포항공과대학교 이정욱 교수님 연구실

연구실 개요

합성생물학 연구실(Synthetic Biology Laboratory)에서는 유전자 발현을 조절하는 유전자 회로를 개발하여 산업 및 의료분야의 다양한 문제들을 해결하는 연구를 진행하고 있다. 유전자 발현조절 장치는 호스트 생명체의 대사 및 생장능이나 행동방식 등을 통제하는데 활용할 수 있는데, 특히 본 연구실에서는 최소부하를 가지는 유전자 회로 개발, 논리회로 기반의 생물봉쇄시스템 개발, 목적산물의 생산과 호스트 미생물의 성장 및 변이생성을 제어할 수 있는 유전자 회로 등과 같이 세포 내 발현조절을 위해 유전자 회로를 개발하고 적용하는 연구를 수행하고 있다. 이러한 유전자 회로는 세포 바깥에서도 유용할 수 있는데 이들을 무세포(cell-free) 환경에 적용하는 연구에도 관심을 갖고 있다. 예를 들면 무세포 전사시스템 기반의 새로운 분자진단 기술 개발 연구, 치료용 단백질을 무세포 시스템 기반으로 개량하는 연구 등이 여기에 해당된다.

주요 연구내용 소개

1. 최소부하를 가지는 유전자 회로 개발

유전자 회로를 발현 조절 장치로 이용하면 다양한 응용 연구를 수행할 수 있는데, 이들을 효과적으로 적용하는데 있어 문제 중 하나는 유전자 회로의 구동을 위해서 세포 내 많은 에너지와 자원이 소모된다는 부분이다. 따라서 많은 경우 유전자 회로를 구동 시키는 것만으로도 호스트 미생물의 성능을 저해되기도 한다. 이러한 부분이 유전자 회로 적용의 어려움 중에 하나이다. 본 연구실에서는 호스트 미생물에 걸리는 부하를 최소로 하는 유전자 회로 개발 연구들을 수행하고 있는데, 이 중 하나는 호스트 게놈 상에 유전자 회로를 개발하는 것이다. 유전적 토글 스위치를 모델로 유전자 회로를 게놈 상에 구축하는 방법을 수학적 모델을 도입하여 체계화 하고 실험적인 검증을 통해 구축한 바 있다.

이를 통해 단일 복제 수의 토글 스위치를 개발하였고 이들이 적은 대사 소모를 가지며 회로가 안정적으로 유지 될 수 있음을 확인하였다. 여기에 활용된 결정론적 모델과 확률론적 모델은 향후 토글 스위치 이외의 다양한 유전자 회로를 설계하고 개발하는데 활용할 수 있을 것으로 생각한다.

2. 생물봉쇄시스템 (Biocontainment) 개발

초창기의 합성생물학의 응용분야들은 실험실 수준에서의 학문적 의미에 중점을 둔 응용연구에 치우쳐 있었는데, 현재는 다양한 분야로 응용연구가 확장되고 있는 추세이다. 특히, 열린 환경(open environment)에서 합성생물학적으로 개량된 생명체들을 적용하려는 시도들이 증가하고 있는데, 이와 동시에 유전적으로 개량된 생명체들을 자연환경에 적용하는데 대한 우려도 증가하고 있다.

본 연구실에서는 이러한 유전적으로 개량된 생명체들을 열린 환경에 적용할 때 환경영향을 최소화 할 수 있도록 하는 유전적인 장치들을 합성 유전자 회로 기반으로 개발하고 있다. 특히, 유전자 토글 스위치와 AND게이트와 같은 유전자 논리 회로를 이용하여 미생물 외부에 특수한 외부환경 조성이 갖추어지지 않으면 세포 스스로 사멸하도록 하는 세포 사멸 시스템을 구축하였다. 또한, 유전물질 등이 외부로 유출되지 않도록 하는 시스템 개발 연구도 진행하고 있다. 본 연구실에서는 이를 이용하여 오랜 시간의 연구개발이 필요한 다양한 생물자원들이 외부로 유출되는 거나 도용되는 것을 방지하는 생물봉쇄시스템(Biocontainment)을 구축하는 연구를 수행하고 있다.

3. 무세포 시스템 기반의 분자진단기술 개발 연구

COVID-19 팬더믹의 표준 진단방법으로 우리에게 친숙한 rRT-PCR은 복잡한 과정과 고가의 전문장비, 그리고 전문인력을 필요로하는 분자진단 방법이다. 현재의 방역체계는 이러한 rRT-PCR을 기준으로 구성이 되어 있어 진단에 하루 정도의 시간이 걸리고 개인의 접근성이 높은 편은 아니다.

본 연구실에서는 무세포 합성생물학 기술들을 활용하여 rRT-PCR 정도의 민감성과 분별성을 보이면서도 별다른 장비 필요 없이 현장에서 소규모로 또는 개인이 수행하기에 적합한 형태의 빠르고 간편한 분자진단 방법을 개발하고 있다. 또한 축적된 유전자 시퀀싱 정보를 이용하여 비단 COVID-19 뿐 만 아니라 다양한 질병, 다양한 환경의 RNA를 검출하는 방법으로 연구 개발을 진행 중이다.

4. 의료용 생체 분자의 개발 연구를 위한 무세포 단백질 발현 시스템

본 연구실에서는 무세포 발현 시스템을 활용하여 항균 펩타이드, 백신, 항체 치료제 등의 다양한 단백질 치료제들을 개량 시스템을 개발하는 연구도 수행하고 있다. 무세포 단백질 시스템을 활용하면 기존의 세포를 활용하는 방법에 비해 형질전환, 선별, 배양 및 정제 등의 과정을 거칠 필요가 없이 단백질 발현이 가능한 장점이 있다. 본 연구실에서는 이러한 무세포 단백질 발현시스템의 장점을 유전자 회로와 결합하여 새로운 단백질 개량 시스템을 개발하는 연구를 수행 중이다.

연구실 현황

합성생물학 연구실은 이정욱 교수님을 비롯하여 박사후연구원 2명, 석사·박사통합과정 8명, 박사과정 1명, 연구원 2명으로 총 13명의 실원으로 구성되어 있다. 2021년 현재, 주요 저널 논문 게재 33편, 국내 및 국제 특허 출원 48건 및 등록 21건 등의 연구 실적을 올리고 있다. 본 연구실에서는 세포 내/외에서 유전자 회로를 개발하고 적용하는 다양한 연구들을 수행하고 있다. 연구실 내의 자유로운 분위기 속에서 각 구성원들 간의 원활한 소통을 통해 활발한 연구를 진행 중이다.