최신 과학 트렌드에 대한 자세한 내용은 과학적 돌파구: 2026년에 주목해야 할 신흥 트렌드를 참조하십시오. 여기에는 하이브리드 태양전지, 오피오이드 없는 통증 완화, 대체 배터리 기술, 자가 치유 인프라 등 다양한 주제가 포함되어 있습니다.
분야와 산업을 막론하고 과학적 발견은 매일 이루어지고 있습니다. 그렇다면 급변하는 환경 속에서 어떻게 신흥 트렌드를 앞서 나갈 수 있을까요? CAS는 최근의 과학적 돌파구와 그 기반이 된 역사적 발견을 독보적인 시각으로 파악하고 있으며, 앞으로의 기회를 포착할 수 있는 전문성을 갖추고 있습니다. 2023년에 최고의 과학적 돌파구를 선정한 데 이어, 2024년에는 더욱 많은 성과가 기대됩니다. 주목해야 할 새로운 트렌드로는 그린 케미스트리의 가속화된 확장, CRISPR의 임상적 검증, 바이오 소재의 부상, 그리고 암부터 신경퇴행성 질환에 이르기까지 치료가 불가능하다고 여겨졌던 질병 치료의 새로운 진전 등이 있습니다.
CAS, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 오크리지 국립 연구소 전문가들이 이 주제에 대해 나눈 이야기를 들어보고 관련 웨비나 녹화본을 시청해 보십시오.
연구 및 혁신 분야의 새로운 기회에 대한 최신 인사이트는 2025년에 주목해야 할 트렌드 게시물을 확인해 주십시오.
R&D 분야에서 AI의 부상
AI의 미래는 항상 앞을 내다보고 있었지만, 화학 및 신약 개발 분야에서의 AI 혁명은 아직 완전히 실현되지 않았습니다. 몇 가지 세간의 이목을 끈 좌절도 있었지만, 이 분야가 계속 발전함에 따라 몇 가지 돌파구를 면밀히 지켜봐야 합니다. 생성형 AI는 신약 발굴에 영향을 미치고 있으며, 머신 러닝은 환경 연구에 더 많이 활용되고 있고, ChatGPT와 같은 거대 언어 모델은 헬스케어 애플리케이션 및 임상 환경에서 테스트되고 있습니다.
많은 과학자가 단백질 구조를 이해하는 방식을 혁신한 딥마인드의 단백질 구조 예측 소프트웨어인 알파폴드(AlphaFold)를 주목하고 있습니다. 딥마인드와 아이소모픽 랩스(Isomorphic Labs)는 최근 자사의 최신 모델이 정확도를 개선하고, 단백질 데이터 뱅크(Protein Data Bank)에 있는 거의 모든 분자에 대한 예측을 생성하며, 적용 범위를 리간드, 핵산 및 번역 후 변형까지 확장했다고 발표했습니다. AI 기반 치료용 항체 발굴 또한 인기를 얻고 있으며, RubrYc Therapeutics 항체 발굴 엔진과 같은 플랫폼이 이 분야의 연구를 발전시키는 데 기여할 것입니다.
많은 이들이 AI 개발을 기대 어린 시선으로 바라보고 있지만, 정확하고 접근 가능한 학습 데이터, 공정성 및 편향성, 규제 감독 부족, 학계, 학술 연구 및 출판에 미치는 영향, 거대 언어 모델의 환각 현상, 심지어 공중 보건에 대한 인포데믹 위협에 대한 우려도 논의되고 있습니다. 그러나 AI의 지속적인 개선은 불가피하므로 2024년 내내 많은 새로운 발전과 혁신을 기대해 보십시오.
더 '친환경적인' 그린 케미스트리
그린 케미스트리는 화학 공정이 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위한 혁신적인 방법을 끊임없이 모색하는 빠르게 진화하는 분야입니다. 상당한 돌파구가 마련되고 있는 몇 가지 신흥 트렌드는 다음과 같습니다.
