톱10 하이라이트

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전자적으로 통합된 대량생산된 미세 로봇

Nature 584 (2020년8월27일)

50년동안 초소형 전자공학(Microelectronics) 분야에서 무어의 법칙(Moore’s Law)을 확장하여 복잡성, 소형, 저렴한 비용 모두를 충족시킬 수 있는 전자, 자기, 광학 시스템을 구현하였다. 미세 로봇(Microscopic robotics) 분야의 급격한 발전은 이를 활용하여 사람 시각의 해상 한계(Resolution limit) 보다 훨씬 더 작은 로봇을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 그러나 불행하게도 아직까지 반도체 공정을 통합하고 표준 전자 제어 신호에 반응할 수 있는 마이크로미터 규모의 액추에이터 시스템(Actuator system)은 없다. Marc Miskin과 연구진들은 실리콘 공정과 호환 가능한 새로운 종류의 전압 제어 가능 전기화학적(Electrochemical) 액추에이터를 시연하였다. 연구진들은 이러한 로봇의 잠재력을 4인치 웨이퍼(Wafer) 위를 걷는 100 마이크로미터 이상 백만 마이크로미터 미만의 로봇을 생산함으로써 보여주었다. 이 결과는 너무 작아서 육안으로 보이지 않는 매우 복잡하고 실용적인 로봇의 대량 생산법을 제공할 것으로 보인다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2626-9

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-02421-2

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세포외 기질의 점탄성(Viscoelasticity)이 세포 행동에 미치는 효과

Nature 584 (2020년8월27일)

생물 조직은 고무공이나 스프링처럼 매우 탄력적이지 않다. 조직은 에너지를 분산(Dissipate)시키는데 시간이 소요된다. 예를 들어, 피부를 누른 뒤 풀면, 원래의 구조로 돌아오기까지 시간이 소요된다. 이러한 특성을 점탄성(Viscoelasticity)이라고 한다. 이는 살아있는 조직과 세포외 기질에서 관찰되는 매우 보편적인 특징이다. 동적 프로세스(Dynamic processes)를 통해 세포가 세포외 기질과 상호작용함에 따라 세포외 기질의 시간, 응력(Strain) 의존적 기계적 반응(Mechanical responses)은 다음에 이어지는 세포-기질 상호작용과 기계적 형질도입(Mechanotransduction)에 영향을 준다. 본 리뷰 논문에서는 조직과 세포외 기질의 비선형적 기계적 특성과 이들이 세포에 미치는 영향 및 재생 의학에서 미래의 점탄성 바이오 소재의 잠재적 유용성에 대하여 분석하였다.

Review doi: 10.1038/s41586-020-2612-2

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바다뱀자리 TW(TW Hydrae)에서 자기권 강착 영역(Magnetospheric accretion region)의 크기 측정

Nature 584 (2020년8월27일)

물질(Matter)은 별의 자기장을 통해 강착(Accreting)하는 별의 표면으로 이동된다고 여겨진다. 이는 몇 가지 간접적인 증거를 통해 알 수있다. 황소자리 T(T Tauri sources)의 거대한 자기권(Magnetospheres)은 물질들을 더 쉽게 분해시킨다. GRAVITY 컨소시엄의 Rebeca Garcia Lopez와 연구진들은 별의 내부 원반(Inner disk)을 공간적으로 분해하는 광학-장 기선 간섭 관측(Optical long baseline interferometric observations)을 통해 황소자리 T 바다뱀자리 TW 별(TW Hydrae)에서 자기권의 강착 영역(Accretion region)의 크기를 확인하였다. 근적외선 수소 방출은 연속 먼지 원반 방출 영역(Continuum dusty disk emitting region) 7 stellar radii과 공전 반경(Corotation radius) 내의 약 3.5 stellar radii에서 발생한다. 이는 수소방출이 훨씬 더 먼 거리(1 천문단위(Astronomical unit) 이상)에서 방출되는 바람이 아니라 자기권의 강착 모델에서 예상되는 바와 같이 강착 컬럼(Accretion columns)에서 발생되었음을 시사한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2613-1

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분자 가닥에서 묶인 서로 다른 유형의 매듭(Knots)

Nature 584 (2020년8월27일)

