NABL (Department of Nano & Artificial Biotechnology Laboratory),
Korea University, 2511 Sejong-Ro, Sejong 30019, Republic of Korea
서울대학교 응용화학부 – 화학공학, 박사
서울대학교 화학공학과, 석사
서울대학교, 응용생물화학과 (농화학과), 학사
| 기간 | 기관명 | 직위 및 직급 |
|---|---|---|
| 2021.06.01 – Present | Biological Clock-based Anti-Aging Convergence Regional Leading Research Center (BCA2-RLRC, NRF, MSIT, Korea) | Director |
| 2018.05.23 –2020.05.22 | Korea University Research-Business Foundation (Sejong Campus), Korea University, Korea |
President |
| 2016.06.23 – 2021.06.22 | Marine Bio-Mineralization Research Center (MbMRC, NRF, MISP, Korea) |
Director |
| 2016.03.01 – Present | Department of Biotechnology and Bioinformatics, Korea University, Korea |
Professor |
| 2014.08.01 – 2015.07.31 | Institute of Collaborative Biotechnologies,University of California, Santa Barbara CA, USA | Visiting Professor |
| 2013.01.01 – Present | KU Medical Center Korea University, Korea | Adjunct Professor |
| 2012.08.01 – 2018.08.31 | Institute of Science and Technology,Korea University, Korea | Director |
| 2008.09.01 – 2016.02.28 | Department of Biotechnology and Bioinformatics, Korea University, Korea |
Assistant Professor &Associate Professor |
| 2003.04.01 – 2008.08.31 | Institute of Advanced Energy, International Innovation Center & Institute of Sustainability Science, Kyoto University, Japan(PI: Prof. Keisuke Makino) |
JSPS Research Fellow &JST Research Fellow (CREST) |
| 2003.03.01 – 2003.08.31 | Institute of Molecular Biology and Genetics, SNU, Korea (PI: Prof. Young Je Yoo) |
Post-Doctoral Fellow |
본 연구실은 생물이 가지고 있는 독특하고 유용한 기능성 또는 구조를 산업적으로 응용하는 생물모사 ("Biomimetics") 기반의 Biotechnology를 지향한다. 특히, 새로운 기능성을 가진 생물 분자를 발굴하거나 목적에 맞는 설계 및 개량을 통한 새로운 산업용 생물복합 재료, 특이적 기능의 분자 및 바이오 의약품 개발 연구를 진행하고 있다. 설계된 기능성 생물 분자 및 복합체는 고효능의 생물 약제로의 활용뿐만 아니라 고정밀 생명 분석용 분자 프로브와 고효율 생물전환 시스템 구성용 생촉매 등으로 활용 가능하다. 또한, 인공 기능성 분자 설계를 바탕으로 생명의 근원을 분자수준에서 이해함과 더불어 생물 결합/응집의 물리적 원리를 기반으로 새로운 복합 기능성 창출도 시도하고 있다. 연구분야는 나노생물공학과 생체모방공학을 바탕으로 주로 생체유래 DNA, RNA, 단백질, 효소 등의 나노수준에서의 분자 고찰과 생체 모방형 설계를 통해 새로운 산업용, 의료용 바이오 소재 개발 연구를 수행하고 있다. 주요 수행 연구과제는 지구환경 변화 대비 생물전환/활용 기술 개발, 생물 모방형 약물전달 및 조직공학 소재 개발, 바이오미네랄 중심의 유무기복합 신소재개발, Aptamer 및 변형 핵산, Nanobody 및 펩타이드 등 기능성 바이오 분자의약 개발 등이다. 특히, 최근에는 생체시계 원리 관점에서 생명의 노화 과정을 재해석하고 이에 기반한 각종 노화성 질환을 연구하는 주제로 지역혁신 선도연센터 (생체시계 기반 항노화 융합 RLRC)와 연계한 연구들도 진행중이다.
