Department of Chemical Engineering POSTECH
77 Cheongam-Ro, Nam-Gu, Pohang, Gyeongbuk, 37673, Republic of Korea
한국과학기술원, 생명화학공학과, 박사
한국과학기술원, 생명화학공학과, 학사
| 기간 | 기관명 | 직위 및 직급 |
|---|---|---|
| 2021.09 – 현재 | 포항공과대학교 화학공학과 | 부교수 |
| 2017.08 – 2021.08 | 포항공과대학교 화학공학과 | 조교수 |
| 2016.06 – 2017.07 | Harvard University | 선임연구원 |
| 2015.11 – 2016.06 | Harvard University | 박사 후 연구원 |
| 2014.12 – 2015.11 | MIT | 박사 후 연구원 |
| 2012.01 – 2014.11 | Boston University | 박사 후 연구원 |
| 2009.08 – 2011.12 | 한국과학기술원 | 선임연구원 |
포항공과대학교 합성생물학 연구실에서는 자연계 내 다양한 생명현상을 발굴하고 이용하여 우리 주변의 문제를 생물공학적으로 해결하는데 관심이 있다. 이를 위해 특히, 합성 유전자 회로를 설계하고 개발하여 생물체를 직접 제어하는데 활용하거나, 또는 시험관 환경에서 구동하여 새로운 분자진단 기술과 생물분자 생산 기술 등을 개발하는데 활용하고 있다. 주요 연구분야는 구체적으로 (1) 합성 유전자 회로 설계 및 개발 (2) 유전자 회로 기반 생물 봉쇄시스템 개발 (3) 무세포 시스템 활용 분자진단기술 개발 (4) 생물분자 휴대 현장생산플랫폼 및 유전자 부품 평가시스템 개발 등으로 나뉘며, 최근에는 기계학습을 비롯한 컴퓨터공학 기술을 접목하여 유전자 회로 설계를 자동화하고 및 유전자 부품의 예측 정확도를 높이는 연구도 진행중이다. 위의 세부 분야들을 바탕으로 의료, 산업, 환경 분야 등의 난제를 해결하는 데 필요한 기술을 개발하는 것이 합성생물학 연구실의 목표이다.
합성 유전자 회로는 외부에서의 간단한 신호물질 조절을 통해 또는 내부 신호의 조합에 의해 세포의 상태전환 및 대사활동을 자유롭게 통제하는데 활용될 수 있다. 특히 AND, OR, NOT, NOR, 및 NAND와 같은 논리를 구현하는 논리 게이트 모듈을 확보하면 복잡 다양한 세포내/외 신호를 조합하여 원하는 조건에서만 동작하는 세포를 설계하는 것이 가능하다. 이를 위해 본 연구실에서는 다양한 AND, OR, NOT, NOR, 및 NAND 논리 게이트 모듈을 확보하고 시험하는 연구를 수행하며 이들의 성능을 표준화하고, 이를 바탕으로 각 논리 게이트 모듈의 수리모델을 확보하여 사용자가 정하는 논리를 가장 잘 구현할 수 있는 최적의 유전자 모듈의 조합을 선별한다. 이러한 설계 기술에 기계학습, 딥러닝을 활용하여 합성 유전자 회로의 성능을 예측하는 것은 물론 논리만 주어지면 회로 설계를 자동화하는 연구를 수행한다. 이러한 회로 설계 기술은 다양한 기능을 수행하는 인공 생명체의 개발을 가능케 하며, 특히 본 연구실에서는 딥러닝, 기계학습을 접목한 합성 유전자 회로 개발 및 설계 기술 고도화, 이를 통해 합성된 유전자 회로를 마이크로바이옴 환경에서 변화를 감지하고 대응할 수 있는 인공 생물체 개발에 적용하는데 관심을 두고 있다.
그림 1. 수학적 설계 및 논리 회로 구성을 통한 합성 유전자회로 개발의 예시
유전자 변형 생물체는 의학적, 산업적, 환경적 응용에 광범위하게 활용되고 있으며, 이에 따라 이들 유전자 변형 생물체의 외부 유출 시 발생하는 생물학적 오염 및 산업 보안 문제를 예방할 수 있는 생물봉쇄 시스템의 중요성 역시 커지고 있다. 본 연구실에서는 이 문제를 해결하기 위해서 합성 유전자 회로 설계 기술 바탕의 유전적 생물봉쇄 기술을 연구하고 있다. 외부 신호물질이 사라질 시 즉각적으로 사멸하도록 하는 데드맨 스위치와, 하나의 신호물질이 아니라 복수의 신호물질의 조합이 갖춰지지 않으면 세포 스스로 사멸하도록 하는 패스코드 스위치가 합성 유전자 회로 기반의 생물 봉쇄 시스템의 좋은 예시이다. 본 연구로 유전자 변형 생물체의 의도치 않은 유출을 방지할 수 있는 새로운 방법을 개발하고자 하며, 또한 동시에 다양한 바이오 산업의 핵심 유전자 자원과 균주 자원을 보호할 수 있는 장치를 개발하고 있다. 또한, 내성 유전자들의 병원균간 수평적 유전자 이동 등에 의해 점점 심화되고 있는 슈퍼박테리아 문제도 유전적 생물 봉쇄 시스템을 통해 해결할 수 있는 과제이다.
