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건국대, 바이오분야 융복합 연구의 전초기지가 되다 [줄기세포교실 한동욱 교수 연구팀]

270 2017.11.15 17:22

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건국대학교가 그동안의 교육혁신 성과와 탄탄한 연구역량을 바탕으로 대규모 국책 연구 프로젝트를 잇따라 수주하고 있다. 지난해 프라임(PRIME·산업연계교육 활성화 선도대학) 사업과 올해 상반기 링크플러스(LINC+·사회맞춤형 산학협력 선도대학 육성사업)에 이어 최근 건국대 산학협력단과 연구팀은 ‘차세대 공학연구자 육성 사업’과 ‘기초연구실지원사업’, ‘글로벌 연구실 사업’ ‘환경산업 선진화 기술사업’ 등 국가 연구 사업에 연속 선정됐다.




 01 글로벌연구실지원사업 의생명공학과 윤대진 교수 연구팀




식물생명공학기술로 위기의 지구, 기후변화 막는다

식물생명과학이 인류를 위해서 해결해야 할 2가지 중요한 과제는 식량문제와 환경문제다. 지구온난화와 산업화로 인해 지구환경은 사막화가 급격하게 진행되면서 점점 열악하게 변화하고 있다는 이유에서다. 한국연구재단이 지원하는 글로벌 연구실 지원사업에 최종 선정된 윤대진 교수 연구팀의 ‘기후변화대응식물환경스트레스 연구’가 주목 받는 이유도 바로 이 때문이다.

사막화 막는 식물체 개발 앞당긴다
글로벌 연구실 지원사업은 글로벌 협력네트워크를 강화하고 국내 연구역량을 세계수준으로 제고하기 위해 시작되었다. 한국연구재단이 자유공모를 통해 창의성 및 도전성이 높은 과제를 선정하여 지원하는 사업으로써 올해 총 75개 과제가 지원한 결과 과학기술 전분야에서 최종 8개 과제가 선정되었고, 이중 생명과학분야에서는 건국대 KU융합과학기술원 의생명공학과 윤대진 교수 연구팀이 유일하게 이름을 올렸다. 윤대진 교수는 “전세계적으로 이슈가 되고 있는 기후변화에 의한 환경문제를 식물생명공학기술로 해결할 수 있다는 연구목표의 참신성과 그동안 세계적인 저널에 꾸준히 논문을 발표해온 것이 높이 평가 받은 결과”라고 국책 사업 선정의 이유를 꼽았다. 윤 교수의 설명에 따르면 현재 기후변화로 인해 지구육지면적의 40%가 사막으로 변했고, 매년 서울면적의 5배씩 사막화가 증가되고 있다고 한다. 우리나라의 경우 중국의 사막화로 인해 매년 봄철 황사와 미세먼지로 심각한 피해를 보고 있는 것도 이와 결부되는 얘기다.

윤 교수는 “식물은 이동할 수 없지만 외부환경변화를 인식하고, 상호전달을 통해 방어하는 정교한 생체방어 기전을 보유하고 있다”고 말한다. “본 연구는 식물이 스트레스를 받으면 분자수준에서 어떤 생체방어 신호 전달 메커니즘이 일어나는지 규명하는 것이 핵심입니다. 이를 통해 식물환경스트레스에 저항성을 부여하는 유용유전자를 확보할 수 있게 되죠.” 확보된 유전자를 이용해 식물에 환경스트레스 저항성을 부여하고, 사막과 같이 열악한 환경에도 잘 자랄 수 있는 식물체를 개발하는 것이 본 연구의 최종목표다. 궁극적으로 개발 된 식물체를 이용해 지구의 환경보존 뿐 아니라 미래인류의 생존과 직결된 식량생산에도 크게 공헌할 것으로 윤 교수는 기대하고 있다. “우리나라의 경우 식량자급률이 25%에도 못 미치고 대부분 수입에 의존하고 있습니다. 2050년에는 세계인구가 95억 명으로 증가할 것으로 예상되면서 지구 온난화 등으로 인한 경작지 면적이 현저하게 줄어들어 식량수급에 많은 문제를 야기할 것으로 내다보고 있습니다.” 현 인류에게 닥친 환경문제뿐 아니라 식량문제의 심각성을 역설한 윤 교수는 향후 본 연구결과가 미칠 영향력은 국내를 넘어 전 세계로 뻗어 나갈 것이라고 천명했다.


