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[2022 봄호] 따스함, 차가움 그리고 접촉

  • 최건우
  • 2022-04-29 06:00:48

2022 SPRING Hello Nobel
노벨상
따스함, 차가움 그리고 접촉
2021 노벨 생리의학상


데이비드 줄리어스 David Julius

UCSF
(University of California San Francisco)

아뎀 파타푸티안 Ardem Parapoutian

Scripps Research

지난 2021년 10월 4일, 노벨 생리의학상은 데이비드 UCSF 교수 데이비드 주니어스와 캘리포니아주 라호야 소재의 스크립스 연구소의 아르뎀 파타푸티안 교수에게로 돌아갔다. 두 수상자는 각각 열에 반응하는 생명체의 메커니즘과 기계적 자극에 반응하는 메커니즘을 규명하여 우리가 살아가는 세상과 인간의 신호 교환의 과정을 풀어냈다고 평가된다.

생명체의 존속과 지각(知覺, Perception)

한 개의 세포로 구성된 단세포 생물에서 인간과 같은 다세포 진핵생물까지, 모든 생명체는 주변을 인식하고, 이에 적응하거나 극복하는 자체적인 과정을 거쳐 목숨을 유지한다. 즉, 생명체와 주위의 정보 전달 과정은 생명체의 본질과 삶에 있어서 주요한 문제다. 특히 인간에게는 오감이라고 부르는 다섯 가지의 감각이 존재하여 주변을 인지할 수 있다. 시각, 후각, 미각, 청각, 촉각까지 대중적으로 감각을 다섯 가지로 나누지만, 이 중 촉각은 단순히 한가지 감각이라고 말하기는 어렵다. 무언가가 닿는 느낌부터 따뜻하고 차가움, 압박감과 고통과 같은 감각들이 모여 촉각이라는 인지를 만들어내기 때문이다. 현재, 과학의 발전에 의해 우리가 느끼는 감각은 감각 기관으로부터 만들어진 전기 신호가 뉴런, 즉 신경세포를 거쳐 뇌에 전달되는 과정으로 일어난다는 것이 대중들에게도 널리 알려져 있다. 따라서 오감을 인지하는 방법을 정확하게 이해하기 위해서는 각 감각 기관에서 어떻게 외부의 변화를 전기 신호로 변환하여 전달하는지 알아내는 것이 중요하다고 할 수 있다. 이 관점에서 이번 노벨 생리의학상 수상이 그 의미를 가진다.
열을 감지하는 수용체 TRPV1과 TRPM8의 작동 과정
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=335139

온도와 기계적 압박감 이해의 열쇠, TRPV1과 Piezo1

2021 노벨 생리의학상을 수상한 두 연구자는 번뜩이는 아이디어를 통해 노벨상을 받을만한 업적을 만들었다기보다는 포기하지 않고, 꾸준히 노력한 끝에 연구 결과를 얻어냈다고 볼 수 있다.
먼저 데이비드 줄리어스는 매운맛을 내는 대표적인 물질로 알려진 캡사이신이 작열감을 일으키는 메커니즘을 연구하였다. 매운맛이 사실은 맛이 아니라 고통이라는 것이 널리 알려진 것처럼 그 당시에도 캡사이신이 고통을 느끼게 하는 뉴런을 활성화한다는 것은 알려진 사실이었다. 하지만 실제로 캡사이신 분자의 존재 여부를 전기 신호로 바꾸는 과정은 알려지지 않았다. 이에 줄리어스 교수는 통증과 열에 반응하는 뉴런에서 발현되는 유전자로 수백만 개의 염기로 이루어진 DNA 라이브러리를 만들었다. 이 중에서 캡사이신에 반응하는 단백질이 있다고 가정하고 하나하나 확인한 결과 캡사이신에 반응하는 유전자로부터 발현되는 단백질 TRPV1이 발견된 것이다. 후속 연구를 통해 TRPV1은 고통을 느낄 수 있는 43℃ 이상의 온도에서 열리는 이온 통로 단백질이고, 이온의 농도 차이가 전기신호를 만들어내어 중추신경계로 신호를 전달하는 것이 밝혀졌다.
이어서 아르뎀 파타푸티안 연구팀은 기계적 자극이 전기 신호로 전환되는 메커니즘을 규명하고자 했다. 이들은 가장 먼저 기계적 자극에 반응하는 단백질을 찾아내기 위해 마이크로피펫이라는 실험기구로 세포를 찌를 때 전기 신호를 방출하는 세포를 준비했다. 이후 기계적 자극에 관여할 것으로 예상되는 72개의 유전자를 선별하여 하나씩 불활성화(=유전자 침묵, gene silencing)한 결과, 불활성화되었을 때 세포를 찔러도 전기 신호를 만들지 않는 유전자로부터 발현되는 기계적 민감성 이온 채널 Piezo1을 발견하였다. 추가적인 연구 결과, Piezo1과 이와 유사한 Piezo2는 세포막에 작용하는 기계적 힘으로 구조가 변형되어 이온 통로가 열리는 단백질임이 밝혀지며 압박감이 전기적 신호로 전환되는 원리가 규명되었다.
압박을 인지하는 PIEZO1,2의 작동 과정
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=335139

