과제로 떠올랐다. 본 연구는 2024년 8월 '네이처 이뮤놀로지(Nature Immunology)' 저널에 게재될 예정이다. 탯줄 혈액서 분리한 인간 줄기세포 쥐 심장에 주입 연구팀에 따르면 이 TruHuX 쥐 모델에는 림프절, 생식 중심, 흉선 인간 상피 세포, 인간 T 림프구와 B 림프구, 기억 B 림프구, 그리고 인간에서 발견되는 것과 동일한 고도로 특이한 항체와 자가항체를 생성하는 형질 세포가 포함되어 있다. 1980년대에 인간 HIV 감염 및 면역 반응 모델링을 위해 처음으로 인간화된 쥐가 개발됐다. 이후 면역결핍 쥐에 인간 말초 림프구, 조혈모세포 또는 다른 인간 세포를 주입하는 방식으로 인간화된 쥐가 계속 개발되어 왔다. 그러나 기존 모델들은 완전히 기능하는 인간 면역 체계를 갖추지 못하고, 수명이 짧으며, 효과적인 면역 반응을 나타내지 못했다. 이로 인해 인간 면역 치료제 개발, 인간 질병 모델링 또는 인간 백신 개발에 적합하지 않았다. 카살리 교수 연구팀은 탯줄 혈액에서 분리한 인간 줄기세포를 면역결핍 NSG W41 돌연변이 쥐의 심장(좌심실)에 주입하는 방식으로 연구를 시작했다. 몇 주 후, 이식된 줄기세포가 안정화되면 쥐에게 17β-에스트라디올(E2)을 투여하여 호르몬 조절을 진행했다. 에스트로겐은 인체에서 가장 강력하고 풍부한 형태의 여성 호르몬이다. 에스트로겐을 통한 호르몬 조절은 이전 연구 결과에 근거하여 진행되었다. 이는 에스트로겐이 인간 줄기세포 생존율을 높이고, B 림프구 분화와 바이러스 및 박테리아에 대한 항체 생성을 촉진한다는 점을 시사한다. 카실리 박사는 "에스트로겐 활성을 중요하게 활용하여 인간 줄기세포와 인간 면역세포 분화 및 항체 반응을 지원함으로써 THX 쥐는 인간 면역계 연구, 인간 백신 개발 및 치료제 테스트를 위한 플랫폼을 제공한다"고 말했다. 이렇게 개발된 TruHuX(THX) 쥐는 림프절, 배중심, 흉선 상피 세포, 인간 T 및 B 림프구, 기억 B 림프구 및 형질 세포를 포함해 완전히 발달하고 기능하는 인간 면역 체계를 갖추고 있다. 프리스테인 주입시 루푸스 발현 THX 쥐는 실모넬라 편모 단백질 및 화이자 COVID-19 mRNA 백신 접종 후 각각 살모넬라 티피뮤리움 및 SARS-CoV-2 바이러스 스파이크 S1 RBD에 대한 성숙한 중화 항체 반응을 나타냈다. 또한 염증 반응을 유발하는 기름인 프리스테인 주입 후 전신성 호반성 루푸스 자가면역 질환을 발병할 수 있다. 카실리는 이 새로운 발견이 암 체크포인트 억제제와 같은 면역치료제, 인간 박테리아 및 바이러스 백신 개발, 다양한 인간 질병의 모델링 등 인간 생체 내 실험에 새로운 길을 열었다고 설명했다. 또한 이 새로운 접근 방식이 면역학 및 미생물학 연구에서 비인간 영장류 사용을 대체할 수 있다는 낙관적인 전망을 내놓고 있다. 에스트로겐과 면역 체계에 대한 이전 연구가 부족했기 때문에 카실리 교수는 이번 발견이 해당 주제에 대한 추가 연구를 촉진하기를 기대하고 있다. 카실리 교수는 "THX 쥐는 에스트로겐 활동을 활용해 인간 줄기세포 및 면역세포 분화와 항체 반응을 지원함으로써 인간 면역 체계 연구, 인간 백신 개발 및 치료제 테스트를 위한 플랫폼을 제공한다"고 말했다. 연구팀은 현재 THX 쥐 모델을 사용하여 전신 및 국소 수준에서 SARS-CoV-2(COVID-19)에 대한 생체 내 인간 면역 반응, 인간 기억 B 림프구, 생성을 위한 핵 수용체 RORα 의존성, RORα 발현 및 조절 장애로 이어지는 사건을 조사하고 있다. 연구팀은 또한 인간 형질세포 생성을 매개하는 후성유전학 요인과 메커니즘을 탐구하고 있다. 형질세포는 박테리아, 바시리스 또는 암세포에 대한 항체를 초당 수천개씩 만드는 일종의 세포 공장이다.
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세계 최초로 인간 면역체계 완전히 갖춘 쥐 모델 개발
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[기후의 역습(24)] 극심한 산불, 기후 변화로 20년 만에 2배 급증
- 지구가 불타고 있다. 최근 그리스에서는 70건이 넘는 산불이 동시에 발생했다. 2024년 초 칠레는 역사상 최악의 산불 시즌을 겪었고, 130명 이상이 사망했다. 지난해 캐나다에서는 3~11월까지 기록적인 산불이 일어났고, 8월에는 하와이 마우이 섬이 불길로 휩쓸렸다. 지금도 산불은 계속되고 있다. 재앙적인 극심한 산불이 점점 더 자주 일어나고 있다는 사실이 수치로 확인됐다. '네이처 생태 및 진화(Nature Ecology & Evolution)'에 최근 발표된 연구에 따르면 지구상에서 가장 극심한 산불의 횟수와 강도가 지난 20년 동안 두 배로 늘어났다. 이 연구는 호주 태즈매니아 대학이 수행한 것이다. 연구팀은 2003~2023년까지 21년 동안 전 세계에서 발생했던 대형 화재에 의해 방출된 에너지를 처음으로 계산해 냈다. 연구팀은 화재에서 열에너지를 추적하는 위성 센서를 사용, 불길이 분출하는 에너지량을 측정했다. 연구팀이 조사한 화재 건수는 무려 3000만 건에 달한다. 이들을 전수조사해 가장 많은 에너지가 방출된 상위 2913개, 즉 0.01%의 '가장 극단적인' 산불을 선정했다. 분석한 결과, 극심한 산불은 점점 더 빈번해지고 있으며, 지난 20년 동안 그 횟수가 두 배로 늘어났다. 2017년부터 현재까지, 2022년 한 해를 제외한 최근 6년 동안은 지구에 가장 많은 극심한 산불이 발생한 기간이었다. 심각한 문제는 이러한 극심한 산불이 더욱 격렬해지고 있다는 사실이다. 최근 몇 년 동안 극단으로 분류된 산불은 조사 초기, 즉 2003년 언저리에 발생했던 극단적인 산불보다 두 배나 많은 에너지를 방출했다. 강도가 2배 이상 늘었다는 의미다. 이는 산불이 악화되고 있다는 최근의 다른 연구 및 관찰과도 일치한다. 예를 들어, 매년 소실되는 산림 면적은 증가하고 있으며, 이에 따라 산림 탄소 배출량도 늘고 있다. 초지 및 농경지 화재의 경우 상대적으로 산불보다 강도가 낮고 탄소 배출량도 적다. 화재가 생태계에 얼마나 심각한 피해를 주는지를 나타내는 지표인 '화상 심각도' 역시 많은 지역에서 악화되고 있다. 심각도가 높은 화재로 인해 피해를 입는 토지의 비율도 전 세계적으로 증가하고 있다. 보고서는 글로벌 화재 상황이 전반적으로 악회되고 있으며, 지역별로 뚜렷한 양상을 보인다고 지적했다. 극북 지역의 아한대 산림과 온대 침엽수림에서 전 세계적으로 극심한 산불 증가 추세를 주도하고 있다는 것이다. 이 지역은 심각한 화재 발생이 더 빈도가 높아지고 시간이 지남에 따라 악화되는 경향을 보였다. 동시에 총 연소 면적과 비율 면에서 심각한 수준을 나타냈다. 특히 동부 시베리아, 서부 미국 및 캐나다 지역의 화재 상황이 두드러졌다. 극심한 산불이 두 배 증가하면 지금까지의 소방 활동으로는 제어하기 어려워진다. 토지 변화, 산림 정책 및 관리, 기후 변화 등 산불 악화 이면에 숨어 있는 근본 원인을 해결하는 것이 시급하다. 전통적인 방법으로는 대처가 거의 불가능한 극심한 화재에 대비하는 근본적인 처방이 필요하다는 지적이다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(24)] 극심한 산불, 기후 변화로 20년 만에 2배 급증
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