천연유래/생체모방 신소재 개발인 바이오미네랄 유무기복합소재는 현대 의료 및 산업 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 고체 표면의 효소를 활용한 생체 촉매는 이미 다양한 분야에서 성공적으로 응용되어 왔다. 그러나 현재의 효소 고정화 방법은 활성이 유지되는 효율적인 고정화를 보장하지 못하는 경우가 있어 추가 개발이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구실에서는 짧은 미네랄 고체 결합 펩티드를 사용한 새로운 친화성 기반 접근법을 개발했다. 이 접근법은 산업 및 환경 분야에서 응용 가능성이 높고, 1단계 효소 고정화를 위한 효율적인 방법을 제공한다. 또한 생체모방 신소재인 바이오미네랄 유무기복합소재를 활용하여 광전자소재, 의료용소재의 연구를 진행하고 있으며, 생체모방적인 방법을 통해 바이오실리카 형성을 유도할 수 있는 펩타이드를 발굴과 활용 연구를 진행하고 있다. 이 외에도, 바이오미네랄 유무기 복합소재화 원리를 활용한 탄산칼슘 소재의 의약품 전달 및 골재생 소재로의 응용 연구도 진행중이다. 또한 바이오미네랄 유무기복합소재의 제조 및 가공 공정에서 실증형 응집 및 여과 다단계 공정을 개발하고 최적화하여 생산 효율성을 향상시키고 제품 품질을 향상시키는 연구를 진행 중이다. 결과적으로 이러한 연구들은 바이오미네랄 유무기복합소재의 의료 및 산업용 신소재로의 활용을 더욱 확대시키고, 제조 및 가공 공정의 효율성을 향상시킬 것으로 기대된다.
그림 1. 카이랄성 탄산칼슘 형성 제어 및 세포 특성화 연구 예시
그림 2. 짧은 고체 결합 펩티드를 사용한 새로운 친화성 기반 접근법을 개발 연구 예시
항노화 및 재생의학 분야에서는 바이오미네랄 기반의 차세대 약물 전달체 및 골/피부/근 재생 소재의 개발에서 시작하고 있다. 본 연구실에서는 골이식 소재에 바이오실리카를 코팅한 후 골성장인자인 BMP2를 결합시켜 골손상 부위로의 전달력을 향상시켰으며, 이러한 바이오실리카로 캡슐화된 BMP2는 단순 흡착법보다 더 높은 농도로 결합하고 방출시에도 단순 흡착법에 비해 서방형으로 방출되어 체내에서 지속적으로 유지되고 방출될 수 있다. 이러한 연구는 골 손상 및 기타 재생 의학 분야에서 치료 및 재생에 적용될 수 있는 혁신적인 솔루션을 제공할 수 있다.
또한 생체시계 기반의 재생 및 항노화 연구를 위해 포유류의 일주기 시계 시스템의 주요 구성 요소를 이해하고, 이를 피부 세포의 시계 유전자 주기에 도입하여 연구를 진행 중이다. 피부 세포의 시계 유전자 주기를 연구함으로써, 재생 및 항노화에 대한 새로운 접근법을 개발할 수 있다. 특히 피부는 외부 환경에 노출되어 있기 때문에 시계 시스템의 변화에 영향을 받을 가능성이 높으며, 이를 통해 피부의 재생 및 노화에 대한 메커니즘을 이해하고 치료할 수 있는 기회가 될 수 있다.
더 나아가 영양 전사체, 대사체, 마이크로바이옴 등 Multi 오믹스 분석을 통해 대사성 및 노인성 질환의 제어를 위한 바이오마커를 발굴하는 연구를 진행 중이다. 유전자 발현을 통해 각 개인의 대사체 특성을 파악하거나, 세포 및 동물 모델을 사용하여 기능성 식품이 대사성 및 노인성 질환의 발생 및 진행에 미치는 영향을 평가하여 예방과 치료에 적극적으로 기여하고자 한다.
그림 3. 바이오실리카로 캡슐화된 BMP2 예시
그림 4. 피부세포의 생체시계 기반 재생 및 항노화 예시
그림 5. 전사체, 대사체, 마이크로바이옴 분석을 통해 대사성 및 노인성 질환의 제어를 위한 바이오마커를 발굴 연구 예시
기능성 핵산 구조체는 DNA 또는 RNA를 기반으로 한 분자로서, 특정 질병의 발생 및 진행을 조절하거나 예방하는 데 사용될 수 있다. 이러한 구조체는 주로 유전자 조절, mRNA의 변형 및 조절, 단백질의 발현 조절 등의 메커니즘을 통해 작용할 수 있다. 본 연구실에서는 항체와 유사한 역할을 하지만 더 작고 안정적인 특징을 가지고 있는 앱타머를 사용해 특정 분자를 표적으로 하여 고효율 앱타머를 발굴하고 이를 질병 진단에 사용하는 분자 Sensor를 개발하는 연구를 진행 중이다. 이러한 신 개념의 분자 의약은 기존의 약물 개발 방법과는 다른 메커니즘을 통해 질병을 치료하거나 예방하는 데 사용될 수 있다.