감각 수용체에 대한 연구가 중요한 이유

따뜻함을 인지하는 TRPV1을 비롯하여 열과 차가움을 인지하는 데에 사용되는 TRP Thermoreceptor Protein, 그리고 압박감과 같은 기계적 힘을 인지하는 Piezo 단백질은 인간이 주변 세계를 인지하는 과정을 풀어내는 열쇠가 되었다. 이러한 감각은 단순히 외부의 변화를 인지할 뿐만 아니라, 그와 동시에 신체 내부의 변화를 탐지하는 센서가 되기도 한다. 면역계가 활발하게 작동하여 외부 물질을 제거해내는 염증 반응이나 장기에서의 고통은, 분명 생명체가 잘 작동하고 있음을 의미하는 지표이지만, 많은 환자는 이러한 고통에서 벗어나고자 한다. 열에서 비롯되는 고통을 느끼는 체계가 완벽하게 풀린 지금, TRP에 작용하는 분자를 만들어낸다면 이는 환자들을 편안하게 해줄 수 있는 후속 연구로 진행될 수 있다. Piezo의 경우에는 압박감과 관련이 있는 만큼, 생명체의 항상성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 하는 혈압과 이뇨 작용, 호흡과 관련이 크다. 따라서, 부 환경과의 소통뿐만 아니라 신약의 개발이나 항상성 유지의 주요한 기전들을 풀어내는 열쇠로써 이 연구들은 충분히 그 의미를 가진다고 볼 수 있겠다.

ALIMI 기 최건우

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[2021 겨울호] 2-어떻게 넣는가? : 백신의 접종 방법

  • 최건우
  • 2022-02-18 07:00:56

2021 WINTER 기획특집 2

어떻게 넣는가? : 백신의 접종 방법

With Corona


체내에서 바이러스의 침입에 대해 면역 반응을 일으킬 수 있도록 백신을 만들었다면,
이를 어떻게 몸속에 있는 면역 세포에 전달할지 정하는 것도 중요한 문제입니다.
백신을 비롯한 다양한 약물을 체내로 도입하는 과정은 입을 통해 섭취하는 경구 투여부터 주사나 연고의 형태까지 다양한데요.
백신은 이 중에서 주사를 통해 접종받게 됩니다. 하지만 주사기를 이용하여 약물을 주입하는 방법도 한 가지만 있는 것은 아닙니다.
다양한 약물은 체내로 어떤 방법을 통해 전달되는 걸까요? 또 약물을 전달하기 위한 방법으로 개발된 신기술에는 어떤 것들이 있을까요?

백신이 도입되는 위치는 어디인가

백신을 비롯한 모든 약물의 목적은 표적으로 하는 세포나 조직, 기관에 도달하여 그 기능을 수행하는 데에 있습니다. 이러한 점에서, 원하는 약물을 개발 과정에서 설계한 위치로 적절히 전달하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있습니다. 백신과 백신으로부터 만들어진 바이러스 단백질은 면역 작용을 일으킬 수 있는 세포와 만나야 하기 때문에, 백신 접종의 부위로는 혈관이 발달해 있거나 수술 없이 외부에서 접근 가능한 영역이 적절합니다. 따라서 백신과 약물은 이 두 가지 조건을 만족하는 피부 계통Integumentary System근육 계통Muscular System에 도입되게 됩니다.

피부 계통은 외부와 맞닿아있는 우리 몸의 가장 바깥 부분을 둘러싸는 시스템을 말합니다. 피부 계통은 크게 표피, 진피, 그리고 피하 조직으로 나뉩니다. 이 중에서 가장 외부에 위치하는 표피는 신체 부위에 따라 4개 또는 5개의 층으로 이루어져 있습니다. 표피의 가장 바깥을 이루고 있는 층은 각질층Stratum Corneum입니다. 각질층의 세포들은 케라틴화된 죽은 세포들로 이루어져 있고, 밀착 연접Tight Junction[각주1]에 의해 세포 사이의 틈이 거의 없어 물이 이 층을 통과하지 못하도록 합니다. 또한 300Da[각주2] 이상의 물질들은 이 층을 통과할 수 없어 대부분의 약물이 연고 형태로 전달될 수 없는 이유가 되기도 합니다. 표피의 아래에는 진피가 존재합니다. 진피는 두 개의 영역으로 나뉘는데, 표피와 인접한 유두층Papillary Layer에는 모세혈관이 있고, 그 아래에 있는 망상층Reticular Layer에는 더 큰 혈관과 림프관이 있어 면역 세포들이 효과적으로 접근할 수 있습니다. 마지막으로 피하 조직은 표피와 진피를 내부의 계통과 연결하는 연결 조직Connective Tissue의 일종으로 모세혈관과 성긴 결합 조직Loose Connective Tissue으로 이루어져 있습니다.


표피와 진피, 피하 조직으로 구성되는 피부 계통에 대해 더 자세한 내용을 공부하고 싶다면?

피부 계통의 해부와 생리 알아보기

근육 계통골격근Skeletal Muscle, 평활근Smooth Muscle, 심장근Cardiac Muscle으로 구성된 기관계를 의미하는데, 주사를 통해 약물이 전달되는 경우는 일반적으로 골격근을 대상으로 합니다. 근육에는 여러 개의 근섬유다발근외막에 의해 묶여 존재하고, 근섬유다발에는 다시 여러 개의 근섬유(근육 세포)가 근육다발막에 의해 묶여 존재합니다. 이때 근육은 다량의 ATP를 사용하여 수축 작용을 통해 물리적인 힘을 내는 기관이기 때문에 충분한 에너지원을 공급받을 필요가 있습니다. 따라서 각 근섬유다발에는 혈관이 발달해 있어, 각 근섬유에 에너지원을 전달합니다. 특히 자주 사용하는 큰 근육일수록 해당 근육으로 향하는 혈관이 발달하게 되고, 결과적으로 좋은 혈관성Vascularity을 가지게 됩니다. 이렇게 근육에 백신이 전달되면, 전달된 백신은 근육 세포로 이동하여 바이러스 단백질을 만들어내게 됩니다.