- Improving green chemistry predictions/outcomes: One of the biggest challenges in green chemistry is predicting the environmental impact of new chemicals and processes. Researchers are developing new computational tools and models that can help predict these impacts with greater accuracy. This will allow chemists to design safer and more environmentally friendly chemicals.
- Reducing plastics: More than 350 million tons of plastic waste is generated every year. Across the landscape of manufacturers, suppliers, and retailers, reducing the use of single-use plastics and microplastics is critical. New value-driven approaches by innovators like MiTerro that reuse industrial by-products and biomass waste for eco-friendly and cheaper plastic replacements will soon be industry expectations. Lowering costs and plastic footprints will be important throughout the entire supply chain.
- Alternative battery chemistry: In the battery and energy storage space, finding alternatives to scarce "endangered elements" like lithium and cobalt will be critical. While essential components of many batteries, they are becoming scarce and expensive. New investments in lithium iron phosphate (LFP) batteries that do not use nickel and cobalt have expanded, with 45% of the EV market share being projected for LFP in 2029. Continued research is projected for more development in alternative materials like sodium, iron, and magnesium, which are more abundant, less expensive, and more sustainable.
- More sustainable catalysts: Catalysts speed up a chemical reaction or decrease the energy required without getting consumed. Noble metals are excellent catalysts; however, they are expensive and their mining causes environmental damage. Even non-noble metal catalysts can also be toxic due to contamination and challenges with their disposal. Sustainable catalysts are made of earth-abundant elements that are also non-toxic in nature. In recent years, there has been a growing focus on developing sustainable catalysts that are more environmentally friendly and less reliant on precious metals. New developments with catalysts, their roles, and environmental impact will drive meaningful progress in reducing carbon footprints.
- Recycling lithium-ion batteries: Lithium-ion recycling has seen increased investments with more than 800 patents already published in 2023. The use of solid electrolytes or liquid nonflammable electrolytes may improve the safety and durability of LIBs and reduce their material use. Finally, a method to manufacture electrodes without solvents could reduce the use of deprecated solvents such as N-methylpyrrolidinone, which require recycling and careful handling to prevent emissions.
바이오 소재의 부상
생물의학 응용 분야를 위한 새로운 소재는 2024년 많은 헬스케어 부문에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 한 가지 예로 뉴럴링크(Neuralink)가 개발 중인 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템과 같이 전자 장치와 인체 사이의 인터페이스를 형성하는 바이오 전자 소재를 들 수 있습니다. 뇌에 직접 이식된 생체 적합성 전극 네트워크를 사용하는 이 시스템은 2023년에 FDA 승인을 받아 인체 임상 시험을 시작했습니다.
- 생체 전자 재료: 나노 소재, 고도로 설계된 전도성 고분자, 생체 흡수성 물질을 결합한 하이브리드 또는 복합체인 경우가 많습니다. 최근 개발된 장치는 체내에 이식하여 일시적으로 사용한 뒤, 제거할 필요 없이 안전하게 체내에서 흡수되도록 할 수 있습니다. 이는 아연과 생분해성 고분자인 폴리락타이드(PLA)로 제작된 센서 및 무선 전력 수신기 일체형 장치를 통해 입증되었습니다.
- 천연 생체 재료: 키토산, 셀룰로오스 나노 소재, 실크와 같이 생체 적합성이 뛰어나고 자연에서 유래한 재료들은 2023년 첨단 다기능 생체 재료를 만드는 데 사용되고 있습니다. 예를 들어, 키토산, 탄닌산, 금 나노 입자 사이의 가역적 가교 결합을 기반으로 파킨슨병 치료를 위한 주입형 뇌 이식용 하이드로젤이 설계되었습니다.
- 바이오잉크: 장기 3D 프린팅 및 이식 기술 개발에 사용되며 환자 치료에 혁신을 가져올 수 있습니다. 현재 이러한 모델은 심장 질환을 위한 3D 프린팅 심장 모델이나 약물 효능을 테스트하기 위한 3D 프린팅 폐 모델과 같이 장기 구조를 연구하는 데 활용됩니다. 특수 바이오잉크는 3D 프린팅 장기, 구조물 및 치료 결과의 품질, 효능, 범용성을 향상시킵니다. 마지막으로, 순수 실크 기반 바이오잉크의 용적식 적층 제조(VAM)와 같은 새로운 접근 방식은 3D 프린팅 혁신의 새로운 지평을 열고 있습니다.
