< 이근민 박사과정 학생 >

 

 

Q1. 안녕하세요, 이달의 학과 연구 성과 취재 인터뷰에 응해주셔서 진심으로 감사드립니다. 간단한 본인 소개와 인사말씀 부탁드립니다. 

네 저는 바이오 및 뇌공학과 최명철 교수님 연구실에서 박사과정을 하고 있는 이근민이라고 합니다. 제 연구 논문을 학과에 소개할 수 있게 되어 기쁘게 생각합니다.

 

<연구 관련 내용 대표 이미지>

 

 

Q2. 최근 “Fractionation by Spatially Heterogeneous Diffusion: Experiments and Two-Component Random Walk Model” 논문 내용으로 한국물리학회 가을학술논문발표회에서 우수발표상을 수여하셨는데, 논문의 내용에 대해 간략하게 설명 부탁드립니다.

이번에 한국물리학회 우수발표상을 받은 논문은 불균일 확산을 수학적으로 분석하고 이를 증명하는 실험에 관한 연구입니다. 일반적인 확산은 물질이 공간안에 골고루 퍼지는 걸 많은 사람들이 생각하지만 특정 환경에서는 물질이 공간속에 골고루 퍼지는 것이 아닌 한쪽으로 몰리는 방식으로 확산이 일어나게 됩니다. 이 현상이 실제로 존재하지만 이전까지는 이를 정확하게 설명하는 수학적 모델이나 분석이 많이 있지는 않았습니다. 또한 지금까지 나온 모델들은 특정 상황에서만 적용을 시킬 수 있다는 한계점이 있었는데, 이번에 저희가 제안한 모델은 범용적으로 적용시킬 수 있고 fitting도 잘 되는 모델입니다.

Q3. 설명해주신 확산이 치우치는 현상은 어떤 컨디션을 만족해야 나오는 현상인가요?

분류현상이라고 하는데 불균일한 환경이 있어야 생깁니다. 그래서 이 연구는 그 불균일한 환경이 어떤 식으로 확산 운동에 영향을 미치는지에 대한 고찰에서 시작되었습니다. 불균일 환경의 브라운 운동에서 물질이 특정시간(sojourn time)동안 이동하는 거리(jump distance)를  위치에 따라 변할 수 있게 설정을 하고 질량의 이동을 계산해보면 diffusion coefficient 하나가 아닌 두 개의 계수로 이루어진 식이 나오며 분류현상은 질량 플럭스(mass flux)가 평형을 이루기 위해 나타난다고 해석할 수 있습니다.

Q4. 이어, 공동 1저자로서 본 연구에서 어떠한 부분에 대해 기여해주셨는지 구체적으로 여쭤봐도 될까요? 

먼저 수리과학과에서 모델링을 위한 이론 부분에서 많은 기여를 해 주셨습니다. 기존에 존재하는 확산을 설명하는 여러 모델들과 차별화되는 새로운 모델을 만들었고 저희 연구실에서는 실험으로 이 모델을 증명하기 위한 연구를 진행했습니다. 이론적 접근과 실험적 접근이 함께 있었다는 점에서 논문의 완성도가 많이 높아진 것 같습니다.

 

 

Q5. 이번 연구에서 Fractionation phenomenon의 분석에 있어서 기존의 단일 확산 모델이 아닌 이중 확산 모델을 사용하신 것 같은데 이 모델을 사용하게 된 계기나 동기가 있으셨을까요?

저의 학부 전공 분야는 물리학입니다. 그래서 확산운동에 대한 이론을 자주 접했지만 이렇게까지 깊이 있는 공부를 해 본 것은 이번 논문 연구를 통해서입니다. 이미 완성된 연구 분야로 생각되었던 확산 이라는 주제가 실제 깊이 있는 연구를 해 보니 실상은 정확하게 기술하는 이론과 실험이 거의 없다는 것을 알게 되었습니다. 이 부분을 수학과의 김용정 교수님 연구팀과 논문의 공동저자인 김호연 박사와 공동연구를 통해 풀어나가게 되었습니다. 제 Motivation을 자극했던 부분은 바로 세포를 포함한 복잡한 생명 시스템에서 물질의 확산을 그 동안 매우 단순한 확산 모델로 설명을 해 왔다는 점입니다. 이는 생명 현상을 설명하기에 부족함이 많다고 평소에 느껴왔고 이 문제의 해결 실마리를 새로운 확산 모델에서 찾을 수 있겠다는 가능성을 발견했습니다.

 

Q6. 이중 확산 모델의 주요 변수가 K(x)와 M(x)인 것으로 이해를 했는데 이들을 설정할 때 어려움은 없었나요?

일단 저희 모델에서(는) K와 M이라는 두 계수가 있습니다. 이 계수들은 주어진 불균일 시스템의 고유한 값으로 저희가 임의로 설정할 수 있는 것은 아닙니다. 그리고 시스템에서 직접 측정을 하는 것도 불가능합니다. 저희가 오로지 측정이 가능한 것은 확산 계수 (Diffusion coefficient)입니다. 결국 K(x) * M(x)가 확산 상수가 되야 한다는 것에서 시작하여 K와 M을 fitting하는 과정이라고 생각해주시면 될 것 같습니다.

