양자점, 2023 노벨 화학상 수상

1980년대 초 과학자 Alexei Ekimov, Louis Brus, Alexander Efros가 양자점(퀀텀닷, QD)을 발견한 이래로, 이 기술은 상당한 영향력을 가지고 다양한 용도로 빠르게 발전했습니다. 노벨상 수상 이전에도 많은 업적을 달성했지만(그림 1) 지속적인 기술 발전 성과가 마침내 노벨 위원회의 인정을 받게 되었습니다.

이러한 반도체 양자점 나노결정(예: 셀렌화/황화물, 인듐 갈륨 비화물, 세슘 아이오딘화납 페로브스카이트 또는 그래핀)은 고휘도 LED 화면과 같은 디스플레이 혁신으로 색 정확도와 에너지 효율성을 높였습니다. 2013년 상업용 양자점 TV 도입이 대표적인 예입니다.

크기의 영향을 받는 형광성 또한 특히 태양 전지에서 재생 에너지 기술 발전에 중추적인 역할을 했습니다. 상온의 콜로이드 용액에서 QD를 지속적으로 준비할 수 있다는 점은 수소 발생 또는 유기적 오염 물질 감소를 위한 광촉매 작용에서와 같이 탁월한 적응성으로 보다 다양한 활용을 가능하게 했습니다. 생의학 이미징 분야에서도 암과 같은 질병의 진단과 정밀한 약물 전달을 위한 핵심 도구로 도움이 되었습니다.

양자점 LED, 강자성 입자 검사, 광전도체, 광검출지와 같은 기술 개발, 양자점 레이저 및 양자 컴퓨터에서의 엄청난 사용 잠재력 등 양자점의 영향이 계속 확대되면서 과학과 기술에 지속적으로 영향력을 미치고 있다는 것을 보여주고 있습니다.

노벨상 수상은 긴 여정이었지만 기회와 영향력은 앞으로도 무궁무진합니다. 오늘날 나노의학 분야에서는 약물 전달, 진단 및 생의학 이미징, 가전 제품, 지속 가능한 에너지, 미래의 보다 지속 가능한 촉매 기회를 재구성하는 새로운 연구가 진행되고 있습니다.   

가장 간과되고 있고 아직 노벨상을 받지 못한 발견은 무엇일까요?

과학 커뮤니티가 노벨상 시즌을 맞이할 준비를 하면서 많은 사람들이 수상자 선정에 큰 관심을 보이고 있습니다. 그러나 올해는 우리 과학자들과 함께 가장 큰 놀라움을 주었지만 아직 이 권위 있는 상을 수상하지 못한 발견에 대한 이야기로 노벨상 시즌을 맞이해 보려고 합니다. LinkedIn을 통해 가장 큰 영향력과 함께 주목할만한 가치가 있지만 아직 노벨상을 수상하지 못한 과학 혁신 사례를 함께 되짚어 보는 시간에 여러분을 초대합니다. 이러한 발견은 나노 분자부터 거대한 OLED 화면까지 폭넓은 범위로 화학, 생물학, 의학 분야 전반에 걸쳐 의미를 갖습니다. 가장 간과되고 있고 아직 노벨상을 수상하지 못한 발견에 대해 LinkedIn에서 진행될 대화의 시간과 함께 설문 조사에도 참여해 보십시오.

노벨상을 밝게 빛나게 해주는 OLED

오늘날 OLED는 휴대 전화, 미디어 플레이어, 휴대용 게임기, 조명, 심지어 자동차 라디오 등 모든 곳에서 사용되고 있습니다. 이 기술은 1987년에 Eastman Kodak에 근무하면서 최초의 OLED 실용 기기 개발을 주도한 화학자 Ching Wan Tang과 Steven Van Slyke로부터 그 업적을 찾을 수 있습니다. 이들의 업적은 산업 전반에 걸쳐 차세대 디스플레이 기술의 초석이 되었습니다.

유기 발광 다이오드는 방사성 전계 발광층이 전류에 반응하여 빛을 내는 유기 화합물 필름 형태인 발광 다이오드(LED)입니다. 이 유기층은 두 전극 사이에 위치하며 일반적으로 해당 전극 중 하나 이상이 투명합니다. 가벼운 무게로 유연한 플라스틱 기판에서 제작이 가능하며 화질이 우수하고 잉크젯 프린터로 적합한 기판 위에 인쇄할 수 있습니다.

CAS는 1987년 Tang과 Van Slyke가 최초의 실용 기기를 개발한 이후 여러 응용 분야에서 작성된 113,000건이 넘는 OLED 관련 문서를 색인화했습니다.30,000건의 논문과 80,000건의 특허를 통해 기술 개발에서 중추적인 중요성을 확인할 수 있습니다.

