바이오 헬스케어 분야 국가연구개발 특허 성과 분석을 통한 투자 효율화 연구

권영은 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내석사

2017년 국가연구개발의 BT 분야 투자는 약 3조 4천억원에 육박하였고 전체 비중의 19.3%로 가장 많이 투자되었다. 정부에서 이토록 바이오 헬스케어 분야에 투자 규모를 확대하고 있는 것은, 새로운 경제를 견인할 “바이오 경제” 패러다임을 전망했기 때문이다. 이처럼 확대되는 바이오 분야의 연구 규모 확대에 따라 본 연구는 바이오 헬스케어 분야 국가연구개발의 기술 융합 파악을 위해 IPC 기반 특허 성과 네트워크 분석을 시도함으로써 기존 통계적 국가연구개발 성과분석의 한계를 개선하고 데이터 분석 기반의 바이오 헬스케어 분야 국가연구개발 투자 방향성 및 효율성을 제시하고자 하였다. 본 연구는 국가연구개발 사업 관련 과제, 성과 등의 정보를 정량적으로 제공하고 있는 NTIS로부터 데이터를 입수하여 바이오 헬스케어 분야의 2008년부터 2016년까지 총 9년간의 과제 및 특허 성과 정보를 데이터로 활용하여 기초 통계 분석, 차이 분석, 네트워크 분석, 연도별 네트워크 클러스터 분석을 수행하였다. 기초통계 분석 결과 바이오 헬스케어 분야 연구투자비의 연평균 성장률이 8.94%로 전체 국가연구개발 5.84% 대비 빠르게 성장하고 있는 것으로 나타났다. 특히 특허 성과는 전체 국가연구개발보다 2배가량 많은 성과를 생산하고 있음을 확인했으며, 바이오 헬스케어 분야의 질적 성과인 특허 성과는 대폭 증가하는 반면에 경제적 성과인 기술이전과 사업화 성과는 미흡한 것으로 나타나, 경제적 성과의 확대 필요성이 강조되는 분석 결과인 것으로 확인됐다. 전체 네트워크의 클러스터를 기준으로 기술 분류를 추출한 결과 진단 기술, 의약품기술, 질병 마커 기술, 나노 바이오 기술로 구분되었다. 구간별 네트워크를 분석으로는 클러스터별 기술인 진단 기술, 의약품기술, 재료분석 기술, 나노 바이오 기술이 융합·진화하는 것을 확인했다. 우선 진단 기술은 연구 규모가 대폭 확대되어가며 AI 기술, 전자통신기술, 의료기기들이 활발히 융합되고 있고 의약품 기술은 질병마커 기술과 융합하여 신의약품 기술로 확대되었다. 나노 바이오 기술은 초반 반도체, 나노재료에서 세분화 되며 각각 나노 측정 기술, 나노 소재로 확산되거나 신의약품 기술로 융합되는 형태를 나타냈다. 본 연구의 바이오 헬스케어 분야 국가연구개발 특허 성과 네트워크 분석 결과로 얻은 시사점으로는 첫째, 기술이전 및 사업화 네트워크 분석 결과에서 의약품분야 클러스터에서 대조적으로 식료품 기술군과 신의약품이 기술군이 도출되었다. 향후 시장 진입 장벽이 낮은 식품기술군보다 하이테크 기술인 질병 바이오마커, 정밀진단, 단백질 치료제, 유전체기술 분야에 집중적으로 연구개발 투자를 확대해야 함을 시사했다. 둘째, 진단 기술 분야의 경우 AI 관련기술의 융합성이 증폭되는 현상을 확인했다. 하지만 데이터 연구 측면을 분석한 결과 외생데이터 연구개발에 편중되어 있음을 확인했다. 앞으로 유전체 데이터, 임상데이등 균형적 데이터 분석과 연구가 수행되어야 하겠다. 본 연구 결과는 바이오 헬스케어 분야의 정책 시행으로 인한 성과의 변화를 직관적으로 해석 가능하게 했으며 국가연구개발로 생산되는 특허 성과를 통해 기술적 세부 특성을 도출하고 기술 융합 측면에서 데이터 분석 기반의 국가연구개발 투자 방향을 제시할 수 있었다는데 그 의의가 있다. 앞으로 본 연구에서 활용한 국가연구개발 특허 성과 분석 방법을 향후 다양한 분야에 적용함으로써 타 분야의 전략적 정책 수립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Synthesis of Iron-containing Porous Adsorbents and their Application as Photocatalysts to Remove BTEX and Malodorous Pollutants

