사학과 최덕경(사진) 명예교수가 20년간의 연구를 집적해 한국과 중국 간 논쟁점이었던 콩의 기원 문제를 밝히고, 콩 가공식품들의 출현과 용도를 새롭게 해석한 『우리 콩의 역사: 기원과 용도』(자연경실, 2024.12.9.)를 발간했다.

기존의 연구에서는 대두 기원지가 중국의 각 지역, 일본, 인도 등 매우 다양했다. 최근에는 동북 지역이 그 기원지라는 견해가 점차 늘어나고 있는데, 그 주된 근거는 대두의 자연 선택 조건이 적합하다는 점이다. 특히 한반도 중남부 지역은 이들 동북 지역보다 앞서 순화, 재배된 재배두가 출토되고 있다.

이 책에서는 대두(大豆)의 기원지가 한반도임을 밝히고, 그 다양한 용도와 전파경로를 심층적으로 분석했다. 한반도는 원시 콩이 순화 재배되기에 가장 적합한 생태조건을 가졌다. 여기서 재배된 콩은 기원전 3,000년까지 소급되며, 중원의 원시 콩과는 크기, 형태 및 질량에서 차이가 있었다. 

콩을 이용해 만든 장(醬)은 동아시아인의 입맛을 좌우했다. 가공 도구가 발달해 제분업이 성장하면서 등장한 두부, 분식(粉食)과 두유(豆油)는 식생활의 변화를 견인하기도 했으며, 그 과정에서 배출된 콩 부산물은 가축 사료, 비료 및 연료로 다양하게 이용됐다. 재난 시에는 구황작물로 활용되기도 하고, 그루갈이나 사이짓기를 통해 토지 이용도를 높이는 등 콩은 농가의 일상에서 어떤 작물보다 필요불가결했다. 

【『우리 콩의 역사』 표지】 

이번 신간은 대두와 콩 식품의 기원 및 확산 과정을 3부에 걸쳐 다룬다. 제1부에서는 융숙(戎菽)을 검토해 그 뿌리가 한반도 메주콩임을 확인하고, 제2부에서는 장시(醬豉, 장과 메주), 두부, 두유, 콩나물 등 콩 식품과 이를 확산시킨 생산수단의 발달, 부산물의 활용이 식생활과 농업 생산성을 높였음을 분석했다. 제3부에서는 한반도 대두의 기원과 가공품의 전파를 중국과 비교하며 연구했다. 

저자인 최덕경 교수는 “한반도에서 콩 식품이 발원한 주요 조건으로는 양질의 콩과 소금, 저장 도기, 선진 발효 기술이 꼽힌다. 고대 사료 부족은 한계로 작용했으나, 고려와 일본, 조선의 기록이 연구에 도움을 줬다. 이를 통해 한반도에서의 두부와 콩나물 출현이 중국과 비슷한 시점이며, 장시 기술과 보급이 중국보다 구체적이고 다양했음을 확인했다. 이는 대두의 생태적 특성과 역사적 정체성에 기반한다”고 설명했다. 

[Abstract]

Origin and Uses of Soybeans

Soybeans are one of the five major grains, known for its diverse uses and as a staple that shapes East Asian food culture. In this paper, I will argue that soybeans originated in the Korean Peninsula, whose usage there can be verified from multiple sources. The Korean Peninsula provided an optimal natural selection environment for the cultivation of primitive soybeans, whose origins date back to about 3000 BCE. These soybeans differed in size, shape, and mass from the primitive soybeans of the Central Plains. Furthermore, various processed foods made from soybeans—such as soy sauce, tofu, soybean oil, and bean sprouts—have influenced the taste preferences of East Asians and elevated the status of soybeans.

Moreover, the development of processing techniques has led to the development of the flour industry and introduced flour-based foods and soybean oil, bringing changes to dietary habits. The byproducts from this processing have been utilized as livestock feed, fertilizers, and fuel, and were also used as emergency crops during disasters. Additionally, the intercropping and root cultivation of soybeans has increased land utilization, making them an indispensable presence in the daily lives of farmers.

This paper is divided into three main parts. The first part presents the idea that "rongshu" from the Northeast during the Spring and Autumn period underwent domestication and evolution starting from the Korean Peninsula and then spread throughout the world. This led to the possibility of producing fermented soybean products like soy sauce, which would have been impossible with wild soybeans alone. This "rongshu" was a precursor to the Goryeo bean (高麗豆),  which has been discovered to have been cultivated earlier in various primitive forms in the Korean Peninsula. Therefore, it is reasonable to conclude that the Korean Peninsula was the origin of cultivated soybeans, with its roots in the "meju" beans of Korea.

The second part of my paper examines the processing methods for soybeans and related foods. The critical transformation of soybeans from a staple to a side dish was made possible by the development of processing tools. The progression from mortars to grinding stones, watermills, and stone rollers improved milling productivity, leading to the flourishing of the milling industry. However, conflicts soon arose between farmers and millers over the access to water that powered the watermills, requiring the intervention of the imperial court. This rapid development of production methods brought about changes in agricultural management during the Middle Ages, steering dietary habits toward a focus on flour-based foods.

The third part of my paper will consider the emergence of soybean and adzuki beans[小豆] that were processed for food in the Korean Peninsula. The conditions that allowed for the early appearance of sauces and meju (豉) alongside Goryeo beans in the Korean Peninsula included high-quality ceramics and fermentation techniques (such as fish sauce and compost production). However, the biggest challenge in researching ancient soybean processed foods in the Korean Peninsula has been the lack of records, which has necessitated heavy reliance on Chinese sources. Fortunately, the records of doenjang(末醬) excavated from the Goryeo seabed and ancient Japanese soy sauce and meju provided insight into the spread of these processed foods. Additionally, abundant materials on soybeans and their processed products in Joseon period allowed for inferences about earlier periods.

The reason for reexamining the history of soybeans in this book is not only due to the origins of the bean itself but also because soybeans are gaining attention as a future health food. Processed products made from soybeans include a variety of items such as bean rice, soybean paste, meju (豉), tofu, bean sprouts (豆芽), soybean oil, soy milk, bean cake (豆餠), bean flour (豆粉), cheongkukjang (淸麴醬: fermented soybeans), and industrial raw materials, among many others. The by-products are increasingly being used as livestock feed and fertilizers. Soybeans are rich in plant-based protein, making them a focus of a healthy diet for modern consumers. Therefore, interest in soybeans is natural, and a new examination of their origins, dissemination, and uses is needed.

As outlined above, soybeans and adzuki beans, along with their related products, have become widely popular and diverse over time in the Korean Peninsula, and are now firmly established as essential foods for Koreans. This can be attributed to the ecological conditions and historical identity that soybeans possess.

- Author: Choi, Dukkyung (Department of History, Pusan National University) 

나노에너지공학과 오진우 교수 연구팀이 수질 오염을 일으키는 질산성질소를 전처리 과정 없이 현장에서 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 

‘질산성질소(NO₃-N)’는 부영양화(富營養化, 수역에 질소·인 등 영양염류가 과도하게 공급돼 플랑크톤 같은 조류나 수생식물이 과도하게 번성하는 현상)의 주요 원인 중 하나이며, 농도가 증가할수록 질소 순환의 불균형을 초래하고, 생태계를 교란하는 문제가 발생한다. 이로 인해 양식 어류에서 성장 속도 저하가 나타나 대규모 폐사를 유발할 수 있다. 유아의 인체에 유입될 경우 청색증과 같은 위험을 초래하기도 한다. 

