톱10 하이라이트

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인간 배반포 유사체(Blastoids)

Nature 591 (2021년3월25일)

초기 인간 배아 발달에 대한 우리의 이해는 적절한 모델의 부족으로 인해 제한되어 있다. 이번 주 호에서는 두 개의 논문이 인간 배반포(Blastocyst, 배아 발달의 처음 며칠 내에 형성되는 세포 덩어리)의 실험실-성장 세포 모델(Lab-grown cellular models)을 이용하여 이러한 문제점을 해결하였다. 두 연구팀은 서로 다른 시작점을 이용하였다. 한 논문에서는 Jun Wu와 연구진이 인간 만능성(Pluripotent) 세포를 사용하였으며, 다른 논문에서는 Jose Polo와 연구진들이 재프로그래밍 중인 성인 섬유아세포(Fibroblasts)를 사용하였다. 두 그룹 모두 배반포와 유사한 3차원 구조를 형성하기 위해 배양접시에서 자기 조직화(Self-organize)하도록 각각의 세포를 유도할 수 있었다. 두 가지 유형의 구조(Wu 등은 이를 Blastoids, Polo 등은 이를 iBlastoids로 명명)는 초기 인간 배아의 통합 모델을 나타내지만 연구팀은 이들의 구조가 인간 배반포와 동일하지 않다는 점에 주목하였다. 그럼에도 불구하고 연구진들은 Blastoid와 iBlastoid가 불임과 임신 손실(Pregnancy loss)에 대한 연구에서 가치가 있을 것이라고 주장하였다. 표지 이미지: Ella Maru Studio

Article doi: 10.1038/s41586-021-03356-y

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-00581-3

Article doi: 10.1038/s41586-021-03372-y

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실리콘 가두연설(Soapbox)

Nature 591 (2021년3월18일)

논쟁과 토론은 인간 지능의 기본 능력이다. 이번 주 호에서 Noam Slonim과 연구진들은 인간과 경쟁적인 토론에 참여할 수 있는 인공지능(Artificial intelligence) 시스템인 Project Debater의 결과에 대해 발표하였다. 이 시스템은 4억 개의 신문 기사 아카이브(Archive)를 스캔하여 시작 진술과 반론을 할 수 있다. 연구진들은 다양한 주제에 대해 시스템을 테스트하여 다양한 베이스라인(Baseline) 및 인간 전문가 토론자와 비교하였다. 인간 전문가가 여전히 우위를 차지하고 있지만 Project Debater는 가상 청중과의 토론에서 높은 점수를 받았으며, 그 결과 AI (Artificial intelligence)가 복잡한 인간 활동에 참여할 수 있는 잠재력이 있음을 보여주었다. 표지 이미지: Yijia Xie.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03215-w

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-00539-5

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전세계 양식업에 대한 20년 후향적(Retrospective) 리뷰

Nature 591 (2021년3월25일)

Rosamond Naylor와 연구진들은 지난 20년 동안 전세계 양식업 분야의 발전에 대하여 리뷰하였다. 이 기간 동안 3가지 양식 개발 패턴이 나타났다. 1) 담수 양식의 지속적인 성장 2) 야생 어류 개체군에 대한 의존도를 줄이는 어류 영양, 유전학 및 대체 사료의 발전 3) 다양한 식품, 산업 및 생태계 서비스를 제공할 수있는 잠재력을 가진 이매패류(Bivalves)와 해조류(Seaweeds)로의 확장된 양식. 지속 가능성에 대한 진전에도 불구하고 이 분야는 지속 가능성 기준을 충족하기 위한 인센티브와 다양한 양식 시스템을 반영하는 융통성 있는 관리 방식 확립이 필요한 여러 어려운 문제점들에 직면하고 있다.

Review doi: 10.1038/s41586-021-03308-6

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van der Waals 이종구조(Heterostructure) Rolling up에 의한 고차 초격자(High-order superlattices)

Nature 591 (2021년3월18일)

