톱10 하이라이트

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21세기 초에 가속화된 전세계 빙하 질량 손실

Nature 592 (2021년4월29일)

빙상(Ice sheet)의 질량 손실과 그에 따른 해수면 상승을 추정하기 위해 수많은 접근법이 사용된다. 그러나 이러한 기술의 대부분은 빙하 모니터링에 적합하지 않다. Romain Hugonnet과 연구진들은 2000년~2019년까지 지구의 모든 빙하의 고도 변화를 문서화한 방대한 데이터들을 평가하였다. 연구팀은 고도 변화로부터 관측된 해수면 상승의 약 1/4을 차지하는 연간 267 ± 16 기가톤(Gigatonnes)의 질량 손실을 계산하였다. 연구팀은 대량 손실률의 광범위한 지역적 차이가 문서화되었으나, 그럼에도 불구하고 연간 약 50 기가톤의 질량 손실이 가속되고 있다고 예상하였다. 중요하게도 이 결과는 빙하 질량 손실을 둘러싼 불확실성을 매우 감소시켰다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03436-z

2

개별 표면 하이드록시기(Hydroxyl) 산도(Acidity)에 대한 직접 평가

Nature 592 (2021년4월29일)

표면의 양성자화 및 탈양성자화는 산-염기 촉매 및 전기 및 광촉매 물 분해에서 중요하며, 광물 거동(Mineral behaviour)과 생화학에 영향을 미친다. 이는 분자에 대해서는 쉽게 평가되지만 고체에 대해서는 평가하기 어려운 산도(Acidity) 측면에서의 특징을 가진다. Ulrike Diebold와 연구진들은 비접촉 원자력 현미경 측정법을 통해 4가지 유형의 표면 산소 원자에 부착된 개별 하이드록시기(Hydroxyl unit)의 수소 결합 강도를 조사할 수 있음을 보여주었다. 다른 산화물 물질에도 적용할 수 있는 이 접근법은 개별 표면 부위의 산도(Acidity)를 원자 정밀도로 조사하고 비교할 수 있게 해준다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03432-3

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척추의 개척

Nature 592 (2021년4월29일)

척추동물 게놈 프로젝트는 생물학, 질병 및 보호에 대한 근본적인 문제들을 해결하기 위해 대략 70,000개의 살아있는 척추동물종에 대한 고품질 참조 게놈(Reference genome)을 조립하는 것을 목표로 한다. 이번 주 호에서 본 프로젝트는 포유류, 조류, 파충류, 양서류, 어류 등 주요 척추동물 Class를 대표하는 16종에 대한 최초의 고품질 게놈을 발표하는 대표 논문을 출판함으로써 이러한 목표를 향해 한걸음 내디뎠다. 연구진들은 처음으로 애나 벌새(Anna’s hummingbird, 표지에 있는 Calypte anna)의 시퀀싱 및 조립 방식을 평가한 후 다른 15개의 게놈을 조립하기 위해 연구 결과를 적용하였다. 그 결과 연구팀은 오류를 수정하고 기존 게놈에 누락된 서열을 추가하였으며, 게놈 진화와 생물학에 대한 몇 가지 질문들에 답할 수 있었다. 추가 게놈을 포함한 관련된 논문에서 프로젝트의 구성원들은 척추동물의 게놈 분석을 기반으로 신경 전달 물질 옥시토신(Oxytocin)과 바소토신(Vasotocin) 및 이들 각각의 수용체에 대한 보편적 명명법을 제안하였다. 연구진들은 오리너구리(Platypus)와 짧은 코 가시두더지(Short-beaked echidna)에서 성 염색체의 복잡한 진화에 대해 밝혀내었다. 또한, 연구진들은 일반적인 마모셋 원숭이(Marmoset)에서 모계 염색체와 부계 염색체 사이의 다양한 관계를 발견하였다. 표지 이미지: Visuals Unlimited/Nature Picture Library.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03451-0

Article doi: 10.1038/s41586-020-03040-7

Article doi: 10.1038/s41586-020-03039-0

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별의 죽음

Nature 592 (2021년4월22일)

