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[2022 봄호] 1-신소재공학과가 본 '황사 X 미세먼지'

  • 남현동
  • 2022-06-24 07:00:24

2022 SPRING 공대생이 보는 세상 1

신소재공학과가 본 '황사 X 미세먼지'
Dept. of Materials Science and Engineering



와… 오늘 하늘 진짜 뿌옇다…. 이대로 밖에 나간다면 마음 편히 숨을 쉬지 못할 거야! 그래, 이 마스크를 쓰면 괜찮겠다! 어떤 마스크인지 내가 알려줄게~ 코로나19로 인해 마스크 사용량이 급증하면서 썩지 않는 마스크로 인한 환경 오염에 관해 관심이 높아지고 있어. 이 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 바로 생분해 마스크 필터야! 만드는 방법은 다음과 같아. 흔히 생분해 플라스틱으로 잘 알려진 폴리부틸렌 숙시네이트PBS, Polybutylene Succinate를 나노 단위와 마이크로 단위의 섬유로 만들어서 이를 빽빽하게 교차시켜. 이렇게 만든 부직포 형태의 필터는 체에 거르는 방식으로, 그 사이 공간을 지나가는 바이러스나 미세먼지를 통과하지 못하게 해. 또한, 기존의 마스크 필터가 오직 나노섬유만을 사용하여서 숨쉬기가 힘들다는 점을 보완하기 위해, 나노섬유에 마이크로 단위의 섬유를 교차해서 마스크 자체의 통기성을 높였어. 마스크 착용 전과 착용 후의 호흡 압력 차를 측정하는 실험을 했더니, 매우 낮은 59Pa로 측정되는 결과를 보였대. 정말 신기하지 않아? 그런 후, 이 필터에 게 껍데기에서 추출한 키토산 나노위스커라는 물질로 코팅하는 공정을 거쳐. 키토산 나노위스커는 영구적으로 양전하를 띠는데, 대부분의 바이러스나 미세먼지와 같은PMParticulate Matter, 입자상 물질은 음전하를 띠기 때문에 필터의 작은 구멍 사이에 PM을 포집하는 데 도움을 줘. 심지어 기존 마스크 필터가 정전기 방식을 사용했기에 습기와 수분에 치명적이었던 것과는 다르게, 침과 입김 같은 수분에도 전하는 영구적이기 때문에 훨씬 효율적이야. 이렇게 만들어진 생분해 마스크 필터는 미세입자를 95% 차단해 주는 N95 마스크의 성능과 유사해지지. 마지막으로 쓰레기 분해 테스트를 해 본 결과 퇴비화 토양에서 28일 이내에 생분해되는 것으로 나타나서 기존의 마스크에 비해서 매우 친환경적이야!
자, 이제 나는 이 필터가 들어간 마스크를 쓰고 외출하고 올게. 안녕~
지금까지 신소재공학과가 본 '황사 X 미세먼지'였어. 다른 학과는 어떻게 봤을 지 궁금하지 않니?
[NEXT] 2 - 화학공학과가 본 '황사 X 미세먼지'

ALIMI 27기 무은재학부 남현동

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[2021 겨울호] 1-무엇을 넣는가? : 백신의 작용 원리

  • 남현동
  • 2022-02-18 07:00:36

2021 WINTER 기획특집 1

무엇을 넣는가? : 백신의 작용 원리

With Corona


지난 2019년 겨울 전 세계를 강타한 코로나19, 당시 2021년 이내로 종식될 것으로 예상되었던 것과는 달리
아직 일상은 팬데믹(Pandemic) 이전으로 돌아가지 못하고 있습니다.
이러한 코로나19 범유행 상황에서 유례없는 속도로 백신이 개발되고 보급되었는데요!
코로나바이러스의 감염 시 치명도가 높지 않게 나타난다는 점과 백신 접종률이 점차 높아지고 있다는 점 때문에,
세계적으로 코로나19의 완전 종식을 목표로 하지 않고 위드 코로나(With Corona)라는 정책을 시행하는 국가들이 생겨나기도 했습니다.
위드 코로나가 진행되기 위해 필수적인 백신은 어떠한 원리로 작용하고 접종될까요?
그리고 거시적으로 보았을 때, 감염병은 어떻게 퍼지고 사라지는 것일까요?