세계적인 연구역량을 갖추다
윤 교수가 속한 KU융합과학기술원 의생명공학과 세포 신호전달연구실은 지난 20여년간 ‘식물환경스트레스 신호전달’이라는 한 가지 주제에만 초점을 맞춰 지속적인 연구에 매진해왔다. 그 결과 Cell, Nature Genetics, Nature Communications, Molecular Cell, PNAS등 생명과학분야 최상위 저널에 논문을 꾸준히 논문을 발표하는 등 세계적인 연구역량을 가진 연구실이라는 호평을 받아왔다. 더욱이 윤 교수 연구팀은 이번 국책사업 선정으로 6년간 총 28억 원의 개인 연구비를 수혜 받으며, 국제적인 네트워크를 형성하고 세계수준의 연구를 수행하는 최적의 연구환경까지 갖출 수 있게 되었다. 윤 교수는 “글로벌 연구실 지원사업 외에도 다른종류의 많은 연구비가 확보되어 연구를 통해 학생들이 실질적으로 받을 수 있는 혜택은 무궁무진하다”고 말한다. 본 연구실에 입학하는 건국대학교 학생에 대해서는 우선적으로 등록금과 소정의 생활비가 지급될 계획이며, 국내외 학술대회 참가비 지원, 해외유명대학 장·단기 파견체재비 지급 등이 윤 교수가 언급한 혜택에 속한다. 특히 수준 높은 연구를 할 수 있도록 학생들을 지도하여 세계적인 저널에 논문을 발표할 수 있도록 독려할 방침이라고 윤 교수는 전했다. 아울러 그는 “이번 국책사업 선정은 학생들에게 세계적인 경쟁력을 갖출 수 있는 초석이 될 것으로 기대한다”면서, “교수로서 글로벌 인재를 육성하고 연구자로서 생명과학분야 최상위저널 논문에 연구결과를 발표하는 것을 최우선 과제로 삼아 국내 생명과학연구수준을 한 단계 높이는데 공헌하겠다”고 각오를 밝혔다.

02 에너지인력양성사업 전기공학과 조영훈 교수 연구팀



수요자 중심의 교육 실용적 연구 사회맞춤형 산학 에너지로 밝힌다

에너지 산업 성장에 힘을 가하고 수출산업화 선도에 핵심이 되며 고급 R&D 인력을 양성하는 국책사업에 조영훈 교수 연구팀이 최종 선정되었다. 핵심적인 전력제어 시스템을 구현할 ‘하이브리드 에너지 저장 시스템(ESS)용 전력변환장치’가 조 교수 연구팀의 연구분야다. 학생들에게 전문적인 지식을 교육하는 강의 트랙을 개발하고, 참여기업들과 함께 산학 연구 프로젝트를 진행하는 등 교육과 연구, 산학이 조화를 이루는 사업의 궁극적인 목표 실현이 머지 않았다.

통합효율 세계 최고 기록 달성할 것
산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 주관하는 ‘에너지 인력양성사업’에 선정된 조영훈 교수 연구팀은 선정 이유로 전력전자와 전력시스템 전공의 탄탄한 융합 교육 프로그램을 꼽았다. 심사위원으로부터 기업에서 원하는 실무형 인재육성이 기대된다는 호평과 함께 연구를 수행하기에 매우 적합하다는 평가를 받은 것이다. 과거 연구 실적이 이번 사업 분야인 ‘하이브리드 에너지 저장 시스템(ESS)용 전력변환장치’ 연구에 유용하게 활용될 것이란 의견이 지배적이다. 향후 5년간 31억 원의 연구비를 지원받게 된 조 교수 연구팀은 태양광, 풍력 등과 같은 신재생 에너지원을 전기에너지로 변환한 후 이를 배터리에 저장하는 전력변환장치의 설계와 전력시스템의 효율적인 운영전략을 구현하는데
주력할 방침이다.

“전력변환장치의 고효율화, 차세대 전력변환장치의 설계 기술, 그 장치들의 효과적인 운영전략이 연구의 주요 내용입니다. 특히 차세대 전력 반도체를 이용한 고효율 전력변환장치 설계 기술은 저희 연구실에서 중공업 분야의 국내 대기업과 수년간 기술을 같이 개발하고 있으며, 지난해 통합효율 97.2%로 국내 최고 기록을 달성했습니다.” 이 수치를 한 단계 높여 근시일 내 세계 최고 수준 이상인 98%대의 효율을 달성하는 것이 조 교수의 목표다. 그도 그럴 것이 이러한 효율 달성

은 에너지 저장 시스템뿐 아니라 전기자동차 산업에도 큰 의의가 있기 때문이다. “현재 배터리 가격이 빠른 속도로 하락하고 있고, 전력전자 기술의 발달에 힘입어 대용량 배터리의 급속충전 용량이 크게 증가하고 있는 추세입니다. 2020년대 후반에는 정부의 보조금 없이도 전기자동차의 가격이 내연기관 자동차보다 낮아져 대세가 될 거란 전망이 우세하죠.” 에너지 저장 시스템용 전력변환장치의 요소 기술은 전기자동차용 전력변환 장치 기술과 동일하다. 때문에 조 교수 연구팀이 주력하는 이 연구기술은 5년 후 전기자동차용 전력변환장치 개발에 적극적으로 투입될 것으로 기대된다.