표지 이미지는 초신성(Supernova)의 잔존물인 카시오페이아(Cassiopeia) A를 보여주고 있다. 지난 몇 년 동안 시뮬레이션은 중성미자(Neutrino)가 카시오페이아 A와 같은 핵 붕괴 초신성으로 이어지는 폭발 메커니즘을 유도할 수 있음을 시사하였다. 이번 주 호에서 Toshiki Sato와 연구진들은 이 메커니즘을 뒷받침하는 관찰 증거를 발표하였다. 연구진들은 카시오페이아 A에서 나온 철이 풍부한 가스 일부를 조사하여 이들이 안정한 티타늄과 크롬을 함유하고 있음을 관찰하였다. 철에 비해 이러한 원소들이 풍부하다는 것은 이들 원소가 초신성을 생성시킨 폭발을 촉발하는데 도움이 되는 중성미자 유도 plumes 에서 형성되었을 것임을 의미한다. 표지 이미지: X-ray: NASA/CXC/RIKEN & GSFC/T. Sato 등; 광학: NASA/STScI.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03391-9

5

중엔트로피 합금(Medium-entropy alloy)에서 화학적 단범위 규칙(Chemical short-range order)의 직접적 관찰

Nature 592 (2021년4월29일)

본 연구에서는 회절(Diffraction) 및 전자 현미경을 통해 VCoNi 중엔트로피 합금(Medium-entropy alloy)에서 CSRO (Chemical short-range atomic-scale ordering)의 직접적인 실험적 증거를 보여주고 있다. 이 논문은 특이적 결정학적 방향 분석이 매우 중요하다는 것을 보여주었다. 모델링은 단범위 규칙(Short-range ordering)이 첫 번째 인접 Shell 내부에 연결하기 위해 다른 원소 쌍에 대해 가장 인접한 것을 선호함을 시사하고 있다. 저자들은 소성 변형(Plastic deformation)이 관찰된 단범위 규칙을 방해하지 않는 것으로 보이며, 국소 화학적 배열과 전위(Dislocation) 상호작용 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대해서도 발표하였다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03428-z

6

폴리펩타이드 유기 라디칼 배터리

Nature 593 (2021년5월6일)

리튬 이온 배터리는 현대 사회에서 널리 사용되고 있으며, 기하급수적으로 계속 확장되고 있는 전세계 전기 자동차뿐만 아니라 대다수의 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는데 이용된다. 그러나 이러한 많은 이용에도 불구하고 문제가 존재한다: 이러한 배터리 중 극히 일부만 재활용되고 있으며, 이를 만드는 데 필요한 물질은 점점 희소해지고 있으며, 채굴에도 많은 비용이 든다. 본 연구에서 Jodie Lutkenhaus와 연구진들은 전유기 라디칼(All-organic radical) 배터리의 형태로 잠재적인 해결책을 제공하였다. 산화-환원(Redox) 활성 폴리펩티드(Polypeptide)는 금속이 없는 유기 전해질을 사용하여 음극 및 양극 물질로 작용한다. 이 배터리는 뛰어난 개념 증명(Proof-of-concept) 에너지 저장 성능을 보여주었으며, 산성 조건에 노출되면 분해시켜 무해한 유기 화합물로 만들 수 있다. 이론적으로 이러한 배터리는 완전히 재활용 가능하며 미래 순환 경제의 모습을 엿볼 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03399-1

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파리 기후 협정과 남극의 미래 해수면 상승

Nature 593 (2021년5월6일)