김수호 과학기술연합대학원대학교(UST 2021 국내박사

Gaseous pollutants form photochemical smog through chemical reactions with strong ultraviolet rays in the atmosphere and produce acid rain when combined with water vapors. This not only causes environmental pollution but threatens the existence of living things. Therefore, measures are needed to control, reduce, and eliminate these gaseous pollutants at the source point or after generation. Existing environmental detoxification processes have mainly utilized adsorption using activated carbon and photocatalytic oxidation using titanium dioxide to eliminate gaseous pollutants. However, activated carbon is costly to regenerate, and titanium dioxide requires continuous UV-irradiation to maintain its catalytic activity. Therefore, it is necessary to develop new materials that can be used economically and effectively for gaseous pollutant removal. In this study, Fe/ZSM-5 (FZ5) and Fe/amorphous silicalite (Fe/AS), which are porous inorganic adsorbents, were synthesized. The synthesized adsorbents were studied in pristine and UV-activated forms to determine their effectiveness in the adsorptive–oxidative removal of gaseous pollutants. The gaseous pollutants used in the study included volatile organic compounds (VOCs) mixed with benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene (BTEX) as well as sulfur compounds (H2S, MM, DMS, and DMDS). The focused on determining the fundamentals of UV-activation on the structural and functional properties of the material and the impact of these modifications on adsorption and photocatalytic behavior. The batch experiments showed that BTEX adsorption efficiency of UV-activated FZ5 and Fe/AS was 86 % and 93 %, respectively, which was significantly higher than those observed for pristine materials. These enhanced adsorption performances were linked to the formation of new iron active sites, modification of pore properties, and increase in hydroxyl density. Continuous experiments conducted to eliminate BTEX showed that UV-Fe/AS exhibited higher adsorption efficiency and regenerative capacity than UV-FZ5 over multiple cycles. These results demonstrated that the hydrogen bonding between BTEX molecules and silanol groups was more significant than the cation-π interactions between the π electrons of phenyl rings present in BTEX and the Fe3+ ions in UV-Fe/AS. On the contrary, for UV-FZ5, adsorption proceeded mainly by cation-π interactions. The effectiveness of synthesized Fe-containing adsorbents was studied for the removal of gaseous sulfur compounds with notable efficiency observed for UV-activated adsorbents. In continuous sulfur-based odorous gas removal experiments, UV-FZ5 maintained high adsorption capacity for several cycles. The relatively high iron content of UV-FZ5 compared to UV-Fe/AS promoted adsorption. The adsorption over UV-FZ5 was primarily governed by electrostatic interactions occurring between Fe3+ ions and sulfur in gaseous molecules. In the case of UV-Fe/AS, the adsorption process was driven by both electrostatic interactions and hydrogen bonding. Notably, increased surface area and pore volume of adsorbents were observed (more than twice) after multiple adsorption–oxidation cycles, which violated the conventional rule of decreased surface area with usage. However, this incremental development in the surface area and porosity made these adsorbents highly suitable for removal of VOSCs (MM, DMS, and DMDS). Using microscopic and spectroscopic techniques, it was deduced that UV-activation alters the structure to a lower extent in FZ5 due to its highly stable zeolitic framework, which delocalizes the adsorbed energy. However, the impact of UV-irradiation was distinctly visible in iron species coordination during which a fragment of iron species as an oxide transformed to framework iron. The strong impact of UV-activation on Fe/AS structure was linked to its less stable amorphous Si-O network. UV-irradiation led to the formation of larger rings with increased silanol density due to the breaking of bonds after energy absorption and structural rearrangement. These alterations generally led to the increased suitability of adsorbents for gaseous pollutant removal. Moreover, benzene and dimethyl disulfide gas decomposition into relatively harmless, low-molecular by-products, such as CO2, H2O, and CH3OH demonstrated the possibility of mineralization, and the low concentration analysis of the adsorbents demonstrated the applicability of materials in indoor air quality management.

