대구광역시 북구 대학로 80 경북대학교 화학관 313호
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Project 1. 질량분석 전문 인력 기반 공동연구시설
자연계에 존재하는 유기 화합물에 대하여 인간은 얼마나 알고 있을까요? 자연은 여러 가지 환경적 요인을 통하여 화합물들을 다양한 형태로 생성 및 변형시킵니다. 예를 들어 원유를 연구하는 학자들은 원유에 포함된 유기 화합물들이 100만 가지 종류 이상이라고 생각하고 있습니다. 흙속에 포함되어 있는 유기물질들, 강물이나 바다에 포함되어 있는 유기 화합물의 종이 몇 개나 되는지 아직 어떤 과학자도 알지 못합니다. 저는 지난 30년 동안 자연에 존재하는 유기 화합물들을 연구하면서 자연계는 다양성의 구현이라는 의지와 방향을 가지고 있다는 생각을 하게 되었습니다.
인간은 환경학, 약학, 식품학, 의학, 생물학을 포함한 현대 과학과 산업의 연구 분야에서 여러 가지 필요를 충족시키기 위하여 다양한 화합물들을 추가적으로 만들어 내고 있습니다. 이러한 활동을 수행하면서 복잡한 유기 혼합체 속에서 미량 화합물들을 분자단위에서 측정할 필요가 증가하고 있습니다. 이러한 필요성을 충족시킬 수 있는 대표적인 측정장비가 질량분석기입니다.
질량분석융복합연구센터(mass spectrometry convergence research center, MSCRC)는 경북대학교에 위치한 국제적 규모의 질량분석 기반 공동연구시설로, 질량분석 분야에서 혁신과 발전을 주도하여 관련 분야에서 우수성을 추구하는 연구자와 학생들에게 등대 역할을 하고자 합니다. MSCRC를 통한 공동 연구는 다양한 첨단 시설을 기반으로 지원됩니다.
MSCRC에는 총 40억 원의 가치를 지닌 20종의 질량분석기와 크로마토그래피 장비가 포함됩니다. 첨단 연구 장비는 탁월한 연구 결과를 도출하여 성공적인 공동연구를 수행하는데 결정적인 역할을 합니다. MSCRC에서 보유한 다양한 장비들의 사진이 [그림 1]에 제시되어 있습니다.
국내 대학 중 유일하게 보유하고 있는 초고분해능 질량분석기(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR MS)와 싸이클릭 이온이동성 질량분석기(Cyclic ion mobility mass spectrometry) 를 활용하여 다양한 화합물들의 정밀하게 규명을 하고 화학 구조에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 오비트랩 질량분석기(Orbitrap mass spectrometry)와 싸이클릭 이온이동성 질량분석기를 초고성능 액체크로마토그래피와 연결하여 화합물에 대한 정성 및 데이터베이스 검색을 수행할 수 있습니다. 삼중극자 질량분석기와 초고성능 액체크로마토그래피 활용하여 화합물의 정량 측정을 수행합니다. 비극성 물질들과 중합체를 연구할 수 있는 열 분해 가스크로마토그래피-질량분석기(pyrolysis gas chromatography), 퍼지 앤 트랩(purge and trap) 열분해-가스크로마토그래피-질량분석기를 구축하고 있습니다. 장비들을 활용하여 환경학, 에너지, 생물학 등 다양한 분야 간의 복잡한 상호 연결성을 깊게 연구할 수 있고, 이러한 탐색은 자연계에서 일어나는 다양한 화학반응들에 대한 흥미로운 통찰력을 가져올 것으로 기대하고 있습니다.