피부 계통과 근육 계통의 구조

백신의 접종 방법

현재 백신 대부분은 주사기를 이용해 체내로 도입됩니다. 이때 백신을 넣는 주사기의 각도가 채혈할 때나 링거를 맞을 때와는 달리 거의 수직에 가깝다는 점을 알고 계셨나요? 주사기를 이용해 약물을 전달하는 방식은 그 각도와 접종 위치에 따라 피내주사, 진피주사, 정맥주사, 피하주사, 근육주사로 나뉘게 됩니다. 이 중에서 백신의 접종에 사용되는 방법으로는 혈관이 발달한 위치에 접종하는 방법인 피하주사근육주사가 있고, 특히 근육주사를 주로 사용합니다. 피하주사SC, Subcutaneous Injection바늘을 45° 기울여 피하 조직에 약물을 주입하는 방법으로, 주로 팔의 옆면이나 복부, 허벅지의 전면부에 주사하게 됩니다. 피하 조직에는 혈관이 존재하기는 하나, 모세혈관의 형태로 비교적 적게 분포하기 때문에 약물과 단백질을 온몸에 빠르게 전달하지는 못합니다. 대신 주입된 약물을 지속해서 전달할 수 있어, 적은 용량을 지속적으로 전달해야 하는 백신이나 여러 호르몬 주사에 주로 사용됩니다.

근육주사IM, Intramuscular Injection혈관이 발달해있는 근육 조직에 약물과 백신을 전달하는 방법입니다. 근육 계통은 피부 계통의 아래에 존재하기 때문에 바늘과 피부가 이루는 각도를 거의 90°에 가깝게 하여 접종하게 됩니다. 국내에서는 코로나바이러스 백신으로 mRNA 백신이나 바이러스 벡터 백신을 주로 사용하는데, 이 백신들은 근육 세포에 바이러스의 유전 정보가 들어가게 되어 바이러스 단백질을 합성합니다. 합성된 단백질에 면역 세포들이 쉽게 접근하기 위해서는 혈관성이 좋은 근육들이 유리합니다. 따라서 대부분 팔 근육에서 큰 근육 중 하나인 삼각근Deltoid에 접종하고, 삼각근의 두께가 얇아 접종이 어려운 유아에 대해서는 허벅지에 있는 대퇴사두근Quadriceps에 접종하기도 합니다.
각도와 위치에 따른 접종 방법

근육주사는 현재 코로나바이러스 백신을 접종하는 가장 대중적인 방법입니다.

근육주사 더 알아보기

약물 접종의 신기술, 마이크로니들


현재까지는 주사기를 이용해 백신을 비롯한 약물을 체내로 도입하는 것이 일반적이지만, 머지않은 미래에는 주사기 없이도 백신을 맞을 수 있을 것으로 예상하는데요. 바로 마이크로니들Microneedle 기술이 발전하고 있기 때문입니다. 앞서 이야기했던 것처럼, 300Da 이상의 수용성 물질은 각질층에 의해 피부를 통과하지 못했습니다. 마이크로니들은 초소형의 바늘이 각질층에 물질이 전달될 수 있도록 하는 구멍을 형성하여 이 구멍을 통해 다양한 물질을 전달합니다. 마이크로니들은 약물을 전달하는 과정에서 각질층은 뚫지만, 신경이나 혈관을 건드리지 않기 때문에 아프지 않고 출혈도 없다는 장점이 있습니다.

최초의 마이크로니들은 실리콘으로 만들어진 것이었는데, 현재는 스테인리스 스틸, 덱스트린, 유리나 세라믹, 그 외의 다양한 다량체Polymer들이 마이크로니들의 제작에 사용됩니다. 약물은 다양한 방식으로 마이크로니들에 결합할 수 있습니다. 아래 그림의 A와 같이 가시와 같은 구조를 이용해 각질층에 구멍을 형성한 후 따로 약물을 포함한 패치를 붙이는 방식부터 바늘 구조 자체를 약물 성분으로 만드는 방법(C), 바늘의 표면에 약물을 코팅하는 방법(B)이나 마이크로니들에 의해 형성된 통로로 약물을 전달하는 방법(D)처럼 말이죠. 최근에는 여러 방법을 통해 마이크로니들을 이용한 백신 접종에 관한 연구가 이뤄지고 있다고 하니 주사기가 아닌 마이크로니들로 백신을 접종하게 되는 일이 멀지 않았을지도 모르겠습니다!
마이크로니들이 약물을 전달하는 방식


지금까지 백신이 만들어지고 체내에 도입되어 면역이 형성되는 과정을 알아보았습니다.
사회가 바이러스로부터 완전히 안전해지기 위해서는 어떤 조건들이 필요할까요?
또 긴 시간 동안 우리를 힘들게 한 코로나바이러스와 같은 병원체는 어떻게 확산되고 종식될까요?



