2024년에는 주목할 만한 과학적 발전이 많았으며, 그 발전은 멈출 기미가 보이지 않습니다. CAS는 최신 연구를 지속적으로 주시하고 있으며, 2025년에 주요 과학적 혁신을 이끌 수 있는 8가지 주요 트렌드를 확인했습니다. 이러한 분야의 최근 개발은 연구 분야의 AI, 정밀 의학, 새로운 배터리 기술 등 다양한 주제에 걸쳐 이루어지고 있습니다. 이들은 함께 우리의 건강과 환경을 개선하고, 기업과 기업가들이 새로운 연구와 기술을 더 잘 활용할 수 있는 기회를 제공할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.
또한 CAS, 버클리 캘리포니아 대학교, 오크리지 국립연구소, POLARISqb의 전문가 패널이 이러한 트렌드와 2025년에 가장 기대되는 관련 분야에 대해 논의하는 녹화본을 시청할 수 있습니다.
탄력을 받고 있는 CRISPR 치료제 파이프라인
최첨단 유전자 편집 기술, 특히 CRISPR은 신약 개발의 환경을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. Casgevy는 CRISPR-Cas9 유전자 편집 기술을 사용하여 개발된 최초의 치료제로 미국 FDA의 승인을 받았으며, 이후 광범위한 질병을 대상으로 하는 많은 새로운 CRISPR 기반 치료제가 신약 개발 파이프라인과 임상시험에 진입했습니다.
염기 편집, 프라임 편집, CRISPR 기반 후성유전학적 조절의 급속한 발전은 종양학, 유전 질환, 바이러스 감염, 자가 면역 질환에 잠재적으로 적용되면서 CRISPR를 신약 개발의 최전선에 서게 했습니다. 돌연변이를 교정하거나 유해한 유전자를 억제시키거나 세포에 보호적 변화를 도입하는 것은 증상 관리에서 환자를 위한 치료 잠재력이 있는 치료로 패러다임의 전환을 의미합니다.
CRISPR이 치료 접근법을 개선하는 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
- T세포 기능을 억제하거나 암세포를 표적으로 삼는 능력을 향상시키는 유전자를 제거하여 더 강력하고 독성이 적은 CAR-T 치료법을 개발할 수 있습니다.
- 개별 유전자 반응에 따라 CAR-T 세포 치료를 중단하고 되돌릴 수 있는 제어 가능한 안전 스위치를 추가합니다.
- 암세포의 유전자와 단백질을 식별하여 PROTAC의 새로운 표적을 밝혀냅니다.
유전자 편집 도구로서 다재다능한 CRISPR은 그 자체로 유전자 교정 및 억제를 가능하게 하여 단원성 질병 및 바이러스 감염에 대한 치료 치료의 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 가장 흥미로운 점은 CRISPR, CAR-T, PROTAC와 같은 기술의 상호 보완적인 특성으로 인해 여러 기술에 걸쳐 협력적인 신약 개발이 가능하다는 점입니다. CRISPR의 유연성에 의존하는 새로운 치료법은 이전에는 파악하기 어려웠던 질병 생물학 및 환자 요구를 해결할 수 있으며, 조합 접근 방식을 통해 더 효과적인 치료법을 개발할 수 있는 미래를 형성할 수 있습니다.
리튬의 발전을 촉진하는 솔리드 스테이트 배터리 혁신
리튬 이온 배터리(LIB)는 오늘의 전기차와 많은 소비자 전자 제품에 널리 사용되고 있습니다. 그 결과, 이러한 응용 부문에 더 적합한 차세대 LIB를 개발하는 데 새로운 연구가 집중되고 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리는 EV 채택을 방해하는 많은 중요한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문에 주목받고 있는 새로운 기술 중 하나입니다. 오늘날 LIB에 일반적으로 사용되는 액체 또는 젤 전해질에 비해 고체 전해질의 장점은 무엇일까요?
- 더 안전하고 화재에 덜 취약합니다.