질산성질소를 모니터링하기 위해 다양한 기술이 개발됐지만, 질산성질소 자체가 열역학적인 면에서는 안정된 상태이기 때문에 일반적인 화학적 방법으로 검출하기 어려워 전처리 과정이 필수적이다. 또한 다양한 미네랄의 간섭으로 측정 정확도가 저하될 가능성이 크고 기존 측정방법으로는 시간이 오래 걸려 실시간으로 정량적 분석을 할 수 있는 기술이 부족해 새로운 센서 기술의 필요성이 대두돼 왔다.

이번 연구에서는 전이금속 기반 비색(比色) 센서*를 활용해 질산성질소 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 개발했다. 기존 방법과 달리 화학적 분석법에 의존해 분석하는 것이 아닌 색 변화를 이용해 질산성질소 농도를 측정할 수 있어 높은 실용성을 갖는다. 

* 비색(比色) 센서: 특정 물질과 화학 반응을 일으켜 색이 변하는 원리를 이용한 센서.

이를 위해 4주기 전이금속*(Mn, V, Fe, Co, Cr, Cu, Ni)과 용매 및 첨가제를 특정 비율로 혼합해 센서의 색 변화를 시간에 따라 측정하고, 색 변화가 질산성질소의 농도에 선형적으로 증가하는 센서를 선정해 조합을 구성했다. 그리고 센서 성능 검증을 위해 색 변화 데이터를 기반으로 계층적 군집 분석과 조성 분석을 실시해 센서의 능력을 평가했다. 단순 센서의 색 변화만이 아니라 시간에 따른 색 변화 데이터를 사용한다는 점이 다른 비색 센서와의 차별점이다.

* 4주기 전이금속: 주기율표에서 4주기에 속하는 전이금속 원소군(21번~30번)으로, Sc(스칸듐), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크로뮴), Mn(망간), Fe(철), Co 코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연)이 있다. 이들은 여러 산화 상태를 가질 수 있어 색이 변하는 성질이 있으며, 촉매 작용, 산화·환원 반응에서 중요한 역할을 한다. 착화합물 형성 능력이 뛰어나 화학 센서, 촉매, 생체 금속 단백질 등에도 활용된다. 

【전이금속 기반 비색 센서의 필요성 및 수질 분석 플랫폼 구축】

연구팀은 또한 색 변화 패턴의 대규모 데이터를 구축해 질산성질소뿐만 아니라 해수 및 지하수 내 주요 오염물질을 감지할 수 있는 확장 가능한 선택적 센서 시스템을 개발했다. 머신러닝 기반 패턴 분석을 적용하면 다양한 오염물질을 동시에 분석할 수 있는 차세대 필드 진단 기술로 발전할 가능성이 존재한다.

오진우 교수는 “이번 연구는 전이금속 기반 비색 센서 어레이를 활용해 질산성질소를 정밀하게 검출할 수 있는 시스템을 개발한 것으로, 기존 화학 분석법의 복잡한 전처리 과정 없이도 해수 및 지하수 내 질산성질소를 신속하게 감지할 수 있어 향후 수질 모니터링 및 환경 오염 감지 기술로 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

전이금속 기반의 비색 센서 어레이를 이용해 전처리 없이 질산성질소를 효과적으로 검출하는 기술을 개발한 이번 논문은 국제학술지 『ACS sensors』 2월 2일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Point-of-Care-Testing NO3-N Detection Technology with Selected Transition-Metal-Based Colorimetric Sensor Arrays(전이금속 기반 비색 센서 어레이를 이용한 현장 진단용 질산성질소 검출 기술)

- DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c02771

이번 연구는 나노에너지공학과 오진우 교수와 나노바이오융합연구소 정태영 박사가 교신저자, 나노융합기술학과 이정근 박사과정생이 제1저자로 수행했으며, 해양수산부 재원의 한국해양과학기술진흥원(KIMST) 지원 및 2024년도 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 IRC(Innovation Research Center) 과제 연구비 지원을 받아 부산대, 젠라이프, 피쉬케어, 블루젠이 협력해 이뤄졌다.

* 상단 사진: 왼쪽부터 정태영 박사, 이정근 박사과정생, 오진우 교수.

[Abstract]

Nitrate-nitrogen (NO₃-N) is a significant contaminant in groundwater and seawater, primarily due to the oxidation of ammonia through nitrification. This process disrupts the nitrogen cycle, leading to environmental pollution and posing risks to marine aquaculture and human health. Excessive NO₃-N concentrations can cause severe health effects, such as methemoglobinemia in infants and the formation of carcinogenic N-nitrosamines. In aquatic ecosystems, elevated NO₃-N levels contribute to algal blooms, oxygen depletion, and the decline of marine life, while in aquaculture, they reduce fish growth and immunity, leading to increased mortality.

Traditional NO₃-N detection methods, including ion chromatography and continuous flow analysis, require pretreatment and are time-consuming. Many existing techniques suffer from measurement uncertainties due to interference from complex chemical substances in seawater. Moreover, field-deployable NO₃-N sensors with high sensitivity and selectivity remain scarce. In this study, we developed a transition-metal-based colorimetric sensor capable of detecting NO₃-N on-site without pretreatment. By mixing transition metals (Mn, V, Fe, Co, Cr, Cu, Ni) with solvents and additives, we analyzed the color changes induced by NO₃-N at concentrations ranging from 1 to 100 ppm.

We selected sensors that exhibited a linear increase in color velocity with increasing NO₃-N concentrations and designed an array sensor using these optimal candidates. The performance of the array was validated through hierarchical cluster analysis (HCA) and compositional analysis, confirming its ability to detect NO₃-N in complex matrices. The sensor array's effectiveness was further demonstrated by analyzing seawater samples with varying NO₃-N concentrations, where HCA classification results based on color distance measurements corresponded closely with results obtained from conventional seawater testing methods. Additional HCA classification, incorporating pH, phosphate-phosphorus, total dissolved phosphorus, and chloride ion data, revealed differing clustering patterns, emphasizing the specificity of our sensor for NO₃-N detection. Furthermore, experiments conducted with varying NaCl concentrations confirmed that clustering was primarily driven by NO₃-N levels rather than mineral content. These findings validate that our transition-metal-based colorimetric array sensor can selectively detect NO₃-N in complex seawater matrices, offering a promising approach for rapid, on-site environmental monitoring and multi-target sensing applications.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Jung-Geun Lee (Institute of Nanobio Convergence)

 · Corresponding authors: Tae-Young Jeong (Institute of Nanobio Convergence), Jin-Woo Oh (Department of Nano Fusion Technology)

- Title of original paper: Point-of-Care-Testing NO₃-N Detection Technology with Selected Transition-Metal-Based Colorimetric Sensor Arrays

- Journal: ACS sensors

- DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c02771

임신 중 초기 신경발달 시기의 환경호르몬 노출은 성인기 뇌에도 지속적으로 악영향을 미친다는 연구결과가 나왔다.