[각주]
[1] 특정 단백질에 의해 인접한 세포들이 강하게 결합하는 방법
[2] 달톤. 원자나 분자에서 사용되는 질량의 표준 단위

[참고문헌]
1. Fundamentals of Anatomy & Physiology (written by Martini & Nath, 10th ed., Pearson International Edition), 2015.
2. Heine, A., Juranek, S. & Brossart, P. Clinical and immunological effects of mRNA vaccines in malignant diseases. Mol Cancer 20, 52 (2021). https://doi.org/10.1186 /s12943-021-01339-1
3. Takuo Yuki, Aya Komiya, et al, Impaired tight junctions obstruct stratum corneum formation by altering polar lipid and profilaggrin processing, Journal of Dermatological Science, Volume 69, Issue 2, 2013, p148-158.
4. Skowronski DM, De Serres G. Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine. N Engl J Med. 2021 Apr 22;384(16):1576-1577. doi: 10.1056/NEJMc2036242. Epub 2021 Feb 17. PMID: 33596348.
5. National Center for Biotechnology Information (NCBI)[Internet]. Bethesda (MD): National Library of Medicine (US), National Center for Biotechnology Information; [1988] – [cited 2021 Dec 2]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK556121/#article 23707.s3
6. https://korean.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/vaccines/different-vaccines/mrna.html
7. Michael E., Pichichero, Understanding messenger RNA and other SARS-CoV-2 vaccines, MDedge Hematology and Oncology, December 14, 2020, https://www.mdedge.com/ hematology-oncology/article/233491/coronavirus-updates/understanding-messenger rna-and-other-sars
8. Kim, H., Park, H. & Lee, S.J. Effective method for drug injection into subcutaneous tissue. Sci Rep 7, 9613 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-10110-w
9. Ryan F. Donnelly, Thakur Raghu Raj Singh & A. David Woolfson (2010) Microneedle based drug delivery systems: Microfabrication, drug delivery, and safety, Drug Delivery, 17:4, 187-207, DOI: 10.3109/10717541003667798
10. Mark R Prausnitz, Microneedles for transdermal drug delivery, Advanced Drug Delivery Reviews, Volume 56, Issue 5, 2004 Mar 27th, pp. 581-587.


기획특집 ③ - 어떻게 막는가? : 백신과 집단 면역 편으로 이어집니다.

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[2021 여름호] 1- DNA 메틸화

  • 최건우
  • 2021-10-08 07:01:50

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DNA 메틸화

DNA methylation

‘용불용설’이라는 말을 들어본 적이 있나요?
이는 동물들이 평생 자신의 필요로 특정 형질을 발달시켜 자손에게 물려준다는 내용을 담은 이론입니다.
현대의 진화론의 관점에서는 후천적으로 환경과 생활 양식에 의해 얻어진 형질, 즉 획득 형질은 유전되지 않는다는 사실이 밝혀지며
사실상 ‘용불용설’은 잘못된 이론이라는 것이 밝혀졌습니다.
하지만 DNA가 변화하지 않고도 환경에 대해 반응할 수 있다는 것이 후성유전학 Epigenetics이라는 분야가 개척되며 밝혀졌습니다.
여기서 후성유전학은 DNA 자체의 변화 이외의 방법에 따라 일어나는 형질이나 유전자 발현의 변화연구하는 분야를 말합니다.
후성 유전학의 과정에서 사용되는 메커니즘으로는 DNA 메틸화 DNA methylation, 히스톤의 메틸화와 아세틸화 histone methylation and acetylation 등이 있는데요.
그중에서도 후성 유전적 발현에 중요한 역할을 한다고 알려진 과정 중 하나인 DNA 메틸화에 대해 알아볼까요?


지구상에 존재하는 대부분의 생명체는 DNA에 개체의 정보를 저장합니다.
이렇게 DNA에 저장되어 있는 정보는 중심원리Central Dogma에 의해 실제 형질로 나타나게 됩니다. 중심원리는 DNA, RNA, 단백질이 서로 전이되는 과정을 말하는 것으로, 일반적으로는 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로 전이됩니다.
이때 DNA를 이용해 RNA를 만드는 것을 전사 Transcription, RNA가 단백질로 해석되는 것을 번역 Translation이라고 합니다.

특히 DNA가 RNA로 전사되기 위해서는 전사가 시작되는 부위인 프로모터 Promoter가 필요합니다. DNA의 단위체는 인산과 당, 그리고 염기로 구성되어 있는데요. 그중에서 염기는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이 있습니다.
DNA 메틸화는 이 중에서 아데닌과 사이토신이라는 염기에 DNA 메틸 전이 효소 DNMT, DNA Methyltransferase에 의해서 메틸기($-CH3$)가 더해져 일어납니다.

일반적인 염기의 구조(왼쪽부터 $Adenine$, $Cytosine$)

메틸화된 염기의 구조(왼쪽부터 $6mA(6-methyl-Adenine)$, $5mC(5-methyl-Cytosine)$, $4mC(4-methyl-Cytosine)$)

그림에서 보이는 것처럼 메틸 아데닌($mA$)은 6번 탄소에 결합한 질소에 메틸기가 붙는 형태를 가지고, 메틸 사이토신($mC$)은 5번 탄소에 메틸기가 붙는 형태와 4번 탄소에 결합한 질소에 메틸기가 붙는 두 가지의 형태가 존재합니다.
아데닌과 사이토신 중에서 사이토신에 특히 메틸화가 많이 일어나는데, DNA 상에 존재하는 사이토신 중에서 메틸화가 되는 것들이 무작위로 결정되는 것은 아닙니다. 사이토신($C$)과 구아닌($G$)이 인산 하나를 두고 연속적으로 나타나는 CpG site $Cytosine - phosphate- Guanine site$에만 사이토신에 메틸화가 일어나게 됩니다.

CpG site는 DNA 염기서열 상에 무작위로 분포하지 않고, 주로 단백질을 암호화하고 있는 영역의 앞에 존재하는 조절 부위나 프로모터 영역에 주로 분포합니다. 특히 CpG가 많이 분포하고 있는 염기서열의 특정 위치를 CpG island라고 부릅니다. 일반적으로 CpG island는 메틸화가 되지 않은 경우가 많은데요, 이 부분이 메틸화가 되면 후성 유전적인 조절에 영향을 주게 됩니다.

DNA의 발현 과정 중 전사 과정에서는 다양한 전사 인자 transcription factor를 필요로 합니다. 프로모터 영역에 존재하는 CpG island가 메틸화되면 구조적 변화가 생기기 때문에 전사 인자의 접근이 저해됩니다.
동시에 MBD Methyl-CpG-binding domain protein라는 단백질이 CpG지역에 결합하게 되고, 이들은 DNA를 응축하는 히스톤 단백질의 탈아세틸화를 촉진합니다. 아세틸기($-COOH$)는 음전하를 띠기 때문에 탈아세틸화가 되는 경우 음전하를 띠는 DNA가 히스톤 단백질에 더 강하게 응축됩니다.
결과적으로 DNA는 히스톤 단백질과 함께 헤테로크로마틴 heterochromatin이라고 불리는 강하게 응축된 형태가 되어 유전자의 발현이 저해됩니다. 이렇게 DNA의 메틸화는 특정한 유전자의 발현을 줄이는 방식으로도 작동합니다.