위드 코로나
여러분은 백신을 접종하셨나요? 접종하셨다면, 어떤 종류의 백신을 접종하셨나요?
현재 우리나라에서 코로나19 백신으로 사용할 수 있는 종류가 정해져 있기 때문에,
백신을 접종하기 전에 각 백신이 어떤 원리로 우리 몸의 면역을 활성화하는지, 부작용은 없는지에 대해 꼼꼼히 찾아보셨을 텐데요.
하지만 꾸준히 들려오는 백신 부작용 사례에 여전히 많은 사람이 두려움에 떨고 있습니다.
부작용에 대한 걱정과 불신에 대해 정확히 짚고 넘어가기 위해
초기 백신부터 현재 사용되고 있는 백신까지, 다양한 백신의 작용 원리를 알아보며 백신의 효과에 대해 알아보겠습니다!

면역의 의미 및 원리

면역은 화학 물질이나 바이러스 등 면역 반응을 일으키는 항원에 대해서 방어하는 현상을 뜻하며, 크게 태어나면서부터 지니고 있는 선천성 면역과 백신 등을 통해 과거에 침입한 항원에 대해 생성되는 후천성 면역으로 나뉩니다. 선천성 면역은 대부분 비특이적 방어작용으로, 피부나 점막에서 염증 반응이 일어나는 것과 같이 병원체의 종류를 구분하지 않고 일차적으로 일어나는 방어작용입니다. 하지만 선천적 면역으로는 해결되지 않는 질병도 많아졌기에, 죽거나 약해진 항원을 체내에 주입하여 일부 바이러스에 특이적으로 반응할 수 있는 항체와 기억세포를 미리 형성시켜줄 필요가 있습니다. 먼저, 인위적으로 항원을 주입하면 T 림프구와 B 림프구가 활성화되고, 활성화된 B 림프구가 형질 세포로 분화해서 항체를 생성하는 1차 면역 반응이 일어납니다. 이후, 약 2~3주 정도의 시간이 지난 후에는 실제로 병에 걸려 항원이 다시 침입해도 기억 T 세포와 기억 B 세포에 의해서 항체가 생성되는 데 걸리는 시간이 훨씬 짧아지고, 생성되는 양도 더 많아지는 2차 면역 반응이 일어나게 됩니다.


항원과 항체

이러한 면역 반응을 일으키는 백신에 대해서 한 번 자세히 알아볼까요?

백신의 시초, 불활화 백신

백신은 감염이 있기 전 인위적으로 병원성을 약하게 만들거나(약독화) 병원성을 제거한(불활화) 병원체를 체내에 인위적으로 주입하여 체내 면역체계를 활성화하는 물질을 뜻합니다. 약독화 백신은 병원균이 살아있는 생백신에 해당하기 때문에 가벼운 증상이나 제한된 감염을 일으킬 수도 있습니다. 그 부분에 있어서, 병원체의 생명 활동을 완전히 중단시키는 불활화 백신이 더욱 안전하죠. 병원체를 죽일 때는 보통 포르말린이라는 약품을 사용하는데, 포르말린을 이용해서 단백질 내부 또는 단백질 간의 가교결합Cross-linkage[각주1]을 만들어서 단백질의 기능을 완전히 상실시키는 과정을 거칩니다. 하지만, 이 과정은 병원체의 모든 단백질을 불활성화시킬 수 있기 때문에, 체내에서는 감염을 일으키는 특정 병원체를 인식하지 못하게 됩니다. 즉, 기능을 잃은 모든 단백질에 대해 항체를 유도하기 때문에 면역 반응이 일어나야 하는 곳에 집중되지 않는다는 단점이 있습니다. 최근에는 코로나19를 예방하기 위해 이러한 단점을 극복한 다양한 백신들이 개발되고 있고, 그 종류는 크게 앞서 말했던 불활화 백신을 포함해서 6종류가 있습니다. 이 중에서 많이 사용되는 백신인 바이러스 벡터 백신과 mRNA 백신, 그리고 재조합 백신이 각각 체내에서 어떻게 작용하는지 한 번 알아보겠습니다.

