혁신의 속도는 절대 느려지지 않으며, 이러한 과학적 혁신은 우리의 생활 방식과 업무 방식, 주변 세계와 연결하는 방식을 재정의할 것입니다.
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새로운 우주 탐험 시대
우주가 얼마나 거대한 존재인지 모르는 사람은 없을 것입니다. 제임스 웹 우주망원경이 최초로 보내온 사진은 경외심을 불러일으킵니다. 첨단 기술로 만든 가장 강력한 성능을 자랑하는 이 망원경으로 얻은 우주에 대한 정보는 미래 후손들에게 또 다른 사명과 탐험의 의미를 일깨워주었습니다. 최근 시작된 NASA의 아르테미스 계획(Artemis Program)은 최근의 달 탐험 미션으로, 더 먼 미래의 화성 탐험을 위한 초석이 될 것입니다. 이러한 새로운 우주 탐험 시대의 도래는 우주 항법을 넘어 다양한 분야의 기술 발전을 촉진할 것이며 물질, 식품 과학, 농업, 심지어 화장품과 같은 실질적인 분야의 발전에 자극제가 될 것입니다.
AI 예측 기능의 이정표
과학계는 수십년 동안 단백질 기능과 3D 구조 간 관계를 보다 정확하게 파악하기 위해 노력해 왔습니다. 2022년 7월, Deep Mind는 단백질 분자의 접힌 3D 구조를 AlphaFold2, RoseTTAFold, trRosettaX-Single 알고리즘을 사용하여 선형 아미노산 염기서열에서 예측할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 알고리즘 예측으로, 알 수 없는 구조 데이터를 가진 인간 단백질 수가 4,800개에서 단 29개로 감소했습니다. AI는 항상 쉽지 않은 분야지만 단백질 구조 예측은 모든 생명 과학 분야 전반에 걸쳐 의미를 갖습니다. 미래에 해결해야 할 주요 과제로는 본질적으로 장애가 있는 단백질과 이식 후 변질 또는 환경 조건에 따라 구조가 변화하는 단백질의 모델링 등이 있습니다. 단백질 모델링 이외에도, 워크플로를 재구성하고 많은 산업 및 학술 분야에서 발견 기능을 확장하기 위한 AI 기술 발전이 계속되고 있습니다.
합성 생물학 분야의 발전 동향
합성 생물학은 엔지니어링된 생물학적 시스템(즉 게놈의 상당 부분 또는 전체 게놈이 설계 또는 엔지니어링된 미생물)을 사용하여 치료법, 맛, 섬유, 식품, 연료 등 다양한 생체분자와 물질을 제조함으로써 합성 경로의 재정의가 가능합니다. 예를 들어 돼지 췌장 없이 인슐린을 제조하고 가죽도 인조로 만들 수 있으며 거미 없이 거미 명주를 생산할 수 있습니다. 합성 생물학은 생명 과학 분야의 가능성만으로도 믿을 수 없는 수준이지만 제조 산업 분야의 경우 향후 공급망 문제를 최소화하고 효율성을 높일 수 있으며 보다 지속 가능한 접근 방법으로 생물 고분자 또는 대체 물질과 관련된 새로운 기회를 만들어낼 수 있습니다. 오늘날 CAS 과학팀은 AI 기반 대사 모델링, CRISPR 도구 및 합성 유전자 회로를 사용하여 신진 대사를 조절하고 유전자 발현을 조작하고 생물 생성 경로를 구축하는 연구를 진행하고 있습니다. 이러한 연구가 여러 산업에서 폭넓게 이루어지는 가운데 대사 조절 및 엔지니어링 과제와 관련된 최신 개발 업적과 새로운 동향은 2022 Journal of Biotechnology 기사에서 확인할 수 있습니다.
단세포 대사체학의 부상
유전자 염기서열 및 지도 제작 분야의 많은 기술적 발전에도 불구하고 유전체학은 세포의 기능 자체만 알려줍니다. 세포 기능을 보다 정확하게 이해하기 위해, 단백질 유전 정보학 및 대사체학적 접근 방법으로 분자 프로필과 세포 경로를 밝히기 위한 다양한 관점을 제시합니다. 단세포 대사체학은 생물학적 시스템 내 세포 대사를 개략적으로 보여줍니다. 문제는 대사체가 빠른 속도로 변화하므로 세포 기능을 이해하는 데 있어 샘플 준비가 필수적이라는 것입니다. 최근 단세포 대사체학 분야의 일련의 발전 사례(오픈 소스 기술, 고급 AI 알고리즘, 샘플 준비, 새로운 형태의 질량 스펙트럼)는 세부 질량 스펙트럼 분석을 실행할 수 있는 역량을 보여줍니다. 즉, 연구원들이 대사 산물을 세포 단위로 확인할 수 있어 진단 기술의 무한한 잠재력을 기대할 수 있으며, 미래에는 유기체 내 단일 암 세포까지 검출할 수 있게 될 것입니다. 이러한 기술이 활용되면서 새로운 생체지표 검출 방법, 웨어러블 의료 기기, AI 기반 데이터 분석과 함께 진단 기능과 인간의 삶의 질이 개선될 것입니다.