DNA 메틸화에 따른 유전자의 발현

지금까지 DNA의 메틸화와 그에 따른 유전자의 발현 변화를 알아보았습니다.
DNA 메틸화가 일어나는 위치는 자손에게 전해지며 일부 보존되기에 환경에 대한 적응이 유전되도록 만들기도 하고, 유전자의 활성을 조절하여 각종 질병과의 연관성도 존재한다고 합니다.

글의 내용이 흥미로웠다면 다른 후성유전학의 요소들을 공부해보는 것은 어떨까요?


후성유전학적 발현에는 DNA뿐만 아니라 히스톤 단백질도 중요한 역할을 하는데요.
이 히스톤 단백질의 아세틸화와 메틸화에 대해 더 알아봅시다!

히스톤 H4 단백질에서의 $lysine$의 아세틸화

히스톤에서의 메틸화와 유전자 발현 조절


[1] Catherine B. Klein et al. DNA methylation, heterochromatin and epigenetic carcinogens, Mutation Research 386 (1997) pp.163~180
[2] 후성유전체와 전사 조절 https://blog.daum.net/claus/8931893
[3] DNA METHYLATION과 CPG ISLAND https://2wordspm.com/2020/03/12/dna-methylation과-cpgisland/
[4] 후성유전학(epigenetics), 유전자 조절에서 DNA 메틸화 https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hyouncho2&logNo=60090909848

ALIMI 기 최건우

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[2021 봄호] 2-전기차 배터리의 진화

  • 최건우
  • 2021-04-30 07:01:12

2021 SPRING 기획특집 2

전기차 배터리의 진화

Development of Evs and Self-Driving Cars


전기차가 상용화되기 위해 엔진 효율의 향상이 중요해진 것과 동시에 절대적인 배터리 용량이 커지는 것도 중요해졌습니다.
이에 스마트폰을 비롯한 전자기기 대부분에 널리 사용되고,
높은 효율을 보였던 배터리인 ‘리튬 이온 배터리’가 초기의 전기차에 도입되었죠.
하지만 ‘리튬 이온 배터리’가 가지는 구조적 한계점으로 인해 여러 자동차 업체들은 전기차에 사용할 새로운 배터리의 필요성을 느끼고, 배터리를 새롭게 개발하고 도입하기 시작했습니다.
일부 자동차 업체들은 배터리의 중요성을 인지하며 배터리 개발을 독자적으로 전환할 정도로
배터리 기술의 중요성이 두드러지고 있죠.

전기차에 적합한 특징을 가져 새로 도입된 배터리는 무엇이고, 기존 배터리의 한계점을 극복한 방법은 무엇일까요?

전지의 구성과 리튬 이온 배터리

먼저 전지는 자발적인 산화-환원 반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치를 말합니다. 전지는 1차 전지와 2차 전지로 나뉘는데요, 한 번 사용한 이후로 다시 사용할 수 없는 전지를 1차 전지라고 하고, 이와 다르게 충전을 하여 다시 사용할 수 있는 전지를 2차 전지라고 말하죠. 우리 생활 속에서 사용하는 대부분의 전지는 충전해서 사용할 수 있으므로 2차 전지라고 볼 수 있습니다.

2차 전지는 크게 양극Anode음극Cathode, 그리고 전해질Electrolyte로 구성되어 있습니다. 먼저 양극과 음극은 전지가 가진 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 물질 즉, 활물질이 있는 곳입니다. 전지가 방전될 때, 양극에서는 전자를 얻는 반응, 즉 ‘환원 반응’이 일어나며 양극에 연결된 도선을 통해 전자를 받습니다. 이 전자는 음극으로부터 제공되는데요. 따라서 음극에서는 전자를 잃는 ‘산화 반응’이 일어납니다. 전지를 사용하기 위해 연결되는 외부 도선을 통해서는 전자만이 이동 가능한데요. 그래서 마지막 구성요소인 전해질이 존재합니다. 전해질은 도선을 통해 이동할 수 없는 모든 이온이 양극과 음극으로부터 이동할 수 있도록 하는 ‘액체상의 물질’을 이야기합니다.


리튬 이온 배터리의 구조

리튬 이온 배터리Li-ion battery는 가장 흔하게 볼 수 있는 2차 전지 중 하나입니다. 특히 이 배터리는 그 이름에서 알 수 있듯이, 충전과 방전 시에 전해질을 통해 ‘리튬 이온’이 움직이는 특징을 가집니다. 이 배터리의 양극에는 리튬을 포함하는 LiCoO2이, 음극에는 주로 흑연과 같은 물질이 활물질로 포함되어 있는데요. 리튬 이온 배터리가 초기 상태에서 충전이 될 때, 양극에 있던 전자는 외부 도선을 통해, 리튬 이온은 전해질을 통해 음극으로 동시에 이동합니다. 이 과정을 식으로 표현하면 다음과 같습니다.


$$LiCoO_2 + C \rightarrow Li_{1-x}CoO_2 + Li_xC$$



이 식에서 좌변은 충전이 일어나기 전의 상태를 말하고 우변은 충전이 된 상태의 배터리를 말합니다. 양극에서 잃은 리튬 원자의 개수를 $x$라고 할 때, $x$개의 리튬 이온이 음극의 탄소와 만나 $Li_x C$가 되면 리튬 금속의 형태로 존재하게 됩니다.


