Lab. Molecular Biotechnology
화학공학과
김준형
Lab. Molecular Biotechnology 연구실은 화학공학과를 기반으로 분자생물공학 및 생물화학공학 분야에서 세계적인 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 고초균(Bacillus subtilis) 포자표면발현 시스템을 중심으로, 미생물의 표면에 다양한 단백질과 효소를 발현시키는 혁신적인 기술을 개발해왔습니다. 이 기술은 산업적, 환경적, 의학적 응용에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 특히 내구성과 반복 사용이 가능한 효소 시스템 구축에 강점을 가지고 있습니다.
연구실의 주요 연구 분야는 포자표면발현 시스템을 이용한 환경정화, 바이오센서 및 진단 키트 개발, 바이오컨버전 공정, 그리고 고부가가치 화합물의 생물학적 생산입니다. 예를 들어, 산업 폐수 내 합성염료의 분해, 중금속 이온의 흡착 및 제거, 플라보노이드 및 이소플라본과 같은 기능성 소재의 생변환 등 다양한 실용적 연구가 진행되고 있습니다. 또한, DNA/RNA 아프타머를 활용한 고감도 바이오센서와 진단 플랫폼 개발에도 선도적인 역할을 하고 있습니다.
본 연구실은 포자표면발현 시스템의 앵커 모티프 개발, 발현 효율 향상, 새로운 기능성 단백질의 도입 등 기술 고도화에 집중하고 있습니다. 이를 통해 효소의 내구성, 반복 사용성, 환경 내 안정성 등을 극대화하여 실제 산업 현장 및 환경 정화 현장에 적용 가능한 솔루션을 제공하고 있습니다. 또한, 다양한 특허와 논문, 산학협력 프로젝트를 통해 연구성과를 산업계와 사회에 환원하고 있습니다.
연구실은 국내외 다양한 연구기관 및 산업체와의 협력을 통해, 실질적 문제 해결을 위한 융합연구를 적극적으로 추진하고 있습니다. 최근에는 지속가능한 도료 개발, 친환경 목재 코팅 소재, 바이오헬스 진단 플랫폼 등 신기술 개발에도 힘쓰고 있습니다. 이러한 연구는 미래 바이오산업 및 환경공학 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
앞으로도 Lab. Molecular Biotechnology 연구실은 분자생물공학 및 생물화학공학의 최첨단 연구를 선도하며, 친환경적이고 혁신적인 바이오솔루션 개발을 통해 인류의 삶의 질 향상과 지속가능한 사회 구현에 기여할 것입니다.
고초균 포자표면발현 시스템 개발 및 응용
고초균(Bacillus subtilis) 포자표면발현 시스템은 미생물의 포자 표면에 다양한 단백질이나 효소를 효과적으로 발현시키는 혁신적인 생물공학 기술입니다. 본 연구실에서는 포자 표면에 목적 단백질을 안정적으로 고정시키기 위해 다양한 스포어 코트 단백질(CotE, CotG, CotY 등)을 앵커로 활용하는 방법을 개발하였으며, 이를 통해 효소, 항원, 바이오센서 등 다양한 기능성 단백질의 표면 발현을 실현하였습니다. 이러한 시스템은 기존의 세포 표면 발현 방식에 비해 내구성이 뛰어나고, 고온, 화학물질, 방사선 등 극한 환경에서도 안정적으로 유지될 수 있다는 장점이 있습니다.
포자표면발현 시스템은 산업적, 환경적, 의학적 응용이 매우 다양합니다. 예를 들어, 산업 폐수 내 합성염료의 분해, 중금속 이온의 흡착 및 제거, 바이오센서 개발, 진단 키트 제작 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 특히, 포자 표면에 발현된 효소(예: 라카아제, 리파아제, 티로시나아제 등)는 반복 사용이 가능하고, 높은 열적 안정성과 내구성을 보여 산업 현장에서의 활용도가 높습니다. 또한, 포자 표면에 항원을 발현시켜 백신 개발에도 응용될 수 있습니다.
최근에는 포자표면발현 시스템의 앵커 모티프 개발, 발현 효율 향상, 새로운 기능성 단백질의 도입 등 기술 고도화 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 본 연구실은 포자표면발현 시스템의 한계를 극복하고, 다양한 바이오공정 및 환경정화, 바이오센서, 진단 플랫폼 등 실질적 응용을 위한 연구를 지속적으로 수행하고 있습니다.