분자생물학과 정의만 교수 연구팀은 ‘환경호르몬’으로 알려진 ‘내분비계 교란물질(Endocrine disrupting chemicals, EDCs)’이 임신기 및 수유기에 노출되면 정상적인 뇌 발달을 방해하며 성인기까지 영구적인 손상을 낳는다는 연구 결과를 발표했다.

‘내분비계 교란물질’은 체내 호르몬의 정상적인 기능을 방해할 수 있는 외래 화학물질이다. 화장품, 알루미늄 캔, 플라스틱, 의약품 등에 포함된 화학물질로 우리 일상생활에서 광범위하게 사용된다. 인간은 내분비계 교란물질에 항시 노출돼 있으며, 그 결과 인체에 악영향을 끼치기도 한다. 

세계적으로 내분비계 교란물질의 유독성 및 유해성 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 정의만 교수팀은 알킬페놀류 내분비계 교란물질 일종인 옥틸페놀(4-tert-octylphenol)이 마우스의 뇌 발달에 미치는 영향을 조사해 논문에 실었다.

연구팀은 신경발달 시기의 옥틸페놀 노출이 에스트로겐 신호전달 경로를 통해 성체 자손 마우스의 미세아교세포(microglia)의 형태 및 기능에 지속적인 악영향을 미치는 것을 확인했다.

교세포는 신경세포의 기능을 도와줄 뿐 아니라, 뇌 발달 과정 동안 신경세포의 이동 및 생성, 사멸이 정상적으로 이루어지도록 돕는 역할을 한다. 특히 미세아교세포는 뇌 내 손상된 세포를 제거해 뇌가 정상적으로 기능할 수 있도록 돕는 면역세포다.

연구팀은 마우스의 뇌에서 분리된 미세아교세포에 옥틸페놀을 노출시켰을 때 미세아교세포의 세포 면적이 증가할 뿐만 아니라, 미세아교세포와 관련한 특정 유전자(Iba-1*)의 발현이 증가함을 확인했다. 또한, 옥틸페놀 노출에 의해 교세포에서 Iba-1 유전자 전사 조절 영역과 에스트로겐성 환경호르몬에 의해 조절될 수 있는 에스트로겐 반응성 서열(estrogen response element)의 전사가 활성화되는 것을 확인했다.

* Iba-1 유전자: 미세아교세포가 정상적인 기능인 포식 작용 및 세포막 형태 조절에 관여하는 칼슘 결합 단백질.

이러한 연구 결과는 옥틸페놀이 에스트로겐 유사체처럼 작용해, 미세아교세포의 에스트로겐 신호전달 경로를 통해 유전자 발현을 조절하며 미세아교세포의 형태적 변화로 이어질 수 있음을 입증한다.

또한 연구팀은 뇌 발달 시기 옥틸페놀 노출이 실험동물 성체 마우스 뇌에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자, 활발하게 뇌 발달이 일어나는 임신기부터 수유기까지 옥틸페놀을 임신 마우스에 노출시켜 자손 마우스에 간접적으로 옥틸페놀을 노출했으며, 이 자손 마우스를 성체까지 키웠다.

앞선 뇌에서 분리된 미세아교세포 실험과 유사하게, 연구팀은 옥틸페놀이 성체 자손 마우스의 대뇌 피질에서 미세아교세포의 형태를 변화시켰음을 확인했다. 더불어 옥틸페놀의 모계 노출은 성체 마우스 뇌에서 Iba-1 유전자의 발현량을 증가시키며, 세포 골격과 관련한 유전자의 발현을 변화시키는 것을 확인했다. 

마이크로어레이 분석(Microarray)을 통해 옥틸페놀 노출에 의한 성체 마우스 뇌의 유전자 발현 변화 양상을 확인한 결과, 옥틸페놀 노출군은 대조군에 비해 면역 반응과 관련한 유전자 및 사이토카인 유전자의 발현량이 감소했음을 확인했다. 이러한 연구 결과는 옥틸페놀의 모계 노출이 성체 자손 마우스 뇌에서 미세아교세포의 기능에 잠재적으로 지속적인 영향을 미침을 시사한다. 

이번 연구는 뇌 발달 시기 내분비계 교란물질이 교세포에 미치는 새로운 작용기전을 확인한 것으로, 일상생활에서 항시 노출될 수 있는 내분비계 교란물질이 뇌 건강에 잠재적인 위험이 될 수 있다는 경각심을 일깨워 줄 수 있을 것으로 기대된다.

【정의만 교수, 이승현 석사과정생(왼쪽부터)】

연구책임을 맡은 정의만 교수는 “이번 연구를 통해 ‘내분비계 교란물질(환경호르몬)’이 뇌 발달에 미치는 영향을 이해하는 데 새로운 단서를 제공했다”며 “앞으로도 다양한 환경적 요인이 뇌 발달에 미치는 영향을 탐구해 관련 요인의 위험성을 제고하고, 관련 정책 및 규제 수립에 기여할 수 있도록 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.

해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 온라인판 2024년 10월 26일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Maternal exposure to 4-tert-octylphenol causes alterations in the morphology and function of microglia in the offspring mouse brain (옥틸페놀의 모계 노출에 의한 성체 자손마우스 뇌 미세아교세포의 형태 및 기능적 변화)

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424028371 

이번 연구는 G-LAMP 사업 및 한국연구재단의 지원을 받아, 분자생물학과 및 미래지구환경연구소 정의만 교수가 교신저자, 이승현 석사과정생이 제1저자로 수행했다. 

* 상단 이미지: 옥틸페놀의 모계 노출이 자손 마우스 미세아교세포에 미치는 영향(교세포 배양 및 실험동물을 이용해 옥틸페놀 노출이 자손 마우스 뇌 미세아교세포에 미치는 영향 확인)

[Abstract]

4-tert-Octylphenol (OP), an endocrine disrupting chemical is widely used in the production of industrial products. Prenatal exposure to endocrine-disrupting chemicals negatively affects the brain. However, the influence of OP exposure during neurodevelopment in adult offspring remains unclear. Thus, in the present study, we investigated the effects of maternal OP exposure on brain development in adult offspring by analyzing primary glial cell cultures and mice. Our findings revealed that OP exposure led to a specific increase in the mRNA expression of the ionized calcium-binding adapter molecule 1 (Iba-1) and the proportion of amoeboid microglia in the primary glial cell culture and adult offspring mice. Exposure to OP increased the transcriptional activation of Iba-1 and estrogen response element, which were counteracted by estrogen receptor antagonists ICI 182,780. Moreover, OP exposure increased the nuclear localization of the estrogen receptor. Remarkably, OP exposure decreased the mRNA expression levels of proinflammatory cytokines and genes associated with immune response in the brains of the offspring. OP exposure upregulated actin filament-related genes and altered cytoskeletal gene expression, as demonstrated by microarray analysis. The morphological changes in microglia did not result in an inflammatory response following lipopolysaccharide treatment. Taken together, the effects of OP exposure during neurodevelopment persist into adulthood, resulting in microglial dysfunction mediated by estrogen receptor signaling pathways in the brains of adult offspring mice.