$$Li_{1-x}CoO_2 + Li_xC \rightarrow Li_{1-x}CoO_2 + Li_{x-dx}C$$



위 식은 리튬 이온 개수의 변화인 $dx$의 부호에 따라 충전과 방전이 결정되는 일반화된 식인데요. 초기에 음극에 $x$개의 리튬 금속이 있고 $dx$개가 줄어든 상황을 생각해봅시다. $dx$가 양수일 때는 $dx$개의 리튬 원자가 양극으로 돌아간 것이므로 방전 과정을 의미합니다. 반대로 $dx$가 음수일 때는 $dx$개의 리튬 원자가 추가적으로 양극에서 음극으로 이동한 것이므로 충전 과정을 의미합니다. 앞서 이야기했듯이, 전지가 방전되는 상황에서 양극에서는 환원 반응이, 음극에서는 산화 반응이 일어납니다. 전지가 방전될 때, 즉 $dx$가 양수일 때, 음극은 $dx$개의 전자를 잃어 산화되고, 이 $dx$개의 전자는 양극으로 가서 양극을 환원시키는 반응이 일어납니다. 따라서 위의 식은 앞서 소개한 양극과 음극에서 일어나는 산화-환원의 모습에 부합하고, 리튬 이온 배터리는 이러한 과정을 통해 충전되고 방전되는 것이죠.

리튬 이온 배터리 양극과 음극 사이에는 분리막Seperator이라는 구조가 위치하는데요. 리튬 이온 배터리는 전해질이 액체상이기 떄문에 특정한 형태가 존재하지 않습니다. 따라서 외부 충격이 가해지면 쉽게 모양이 변해 양극과 음극이 닿을 수 있습니다. 리튬 이온 배터리의 양극과 음극이 접촉하게 되면, 단락[각주 1] 이 발생하여 빠르게 방전하며 높은 열을 내게 됩니다. 이는 곧 폭발로 직결될 수 있는 위험한 상황이기에 이를 방지하기 위해 양극과 음극을 분리하는 ‘분리막’이 존재하는 것이죠. 리튬 이온 배터리의 경우, 단락의 위험성 외에도 과충전과 같은 상황에서 매우 높은 열을 내는 열 폭주Thermal Runaway가 일어나기도 합니다. 따라서 배터리의 충전 상태를 관리하는 시스템BMS,Battery Management System이 필수적입니다.[링크-배터리 관리 시스템과 열폭주] 또한 액체 전해질을 사용하므로 각각의 전지를 밀봉된 팩의 형태로 만들어 전지의 구조를 유지하도록 만듭니다. 이 과정에서 배터리의 필수적인 구성 요소 외에 많은 것들이 필요해지면서 에너지 밀도가 낮아지게 됩니다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방법 중, 리튬 이온 배터리의 전해질을 고체상solid-state으로 만든 것이 ‘전고체 배터리’라는 차세대 배터리입니다.

차세대 배터리, 전고체 배터리

전고체 배터리all-solid-state battery는 이름 그대로 배터리의 구성 요소가 모두 고체상을 띄고 있습니다. 전고체 배터리는 전해질이 고체가 되었기 때문에 양극과 음극이 외부 충격이 있어도 접촉할 수 없게 됩니다. 따라서 분리막이 필요하지 않습니다. 이 변화로 인해 전고체 배터리는 다양한 장점을 가지게 됩니다.

첫째로 기존의 리튬 이온 배터리에 비해 안전성을 가진다는 것입니다. 액체 전해질을 사용하지 않기 때문에, 외부의 온도가 변해도 전해질의 부피가 변하거나 기화가 일어나지 않습니다. 따라서 폭발이나 발화의 위험성이 적고 안정적이라는 특성을 가집니다. 둘째로 높은 공간 효율성을 가지게 됩니다. 고체 전해질이 사용되며 분리막과 액체 전해질을 담는 팩 형태가 더 이상 필요하지 않게 되었는데요. 같은 용량의 배터리를 구성하기 위한 부피와 질량이 줄어 에너지 밀도를 크게 높일 수 있게 되었습니다. 또한 전지의 구조가 단순해지며 공정이 단순화되었습니다.

리튬 이온 배터리와 전고체 배터리의 차이점

이렇게 다양한 장점이 있는 전고체 배터리는 크게 두 가지 종류, 무기 고체 전해질 배터리Inorganic solid electrolyte battery유기 고체 전해질 배터리Organic solid electrolyte battery로 나뉩니다. 여기서 무기 고체 전해질 배터리는 다시 황화물계sulfide-base산화물계oxide-base로 나뉩니다.

먼저 무기 고체 전해질의 한 종류인 황화물계 전해질황(sulfur)을 포함하고 있습니다. 황화물계 전해질은 리튬 이온 전도도가 10-2~10-3S/cm[각주 2]로 높고, 물리적인 힘에 대한 유연성이 좋아 전극과 접촉 계면interface을 쉽게 형성합니다. 접촉 계면은 극과 전해질이 만나는 경계면을 뜻하는데요. 이는 전기 화학적 반응이 일어나는 부분이기 때문에 전지 제조에 있어 중요하게 여겨집니다. 황화물계 전해질의 경우, 접촉 계면 형성에 용이하기에 적은 힘으로도 쉽게 극과 전해질을 접촉시킬 수 있고, 따라서 공정이 간단해진다는 장점이 있습니다. 한편, 황은 공기 중의 수분과 쉽게 반응하여 유해 기체인 황화수소(Hydrogen sulfide)로 변화하여 공기 중 안전성이 낮습니다. 또한 양극과의 경계면에서 공간이 생겨 높은 저항[링크-공간전하효과]을 가진다는 단점을 가지기도 합니다.