- 미국 스탠퍼드 대학교 연구팀이 칩 크기의 초소형 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)레이저 개발에 성공했다. 이 레이저는 기존 티타늄 이온 도핑 사파이어 크리스탈로 만든 티타늄 사파이어 또는 Ti:사파이어 레이저보다 4배 작고 비용은 3배 더 저렴하며 효율성도 크게 향상되었다고 IFL이 3일(현지시간) 전했다. 기존 티타늄 사파이어 레이저는 높은 가격과 큰 부피, 그리고 구동을 위한 여러 대의 고출력 레이저가 필요하다는 단점이 있었따. 스탠퍼드리포트는 이번에 새로 개발 티타늄-사파이어 레이저에 대해 "'타의 추종을 불허하는 성능'을 가진 것으로 간주된다"고 전했다. 이어 "레이저는 최첨단 양자 광학, 분광학, 신경 과학을 포함한 많은 뷴야에서 없어서는 안 된다. 하지만 그 성능은 엄청난 대가를 치른다"면서 "Ti:sapphire는 부피가 입방 피트9볼링 공 4개 정도의 공간을 차지함)에 달할 정도로 크고 비용도 수십만 달러에 이른다. 또한 3만 달러 이상에 달하는 다른 고출력 레이저가 있어야 작동한다"며 기존 레이저의 단점을 지적했다. 스탠퍼드대 전기공학과 교수이자 칩 크기의 Ti:사파이어 레이저 논문의 시니어 저자인 옐레나 부치코비치(Jelena Vučković)는 "이것은 기존 모델에서 완전히 벗어난 것"리하고 말했다. 그는 "크고 값비싼 레이저 한 대가 아닌, 하나의 칩에 수백대의 레이저를 탑재할 수 있는 시대가 곧 올 것"이라고 전망했다. 연구팀은 티타늄 사파이어를 이산화규소(sio2) 절연체 위에 장착하고 수백 나노미터 두께의 티타늄 사파이어 층을 정밀하게 연마하고 에칭하여 소용돌이 모양의 융기, 즉 도파관을 형성했다. 이 도파관을 통과하는 빛은 소형 히터를 사용해 가열되며 사용자가 필요에 따라 레이저 파장을 조정할 수 있도록 한다. 즉, 연구팀은 마이크로스케일 히터를 통해 방출되는 빛의 파장을 변경해 빛의 색상을 700~1000나노미터(적색에서 적외선까지) 사이에서 원하는 대로 조절할 수 있었다. 또한 레이저 크기 축소는 강도를 높여 효율성을 향상시키는 효과도 있었다. 이 소형 레이저는 양자 광학, 분광학, 신경 과학 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 넓은 파장 범위에서 에너지를 방출하는 탁월한 이득 대역폭과 1000조 분의 1초마다 빛 펄스를 방출하는 초고속 특성을 가지고 있다. 이는 기존 레이저보다 약 14배 빠른 속도다. 부치코비치 교수와 공동 제1저자인 조슈아 양과 연구팀은 이 새로운 레이저가 다양한 분양에 미칠 영향에 대해 큰 기대를 걸고 있다. 양자 물리학 분야에서는 이 저렴하고 실용적인 레이저가 최첨단 양자 컴퓨터의 소형화를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 신경 과학 분야에서는 광섬유를 통해 뇌 속 뉴런을 빛으로 조절하는 광유전적 연구에 즉각적인 활용이 가능할 것으로 보인다. 소형 레이저를 활용하면 더욱 작은 프로브(probe, 뇌 활동을 측정하고 자극하는 데 사용되는 도구)를 개발해 새로운 실험 방법을 모색할 수 있다. 안과 분야에서는 노밸상 수상 기술은 '처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)'을 이용한 레이저 수술에 새로운 방식으로 활용되거나, 망막 건강 평가에 사용되는 광 간섭 단층 촬영 기술을 더 저렴하고 작게 만들수 있을 것으로 기대된다. 칩 형태의 레이저는 기볍고 휴대성이 뛰어나며 저렴하고 효율적이다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 양 연구원은 "우리는 단일 4인치 웨이퍼에 수 전개의 레이저를 놓을 수 있었다"며 그렇게 되면 레이저당 비용이 거의 0이 되기 시작한다. 이는 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 티타늄 사파이어 레이저의 대중화에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
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[기후의 역습(21)] 알래스카 주노 빙원, 1980년대보다 5배 빨리 사라져
- 북미 대륙 최북단 알래스카는 빙하의 땅이다. 무려 1000개 이상의 빙하가 존재한다. 그중에서도 대표적인 알래스카 주노 빙원이 빠르게 녹고 있으며, 그 속도도 가속화되고 있다고 한다. 새로운 연구에 따르면 현재 주노 빙원은 지난 1980년대에 비해 4.6배 빠르게 줄어들고 있다고 연합뉴스가 AP통신을 인용해 3일 전했다. 연구는 영국 뉴캐슬 대학, 미국 매사추세츠주 니콜스 대학 등의 공동 연구팀이 수행했으며, 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 실렸다. 연구는 18세기까지의 데이터를 추가해 지난 1948년부터 약 3855㎢(약 1500평방 마일)에 달하는 빙상의 얼음과 눈의 양을 정밀하게 추적하고 분석했다. 그 결과 이곳 빙하는 1850년경 소빙하기 말기에 정점을 찍고 그 이후 서서히 줄어들었으며, 약 10년 전부터는 녹는 속도가 급속히 빨라진 것으로 나타났다. 뉴캐슬 대학 빙하학자 베단 데이비스 박사는 기후 변화로 인해 겨울이 짧아지고 여름이 점점 길어지고 있으며 얼음이 녹는 계절과 시간이 늘어나고 길어지고 있다고 밝혔다. 니콜스 대학 환경과학과 마우리 펠토 교수도 얼음이 매우 빨리 녹고 있으며, 현재 물로 녹아내리는 얼음의 양이 초당 평균 약 5만 갤런에 달한다고 설명했다. 데이비스는 "알래스카는 2000~2020년까지다른 어느 곳보다 더 많은 얼음이 사라지고 있다"고 우려했다. 분석에서는 1948~2005년 사이에 주노 빙원의 빙하가 4개 녹아서 사라졌는데, 2005~2019년 사이에는 무려 64개가 사라진 것으로 밝혀졌다. 많은 이름 없는 빙하들이 사라진 가운데, 큰 빙하 중 하나인 앤틀러(Antler) 빙하도 완전히 사라진 것으로 확인됐다. 빙하학자들은 빙원이 얇아지는 '죽음의 나선' 현상을 경고하며, 가속이 가장 우려된다고 경고했다. 빙원은 빙하의 집합체인 반면, 빙상은 대륙 전체에 걸쳐 존재하는 얼음으로 그린란드와 남극 대륙 단 두 곳만 남아 있다. 알래스카 주노 빙원에서 가장 유명한 빙하는 관광 명소인 멘덴홀 빙하(Mendenhall Glacier)다. 연방기상데이터에 따르면 북극은 1980년 이후 알래스카의 기온이 섭씨 1.5도 상승하는 등 세계의 다른 지역보다 약 4배 빠르게 온난화되고 있다. 게다가 해마다 일기 변화가 극심해지고 있다. 펠토 교수는 미국 스키 대표팀 구성을 위해 지난 1981년 주노 빙원을 방문한 이후 빙하 연구에 몰두하고 있다. 그는 “1981년에는 빙하를 타고 바닥까지 내려가는 것이 가능했지만 현재는 녹은 눈으로 인해 가장자리에 호수가 생겼고 크레바스가 열리면서 스키를 탈 수 없을 정도가 됐다“고 말했다. 얼음이 녹아내린 곳의 어두운 암석은 태양열을 흡수해 땅을 따뜻하게 만들고, 얼음이 녹는 현상을 증폭하고 가속화하는 피드백 효과를 낸다. 더 많은 눈이 녹아 내린다는 것이다. 핵심은 눈 또는 얼음과 맨땅의 경계선인 스노우 라인(snow line·설선)인데, 이 경계선이 계속 위쪽으로 이동하고 있는 것이 문제라고 보고서는 지적했다. 지구 온난화로 눈으로 덮여 있던 지역이 녹고 있기 때문이다. 특히 주노 빙원의 구조가 다소 평평해 더욱 취약하다는 것. 다만 주노 빙원의 눈이 모두 녹아도 전 세계 해수면 상승에는 큰 영향을 미치지 않을 것이라고 연구진은 예상했다. 자연 관광지이자 문화적인 명소가 사라지는 타격은 피할 수 없다. 전문가들은 이번 연구가 현실적으로 설득력 있으며, 다른 연구팀의 관측과도 일치한다고 밝혔다. 세계빙하모니터링서비스(World Glacier Monitoring Service)의 마이클 젬프 소장은 "빙하를 구하기 위해서는 긴급하고 실질적인 조치가 필요하다"고 강조했다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(21)] 알래스카 주노 빙원, 1980년대보다 5배 빨리 사라져