남극 빙상(Ice Sheet)의 질량이 손실되고 있다. 그러나 이러한 현상은 미래의 온난화에 어떻게 반응할 것이며, 특히 만약 파리 기후 협정에서 정한 온난화 임계값을 위반하게 된다면, 어떤 점이 중요할 것인가? Robert DeConto와 연구진들은 온난화가 산업화 이전에 비해 지구 평균 표면 온도 온난화의 임계값인 2°C 미만으로 유지되는한 질량 손실과 이로 인한 해수면 기여도가 현재와 같이 계속될 것임을 보여주었다. 그러나 연구팀은 온난화가 3°C를 초과하는 경우(온실 가스 배출을 제한하려는 현재 협정에 기반한 예상치와 일치), 질량 손실이 2060년경에 단계적으로 변화하여 2100년까지 해수면이 연간 약 0.5 cm로 현재보다 더 빠른 속도로 가속화될 것이라고 추정하였다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03427-0

8

기후 변화에서 티핑 포인트(Tipping-point) 임계값(Threshold)의 초과(Overshooting)

Nature 592 (2021년4월21일)

광범위한 고기후(Palaeoclimate) 연구는 기후 시스템이 활성 또는 비활성 해양 순환과 같은 상태 간의 빠른 전환이 가능함을 보여준다. 유사한 티핑 포인트(Tipping points)가 현대 기후 시스템에 존재할 수 있으며, 지속적인 지구 온난화에 의해 지나갈 수 있다. 그러나 Paul Ritchie와 연구진들은 기후 시스템 변화를 유발하지 않고 최소한 일시적으로 티핑 포인트를 지날 수 있음을 보여주었다. 그러나 기후 시스템이 티핑에 저항하는 능력은 시스템 마다 따라 다르다. 인도 여름 몬순과 같은 '빠른' 시스템은 시스템 전환에 취약하지만 만년설과 같이 타임 스케일(Timescales)이 느린 시스템은 수세기 동안 티핑 포인트의 초과(Overshoot)를 견딜 수 있다.

Review doi: 10.1038/s41586-021-03263-2

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나노-분산 효소(Nano-dispersed enzyme)를 이용한 폴리에스터(Polyester)의 거의 완벽한 해중합(Depolymerization)

Nature 592 (2021년4월22일)

일부 폴리에스터(Polyester)에 효소를 고정(Embedding)하면 생분해를 촉진할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 이전의 노력은 물질의 특성을 손상시켰으며, 비정질 영역(Amorphous region)에서의 우선적인 분해로 인해 생물학적으로 유해한 결정질(Crystalline) 미세 플라스틱을 형성시킬 가능성이 높아졌다. Ting Xu와 연구진들은 반-결정질(Semi-crystalline) 폴리에스터의 폴리머 사슬 말단에 소량의 리파아제(Lipase) 효소를 적절히 분산시킴으로써, 구조적 특성이 감소하지 않음을 입증하였다. 또한 폴리에스터의 수명이 다하면 사슬 말단 매개 효소 생분해를 통해 비정질 및 결정질 영역이 모두 쉽게 분해되어 거의 모든 미세 플라스틱이 제거되게 된다. 이 연구 결과는 효소 고정 접근법(Enzyme-embedding approach)을 통해 완전히 생분해 가능한 플라스틱을 실현할 수 있는 방법을 보여준다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03408-3

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단일 분자 반데르발스(Van der Waals) 나침반

Nature 592 (2021년4월22일)

약한 화학적 힘만 발생함에도 불구하고 원자, 분자 및 표면 간의 반데르발스 상호작용은 다양한 물리적 및 생물학적 시스템에서 중요한 역할을한다. 나노 스케일 채널을 가진 물질의 경우(예: 촉매 작용과 관련), 반데르발스 역장(Force field)은 해당 채널 내에 갇힌 분자들의 거동(Behaviour)을 결정한다. Boyuan Shen 등은 분자를 신중하게 선택하여 이러한 나노 채널 역장을 결정하는 방법을 보여주었다. 이 방법은 매우 단순하며, 명쾌하다: 충분히 '뾰족한(Pointy)' 분자를 프로브(Probe)로 사용하면 전자 현미경을 이용하여 분자가 그곳에서 만나는 힘의 균형에 반응하여 채널 내에서 분자 자신의 방향(나침반 모양과 유사)을 이미지화할 수 있으며, 이 정보를 사용하여 역장을 추론할 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03429-y