KMTNet으로 관측된 미시중력렌즈 행성 사건들의 특성 연구

김윤학 과학기술연합대학원대학교(UST) 2021 국내박사

이 논문에서 미시중력렌즈 기법(microlensing technique)으로 발견한 세 가지 외계행성의 특성을 보이고, 이를 통해 미시중력렌즈 기법이 우리 은하의 행성 분포학(planet demographics)연구를 위해 제공할 수 있는 상보적인 외계행성 표본의 특성에 대해 고찰한다. 첫 번째로, OGLE-2017-BLG-1049 사건의 분석 결과이다. Caustic-crossing 현상의 감지덕분에, the angular Einstein ring radius $(\theta_{\rm E})$가 측정이 가능했던 반면, 지구 공전에 의한 시차(microlens parallax effect) 는 비교적 짧은 사건의 지속시간$(t_{\rm E}\sim29 \ {\rm days})$ 때문에 측정되지 않았다. 위의 두 가지 파라미터들은 렌즈의 질량 및 렌즈까지의 거리를 측정하는데 필요한 요소인 관계로, 베이지안 분석법(Bayesian analysis)을 통해, 렌즈시스템의 물리량을 추정하였다. 그 결과, 렌즈계의 추정된 질량은 $0.55^{+0.36}_{-0.29} \ M_{\odot}$와 $5.53^{+3.62}_{-2.87} \ M_{\rm Jup}$이고, 렌즈계 까지의 거리는 $5.67^{+1.11}_{-1.52} \ {\rm kpc}$임을 발견했다. 또한, 두 천체 사이의 투영된 거리는 $3.92^{+1.10}_{-1.32} \ {\rm au}$임을 밝혀냈고, 이 결과는 행성이 이 항성계의 snow line $(1.49 \ {\rm au})$ 너머에서 공전하고 있음을 암시한다. 추가적으로, 렌즈와 source 사이의 상대적인 고유운동 값은 $\mu_{\rm rel}\sim 7 \ {\rm mas/yr}$임을 밝혔고, 이는 렌즈와 source 가 10년 내에 분해가 가능할 정도로 분리됨을 암시한다. 두 번째로, OGLE-2018-BLG-1428 사건의 분석 결과이다. Caustic-crossing 현상이 감지되었기 때문에, $\theta_{\rm E}$는 측정이 잘 되었지만, 상대적으로 짧은 사건 지속시간$(t_{\rm E}\sim24 \ {\rm days})$ 때문에 미시중력렌즈 시차는 특정 되어지지 못했다. 따라서, 베이지안 분석법을 활용하여 렌즈계의 모항성과 행성의 질량은 각각 $0.43^{+0.33}_{-0.22} \ M_{\odot}$인 M-dwarf와 $0.77^{+0.77}_{-0.53} \ M_{\rm Jup}$인 준 목성급(sub-Jupiter)의 행성임을 발견했다. 또한, 렌즈계는 $6.22^{+1.03}_{-1.51} \ {\rm kpc}$에 위치하고 있으며, 행성계의 모항성과 행성과의 투영된 거리는 $3.30^{+0.59}_{-0.83} \ {\rm au}$이다. 이를 고려해 봤을 때, 행성은 이 항성계의 snow line $(1.16 \ {\rm au})$ 너머에서 공전하고 있음을 암시한다. 마지막으로, KMT-2019-BLG-0371 사건의 분석 결과이다. 이 사건은 행성과 항성의 질량비가 약 0.08 $(q\sim 0.08)$ 이고, 짧은 사건 지속 시간 $(t_{\rm E}\sim 7 \ {\rm days})$과 종합적으로 고려해 봤을 때, 이 렌즈계의 secondary object는 거대 행성일 가능성이 있다 (i.e., $M_{\rm p} < \ 13 \ M_{\rm Jup}$). 베이지안 분석법을 활용하여 렌즈계의 질량을 추정한 결과, $0.09^{+0.14}_{-0.05} \ M_{\odot}$의 질량을 갖는 렌즈와 $7.70^{+11.34}_{-3.90} \ M_{\rm Jup}$의 질량을 갖는 동반행성으로 이루어져 있음을 발견했다. 또한, 렌즈계까지의 거리는 $7.01^{+1.05}_{-1.21} \ {\rm kpc}$이고, 렌즈계의 모항성과 행성과의 투영된 거리는 $0.70^{+0.14}_{-0.16} \ \rm{au}$임을 밝혔다. 이는 행성이 모항성으로부터 snow line$(0.24 \ {\rm au})$ 너머에 위치해 있음을 암시한다. 추가적으로, 베이지안 분석법을 통해 렌즈계의 물리량을 추정하는 과정에서 어떠한 요소들이 결과에 영향을 주는지에 대한 연구를 수행 하였다. 이 연구를 통해, 렌즈와 source 사이의 상대적인 고유운동(relative proper motion)이 $ \mid \mu_{\rm rel} \mid \ < 10 \ \rm{mas \ yr}^{-1}$인 범위 내에서, $\theta_{\rm E}$가 렌즈의 질량을 추정 하는데 있어 큰 역할을 수행하는 요소라는 것을 발견했다.

새로운 lincRNA의 발굴과 위암에서의 기능 연구

박성민 과학기술연합대학원대학교 (UST) 2015 국내박사

Long intergenic non-coding RNA (lincRNA)를 포함하여 게놈상의 intergenic 영역의 역할은 오랜 기간 동안 사람들의 관심에서 벗어나 있었다. 그러나 최근에 개발된 유전체학적인 연구 기법들을 통해 수천 개의 long non-coding RNA들이 intergenic 영역에서 발굴되었다. 또한 이들 중 몇몇 lincRNA들은 세포의 분화, 암의 발생과 전이 등에서 중 요한 역할을 하고 있음이 밝혀졌다. 본 연구에서는 최신 유전체 연구 기법의 하나인 high-throughput RNA sequencing (RNA-seq) 기법을 이용하여 위암에서 특이적으로 발현되는 전사체들을 발굴하였다. 또한 RNA-seq 데이터와 공개적으로 이용할 수 있는 microarray 데이터를 함께 이용하여 위암에서 특이적으로 발현되는 31개의 lincRNA들을 선 별하였다. 이 lincRNA들 중의 하나인 BM742401은 expressed sequence tag (EST) 데이터베이스에 등록 되어 있으나 그 기능은 거 의 알려진 것이 없다. BM742401은 위암을 포함한 여러 종류의 암에서 발현이 억제되어 있었고, 그 발현 정도는 위암환자의 수술 후 생존율에 유의하게 연관되어 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 본 연구에서 는 BM742401을 위암 세포 내에서 과발현시켜 어떤 표현형을 나타내는 지 살펴보았다. 그 결과 BM742401은 위암 세포의 이주와 침윤을 저해 한다는 것을 알 수 있었으며, 또한 암세포 이주와 침윤을 조절하는 MMP9 유전자의 역할에 영향을 끼침을 확인할 수 있었다. 이 연구를 통해 BM742401이 위암의 예후 진단과 치료에 잠재적인 표적이 될 수 있음을 알 수 있었다.