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[바이오] 영양소 기반 나노의학으로 암 치료 효율 높여
- 국제 연구진이 영양소를 활용해 암세포에서 휴면 중인 대사 경로를 재활성화함으로써 암을 치료하는 새로운 방법을 개발했다고 과학 전문 매체 사이테크데일리가 전했다. 연구팀은 나노의약 형태로 전달되는, 널리 사용되는 아미노산인 티로신을 활용해 피부암의 심각한 형태인 흑색종의 신진대사를 변화시킴으로써 암 성장을 억제했다고 한다. 이 연구는 중국 상하이 소재 국립 푸단대학교의 웬보 부 교수와 호주 시드니 공과대학의 다용 진 교수가 주도해 수행했으며 연구 결과는 권위 있는 학술 저널인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 최신호에 게재됐다. 호주는 세계에서 피부암 발병률이 가장 높은 나라다. 이번에 개발된 새로운 접근법은 현재의 치료법과 결합해 흑색종을 더 온전하게 치료할 수 있다고 보고서는 밝혔다. 이 기술은 또한 다른 유형의 암을 치료할 가능성도 있다. 티로신 나노셀의 개발 티로신은 살아있는 유기체에서 생물학적 이용 가능성이 제한되어 있다. 그러나 연구진은 새로운 나노 기술을 사용해 티로신을 암 세포막에 유인되고 쉽게 분해돼 흡수를 촉진하는 나노미셀이라는 작은 입자로 포장했다. 연구팀은 그 후 실험실에서 쥐와 인간에서 채취한 흑색종 세포를 대상으로 개발된 치료법을 테스트했다. 그 결과 티로신 나노미셀이 휴면 대사 경로를 재활성화하고 멜라닌 합성을 유발하며 종양 성장을 억제한다는 사실을 발견했다. 진 교수는 "통제되지 않은 급속한 성장은 암세포와 정상 세포를 구별하는 핵심 특징이다. 암세포에서는 일부 대사 경로가 과활성화되고, 일부 대사 경로는 억제돼 급속한 확산에 필요한 환경이 조성된다"고 설명했다. 그는 또 "과거에 유방암에서 에스트로겐 합성을 방해하는 아로마타제 억제제와 다양한 암에서 대사 과정을 표적으로 하는 HK2 억제제 등 몇 가지 대사 기반 암 약물이 개발되었지만, 이러한 약물은 과도하게 활성화되는 대사 경로를 억제함으로써 작용한다"고 말했다. 부 교수는 "우리의 연구는 휴면 중인 대사 경로를 재활성화함으로써 암 성장을 멈출 수 있다는 사실을 처음으로 보여준 결과다. 이는 안전하고 쉽게 이용 가능하며 내약성이 좋은 아미노산, 설탕, 비타민 등 간단한 영양소를 사용해 시행할 수 있다"고 의미를 부여했다. 다양한 유형의 암은 다양한 영양소에 반응한다. 흑색종 세포는 멜라닌을 생성하는 피부 세포인 멜라닌 세포에서 발생한다. 티로신은 멜라닌 생성에 필요하며 멜라닌 생성을 자극할 수 있으므로 흑색종에 효과가 있다. 멜라닌 합성의 재활성화는 흑색종 세포가 당분을 에너지로 변환하는 과정인 대사 과정을 감소시키도록 하며, 이는 항암 효과의 메커니즘으로 여겨진다. 흑색종 세포는 또한 열 스트레스에 취약하다. 연구진은 티로신 나노미셀 치료와 근적외선 레이저 치료를 결합함으로써 테스트 6일 후에 생쥐의 흑색종을 박멸했으며, 연구 기간 동안 재발하지 않았다는 사실도 확인했다. 이번 연구 결과는 암 치료를 위한 나노의학 부문에서 새로운 진전을 이루었음을 시사한다는 평가다.
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- IT/바이오
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[바이오] 영양소 기반 나노의학으로 암 치료 효율 높여
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[신소재 신기술(69)] AI, 당 분석으로 암 조기 진단 새지평 열다
- 스웨덴 예테보리 대학교 연구원들이 당 분석을 통해 암 발견 가능성을 획기적으로 높인 인공지능(AI) 모델을 개발했다. 세포 내 당 분자 구조인 글리칸을 활용하는 이 AI 모델은 현재의 반수동 방식보다 빠르고 정확하게 암 관련 이상을 감지한다고 메디컬 익스프레스가 지난 1일(현지시간) 보도했다. 글리칸(Glycan)은 탄수화물의 일종으로 당 분자(단당류)들이 사슬처럼 연결되어 있는 중합체다. 글리칸은 다양한 생물학적 기능을 수행하는데, 특히 세포 표면에 존재하는 당단백질이나 당지질의 구성 성분으로 매우 중요하다. 글리칸은 질량 분석법으로 측정 가능하며, 암의 종류를 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 암 세포는 다른 글리칸 패턴을 가지고 있기 때문에 글리칸 분석은 암 진단 및 치료에 활용될 수 있다. 그러나 질량 분석 데이터는 글리칸 조각으로부터 구조를 파악하기 위해 전문가의 세심한 분석이 필요하며, 샘플 당 수 시간에서 수 일이 소요될 수 있다. 샘플 분석 작업은 마치 수년간의 경험을 통해 습득된 탐정 작업과 유사하기 때문이다. 따라서 수많은 샘플을 분석해야 하는 암 진단 등 글리칸 분석 활용에 있어 이 과정은 종종 병목 현상을 초래했다. 이에 예테보리 대학 연구팀은 샘플 분석 작업을 자동화하는 AI 모델인 '캔디크런치(Candycrunch)'를 개발했다. 이 모델은 테스트당 불과 몇 초만에 분석 작업을 해결하는 것으로 확인됐다. 연구 결과는 '네이처 메소드(Nature Methods)' 저널에 게재됐다. AI 모델 캔디크런치는 50만 개 이상의 다양한 조각화 및 관련 당 분자 구조 예시 데이터베이스를 통해 훈련됐다. 예테보리 대학교의 다니엘 보야르(Daniel Bojar) 생물정보학 부교수는 "캔디크런치는 샘플 내 정확한 당 구조를 90% 정도 계산할 수 있다"고 밝혔다. 이는 곧 AI 모델이 DNA, RNA 또는 단백질과 같은 다른 생물학적 서열 분석과 동일한 수준의 정확도에 도달할 수 있음을 의미한다. 이 AI 모델은 빠르고 정확안 답변을 제공하기 때문에 암 진단과 예후를 위한 글리칸 기반 바이오마커 발견을 더욱 가속화할 수 있다. 보야르 교수는 "가장 큰 병목 현상을 자동화함으로써 글리칸 분석이 생물학 및 임상 연구에서 더 큰 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다. AI 모델인 캔디크런치는 농도가 낮아 사람들이 분석할 때 놓치기 쉬운 구조도 식별할 수 있어 새로운 글리칸 기반 바이오마커 발견에 도움을 줄 수 있다는 평가다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(69)] AI, 당 분석으로 암 조기 진단 새지평 열다
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[신소재 신기술(68)] MIT 생체공학 다리, 신경계 직접 연결로 생체 모방 보행 가능