다음으로 무기 고체 전해질의 두 번째 종류인 산화물계 전해질은 전해질의 성분에 산소(Oxygen)가 포함되어 있습니다. 따라서 산소가 포함된 대기 중 안정성이 높고, 리튬 이온 전도도가 10-3~10-4S/cm 수준으로 준수한 편입니다. 하지만 양극과 전해질 사이의 저항Interfacial resistance이 크고, 접촉 계면 형성이 어려워 공정이 상대적으로 복잡하다는 단점이 있습니다.

마지막으로 유기 고체 전해질은 앞서 소개한 무기 고체 전해질과는 사뭇 다른 특성을 가집니다. 계면에서 높은 저항을 가진 두 무기 고체 전해질과는 달리 유기 고체 전해질은 전극 계면과의 밀착성이 우수해 경계면에서의 저항이 상대적으로 낮다는 장점을 가집니다. 하지만 무기 고체 전해질에 비해 리튬 이온 전도도가 낮고, 고온에서만 사용할 수 있어 사용 환경에 영향을 크게 받는다는 한계점이 존재합니다.


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이렇게 전고체 배터리는 비교적 높은 안정성과 공간 효율성을 지니고 있지만, 각 전해질의 종류에 따라 한계점 또한 존재하기 때문에, 조금 더 연구가 필요한 단계에 있습니다. 대표적으로 해결해야 할 과제는 두 가지가 있는데요. 그 중 첫 번째는 출력 저하 문제입니다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 통해 이온이 움직이므로 이온 전도도가 액체 전해질에 비해 상대적으로 낮습니다. 이는 전지가 높은 내부 저항Internal resistance을 가지도록 만들고, 전지의 출력을 낮추는 문제를 일으킵니다. 출력 저하를 해결하기 위해 이온 전도도를 끌어올리는 다양한 방법이 시도되고 있는데요. 한 예시로 LLZO라는 가넷형 고체 전해질에서의 금속 도핑이 있습니다.


LLZO의 결정구조와 Li 이온 전도채널

LLZOLi7La3Zr2O12는 산화물계 전해질의 한 종류입니다. 이 물질은 산화물계의 전해질 중에서 높은 이온 전도도를 가지고 있어 많은 연구가 이뤄지고 있는데요. 이 물질에 ‘가넷형’이라는 이름이 붙게 된 이유는 보석의 한 종류인 석류석(garnet)과 구조가 같기 때문입니다. LLZO는 산화지르코늄(ZrO6)과 산화란타넘(LaO8)이 특수한 결정 구조를 만들어 리튬 이온이 전달될 수 있는 통로를 형성합니다. 이 과정에서 LLZO는 두 가지 형태의 구조가 혼합되는데, 높은 이온 전도도를 가지는 입방정계cubic 구조와 낮은 이온 전도도를 가지는 정방정계tetragonal 구조입니다. 이때 LLZO의 구조에 입방정계로 이루어진 부분이 늘어날수록 전해질의 이온 전도도가 높아지게 됩니다. LLZO는 단위구조가 무질서하게 변할수록 입방정계의 안정성이 커지는 특징이 있습니다. 즉, 리튬 이온이 존재할 수 있는 통로가 모두 리튬 이온으로 채워지는 것보다 알루미늄이나 갈륨과 같은 금속이 통로에 도입되면 전체 구조가 더 무질서해지면서 입방정계 구조를 많이 형성한다는 것입니다. 따라서 금속 도핑Metal doping을 통해 입방정계 구조를 늘려 이온 전도도를 높이는 방법이 사용되었습니다.

이렇게 전고체 배터리의 경우에 이온 전도도가 낮다는 문제점을 지니고 있고, LLZO에서의 금속 도핑을 비롯한 여러 방법을 통해 극복하고자 노력하고 있습니다. 하지만, 이온 전도도 문제를 해결했다고 해서 전고체 배터리의 모든 한계점을 극복한 것은 아닙니다. 전고체 배터리가 극복해야 할 두 번째 해결 과제는 바로, 계면 저항Interfacial resistance을 줄이는 것입니다. 먼저 계면 저항이란, 서로 다른 물질이 접하며 생긴 두 물질 사이의 공간에 생기는 높은 저항을 의미합니다. 이를 해결하기 위해 두 계면의 중간 성질을 가진 층을 사이 공간에 삽입하여 완충을 통해 저항을 줄이려는 시도를 진행하고 있습니다. 즉, 계면 저항을 줄여 성능을 높이고자 하는 시도인 것이죠.

전기차와 자율 주행 자동차


더 나아가 전기차는 최근 뜨거운 감자인 자율 주행 자동차 제작을 위한 필요조건이기도 합니다. 특히 전기차가 가진 고효율 배터리는 자율 주행 자동차의 필수적인 요소입니다. 완전한 자율 주행을 하는 자동차의 경우 하루에 수 테라바이트(TB) 용량의 데이터를 받고, 처리하게 되는데요. 이 거대한 용량의 데이터 처리 과정에는 많은 전력이 필요하게 됩니다. 따라서 연산을 거의 하지 않는 기존의 전기차에 비해 더 많은 데이터를 처리해야 하는 완전 자율 주행차에서는 큰 용량의 배터리가 필수적이라고 볼 수 있습니다. 전고체 배터리는 기존의 배터리에서 불필요한 부분을 제거하여 부피가 많이 감소했고, 높은 에너지 밀도의 배터리는 단순한 전기차를 넘어 자율 주행을 이루는 데 큰 변화를 줄 수 있을 것입니다.


