보고서 정보
주관연구기관 |
고려대학교 Korea University |
연구책임자 |
이경진
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2012-02 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201300019637 |
과제고유번호 |
1345145960 |
사업명 |
도약연구지원사업 |
DB 구축일자 |
2013-09-14
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키워드 |
심장세동.생체시계 SCN.신경세포망.칼슘 파동.세포 거동 (motility).암세포 군집 전이 (metastasis).위상차 이미징.학습과 기억.cardiac fibrillation.biological master clock.neural network.calcium waves.cell motility.tumor cell metastasis.phase contrast imaging.learning and memory.neural bursts.
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초록
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연구의 목적 및 내용
‘복잡계 물리학’ (즉, 비선형-비평형 다체계 물리학)의 신 개념 및 생물물리 첨단 기술을 중요한 생체 현상 연구에 적용, 관련된 생체 현상 이해에 대한 기존의 한계를 극복, 도약적 이해를 도모함에 있다. 본 연구 패러다임은 실로 다양한 생체계 현상들에 적용될 수 있으며, 본 과제의 궁극적인 목표는 ‘세포동력학’이라 명 될 수 있는, 새로운 학제간 연구 분야를 정립하는 것이다. 구체적으로, 지난 1, 2 단계에서 다루어진 연구 내용들은, 심장 부정맥과 관련된 ‘심장파’의 불안정성, 생체시계 (Suprach
연구의 목적 및 내용
‘복잡계 물리학’ (즉, 비선형-비평형 다체계 물리학)의 신 개념 및 생물물리 첨단 기술을 중요한 생체 현상 연구에 적용, 관련된 생체 현상 이해에 대한 기존의 한계를 극복, 도약적 이해를 도모함에 있다. 본 연구 패러다임은 실로 다양한 생체계 현상들에 적용될 수 있으며, 본 과제의 궁극적인 목표는 ‘세포동력학’이라 명 될 수 있는, 새로운 학제간 연구 분야를 정립하는 것이다. 구체적으로, 지난 1, 2 단계에서 다루어진 연구 내용들은, 심장 부정맥과 관련된 ‘심장파’의 불안정성, 생체시계 (Suprachiasmatic nucleus)의 물리학적 작동 원리, 배양된 신경세포망의 학습 및 기억, 세포의 단일 거동 및 집단 거동, 그리고 이와 더불어, 관련 현상들을 정량화하는데 필요한 형광색조/광학 영상장비 및 분자 생물 물리학적 기술의 개발들이다.
연구결과
#1. 심장파의 불안정성에 대한 연구 결과, "교대맥(alternans)"의 양상을 보이는 “나선형심장파 (cardiac reentry wave)"의 존재를 최초로 밝혔고 그 생물물리학적인 원리를 규명하였다 (PNAS 1편, Phys. Rev. Lett. 1편 포함 다 수 게제)
#2. 동물의 뇌에 존재하는 생체시계의 다양한 시공간 calcium dynamics를 cameleon 형광 단백질 영상기법을 통하여 분석하였고, 생체시계가 다 수 시계-세포들의 복잡한 네트웍 구조로 형성되었음을 실험적으로 최초 규명 (PloS ONE 1편, Euro. J. Neuro 1편 게제)
#3. 신경세포망이 나타내는 “동기화된 bursts"의 원리 이해, 학습 및 기억에 대한 연구 분석 (Phys. Rev. Lett. 1편 게제 및 Phys. Rev. Lett. 1편 게제 예정)
#4. 뇌의 면역세포인 microglia등 단일 세포의 보편적인 거동양상에 대한 분석 및 모델링 구축 (Plos ONE 1편 게제 및 Phys. Rev. Lett. 1편 게제 예정)
#5. 암세포의 전이와 관련, 파동형태의 세포 집단 거동 양상 최초 관찰 및 분석 (Nature1 편 게제 예정)
#6. 신 개념의 phase optics 기술을 이용한 광학 영상 개념 및 기기 공동 개발 (Phys. Rev. Lett. 1편 포함 3 편 게제)
#7. 고 효율의 형광 염료 공동 개발 (Angew. Chem. 3편 포함 다 수 게제)
#8. 항암제 Cisplatin과 관련 single molecule biophysical chemistry 공동 연구 (Phys. Rev. Lett. 1편, PCCP 1편 게제)
연구결과의 활용계획
본 연구단의 지난 1, 2단계 연구는, 비선형-비평형 다체계의 물리학적 개념이 실로 다양한 생물학적 현상들의 이해에 큰 발전을 가져올 수 있음을 보여주었다. 향후 연구에서는 기존의 연구를 더욱 확대 발전시킬 계획이며, 주된 연구 내용은, 1) #5 결과와 연관되어 파동형태의 암세포 전이과정 분석 및 이해 그리고 이를 바탕으로 암세포 전이 억제 기술 개발, 2) 생체시계의 유전자 발현, 세포내 칼슘 농도 및 세포막 전위의 역학관계 파악, 생체시계의 구조적 특성 및 이들의 생리학적 기능 파악, 3) 다양한 외부 자극 패턴을 이용하여 신경세포망의 학습 및 기억에 대한 보다 심층적인 탐구가 될 것이다.