- 미국 메사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀은 두뇌의 신경계와 완전히 연결된 새로운 생체공학적 인공다리(의족)를 개발해, 절단 환자들에게 자연스러운 보행 능력을 회복하는 데 성공했다고 발표했다. 해당 연구에 대해서 CNN과 네이처닷컴 등 다수 외신이 1일(현지시간) 보도했다. 이번 연구는 절단 환자들의 삶을 획기적으로 변화시킬 수 있는 잠재력을 지닌 것으로 평가받고 있다. 연구에 참여한 절단 환자들은 기존의 인공다리 사용보다 보행 속도가 월등하게 향상되었으며, 일반인들의 보행과 비슷한 수준으로 걸을 수 있었다. 테스트에 참여한 매사추세추 출신의 47세인 남성은 "다리가 절단된 것 같지 않았다"며 "제 인생에 가장 행복한 순간이었다"고 말했다. 이 연구의 책임 연구원이자 수석 저자인 MIT의 양 바이오닉스 센터의 공동 책임자 휴 허(Huge Herr) 박사는 "이 의족은 인간의 신경계에 의해 완전히 제어되어 자연스러운 보행 속도와 보행 패턴을 보여주는 최초의 생체공학 다리"라고 설명했다. 허 박사는 "마치 팔다리가 살과 뼈로 만들어진 것처럼 자연스럽게 느껴진다. 뇌가 정상적인 감각을 느끼기 때문에 중뇌가 사지가 절단된 사실을 인지하지 못하는 것 같다"고 말했다. 최근 인공다리는 기능적 측면에서 상당한 발전을 이루고 있지만, 여전히 자연스러운 보행을 제공하는 데는 한계가 있었다. 기존 인공 다리는 센서와 알고리즘을 사용하여 움직임을 제어하지만 신경계와의 직접적인 연결이 부족해 불편함과 불안정성을 유발할 수 있다. MIT 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 신경계와 연결된 생체공학적 인공다리를 개발했다. 이 인공다리는 절단된 근육과 뇌 사이의 신호 전달을 유지하는 새로운 근육 연결 기법인 'AMI(agonist-antagonist myoneural interface, 길항근 근신경 인터스페이스)'를 사용해 절단 수술을 실시했다. 이후 절단 부위와 인공 다리 사이에 센서를 장착해 뇌로부터 오는 전기 신호를 전달하는 방식으로 의족이 자신의 위치와 움직임을 인식하고 이 정보를 다시 환저에게 보내 '몸의 위치 감각(proprioception)'을 가능하게 했다. 허 박사는 보철물이 인간의 신경계 보다는 로봇 알고리즘에 의해 제어되는 추세를 관찰한 후 이 프로젝트에 착수했다. 신경보철물은 제건된 절단 부위와 생체 다리 사이에 배치된 센서를 사용해 뇌에서 전기 신호를 전송한다. 이를 통해 보철물이 위치와 움직임을 감지하고 이 정보를 환자에게 다시 보내어 고유한 감각을 느낄 수 있다. 고유 감각은 뇌가 공간에서 자기 움직임과 위치를 감지하는 능력이다. 허 박사는 "우리는 인간의 몸을 제건하고 싶다"며 "우리는 재건하고 사람들이 원하는 것을 둘려주고 싶다. 우리는 그저 점점 더 호화로운 로봇 도구나 장치를 만들고 싶지 않다"고 말했다. 연구팀은 인터스페이스를 테스트 하기 위해 14명의 참가자를 두 그룹으로 나누어 생체의료용 의족을 착용하게 했다. 7명은 AMI 수술을 받았고, 7명은 수술을 받지 않았다. 연구 결과에 따르면 AMI 절단 수술을 받은 사람들은 경사로, 계단, 방해가 되는 경사로 등 다양한 난코스를 포함한 실제 환경을 더 잘 탐색하는 것으로 나타났다. 연구팀은 AMI 수술과 신경 제어 인공다리를 사용한 7명의 절단 환자를 대상으로 연구를 진행했다. 연구 결과 참가자들의 보행 속도는 기존 인공 다리를 사용할 때보다 41% 향상되었으며, 절단을 겪지 않은 일반 사람들의 보행 능력과 유사한 수준에 도달했다. 연구 결과는 지난 1일 학술지 '네이처 메디신(Nature Medicine)'에 게재됐으며, 특수 절단 수술(AMI)과 신경 제어 인공 다리를 사용한 참가자들의 보행 속도가 향상되었음을 보여줬다. 연구팀은 인공 다리 제어에 실제 몸의 위치 감각의 18%만 사용되었을 가능성이 있다고 밝혀 향후 더 큰 기능을 발휘할 수 있음을 시사했다. 이번 연구는 신경계를 이용해 자연스러운 보행 속도와 걸음걸이 패턴을 보여준 최초의 사례라는 점에서 큰 의의를 지닌다. 또한 AMI 수술과 신경 제어 바이오닉 다리가 절단 환자들의 삶의 질을 크게 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다. 책임 연구원인 휴 허 박사는 절단 환자가 인공 다리를 착용하는 데 따른 불편감을 최소화하기 위해 다양한 속도에 맞게 조절이 가능하다고 강조했다. 휴 허 박사는 인공 다리 분야의 선구적인 연구로 유명한 인물이다. 그는 1982년 등반 사고로 양쪽 다리를 절단한 후 인공 다리 기술 개발에 헌신하며 절단 환자들의 삶의 질을 개선하는 데 앞장서고 있다. 허 박사는 인공 다리가 단순히 걷는 기능을 넘어 자연스럽고 편안한 보행을 가능하게 하는 데 초점을 맞추고 있다. 허 박사에 따르면 AMI 신경 보철물은 일반인에게 제공되지는 않지만, 전 세계에서 약 60명에게 AMI 수술을 시행했다. 한편, 연방 의료 연구 및 품질 기관에서 발표한 2018년 보고서에 따르면 미국인 190만 명이 사지가 절단된 채 살아가고 있다. 이는 알려진 위험 요인인 당뇨병 발병률 증가로 인해 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상된다. 현재 미국에서 절단 환자의 절반 이상이 인공 다리 처방을 받지 못하고 있으며, 보험 적용 범위 문제 등으로 인해 최신 기술을 갖춘 인공 다리 사용이 어려운 실정이다. MIT 연구팀은 향후 5년 안에 신경 제어 인공 다리를 상용화할 계획으로, 이 기술이 절단 환자들의 사회 복귀에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(68)] MIT 생체공학 다리, 신경계 직접 연결로 생체 모방 보행 가능
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[기후의 역습(18)]이산화탄소 2배 증가하면 지구 온도 최대 14도 높아져
- 대기 중 이산화탄소(CO₂) 양이 두 배 증가하면 지구의 평균 기온이 7도에서 최대 14도까지 높아질 수 있다는 연구 결과가 발표돼 주목된다고 PHYS가 전했다. 네덜란드 왕립해양연구소(NIOZ)와 위트레흐트 대학교 및 브리스톨 대학교의 공동 연구팀은 캘리포니아 인근 태평양에서 드릴로 뚫어 채취한 코어 퇴적물을 분석한 결과 이 같은 사실을 발견했다고 밝혔다. 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 게재됐다. 연구팀의 케이틀린 위트코프스키 박사는 "연구 결과 나타난 기온 상승 예상치는 유엔 기후변동에 관한 전부간 패널(IPCC)이 지금까지 추정해 온 2.3~4.5도 상승보다 무려 3배 가까이 높다"고 말했다. 연구팀은 태평양 해저 바닥에서 추출한 45년 된 퇴적물 드릴 코어를 사용해 분석했다. 팀은 "코어를 추출한 지점의 해저에는 수백만 년 동안 무산소 상태였다. 이 때문에 이 코어는 탄소를 측정하는 우리 연구에 매우 적합했다"고 말했다. 산소가 없었기 때문에 결과적으로 유기물은 미생물에 의해 잘 분해되지 않고 더 많은 탄소가 보존됐다는 것이다. 위트코프스키는 "지난 1500만 년 동안의 이산화탄소 상태를 단일 지점에서 조사한 연구는 없었다"며 "채취된 드릴 코어의 상부 1000m는 지난 1800만 년의 역사를 담고 있다"고 설명했다. 연구진은 새로운 접근 방식을 적용, 이 코어 기록에서 과거 해수 온도와 고대 대기의 이산화탄소 수준을 추출할 수 있었다. 연구진은 20년 전 NIOZ에서 개발된 'TEX86'이라는 방법을 사용하여 온도를 도출했다. TEX86은 특수한 종류의 미생물인 고세균 막에 존재하는 특정 물질을 사용하는 분석 방법이다. 고세균은 해양 상부 200m 수온에 따라 막의 구성을 화학적으로 최적화한다. 그 막의 화학 물질은 해양 퇴적물에서 분자화석으로 발견된다. 연구팀은 이를 채취해 분석했다. 연구진은 조류에서 흔히 발견되는 두 가지 물질인 엽록소와 콜레스테롤의 화학적 성분을 사용해 과거 대기의 이산화탄소 함량을 도출하는 새로운 접근 방식을 적용했다. 이는 정량적 이산화탄소 측정을 위해 콜레스테롤과 엽록소를 사용한 최초의 연구다. 이들 콜레스테롤과 엽록소를 생성하려면 조류는 물에서 이산화탄소를 흡수하고 광합성을 통해 고정(탄소 고정)해야 한다. 한편, 지구상의 탄소 중 아주 작게는 일반적인 12C가 아니라 다소 '무거운 형태'인 13C로도 발생한다. 이산화탄소 소비에 관한 한 조류는 분명히 12C를 선호한다. 그러나 물속의 이산화탄소 농도가 낮을수록, 많은 조류들이 드물게 발생하는 13C도 이용한다. 따라서 엽록소와 콜레스테롤 두 물질의 13C 함량은 바닷물의 이산화탄소 함량을 측정하는 척도가 되며, 이는 용해도 법칙에 따라 대기의 이산화탄소 함량도 연이어 측정할 수 있다. 