- 더 내구성이 있고 더 많은 방전 횟수를 견딥니다.
- 더욱 컴팩트하게 동일한 부피와 무게에 더 많은 에너지를 담고 있습니다.
- 충전 속도가 더 빠릅니다.
- 추운 날씨에 대한 성능 저하에 강합니다.
이러한 이점에도 불구하고 일부 업계 전문가들은 이 기술이 실제 환경에서 테스트될 때 비용, 제조 및 생산 검증의 장애물에 직면해 있다고 지적하며 여전히 회의적인 태도를 보이고 있습니다.
전반적으로 자동차 제조업체들은 이 기술에 대한 업계의 광범위한 투자 증가에서 알 수 있듯이 낙관적인 전망을 하고 있습니다.
- Honda는 최근 전고체 EV 배터리 생산 라인을 최근 공개했는데, 이 배터리는 50% 더 작아질 것으로 예상됩니다.
- 중국 최대 자동차 제조업체 중 하나인 SAIC는 2026년에 2세대 솔리드 스테이트 배터리의 대량 생산을 시작할 것이라고 발표했습니다.
- Nissan 역시 2028년까지 솔리드 스테이트 배터리를 탑재한 전기차를 출시할 계획을 발표했습니다.
이 모든 투자를 고려할 때, 앞으로 몇 년 안에 전고체 배터리의 전환점이 올 것으로 보입니다. 배터리 기술은 차량 응용 부문 외에도 새로운 혁신이 있을 때마다 새로운 응용 부문과 가능성을 가능케 하기 때문에 많은 산업 분야에서 주의 깊게 지켜보고 있습니다.
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AI 성공의 핵심 동인으로 부상하는 데이터 품질
2025년에도 AI는 계속해서 헤드라인을 장식할 것이지만, 이러한 기술이 다양한 산업에 통합되면서 AI 결과를 최적화하는 논의의 중심이 알고리즘에서 데이터로 옮겨가고 있습니다.
데이터는 모든 머신러닝 응용 부문을 학습하고 정보를 제공하는 데 사용되는 기본 연료입니다. ChatGPT와 같은 대규모 언어 모델(LLM)은 전문 과학 및 기술 응용 부문에 사용할 때 상당한 한계를 보이고 있습니다. 이는 부분적으로는 이러한 도구가 화학 구조, 표 형식의 데이터, 지식 그래프, 시계열 및 기타 형태의 비텍스트 정보를 처리하는 데 한계가 있기 때문입니다.
AI 결과에 대한 데이터 품질과 다양성의 중요성은 이미 잘 연구되어 있습니다. 하지만 특정 프로젝트에 적합한 데이터를 쉽게 구할 수 없는 경우가 많습니다. 다양한 과학 응용 부문에서 연구용 AI를 개선하기 위해 연구자들은 의도한 모델 응용 부문에 맞는 더 나은 품질과 더 전문화된 데이터 세트를 요구하고 있습니다.이는 이미 약물 용도 변경 연구를 강화하고 컴퓨터를 이용한 약물 설계를 촉진했습니다. 데이터 품질 격차를 줄이고 AI 응용 부문의 결과를 개선하는 데 사용되는 접근 방식은 다음과 같습니다.
- MIT와 Toyota가 자율 주행 차량을 훈련하는 데 사용하는 것과 같이 AI를 훈련하기 위한 맞춤형 데이터 세트의 개발.
- 더 많은 데이터 소스를 활용하고 '환각'과 부정확한 결과를 줄이는 복합 AI 시스템.
- 하나의 큰 모델을 사용하는 대신 특정 작업에 대해 여러 개의 작은 하위 모델을 학습시키는 '전문가 조합' 접근 방식.
- 충분한 실제 데이터를 사용할 수 없는 경우 새 모델을 학습시키기 위해 다른 AI 모델에서 생성한 합성 데이터 사용.