MSCRC의 핵심은 질량분석 전문가로 구성된 연구팀입니다. 이 전문가들은 공동연구의 핵을 형성하며 뛰어난 연구역량을 바탕으로 국내외 공동연구를 활발하게 진행하고 있습니다. MCRC는 독특한 학제간 접근법으로 특징 지어집니다. 팀은 다양한 학문 배경을 가진 개인들로 구성되어 있으며, 각자가 자신의 기술과 전문 지식을 보유 하고 있습니다. 이러한 환경에서는 여러 분야의 아이디어와 견해가 모여서 혁신을 촉진하게 됩니다. 팀의 작업 뒤에는 경북대학교 화학과 김성환 교수와 약학부의 류광현 교수가 있습니다. 광범위한 경험과 질량분석 적용에 대한 깊은 이해는 센터의 연구를 새롭고 흥미진진한 방향으로 이끌고 있습니다.
질량분석 전문가인 박소영과 손승우의 전문적 지식과 풍부한 경험은 센터 공동연구의 성공적 수행에 기반을 이루고 있습니다. 센터 매니저인 김미정은 MSCRC 운영 및 공동연구 수행에 대한 중추적인 역할을 담당하고 있습니다.
MSCRC는 또한 다음 세대의 질량분석 전문가를 양성하는 활발한 훈련장입니다. 현재 센터의 일원인 학,석,박사 과정 학생들은 총 17명입니다. 이 학생들은 센터의 공동연구에 활발히 능동적으로 기여하고 있습니다. 그들의 노력과 열정은 질량분석의 지식 경계를 다양한 분야로 확장하고 진행 중인 프로젝트에 새로운 시각을 제공하는 데 도움이 됩니다.
MSCRC는 학제간 협력적 연구 환경을 창출하는 것을 주요 목표로 하고 있습니다. 과학 연구 성공의 결정적 세 가지 요소인 숙련된 인력, 견고한 전문 지식, 고급 시설을 갖추고 우수한 융합적 공동 연구 플랫폼을 제공하고자 합니다. 센터에서 수행되는 공동연구의 소개를 통하여 이러한 연구 플랫폼의 역할 및 중요성을 보여 드릴 수 있을 것입니다.
그림 1. 질량분석융복합연구센터 대표장비들의 사진. (왼쪽 위 부터 시계방향으로 오비트랩 고 분해능 질량분석기, 고감도 삼중 극자 질량분석기, 이온이동성질량분석기, 기체크로마토그라피 질량분석기, 초고분해능 FT-ICR 질량분석기, 고분해능 액체크로마토그래피)
Project 2. 개발 도상국 강물 속 유기염료 기원 환경오염 물질 연구
환경오염, 특히 수질 오염은 과학자, 환경 전문가, 정책 결정자 모두가 우려하는 전 세계적인 도전 과제입니다. 다양한 환경 유해 물질은 인간의 건강부터 수생 생명체의 안녕까지 모든 생태계에 영향을 미칩니다. 이러한 보편적인 위협에도 불구하고, 선진국과 개발도상국 간에 환경 유해물질에 대한 모니터링 노력의 빈도와 철저성에는 명확한 차이가 있습니다. John L. Wilkinson과 공저자들은 의약품에 의한 강물 오염의 심각성을 보여주는 논문에서“생태 및 인체 건강에 대한 해로운 영향에 대한 증거가 증가하고 있음에도 불구하고, 전 세계적으로 하천 에서 발생하는 의약품에 관해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 196개국 중 75개국에서 약물의 하천 유입을 평가 하는 연구가 진행 중이며, 대부분의 연구는 북미와 서유럽에서 수행되었습니다.”라고 기술하고 있습니다.[참고문헌 1]
개발도상국이 환경 모니터링 역량을 강화하도록 지원해야 합니다. 강은 육상과 수생 생태계의 생명의 터전이며, 해로운 물질들이 바다를 통하여 확산될수 있는 주요 통로입니다. 그러므로 한 나라의 문제는 다른 나라의 문제와 밀접하게 연결되어 있습니다. 이런 생각을 바탕으로 MSCRC는 인도네시아, 방글라데시 연구자들과 활발한 공동연구를 수행하고 있습니다. 인도네시아 National Research and Innovation Agency (BRIN) 소속 연구자들과의 공동연구를 통하여 Loji강 강물에 포함된 유해성 유기염료 물질을 연구하고 있습니다. 그림 2는 시료가 채취된 위치를 보여주고 있습니다. 인도네시아 연구자들이 강물을 채취하여 동결건조한 뒤 MSCRC로 시료를 보냅니다. 도착한 시료는 고분해능 크로마토그래피-초고분해능 질량분석기를 활용하여 분석됩니다. 분석 결과의 해석을 통하여 약 650여 개의 유해 물질이 발견되었고 특히 유독성 유기 염료 물질들도 다수 측정되었습니다. 얻어진 결과를 활용하여 국제 공동연구 논문이 작성되고 있으며, 이는 인도네시아 강물 속 유기 염료 물질을 질량분석 기를 활용하여 분자단위에서 정밀하게 보고한 첫 번째 논문이 될 것입니다.