편도체 내 억제성 사이신경세포에서의 Bestrophin 1 이온통로 발현 양상과 불안 및 공포기억에의 역할

정재영 과학기술연합대학원대학교 (UST) 2016 국내석사

불안과 공포는 불쾌한 감정이지만, 인간의 생존과 안위를 위해 유리하도록 진화되어 온 자연스러운 인간의 감정이다. 하지만 지속되는 공포와 과도한 불안은 불안 장애로 인식된다. 지금까지 공포와 불안의 기전에 관한 많은 연구가 진행되었음에도 불구하고 그 정확한 분자적 기전은 아직 밝혀지지 않았고, 따라서 치료방법 역시 제한적이다. 본 연구에서는 Bestrophin 1 (Best1) 이온통로를 통한 불안장애의 메커니즘을 제시하고자 하였다. 우선 편도체의 Best1발현 여부와 발현 양상을 면역조직화학 기법을 이용하여 확인한 결과, Best1은 GABA성 사이신경세포에 주로 발현된다는 것을 알 수 있었다. 다음, 성상교세포의 Best1을 통하여 지속성 GABA가 분비된다는 연구 결과에 근거하여, GABA성 사이신경세포에 발현되는 Best1 역시 지속성 GABA의 통로가 될 것이라고 생각하였다. 이에, 전기생리학적 기법을 활용하여 편도체에서도 지속성GABA 전류가 존재함을 확인하였고, 이 지속성 GABA는 편도체 신경세포의 활성을 억제하고 있을 것으로 예상된다. 편도체 Best1가 불안과 공포 행동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 본 연구에서는 Best1 Knockout 생쥐와 Best1 shRNA를 이용하여 편도체 사이신경세포의 Best1을 Knockdown 한 생쥐를 이용하여 개공간실험 (open field test) 및 고가식 십자미로실험(Elevated plus maze test), 공포조건화 실험 (Fear conditioning test)을 진행했다. 그 결과 Best1 Knockout 생쥐와 Knockdown 생쥐에서 대조군에 비하여 높은 불안상태를 보임을 확인하였고, 공포에 대한 기억을 오랫동안 유지하는 특징을 확인하였다. 추가적으로 pSico 를 이용한 세포 특이적 유전자 조작이 가지는 한계, 예를 들면 유전자가 조작된 세포를 형광으로 확인할 수 없다는 점을 극복하기 위하여 pSico-Red 바이러스를 개발하였다. 또한 이를 이용하여 Best1 분포 양상 또한 확인하였다. 본 연구에서는 앞서 서술한 연구결과를 바탕으로 편도체 사이신경세포의 Best1 이 불안과 공포기억에 중요한 역할을 하며, 이것이 불안 장애의 새로운 치료 타깃이 될 수 있음을 제안한다. Anxiety and fear are unpleasant but innate emotions that is critical for survival by generating appropriate behavioral responses. However, abnormal long-lasting anxiety and non-specific persistent fear are characteristics of anxiety disorder. Even though, many studies tried to figure out the mechanism of anxiety disorder, the exact molecular mechanism has been remained elusive. Therefore its treatment is still limited. In this study, we propose a mechanism of anxiety disorder through Bestrophin 1 (Best1) channel. First, we studied the expression pattern of Best1 in amygdala using immunohistochemistry. We found that Best1 is mainly expressed in GABAergic interneurons in amygdala. Next, based on the previous studies suggesting that tonic GABA is released through astrocytic Best1, we proposed neuronal Best1 in amygdala can also be the pathway of tonic GABA release. Here we confirmed tonic GABA current in amygdala using electrophysiology, which might tonically inhibit neuronal activity. To study the role of amygdala Best1 for anxiety and fear memory, we used both conditions of Best1 knockout and gene-silencing in parvalbumin-positive interneurons for performing open field test, elevated plus maze test and fear conditioning test. As a result, both groups of mice showed higher anxiety and long-lasting fear memory, compared to control groups. Additionally, to overcome the limitation of pSico vector, e.g. virus-infected cells are not distinguishable from uninfected cells due to the excision of fluorescent reporter, we developed an advanced gene-silencing system, pSico-Red. We applied this tool to confirm the expression pattern of Best1. Collecting together, we conclude that Best1 in amygdala interneuron is important for anxiety and fear memory and propose Best1 as a novel therapeutic target for anxiety disorder.

Whole genome sequencing and genome-wide analysis of Immune-relevant Genes on the Antarctic Bullhead Notothen, Notothenia coriiceps