달을 넘어 그 너머로
아르테미스(Artemis) 프로그램은 NASA가 주도하는 국제 우주 탐사 프로젝트로, 달에 지속 가능한 인류 거주지를 구축하려는 장기 목표의 일환으로 2025년까지 최초의 여성과 유색인종을 달에 착륙시키는 것을 목표로 합니다. 또한 2024년 발사 예정인 NASA의 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 임무는 목성 궤도를 돌며 목성의 위성 중 하나인 유로파를 근접 비행하여 물의 존재 여부와 생명체 거주 가능성을 조사할 예정입니다. 중국의 창어 6호 임무는 추가 연구를 위해 달 샘플을 지구로 가져오는 것을 계획하고 있습니다. 일본 JAXA의 화성 위성 탐사(MMX) 임무는 화성의 위성인 포보스에서 샘플을 채취해 돌아올 계획입니다. 보잉 또한 사람을 지구 저궤도로 실어 나를 수 있는 재사용 가능한 우주 캡슐 스타라이너(Starliner)의 시험 비행을 앞두고 있습니다.
아르테미스 프로그램의 R&D 영향력은 항공우주 공학을 넘어 더 넓은 분야로 확장되고 있습니다.
- 로봇 공학: 로봇은 아르테미스 프로그램에서 샘플 채취, 인프라 구축, 과학 연구 수행 등 다양한 임무를 수행하며 핵심적인 역할을 할 것입니다. 이는 자율 시스템 및 정교한 조작기를 포함한 새로운 로봇 기술의 발전을 촉진할 것입니다.
- 우주 의학: 아르테미스 프로그램은 방사선 노출 및 미세 중력과 같은 우주 여행의 위험으로부터 우주비행사를 보호하기 위한 새로운 기술 개발을 필요로 합니다. 여기에는 의료 진단, 치료법 및 대응책에 관한 과학적 발견이 포함될 것입니다.
- 지구 과학: 아르테미스 프로그램은 달과 그 환경을 연구할 수 있는 독보적인 기회를 제공할 것입니다. 이는 지구의 역사, 지질학, 기후에 대한 새로운 통찰로 이어질 것입니다.
- 재료 과학: 극한의 우주 환경에서는 가볍고 내구성이 뛰어나며 방사선에 강한 새로운 소재가 필요합니다. 이는 항공우주, 건설, 에너지 등 다양한 산업 분야에 응용될 것입니다.
- 정보 기술: 아르테미스 프로그램은 실시간으로 처리, 분석 및 공유해야 하는 방대한 양의 데이터를 생성할 것입니다. 이는 클라우드 컴퓨팅, 인공지능, 머신러닝과 같은 새로운 IT 기술의 발전을 견인할 것입니다.
CRISPR의 성과
수년간의 연구와 시행착오, 더딘 진전 끝에 임상에서 CRISPR를 치료용 플랫폼 기술으로 활용할 수 있다는 첫 공식 증거가 확보되었습니다. 인텔리아 테라퓨틱스(Intellia Therapeutics)는 hATTR 치료를 위한 신약의 중추적 임상 3상 시험을 시작할 수 있도록 FDA 승인을 받았으며, 동일한 Cas9 mRNA를 사용하여 혈관부종이라는 다른 질병을 치료하는 새로운 약물을 개발했습니다. 이는 가이드 RNA의 뉴클레오타이드 20개만 변경하여 달성한 성과로, CRISPR가 임상에서 치료용 플랫폼 기술로 사용될 수 있음을 시사합니다.