기후 행동의 진전을 지원하는 재료 과학 혁신
파리 협정에 따라, 많은 국가가 2030년까지 온실가스 배출을 대폭 줄이고 2050년까지 순배출 제로를 달성하는 목표를 약속했습니다. 주요 과제를 해결하는 새로운 방법을 제시하는 새로운 재료 과학 기술을 포함하여 다양한 과학적 혁신이 이러한 목표를 향한 진전을 가능하게 합니다.
금속-유기 프레임워크(MOF)는 금속 이온이 유기 분자와 결합하여 형성된 분자 케이지로 구성된 다공성 결정질 소재입니다. 이러한 재료는 높은 표면적, 조정 가능한 기공 크기, 압력 및 온도 변화에 대한 유연성 등 매우 다양한 특성을 나타내므로 가스 저장, 가스 분리, 자성, 촉매, 전기 및 광학 응용 부문에 적합합니다. BASF는 탁월한 표면적과 조정 가능한 특성으로 인해 탄소 포집을 위한 상업적 규모의 MOF 생산을 선도하고 있으며 다른 회사들도 뒤처지지 않고 있습니다.
기후가 따뜻해짐에 따라 에너지 효율적인 에어컨도 중요해질 것이며, MOF 기반 코팅도 이러한 응용 부문에 유용하다는 것이 입증되고 있습니다. MOF를 AC 부품에 코팅하면 통과하는 공기에서 습도를 효율적으로 추출하여 필요한 냉각 에너지를 최대 40%까지 줄입니다.
공유 유기 프레임워크(COF)는 에너지 저장, 촉매 및 가스 분리 분야에서도 큰 잠재력을 보여주고 있습니다. 금속-유기 프레임워크와 달리 COF는 완전히 유기적입니다. 이러한 2차원 또는 3차원 구조는 MOF에 비해 열 및 화학적 안정성이 더 높으며, 최근 연구에 따르면 이러한 안정성으로 인해 이러한 물질이 지속적으로 작동하고 대기를 정화할 수 있는 것으로 나타났습니다. COF는 식수에서 오염 제어 분야에서도 과불화화합물을 감지하고 제거하는 등의 효과가 입증되었습니다.
재료 과학 연구는 환경에 미치는 영향을 줄이는 신소재 개발을 통해 향후 몇 년간 지속 가능성 이니셔티브에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 이를 통해 환경오염의 영향을 완화하고 에너지 효율성을 개선하며 기타 여러 지속가능성 목표에 영향을 미치는 재생 가능한 기술과 프로세스의 광범위한 혁신이 이루어질 것으로 기대합니다.
2025년 이후 과학, 기술 및 산업에 영향을 미칠 재료 과학의 혁신에 대해 자세히 알아보세요.
신약 개발의 혁신을 촉진하는 분자 편집
전통적으로 화학자들은 복잡한 유기 분자를 합성하기 위해 크고 한정된 알려진 반응 세트에 의존해 왔습니다. 그러나 새로운 합성 접근법은 새로운 분자 발판과 형태에 대한 접근성을 높여 유기 및 의약 화학 분야에서 새로운 혁신의 물결을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
분자 편집은 핵심 스캐폴드 내에서 원자를 삽입, 삭제 또는 교환하여 분자의 구조를 정밀하게 수정할 수 있는 기술입니다. 일련의 단계적 반응을 통해 작은 부품을 조립하여 새로운 큰 분자를 만드는 기존의 방식과 달리, 분자 편집을 사용하면 화학자들은 기존의 큰 분자를 정밀하게 수정하여 새로운 분자를 만들 수 있습니다. 이를 통해 새로운 화합물을 더 효율적이고 비용 효율적으로 만들 수 있으며, 총 합성 단계를 줄임으로써 많은 변형에 필요한 독성 용매와 에너지 요구량을 줄일 수 있습니다.