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금속 유기 골격체의 노벨상 사례

단순한 분자 빌딩 블록을 자체 조립하여 복잡하고 조정 가능한 다공성 물질 구조를 만드는 방법은 오랫동안 어려운 과제로 남아 있었습니다. 그러나 1990년대 Omar M. Yaghi와 Makoto Fujita가 최초로 발견한 금속 유기 골격체(MOF)가 유용한 솔루션으로 입증되었습니다. MOF는 금속 원자 또는 클러스터(예: 아연 또는 구리)를 유기 화합물(예: 카복실레이트 또는 이미다졸레이트)에 연결함으로써 전통적인 다공성 물질에 사용할 수 없는 정밀하게 제어된 견고한 나노 구조와 화학 기능화를 결합합니다.

MOF는 금속 및 유기 분자 빌딩 블록의 특성과 준비 방법(예: 용매열 또는 수열 합성법) 및 유기 용제를 다변화하는 방식으로 미세 조정이 가능합니다. 표면 영역과 흡수 기반 특성은 물론 전자, 자기 및 발광 특성을 수정해 다양한 용도로 활용할 수도 있습니다. 가스 포착, 분리 및 보관(예: 수소, 이산화탄소, 산소)과 이종 촉매에 유용한 물질로 시작하여 이제 바이오센서/바이오이미징 물질, 약물 전달 시스템, 손님 분자의 결합과 제거, 담수화/수처리 또는 반도체, 강유전체 등 다양한 용도로 활용되고 있습니다.

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DNA 합성으로 생명체의 비밀 발견

DNA 화학 합성이 노벨상을 수상하지 못했다는 것은 놀라운 사실입니다. DNA 합성을 전문 연구 분야에서 널리 사용되는 연구, 진단 및 법의학 도구로 변환시켰기 때문입니다. 이 혁신은 생물학 연구를 극적으로 발전시켰으며 생명 공학 산업이 출현하는 데 도움이 되었습니다. Marvin H. Caruthers이 개발한 DNA 포스포라미디트 합성법은 뉴클레오티드를 짧은 DNA 스트랜드로 효율적이고 정확하게 조립하여 새로운 생물 약제학, 법의학 DNA 지문, 인간 게놈을 연구하는 유전 공학에 이바지했습니다. 오늘날 과학자들은 유전자 염기서열, 약물 및 백신 개발, 질병 진단, COVID-19 테스트와 같은 병원균 테스트를 포함한 다양한 생의학 연구 분야에 이 방법을 사용하고 있습니다. 이 기술은 DNA 증폭에 사용되는 중합 효소 연쇄 반응과 같은 다른 생의학 기술 개발에도 중요합니다. DNA 증폭은 보다 자세한 연구가 필요합니다.

Caruthers의 이러한 도구 개발 업적에 힘입어 CAS는 DNA 합성에 대한 80,000건이 넘는 문서를 색인화했습니다. CAS는 Caruthers 박사가 저술한 243건의 문서를 색인화했으며 여기에는 30건이 넘는 특허도 포함됩니다. 이 아이디어를 전 세계와 공유한 기초 간행물인 “데옥시뉴클레오사이드 포스포라미디트 - 데옥시뉴클레오타이드 합성을 위한 새로운 유형의 주요 중합체(Deoxynucleoside phosphoramidites—A new class of key intermediates for deoxypolynucleotide synthesis)”는 3400회 이상 인용되었습니다.

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미래 성과를 재구성하는 장내 마이크로바이옴

장내 마이크로바이옴 연구는 최근 수년간 기하급수적으로 증가했으며 이 연구를 선도하는 주제가 바로 분변 미생물군 이식(FMT)입니다. 이 연구는 마이크로바이옴과 인간 건강 간 복잡한 상호 작용에 대한 중요한 통찰력을 제공하여 소화, 신진대사에서 면역 체계, 정신 건강에 이르는 다양한 신체 기능에 장내 박테리아가 미치는 영향에 대한 과학자들의 연구에 도움이 됩니다. FMT의 가장 눈에 띄는 기여 중 하나가 재발성 클로스트리디오이데스 디피실 감염과 같은 위장 장애 치료에서의 주목할만한 성공입니다. 이 감염은 기존 항생 물질에 대한 저항성으로 생명을 위협할 수 있는 박테리아 감염입니다. FMT를 통해 다양하고 유익한 장내 미생물균을 이식해 수용체 장내 미생물 균형을 복원하고 증상을 완화하며 회복을 촉진하고 전 세계적인 건강 문제로 떠오르고 있는 항생 물질 내성을 이겨내는 데 도움을 줄 수 있습니다.

FMT는 주로 장 관련 증상과 연관이 있지만 그 잠재적인 활용도는 소화기 계통에 국한되지 않습니다. 연구원들은 염증성 대장 증후군(IBS), 크론병, 궤양성 대장염, 비만, 알레르기, 자가면역 질환은 물론 파킨슨병, 우울증과 같은 신경 질환 등의 증상을 치료하기 위한 용법을 연구하고 있습니다.