관심있는 학생들은 백신의 종류와 작용 원리에 대해 공식적으로 설명해주는 CDC 사이트에 들어가 보시는 것을 추천합니다!

CDC: Centers for Disease Control and Prevention

한계를 극복한 백신들


COVID-19 백신의 종류
먼저, 바이러스 벡터 백신은 코로나바이러스의 스파이크 단백질을 형성하는 DNA를, 인체에 무해하면서 인간 세포에 감염이 가능한 다른 바이러스 주형에 넣어 근육 세포에 주입합니다. 이후, 체내에서는 코로나바이러스의 표면 항원 단백질인 스파이크 단백질을 합성하며 특이적 면역 반응을 유도하게 됩니다. 단순히 약독화 백신이나 불활화 백신처럼 병원체를 그대로 주입하는 것이 아니라, DNA가 체내에서 복제할 수 없는 벡터 바이러스를 통해서 몸속에 들어간 후 유전자 전사, 번역 과정을 거쳐서 해당 표면 항원 단백질을 만들어내는 것이기 때문에, 보다 안정적이고 효과적으로 항체를 형성할 수 있습니다. 아스트라제네카의 AZD1222가 바이러스 벡터의 형태를 이용한 대표적인 백신입니다.

mRNA 백신은 말 그대로 RNA에 스파이크 단백질을 형성하는 유전자를 담은 후, 지질나노입자를 운반체로 하여 근육에 주사하는 백신을 말합니다. mRNA는 매우 불안정한 물질이기 때문에 백신으로 사용하기 위해서 여러 단계의 처리가 필요한데요. 먼저, 외부에서 유래된 mRNA가 인체에 들어갔을 때 선천성 면역이 일어나는 것을 막아야 하므로 스파이크 유전자 부분과 비번역부위인 UTR에 있는 유라실 염기(U)를 대신해서 화학 구조가 조금 다른 m1ΨN1-Methylpseudouridine을 붙입니다. 그림 4에서도 볼 수 있듯이 5’-cap과 poly(A) tail 부분은 그대로 유지한 채 스파이크 단백질 유전자 서열의 U를 모두 m1Ψ로 치환했습니다. 이는 RNA 2차 구조와의 상호작용을 변화시키고, RNA 면역 수용체와의 상호작용을 변화시킴으로써 ‘면역 회피’ 과정을 일으키게 되는 것입니다.


유라실 염기와 m1Ψ


m1Ψ이 삽입된 mRNA
두 번째로는 지질나노입자를 사용하는 것입니다. 보통 지질나노입자는 인지질과 이온화 지질을 세포막과 융합해서 만들어낸 것으로 콜레스테롤과 폴리에틸렌 글라이콜PEG이 포함된 물질입니다. 콜레스테롤은 입자의 모양을 유지하고 RNA가 세포질로 이동하게 도와주며, 폴리에틸렌 글라이콜은 지질나노입자의 친수성을 높여 체내에 오래 머무를 수 있도록 도와줍니다. 그래서 mRNA를 담은 지질나노입자는 운반체의 역할을 잘 수행할 수 있죠. 이러한 mRNA 백신의 형태를 이용한 백신은 화이자와 비이오앤테크의 BNT162, 그리고 모더나의 mRNA-1273이 있습니다.

마지막으로, 재조합 백신은 유전자 재조합 기술을 이용해 합성된 항원 단백질만을 체내에 직접 주입하여 면역 반응을 유도하는 방법으로 작동합니다. 재조합 백신에서 가장 중요한 것이 면역증강제를 사용하는 것인데요. 합성 항원 단백질만을 이용하면 안전성은 보장되지만 면역 반응이 낮기 때문에, 면역 활성을 높여주기 위해서 이를 사용합니다. 지금까지 개발된 면역증강제는 ‘Alum’과 ‘Saponin’ 등이 있으며, 이러한 보조제와 합성 항원 단백질을 함께 주입하여 적은 양의 항원 단백질로 원하는 면역 반응을 얻어낼 수 있는 것이 재조합 백신을 처방하는 방법입니다. 재조합 방식으로 만들어진 백신은 Novavax의 NVX-CoV2373 백신이며, 이 백신은 Matrix-M이라고 불리는 물질을 면역증강제로 사용합니다.