친환경 비료 생산을 가능하게 하는 새로운 촉매제
매년 수십억 명의 사람들이 지속적인 식량 생산을 위해 비료를 사용하고 있습니다. 따라서 비료 생산 과정에서 탄소 배출과 관련 비용을 줄이면 농업이 탄소 배출에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 비료 생산에 있어 하버-보슈법은 질소와 수소를 암모니아로 바꿔줍니다. 에너지 요구량을 줄이기 위해 도쿄공업대학교는 수분과 함께 안정적인 상태를 유지하는 질화란탄 지지체에서 촉매 반응을 일으키는 전이 원소(Ni)가 함유된 무귀금속 질화물 촉매제를 개발했습니다. 이 촉매제는 루테늄이 함유되지 않아 암모니아 생산 시 발생하는 탄소를 줄일 수 있는 경제적인 방법입니다. La-Al-N 지지체는 니켈, 코발트(Ni, Co)와 같은 활성 금속과 함께 기존 질화 금속 촉매제와 유사한 속도로 NH3를 만들었습니다. 지속 가능한 비료 생산에 대한 자세한 내용은 CAS의 최신 기사에서 확인하십시오.
RNA 의약품 발전 동향
COVID-19 백신 개발에 mRNA를 활용한 시도는 많은 관심을 불러 일으켰지만 RNA 기술의 진정한 혁신은 이제 시작 단계일 뿐입니다. 최근에는 다가 뉴클레오시드 변형 mRNA 독감 백신이 새롭게 개발되었습니다. 이 백신은 20가지 알려진 인플루엔자 바이러스 아형에 대한 면역 방어 체계를 구축함으로써 바이러스 발생을 사전에 예방할 수 있습니다. 많은 희귀 유전병이 mRNA 치료법의 다음 표적입니다. 그러한 질병은 필수 단백질이 없는 경우가 많아 mRNA 치료를 통해 건강한 단백질을 교체하는 방법으로 치료할 수 있기 때문입니다. 임상 파이프라인에는 mRNA 치료법뿐만 아니라 여러 형태의 암, 혈액 및 폐 질환을 대상으로 하는 많은 RNA 후보 치료법이 있습니다. RNA는 표적성이 높고 다양하며 맞춤형 설계가 가능해 다양한 질병 치료에 활용할 수 있습니다. CAS의 최근 CAS Insight 보고서를 통해 다양한 임상 파이프라인과 RNA 기술의 새로운 트렌드에 대해 자세히 알아보십시오.
빠른 구조적 변화
합성 화학 분야에서는 분자 구성에서 단일 원자를 안전하게 교환하거나 분자 구조에서 단일 원자를 삽입 또는 삭제해야 하는 것이 큰 과제입니다. 주변적 치환체로 분자의 기능을 활성화하기 위한 많은 방법이 개발되었지만(예: C-H 활성화) 유기 화합물의 구조에 대한 단일 원자 변형을 수행하기 위한 첫 방법 중 하나가 시카고 대학교 Mark Levin’ 연구팀에 의해 개발되었습니다. 이 방법은 피라졸 및 인다졸 코어의 N–N 결합을 선별적으로 분리해 피리미딘과 키나졸린을 제공합니다. 구조적 변형 방법에 대한 지속적인 개발을 통해 상용 분자 물질을 빠르게 다변화할 수 있으며 이를 통해 기능성 분자와 이상적인 신약 후보를 훨씬 더 빠른 속도로 개발할 수 있습니다.
사지 재생 기술 발전
2050년까지 연간 360만 명이 넘는 사지 손실 환자가 발생할 것으로 예상되고 있습니다. 과학자들은 오랜 세월 사지 재생의 가장 큰 열쇠가 신경의 존재 여부라고 믿었습니다. 그러나 Muneoka 박사와 그 연구팀의 연구 결과, 포유류의 손발가락 재생에 있어 기계적 하중의 중요성과 함께 신경이 없다고 해서 재생이 되지 않는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 사지 재생 기술 발전의 또 다른 기여자는 터프츠대학교로, 웨어러블 생물 반응 장치를 통한 신속한 다중 약물 투여로 개구리의 장기적인 사지 재생에 성공했습니다. 이러한 초기 성공은 보다 크고 복잡한 인간의 조직 재생 기술 발전으로 이어질 가능성이 있으며 결과적으로 퇴역 군인, 당뇨 환자를 비롯하여 절단, 정신적 외상으로 고통 받는 사람들에게 희소식이 될 것입니다.
핵융합 성공으로 보다 많은 순에너지 발전
핵융합은 태양과 별에 생명을 불어 넣어주는 과정입니다. 핵융합 반응을 지구상에서 에너지원으로 복제함으로써 지구의 미래 에너지 요구를 모두 충족시킬 수 있다는 아이디어는 수십 년 간 이론적으로 가능한 것처럼 보였습니다. 원리는 경원자의 강력한 충돌을 유발시키고 그에 따른 융합 반응으로 소비 에너지보다 많은 에너지를 방출하도록 하는 것입니다. 그러나 양성 원자핵 간의 전기적 반발을 극복하기 위해서는 높은 온도와 압력이 필요합니다. 이 문제만 해결되면 융합 반응으로 많은 양의 에너지를 얻을 수 있으며, 인근 핵의 융합도 촉진됩니다. 이전의 융합 방법은 강력한 자기장과 레이저를 사용했지만 소비 에너지보다 많은 에너지를 생성하지 못했습니다.
미국 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 융합 시설 연구진은 핵융합 시작과 함께 2.05메가줄 레이저에서 3.15메가줄 에너지를 얻는 데 성공했다고 발표했습니다. 이는 기념비적인 성공 사례이지만 핵융합 발전소를 통한 전력 생산 노력은 앞으로도 수십 년 동안 계속될 것입니다. 이러한 노력이 결실을 거두기까지는 확장성, 설비 안전, 레이저 생성에 필요한 에너지, 폐기 부산물 등과 같은 중대한 구현 과제를 해결해야 합니다. 그러나 핵융합 반응을 일으키는 데 성공한 기술 혁신은 미래 기술 발전을 위한 이정표가 될 것입니다.