연구진은 이 같은 새로운 방법을 사용해 이산화탄소 농도가 1500만 년 전 약 650ppm에서 산업 혁명 직전 280ppm으로 떨어진 것으로 추정된다고 밝혔다. 연구팀은 나아가 지난 1500만 년 동안 도출된 온도와 대기 이산화탄소 수준을 각각 그래프로 표시하고 비교했다. 그 결과 둘 관계가 밀접하게 관계됐다는 사실도 발견했다. 1500만 년 전의 지구 평균 기온은 18도가 넘었다. 이는 오늘날보다 4도 더 높은 것으로, IPCC가 가장 극단적인 시나리오에서 2100년을 예측하는 수준과 비슷하다. 연구팀은 "우리의 연구는 인류가 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 조치를 등한시하고 탄소 배출을 상쇄하기 위한 혁신을 이룩하지 않으면 미래가 어떻게 나빠질 수 있는지를 엿볼 수 있게 해 준다"라고 강조했다. 이산화탄소의 농도가 생각보다 더 온도에 더 큰 영향을 미칠 것이라는 경고다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(18)]이산화탄소 2배 증가하면 지구 온도 최대 14도 높아져
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[신소재 신기술(64)] 자가 치유 젤, 의료·로봇 공학 등 응용 분야 다양
- 유리처럼 단단하면서도 길이를 최대 5배까지 늘릴 수 있는 새로운 자가 치유 젤이 개발됐다. 미국 노스캐롤라이나 주립대학교(NCSU) 연구진이 개발한 이 젤은 최근 발견된 물에 노출될 경우 자가 치유되는 유리와 유사한 특징을 보이며, 절단되거나 손상된 부분이 스스로 복구되는 놀라운 특성을 지나고 있다고 BGR이 전했다. 연구팀은 이 새로운 물질에 '유리 젤(glassy gel)'이라는 이름을 붙였다. 이는 기존에 없던 새로운 물질로 우연히 발견되었다고 한다. NCSU 연구원인 메이시앙 왕(Meixiang Wang)은 이온젤을 연구하던 중 우연히 유리 젤을 발견했다고. 이온젤은 전기를 전도할 수 있는 이온성 액체를 이용하여 팽창된 고분자로 구성된 물질이다. 왕 연구원은 의료 기기, 로봇 공학, 압력 센서 등에 활용될 수 있는 신축성 있고 착용 가능한 장치를 만들기 위해 이온젤을 연구하고 있었다. 그는 이온젤 구성을 변경하는 과정에서 투명하고 평범한 플라스틱처럼 보이는 새로운 유리 젤을 만들어냈다. 연구팀은 이 물질을 테스트 하는 과정에서 뛰어난 신축성 뿐만 아니라 높은 강도와 자가 치유 능력을 가지고 있다는 것을 발견했다. 특히 절단된 젤을 다시 붙이면 상온에서 몇 시간 안에 원래 상태로 복구되는 놀라운 자가 치유 능력은 기존의 자가 치유 물질과 차별화되는 특징이다. 이후 팀은 이 새로운 자가 치유 젤의 특성을 이해하기 위한 연구에 몰두했다. 유리 젤은 50~60%가 액체로 구성되어 있음에도 불구하고 건조되지 않는 특징을 보였다. 또한 매우 높은 파괴 강도를 가지고 있으며, 물체를 부착할 수 있을 뿐만 아니라 절단 후에도 스스로 복구될 수 있다. 심지어 특정 형태로 늘렸을 때 열을 가하기 전까지 해당 형태를 유지하는 '기억' 능력도 가지고 있었다. 신축성 있고 젤과 같은 물질에서 재생 특성이 발견되는 것은 새로운 일이 아니지만, 이번 유리 젤의 특별한 구성 성분은 연구자들에게 더욱 흥미로운 연구 주제를 제공했다. 연구팀은 실제 응용 분야에 활용되기 전에 추가적인 최적화 및 테스트가 필요하다고 밝혔다. 유리 젤은 실용화되기까지는 몇 년이 걸릴 수 있지만, 이러한 새로운 물질의 발견은 미래의 다른 소재 개발에 혁신적인 돌파구를 제공할 수 있다는 점에서 큰 기대를 모으고 있다. 특히, 자기 치유 능력을 가진 유리 젤은 의료, 로봇 공학이나 전자 기기 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 '네이처(Nature)' 저널에 게재됐다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(64)] 자가 치유 젤, 의료·로봇 공학 등 응용 분야 다양
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[기후의 역습(17)] 기후 변화, 어린이 뇌 손상에 영향⋯가난한 어린이 위험 더 커
- 기후 변화의 가장 불평등한 측면은 지구를 달구는 탄소 배출에 가장 책임이 없는 사람들, 특히 빈곤층에게 불균형적으로 영향을 미친다는 것이다. 전문가들은 지구 온난화로 인해 노동 인구의 70%가 건강 위험에 노출되고 궁극적으로 약 10억 명이 사망할 수 있다고 예측한다. 이들 중 대부분은 빈곤층이다. 영향을 받는 것은 환경뿐만 아니라 사람들의 신체 자체라는 게 심각한 문제다. '네이처 기후변화(Nature Climate Change)' 저널에 실린 최신 연구는 기후 변화가 빈곤한 개인에게 불균형적으로 영향을 미치는 대표적인 사례로, 태어나기도 전인 태아의 뇌까지 변화시킨다는 사실을 보여준다. 네덜란드, 미국, 스페인 전문가로 구성된 연구팀은 '네덜란드 R세대 출생 집단(Netherlands Generation R birth cohort)'로 알려진 환자 그룹에서 2681명의 어린이를 12년 이상 동안 관찰했다. ‘네덜란드 R세대 출생 집단’은 로테르담의 다민족 도시 인구를 대상으로 태아 생활에서 태어나 자라기까지의 예비 인구 집단에 대한 연구다. R세대 연구 결과는 임산부와 어린이의 건강 및 의료를 최적화하는 전략 개발에 활용된다. 이 연구는 처음에는 9896명의 임산부가 참여했지만 수년에 걸쳐 다수가 제외됐다. 연구는 특히 태아기에 겪는 극심한 더위와 추위가 신경 발달에 영향을 미치는지 여부를 모니터링했다. 참가자 중 절반 이상이 네덜란드 출신이었으며, 10%는 수리남 또는 네덜란드령 안틸레스 출신이고 나머지는 튀르키예, 모로코 및 기타 다양한 국가 출신이었다. 참가자 75% 이상이 자녀가 9~12세가 되기 전에 실험 그룹에서 이탈했다. 남은 사람들은 대부분 가구 소득이 월 2200유로를 초과하고 이전 자녀가 없는, 높은 교육 수준의 네덜란드 부모 출신이었다. 연구진은 이런 인구 통계학적 동질성이 연구 결과를 다소 왜곡할 수 있다고 밝혔지만, 결과는 대단히 고무적이라는 평가다. 수년간 자기공명영상(MRI)으로 환자를 검사한 결과, 더위와 추위에 노출된 임신 초기 태아와 영유아는 청소년기 이전에 뇌의 미엘린(뉴런을 둘러싼 절연체)과 백질에 구조적 문제가 생길 가능성이 더 높았다. 또 이들의 뇌는 평균 확산도(MD), 즉 뇌 조직에서 물 분자가 쉽게 이동하는 정도가 감소했다. 그리고 이렇게 고통받는 아이들은 불균형적으로 저소득층 출신이었다. 연구팀은 "연구 결과는 두뇌 발달이 왕성한 유년기에 추위와 열에 노출되면 백질 미세 구조에 지속적인 영향을 미칠 수 있으며, 이는 현재 심각하게 진행 중인 기후 변화의 맥락에서 고려해야 할 큰 위험임을 시사한다"고 강조했다. 팀은 보고서에서 "임신, 유아기 및 9~12세 어린이에게서 추위와 열 노출 사이의 연관성을 발견했다. 예상되는 지구 온도 상승과 극심한 한파의 증가 추세를 고려할 때, 현재 진행 중인 기후 변화 비상 상황에서 이러한 영향은 더욱 악화될 수 있다"라고 썼다. 태아기나 초기 유아기 동안 극심한 더위나 추위에 노출된 어린이들이 건강한 백질, 즉 지적 활동, 신체 균형 유지 등을 담당하는 뇌 부분이 발달하지 못한다는 것을 의미한다는 지적이다. 이번 연구는 온도와 관련된 뇌의 물리적 구조를 조사한 최초의 분석이기 때문에 특히 중요하다는 평가다. 지금까지는 온도에 따라 어린이의 행동이 어떻게 변하는지를 조사했을 뿐, 행동 관찰을 뇌의 물리적 구조에 직접적으로 연관시킨 연구는 없었다. 연구팀은 가속하는 위기를 완화할 수 있는 방법을 시급히 개발해야할 것이라고 강조했다.