FMT의 역사는 4세기로 거슬러 올라가며 2013년 미국식품의약국(FDA)이 치료가 어려운 재발성 클로스트리디움 디피실 감염 치료제로 승인하면서 높은 평가를 받았습니다. CAS는 5년 전부터 FMT 발명 및 방법과 관련된 400건이 넘는 특허와 5,000건이 넘는 학술 문헌을 보유하고 있습니다. 이 혁신적인 발견은 마이크로바이옴이 전반적인 건강에 미치는 영향에 대한 이해를 재구성하고 있습니다. 분변 미생물군 이식은 기존 사고에 얽매이지 않고 어떻게 의료 혁신이 나타날 수 있는지를 보여주는 대표적인 예로, 전통적인 치료 방식에 대한 이의를 제기합니다.

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덴드리머, 나노 과학, 초분자 화학이 노벨상을 받을 수 있을까요?

전통적으로 약물이나 제약의 많은 주요 이점이 낮은 용해성, 높은 독성 또는 안정성 문제로 실현되지 못했습니다. 그러나 덴드리머를 약물 전달 수단으로 사용함으로써 이러한 문제를 다수 처리할 수 있습니다.

덴드리머는 코어부터 시작하여 분기 지점을 반복하는 갈래 중합체입니다. 크기를 조정할 수 있고 세포막과 상호 작용하며 내부 구조의 안정적인 특성에 따라 활성 약을 전달하는 데 적합합니다. 덴드리머 합성은 어렵고 비용 면에서 효율적이지 않지만 다양한 활용 가능성으로 연구 분야의 발전이 계속되고 있습니다.

Didier Astruc 박사가 덴드리머의 합성 체계를 완성했으며 이후 금 나노 입자와 같은 전이 금속 나노 입자를 기능화했습니다. 이 연구는 덴드리머 합성의 장애물을 해결했으며 적은 촉매재 적재량과 높은 촉매 효율성을 기반으로 덴드리머 기반 촉매 화학의 지속 가능성을 창출했습니다. 이 연구에 따라 금속 나노 입자를 탑재한 덴드리머를 사용하는 지속 가능한 촉매가 가능해졌으며 에너지 소비를 줄이고 차세대를 위한 지속 가능성을 높일 수 있게 되었습니다.

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노벨상 후보: COVID 치료 이상의 mRNA 백신의 가치

mRNA가 COVID-19 백신에 미친 영향은 전 세계가 이미 확인했습니다. 이제 RNA 면역원성을 억제하기 위한 뉴클레오시드 변형에 대한 뛰어난 기여도와 메신저 RNA에 대한 선도적인 연구에 대해 Katalin Karikó 박사와 Drew Weissman 박사의 업적을 인정해야 할 때입니다.

일반적으로 자연 상태의 mRNA 분자는 인체에 주입함과 동시에 빠르게 파괴되며 극심한 염증을 일으킵니다. 또한 면역 반응을 일으키는 데 충분한 바이러스 단백질을 만들도록 세포에 지시할 수 없습니다. Karikó와 Weissman은 수년 간의 연구 끝에 mRNA 변형에 성공했습니다. 변형된 버전에서는 우리딘이 N1-메틸슈도유리딘(m1Ψ)으로 대체되었습니다. 이 발견으로 mRNA는 효과가 매우 우수한 백신 플랫폼이 되었습니다. 성분 대체로 변형된 mRNA는 면역 감지를 방어하고 활성 상태를 더 오래 유지할 수 있으며 질병과 싸울 항원을 만들기 위한 표적 세포를 주입할 수 있습니다.

mRNA 플랫폼은 단백질 정제 또는 바이러스 비활성화가 필요할 수 있는 전통적인 백신 플랫폼보다 속도가 훨씬 빠릅니다.플랫폼 속도는 암 치료, 면역 치료, 유전병 치료와 같은 다른 질병과 향후 발병을 치료하는 데 중요합니다.

CAS는 7건의 공통 특허를 포함하여 Karikó 박사와 Weissman 박사가 집필한 500건이 넘는 문서와 50건의 특허를 색인화했습니다. Pfizer/BioNTech와 Moderna는 COVID-19 백신용 뉴클레오사이드 변형 RNA에 대한 두 사람의 공동 특허를 허가했습니다.

가장 많이 인용된 문헌은 다음과 같습니다.

• 톨형 수용체의 RNA 인식 억제: 뉴클레오시드 변형에 따른 영향과 RNA의 혁신적인 근원, 면역 (2005), 23(2), 165-175. 1900회 이상 인용됨.
• mRNA에 유사우리딘을 결합함으로써 변환성과 생물학적 안정성이 향상된 우수한 비면역원성 벡터가 생성되었습니다.  분자 요법 (2008), 16(11), 1833-1840. 1400회 이상 인용됨.
• 톨형 수용체 3의 내생 리간드로서의 mRNA, Journal of Biological Chemistry (2004), 279(13), 12542-12550. 1200회 이상 인용됨.

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