지금까지 면역의 생성 원리와 여러 가지 백신의 작용 기작에 대해서 살펴보았습니다.
일반적으로는 재조합 백신이 가장 안전하다고 알려져 있지만, 현재 우리나라에서는 mRNA 백신을 많이 사용하고 있습니다.
이는 mRNA의 변형이 편리하다는 점과 백신을 제조하기 쉽다는 점, 그리고 mRNA가 불안정한 물질이기에 체내에 오래 머물지 못해서 안전하다는 점 등의 이유 때문입니다.
그렇다면 이렇게 제조된 백신을 통해 가장 효과적으로 면역 반응을 끌어내기 위해서는 어떻게 해야 할까요?
백신과 관련된 또 하나의 중요한 기술인, 백신을 체내에 투여하는 방법에 대해서 알아봅시다!



[각주]
[1] 사슬모양 고분자의 사슬 사이를 화학결합에 의하여 서로 연결시킨 것으로, 흔히 다리결합이라고도 부른다.

[참고문헌]
1. Kellie D. Nance and Jordan L, Meier, 「Modifications in an Emergency: The Role of N1-Methylpseudouridine in COVID-19 Vaccines」, 『ACS Cent.Sci』 7(2021.04.06.), 748~756 p.
2. 김주원 외 2인, 『백신 플랫폼 기술(Vaccine Platform Technologies)』, KISTEP, 2021, 7~14쪽.
3. 조규봉, 「mRNA 백신의 화학적 원리와 구조」, 『과학과기술』 2021년 7월호, 62~65 쪽.
4. 이나경, 「백신기반기술로서의 면역증강제」, 『한국분자·세포생물학회 뉴스지』 2015년 5월호, https://www.ksmcb.or.kr/webzine/webzine.html


기획특집 ② - 어떻게 넣는가? : 백신의 접종 방법 편으로 이어집니다.

기획특집 ② 보기

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[2021 여름호] 감정 소모에 에너지를 허비하지 마세요

  • 남현동
  • 2021-10-08 07:00:56

2021 SUMMER 알스토리②

감정 소모에 에너지를 허비하지 마세요
Do not waste your energy on emotional exhaustion


‘감정 소모에 에너지를 낭비하지 마라’
이 말을 가슴에 깊게 새긴 후에는 절대로 자신과의 싸움을 하지 않으려고 했어요.

지금을 떠올렸을 때, 학업에 대한 후회가 남지 않을 정도로 자신의 자리에서 최선을 다하는 태도를 가지는 것이 필요해요.

무은재학부 21학번 남현동
작년부터 계속된 비대면 상황에 여러분들은 잘 적응하고 있나요? 어느덧 밖에 나갈 때 마스크를 쓰는 것과 어디를 가든 사람들과 거리를 두는 것이 일상이 되었는데요. 이러한 상황 속에서 자신이 원하는 것들을 계획하고 목표를 달성해 나가는 여러분들이 굉장히 대견스럽습니다. 그래도 아직 이 상황 속에서 공부해 나가는 것이 굉장히 어렵다고 생각해요. 저 역시 고3 수험 생활을 코로나 19 상황 속에서 보냈고, 그 시기에 정신적으로나 육체적으로 굉장히 힘들었던 기억으로 자리하고 있어요. 특히나 미래를 위해 지금 뭘 해야 할지, 내가 한 활동이 혹시나 다른 친구들에 비해 뒤떨어지는 것이 아닌지 등과 같은 고민과 걱정으로 매일을 보냈어요. 지금 여러분들 중에서도 저와 같은 고민을 하는 친구가 있을 것 같아요. 지금부터 제가 해드릴 이야기가 고3 수험생뿐만 아니라 전국의 포스테키안 구독자 친구들에게 조그마한 도움이라도 되었으면 좋겠어요.