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- IT/바이오
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[기후의 역습(17)] 기후 변화, 어린이 뇌 손상에 영향⋯가난한 어린이 위험 더 커
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미세 플라스틱, 발기 부전에도 영향
- 인간의 음경에서도 미세 플라스틱이 처음으로 발견됐다. 최근 연구에 따르면, 인간의 음경 조직에서 미세 플라스틱이 검출되었으며, 이는 발기부전과 연관될 가능성이 제기됐다. CNN과 네이처닷컴, 인디펜던트 등 다수 외신은 이에 대해 집중 보도했다. 19일(현지시간) 국제 성의학 저널인 IJIR에 발표된 연구의 일환으로 발기부전 관련 수술을 받은 5명의 남성의 음경 조직 샘플을 분석한 결과 7가지 종류의 미세 플라스틱이 검출됐다. 미세 플라스틱 조각은 0.2인치(5mm)미만에서 1/2만5000인치(1마이크로미터)에 이르는 고분자 조각이다. 그보다 작은 것은 나노 플라스틱이라고 하며, 10억분의 1미터 단위로 측정해야 한다. CNN에 따르면 나노 플라스틱은 큰 플라스틱이 화학적으로 분해되거나, 물리적으로 마모되어 작은 조각으로 분해될 때 형성된다. 이번 연구를 주도한 마이애미 대학에서 연구를 수행한 생식 비뇨기과 전문가인 란지스 라마사미(Ranjith Ramasamy) 박사는 인간의 심장에서 미세플라스틱의 증거를 발견한 이전 연구를 연구의 기초로 사용했다고 CNN에 말했다. 라마사미 박사는 "음경이 심장처럼 혈관이 매우 많은 기관이기 때문에 음경에서 미세 플라스틱이 발견된 것에 놀라지 않았다"고 말했다. 이전 연구에 따르면 표준 크기의 생수 2개에 해당하는 생수 1리터에는 평균 24만개의 플라스틱 입자가 포함된 것으로 나타났다. PET 가장 많이 검출돼 샘플은 발기부전(ED)진단을 받고 2023년 8월부터 9월 사이에 마이애미 대학교에서 이 잘환을 치료하기 위해 음경 임플란트 수술을 받기 위해 병원에 입원한 연구 참가자로부터 채취했다. 그런 다음 화학 이미징을 사용하여 샘플을 분석한 결과 남성 5명중 4명의 음경 조직에서 미세 플라스틱이 있는 것으로 나타났다. 이번 연구에서는 특히 폴리에티렌 테레프탈레이트(PET)와 폴리프로필렌이 가장 많이 발견됐다. PET와 플로프로필렌은 주스 용기, 음료수 병 등 일상 생활에서 흔히 사용되는 플라스틱이다. 앞선 연구에서는 중국 공중보건 연구팀은 테스트한 모든 샘플의 정액에서 미세 플라스틱을 발견했으며, 정자 운동에도 영향을 미친다고 밝혔다. 해당 연구팀은 중국 동부 산동성의 성도인 지난(Jinan, 濟南)에 살고 있는, 플라스틱 산업에 종사하지 않는 건강한 성인 남성 36명으로부터 정액 샘플을 수집했다. 모든 정액 샘플에서 샘플당 평균 2개의 입자(0.72~7.02μm 범위)의 미세플라스틱을 발견했다. 또한 8개의 서로 다른 플라스틱 폴리머가 확인되었으며, 포장용 스티로폼에 흔히 사용되는 폴리스티렌(31%)이 가장 많이 발견됐다. 이전 연구에 따르면 미세 플라스틱은 산꼭대기, 대기 상층부, 깊은 해양과 남극 등 거의 모든 곳에 존재하는 것으로 나타났다. 또한 인간의 심장과 태반, 뇌, 고환 등 인체의 모든 기관에서도 미세 플라스틱이 검출됐다. 병리학 관련 추가 연구 필요 라마사미 박사는 "플라스틱 병과 용기에 들어 있는 물과 음식을 섭취하는 것에 주의를 기울여야 하며 병리학을 유발할 수 있는 수준을 확안하기 위한 더 많은 연구가 완료될 때까지 사용을 제한해야 한다고 생각한다"고 말했다. 연구팀은 발기 시 혈관 확장으로 인해 혈액 내 미세 플라스틱이 음경에 축적될 수 있다고 추정했다. 또한 미세 플라스틱이 성 건강에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요하다고 강조했다. 본 연구는 표본 크기가 작지만, 미세 플라스틱이 인체에 미치는 영향, 특히 남성 생식기에 대한 새로운 논의를 제기하는 중요한 의미를 지닌다. 라마사미 박사는 "이제 미세 플라스틱의 존재가 확인됐으며, ED와 같은 질환과의 잠재적 연관성을 조사하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다"고 말했다. 그는 "미세 플라스틱이 발가부전과 연관이 있는지, 병리학을 유발하는 수준 이상인지, 어떤 유형의 미세 플라스틱이 병리학적인지 파악해야 한다"고 덧붙였다.