분자(Molecule)는 일반적으로 분자사슬의 금속 이온과 특정 결합 부위를 이용하여 실가닥과 같이 매듭 토폴로지(Knotted topologies)를 조절할 수 있다. 결합 금속의 배위수(Coordination number)는 토폴로지를 결정하며, 이는 일반적으로 분자당 1개의 매듭(Knot)만이 가능하다는 것을 의미한다. David Leigh와 연구진들은 사용한 착금속 이온(Complexing metal ion, 구리 또는 란타나이드(Lanthanide))에 따라 2개의 서로 다른 토폴로지로 매듭을 짓고(Knotted) 매듭을 풀 수 있는(Unknotted) 분자 가닥을 발표하였다. 또한 금속 이온의 배위 차수와 이들의 치환(Displacement)에 따라 가닥의 얽힌 영역(Entangled region )이 다른 영역으로 이동(Translocation)되며, 새로운 매듭 구조에서 Topological strain이 증가한다. 이는 이전의 사례보다 더욱 동적인 매듭을 생성하며, 이전에 생각해왔던 것보다 분자 설계 및 분자 매듭(Molecular knots)의 기능에 더 많은 자유가 있음을 시사한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2614-0

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선 줄기세포 다분화능(Glandular stem cell multipotency)을 조절하는 이형 세포-세포 커뮤니케이션

Nature 584 (2020년8월27일)

유선(Mammary gland) 및 전립선(Prostate glands)과 같은 선 조직(Glandular tissue)의 상피는 내강(Luminal) 및 기저 세포들(Basal cells)의 인접한 층으로 구성되어 있다. 발달 과정에서 기저층의 줄기세포는 이 두 세포층의 형성에 기여하지만, 성인에서는 이러한 줄기세포가 다분화능(Multipotency)을 잃게 된다. 이러한 다분화능 상실은 조직에 손상이 발생했을 때 다시 획득될 수 있으므로, 기저 줄기세포가 두 층의 복원에 관여할 수 있다. 이번 호에서 Cédric Blanpain과 연구진들은 기저 줄기세포의 분화능(Potency)이 TNF 단백질을 분비하는 내강 세포에 의해 직접 조절되며, 이는 기저 줄기세포 다분화능의 억제제로 작용한다는 것을 보여주었다. 표지 이미지는 기저 세포(빨간색)와 내강 세포(녹색)가 있는 유선 가지(Mammary gland branch)를 나타낸다. 표지 이미지: Alessia Centonze

Article doi: 10.1038/s41586-020-2632-y

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항종양 면역을 유도하는 cDC1 prime과 CD4+ T 세포에 의한 licensed cDC1

Nature 584 (2020년8월27일)

자발적 및 면역요법 유도 항종양 반응은 종양-항원-특이적 CD8+와 CD4+ T 세포의 활성을 필요로 한다. 현재의 관점에 따르면, 1형 cDC 세포(Conventional type 1 dendritic cells)는 CD8+ T 세포를 Prime하는 반면, cDC2 세포는 CD4+ T 세포 면역의 유도를 조절한다. Kenneth Murphy와 연구진들은 cDC2 세포가 가용성 항원(Soluble antigens)에 대한 CD4+ T 세포 면역에 우세함에도 불구하고, 이들 세포가 세포 관련 항체에 대한 CD4+ T 세포 면역을 촉진시키지 못한다는 것을 보여주었다. 저자들은 cDC1 세포가 종양 유래 항원에 대항하는 CD8+ T 세포뿐만 아니라 CD4+ T 세포를 직접적으로 Prime한다는 것을 입증하였다. 이 결과는 종양 특이적 면역 조절 메커니즘에 대한 현재의 이해를 향상시키고 cDCs 세포로 항원을 표적 전달하는 것과 관련된 암 면역요법의 접근법을 개선하는데 도움이 될 것으로 보인다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2611-3

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-02339-9

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tRNA 교정(Proofreading)을 밝혀주는 EF-Tu•GTP를 이용한 신장하는 리보솜(Elongating ribosome)의 Cryo-EM 구조 분석

Nature 584 (2020년8월27일)