* Reference

- Authors (Pusan National University): Seung Hyun Lee, Prof. Eui-Man Jung (Department of Molecular Biology; Institute for Future Earth)  

- Title of original paper: Maternal exposure to 4-tert-octylphenol causes alterations in the morphology and function of microglia in the offspring mouse brain

- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424028371   

- Journal: Journal of Hazardous Materials

- DOI: doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.136258

식물생명과학과 조래현 교수 연구팀이 일반적으로 식물의 주된 에너지원으로 알려진 광합성 산물 자당(sucrose, 설탕의 주성분)이 벼의 개화 시기를 촉진하는 신호물질로도 작용한다는 연구결과를 발표했다.

‘자당(sucrose)’은 식물에서 광합성 과정을 통해 생성되는 주요 당류 중 하나로, 단당류인 포도당(glucose)과 과당(fructose)이 결합해 형성된 이당류다. 자당은 세포 호흡을 통해 에너지를 공급하며, 식물의 다양한 발달 및 생리적 과정에서 중요한 역할을 한다. 

조래현 교수팀은 인하대·경희대 연구팀과 공동연구를 수행해 자당 신호에 따른 벼의 개화 조절 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 자당이 신호전달 물질로서 수행하는 새로운 기능을 설명했다. 

작물의 개화 시기는 농작물의 생산성과 품질 향상을 위한 중요한 연구 주제 중 하나다. 

작물의 개화 시기는 이삭 형성, 알곡 수 및 품질에 중요한 영향을 미친다. 개화가 이르면 고온이나 태풍 피해를 피할 수 있어 생산성에 유리할 수 있다. 그러나 지나치게 이른 개화는 영양생장 부족과 냉해로 인해 수정률이 저하돼 수량 감소를 초래할 위험이 있다. 반면, 개화가 늦으면 고온을 피하고 충분한 생육 기간을 확보할 수 있지만, 성숙 후반(가을철) 냉해나 성숙 지연으로 품질 저하가 우려된다. 

적절한 시기(온도·습도·일장 등)에 개화하는 것은 작물의 생산성과 품질을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 따라서 작물의 개화 생리에 대한 이해를 바탕으로 재배 환경을 최적화하고 조율하는 것이 필요하다. 특히, 기후 변화로 인해 이상 기상이 증가하는 요즘에는 이에 따른 개화 시기 변화를 예측하고 적절히 대응하는 것이 중요하다. 

【자당 농도에 따른 Ghd7 안정성 조절 모델】

이번 연구에서는 광합성 산물인 자당이 단순한 에너지원이 아니라 식물이 꽃을 피우도록 유도하는 신호물질로도 역할한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 자당이 벼에서 개화를 억제하는 ‘Ghd7’이라는 단백질의 안정성을 낮춰 개화를 촉진한다는 것을 확인했다. 

* Ghd7: Grain number, plant height, and heading date7 단백질로 벼 개화를 억제하는 역할뿐 아니라 종자 수확량과 식물체의 키를 조절하는 중요 인자.

개화 시기가 되면 식물 체관 내 자당 농도가 급격히 증가하는데 이러한 현상은 자당 농도와 개화 시기가 밀접한 상관관계가 있음을 시사하지만, 두 현상을 연결하는 분자적 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 특히, 식량작물인 벼에서는 자당의 역할에 대한 연구가 거의 이뤄지지 않았다. 

이번 연구에서는 외부에서 자당을 공급해 줄 경우 개화를 촉진하는 유전자의 발현이 증가하는 반면, 자당을 제대로 운반하지 못하는 돌연변이체나 자당 분해가 과도하게 일어나는 식물에서는 세포 내 자당 농도가 감소해 개화가 지연된다는 것을 발견했다.

특히 연구진은 높은 자당 농도에 반응해 IPI1 단백질이 벼의 개화 억제 단백질인 Ghd7을 분해하는 과정을 규명했다. 이 연구 결과는 자당이 단순한 에너지원 이상으로 벼의 개화 시기를 조절하는 중요한 신호물질로 작용함을 시사한다. 이러한 발견은 식량 작물의 광합성과 개화 시기 조절을 연계해 농업 생산성을 향상시키기 위한 전략에 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 

【자당에 의한 Ghd7 단백질의 분해 촉진 및 poly-ubiquitination 패턴 변화】

조래현 교수는 “이번 연구는 광합성 산물인 자당이 에너지원뿐 아니라 개화 시기를 조절하는 신호전달 분자로 작용함을 밝혀낸 데에 큰 의의가 있다”며 “이 결과를 바탕으로 신호전달 물질로서의 자당 기능 연구의 확장이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 농촌진흥청 저탄소그린라이스생산기술개발 사업에서 연구비를 지원받아, 식물생명과학과 조래현 교수와 백기범 박사과정생이 제1저자로, 인하대 생명과학과 윤진미 교수팀, 경희대 유전생명공학과 안진흥 교수팀과 전종성 교수팀이 함께 수행했다. 

해당 논문은 식물 분야에서 국제적으로 권위 있는 학술지인『Journal of Integrative Plant Biology』 2024년 12월호에 출판됐다.

- 논문 제목: Sucrose induces flowering by degradation of the floral repressor Ghd7 via K48-linked polyubiquitination in rice(자당은 K48-연결 폴리유비퀴틴화를 통해 개화 억제 인자 Ghd7을 분해하여 벼의 개화를 촉진함) 

- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jipb.13790

* 상단 사진: 조래현 교수와 백기범 박사과정생

[Abstract]

Sucrose functions as a signaling molecule in several metabolic pathways as well as in various developmental processes. However, the molecular mechanisms by which sucrose regulates these processes remain largely unknown. In the present study, we demonstrate that sucrose promotes flowering by mediating the stability of a regulatory protein that represses flowering in rice. Exogenous application of sucrose promoted flowering by inducing florigen gene expression. Reduction of sucrose levels in the phloem through genetic modifications, such as the overexpression of the vacuolar invertase OsVIN2 or the mutation of OsSUT2, a sucrose transporter, delayed flowering. Analysis of relative transcript levels of floral regulatory genes showed that sucrose activated Ehd1 upstream of the florigen, with no significant effect on the expression of other upstream genes. Examination of protein stability after sucrose treatment major floral repressors revealed that the Ghd7 protein was specifically degraded. The Ghd7 protein interacted with the E3 ligase IPI1, and sucrose induced K48-linked polyubiquitination of Ghd7 via IPI1, leading to protein degradation. Mutants defective in IPI1 delayed flowering, confirming its role in modulating proteins involved in flowering. We conclude that sucrose acts as a signaling molecule to induce flowering by promoting Ghd7 degradation via IPI1. 

* Reference

- Authors (Pusan National University, Department of Plant Bioscience): Prof. Lae-Hyeon Cho, Gibeom Baek 

- Title of original paper: Sucrose induces flowering by degradation of the floral repressor Ghd7 via K48-linked polyubiquitination in rice 

- Journal: Journal of Integrative Plant Biology

- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jipb.13790  

- DOI: 10.1111/jipb.13790

광메카트로닉스공학과 김승철(사진) 교수 연구팀은 가스의 밀도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 초고정밀 광빗* 기반 플라즈모닉 위상분광 기술을 개발했다. 이 기술은 빛의 정밀한 주파수 신호(광빗)와 특수한 나노 구조 플라즈모닉을 활용해, 단일 가스 원자 수준에서 밀리세컨드(1000분의 1초) 속도로 변화를 감지할 수 있다. 매우 미세한 가스 변화도 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 최첨단 센서로, 환경 감시, 정밀 제조, 의료 분야 등 다양한 활용이 기대된다.