기업과의 공동연구,취업혜택 커진다
본 연구실에는 현재 조 교수를 필두로 19명의 석·박사과정 학생들이 포진해 있다. 현대자동차, 현대모비스, LS산전, 한국전력, 한국전기연구원 등 여러 기관들과 전력전자분야의 핵심기술을 지속적으로 개발하고 실용화하는데 매진하고 있으며, 특히 현대자동차, 롯데 케미칼, LS오토모티브, 이온, 성신전기공업 등과 산학으로 개발한 기술은 실제 제품에 적용되어 회사의 이익 창출에 큰 기여를 하고 있다. 조 교수는 “우리 학생들이 국내 유수기업들과 연구소에서 탐내는 인재로 성
장하고 있다”며, “앞으로도 산업체와 더불어 실용적인 기술개발에 주력해 국내뿐 아니라 해외에서도 믿고 연구를 맡길 수 있는 브랜드 가치를 키워나가는데 주력할것”이라고 전했다. 이번 국책사업 선정 결과로 학생들에게 미치는 가장 큰 영향은 금전적 지원이다. 우선 대학원생들은 등록금 전액을 포함하여 지원 받는 연구보조금이 늘어나게 된다. 더욱이 대학원생들의 아이디어를 별도의 연구펀드 없이 본 사업의 재원으로 실현해 새로운 기술개발을 할 수 있는 혜택이 주어진다. 특히 조 교수는 교육적인 혜택을 강조한다. “대학원 강의를 전력전자와 전력경제 분야의 두 가지 트랙으로 나눠 각 트랙의 과목을 반드시 수강하도록 구성했습니다. 두 전공의 깊이 있는 강의를 통해 융합된 사고를 할 수 있고, 궁극적으로 기업이 선호하는 인재양성을 실현하는데 한 발짝 다가설 수 있게 되는 것이죠.” 본 사업에 참여기관으로 포함된 15개 이상의 기업들과 취업 연계 MOU를 체결했다는 점, 학생들은 기업과의 공동연구를 진행하며 본인이 원할 경우 취업보장을 받을 수 있다는 점, 이번 사업에서 학부생 R&D 인력 양성 프로그램이 진행된다는 점 등은 전기공학 전공자에게 훌륭한 기회가 될 것이다.

03 환경산업선진화기술사업 사회환경플랜트공학과 박기영 교수 연구팀



기술과 시스템의 상용화 환경선진국으로 가는 길
기술과 시스템의 상용화 환경선진국으로 가는 길 환경산업기술원이 주관하는 ‘환경 산업 선진화 기술사업’을 수주한 박기영 교수 연구팀에 업계 안팎에서 거는 기대가 크다. 그도 그럴 것이 대부분 기업이 주관연구기관일 경우 선정됐던 사업을

박 교수 연구팀이 따내면서 이례적인 성과를 달성했기 때문이다. 기존 기술의 문제점을 면밀히 파악하고, 산업의 에코
효율성 및 경쟁력을 향상시키는 개선방안을 다각도로 제시한 결과 박 교수 연구팀이 국책사업의 주인공이 될 수 있었다.

환경사업분야 국가경쟁력 높인다
‘환경 산업 선진화 기술사업’은 현장적용이 시급하거나 단기간 내에 시장활성화가 가능한 환경기술의 사업화를 촉진시켜 산업의 에코 효율성 및 경쟁력을 높이는 연구사업이다. 본 사업의 수행분야는 대기질 개선 및 지구환경대응기술 분야, 생활 환경질 향상기술 분야, 생태계 복원 관리기술 분야, 위해성 평가 관리 및 감축 기술 분야, 에코공정 기반 기술분야로 구분되며, 환경 사업분야에 필요한 대부분의 기술개발이 이 사업을 통해 이뤄진다.