Abstract
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Purpose&contents
This research project aims to understand the function of living cells and their populations based on physics of 'complex systems,' that is, physics of nonlinear, nonequilibrium, many-body systems. This research paradigm is applicable to a number of different biological issues and
Purpose&contents
This research project aims to understand the function of living cells and their populations based on physics of 'complex systems,' that is, physics of nonlinear, nonequilibrium, many-body systems. This research paradigm is applicable to a number of different biological issues and phenomena. As such, our ultimate logn-term goal is to establish a new interdisciplinary scientific field that can be coined as "cell dynamics." More immediately, here we address several different but related biological issues that are 'cardiac wave instabilities associated with various cardiac arrhythmia,' 'biophysical mechanism underlying suprachiasmatic nucleus ― the biological master clock,' 'learning and memory of biological neural networks with regard to their synchronized bursting dynamics,' and 'cell motility and population dynamics.' Besides, new biophysical and chemical tools that are necessary for carrying out the proposed researches will be developed.
Result
#1. We demonstrated the existence of unusual cardiac reentries that support period-2 (or alternans) for the first time. The result was reported in a number of important journals including (1) PNAS, (1) Phys. Rev. Lett. and several others.
#2. We revealed unusual spatiotemporal calcium dynamics and complex network structures in biological master clock SCN using calcium-sensing fluorescent protein cameleon. The result was published in (1) PloS ONE and (1) Euro. J. Neuros.
#3. We proposed a general model for the synchronized neural bursts arising in cultured network of neurons and demonstrated that the networks can be trained and form short-term memory following a set of specialized electrical stimuli. The result is accepted for the publication in Phy. Rev. Lett.
#4. We demonstrated that freely crawling cells in general prefer to make zigzag turns and have a short-term memory in their motile behavior. We published 1 paper in PloS ONE and are about to submit another paper to Phys. Rev. Lett.
#5. We have observed a very unusual collective wave dynamics in proliferating and metastasizing tumor cells. We are currently preparing a paper for the publication in Nature.
#6. We developed a new phase imaging system utilizing turbid media with our co-workers. The result was published in three important journals (1 Phys. Rev. Lett. and 2 Optics Lett.).
#7. We developed several new fluorescent dyes optimized for two-photon imaging with our co-workers (4 Angew. Chem. Int. Ed.).
#8. We analyzed the effects of physiological ionic condition as for cisplatin binding to DNA and published two papers (1 Phys. Rev. Lett. and 1 PCCP).
Expected Contribution
During the past five years, we have demonstrated that the new physics paradigm (of complex systems (nonlinear-nonequilibrium many body system) can bring new understanding on a number of important biological issues. In the future, we can expand the horizon over what we have accomplished along the same line of investigation. For example, expanding what we have acquired through the single cell motility and cell population dynamics, we can address the phenomenon of tumor cell proliferation and migration. There will be other important biological issues alike.
목차 Contents
- 도약연구사업(舊 창의도약) 최종보고서 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 18
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 20
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 20
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 21
- 8. 참고문헌 ... 21
- 9. 연구성과 ... 24
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