CRISPR 약물 개발 기술의 두 번째 큰 전환점은 버텍스(Vertex)와 CRISPR 테라퓨틱스가 영국 MHRA로부터 최초의 CRISPR/Cas9 유전자 편집 치료제인 CASGEVY™에 대해 겸상 적혈구 빈혈증 및 수혈 의존성 베타 지중해 빈혈 치료용으로 승인을 받았다고 발표했을 때 찾아왔습니다. 이는 인간을 대상으로 한 CRISPR 기반 치료제의 첫 승인 사례이며, 인류 건강 증진을 위한 CRISPR의 잠재력을 실현하는 역사적인 순간입니다.
놀라운 유전자 편집 능력 외에도 CRISPR-Cas 시스템은 조기 암 진단을 포함한 여러 분야에서 효과적인 것으로 입증되었습니다. CRISPR 기반 유전체 및 전사체 엔지니어링과 CRISPR-Cas12a 및 CRISPR-Cas13a는 암 치료 및 진단을 위한 강력한 검출 도구가 될 수 있는 특성을 갖춘 것으로 보입니다. CRISPR-Cas 기반 바이오센싱 시스템은 초기 암의 정밀 진단을 위한 새로운 시대를 열고 있습니다.
MIT 공학자들은 또한 간단한 소변 검사로 암을 조기에 진단할 수 있는 소변 바이오마커용 나노입자 DNA 인코딩 나노센서를 설계했습니다. 암 단백질을 감지할 수 있는 이 센서는 종양의 종류나 치료에 대한 반응 정도까지 구분할 수 있습니다.
암 정복
면역항암 분야는 지난 몇 년간 엄청난 성장을 이루었습니다. 사이토카인, 백신, 종양 표적 단일클론항체, 면역 관문 억제제와 같은 승인된 제품들은 시장 규모를 계속 확대하고 있습니다. TAC01-HER2와 같은 새로운 치료법이 현재 임상 시험 중에 있습니다. 이 독특한 치료법은 자가 T세포를 유전적으로 조작하여 종양 세포에 존재하는 인간 표피 성장 인자 수용체 2(HER2)를 인식하고 제거하는 T세포 항원 커플러(TAC) 수용체를 도입합니다. 이는 전이성 HER2 양성 고형암에 대한 유망한 치료법이 될 수 있습니다.
또 다른 유망한 전략은 고형암을 대상으로 CAR-T 세포를 면역 반응을 촉진하는 백신과 병용하는 것입니다. 면역 촉진은 신체가 CAR-T 세포가 제거할 수 없는 다른 종양 항원을 표적으로 삼을 수 있는 숙주 T세포를 더 많이 생성하도록 돕습니다.
또 다른 주목할 만한 추세는 개선되고 효과적인 개인 맞춤형 치료법의 개발입니다. 예를 들어, 최근 개발된 유리딘 mRNA-리포플렉스 나노입자 기반의 개인 맞춤형 RNA 신생항원 백신은 췌관 선암종(PDAC)에 효과가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 면역항암 분야의 주요 과제는 치료 내성, 예측 가능한 바이오마커의 부족, 종양 이질성입니다. 따라서 새로운 치료 전략을 고안하는 것이 향후 연구의 핵심이 될 것입니다.
에너지 탈탄소화
2024년 현재, 화석 연료 기반 에너지원을 CO2를 배출하지 않거나 훨씬 적게 배출하는 에너지원으로 대체하여 에너지 생산을 탈탄소화하려는 다각적인 노력이 활발히 진행되고 있습니다.
이러한 노력 중 하나는 기존 전력망에 대규모 에너지 저장 장치를 통합하는 것입니다. 이는 재생 에너지원의 공급과 수요를 보완하여 재생 에너지 사용을 가능하게 하는 중요한 요소입니다. 저장 용량과 전력망 방전 속도가 각기 다른 다양한 형태의 그리드급 저장 장치가 개발되고 있습니다. 물리적 방식(플라이휠, 양수 발전, 압축 공기)과 화학적 방식(기존 배터리, 흐름 배터리, 슈퍼커패시터, 수소)이 있으며, 모두 활발한 화학 및 재료 개발 연구의 대상입니다. 미국 정부는 인플레이션 감축법(IRA)의 일환으로 세액 공제를 제공하고, 지역 수소 허브를 구축하기 위한 70억 달러 규모의 프로그램을 통해 이 분야의 개발을 장려하고 있습니다.