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- 생활경제
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미세 플라스틱, 발기 부전에도 영향
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[우주의 속삭임(17)] 휴스턴 대학교, 토성에서 거대한 계절적 에너지 불균형 발견
- 휴스턴 대학교(UH)가 토성에 엄청난 에너지 불균형이 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 행성 과학의 발전을 촉진하고, 태양계의 가스 거대 행성인 토성에 대한 기존의 기후 모델에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션에 게재됐으며, 대학 공식 홈페이지에도 실렸다. UH 물리학 리밍 리 교수를 중심으로 한 연구팀은 "토성에서 계절적 규모의 거대한 글로벌 에너지 불균형이 관찰된 것은 이번이 처음"이라며 "이는 천문학계에 행성의 형성과 진화에 대한 새로운 시각을 제시할 뿐만 아니라, 행성 및 대기 과학에 대해 정의하는 방식까지 변화시킨다“고 말했다. 연구진이 발견한 토성 에너지 불균형은 카시니 토성 탐사선이 미션을 수행하며 얻은 데이터를 토대로 한 분석을 통해 나타났다. 연구진은 “태양계의 모든 행성은 태양 복사의 형태로 태양으로부터 에너지를 얻고, 열을 방출하며 에너지를 소비한다. 그러나 거대 가스 행성인 토성은 열 구조와 기후에 영향을 미치는 깊은 내부 열의 형태로 또 다른 에너지를 갖고 있다"고 지적했다. 불균형은 원일점(태양에서 가장 먼 궤도 지점)에서 근일점(태양에 가장 가까운 궤도 지점)까지 거의 20%나 달라지는 토성의 큰 궤도 이심률로 인해 발생했다. 이로 인해 흡수된 태양 에너지에 계절적 변화가 크게 나타났다. 지구의 경우 궤도 이심률이 매우 작기 때문에 심각한 계절적 에너지 불균형은 나타나지 않는다. 따라서 지구의 내부 열은 미미하며, 지구 계절은 토성에서 몇 년 동안 지속되는 것에 비해 대단히 짧아 불과 수개월 지속될 뿐이다. 데이터는 또한 토성의 불균형한 에너지가 토성 대기의 지배적인 기상 현상인 거대 폭풍의 발달에 중요한 역할을 한다는 것을 보여 주었다. 이 데이터는 지구의 날씨에 대한 분석도 간접적으로 제공할 수 있다고 한다. 나사(NASA), 유럽우주국(ESA), 이탈리아우주국(ASI)의 공동 프로젝트인 카시니 탐사선은 1997년에 발사돼 거의 20년 동안 토성과 거대한 고리 및 위성을 탐사했다. 연구진의 리 교수는 토성의 복사 에너지를 관찰하는 세 가지 탑재 장비를 모니터링하기 위한 과학자로 참여하고 있다. 연구팀은 향후 10년 내에 탐사 임무가 계획되어 있는 천왕성을 포함한 다른 가스 거대 행성을 대상으로 관측을 지속한다는 계획이다. 이들 행성 역시 심각한 에너지 불균형을 나타낼 것이며, 특히 천왕성은 궤도 이심률과 매우 높은 경사도로 인해 가장 큰 에너지 불균형을 나타낼 것으로 예상하고 있다. 한편, 이번 연구에는 UH 외에도 나사, 위스콘신 대학교, 메릴랜드 대학교, 센트럴 플로리다 대학교, 캘리포니아 주립대 산타크루즈 캠퍼스와 프랑스 및 스페인의 학자들이 대거 참여했다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(17)] 휴스턴 대학교, 토성에서 거대한 계절적 에너지 불균형 발견
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[신소재 신기술(60)] 자가 치유 유리, 물과 펩타이드 혼합으로 새로운 가능성 제시
- 물과 펩타이드를 조합해 자가 조립 뿐만 아니라 자가 치유되는 유리가 개발돼 관련 업계의 이목을 집중시키고 있다. 이스라엘 텔아비브 대학교 및 네게브 벤구리온 대학교의 재료과학자 팀은 미국 캘리포니아 공과 대학 소속 연구팀과 협력해 특정 펩타이드와 물을 혼합하면 자가 조립 및 자가 치유가 가능한 유리가 생성되는 것을 발견했다고 PHYS가 전했다. '자가 치유 유리'는 외부 충격이나 손상으로 균열이나 파손됐을 경우, 특별한 조치를 취하지 않고도 스스로 원래 상태로 복구되는 능력을 가진 유리를 말한다. 마치 살아있는 생명체가 스스로 상처를 치유하는 것과 비슷한 개념이다. 자가 치유 유리는 특수한 화학 물질이나 구조를 활용해 개발된다. 예를 들면, 특정 물질이 균열 부위로 이동해 틈을 메우거나, 미세한 캡슐에 담긴 치유 물질이 파손시 방출돼 손상 부위를 복구하는 방식 등이 있다. 연구팀은 다른 단백질의 특성을 조사하던 중 우연히 자가 치유 유리를 발견한 것으로 알려졌다. 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다. 이탈리아 트리에스테 대학교의 실비아 마르케산(Silvia Marchesan)은 같은 저널에서 해당 유리의 특성과 잠재적 응용 분야를 설명하는 기고글을 실었다. 연구팀은 짧은 펩타이드를 복잡한 거대 분자의 기존 구성 요소와의 대체 가능성을 조사하던 중, 두 개의 페닐알라닌 잔기로 구성된 디펩타이드 분자와 물을 혼합했을 때, 상온에서 물이 증발하면서 스스로 조립(자가 조립)되는 초분자 비정질 유리가 생성되는 것을 발견했다. 이 발견은 과거 펩타이드 자가 조립 연구에서 주로 결정질 구조의 물질이 생성되었던 것과는 달리, 투명하고 유리와 유사한 특성을 보였다는 점에서 주목할 만하다. 연구팀은 이 새로운 유리의 특성을 분석하여 높은 강성과 더불어 자가 치유 및 접착력을 가지고 있음을 확인했다. 또한, 기존 유리와 동일한 수준의 투명도를 나타냈으며, 유리창이나 친수성 표면 코팅, 다양한 배율의 광학 렌즈 제작 등 정밀한 용도에도 활용될 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 추가적인 연구를 통해 이 유리의 다양한 응용 분야를 탐색할 수 있을 것으로 기대했다. 특히 기존 상용 유리 제조 과정에서 요구되는 많은 에너지가 필요하지 않다는 점을 강조했다. 한편, 지난해 여름에는 자가 치유되는 금속이 발견됐다. 진공 환경에서 백금 나노 결정이 균열을 자가 복구하는 과정이 실험실에서 처음으로 관찰된 것. 미국 텍사스 A&M 대학교 마이클 뎀코비츠 박사가 2013년 에측했던 금속의 자가 치유 현상이 10년만에 발견되는 영화와 같은 일이 실제로 일어난 갓이다. 미국 샌디아 국립연구소(SNL)의 연구팀은 지난해 여름 나노 결정의 균열 실험 중 금속의 자가 치유 현상을 발견했으며, 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 금속의 자가 복구는 항공기 사고나 교각 붕괴 등으로 이어질 수 있는 '금속의 피로' 현상을 막을 수 있다.
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[신소재 신기술(60)] 자가 치유 유리, 물과 펩타이드 혼합으로 새로운 가능성 제시
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[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생