* 광빗: 빛스펙트럼이 머리빗(comb)을 닮아 붙여진 이름.

김승철 교수 연구팀은 KAIST 연구팀과 함께 고안정성 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 광빗*을 광원으로 활용해 높은 정밀도를 확보하고, 나노 구조체와 빛의 상호작용인 표면 플라즈몬 공명** 현상을 통해 나노 구조체 표면에서의 광자-기체 상호작용을 극대화함으로써 가스에 대한 극한의 민감도와 분해능(分解能)을 달성했다. 이를 통해 직경 200나노미터의 나노 홀에서 0.06개의 원자를 검출할 수 있는 수준의 초고해상도(△n=1.45*10⁻¹¹)를 성공적으로 시연하고 검증했다.

* 펨토초 레이저 광빗(Frequency comb): 매우 일정한 간격으로 배열된 수많은 광학 주파수 모드를 넓은 파장대역에 걸쳐 생성하는 광원.

** 표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance): 금속과 유전체 경계에서 입사광과 자유전자의 집단적 진동이 공명해 발생하는 현상.

【펨토초 레이저 광빗 기반 플라즈모닉 위상분광 기술의 원리】

최근 마이크로스케일 환경에서 빠른 화학 및 생물학적 상호작용을 이해하기 위해 단일 분자 수준의 해상도를 가지는 동역학 모니터링에 대한 연구가 관심을 끌고 있다. 특히, 바이오 및 화학 상호작용의 시간은 마이크로몰 복합체의 경우 1초 미만인 서브초에서 수 분의 시간이 걸리므로 이러한 결합을 정밀하게 모니터링할 수 있을 만큼의 충분히 빠른 검출 속도가 요구된다.

김승철 교수팀은 나노 패터닝 기술로 제작된 플라즈모닉 나노홀 어레이에서 비정상적 광 투과 현상(Extraordinary optical transmission)이 발생할 때, 공명 조건에 가까운 파장에서 가파른 위상 딥(Phase deep)이 나타나는 현상을 최초로 발견했다. 이를 기반으로, 플라즈모닉 나노홀 어레이의 구조적 변화나 표면의 미세한 굴절률 변화를 감지해 위상 딥의 이동(shift)을 포착하는 새로운 방식의 위상분광법을 개발했다. 

기존 표면 플라즈몬 공명(SPR) 기반 분광법은 광강도 측정에 의존해 외부 환경 노이즈에 민감해 분광 정밀도를 극대화하는 데 한계가 있었다. 그러나 위상은 빛이나 파동이 주기적으로 진동하는 과정에서 특정 순간의 상대적인 위치를 나타내는 것이므로 외부 요인의 영향을 덜 받아 더 안정적이며, 이를 통해 분광 성능을 크게 개선할 수 있다. 

【바이오리셉터와 플라즈모닉 위상분광 기술의 결합을 통한 초정밀 바이오 센서로의 확장 가능성】

나아가, 이번 연구에서는 표면 플라즈몬 공명에 의해 형성된 강한 국소 전기장 구배(勾配, 기울기)를 통해 가스 상태의 분자를 포집할 수 있음을 실험적으로 증명했다. 이 광학 포집 효과는 플라즈모닉 나노홀 어레이 표면에 가스 분자를 끌어당겨 민감도를 크게 향상시켰다. 표면에 포집된 가스 분자들은 미세한 굴절률 변화를 일으켜 공명 조건이 변화하고, 이에 따라 위상 딥이 이동하게 된다. 연구팀은 이 위상 딥의 이동을 슈퍼 헤테로다인 분석법으로 고속 정밀하게 측정해, 단일 원자 수준의 미세한 동적 변화까지 감지할 수 있는 초고정밀 분광 기술을 구현했다. 

이번 연구는 플라즈모닉 광학 구조 주변의 미세 부피에서 극한의 민감도를 시연함으로써, 향후 가스 분자뿐만 아니라 바이러스나 박테리아와 같은 인체에 유해한 생체 분자까지도 정밀하게 감지할 수 있는 바이오 센서로의 확장 가능성을 제시한다. 

특히 박테리오파지(Bacteriophage, 박테리아를 숙주로 하는 바이러스)나 아프타머(Aptamer, 특정 분자에 특이적으로 결합하는 짧은 DNA나 RNA 분자)를 활용해 플라즈모닉 나노구조 표면에 선택성을 부여함으로써 높은 민감도를 통해 단순한 날숨만으로도 코로나19와 같은 팬데믹 바이러스를 감지할 수 있는 혁신적인 ‘광학 코(optic nose)’ 기술의 실현 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 

【PhotoniX 저널의 표지논문으로 선정된 펨토초 레이저 광빗 기반 플라즈모닉 위상분광 기술 이미지】 

이번 연구는 국제 학술지 『PhotoniX』 2024년 8월 13일자 표지논문으로 소개됐다.

- 논문 제목: 단일 원자 수준의 미세한 기체 밀도 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 펨토초 레이저 광빗 기반 플라즈모닉 위상분광 기술 개발(Real-time monitoring of fast gas dynamics with a single-molecule resolution by frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1186/s43074-024-00140-9 

[Abstract]

Surface plasmon resonance (SPR) sensors are based on photon-excited surface charge density oscillations confined at metal-dielectric interfaces, which makes them highly sensitive to biological or chemical molecular bindings to functional metallic surfaces. Metal nanostructures further concentrate surface plasmons into a smaller area than the diffraction limit, thus strengthening photon-sample interactions. However, plasmonic sensors based on intensity detection provide limited resolution with long acquisition time owing to their high vulnerability to environmental and instrumental noises. Here, we demonstrate fast and precise detection of noble gas dynamics at single molecular resolution via frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy. The photon-sample interaction was enhanced by a factor of 3,852 than the physical sample thickness owing to plasmon resonance and thermophoresis-assisted optical confinement effects. By utilizing a sharp plasmonic phase slope and a high heterodyne information carrier, a small atomic-density modulation was clearly resolved at 5 Hz with a resolution of 0.06 Ar atoms per nano-hole (in 10–11 RIU) in Allan deviation at 0.2 s; a faster motion up to 200 Hz was clearly resolved. This fast and precise sensing technique can enable the in-depth analysis of fast fluid dynamics with the utmost resolution for a better understanding of biomedical, chemical, and physical events and interactions.

* Reference

- Authors (Pusan National University): Seungchul Kim (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

- Title of original paper: Real-time monitoring of fast gas dynamics with a single-molecule resolution by frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy

- Journal: PhotoniX

- DOI: https://doi.org/10.1186/s43074-024-00140-9

전 세계적으로 큰 인기를 끌었던 넷플릭스(Netflix) 시리즈 <오징어 게임>이 최근 2024년 12월 26일 시즌2를 공개한 가운데, 한의학과 채한 교수 연구팀이 <오징어 게임> 속 캐릭터의 심리적·신체적 특징을 과학적으로 분석한 논문을 발표해 주목된다. 