바이오컨버전 및 환경정화 응용
본 연구실은 미생물, 특히 고초균 및 방선균을 이용한 바이오컨버전 공정 개발에 주력하고 있습니다. 바이오컨버전은 미생물 또는 효소를 활용하여 유용한 화합물로 전환하는 생물학적 변환 기술로, 식물 유래 플라보노이드, 이소플라본, 페놀류 등의 고부가가치 화합물 생산에 활용되고 있습니다. 예를 들어, 스트렙토마이세스(방선균)를 이용한 플라보노이드의 선택적 하이드록실화, 고초균 포자표면에 발현된 티로시나아제를 이용한 페놀류의 변환 등 다양한 연구가 진행되고 있습니다.
이러한 바이오컨버전 기술은 친환경적이며, 기존의 화학적 합성법에 비해 공정이 간단하고 부산물 발생이 적다는 장점이 있습니다. 또한, 고초균 포자표면발현 시스템과 결합하여 효소의 반복 사용, 내구성 향상, 공정 효율 극대화가 가능해 산업적 활용성이 매우 높습니다. 실제로, 본 연구실은 플라보노이드의 생변환을 통한 항산화, 미백, 항염 등 다양한 기능성 소재 개발에 성공하였으며, 관련 특허와 논문도 다수 보유하고 있습니다.
환경정화 분야에서도 포자표면발현 시스템을 이용한 중금속 이온(니켈, 카드뮴 등) 제거, 합성염료 분해 등 실질적 환경문제 해결을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 포자 표면에 폴리히스티딘, 라카아제 등 특이적 결합 및 분해 기능을 가진 단백질을 발현시켜, 오염물질의 선택적 흡착 및 분해가 가능하도록 하였으며, 실제 산업 폐수 및 환경 시료에 적용하여 우수한 성능을 입증하였습니다.
DNA/RNA 기반 아프타머 바이오센서 및 진단 키트 개발
본 연구실은 DNA 및 RNA 아프타머를 기반으로 한 고감도 바이오센서와 진단 키트 개발에도 선도적인 연구를 수행하고 있습니다. 아프타머는 특정 표적 분자(단백질, 이온, 소분자 등)에 선택적으로 결합하는 핵산 분자로, 항체를 대체할 수 있는 차세대 바이오인식소재로 각광받고 있습니다. 본 연구실에서는 in vitro selection(SELEX) 기법을 통해 다양한 표적에 특이적인 아프타머를 선별하고, 이를 이용한 바이오센서 및 진단 플랫폼을 개발하였습니다.
특히, 고초균 포자표면발현 시스템과 결합하여 아프타머-효소 융합체를 포자 표면에 발현시킴으로써, 현장형 진단 키트, 종이칩 기반 신속 진단 시스템 등 다양한 응용이 가능하도록 하였습니다. 예를 들어, 티로신 검출을 위한 포자표면발현 티로시나아제 키트는 소변 내 티로신 농도를 신속하게 측정할 수 있어 신장질환, 당뇨병 등 질환의 조기 진단에 활용되고 있습니다. 또한, 다양한 질병 바이오마커, 환경 오염물질, 식품 안전성 검출 등 다양한 분야로 확장되고 있습니다.
이러한 아프타머 기반 바이오센서는 높은 선택성과 민감도, 신속성, 저비용 등의 장점을 가지며, 기존 항체 기반 진단법의 한계를 극복할 수 있습니다. 본 연구실은 아프타머의 구조적 최적화, 신호 증폭 기술, 다중 검출 플랫폼 개발 등 차세대 진단기술 고도화 연구를 지속적으로 추진하고 있습니다.
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Display of proteins on Bacillus subtilis endospores
Cell, Ce Cell. Mol. Life Sci., 2009
2
Bacterial surface display of co-factor containing enzyme, w-transaminase from Vibrio fluvialis using Bacillus subtilis spore display system
Biosci. Biotechnol. Biochem., 2011
3
Biosynthesis of silver nanoparticles by Bacillus stratosphericus spores and the role of dipicolinic acid in this process
Appl. Biochem. Biotechnol., 2014
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[1차년도]옻칠 자연모사 기반 포자표면발현 라카아제를 이용한 지속가능한 도료개발
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사업 포트폴리오 다각화를 위한 목재 안정화 함침액 개발과 수입대체
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[7차년도]고초균 포자표면발현 시스템을 이용한 전세포 반응의 혁신적 개선: 산화효소를 이용한 플라보노이드 생변환