- 과학자들이 질화갈륨(GaN)과 금속 마그네슘(Mg)을 가열해서 초격자가 형성되는 것을 발견했다. 일본 나고야 대학 연구팀은 질화갈륨과 마그네숨 간의 열 반응을 통해 톡특한 조격자 구조가 형성되는 것을 실험 과정 중에 우연히 발견했다고 PHYS가 보도했다. 이는 벌크 반도체에 2차원 금속층이 삽입되는 현상이 최초로 확인된 사례이다. 초격자는 인공적으로 만들어진 주기적인 구조를 가진 물질로, 고성능 트랜지스터, 레이저 다이오드, 광검출기 등 다양한 분야에 활용된다. 연구팀은 최첨단 분석 기술을 통해 물질을 정밀하게 관찰해 반도체 도핑 및 탄성 변형 공학에 대한 새로운 통찰력을 얻었으며, 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 질화갈륨(GaN)은 높은 전력 밀도와 빠른 작동 주파수를 요구하는 분야에서 기존 실리콘 반도체를 대체할 것으로 기대되는 광대역 갭 반도체 물질이다. GaN의 이러한 특징은 LED레이저 다이오드, 전력 전자 장치(전기 자동차 및 고속 충전기의 핵심 부품 포함) 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높다. GaN 기반 장치의 성능 향상은 에너지 절약 사회 실현과 탄소 중립 미래를 실현하는 데 기여할 수 있다. 반도체에는 p형 및 n형이라는 두 가지 필수적이고 상호 보완적인 전기 전도 유형이 존재한다. p형 반도체는 주로 양전하를 운반하는 자유 캐리어인 정공을 특징으로 하며, n형 반도체는 자유 전자를 통해 전기를 전도한다. 반도체는 도핑이라는 과정을 통해 p형 또는 n형 전도성을 획득한다. 도핑은 순수 반도체 물질에 특정 불순물(도펀트)을 의도적으로 도입하여 전기적 및 광학적 특성을 크게 변화시키는 것을 의미한다. GaN 반도체 분야에서 p형 전도성을 생성하는 것으로 알려진 유일한 원소는 Mg이다. 그러나 Mg 도핑의 성공 이후 35년이나 지났음에도 불구하고, GaN에서 Mg 도핑의 전체 메커니즘, 특히 Mg의 용해도 한계 및 분리 거동은 여전히 명확하지 않다. 이러한 불확실성은 광전자 및 전자 분야에서의 최적화를 제한한다. 이 연구의 제1 저자인 지아 왕과 그의 동료들은 p형 GaN의 전도도를 개선하기 위해 GaN 웨이퍼에 증착된 금속 Mg 박막을 패턴화하고 고온에서 가열하는 어닐링이라는 기존 공정을 수행하는 실험을 진행했다. '어닐링(Annealing)'은 금속이나 유리 등의 재료를 가열한 후 천천히 식혀 내부 응집력을 제거하고 재료의 성질을 변화시키는 열처리 과정을 말한다. 금속을 가열하고 천천히 식히면 재료의 결정 구조를 변화시켜 강도, 경도, 내식성 등의 특징을 개선할 수 있다. 왕 연구원은 "GaN은 이온 결합과 공유 결합이 혼합된 광대역 갭 반도체이고 Mg는 금속 결합을 특징으로 하는 금속이지만, 이 두 이질적인 물질은 동일한 결정 구조를 가지고 있으며 육각형 GaN과 육각형 Mg의 격자 차이가 무시할 정도로 적다는 것은 놀랍도록 자연스러운 우연"이라고 말했다. 이어 "우리는 GaN과 Mg사이의 완벽한 격자 일치가 구조를 만드는 데 필요한 에너지를 크게 줄여 이러한 초격자의 자발적인 형성에 중요한 역할을 한다고 생각한다"라고 설명했다. 연구팀은 최첨단 전자 현미경 이미징을 사용해 GaN 및 Mg 층이 번갈아 나타나는 초격자의 자발적인 형성을 관찰했다. GaN과 Mg는 물리적 특성이 크게 다른 물질이므로 이처럼 초격자가 자발적으로 형성된 것은 매우 특이한 현상이다. 연구팀은 이 독특한 삽입 거동을 '틈새 삽입(interstitial intercalation)'이라고 명명하고, 이것이 모재에 압축 변형을 유발한다는 것을 밝혀냈다. 특히 Mg 층이 삽입된 GaN은 20GPa 이상의 높은 응력을 견뎌냈다. 이는 대기압의 20만배에 해당하며, 박막 물질에서 기록된 가장 높은 압축 변형이다. 이는 실리콘 필름에서 일반적으로 발견되는 압축 응력(0.1~2GPa)보다 훨씬 크다. 전자 박막은 이러한 변형으로 인해 전자 및 자기 특성에 상당한 변화를 겪을 수 있다. 연구팀은 변형된 방향을 따라 정공 수송을 통한 GaN의 전기 전도도가 크게 향상되었음을 발견했다. 한편, 이 연구는 'GaN 기술의 요람'으로 알려진 나고야 대학에서 이루어졌다는 데 의미가 있다. 이번 연구의 교신 저자인 아마노 히로시와 나고야 대학의 아카사키 이사무는 1980년대 후반에 Mg가 도핑된 GaN을 사용해 최초의 청색 LED를 개발했다. 이들의 공헌은 2014년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다. 이번 연구에서는 2차원 Mg 도핑의 새로운 메커니즘을 밝혀냄으로써 III-질화물 반도체 연구 분야의 잠재적으로 새로운 길을 열 것으로 기대된다. 왕 연구원은 "마그네슘이 삽입된 GaN 초격자 구조의 발견과 2D-Mg 도핑의 새로운 메커니즘 규명은 질화 3족 반도체 연구 분야의 선구적인 업적을 기릴 수 있는 어렵게 얻은 기회"라고 말했다. 노벨상 수상 후 10년 만에 Mg 도핑의 기술을 발전시킨 왕 연구원은 "이 시기적절한 발견이 이 분야의 새로운 길을 열고 더 많은 기초 연구에 영감을 줄 수 있는 '자연의 진정한 선물'"이라고 밝혔다. 이 연구에는 나고야 대학에서 지아 왕, 카이 웬타오, 순 루, 에미 카노, 비랩 사르카, 와타나베 히로타카, 이카라시 노부유키, 혼다 요시오, 아마노 히로시 등이 참여했다. 외에도 메이지 대학교의 연구진과 오사카 대학교의 나카지마 마코토 교수가 이끄는 광학 그룹이 이 연구의 다른 공저자로 참여했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생
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우주경제 시대 성큼…우주 여행이 인체 건강에 미치는 영향은?
- 우주 여행은 인체의 건강에 어떤 영향을 미칠까. 이 질문은 전문 우주 비행사뿐만 아니라 돈만 지불하면 누구나 지구 궤도에 진입할 수 있는 우주 관광을 계획하거나 우주를 관광하려는 사람들에게도 매우 중요한 문제다. 지난 2021년 최초의 민간인 궤도 비행에 탑승한 스페이스X(SpaceX) 관광객 4명의 비행 데이터를 사용, 우주가 인체 건강에 미치는 영향을 포괄적으로 조사 분석한 연구 결과 보고서가 출판돼 주목된다고 PHYS가 전했다. 이 보고서는 '네이처' 저널에 게재됐다. 전 세계 100개 이상의 기관에서 온 연구팀은 데이터 조사를 통해 인간의 신체가 우주에 도달하면 다양한 방식으로 변화하지만, 대부분의 변화는 지구로 돌아온 후 수 개월 안에 정상으로 돌아간다는 사실을 보여주었다. 인체는 우주에 머무르는 동안 방사선에 노출되는 것부터 무중력으로 인한 방향 감각 상실 효과까지 엄청난 스트레스를 받는다는 것. 우주 비행은 뼈 질량 손실은 물론 심장, 시력 및 신장 이상 등 건강 문제를 일으킬 수 있다. 물론 우주를 비행한 사람은 700명 미만이기 때문에 표본 크기는 매우 작다. 분석은 인스퍼레이션 4(스페이스X가 운영하는 우주 여행용 유인 우주선) 미션으로 우주에서 3일을 보낸 4명의 미국인 관광객을 대상으로 이루어졌다. 억만장자 재러드 아이작먼(Jared Isaacman)이 자금을 지원한 인스퍼레이션 4 임무는 수년간 훈련을 받지 않은 일반인들도 우주를 비행할 수 있음을 보여주었다. 이를 위해 4명의 민간 우주 비행사들은 다수의 의료 검사를 받았다. 이들 데이터는 64명의 다른 우주 비행사의 데이터와 비교됐다. 연구진은 사람들이 우주에 머물 때 혈액, 심장, 피부, 단백질, 신장, 유전자, 미토콘드리아, 텔로미어(염색체의 말단 소립), 사이토카인(단백질 면역조절제) 및 기타 건강 지표에 변화가 일어나는 것을 발견했다. 한 연구에서는 네 명의 피험자 모두가 우주에 도착했을 때 텔로미어의 길이가 이례적으로 길어졌다는 사실을 발견했다. 그러나 건강 지표의 약 95%는 3개월 이내에 이전 수준으로 돌아왔다. 연구팀원인 웨일 코넬 메디신(Weill Cornell Medicine)의 크리스토퍼 메이슨은 "사람들이 대부분 우주 비행 후 빠르게 회복한다는 것이 의미 있는 발견"이라고 말했다. 메이슨은 "우주인에 대한 심층적 조사를 통해 미래에 우주로 진출하는 사람들을 보호하기 위해 어떤 약물이나 조치가 필요할지 이해할 수 있다“고 덧붙였다. 콜로라도 주립대학교의 수잔 베일리 교수는 텔로미어는 나이가 들수록 길어지기 때문에 이를 해결하는 것은 노화 방지 연구에 큰 진전이 될 수 있다고 말했다. 그는 "'텔로미어 함유 페이스 크림"과 같은 노화 방지 제품 개발로 이어질 수도 있다”고 기대했다. 그러나 장기간의 우주 여행은 신장 손상을 유발할 위험이 높다고 한다. 한 연구에서는 방사능이 많은 우주에서 2년 6개월 동안 방사선에 노출된 생쥐가 영구적인 신장 손상을 입은 것으로 나타났다. 보고서는 신장을 보호할 수 있는 새로운 방법을 개발하지 않는다면 우주 비행사가 화성에 갈 수는 있지만 돌아오는 길에 투석이 필요할 수 있다고 지적한다. 한편, 확증 데이터는 불충분하지만 여성 우주 비행사가 남성에 비해 우주 비행의 스트레스를 더 잘 견디는 것으로 나타났다. 메이슨은 이에 대해 아기를 낳는 여성의 몸이 환경의 큰 변화에 더 익숙하다는 의미라고 말했다.
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우주경제 시대 성큼…우주 여행이 인체 건강에 미치는 영향은?
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