서로 다른 원자적으로 얇은 2차원 물질을 van der Waals 이종 구조(Heterostructures)에 적층(Stacking)하면 흥미로운 광학 및 전자 특성을 가진 광범위한 디자이너 물질(Designer materials)에 대한 접근이 가능하다. 2개 또는 3개의 층(Layer)으로 이종 구조를 생성하는 것은 상당히 간단하나, 이를 넘어 다층 구조를 생성하는 것은 매우 어렵다. Bei Zhao 등은 더 복잡한 구조를 생성하기 위한 간단하면서도 융통성 있는 기술을 발표하였다. 2층 또는 3층 적층을 시작으로, 이러한 구조를 신중하게 선택한 액체에 노출될 때 발생하는 모세관 힘이 자발적으로 Roll up을 유도한다는 사실을 보여주었다. 그 결과 스크롤의 내부층 구조는 기존 제조 기술로는 달성하기 어려운 복잡성 수준에 도달하였으며, 이 접근법은 다양한 출발 물질에 쉽게 적용할 수 있을 것으로 보인다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03338-0

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레이저 냉각 반물질(Anti-matter)

Nature 592 (2021년4월1일)

원자의 움직임을 늦추기 위해 광자를 사용하는 레이저 냉각은 40년 전에 처음 이용되었을 때 원자 물리학의 면모를 바꾸었다. 이번 주 호에서 ALPHA collaboration은 이 기술을 반물질(Anti-matter)에 성공적으로 적용하여 새로운 영역에 적용하였다. CERN의 Antiproton Decelerator 실험실에서 연구하는 연구진들은 자기장을 사용하여 반수소(Antihydrogen) 원자를 포획한 다음, 여기에 특수 제작된 자외선 레이저의 정밀하게 조정된 펄스(Pulse)를 조사(Irradiated)하였다. 이것은 일부 원자를 느리게 하여 원자를 냉각시키고 반원자(Anti-atom)에서 측정된 원자 전이의 폭을 감소시켰다. 연구진들은 이 기술이 중력 거동을 포함하여 반물질의 근본적인 특성을 더 쉽게 조사 할 수 있도록 해줄 수 있다고 주장하였다. 표지는 반수소 원자를 형성하기 위해 반양성자와 양전자를 포획하고 조작하는데 사용되는 금으로 도금된 페닝 트랩(Penning trap)의 전극 끝을 근접하여 보여주고 있다. 표지 이미지: Niels Madsen/ALPHA/Swansea Univ.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03289-6

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-00786-6

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나노입자 초격자(Superlattice)로부터 조립된 거시적 물질(Macroscopic materials)

Nature 591 (2021년3월25일)

모든 재료(Materials)들의 물리적 특성은 구조, 즉 재료들의 기본 구성 요소의 배열에 의해 결정된다. 따라서 재료 과학(Materials science)의 주요 목표는 처음부터 완전히 거시적인 고체를 설계하는 것이다; 성분의 특성과 배열을 정밀하게 제어하여 유용한 기능을 부여한다. 본 연구에서 Robert Macfarlane과 연구진들은 이 작업을 정확히 수행하는 방법을 발표하였다. 즉, 7차에 걸쳐 계층적 순서로 독립된 센티미터(Centimetre) 규모의 고체를 만들었다. 연구진들은 초격자(Superlattices)로 자체 조립되는 중합체(Polymer)로 덮인 금속 나노 입자에서 시작하여 임의의 모양 구조로 추가로 가공될 수 있는 마이크로미터 크기의 결정을 만들었다. 이 프로세스는 기존 접근 방식에 비해 빠르며 맞춤형 재료 특성을 가진 거시적 3D 구조의 대량 생성에 대한 실행 가능한 루트를 제공할 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03355-z

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탈질화(Denitrification)에 의해 섬모 숙주에 에너지를 생성하는 혐기성 내생공생생물(Anaerobic endosymbiont)

Nature 591 (2021년3월18일)

미토콘드리아는 약 20억 년 전에 현대 진핵 세포의 전구체에 의해 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacterium)가 삼켜짐으로써 발생했으며, 호기성 호흡을 통한 ATP 생성을 담당한다. 절대 혐기성 원생 생물의 경우, 미토콘드리아의 잔재(하이드로게노솜(Hydrogenosome)으로 알려짐)가 피루브산(Pyruvate) 발효와 수소 생산을 통해 에너지를 생산하는 대체 메커니즘이 진화했다고 여겨지고 있다. 예기치 않은 반전으로 Jon Graf와 연구진들은 호흡기 탈질(Denitrification) 경로를 통해 ATP를 생성하는 혐기성 섬모 숙주에서 절대 내생공생생물('Candidatus Azoamicus ciliaticola')를 확인하였다. 이 발견은 미토콘드리아와 완전히 독립적인 ATP 생성 메커니즘을 제시하고, 미토콘드리아 잔재를 가진 진핵 생물이 미토콘드리아의 기능을 보완하거나 대체하기 위해 에너지를 제공하는 내생공생생물을 획득할 가능성을 높인다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03297-6