잠재적으로 분자 편집의 가장 매력적인 측면은 혁신에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상되는 점입니다. 지난 10년 동안 제약 업계에서 '혁신의 위기'로 인식되는 원인과 해결 방안에 대한 논의가 계속되어 왔습니다. 그러나 화학자들이 원하는 구조에 도달하기 위해 마음대로 사용할 수 있는 경로를 늘리는 것이 신약 후보, 비료, 재료 및 기타 여러 응응용 부문에서 고려되는 분자 구조의 양과 다양성을 높이는 데 핵심이라는 것은 의심의 여지가 없습니다.
이미 화학자들이 합성 경로를 식별하고 우선순위를 정하는 데 도움을 주고 있는 새로운 AI 기반 합성 애플리케이션과 함께 이러한 새로운 합성 접근 방식은 향후 10년 동안 화학 혁신을 몇 배로 증가시킬 수 있습니다.
순환 경제를 발전시키는 폐기물 관리 혁신
2024년 UN 글로벌 폐기물 관리 전망에 따르면 급진적인 변화가 없다면 오염, 건강 악화, 기후 변화로 인한 숨겨진 비용을 포함해 폐기물 관리에 드는 연간 비용이 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 이처럼 새로운 기술은 재사용과 재활용이 더 큰 역할을 하는 순환 경제의 발전을 앞당기고 있습니다.
- 건식 야금, 습식 야금과 같은 전통적인 재활용 방법 외에도 리튬, 코발트, 니켈, 알루미늄, 철, 망간과 같은 귀금속을 바이오 침출, 직접 재활용, 전기 수문 야금 공정과 같은 방법으로 재사용하는 새로운 배터리 재활용 방법이 개발되고 있습니다. 이러한 새로운 접근 방식은 위험한 화학물질이 환경에 유입되는 것을 막을 뿐만 아니라 많은 인기 기술에 사용되는 귀중하고 종종 희소성이 있는 원소를 회수할 수 있습니다.
- 열수 탄화와 같은 바이오매스 전환 기술은 젖은 바이오매스, 유기 폐기물, 농업 잔재물을 발전과 토양 개량에 사용되는 탄소가 풍부한 물질인 하이드로차와 토양 개량에 사용되는 물질인 바이오차로 전환하여 폐기물을 에너지로 전환하는 데 사용되고 있습니다.
- 플라스틱을 먹는 박테리아는 효율적인 플라스틱 재활용을 개선하고 있습니다. 플라스틱을 먹는 박테리아는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 환경에 무해한 두 가지 단량체인 에틸렌 글리콜과 테레프탈산으로 분해하는 효소 IsPETase와 Is MHETase를 가진 박테리아인 Ideonella sakaiensis 201-F6의 발견에 힘입어 폐기물에서 단량체를 재생합니다. 이 기술을 확장할 수 있다면 전 세계의 지속적인 '플라스틱 중독'을 막는 데 도움이 될 것입니다.
이와 같은 새롭고 혁신적인 노력은 폐기물 처리 비용을 상쇄할 뿐만 아니라 새로운 기술이 등장할 때 더 나은 재정적 인센티브를 제공합니다. 제조업체, 에너지 생산업체, 정부, 폐기물 관리업체가 지속 가능성을 높이고 제조 공정의 수익성을 개선하기 위해 폐기물 관리 비용을 낮추는 혁신에 투자하면서 폐기물에서 새로운 가치 있는 자원을 회수하거나 창출할 수 있는 기술에 주목하세요.
실용화되는 양자 컴퓨팅
UN은 2025년을 국제 양자 과학 및 기술의 해(IYQ)로 선포했습니다. 양자 컴퓨팅 기술은 아직 널리 상용화되지는 않았지만, 과학적 R&D 분야의 실제 응용 부문을 위해 꾸준히 발전하고 있습니다. 예를 들어, 최근 Cleveland Clinic과 IBM은 세계 최초로 의료 연구 전용 양자 컴퓨터를 설치하여 최신 슈퍼컴퓨터로도 해결할 수 없었던 신약 개발 문제를 해결하는 데 양자 컴퓨터의 기능을 적용하기 시작했습니다. 연구자들은 양자 컴퓨팅이 분자 거동의 복잡한 시뮬레이션과 단백질 접힘의 효율적인 모델링을 가능하게 하여 신약 개발을 가속화할 방법을 탐구하고 있습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 구현이 증가함에 따라 단기간에 상당한 진전을 이룰 수 있는 기회를 창출합니다.
