경상국립대 화학과 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장) 연구팀과 국립목포대(총장 송하철) 화학과 김태우 교수 연구팀이 공동연구를 통해 물 분해를 통한 청정 수소 에너지 생산의 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 새로운 전극 촉매를 개발했다.

이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 화학 및 에너지 분야의 저명학술지인 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)'(IF: 11.9)의 4월호 앞표지(Outside front cover)와 우수 논문(Hot paper)으로 선정됐다. 

최명룡 연구팀은 새롭고 간단한 펄스 레이저 조사 전략을 통해 이리듐이 도핑된 니켈-철 층상 이중 하이드록사이드(NiFeIr-LDH)를 성공적으로 설계했다. 특히, 이 레이저로 합성한 NiFeIr-LDH는 1M KOH 전해질에서 기존 방식으로 합성한 니켈-철 층상 이중 하이드록사이드(NiFe-LDH)나 산화이리듐(IrO2)에 비해 현저히 낮은 과전압(246mV)을 보이며 산소 발생 반응(OER) 성능에서 우수함을 입증했다.

특히, NiFeIr-LDH는 12시간 동안 뛰어난 촉매 안정성을 보였다. 이러한 성능 향상은 실시간 라만 분광법과 이론 연구를 통해 이리듐 도핑 후 NiFe-LDH의 전자 구조가 효과적으로 조절되었기 때문으로 확인됐다.

뿐만 아니라, 레이저로 합성한 촉매를 사용한 전해기(NiFeIr-LDH(+)∥Pt/C(−))가 표준 전극을 사용한 전해기(IrO2(+)∥Pt/C(−))보다 낮은 셀 전압(1.53V)만으로 10mA cm−2를 생산할 수 있었다. 이 연구는 산업용 알칼리성 수소 전해기에서 사용될 수 있는 고효율 및 장기 안정성을 지닌 OER 전기촉매 개발에 필수적인 통찰을 제공한다. 이는 수소 생산 장치의 성능을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하며, 미래 청정 에너지 기술 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

한편 해당 연구 수행은 한국연구재단(NRF)과 교육부에서 주관하는 기초과학 연구역량 강화사업의 '광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터' 지원으로 수행됐다.



◆경상국립대 김나영 박사, 복합 환경 스트레스 대응 핵심인자 발굴 기반 마련

경상국립대 대학원 응용생명과학부 원예학전공 김나영 박사(현재 한국생명공학연구원 소속)가 환경 스트레스 빅데이터 정보를 활용해 선택적 스플라이싱(Alternative splicing)을 대량 분석함으로써 복합스트레스 관련 핵심 인자 발굴 기반을 마련했다.

이는 식물이 다양한 스트레스 환경에 따라 변화하는 유전적 변이체를 빅데이터 기반으로 확인해 하나의 유전자가 다양한 형태로 스트레스 관련 기작에 관여할 수 있다는 것을 시사한다. 또한 분석을 통해 확보한 핵심 인자를 활용하면 특이적 또는 복합적 스트레스 환경에서 내성/저항성을 가지는 품종을 육성할 수 있을 것으로 기대된다. 

이번 연구는 원예과학부 강남준 교수(채소원예학), 염선인 교수(원예분자육종학), 강원희 교수(원예기능유전체학, 교신저자) 연구팀의 융합 연구를 기반으로 수행했고 김나영 박사가 제1저자로 참여했다. 

김나영 박사는 가지과 작물인 고추에서 다양한 고온·저온 스트레스를 포함한 비생물학적 스트레스와, 역병·바이러스를 포함한 생물학적 스트레스 반응에 대한 전사체 빅데이터를 생성하고 이를 통해 선택적 스플라이싱 변이체(Alternative splicing variants)를 대량 발굴하여 스트레스 반응에 따른 변이체의 형태를 규명했다.

가지과 작물 중 하나인 고추는 조미채소로 채소 작물 중 세계적 교역량이 2위에 달하지만 급격한 기후 변화 등으로 인해 해마다 고온·건조와 같은 복합적 환경 스트레스로 인해 막대한 경제적 피해가 발생한다. 

다양한 시퀀싱 기법 중 알엔에이 시퀀싱(RNA-seq)은 복잡한 환경 및 조건에서 발현되는 전사체 확보가 가능한 이점이 있어 대량의 유전자 기능 분석에 사용되고 있다. 다양한 데이터가 생성되고 있지만 방대한 데이터에서 복합스트레스에 관한 핵심 인자 발굴 및 기능 규명 연구는 아직 미흡한 상황이다. 