그림 2. 인도네시아 Logi 강에서 수행된 시료채취 위치. 채취된 시료는 현장에서 동결건조 후 MSCRC로 전달되었고 분석되었음.
Project 3. 플라스틱 분해산물 연구
미세 플라스틱은 종종 5밀리미터 미만의 크기를 가진 플라스틱 조각으로, 최근 몇 년 동안 전 세계적인 환경 문제로 부상하며 과학자들, 정책 결정자들, 그리고 일반 대중들로부터 주목받아왔습니다. 플라스틱 제품의 지속적이고 가속화된 생산과 소비에 의해 해양과 육지 생태계에 미세 플라스틱이 널리 퍼져 있고 조성의 특성 때문에 오랫동안 환경에서 지속되는 것이 문제의 핵심입니다.
미세 플라스틱이 환경에 미치는 영향은 그들의 물리적 존재만으로 제한되지 않습니다. 미세 입자들의 화학적인 영향도 고려되어야 합니다. 플라스틱은 시간이 지나면서 UV 방사선, 열, 기계적 스트레스, 미생물 작용 등의 환경 요인의 영향으로 점차적으로 작은 조각으로 분해됩니다. 이 과정에서 제조 과정에서 처음에 혼합되었던 단량체와 첨가제가 방출되고, 새로운, 잠재적으로 유해한 물질들이 생성됩니다. 이러한 분해 제품들의 화학적 정체성, 농도, 그리고 생체이용성, 그들이 생성되는 조건, 그리고 그들이 환경과 생물체에서 어떤 영향을 미치는 지 등은 모두 중요한 주제들로서 추가적인 연구가 필요합니다.
MSCRC 연구진은 미세 플라스틱의 분해 과정에서 생성되는 화학물질들이 환경오염의 중요한, 그러나 대부분 간과된 요인이라는 가설을 세우고 이를 입증하기 위한 공동연구를 수행하고 있습니다. 이 공동연구는 해양 마이크로 플라스틱 연구분야에서 세계적으로 인정받고 있는 한국해양과학기술원 심원준, 홍상희 박사 팀과 수행하고 있습니다. 이 가설이 확인된다면 플라스틱 폐기물의 환경적 영향에 대한 이해를 재평가할 필요성을 제기하고, 이러한 영향을 완화하는 새로운 정책을 개발해야 할 수 있습니다.
그림 3. 대한민국 거제시의 재활용 센터에 수거된 해양 부표들의 사진, 벗겨진 후의 표면 샘플, 벗겨진 후의 내부 부분, 부표의 확대된 단면(표면은 검정색과 노란색이었으며, 내부 부분은 EPS의 원래 흰색을 유지하였음).
[그림 3]은 연구에 사용된 해양 플라스틱 부표의 사진을 보여주고 있습니다.[참고문헌 2] MSCRC 공동연구를 통해 얻은 결과에 의하면 각각의 부표가 1년 동안 광분해를 통하여 mg 단위의 화합물들을 생성합니다. 대한민국에만 천만 개 이상의 부표가 사용되고 있다는 점을 고려하면 전 세계적으로 많은 양의 화합물들이 부표의 분해를 통하여 매년 바닷물로 유출되고 있다는 것을 알 수 있습니다. MSCRC 연구진은 PP, PET, Nylon 등 다양한 플라스틱 의 분해산물로 연구대상을 확장하고 있습니다.