안도환 과학기술연합대학원대학교(UST) 2015 국내박사

남극대구는 영하의 저온 Southern Ocean 환경에 적응한 대표적인 Antarctic fish 중 하나이다. 남극의 극저온 환경에 오랜 기간 동안 적응하여 생존해 온 생물이기에 연구 가치가 높으나, 그에 대한 유전자 정보는 잘 알려져 있지 않다. 이에 다수의 Next-Generation Sequencing (NGS) platform을 사용하여 다량의 genome sequence 정보를 확보하였으며 assembly 과정을 통해 남극대구의 genome sequence database를 구축하였다. 해당 genome data를 타 주요 경골어류들의 유전자 정보를 활용한 genome annotation을 통해 총 32,260 protein-coding genes을 얻었으며, BLASTp를 통하여 이 중에서 29,045 preliminary function을 지정하였다. 이 정보는 남극대구의 주요 면역기능 관련 유전자의 특성 연구에 사용되었다. 생물체의 면역체계는 외부 환경에 민감하게 반응하여 그 환경에 적응하기 위한 방어 메커니즘으로, 극한의 남극 해양 환경에 적응하여 온 남극대구의 특이적인 면역 관련 유전자의 특성을 알아보고자 하였다. 척추동물의 대표적인 면역체계 중 선천적 면역반응과 후천적 면역반응에 주요 역할을 하는 Toll-like receptors (TLR)과 Major Histocompatibility Complex (MHC) 유전자 그룹을 주요 연구 대상으로 삼았다. 남극대구의 genome data에서 이들의 유전자 정보를 선별하였으며, 각 유전자는 분자실험적 방법 및 염기서열 데이터 분석을 통해서 해당 유전체의 특성을 연구하였다. 남극대구 transcriptome data와 분자실험적 방법을 통해 총 12종의 남극대구 TLR 유전자들을 확인하여, 이 12종의 남극대구 TLR 유전자에 대해 ncTLR 1, 2, 3, 5S, 5, 7, 8, 9, 14, 21, 22, 23으로 명명하였다. 남극대구의 TLR 유전자 그룹은 TLR 분자의 전형적인 아미노산 서열 및 구조를 가지고 있었다. RT-PCR 방법을 통하여 다양한 기관과 조직에서 각 TLR 유전자들의 발현을 확인하였다. 각 TLR 유전자들은 남극대구의 대부분의 조직에서 광범위하게 발현되었으며, 특히 TLR1과 TLR3은 사용된 모든 조직 샘플에서 발현이 확인되었다. 외부 병원체에 의한 TLR 유전자들의 발현 변화를 알아보기 위해 bacterial infection 반응을 유발하는 Heat-killed E.coli (HKEB)와 viral infection 반응을 유발하는 Poly (I:C)를 남극대구 복강 내에 주입한 뒤 각 그룹 개체들로부터 필요 기관조직을 적출하고 RT-PCR을 수행하였다. 비장 조직에서 bacterial/ viral infection에 대하여 ncTLR23의 발현이 공통적으로 증가하였다. TLR23은 경골어류에 특이적으로 존재하는 TLR family 중 하나로 그 기능은 명확히 밝혀지지 않았으나, 이 결과를 통하여 TLR23은 virus와 bacteria 병원체에 대한 multiple recognition 기능에 관여함을 추론할 수 있었다. 기존에 알려진 척추동물 MHC 정보와 남극대구의 genome sequence data를 비교하여 MHC component 유전자들을 찾아내었다. 이 중에서 단일 염색체로 예상되는 scaffold 상에서 60여개의 MHC component 유전자가 밀집된 region을 확인하였다. 어류에 특이적으로 존재하는 PSMB(proteasome), TAP(tapasin) 등의 주요 MHC 관련 유전자들이 분포하는 ‘core region’의 주변에 MHC component 유전자가 밀집되어 있었다. 이는 기존에 보고된 타 경골어류들과 MHC 유전자 그룹의 구조 패턴과 유사하였다. 외부 pathogen에 대한 면역반응에 대해 보다 자세한 유전자 발현 변화를 살펴보기 위하여 RNA-seq 을 통하여 면역 반응 자극에 의한 관련 유전자들의 발현 변화 양상을 살펴보았다. 그 결과 bacterial ligand에 의해 다수의 면역 관련 유전자의 발현이 증가 되었고, 특히 TLR signaling pathway와 MHC antigen processing signal pathway 관련 유전자들의 발현이 증가하였다. 이상에서 남극대구는 주요 면역 유전자 그룹인 TLR, MHC 등에서 타 경골어류와 유사한 구성을 보이며, 어류 특이적인 면역 시스템은 진화적으로 잘 보존하고 있음을 알 수 있다. 반면 ligand에 대한 면역 반응에서는 pathogen type에 따라 특정 유전자 그룹의 발현 차이를 보였다. 따라서, 남극대구에는 타 어류와는 다른 특이적인 유전자 발현 메커니즘이 존재할 것으로 기대되며, 이 메커니즘을 이해하기 위한 후속 연구가 필요하다. Notothenia coriiceps, a typical Antarctic fish, has evolved to adapt to the freezing waters of the Southern Ocean. N. coriiceps is an endemic teleost fish with a circumpolar distribution and makes a good model to understand the genomic adaptations to constant sub-zero temperatures. Despite their adaptations to the cold, genome-wide studies have not yet been performed on these fish due to the lack of a sequenced genome. I made genome sequence database with several Next-Generation Sequencing (NGS) platforms and assembly process. I provide the draft genome sequence and annotation for N. coriiceps by comparative genome-wide analysis with other fish genomes. Finally, I built a final gene set of 32,260 protein-coding genes. A total of 29,045 of these protein-coding genes was assigned preliminary functions with BLASTp. I reported an extensive analysis of the N. coriiceps transcriptome and used to study of immune-relevant genes. In this study, I focused on a key component of the innate immune system, the Toll-like receptors (TLRs) and adaptive immune system, Major Histocompatibility Complex (MHC). I selected immune-relevant genes from N. coriiceps genome sequence database for molecular analysis and sequence analysis. I reported an extensive analysis of the N. coriiceps transcriptome and used to study of immune-relevant genes. I found 12 ncTLR full sequences in N. coriiceps and these transcripts were listed to ncTLR 1, 2, 3, 5S, 5, 7, 8, 9, 14, 21, 22 and 23. The ncTLR genes encode a typical TLR structure, with multiple extracellular leucine-rich regions and an intracellular Toll/IL-1 receptor (TIR) domain. Using phylogenetic analysis, I established that all of the cloned ncTLR genes could be classified into the same orthologous clade with other teleost TLRs. The ncTLR genes were widely expressed in various organs, with the expression of TLR1 and TLR3 observed in all tested tissues. A subset of the ncTLR genes was expressed at higher levels in fish exposed to pathogen-mimicking agonists [heat-killed E. coli (bacterial infection stimulation) and poly I:C (viral infection)]. Among them, ncTLR23 was the most sensitive to bacterial and viral pathogen ligand stimulation. They are predicted to have diverged form in same lineage, but have different immune pathways. ncTLR23 might be associated with multiple PAMP-recognition cascades I found more than 60 MHC paralogue-genes in N. coriiceps by referring to well-known mammal and teleost MHC references. A scaffold that expected to compose single chromosome had a specific region. This region was composed of several MHC component genes densely, and was found to have a fish “Core region”. There were proteasome components (PSMB8, PSMB10, PSMB9-like and PSMB9) and the transporter for antigen processing (TAP2). Their composition is similar with patterns of other fish. It is predicted that components of MHC group were well conserved in N. coriiceps. I observed on immune response against bacterial / viral pathogenic stimulation by RNA-seq for more detail analysis. As a result of RNA-seq, a subset of the immune response genes that related TLR signaling pathway and antigen processing signaling pathway was expressed at higher level in the fish exposed to bacterial ligand than viral ligand. This result revealed that N. coriiceps have well-conserved genes in TLR, MHC and immune-relevant components, consistent with genes from other teleost fish. However, some immune-relevant genes were showed different expression patterns depend on pathogen type. Further research is required to elucidate these mechanisms and to thereby increase our understanding of their immune system.