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-00500-6

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하전된 에어로졸 제트(Aerosol jets)를 통한 3차원 나노프린팅

Nature 592 (2021년4월1일)

Mansoo Choi와 연구진들은 금속 나노 구조를 서브 마이크로 미터까지 직접 증착(Deposition)할 수있는 특이한 3D 프린팅 전략을 발표하였다. 충전된 에어로졸은 일련의 구멍을 포함하는 반대로 하전된 마스크(Mask)에 끌리게 된다. 입자는 먼저 구멍 주변의 마스크에 증착되고 후속 렌즈 효과(Lensing effect)로 ​​인해 나머지 에어로졸 입자는 집중된 스트림(Stream) 또는 제트(Jet)의 구멍을 통해 스트리밍(Streaming)된다. 입자의 제트는 기판에 도달하고 서로 위쪽에 증착되어 3차원 금속 구조(성장 모드, Growth mode)를 형성하거나 표면에 패턴화(쓰기 모드, Writing mode)되게 된다. 모드는 기판의 이동 여부와 속도에 따라 결정된다. 기판의 빠른 움직임은 2차원 쓰기 효과(Writing effect)를 일으키는 반면, 느린 동작 또는 고정 된 기판은 3차원 구조 형성으로 이어진다. 기판 이동은 돌출형와 나선형과 같은 형태가 형성될 수 있다. 두 모드를 결합하여 연구진들은 개념 증명(Proof-of-concept) 응용을 위한 수직 분할-링 공진기(Vertical split-ring resonator) 구조를 제작하였다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03353-1

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파킨슨 병리학을 조절하는 성장 인자 활성화 리소좀 K+ 채널

Nature 591 (2021년3월18일)

전장 유전체 연관 분석(Genome-wide association studies)을 통해 파킨슨 병과 관련된 리소좀 단백질을 확인하였다. 이 연구에서 Dejian Ren과 연구진들은 리소좀 칼륨 채널 TMEM175가 파킨슨 병과 대사적으로 결합되어 있음을 발견하였다. 연구진들은 단백질 Kinase B (AKT)와의 상호작용을 통해 TMEM175에 의한 리소좀 K+ 전류의 대사 조절을 분석하였다. 파킨슨 병과 관련된 2가지 일반적인 변이의 TMEM175에 대한 영향(음성 또는 양성)을 평가하고, 세포에서의 이 효과에 대해서도 분석하였다. 환자의 기능 상실 돌연변이는 인지와 운동능력 감소를 가속화하였다. TMEM175가 없는 마우스는 신경 세포 손상이 증가하고 행동 기능이 손상되었다. 이 연구는 TMEM175–AKT가 파킨슨 병 치료를 위한 치료 표적임을 입증하였다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03185-z

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해양 변환 단층에서 확장 판구조론 및 2단계 지각 부착(Crustal accretion)

Nature 591 (2021년3월18일)

판 구조론은 해양 변환 단층을 암석권이 생성되거나 파괴되지 않는 보존형 2차원 스트라이크 슬립 경계(Strike-slip boundaries)로 이상화한다. Ingo Grevemeyer와 공동 저자들은 해양 변환 및 인접 균열 영역에서 얻은 고해상도 다중 빔 수심 측정 데이터를 편집하여 변환 계곡이 인접한 균열 영역보다 전체적으로 예기치 않게 더 깊다는 것을 발견하였다. 중앙해령-변환단층 교차지역(Ridge–transform intersections)에서의 부착(Accretion)은 매우 비대칭으로 보이며 '외부 모서리'는 더 얕은 Relief와 더 광범위한 마그마 활동(Magmatism)을 보여주는 반면, '내부 모서리'는 깊은 마디 분지가 있고 마그마 활동이 거의 없는 것으로 보인다. 저자들은 3D 수치 모델을 사용하여 이러한 현상을 변환 변형대(Transform deformation zone) 내에서 소성 전단 파괴(Plastic shear failure)로 설명될 수 있으며, 결과적으로 판 경계가 깊은 곳에서 점점 기울어지는 전단대(Shear zone)가 된다는 것을 보여주었다. 이것은 변환 시스템에서의 부착을 2단계 과정으로 만들며, 중앙해령을 따라 다른 곳과 근본적으로 다르게 된다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03278-9

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-00639-2