앞서 말한 것처럼, 전기차의 효율 개선은 완전한 자율 주행 자동차를 이루기 위해 필수 불가결한 기술입니다.
현재의 과학기술은 전기차가 내연 기관차를 대체할 수준으로 배터리 효율과 모터 효율을 높여왔는데요.
한 발자국 더 나아가 자율 주행이라는 목표를 이루기 위해서는 충분한 전기에너지의 공급해주는 하드웨어뿐만 아니라 자율 주행을 할 수 있도록 만드는 소프트웨어 또한 필요합니다.
그럼 다음 꼭지에서는 자율 주행차를 작동시키는 소프트웨어에 대해 알아볼까요?


[각주]
[1] 단락; 양극과 음극이 에너지를 소모하는 부분 없이 직접 연결되는 것을 의미한다. 이 경우 과전류가 발생하여 전기장치에 무리를 주거나 고열을 발생시키기도 한다. 합선, 쇼트 등으로도 불린다. [2] S(Siemens,지멘스); 전도율의 단위로, 저항의 역수이다. S/cm의 값이 높을수록 이온 전도도가 높다.

[참고문헌]
1. 김지산; 이동욱; 이종혁; 차세대 배터리 미래를 담을 기술. 키움증권 리서치센터 2019
2. 박정기, 『리튬이차전지의 원리 및 응용』,홍릉과학출판사,2010
3. 선우 준, 『2차전지 Road to the Top』, 서울대학교출판문화원,2015
4. 강병우, 박희택, 우승준, etc. 「차세대 리튬이차전지를 위한 산화물 고체전해질의 연구동향」. 『CERAMIST』. 2018, pp. 349~365
5. 양훈철, 2019.08.06., 차세대 배터리 – (3) Post LiB (전고체전지, 리튬황전지, 리튬공기전지), https://blog.naver.com/hoonyang/221607951305
6. 김상재, 2019.12.02., 리튬이온배터리 : 반도체 시대를 지나 배터리 시대로, http://www.energycenter.co.kr/news/articleView.html?idxno=932



기획특집 ③ - 자율 주행차의 핵심, SLAM 편으로 이어집니다.

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[2020 가을호] 1 - 생명과학과가 본 도서관

  • 최건우
  • 2020-12-10 09:27:52

2020 FALL 공대생이 보는 세상 1

생명과학과가 본 도서관
Dept. of Life Science





도서관1

도서관에서 공부하다 보니까 피곤하네...

이럴 때는 에너지 드링크 한 캔을 마시면서 힘내서 열심히 해 볼까? 역시 에너지 드링크를 마시니까 확실히 잠이 깨는 기분이네. 에너지 드링크에는 어떤 성분이 있고 우리 몸에 어떤 영향을 주는 걸까?

에너지 드링크는 주로 카페인, 타우린, 당분, 그 외 비타민과 기타 아미노산들로 이루어져 있어.

먼저 카페인은 알칼로이드의 일종으로 뇌-혈관 장벽을 통과하여 중추 신경 흥분 작용물질로 작동해서 각성 효과를 일으켜. 또한 졸음을 일으키는 신경 전달 물질인 아데노신의 경쟁적 저해제로 작용하여 도파민의 활성을 증가시켜 일시적인 행복감 Temporary Euphoria을 주게 돼.
다음으로 타우린은 아미노산의 한 종류인 아미노 설폰산의 한 종류로, 우리 몸에 꼭 필요한 성분 중 하나야. 타우린은 칼슘의 운반을 도와 근육의 수축과 이완을 원활하게 하여 피로 해소에 도움을 주고, 이자의 β 세포에서 칼슘 항상성의 변화를 유도해 인슐린을 분비시켜. 인슐린은 혈중에 분포하는 포도당을 주로 근육세포에 글리코겐으로 저장해서 에너지원으로 제공하여 세포의 에너지원으로 쓸 수 있게 하는 거야. 또, 에너지 드링크에 비타민 B6가 들어가는 이유도 비타민 B6가 우리 몸에서 타우린을 합성하여 피로를 줄여주기 때문이야.
당분은 말 그대로 설탕을 말하는데, 설탕은 탄수화물의 한 종류로, 우리 몸에서 주요한 에너지원으로 쓰여. 깨어있기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하니, 당분과 같은 에너지원을 공급해 주는 게 힘을 내는 데 도움을 줄 거야.

지금까지 들어보니 에너지 드링크는 몸에 좋은 음료인 것 같으니 많이 먹어도 되겠다고?

꼭 그런 것만은 아니야.

먼저 카페인은 위산의 분비를 촉진해 속이 쓰린 증상이 나타날 수 있고, 카페인이 아데노신 수용체에 결합하여 인체가 아데노신이 많다고 판단하여 아데노신과의 대항 작용으로 교감 신경이 흥분하여 심장 박동 수가 급격히 증가하여 심장에 무리를 줄 수 있어. 또 당분은 반응성 저혈당증 Reactive Hypoglycemia을 일으킬 수 있어.

나는 이제 다시 공부하러 가 봐야겠다. 안녕~.



공대생이 보는 세상 2 - 컴퓨터공학과가 본 도서관 편으로 이어집니다.

공대생이 보는 세상 2 보기


[1] Wu JY, Prentice H. Role of taurine in the central nervous system. J Biomed Sci. 2010;17 Suppl 1(Suppl 1):S1. Published 2010 Aug 24. doi:10.1186/1423-0127-17-S1-S1
[2] 「L'Amoreaux, William J et al. “Taurine regulates insulin release from pancreatic beta cell lines.” Journal of biomedical science vol. 17 Suppl 1,Suppl 1 S11. 24 Aug. 2010, doi:10.1186/1423-0127-17-S1-S11
[3] Solinas M, Ferre S, You ZB, Karcz-Kubicha M, Popoli P, Goldberg SR. Caffeine induces dopamine and glutamate release in the shell of the nucleus accumbens. J Neurosci. 2002;22(15):6321-6324. doi:10.1523/JNEUROSCI.22-15-06321.2002

ALIMI 기 최건우

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