수계 폴리이미드 전구체를 이용한 HIPPE 기반의 다공성 폴리이미드 복합 소재 개발 및 응용연구

양관수 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내석사

다공성 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계적 특성 및 전기절연성을 나타내는 소재로써 자동차, 선박 및 우주항공 분야에서 고내열성 단열재로 널리 이용되고 있으며, 고속전철에서 사용되는 대형 모터의 절연체, 반도체 층간 절연막 등 전기 전자 분야에서 고내열성 절연체로 이용된다. 이외에도 고온 안정성과 우수한 기계적 물성이 필수적인 전기자동차 배터리 분리막, 고온의 산업 배기가스 기체 분리막 등 응용 분야가 넓어짐에 따라 요구하는 물성에 맞춰, 기공 크기 및 기공률을 제어할 수 있으며 균일하게 분포된 기공을 갖는 다공성 폴리이미드 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. High internal phase Pickering emulsion(HIPPE)을 기반으로 한 다공성 고분자 복합재료(polyHIPPE) 제조법은 높은 기공률과 비표면적 및 우수한 충전제 분산성을 나타내며, 기공 크기 및 기공률 조절이 용이한 방법이다. 또한 첨가된 충전제의 특성에 따라 복합재료에 추가적인 물리적, 화학적 특성을 강화시킬 수 있기 때문에, 첨가한 충전제에 따라 다양한 응용이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 수계 기반의 폴리이미드 전구체를 이용하여 high internal phase Pickering emulsion(HIPPE) 기반의 폴리이미드 복합 폼을 제조하였다. 폴리이미드 전구체는 3차 아민을 이용한 암모늄 염 반응을 통하여 물에 용해되었고, 에멀젼의 수상(water phase)으로 이용하였다. 제조된 폴리이미드 복합 폼의 단면 모폴로지를 주사전자현미경으로 확인하였고, 높은 다공성과 우수한 입자 분산성을 확인하였다. 또한 HIPPE 제조 시 무기 입자를 80 wt%까지 과량으로 첨가하더라도 PI 복합 폼 및 필름이 균열 없이 제조되었으며, 우수한 입자 분산성을 유지하였다. 이후 간단한 압축 공정을 이용하여 복합 폼을 복합 필름으로 제조하였고 내부 기공률을 압축 공정의 온도 조건에 따라 조절하였다. 이렇게 기공률이 제어된 BN/PI 다공성 복합필름들의 열 확산도와 유전특성을 분석하였으며, 우수한 열 전도성과 낮은 유전상수 및 유전손실 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 높은 열 전도성과 낮은 유전특성을 모두 갖춘 BN/PI 다공성 복합필름의 간단한 제조 방법을 제시하고 고주파 영역에서 사용되는 전자 장치의 포장 재료로써 이용 가능성을 확인하였다.