넷플릭스 시리즈 <오징어 게임 (2019)>은 전 세계적으로 폭발적인 인기를 끈 한국의 서바이벌 드라마다. 경제적 어려움을 겪는 456명의 게임 참가자들이 목숨을 건 게임을 벌이는 과정을 통해, 다양한 캐릭터와 사회적 메시지를 결합한 스토리로 비영어권 작품으로는 처음으로 미국 방송계 최고 권위상인 ‘프라임타임 에미상’을 수상했다.

이처럼 최근 한국의 대중음악부터 영화와 드라마까지 세계적인 관심을 받게 됐지만, 미디어로 표현된 한국인과 한국인의 의식구조를 한국인 고유한 관점으로 설명하지는 못해 왔다. 

이에 부산대 연구팀은 한의학의 생리심리학 이론과 임상검사를 사용해 <오징어 게임> 속 다섯 인물의 심리적·신체적 특징을 분석했다. 연구팀이 글로벌 한국 드라마의 주요 캐릭터 특성을 한국 고유의 이론을 통해 과학적으로 분석한 것은 ‘한류’의 사회문화적 가치를 연구하는 미디어 심리학 분야에서 중요한 의미를 갖는다.

연구팀은 이번 연구에서 <오징어 게임> 속 남성 캐릭터인 성기훈과 조상우, 장덕수, 그리고 여성 캐릭터인 한미녀와 강새벽을 대상으로, 심리적·신체적 특성을 분석했다. 심리적 특징에는 음양심리와 사상체질을 진단하는 사상성격검사(SPQ)를 사용했고, 신체적 특징에는 체형과 비만도를 측정하는 체질량지수(BMI)를 활용했다.

※ (참고) 성기훈 役- 이정재 / 조상우 役– 박해수 / 장덕수 役- 허성태 / 한미녀 役 - 김주령 / 강새벽 役 - 정호연

SPQ와 BMI는 연구팀이 과거 애니메이션(뽀로로)과 게임(오버워치) 캐릭터 분석 연구에서도 활용한 방법으로, 한의학에서 활발히 사용되고 있는 과학적인 임상 검사다. 

※ (참고) <뽀롱뽀롱 뽀로로>의 뽀로로와 패티는 소양인으로, 루피는 소음인으로, 포비는 태음인으로 확인됐고, <오버워치>의 트레이서는 소양인으로, 메이는 소음인, 자리아는 태음인으로 분석됐다.  

분석 결과, <오징어 게임> 속 성기훈과 한미녀는 소양인이었으며, 조상우와 강새벽은 소음인, 그리고 장덕수는 태음인으로 매우 뚜렷한 신체적·심리적 특징을 보였다. 

성기훈과 조상우는 상반된 특징으로 긴장감 있는 스토리를 마지막까지 이끌었는데, 성기훈은 성숙한 소양인의 모습을 보이면서 주인공으로서 시청자의 공감을 얻었고, 조상우는 미성숙한 소음인의 행동과 감정으로 주인공에게 져야만 하는 대립인물을 표현했다. 

또한, 강새벽은 성숙한 소음인으로서 시청자의 공감을 받는 대상이 됐지만, 한미녀는 미움을 받는 미성숙한 소양인으로서 대조적인 성격과 행동을 통해 이야기의 긴장감을 더했다.

연구팀은 한국 고유의 생리심리사회 이론을 현대 미디어 심리학에 활용해 섬세하고 복잡한 캐릭터를 과학적으로 분석하면서, 음양심리와 사상체질이 시청자가 몰입할 수 있는 현실적인 캐릭터와 흥미로운 드라마 서사를 만드는 데 유용함을 보였다.

【왼쪽부터 채한 교수, 소서경 학생】  

이번 연구는 부산대 한의학과 채한 교수가 교신저자, 4학년 소서경 학생이 제1저자, 이수진 경성대 심리학과 교수가 공동 교신저자로 수행했으며, ‘Analyses of Physical and Psychological Characteristics of “Squid Game” Characters Using East Asian Biopsychosocial Personality Theories and Body Mass Index (동아시아 생리심리사회학적 성격 이론과 체질량지수를 활용한 “오징어 게임” 캐릭터들의 신체적 및 심리적 특성 분석)’이라는 제목으로 SSCI 국제 학술지인 『Behavioral Sciences』 온라인판 2024년 10월 8일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://www.mdpi.com/2076-328X/14/10/907  

채한 교수는 “이번 연구는 한국 고유의 생리심리사회학 이론과 지식을 임상 진단과 치료뿐만 아니라 미디어 심리학과 같은 다양하고 폭넓은 분야로 활용할 수 있음을 실증적으로 보여준 것”이라며 “음양심리와 사상의학을 위해 개발된 한방 임상심리 검사인 사상성격검사(SPQ)가 기존의 의학 분야를 넘어 인문사회학 분야로 확대되는 계기가 됐다”고 설명했다.

제1저자인 소서경 학생은 “동양의학의 객관화된 표준지표와 음양 이론을 활용해 글로벌 인기 드라마의 캐릭터 심신 특성을 분석했다는 점에서 흥미로운 주제라고 느꼈다”며 “체질 특성에 따라 인물 분석을 한 이번 연구와 같이 환자의 성격이나 심리적 상태까지 고려한 맞춤형 진료를 행하고, 나아가 다양한 분야에서 사상의학 및 한의학을 응용해 친근하게 다가가는 한의사가 될 것”이라고 포부를 전했다.

* 상단 연구이미지: 조상우(왼쪽)는 미성숙한 소음인으로 A형 심리 프로파일, 성기훈(오른쪽)은 성숙한 소양인으로 V형 심리 프로파일을 보임.

[Abstract]

Analyses of Physical and Psychological Characteristics of “Squid Game” Characters Using East Asian Biopsychosocial Personality Theories and Body Mass Index

- Analyzing <Squid Game> Characters through Traditional Korean Medicine

- Using the Sasang Personality Questionnaire (SPQ) for Global Psychological Traits

Following the release of its second season on December 26, 2024, the globally popular Netflix series <Squid Game> remains in the spotlight. Professor Chae's research team from Pusan National University has published a notable paper analyzing the psychological and physical characteristics of characters in <Squid Game>, applying theories of traditional Korean medicine.

The study highlights the psychological and physical traits of five main characters Seong Gi-hun, Cho Sang-woo, Jang Deok-su, Han Mi-nyeo, and Kang Sae-byeok using the Sasang Personality Questionnaire (SPQ) and Body Mass Index (BMI). These tools have proven effective in previous studies, including character analyses in animations and video games.

Results identified Seong Gi-hun and Han Mi-nyeo as So-Yang (SY) type, Cho Sang-woo and Kang Sae-byeok as So-Eum (SE) type, and Jang Deok-su as Tae-Eum (TE) type. The contrasting traits between characters like Seong Gi-hun, a mature SY type, and Cho Sang-woo, an immature SE type, intensified the drama's tension and engagement.

The research underscores the relevance of Eum-Yang psychology and Sasang typology in crafting realistic and compelling characters, enriching media psychology through Korea’s unique biopsychosocial personality theories.