# 자신과의 싸움

학교라는 공동체 안에서 살아가다 보면, 친구들이나 선생님들 혹은 부모님, 심지어는 자기 자신과 다투는 경우가 있을 거예요. 원인이 무엇이 되었든, 다툼의 결과는 항상 자신과 남을 무기력하고 우울하게 만들죠. 이렇게 생긴 부정적인 감정들은 인간관계에 대한 불신과 더불어 공부에도 지장을 줄 수 있어요. 남과의 다툼은 화해의 과정을 통해 해결할 수 있지만 자신과의 싸움은 스스로를 위로하기 굉장히 힘들어요. 여기서 말하는 자신과의 싸움은 남과의 비교, 이루지 못한 목표에 대한 자책, 성적에 대한 불안감 등을 말해요. 이러한 것들은 자신에게 있어서 굉장한 감정적인 소모를 일으켜요. 저 역시도 불안함과 무기력함이 최고조에 달했던 시기가 있었어요. 친구들은 얼마나 공부했을까, 친구들보다 내 생활기록부가 부실하면 어떡하지, 공부 방법이 이게 맞는 건지 등과 고민이 코로나 19 상황과 겹치면서 정신적으로 굉장히 힘들었어요. 부정적인 감정들은 공부에 집중해야 하는 시기인 고3이었던 저를 무기력함과 걱정 속에 하루하루 보내게 했죠.

# 감정 소모에 에너지를 낭비하지 말기

그럴 때마다 저는 이 말을 떠올렸어요. ‘감정 소모에 에너지를 낭비하지 마라’ 즉, 하루에 자신이 쓸 수 있는 에너지의 총량이 정해져 있다고 생각하고, 이를 감정 소모로 헛되이 보내는 일을 최대한 줄이자는 말이에요. 특히 공부할 때, 공부와 관련되지 않은 일들을 생각하거나, 다른 사건들이 공부에 영향을 주는 일을 줄이는 것은 더더욱 필요해요. 이 말을 가슴에 깊게 새긴 후에는 절대로 자신과의 싸움을 하지 않으려고 했어요. 남들이 공부를 얼마나 많이 하고 생활기록부를 채우기 위해 얼마나 열심히 활동하든, 신경 쓰지 않았어요. 내가 해야 할 일, 내가 하고 싶은 일, 내 목표를 위한 일들에 최선을 다하고, 나중에 다시 돌아봤을 때 나 자신에게 부끄럽지 않은 결과물을 내는 데 집중했어요. 그렇게 하니 자연스럽게 공부나 활동에 온전히 집중할 수 있었고, 전보다 훨씬 높은 효율로 좋은 퀄리티의 결과물을 만들어낼 수 있었어요.

여러분이 지금 겪고 있는 시기가 얼마나 어려운지 알고 있어요. 스스로도 ‘너무 힘들어… 포기하고 싶어…’, ‘내가 이걸 왜 하는 거지?’라는 생각도 여러 차례 들 것이고, 점점 공부하는 목적을 잃어갈 수도 있어요. 하지만, 여러분들은 아직 인생의 약 20% 정도의 지점을 지나고 있을 뿐이에요. 누구나 다 겪을 수 있는 일이고, 여러분들을 격려해 줄 사람들도 주변에 많을 거예요. 그렇기에 스스로 나중에 지금 이 시점을 떠올렸을 때, 학업에 대한 후회가 남지 않을 정도로 자신의 자리에서 최선을 다하는 태도를 가지는 것이 필요해요. 또한, 괜한 일로 감정적인 스트레스를 받지 않았으면 좋겠어요. 그래도 만약, 너무 힘들다는 생각이 든다면 그날 하루는 편히 쉬면서 잡다한 생각들을 다 날려버리는 시간을 가져보세요. 포스테키안 구독자 여러분들! 자신의 감정을 잘 컨트롤하면서 모든 일에 크게 스트레스 받지 않는 수험생활 보내길 바라요. 여러분들이 만들어갈 후회 없는 수험생활을 응원하겠습니다:D

ALIMI 27기 무은재학부 남현동

예비 포스테키안 여러분! 궁금한 점이 있으면 언제든지 편하게 질문하세요!

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