금번 연구사업을 수주한 사회환경플랜트공학과 박기영 교수 연구팀은 ‘선택적 이온 분리 및 고효율 전해 추출을 이용한 도금 산업 발생 유해 중금속의 처리 및 폐수장치 개발’ 연구 과제를 수행하며 3년간 15억 원의 연구비를 지원받는다. 박 교수는 “현장 파일롯 플랜트 실험을 통해 사업화가 가능한 수준의 독창적인 기술개발과 이를 이용한 구체적이고 다양한 사업화 방안을 제시한 점을 높이 평가 받았다”면서 “사회환경공학부의 권지향, 김한승, 배성준 교수도 참여해 건국대학교

의 환경공학 전공 교수들의 역량을 한데 모아 구성한 이 좋은 성과로 이어질 수 있었다”고 말했다.

교수 연구팀은 도금 및 환경산업에 있어서 세계 최고 수준의 기술과 시스템을 개발하고 상용화하는 것을 표로 한다. 이를 통해 국가 경쟁력을 강화시키고 국민의 삶의 질을 높이겠다는 각오다. 박 교수는 목표달성을 위한 체계적인 연구계획을 수립했다. 1차년도에는 심요소기술들의 기초성능을 평가하여 최적기술을 선정하고, 2차년도에는 선정된 핵심요소기술들의 설계 인자와 운영인자를 도출하여 파일롯 플랜트를 설치하는데 매진할 계획이다. 이어 3차년도에는 파일롯 플랜트를 이용한 현장 실험을 통해 개발기술을 최적화하고 상용화에 필요한 각종 매뉴얼을 확보하는 등 실용화 달성에 주력한다는 방침이다.


자원순환사회로 발돋움하다
본 연구과제를 통해 기존 기술의 한계를 극복하는 차원을 뛰어넘어 새로운 패러다임을 제시할 것이라고 박교수는 강조해 말한다. “도금산업은 국가핵심역량 부분인 전기재료 및 전자부품 산업 등의 발전에 있어 그 중요성이 매우 높습니다. 핵심 부품 및 소재의 기능적 특성과 부가가치를 높여 품질 가격을 최종 결정하는 기반산업이죠. 그러나 유가자원들이 중금속 폐수와 함께 대량 배출된다는 점으로 인해 제품원가 상승의 주 요인이 되고 있습니다.” 최근 비철금속의 원자재 가격 상승과 중국 업체에 의한 가격 경쟁이 치열해지면서 경쟁력이 크게 악화되어 국내 도금산업이 급격히 위축되고 있다는 게 박 교수의 설명이다. 도금산업에서 발생되는 폐수처리 방법을 획기적으로 개선하여 도금산업의 경쟁력을 향상시키는 것이 연구과제의 핵심사안이다.

박 교수는 “본 사업을 통해 기술이 개발될 경우 관련 사업분야에서의 광물원료가 절감되어 광물자원의 해외 수입량이 감소하고 재활용산업을 육성할 수 있는 자원순환사회로의 초석을 다질 수 있을 것”이라고 전망했다. 아울러 그는 “도금산업의 폐수처리 분야 이외 에도 유해물질을 배출하는 폐수처리분야, 염색·침출수 처리분야, 재활용 금속 및 희유금속 회수분야, 고품질 재이용수 생산 분야, 농업 및 산업용수 공급분야에도 기술 적용이 가능해 환경산업시장의 활성화에 기여 할 수 있을 것”이라고 내다봤다. 본 연구 사업비의 많은 부분을 재료구입비와 학회 및 세미나 참가비에 배분했다고 밝힌 박 교수는 연구에 참여하는 건국대 학생들의 연구활동을 적극 지원하는데 앞장선다는 각오다. 이와 관련하여 박 교수는 연구에 집중할 수 있는 환경을 조성하고, 다양한 학술활동 지원과 연구 과정에 필요한 실증시설을 구축하는 등의 계획을 밝혔다.

04 뇌과학원천기술개발사업의학전문대학원 줄기세포교실 한동욱 교수 연구팀



환자 맞춤형 정밀의학 앞당기는 3D 미니 뇌 개발 연구

한동욱 교수 연구팀이 미래창조과학부가 주관하는 ‘뇌 과학 원천기술 개발사업’에 선정됐다. 뇌 분야 핵심기술의 개발 및 실용화 사업 등을 지원하는 이 국책사업은 국가 과학기술 경쟁력 강화 및 국민 삶의 질 향상에 기여하는 첨단기술개발 사업이다. 세계적인 연구 네트워크와 우수한 연구성과를 갖춘 한 교수 연구팀은 앞으로 3D 미니 뇌 분야에서 핵심원천기술을 확보하고 관련 연구를 국제적으로 선도하는데 주력할 방침이다.