Study on real-time classification of L-H transition in KSTAR plasmas based on machine learning

신기욱 과학기술연합대학원대학교(UST) 2019 국내박사

H 모드 운전은 실험적으로 의미 있는 토카막 장치의 성능과 ITER의 임무를 달성하기 위해 필수적이라는 것이 널리 받아들여져 왔다. 그러나 플라즈마가 H 모드일 때, 플라즈마 중심부의 고온 입자 및 에너지를 방출하는 ELM이 플라즈마의 경계부분에서 발생하게 되고 플라즈마와 처음 접촉하게 되는 토카막 용기 내부 첫번째 벽 부분과 디버터를 손상시킨다. 또한, 밀도의 급격한 변화를 일으켜 밀리미터파 간섭계 진단에 악영향을 미친다. 한편, 플라즈마 밀도에 대한 되먹임 제어의 관점에서 볼 때, 가장자리 운반 장벽 (ETB)이 생겨나 가스를 불어넣는 방식만으로는 플라즈마에 연료가 주입될 수 없고, 실시간 플라즈마 밀도의 진단 값도 ELM이 터져 나오는 동안의 밀도 변화에 밀리미터파 간섭계가 정상적으로 반응하지 않아 밀도의 진단 값이 비정상적인 값으로 관측된다. 이러한 문제를 제어하기 위해, 기계 학습 기법을 사용하여 오프라인 및 실시간에서 L-H 전이와 연관된 패턴들을 분류하는 두 가지 알고리즘들이 개발되었다. 약한 인공지능 단계에서는 어떤 현상을 인식하고 그것을 분류할 수 있는 능력을 인공지능이 학습하기 위해서 그 물리적인 현상을 잘 이해한 전문가의 지도가 필요하다. 전문가는 또한 기계가 작동하는 환경적인 요소들을 고려하여 기계 학습의 방향을 고안해야한다. L-H 전이 현상에서 중요한 물리적인 특성은 난류 수송 억제로 인해 ETB가 형성된다는 것이다. 비록 난류 수송의 억제가 일어나는 메커니즘에 대해서는 다양한 이론들이 존재하지만, 그 결과적인 현상에는 분명하고 구분되는 패턴들이 존재하기 때문에 이를 이용하여 기계 학습을 시도할 수 있다. 특히 L-H 전이가 일어날 때 급격한 감소 패턴을 보여주는 중수소에 대한 발머 계열의 스펙트럼 D_α가 이 기계학습에서 가장 중요한 진단 데이터이다. 더불어서, 부족한 학습 데이터를 보충하기 위해, L-H 전이 후에 빠르게 상승하는 패턴을 보여주는 선평균전자밀도 (n_e ) ̅가 추가되었다. L-H 전이 관련 패턴의 분류 실현가능성 연구를 위한 첫 번째 알고리즘은 후처리 실험 데이터에 의해 훈련된 SVM방식을 통해 검증되었다. 이 검증 후에, L-H 전이와 최초의 ELM 분출을 실시간으로 감지하기 위해서 실시간 실험 데이터를 사용하여 장기적인 시퀀스 패턴을 저장하는 특별한 종류의 신경망인 LSTM 방법을 적용하였다. 나아가서, 분류기가 중간 상태를 검출할 수 있게 되면서, L-H 전이 물리와 관련된 다양한 중간 현상들을 자동으로 분류하고 수집할 수 있는 기반이 확립되었다. It has been widely accepted that H-mode operation is essential for experimentally meaningful performances of tokamak devices and for achieving mission for ITER. However, when the plasma is in H-mode, the edge localized mode (ELM) occurs at the plasma edge, which release core high-temperature particles and energy and damage the first walls and divertors. In addition, it causes a sudden change in density and has a bad influence on the millimeter wave interferometer diagnosis. Besides, in terms of plasma density feedback control, the fuel into the plasma cannot be absorbed by gas puffing only due to the edge transport barrier(ETB). In order to help to control these problems, two algorithms for classification of L-H transition and the first ELM burst patterns in off-line and real-time have been developed using machine learning method. In order for a machine to learn the ability to recognize and classify phenomena in the weak artificial intelligence phase, it is necessary to provide guidance from a human expert who understands the physical characteristics of the phenomena. The expert also considers the environmental factors in which the machine works, and designs the learning direction of the machine. An important physical characteristic in the L-H transition is the formation of ETB by the suppression of turbulence transport. Although there are various theories about the mechanisms of the suppression, machine learning can be attempted because there are clear and distinctive patterns in the resulting phenomenon. In particular, a deuterium spectral line of Balmer series D_α, which shows a rapid drop pattern when the L-H transition occurs, is the most important diagnostic data in this machine learning. In addition, a line-averaged electron density (n_e ) ̅, which shows the rising pattern after the L-H transition, is added to compensate the lack of learning data. The first algorithm for classification feasibility study of L-H transition related patterns has been verified through support vector machine (SVM) method trained by post processed experimental data. After the verification, in order to detect the L-H transition and the first ELM burst in real-time, a method of Long Short-Term Memory(LSTM) which is a special kind of neural network for storing long sequential patterns was applied using real-time (raw) experimental data. Furthermore, as the classifier is able to detect intermediate states, the basis for automatic classifying and gathering various intermediate phenomena associated with the L-H transition physics was established.

