톱10 하이라이트

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SARS-CoV-2의 Mpro2 구조 및 억제제 발견

Nature 582 (2020년6월11일)

Zihe Rao와 연구진들은 SARS-CoV-2의 주요 Protease인 Mpro의 구조를 밝혀내었다. 구조 기반 스크리닝(Structure-based screening)을 통해 이 Protease를 억제할 수 있는 물질들을 찾아내었다. 이러한 물질 중 대부분은 promiscuous binders일 수 있으며, COVID-19 (Coronavirus disease 2019)의 치료에 이용하기에 적절하지 않을 수 있으나 이 접근법은 구조-기반 스크리닝이 새로운 감염성 질환에 대한 치료제 발견에 높은 잠재력이 있음을 보여주고 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2223-y

2

기념비에 새겨진 신석기 시대의 왕실 엘리트

Nature 582 (2020년6월18일)

표지는 동지(Winter solstice)가 지난 후 아일랜드 County Meath의 Newgrange 연도분(Passage tomb)을 비추는 햇빛을 보여주고 있다. 이번 주 호에서 Daniel Bradley와 연구진들은 5,000여 년 전, 이 나라 지배 조직의 거석 및 다른 거석 유적지의 유물에 대한 유전자 분석 결과를 발표하였다. 44 명의 전체 게놈을 샘플링한 연구자들은 Newgrange 무덤에 있는 성인 남성의 잘 보존된 유골이 부모와 자식 또는 형제 자매 사이의 근친상간을 통해 태어난 자손임을 발견하였다. 그들은 다른 두 곳에서 이 남성의 먼 친척을 발견하였다. 연도분 매장지와 샘플링된 다른 유전자 간에 더 넓은 식이(Dietary) 및 유전적 차이가 나타났다. 이를 통해 그들은 지배 계급이었을 것이며, 지도자들은 왕족 근친상간을 통해 다른 사람들과 구별되도록 했을 것이다. 표지 이미지: Ken Williams/shadowsandstone.com

Article doi: 10.1038/s41586-020-2378-6

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-01655-4

3

만능 줄기 세포(Pluripotent stem cells)로부터 생성된 모발이 자라나는 사람 피부

Nature 582 (2020년6월18일)

시험관(In vitro)에서 사람 피부를 성장시킬 수 있는 배양 시스템 개발을 개발하기 위한 많은 시도가 이루어져왔다. 그러나 일반적으로 이러한 시스템들은 상피(Epidermal) 및 진피(Dermal) 세포의 단순한 층으로 제한된 조직으로 구성된 사람 피부와 동일한 복잡성을 가진 조직을 생산하는데 실패하였다. 저자들은 인간 만능 줄기 세포((Pluripotent stem cell )로부터 피부 오가노이드(Organoid)의 생성하였으며, 이를 4-5개월 동안 배양할 경우 모낭, 피지선 및 감각 신경 회로와 같은 복잡한 구조로 발달되었다. 특히, 면역 손상된 마우스의 피부에 이식될 때, 이 오가노이드는 사람의 모발 함유 피부의 패치를 형성 할 수 있다는 것을 발견했다. 이 연구는 피부 생명 공학의 발전에 기여하고, 피부 재건 치료의 강력한 잠재력을 지니면서 피부 발달 및 질병 연구를 위한 귀중한 수단을 제공할 것으로 보인다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2352-3

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-01568-2

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지구 궤도 연구 실험실에서 보스-아인슈타인 응축수(Bose–Einstein condensates) 관찰

Nature 582 (2020년6월11일)

BEC (Bose–Einstein condensate)를 형성하기 위해 원자 가스를 냉각 및 포획하여 거시적 규모(Macroscopic scale)로 양자 행동을 검사 할 수 있다. 그러나 중력의 방해에 의해 물질의 기묘한 상태(Exotic states)를 정확하게 제어하기는 어렵다. 이번 주 호에서 Robert Thompson, David Aveline와 연구진들은 중력의 제약에서 벗어나 궤도에서 생성된 최초의 BEC에 대하여 자세히 발표하였다. 연구원들은 2018년 6월에 국제 우주 정거장에 설치된 Cold Atom Laboratory를 이용하였다. 중력의 제약에서 벗어나면서 자유롭게 진화하는 BEC는 더 오래 관찰 할 수 있을 정도로 매우 안정적이었으며, 지구에서는 사용할 수 없는 트랩(Trap) 형태로 유지 될 수 있었다. 우주 정거장에서 BEC를 생성하고 유지하는 능력은 기본 양자 효과의 고정밀 측정을 수행 할 수 있는 잠재력을 제공해야 한다. 표지 이미지: Jasiek Krzysztofiak/Nature

Article doi: 10.1038/s41586-020-2346-1

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-01653-6

5

뛰어난 인성을 갖춘 계층 구조의 다이아몬드 복합재

Nature 582 (2020년6월18일)

다이아몬드는 매우 강력한 경도를 가지고 있는 것으로 유명하지만, 인성(Toughness, 파괴에 대한 민감성) 측면에서 그리 좋은 점만은 아니다. 일반적으로 재료는 하나를 향상시키기 위한 전략이 종종 다른 하나를 저하시키므로, 이 두 특성 사이에는 상충 관계가 성립된다. 자연계에서 일부 복합 재료(Composite materials)는 계층 구조적 미세 구조, 즉 자연 진주층의 ‘bricks-and-mortar’ laminations을 채택함으로써 이러한 명백한 이분법을 극복하여, 단단하고 거친 재료를 만들어낸다. Yonghai Yue와 연구진들은 유사한 구조적 개념이 알려진 모든 재료를 능가하는 경도와 인성의 조합을 나타내는 다이아몬드 복합재를 어떻게 생산할 수 있는지를 보여주고 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2361-2