김나영 박사는 고추 전사체 빅데이터를 기반으로 환경 스트레스 반응 스플라이싱 변이체를 대량 발굴했다. 복잡하고 다양한 스플라이싱 변이체는 식물의 발달과 스트레스 반응에 관여하는 것으로 알려져 있으며 이는 환경 스트레스에 대응하기 위해 소수 유전자에서 다양한 형태를 통해 저항성/내성에 관여할 것으로 기대된다. 김나영 박사가 확보한 스플라이싱 변이체는 추후 기능 분석을 통해 다양한 환경 스트레스에 효과적으로 대응할 수 있는 품종 개량에 적용될 수 있음을 시사한다.

스플라이싱 변이체 분석을 위해 사용한 21종류의 데이터는 비생물학적 스트레스(가뭄·냉해·염해·고온), 생물학적 스트레스(세균·바이러스·역병 등), 식물 호르몬(살리실산·에틸렌·자스몬산·아브시스산)와 식물 조직(꽃·줄기·뿌리·과실)으로 구성돼 있다. 김나영 박사는 총 869.81Gb(인간 지놈 크기의 290배)의 전사체 빅데이터를 이용하여 식물의 유전자 발현을 분석했다. 

이후 21종류의 전사체 데이터에서 스플라이싱 변이체 확인을 위해 각각 서열의 구조를 분석했으며 이를 통해 변이체를 5가지 형태(SE·RI·A5SS·A3SS·MXE)로 분류했다. 

또한, 스트레스 반응에 따라 특이적으로 변화한 유전자를 기준으로 재분류하여 전체 처리에서 변이체를 나타내는 유전자를 발굴했다. 이 중 MSTRG.7288 유전자와 MSTRG.32525 유전자가 스트레스 처리에 따라 스플라이싱 변이체의 형태가 유의하게 변화하는 것을 확인했다. 이를 통해 유전자가 하나의 형태가 아닌 복잡한 변이체의 형태로 다양한 기능에 관여할 것으로 예상했다. 

이 연구 결과는 빅데이터 전문 국제 과학저널인 '사이언티픽 데이터(Scientific Data)' ( IF 9.8) 4월13일자 온라인판에 게재했다. 논문 제목은 '고추의 대량 RNA-seq 데이터 기반 생물 및 비생물학적 스트레스에 변화하는 총체적 스플라이싱 변이체 분석(The landscape of abiotic and biotic stress-responsive splice variants with deep RNA-seq datasets in hot pepper)'이다. 이 연구는 한국연구재단 개인연구사업과 BK21 Four 농생명공학글로컬인재교육연구단의 지원을 받아 수행했다. 



◆경상국립대병원, 진주시 그린바이오산업 육성 맞손

경상국립대병원 의생명연구원이 미래 그린바이오산업 육성을 위해 진주시가 지원하고 진주바이오산업진흥원이 주관하는 '린바이오 스마트팜 기능성 천연소재 사업화 모델 구축사업(24년 사업비 3억원)' 그린바이오 항노화 텔로미어 혁신 기술개발 시범사업('24년 사업비 2억원)'에 공동연구기관으로 선정됐다.

이번 공동연구기관 선정은 올해 2월 공개모집을 통해 이뤄졌으며, 소정의 심사 과정을 거쳐 선정됐다.

연구진에는 경상국립대병원 이비인후과 박정제 교수, 대장항문외과 곽승진 교수 등 기능성 전문 연구원 다수가 참여해 지역 천연물 소재의 고부가가치화와 새로운 기능성 발견에 대한 기대가 높아지고 있다.

특히 경상국립대병원 의생명연구원은 진주바이오산업진흥원과 함께 진주 설향딸기, 식물성콜라겐 금화규 등 시장 잠재성이 큰 지역 천연소재에 대해 다양한 기능성 검증을 진행할 예정이다.

해당 연구의 목표는 △피부 미백 △주름 개선 △장 운동 촉진 △장관 면역조절 △장내 미생물 개선 등 효능을 중점적으로 밝히는 것으로 장 건강 기능성 식품과 항노화 텔로미어 화장품 등 지역 스타 제품 개발의 기반을 마련할 계획이다.

이러한 연구개발 활동은 지역 천연소재의 고부가가치화를 통한 경제 활성화와 그린바이오 산업의 지속 가능한 발전을 이끌어 지역 경제에 새로운 활력을 불어넣을 것으로 기대된다.

박정제 의생명연구원장은 "이번 연구 사업 참여를 통해 얻게 될 결과물이 지역 사회와 농업의 경제적 이득을 가져다주길 바란다"며 "진주시를 비롯한 서부경남의 지속 가능한 미래 그린바이오산업 발전을 위해 앞으로도 연구 활동을 이어 나가겠다"고 밝혔다.

진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com