Project 4. 미세먼지 속 유기 화합물 연구
현대 환경 과학에서 공기 중 입자상 오염물질 (PM) 연구는 매우 중요합니다. PM은 환경, 기후, 그리고 모든 생물체의 건강에 영향을 미친다고 알려져 왔습니다. 그러나 PM에 포함된 화학 성분이 매우 다양하므로, 이 성분들에 대한 과학적 규명이 필요합니다. PM 연구에서 주요한 도전과 기회가 공존하는 곳이 있는데, 바로 이 유기 분자들의 화학 구성물이 대부분 알려져 있지 않다는 사실입니다. 유기 분자들의 상세한 화학적 특성을 이해하지 못한다면, PM과 대기간 상호 작용들과 그들이 초래할 수 있는 결과를 이해하고 예측하기 어렵습니다. MSCRC의 연구진은 PM에 포함된 유기 분자들의 특성과 행동을 이해하기 위한 공동연구를 활발하게 수행하고 있습니다. 대한민국, 몽골, 중국, 일본, 한국기초과학지원연구원 김영환 박사팀과 공동으로 진행되는 연구에서는 서울, 울란바토르, 북경, 노토에서 1년간 채집된 300개 이상의 미세먼지 시료로부터 추출된 유기물질을 고분해능 크로마토그래피-초고분해능 질량분석기를 활용하여 분석합니다. 얻어진 방대한 양의 데이터를 인공신경망 분석 (neural network analysis)을 통하여 해석합니다. MSCRC 연구진은 인공신경망 계산에 사용된 가중치(weight) 를 해석하여 필요한 화학정보를 얻어내는 방법을 개발하였습니다. 이 방법을 미세먼지로부터 얻어진 초고분해능질량분석 스펙트럼에 적용하여 PM에 존재하는 유기 분자들의 계절적이고 지역에 따른 차이를 연구하고 있습니다. 공동연구의 전반적인 흐름이 [그림 4]에 표현되어 있습니다.
현재까지 얻어진 결과에 의하면 울란바토르의 미세먼지는 석탄 연소를 통하여 생성된 SOx 화합 물들이 대기 중에서 이차반응을 거쳐서 발생된 화합물들이 주요 성분을 이루고 있습니다. 베이징과 서울의 미세먼지에서는 NOx 유기 화합물과 불포화고리를 가진 화합물들이 다수 검출되었습니다. 특히 겨울철 시료에서 이들 화합물이 발견되었고 이를 통하여 겨울철에 화석연료 연소과정에서 생성된 화합물들이 미세먼지 발생에 기여한다는 제안을 하게 되었습니다. 이 결과는 2D GC-MS에 의한 분석 결과와 일치합니다. 현재 울란바토르에서 출발한 미세먼지의 이동이 대한민국 미세먼지에 미치는 영향을 탐구하고 있고, 또한 청정지역으로 알려진 일본 노토에서 채집된 시료와 비교를 통하여 미세먼지 발생에 기여하는 자연적인 영향 요소를 연구하고 있습니다.