The findings were published in the Behavioral Sciences with the title "Analyses of Physical and Psychological Characteristics of ‘Squid Game’ Characters Using East Asian Biopsychosocial Personality Theories and Body Mass Index," with Professor Chae as the corresponding author (https://doi.org/10.3390/bs14100907). This study highlights the expansion of traditional medical theories into broader fields like humanities and social sciences, demonstrating the broader application potential of Sasang Personality Questionnaire (SPQ) beyond traditional medicine.

Professor Chae emphasized the study’s role in validating the broad utility of indigenous theories in diverse disciplines. So Seo-kyung, the first author and a graduate student at Pusan National University, remarked on the excitement of applying traditional Korean medical theories to analyze globally recognized characters, aspiring to integrate these practices into personalized care and make traditional Korean medicine more accessible across various fields.

* Reference 

- Author(Pusan National University): Prof. Han Chae (School of Korean Medicine) 

- Title of original paper: Analyses of Physical and Psychological Characteristics of “Squid Game” Characters Using East Asian Biopsychosocial Personality Theories and Body Mass Index 

- Journal: Behavioral Sciences

- DOI: https://doi.org/10.3390/bs14100907 

산업공학과 한준희(사진) 교수팀이 제한적인 환경에서 부족한 제조 설비 데이터를 AI(인공지능)를 활용해 추론, 최적의 생산 스케줄을 제공할 수 있는 프레임워크를 제안했다.

연구팀은 ‘Machine learning-based dispatching for a wet clean station in semiconductor manufacturing(반도체 세정 설비의 기계학습 기반 제품 투입 최적화)’ 제하의 논문을 통해 다양한 제품을 생산하는 제조 설비에서 제공하는 최소한의 정보를 활용해 AI 모델로 설비의 생산량을 예측하고, 이를 통해 최적의 생산 스케줄을 수립해 생산 계획을 최적화 할 수 있는 알고리즘을 제시했다.

이번 실험은 반도체 세정 공정에서 이뤄졌다. 반도체 칩을 만드는 기본 재료인 ‘웨이퍼’라는 얇은 판을 깨끗하게 세척하는 과정을 더 빠르고 효율적으로 만드는 방법을 연구했다.

웨이퍼 세척은 표면의 먼지, 오염 물질, 얼룩을 제거해 반도체의 성능과 품질을 향상시키기 위해 여러 가지 화학 물질과 물로 씻는 공정이다. 이 과정에서 로봇 팔이 웨이퍼를 옮기는데, 세척 시간이나 순서가 제품마다 달라 최적화 시 생산성 향상을 기대할 수 있다. 그러나 문제는 세척 과정을 최적화하기 위한 시간이나 순서 등 세부 정보를 알기 어렵다는 점이다. 주어진 정보는 언제 웨이퍼가 세척기에 들어가고 나왔는지를 기록한 로그 정도다.

연구팀은 이러한 제한된 데이터를 활용하기 위해 AI 기술을 사용했다. AI 모델을 훈련시켜 웨이퍼 세척 시간이 어떻게 달라지는지 예측하고, 이를 바탕으로 웨이퍼를 가장 효율적으로 배치하는 방법을 개발했다.

실험 결과, 이 방법이 기존의 수학적 계산 방식(CPLEX)보다 더 빠르고 실용적인 해결책을 제공한다는 것을 확인했다. 이를 통해 웨이퍼를 더 많이 세척할 수 있게 되어 공장 생산성 향상을 기대할 수 있다.

【기계학습을 이용한 설비의 생산 계획 최적화 방법론】

이번 연구에서 대상으로 삼은 반도체 세정 설비뿐만 아니라, 제조업에서 활용하고 있는 다양한 제조 설비는 설비에서 제공하는 데이터를 활용해 최적의 생산 스케줄을 도출하는 것이 아주 중요하다.

기존 연구에서는 생산 최적화를 위해 필요한 데이터가 모두 있다는 가정하에 이를 활용한 연구들이 주를 이뤘다. 그러나, 실제 현장에서는 생산을 위해 필요한 데이터가 모두 수집되지 못해 기존의 연구 방법론을 사용하는 데 한계가 존재한다. 이번 연구에서는 다양한 제품을 생산하는 제조 설비에서 제공하는 최소한의 정보를 활용해 AI 모델을 통해 설비의 생산량을 예측한다. 이를 통해 최적의 생산 스케줄을 수립해 생산성을 최대화 할 수 있다.

이러한 방법은 데이터의 수집이 제한적인 다양한 상황에서 응용될 수 있다. 복잡한 내부 설비의 움직임을 가지는 제조 설비 혹은 데이터의 수집에 한계가 있는 중소기업의 제조 설비에도 응용할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

한준희(제1저자) 교수는 “이번 연구는 데이터의 수집이 제한적인 설비에서 부족한 정보를 유추하고, 이를 기반으로 생산성을 개선하는 AI 기반 알고리즘을 개발했다는 데 의미가 있다”며 “개발한 알고리즘은 데이터 수집이 충분하지 않은 다양한 제조 환경에 적용해 더 효과적인 생산 계획을 수립하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 중소벤처기업부 재원의 스마트제조기술개발 사업의 지원을 받아 강원대·울산대 연구진과 공동으로 수행됐다. 해당 논문은 Operations Research & Management Science(운영 연구 및 경영 과학) 분야와 Engineering(공학), Industrial(산업) 분야의 최우수 국제 저널인 『Journal of Manufacturing Systems』 12월호에 게재됐다.

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2024.09.018 

[Abstract]

The concept of cyber manufacturing has become a critical element in semiconductor fabrication environments, where automation and systemization are integral, for addressing the growing complexity of processes and facilitating predictive capabilities through data integration. This study deals with the dispatching problem to minimize makespan at a wet clean station in semiconductor fabrication using artificial intelligence-enabled manufacturing control techniques. The wet clean station is comprised of sequential chemical and rinsing baths for cleaning wafer lots and multiple robot arms for lot handling. In the station, wafer lots are sequentially immersed in several baths for cleaning to eliminate residual contaminants and stains that cause defects on wafer surfaces. The station can process various types of products, and the specific order of immersion differs depending on the product type. Unlike typical dispatching problems, the information required for dispatching, such as processing times and sequences inside the station, is not available. The only available data are historical logs that record when each lot enters and leaves the station. However, even when cleaning the same product type, the duration that lots spend in the station may vary based on the combination of product types being cleaned simultaneously and the settings of the station. Thus, using the time records, this study proposes a dispatching method based on machine learning models (multiple linear regression, deep neural network, and convolutional neural network). The proposed algorithms were evaluated and verified by comparing them with CPLEX solving a mixed integer programming and dispatching methods used in a semiconductor fab in Korea. Through this experiment, we observed that the proposed models can provide dispatching solutions that are practical and effective in a rapidly changing production setting. These models have the potential to enhance the capacity of a wet clean station and will contribute to artificial intelligence-based manufacturing system control.

* Reference

- Authors (Pusan National University): Jun-hee Han (Department of Industrial Engineering)

- Title of original paper: Machine learning-based dispatching for a wet clean station in semiconductor manufacturing

- Journal: Journal of Manufacturing Systems

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2024.09.018

- Lab website: https://sites.google.com/view/pnusmartfactorylab/home

제약학과 이승락(사진) 교수 국제 공동연구팀이 지금까지 한 번도 보고되지 않은 새로운 화학 구조를 가진 항암 선도물질을 토양 박테리아로부터 발굴해, 천연물을 활용한 제약·바이오 제재 개발의 새 가능성을 열었다. 