그림 2. 유전적 생물 봉쇄 시스템의 예시. 데드맨 스위치(왼쪽)와 패스코드 스위치(오른쪽)
COVID-19 팬데믹의 표준 진단 방법인 rRT-PCR은 민감도가 높으나 복잡한 검출과정 때문에 전문장비/전문인력을 필요로 하고 소요시간 및 접근성 측면에서 단점을 가지고 있다. 본 연구실에서는 유전자 회로 요소기술들을 바탕으로 rRT-PCR과 동등한 수준의 민감도와 특이도를 보이면서도 기존 기술의 단점을 개선한 분자진단 방법을 개발하고 있다. 무세포 환경에서 조건부 유전자 전사 장치를 구상하여, 표적 RNA 서열의 존재 여부에 따라 전사가 일어나도록 디자인한 결과, 임상 시료에서 별다른 정제 과정 없이 SARS-COV-2를 원스텝으로 빠르고 정확하게 검출할 수 있었으며, 그 밖의 다양한 표적 RNA를 검출하는 데도 활용 가능함을 확인하였다. 개발된 조건부 유전자 전사 장치를 바탕으로, 현장에서 소규모로 혹은 개인이 수행하기에 적합하도록 빠르고 간편한 진단 방식 개발에 초점을 맞추고 있으며, 적용 범위를 다양한 질병으로 확장하기 위한 연구 또한 진행 중이다. 또한 현장에서 신속하게 단일 염기 수준의 변이를 확인할 수 있는 기술도 확보하고 실용화를 위한 연구를 진행 중이다.
그림 3. 표적 RNA의 신속 검출을 위한 원팟 등온반응의 진행과정 및 다양한 표적 RNA 검출 결과
무세포(cell-free) 기반 전사 및 단백질 합성 시스템은 기존의 세포 기반 방식과 달리, RNA 중합효소나 리보좀과 같은 세포 내 분자장치들을 활용하면서도 형질 전환, 선별, 배양 및 정제 등의 과정 없이 단백질 발현이 가능하다는 장점이 있다. 해당 시스템은 합성된 생물 분자들의 생산과 보관/운송 과정에서의 장비 의존도를 낮춰 주어 실제 현장이나 낙후된 지역에서 활용이 용이하다. 이러한 시스템을 이용하면, 항체, 효소, 펩타이드 등 폴리펩타이드 기반의 다양한 의료용 생물분자의 휴대 현장생산이 가능하다. 본 연구실에서는 무세포 환경에서 합성 유전자 회로를 구현하여 상기 현장생산 플랫폼에 탑재함으로써 정교한 제어가 가능한 휴대 생물분자 생산 시스템을 구현하고자 한다. 이러한 무세포 플랫폼은 휴대 현장 생산 플랫폼 뿐만 아니라, 다양한 유전자 부품의 성능을 쉽게 확인하는 방법의 개발에도 적용될 수 있다. 본 연구실에서는 합성 유전자 회로개발을 위한 다양한 유전자 부품의 성능을 무세포 시스템 기반으로 평가하는 시스템을 구축하고 있다. 이러한 무세포 시스템을 이용한 프로토타이핑 기술을 이용하면, 형질전환 등이 까다로운 비모델 균주에서도 쉽게 유전자 부품등의 성능을 확인하기 용이하여, 산업적으로 유용한 다양한 균주의 쉬운 개량에 한 발 더 다가설 수 있을 것 이다.
1) Y. N. Choi†, N. Cho†, K. Lee, D. Gwon, J. W. Lee*, J. Lee*, Programmable synthesis of bio-based materials using cell-free systems, Adv. Mater. 2022, 35, 2203433 (†: equally contributed)
2) E. Seo†, Y. N. Choi†, Y. R. Shin, D. Kim, J. W. Lee*, Design of synthetic promoters for cyanobacteria with generative deep-learning model, Nucleic Acids Res. 2021, 51, 7071-7082 (†: equally contributed)
3) C. H. Woo†, S. Jang†, G. Shin, G. Y. Jung, J. W. Lee*, Sensitive fluorescence detection of SARS-CoV-2 RNA in clinical samples via one-pot isothermal ligation and transcription, Nat. Biomed. Eng. 2020, 4, 1168-1179 (†: equally contributed)
4) J. W. Lee†, C. T. Y. Chan†, S. Slomovic†, J. J. Collins, Next-generation biocontainment systems for engineered organisms, Nat. Chem. Biol. 2018, 14, 530-537
5) K. Pardee†, S. Slomovic†, P. Q. Nguyen†, J. W. Lee†, N. Donghia, D. Burrill, T. Ferrante, F. McSorley, Y. Furuta, A. Vernet, M. Lewandowski, C. N. Boddy, N. S. Joshi, J. J. Collins, Portable, On-demand Biomolecular Manufacturing, Cell, 2016, 167, 248-259 (†: equally contributed)
6) J. W. Lee, A. Gyorgy, D. E. Cameron, N. Pyenson, K. R. Choi, J. C. Way, P. A. Silver, D. Del Vecchio, J. J. Collins, Creating single-copy genetic circuits, Mol. Cell, 2016, 63, 329-336
7) C. T. Y. Chan†, J. W. Lee†, D. E. Cameron†, C. J. Bashor, J. J. Collins, Deadman and Passcode microbial kill switches for bacterial containment, Nat. Chem. Biol. 2016, 12, 82-86 (†: equally contributed)
8) J. W. Lee, D. Na, J. M. Park, J. Lee, S. Choi, S. Y. Lee, Systems metabolic engineering of microorganisms for natural and nonnatural chemicals, Nat. Chem. Biol. 2012, 8, 536-546