MSCRC 연구진은 미세먼지 연구를 통하여 인간 활동과 자연 과정들이 에어로졸 오염에 어떻게 기여하는지에 대한 통찰력을 얻고자 합니다. 이런 이해는 기후 변화, 도시화, 산업화, 또는 기타 요인들에 의해 발생되는 미세 먼지의 생성 및 변화를 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그림 4. 국제공동연구에 의하여 채집된 PM 시료의 초고해상도 질량분석법과 인공 신경망 분석을 결합하여 수행된 연구의 흐름
Project 5. 대사체 데이터 표준화 공동 연구
최근 해외 및 국내에서 타 오믹스 분야와 더불어 대사체학 연구 관련 데이터가 급속히 생산되고 있으나, 대사체 데이터의 경우 표준화가 어렵고 대사체 데이터 품질 관리를 위한 지표가 없어서 타 연구자들이 이미 생산된 대사체 데이터를 활용하는데 어려움을 겪고 있습니다. 해외 주요 선진국들은 대사체 데이터 센터 구축을 통하여 전 세계를 대상으로 대사체 빅데이터를 축적 및 공유하는 글로벌 오픈 플랫폼을 운영하고 있습니다(미국 Metabolomics Workbench, 유럽 MetaboLights 등). 이에 MSCRC 연구진은 한국 바이오 데이터 스테이션(K-BDS) 등록에 필요한 대사체 데이터의 품질관리 및 큐레이션을 대사체 데이터 품질선도센터와 함께 수행하고 있습니다.
구체적인 연구 내용으로는 K-BDS 등록을 위한 대사체 데이터 생산에 필요한 1) 대사체 데이터 표준화, 품질 관리 및 큐레이션을 위한 표준작업지침서(SOP) 개발, 2) 대사체 데이터 품질관리 평가 지표 및 프로그램 개발, 3) 대사체 데이터 큐레이션 SOP 개발 및 4) K-BDS 입력 표준 제안 등이 있습니다. 특히 본 MSCRC에서는 표적 지질체 분석을 위한 SOP 개발 및 품질관리 지표 마련을 위하여, 질량분석기를 이용하여 레드/그린/화이트 바이오 시료 중 표적 지질체 분석 및 교차 검증을 수행하고 있습니다. 또한 내부표준물질 및 품질관리 시료를 활용한 품질관리 지표도 개발하고 있습니다. 대사체 데이터 품질관리를 위한 지표에 대한 내용이 [그림 5]에 표현되어 있습니다.
그림 5. 대사체 데이터 품질관리를 위한 지표 검증
Project 6. 공동연구 및 샘플분석 의뢰를 위한 이용 절차
공동연구를 위한 시료 분석에서는 시험 샘플 제공자와 분석 진행자 간에 샘플 및 진행 중인 연구에 대한 정 보를 반드시 공유해야 합니다. 질량 분석기와 같이 고가의 민감한 장비를 사용하여 샘플을 분석하는 경우 이 필 요성은 더욱 증가합니다. 따라서 MSCRC에 분석 요청 및 공동 연구를 수행하기 위해 [그림 7]에 명시된 절차를 따르게 됩니다. 분석 비용은 분석을 수행하는 연구원의 시간 사용, 협동 연구의 범위, 사용되는 장비의 종류, 샘플 및 화합물의 개수, 정성 및 정량 분석 등에 따라 달라집니다. 센터에 대한 더 많은 정보를 원하는 연구자는 https://www.zeus.go.kr/cloud?cloudId=201812080404&coreYn=Y를 방문하거나 센터의 연구원에게 이메일 (ckpcbknu@knu.ac.kr)로 문의 바랍니다. MSCRC는 질량 분석 및 분리 분석 전문가와 함께 협력을 원하는 전국의 모든 연구자에게 문을 열고 있습니다.
데카르트는“나는 생각한다. 고로 존재한다.”라는 명제를 통하여 자연과학적 방법으로 물질세계의 진리를 찾을 수 있다는 논리적 근거를 전달하였습니다. MSCRC는“물질은 질량을 가진다. 고로 존재한다”라는 생각을 바탕으로 대한민국 과학의 발전에 기여하고자 최선을 다하겠습니다.
그림 6. “질량분석융복합연구센터”에 분석 의뢰 및 공동연구 수행을 위한 절차 안내
[참고문헌]
1. Proceedings of the National Science Academies of the United States of America, 2022, 119, e2113947119.
2. Marine Pollution Bulletin, 2023, 192, 114998.
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