이승락 교수는 미국 프린스턴대학교(Princeton University) 연구진과 공동으로 토양 박테리아인 Streptomyces hiroshimensis(스트렙토마이세스 히로시멘시스)로부터 학계에 보고된 적 없는 새로운 화학 구조의 항암 선도물질 hirocidin A−C를 발굴했으며, 이 물질에서 대장암 및 난치성 유방암 세포에 유효한 저해 활성을 확인했다. 

이 같은 연구 성과는 ‘Hirocidins, Cytotoxic Metabolites from Streptomyces hiroshimensis, Induce Mitochondrion-Mediated Apoptosis(Streptomyces hiroshimensis 유래 세포 독성 대사체인 Hirocidin의 미토콘드리아 매개 세포사멸 유도)’라는 제목의 논문으로 국제 학술지 『Angewandte Chemie - International Edition』에 보고돼 9월 1일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202405367

- DOI: 10.1002/anie.202405367

암은 전 세계적으로 주요 사망 원인 중 하나다. 그러나 기존 항암 치료법은 약물 내성, 비특이적 독성, 제한된 치료 효능 등 여러 문제점이 있어, 새로운 작용 기전을 가진 항암제 개발이 시급히 요구되고 있다.

천연물은 오랫동안 다양한 질병 치료에 사용돼 왔으며, 현재 임상에서 사용 중인 각종 약물도 천연물에서 유래한 경우가 많다. 이는 천연물의 독특한 화학 구조와 생물학적 활성에 기인한 것인데, 특히 미생물에서 유래한 새로운 천연물 탐색은 새로운 약물 개발에 필요한 혁신적인 구조를 제공할 수 있어 관심을 받고 있다.

이번 연구에서 규명된 hirocidins A−C는 Streptomyces hiroshimensis라는 미생물로부터 새롭게 발견된 이차대사산물이다. Streptomyces 속은 다양한 생리활성 물질을 생성하는 것으로 잘 알려져 있지만, 이번 연구에서는 이전에 보고되지 않았던 새로운 화합물이 발견됐다. 기존 연구들이 이미 알려진 물질의 구조 변형이나 유사한 계열에서 새로운 유도체를 찾는 데 중점을 뒀다면, 이번 연구는 전혀 새로운 화합물을 처음으로 규명한 점에서 의의가 크다.

hirocidins A−C는 대장암 및 난치성 유방암 세포에 대한 선택적 독성을 나타냈다. 일반적인 세포에도 독성을 미치는 기존의 항암제와는 달리, 암세포에 특이적으로 작용할 가능성을 보여주는 중요한 결과다. 특히, 난치성 유방암처럼 기존 치료제에 저항성을 보이는 암종에 대해 효과를 보인다는 점은 임상적 가치를 높이는 요소다.

또한, 이번에 규명된 화합물은 일반적인 식물에서 발견되는 물질과는 구별되는 매우 독특한 구조적 특징을 갖고 있다. 이는 합성으로 접근하기 어려운 독특한 구조여서 새로운 작용 기전을 제공할 가능성이 높다.

연구팀은 많은 연구자가 지나치기 쉬운 박테리아 액체 배양체의 펠렛에 주목해 항암 활성 추적 분리법 기반 신규 이차대사산물을 발굴했다. S. hiroshimensis에 대해 최적의 액체 배양 조건을 확립해 이를 기반으로 S. hiroshimensis 상층액, 펠렛 추출물의 대장암 및 난치성 유방암 세포에 대한 항암 활성을 평가하고, 그 후 항암 활성 추적 분리법을 적용해 hirocidins A−C를 포함한 총 5종의 신규 화합물과 9종의 기지 화합물 분리했다. 질량 분석기, 핵자기 공명 실험법, 계산 화학 등을 활용해 hirocidins A−C를 포함한 총 14종 화합물의 절대 화학 구조를 규명하는 데 성공했다.

【S. hiroshimensis 배양액, 상층액, 및 펠렛 추출물의 항암 활성 평가(왼쪽-위, 아래)

 항암 활성 추적 분리법 기반 S. hiroshimensis 유래 신규 이차대사산물 발굴(오른쪽-위, 아래)】

이번 연구에서 규명한 이차대사산물은 대장암 및 내성 유방암 세포에 대한 유의미한 항암 활성을 나타냈다. 이는 암 세포에 선택적으로 세포 독성을 유도해 내성 형태의 암 치료를 위한 새로운 치료 전략을 개발하는 데 활용될 수 있을 전망이다.

이 신규 화합물의 독특한 구조적 특성은 관련 화합물과 유사체에 대한 추가 연구도 기대하게 한다. 구조-활성 관계를 탐구하면 개선된 효능 또는 독성이 감소된 새로운 유도체를 발견할 수 있을 것으로 보인다.

이승락 교수는 “이번 연구는 미생물이라는 천연자원 소재로부터 신규 생리활성 물질 발굴의 가능성을 제시한 것으로, 천연물을 활용한 제약 및 바이오 관련 기업에 새로운 영감을 제시할 수 있다”고 말했다.

[Abstract]

Owing to millions of years of evolution, natural products have emerged with wide-ranging physiological functions and inspired chemists and biologists alike with their complex structures and therapeutic activities. Actinomycete bacteria, in particular, have offered an unparalleled source of antimicrobial and anticancer agents with vancomycin and mitomycin providing but two well-known examples of such therapeutics. Recent advances in DNA sequencing technologies coupled with bioinformatics indicate that the natural products discovered so far merely represent the tip of the iceberg as the products of most biosynthetic gene clusters (BGCs) that can be observed in microbial genomes remain to be identified. Even microbes previously considered exhausted or drained have emerged as valuable reservoirs of untapped metabolites and, with the appropriate discovery methods, these strains can yield new and potentially useful compounds.

Motivated by this untapped potential and the possibility of finding new molecules from well-studied strains, we subjected established antimicrobial producers to antiproliferative assays against persistent cancer cell lines. We discovered five novel natural products including hirocidins A–C that form a new chemotype and are constitutively produced by Streptomyces hiroshimensis. Hirocidin A possesses a carbocyclic maleimide; its structure was established by spectroscopic analysis as well as a concise total synthesis route. Variants B and C contain a bridged azaheterocyclic backbone within a larger macrocyle. Hirocidins display promising cytotoxic activities and subsequent mode of action studies showed that they induce cell death by caspase-9-mediated apoptosis. Our work is in line with the notion that even well-trodden strains remain useful sources of new natural products. The discovery and total synthesis of hirocidin A will facilitate structure activity relationships to better understand and enhance its anticancer activity.

* Reference

- Authors (Pusan National University): Seoung Rak Lee (College of Pharmacy)

- Title of original paper: Hirocidins, Cytotoxic Metabolites from Streptomyces hiroshimensis, Induce Mitochondrion-Mediated Apoptosis

- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202405367

- Journal: Angewandte Chemie - International Edition

- DOI: 10.1002/anie.202405367