한편, 원자력은 2024년에도 활발한 R&D 분야로 남을 것입니다. 핵분열 분야에서는 여러 기업이 전기 생산 및 수소를 포함한 화학 제조에 사용하기 위한 소형 모듈 원자로(SMR)를 개발하고 있습니다. 핵융합 원자로 개발은 물리학 및 재료 과학 분야의 기초 연구를 수반합니다. 주요 과제 중 하나는 핵융합 플라즈마에 노출되는 원자로 벽에 사용할 수 있는 소재를 찾는 것인데, 지금까지 후보 소재로는 고엔트로피 합금과 용융 금속 등이 거론되었습니다.
신경퇴행성 질환
신경퇴행성 질환은 전 세계적으로 사망과 장애의 주요 원인이 되는 심각한 공중 보건 문제입니다. 현재 신경퇴행성 질환에 대한 완치법은 없지만, 새로운 과학적 발견과 질병 경로에 대한 이해가 환자의 치료 결과를 개선하는 열쇠가 될 수 있습니다.
- 알츠하이머병: 초기 알츠하이머병 환자의 인지 및 기능 저하를 완화하기 위해 두 가지 면역 치료제가 FDA 승인을 받았습니다. 아두카누맙(Aduhelm®)은 2021년 신속 승인을 받았으며, 2003년 이후 처음으로 승인된 알츠하이머 신약이자 질병의 병태생리를 표적으로 하여 초기 알츠하이머 환자의 뇌 내 베타-아밀로이드 플라크를 감소시키는 최초의 치료제입니다. 레카네맙(Leqembi®)은 2023년 정식 승인을 받았으며, 알츠하이머병의 병태생리를 표적으로 하여 질병 진행 속도를 늦추고 초기 단계 환자의 인지 및 기능 저하를 지연시키는 임상적 이점을 입증한 최초의 약물입니다.
- 파킨슨병: 파킨슨병 증상 치료를 위해 의약품 및 뇌 심부 자극술 외에도 새로운 치료 방식이 연구되고 FDA 승인을 받고 있습니다. 비침습적 의료기기인 엑사블레이트 뉴로(2021년 FDA 승인)는 집속 초음파를 뇌의 한쪽에 조사하여 떨림, 사지 경직, 이상운동증과 같은 심각한 증상을 완화합니다. 2023년에는 파킨슨병 연구의 중요한 진전으로 바이오마커인 알파-시누클레인이 검증되었습니다. 연구진은 알파-시누클레인 증폭 분석법이라는 도구를 개발하여 파킨슨병 진단을 받은 환자와 임상 증상이 나타나지 않은 사람의 척수액에서 해당 바이오마커를 검출할 수 있게 되었습니다.
- 근위축성 측삭 경화증(ALS): 지난 2년간 ALS 환자의 질병 진행을 늦추는 두 가지 의약품이 FDA 승인을 받았습니다. 렐리브리오®는 2022년에 승인되었으며, ALS 환자의 신경세포 사멸을 방지하거나 늦추는 역할을 합니다. 토퍼센(Qalsody®)은 안티센스 올리고뉴클레오타이드 제제로, 2023년 신속 승인 경로를 통해 허가되었습니다. 토퍼센은 돌연변이 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제 1(SOD1) 유전자에서 생성된 RNA를 표적으로 하여 독성 SOD1 단백질 생성을 억제합니다. 최근 발표된 유전학 연구에 따르면 돌연변이가 어떻게 ALS를 유발하는지에 대한 연구가 진행 중이며, 최근 연구진은 NEK1 유전자 돌연변이가 ALS로 이어지는 과정을 규명했습니다. 이 발견은 ALS 환자의 미세소관을 안정화하는 합리적인 치료 접근법의 가능성을 제시합니다.