 

 

Q7. 기존 Fick, Wereide, Chapman 모델과 비교했을 때, 새로운 모델이 가지는 가장 큰 차별점은 무엇인가요?

일단 가장 중요한 차이점은 기존의 세 모델에서는 확산 계수 하나로 확산을 설명한다는 점입니다. 그래서 이들을 “단일 확산 계수 식”이라고 부르고 있고요. 하지만 저희가 사용한 모델은 이 확산 계수는 K와 M이라는 두개의 계수로 나뉘어져 있다는 것입니다. 더불어 저희가 연구를 하면서 알게 된 점이 있는데, 결국 이 기존의 모델들은 저희 모델의 다른 형태라는 점입니다. 분석을 해본 결과 각 모델은 환경의 불균일성이 브라운 운동에서 sojourn time과 walk length에 얼마나 영향을 미치는지 고려하는 것이 달랐고 그 영향력을 피팅을 통해 설정하는 저희 모델은 기존의 모델보다 더 정확한 예측이 가능했습니다.

 

 

Q8.. 본 연구를 진행하시는 과정에서 어떠한 부분이 가장 어렵고 힘드셨나요? 나아가 이를 어떻게 해결하셨나요?

실험을 진행하면서 가장 힘들었던 점은 실험에 맞게 설계된 시간 프레임에 저를 맞추는 것이었습니다. 저희 실험이 한번 시작되면 64시간 동안 일정한 시간 간격을 두고 결과 측정을 지속해야 했습니다. 한참 실험에 집중할 시기에는 육체적 피곤함과의 싸움이 가장 힘들었습니다. 하지만 많은 대학원생이 제 경우와 다르지 않을 거라 생각이 드는 군요. 하지만 새벽에 실험 결과 이미지를 찍으러 실험실에 들어가면 신기하게도 Fractionation 결과가 육안으로 잘 보였어요. 그 순간 피곤함이 보상되는 기분이었어요. 물론 이런 저런 이유로 실험이 계속 실패할 떄가 더 많았지만 결국 해내었을 때의 쾌감은 정말 기분 좋았습니다.

 

 

Q9. 향후 이 연구결과를 활용한 추가 연구나 개발 계획이 있으신 지 궁금합니다. 또 이외에도 다른 연구를 진행하고 계시다면 말씀해주세요.

저는 이 모델을 생체 내 시스템에서 분석을 해보고 싶습니다. 세포 내에서 핵 주변으로 물질이 모이는 현상이 있어요. 실제로 나노파티클을 세포에 주입하면 핵 주변으로 모이는 현상이 관측이 되기도 했어요. 이를 분석을 해보니 핵 주변의 ER의 복잡한 구조 때문에 입자의 확산이 느려져서 생기는 것으로 보입니다. 그래서 저희가 제안한 모델로 이 현상을 좀 더 정확하게 설명을 할 수 있지 않을까 생각합니다. 또한 더 나아가 제 연구를 좀 더 응용 연구로 발전시키면 바인딩 프리 카고*처럼 receptor없이 물질을 체내에서 이동시킬 수 있는 시스템을 개발할 수 있지 않을까 기대하고 있어요.

*Binding Free Cargo – 체내에서 물질의 이동은 생명현상을 위해 활발하게 일어나며 passive와 active transport로 나뉜다. 이중 passive transport는 농도 gradient를 따라 높은 곳에서 낮은 곳으로 일어나는데 이번 연구는 passive 하면서도 농도 gradient를 거슬러 물질을 모을 수 있음을 보여주었다. 기존의 에너지원을 사용하여 active transport로 물질을 모으는 것과 달리 특이적인 binding 없이 구조적인 불균일성을 이용해 필요한 물질을 필요한 농도로 모아 이동시키는 시스템도 가능하다고 보고 있다.

 

 

Q10. 마지막으로 이 글을 보고 있을 후배들에게 해주실 말씀이 있으신다면?

대학원 생활을 계속 오랫동안 하다보면 실험이 잘 안되기도 하고 자신감이 떨어지는 시간이 항상 오는 거 같아요. 이때 이게 힘들다고 관심을 잃지 않았으면 좋겠어요. 항상 좋은 기회는 오고, 포기하지 않고 계속 시도하면 좋은 결과도 따라 온다는 것을 많이 느꼈어요. 또, 바이오및뇌공학과에서는 연구실이 매우 다양하고 서로서로 연구하는 분야도 많이 다르잖아요. 이런 사람들과 얘기를 많이 나누다 보면 아이디어 공유가 되고 그러면 내 연구에 발전적 자양분이 될 수 있거든요. 저는 이런 부분이 바이오및뇌공학과의 가장 큰 장점이라고 생각하고, 이를 후배들께서 많이 활용했으면 좋겠어요. 학과 행사에도 적극적으로 참여하고 다른 연구실 사람들과도 소통을 많이 하셨으면 좋겠습니다.