리보솜에 의한 mRNA 번역은 돌연변이 단백질 발현을 방지하기 위해 반드시 매우 정확해야 한다. 그러므로 리보솜은 반드시 알맞은 아미노산과 결합(해독(Decoding)이라고 알려진)하여야 하며, 교정 활성(Proofreading activity)을 이용하여 잘못된 아미노산이 단백질 내에 포함되기 전 이를 제거하여야 한다. Andrei Korostelev와 연구진들은 해독 과정동안 들어오는(Incoming) 충전된(Charged) tRNA (동족(Cognate) 또는 동족에 가까운(Near-cognate)) 및 EF-Tu•GTP를 이용하여 기질에 결합된 리보솜의 시간 분해 구조(Time-resolved structures)를 보여주었다, 시간 분해 접근법은 이전에 추정하였던 3가지 선별 단계(Selection stages)를 포착하였다. 또한 본 연구는 선별 과정 중 EF-Tu의 2가지 역할을 명확하게 밝혀주었다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2447-x

8

FLT3 리간드와 자가면역 갑상선 질환의 위험성을 증가시키는 FLT3 정지 돌연변이(Stop mutation)

Nature 584 (2020년8월27일)

Saedis Saevarsdottir와 연구진들은 아이슬란드와 영국의 대규모 코호트(Cohorts) 데이터를 이용하여 자가 면역 갑상선 질환과 관련된 변이(Variants)를 확인하기 위하여 전장 유전체 연관성 분석 연구(Genome-wide association studies)로부터 얻은 데이터의 대규모 메타분석을 수행하였으며, 갑상선 질환이 몇몇 유전자들(주로 FLT3)과 유전적 연관성이 있다고 발표하였다. FLT3는 막관통 리간드 활성 수용체 티로신 키나아제(Transmembrane ligand-activated receptor tyrosine kinase)로 골수(Myeloid)와 림프계(lymphoid lineage)의 초기 발달에 중요한 역할을 한다. 이러한 연관성은 다른 자가항체-양성 질환(Autoantibody-positive diseases)에서도 확인되었다. 또한, 자가면역 질환 환자에서 상대적으로 높은 빈도로 발생하는 급성 골수성 백혈병(Acute myeloid leukaemia)에서 이들 생식세포의 돌연변이(Mutation)가 관찰되었다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2436-0

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고속 충전 리튬 이온 배터리를 위한 비정질 암염 양극(Disordered rock salt anode)

Nature 585 (2020년9월3일)

리튬 이온 배터리에 가장 널리 사용되는 양극(Anode)은 흑연(Graphite)이다. 그러나 고속 충전 배터리의 수요가 증가함에 따라 흑연 사용은 흑연 사용은 바람직하지 않은 리튬과 이와 관련된 안전 문제를 야기할 수 있다. 따라서 빠른 층간삽입 속도(Intercalation kinetics)를 가진 저 전위(Low-potential) 양극을 탐색하고 있다. Ping Liu와 연구진들은 양극 물질 대신 음극(Cathode)으로 널리 연구된 바나듐(Vanadium) 기반 리튬 풍부 무질서 암염 산화물(Rock salt oxide)이 이러한 틈새 시장에 적합할 수 있음을 입증하였다. 니켈이 풍부한 적층 산화물 음극과 함께 사용하면 빠른 속도에서 적절한 사이클 수명을 가진 3.25 볼트 완전 전지(Full cell)을 얻을 수 있다. 이 연구는 거의 반세기 동안 음극 물질로 연구되어 온 물질의 새로운 용도를 제안한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2637-6

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부양 액체 아래에서의 부유(Floating)

Nature 585 (2020년9월3일)

직관에 따르면, 액체는 일반적으로 액체가 담긴 용기의 아래쪽에 위치하고, 부유체(Buoyant objects)는 액체의 자유 표면(Free surface) 윗쪽에 떠있을 것이다. Benjamin Apffel과 연구진들은 이러한 직관을 완전히 뒤바꾸었다. 이전까지 진동(Vibration)은 더 가벼운 유체 (기체상 포함)보다 밀도가 높은 유체를 안정화하여 밀도가 높은 상(Phase)을 효과적으로 '부양(Levitating)'하는 수단이었다. 그러나 이제 부양된 액체상의 하부 표면에서의 부력(Buoyancy forces)은 중력 자체가 반전된 것처럼 작용한다는 것이 밝혀졌다. 물체는 기존의 비 진동 케이스(Non-vibrated case)의 윗표면에서 발생하는 거울상으로 이 경계면(Interface)에서 거꾸로 부유할 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2643-8

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-02451-w