6

Magic-angle 그래핀

Nature 582 (2020년6월11일)

Magic-angle twisted bilayer 내에서 상관된 절연상(Insulated phase)과 초전도상(Superconducting phases)의 기원은 여전히 논쟁의 대상이다. 잠재적인 메커니즘에는 Flat band 내 강한 전자-전자 상호작용 또는 Mott 절연상에 의해 발생한 초전도성(Superconductivity)이 포함된다. Shahal Ilani와 연구진들은 Magic-angle graphene 내에서 고 에너지 대칭 깨짐 상태(High-energy symmetry-broken state)가 상기의 2가지 상관된 상(Phase)을 일으킨다고 발표하였다. 이러한 'Parent state'는 동일한 Dirac bands를 반복적으로 채우는 Sisyphean phase 전이의 증폭을 유발한다. 이는 Graphene에서의 초전도성에 대한 메커니즘을 이해하는데 중요하다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2373-y

7

난기류에 의한 주파수 콤(Frequency combs)

Nature 582 (2020년6월18일)

광자 시스템(Photonic system)에서 파동 불안정성(유체 역학에서 난류를 발생시키는 메커니즘)과 Coherent locking의 결합은 Frequency combs으로 알려진 주기적인 변조 파형을 유발한다. 미세 공진기(Microresonator)에서 파동 불안정화는 Constituent crystal 내에서의 분산 및 비선형성의 상호 작용의 영향을 받는다. Marco Piccardo와 공동 저자들은 낮은 펌핑 레벨의 링 레이저(Ring lasers)에서도 비슷한 메커니즘이 존재한다는 사실을 밝혀내었다. 연구진들은 초고속 gain recovery가 어떻게 선폭 향상(Linewidth enhancement)에 의해 제공된 레이저 장(Laser field)의 위상-진폭 커플링으로 인한 위상 난류로 인해 Frequency comb regime이 생성되는지를 보여주고 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2386-6

8

Magic-angle 비틀림 이중층 그래핀

Nature 582 (2020년6월11일)

2D 물질의 이중층 내 비틀림 각(Twist angle)은 전자 밴드 구조(Electronic band structure)와 상관관계를 설계할 수 있는 강력한 자유도(Degree of freedom)로 입증되었다. 그러나, 전자-전자 상호작용과 Spin과 Valley와 같은 다른 자유도 사이의 상호작용은 아직까지 잘 알려져 있지 않다. Ali Yazdani와 연구진들은 magic-angle twisted bilayer graphene 내의 상호작용이 spin- and valley-degenerate 전자 밴드를 분열시킬 수 있을 만큼 매우 강하다는 사실을 입증하였다. 이 결과는 band filling의 역할을 하는 2D 물질의 분광 특성 전이의 발견을 기반으로 한다. 이러한 결과는 Bilayer graphene에서 초전도성(Superconductivity)을 포함하여 상관된 위상과 관련된 미시적인 메커니즘에 대한 정보를 제공한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2339-0

9

In situ 전환된 nigral 뉴런이 있는 파킨슨 병 모델의 역전(Reversing)

Nature 582 (2020년6월25일)

파킨슨병은 신경전달물질인 도파민을 생성하는 뉴런이 손상되어 발생하는 질환이다. 명확한 치료법은 아직 없으며, 현재의 치료는 증상 완화에 중점을 두고 있다. 이번 주 호에서 Xiang-Dong Fu와 연구진들은 질병으로 손상된 뉴런들을 대체하기 위해 새로운 뉴런을 생성하는 방법을 발표하였다. 연구진들은 PTB 라 불리는 RNA-결합 단백질의 농도를 고갈시킴으로써 마우스에서 성상세포(Astrocytes)를 기능성 뉴런(Functional neurons)으로 효율적으로 변환할 수 있는 단일 단계 방법(Single-step method)을 확립하였다. 새로운 뉴런은 도파민의 손실을 역전시키고 마우스 질병 모델에서 일부 운동 기능을 회복시켰다. 또한 이 기술은 in vitro에서 사람 세포와 함께 작동하여 파킨슨 병과 같은 퇴행성 신경 질환의 치료법을 제시할 수 있을 것으로 보인다. 표지 이미지: Lantao Gou

Article doi: 10.1038/s41586-020-2388-4

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-01817-4

10

복잡한 테셀레이션(Tessellations)으로 연질 미립자의 자체 템플릿 조립

Nature 582 (2020년6월11일)

2차원의 구형 콜로이드 입자(Spherical colloidal particles)의 자기 조립(Self-assembly)은 입자들 사이에 방향성 결합 상호작용이 도입되거나 이종 입자가 사용되지 않는 한 가장 낮은 에너지 상태에서 육각형 격자(Hexagonal lattices)를 형성한다. Lucio Isa와 연구진들은 한 가지 유형의 Core–shell microparticle를 조립함으로써 예기치 않은 구조적 풍부도(Structural richness)를 달성할 수 있음을 보여주었다. 예상되는 육각형 격자를 형성하는 단층의 입자를 증착(Deposit)하였으나, 증착 각도 및 Pairwise 전위에 따라 가장 윗층 위로 2번째 층을 추가하면, 예상치 못한 대칭 및 복잡성을 갖는 입자 패턴이 생성되는 것을 확인하였다. 이는 방향성 결합없이 달성되며, 형성된 구조는 평형 구조이며, 다양한 응용 분야에서 이러한 복잡한 격자를 사용할 수 있는 가능성을 열어준다. [Article, 219쪽].

Article doi: 10.1038/s41586-020-2341-6