동축 비접촉 마그네틱 기어가 적용된 3kW급 전기추진기의 다양한 성능해석

박준태 과학기술연합대학원대학교(UST) 2021 국내석사

대기 중 온실가스 농도가 증가함에 따라 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 방법으로 선박 추진 장치의 추진시스템의 효율을 획기적으로 개선 시켜 연료소모량을 줄이는 방향에 많은 관심이 쏠리고 있다. 현재 선박의 다양한 추진 방식 중 가장 효율적인 추진 방식은 상반회전 프로펠러 추진방식이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 무인이동체의 핵심동력원으로 활용할 수 있는 3kW급 동축 비접촉 마그네틱 기어가 적용된 상반회전 프로펠러 전기추진기를 제안하였다. 전기추진기는 인버터, 전동기, 동축 비접촉 마그네틱 기어, 상반회전 프로펠러로 구성되어 있다. 일반적으로 적용되는 기계식 기어 방식에서 동축 비접촉 마그네틱 기어로 대체하는 연구를 수행하였다. 전기추진기의 핵심부품인 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어의 고출력화를 위해 영구자석에 할박 배열을 적용하였다. 다양한 성능해석((전)자계, 강제진동, 열유동, 회전체 등)을 통해 목표사양을 만족하는 전기추진기의 핵심부품인 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어의 통계적 최적화를 수행하였다. 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어의 최적설계를 위해 각 특성에 영향을 미치는 주요한 설계변수 및 수준을 선정하고 혼합직교배열표로 샘플링을 수행하였다. 최소의 실험횟수와 최적해를 고려하여 이산설계공간과 연속설계공간에서 다양한 최적설계 방법(벌칙함수, 가중치법, 반응표면법)을 비교분석하여 토크 및 토크리플을 다목적으로 하는 최적모델을 결정하였다. 전기추진기의 핵심부품(최적화된 전동기와 동축 비접촉 마그네틱 기어, 인버터)과 전기추진기 시스템에 대한 다양한 성능해석을 수행하였다. 전기추진기 핵심부품의 최적모델 및 시스템에 대한 (전)자계 해석 및 열유동 해석을 통해 열적 안정성을 확인하였으며 (전)자계 해석 및 강제진동 해석, 회전체 해석 등을 통해 기계적 안정성을 확인하였다.

Quenching Experiments of CrAl Coated Zircaloy-4 Cladding in Water Pool & Reflooding

이관근 과학기술연합대학원대학교(UST) 2021 국내박사

A transient pool and reflood quenching experiment was conducted to investigate the quenching performance of Cr-Al coated Zircaloy-4 (ATF) cladding(tube) in the simulated conditions of a loss-of-coolant accident (LOCA). The uncoated Zircaloy-4 (Zry-4) tube was also used in this quenching test for comparison with the ATF tube. ATF tube is a potential candidate for accident-tolerant fuel (ATF), which is developed to suppress hydrogen generation at high temperature in the event of an LOCA or beyond design basis accident. In the pool quenching experiment, ATF tube and Zry-4 tube were used under low and high subcooling conditions, i.e., 0 °C and 50 °C. The thicknesses of the Cr-Al coated layer were 20 and 50 μm. Each tube specimen was heated up to 600 °C in a furnace and quenched in a water pool at constant temperature. The pool quenching experiment showed the formation of film boiling and transition to nuclear boiling at the low subcooling temperature of 0 °C. No film boiling was observed at high subcooling at 50 °C. The effect of surface roughness was found to be insignificant for pool quenching performance. Rather, tube oxidation, particularly for the Zry-4 tubes, had a remarkable influence on the minimum film boiling temperature (MFBT) and quenching time. The ATF tube did not show the effect of surface oxidation as expected because of very low tube oxidation. There is no significant difference in the pool quenching performance of the Zry-4 tube and the ATF tube at the high subcooling temperature of 50 °C. Furthermore, the ATF tube tends to decrease the quenching time with higher MFBT as the coating thickness decreases. In the reflood quenching experiment, the test conditions are the initial tube temperature(600 ℃, 800 ℃, 950 ℃), the coolant subcooling(5 ℃, 15 ℃, 25 ℃, 50 ℃) and the reflood velocity(2 cm/s, 5 cm/s. 10 cm/s). The visualized flow image and quench curve were obtained by high-speed camera and tube temperature measurements in real time. The flow visualization shows the film boiling during early stage of quenching and the transition to nucleate boiling at minimum film boiling temperature. The ATF tube shows the flow pattern similar to the Zry-4 tube during reflood quenching. The quench curves and the speed of quench front show slightly faster cooling in the ATF tube than the Zry-4 tube. The phenomena for quenching of Zry-4 and ATF did not show any difference visually in the pool and reflood quenching. The surface of ATF is difficult to oxidize due to the oxidation resistance of Cr-Al during the pool and reflood quenching experiments. ATF-Reflood has slightly better quenching performance than Zry-4 and ATF-Reflood shows slightly higher speed of quench front than the Zry-4. The ATF is quite promising for accident-tolerant cladding to decrease the oxidation rate and to suppress hydrogen generation in the event of an LOCA in a nuclear power plant.