독자적인 3 D 미니 뇌 제작기술
뇌 질환 예방 및 치료기술, 신체장애 극복기술, 뇌기능 강화기술 등 뇌 분야 핵심기술의 개발 및 실용화 사업을 이끄는 중심에 한동욱 교수 연구팀이 자리한다. 그 간 줄기세포 연구 분야에서 다방면으로 심도 있는 연구를 꾸준히 진행해온 연구팀은 세계적인 저널에 다수의 논문을 발표하여 ‘세계 10대 줄기세포 연구’, ‘국내 5대 바이오’에 선정되는 등 여러 우수한 연구성과를 기록했다. 현재 연구팀이 그간의 연구결과를 바탕으로 독자적인 3D 미니 뇌 제작기술을 확립해 다각적인 측면으로 뇌 발달기전연구 및 질환모사연구를 수행하고 있다는 점에서 이번 국책사업 선정은 어찌 보면 당연한 결과라고 할 수 있다. 한동욱 교수는 “연구팀과 공동 파트너십을 맺고 있는 독일의 막스플랑크 연구소, 중국 과학원, 미국 스탠포드 대학 및 싱가포르 게놈연구소 등과의 긴밀한 연구협력과 인적 교류를 통해 이미 세계적인 연구 네트워크를 확보하고 있다”며, “높은 전문성 및 연구역량, 폭넓은 국내외 연구협력 기반 등 우리 연구진의 우수한 연구 적합성 덕분에 이번 과제에 선정될 수 있었다”고 자평했다.

‘3D 미니 뇌 제작 및 분석기술 개발’은 2차원적 세포배 양조건을 바탕으로 분화시킨 줄기세포를 이용하는 기존의 질환모사 및 신약개발 플랫폼의 한계점을 극복하기 위해 시작되었다. 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 3차원 분화기술을 이용해 실제 뇌조직의 구조적, 미세환경적 특성을 높은 수준으로 재현할 수 있는 3D 미니 뇌의 생산 및 분석기술을 개발하는 것이 핵심이다. 궁극적으로 다양한 난치성 뇌 질환 환자 유래의 3D 미니 뇌를 생산함으로써 특정 난치성 뇌 질환의 발병기전을 규명하고, 치료 효능이 뛰어난 신규약물을 개발 할 수 있는 질환모사 및 신약개발 연구플랫폼을 창출하는 것이 최종목표다.

미래의학 연구의 선두주자
한 교수 연구팀은 이번 국책과제를 수행하며 5년간 37억 5천만 원의 연구비를 지원받는다. 앞으로 5년간 3D미니 뇌 생산기술의 표준화를 통한 고효율 생산기술 및 대량생산기술 개발에 초점을 맞춰 연구가 수행될 예정이다. 이를 통해 환자 맞춤형 3D 미니 뇌 생산이 가능해지고, 고부가가치의 연구사업이 될 것이라는 게 한 교수의 주장이다. “환자 맞춤형 3D 미니 뇌 생산은 결과적으로 다양한 퇴행성 뇌 질환이나 뇌 발달장애의 발병기전을 규명하고, 치료법 개발이 가능한 차세대 의 약학 연구플랫폼 창출이 가시화되는 것이죠. 다시 말해 고령화 시대를 살게 될 국민의 삶의 질을 높이는 국책사업의 취지와도 부합하는 결과인 셈입니다.” 한 교수는 현재 건국대학교병원을 중심으로 분당서울대학교병원, 연세대학교병원 등 다수의 임상연구진들과 협력하여 다양한 퇴행성 뇌 질환 및 뇌 발달장애 환자의 체세포와 역분화줄기세포주를 확보하는데 주력하고 있다.

최근 미국 MIT에서 3D 미니장기 생산기술을 미래 10대 기술 중 하나로 선정함으로써 세계 유수의 연구기관과 대학에서 앞다퉈 3D 미니장기 연구에 몰두하고 있는 실정이다. 건국대학교에서 생물학, 생명공학, 의생명과학을 공부하는 학생들에게 한 교수 연구팀은 줄기세포 연구의 청사진을 제공하는 훌륭한 무대이자 기회가 될 것으로 전망된다. 한 교수는 “이번 국책사업 선정으로 3D 미니장기 분야에 관심 있는 학생들을 대상으로 실제 3D 미니 뇌 제작 및 분석기술을 체험하고 다양한 최신 줄기세포 연구기술을 경험할 수 있는 장을 마련할 계획”이라며 “건국대 학생 누구라도 미래의학에 관심이 있다면 주저하지 말고 연구실에 와서 미래의학에 대해 활발히 소통할 수 있기를 바란다”고 전했다.