또한 신개념 분자 의약에 대한 연구로, 앱타머의 설계가 중요한 부분으로 작용한다. 특히, 신규 앱타머 발굴을 위한 기술인 SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment)를 통해 효소 작용을 억제하는 방법을 활용하여 특정 질병에 대한 앱타머를 발굴하는 연구를 진행 중이다. 이를 통해 질병 치료에 중요한 역할을 하는 효소의 활성을 조절하거나 억제하여 신약 개발에 활용할 수 있고, 더 나아가 현대 사회에서 중요한 문제 중 하나인 심혈과 및 호흡기 질환을 대상으로 하는 앱타머를 발굴해 치료에 기여할 수 있다.
현재 아직까지도 코로나바이러스에 대한 감염이 일어나고 있다. 코로나바이러스는 일반적으로 상부 호흡기관을 감염시켜 감기 증상을 유발하며, 전염성이 매우 강한 바이러스이다. 이러한 SARS-CoV-2 Spike protein에 결합하는 앱타머를 발굴해 감염을 억제할 수 있는 억제제로써 사용하는 연구를 진행 중이다.
그림 6. 질병 진단에 사용하는 바이오 Sensor를 개발하는 연구 예시
그림 7. 심혈관 질환을 대상으로하는 앱타머를 발굴해 치료에 기여하는 연구 예시
그림 8. SARS-CoV-2 Spike protein에 결합하는 앱타머를 발굴해 감염을 억제할 수 있는 억제제로써 사용하는 연구 예시
신개념 바이오로직스 및 생촉매의 개발은 Nanobody, 펩타이드, 효소 등을 활용한 새로운 단백질 및 항체의 개발을 중점적으로 다루고 있다. 이를 통해 단백질, 효소, 펩타이드 및 나노바디의 엔지니어링이 진행되어 다양한 생물학적 기능을 가진 연구들이 진행 중이다. 이러한 바이오로직스 및 생촉매의 개발은 새로운 치료제, 진단 방법, 바이오센서 등의 응용을 통해 의료 및 산업 분야에서 사용될 수 있다. 본 연구실에서는 나노바디의 엔지니어링을 통해 특정 단백질이나 항원에 특이적으로 결합하는 나노바디를 개발하고, 이를 통해 약물 전달, 진단 등의 응용하는 연구를 진행 중이다.
항체 대용 생물 의약품 개발 기술은 다양한 방법을 사용하여 항체와 유사한 기능을 가진 생물 의약품을 발굴하고 개발하기 위해 Phage display를 이용한 소형 항체 screening 기술이 활용된다. Phage display는 박테리오파지 (bacteriophage)를 이용하여 단백질이나 펩타이드 라이브러리를 표면에 노출시키고, 이를 특정 타겟과 상호작용하는 분자를 선별하는 기술이다. 본 연구실에서는 이를 통해 노화와 관련된 세포에서 발현되는 특정 단백질이나 분자를 표적으로 하는 나노바디를 발굴하고, 노화와 관련된 질병의 예방 및 치료에 새로운 가능성을 제공하는 연구를 진행 중이다.
또한 기능성 단백질 활용 기술의 발전은 다양한 분야에서의 응용 가능성을 열어준다. 더불어 Metal ion을 이용한 위치 특이적 단백질 분리, Lpp_OmpA를 활용한 세포 표면 항원 발현, Metal-mediated cleavage tag을 이용한 단백질 분리 및 정제, 그리고 Cell surface display를 SEM 이미지로 확인하여 응용 연구를 진행 중이다. 이러한 기술 개발을 통해 기능성 단백질의 활용 범위가 확장되고, 바이오 및 의약품 분야에서의 응용 가능성이 높아질 것으로 기대된다.
그림 9. Phage display를 이용한 나노바디 screening 기술 예시
그림 10. Metal ion을 이용한 위치 특이적 단백질 분리 연구 예시