양자 컴퓨팅은 신약 개발 외에도 다양한 분야에서 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 예를 들어, 농업 연구원들은 비료 계산과 현장 모니터링을 통해 작물 생산량을 최적화하여 환경 피해를 최소화하면서 식량 생산을 향상시킬 수 있는 애플리케이션을 테스트하고 있습니다. 또한 양자 컴퓨팅은 대량의 글로벌 데이터 내에서 패턴을 식별하여 보다 정확한 일기 예보를 가능하게 하고, 다양한 모델에서 생성된 여러 이질적인 시나리오를 보다 신속하게 평가할 수 있을 것으로 기대됩니다.
최근 Google의 새로운 Willow 칩 출시와 2025년에 상용화된 양자 컴퓨터를 제공하겠다는 Microsoft와 Atom Computing의 발표는 이 기술이 얼마나 빠르게 발전하고 있는지를 보여줍니다. 양자 컴퓨팅은 기술 규모를 확장하는 데 여전히 많은 어려움이 있어 향후 몇 년 내에 기술 환경을 지배할 것으로 예상되지는 않지만, 여러 분야에서 핵심 동인으로 부상하고 있습니다.
옴니오믹스: 차세대 단일 세포 혁명
최근 몇 년간 새로운 단일 세포 분석 기술에 대한 투자가 폭발적으로 증가했으며, 이러한 기술은 질병 조기 발견, 산전 선별 검사, 바이오마커 검사, 액체 생검, 생물학적 약물 개발 등의 분야에서 중요한 진전을 이루기 위해 적용되고 있습니다. 유전체학, 전사체학, 단백질체학 관련 단일 세포 분석 기술 시장은 2023년 43억 4,400만 달러로 추정되며 2024년부터 2030년까지 연평균 18.7%로 성장할 것으로 예상됩니다.
단세포 연구에서 다음으로 부상하는 분야는 다중 오믹스입니다. 다중 오믹스 접근법은 여러 단일 세포 기술을 결합하여 연구자와 임상의에게 보다 완전한 그림을 제공합니다.
- 신약 개발 측면에서 다중 오믹스는 단일 세포 수준에서 다양한 단일 양식 오믹스 방법을 동시에 통합하면 다양한 생물학적 과정, 경로 및 질병 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 수 있으므로 치료제 설계와 백신 개발 발전에 도움을 줄 수 있습니다.
- 다중 오믹스는 또한 암 연구자들이 단일 세포 수준에서 후성 유전적 영향과 유전자 돌연변이의 영향을 동시에 연구할 수 있는 세포 연결 트리를 구축하는 데 사용되고 있습니다.
- 교모세포종 환자 모델에서 다중 오믹스는 종양 내 이질성에 대한 이해를 개선하여 환자별 치료법에 대한 정보를 제공할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
옴니오믹스는 다중 오믹스를 넘어 모든 오믹스 데이터를 통합하여 세포 수준에서 인간 생물학을 통합적으로 파악하고 복잡한 생물학적 상호작용과 질병 메커니즘을 보다 정확하게 밝혀내기 위해 노력합니다. 이 접근법은 약물 혁신에 광범위하게 적용되고 있으며 표적 치료법 개발을 가속화할 수 있습니다. 또한 종양 내의 다양한 세포와 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는지에 대한 심층적인 이해를 제공하여 개인 맞춤형 치료 전략의 기반을 마련하는 등 정밀 의학을 개선하는 데 큰 영향을 미칩니다.
