본 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 전이금속 촉매를 활용하여 복잡한 유기분자를 정밀하게 구축하는 유기합성 방법론 개발이다. 특히 알킬-알킬, 알킬-아릴 결합 형성과 같이 기존에는 선택성과 반응성 측면에서 도전적이었던 탄소-탄소 결합 생성 반응을 효율적으로 구현하는 데 강점을 보인다. 이러한 연구는 의약화학, 기능성 소재, 생리활성 분자 합성의 기반 기술로서 높은 파급력을 가진다. 연구실은 니켈 촉매를 포함한 전이금속 촉매계와 광촉매를 결합한 시너지 촉매 전략, 탈카복실화 반응, 입체수렴적 결합 형성 등 현대 유기합성의 핵심 개념을 적극적으로 활용한다. 이를 통해 라세미 기질로부터 높은 엔안티오선택성을 갖는 생성물을 얻거나, 아미노산과 같은 풍부한 바이오 기반 출발물질을 고부가가치 키랄 화합물로 전환하는 방법론을 탐구한다. 또한 알킬보로네이트 에스터와 같은 합성 중간체의 비대칭 합성을 통해 후속 변환 가능성이 큰 플랫폼 분자를 제공한다. 이 연구 방향은 단순한 반응 개발을 넘어 실제 합성신약 후보물질과 생체활성 분자 설계로 이어질 수 있다는 점에서 중요하다. 온화한 반응 조건, 넓은 기질 범위, 높은 입체선택성을 동시에 달성하는 촉매 시스템은 제약 및 정밀화학 산업에서 직접적인 활용 가능성이 높다. 앞으로도 본 연구실은 새로운 결합 형성 반응과 촉매 원리를 개발하여 유기합성의 한계를 넓히고, 복잡한 분자의 신속한 합성을 가능하게 하는 범용적 플랫폼을 구축하고자 한다.

본 연구실은 화학적 도구를 이용해 살아있는 세포 안의 복잡한 생명현상을 해석하는 화학생물학 연구를 활발히 수행하고 있다. 그중에서도 당단백질과 당화효소의 기능을 세포 수준에서 정밀하게 추적하고 제어하는 기술 개발이 중요한 연구 주제이다. 단백질 당화는 세포 신호전달, 면역, 질병 진행과 밀접하게 연관되어 있으나, 다양한 효소와 기질이 얽혀 있어 개별 효소의 역할을 구분하기 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 연구실은 효소의 활성 부위를 인위적으로 조절한 엔지니어링 전략과 비천연 당 기질을 결합한 선택적 표지 기술을 발전시켜 왔다. 대표적으로 bump-and-hole 개념을 적용해 특정 glycosyltransferase만이 인식하는 직교적 효소-기질 쌍을 설계함으로써, 살아있는 세포 환경에서도 특정 효소가 만든 당화 산물을 선택적으로 추적할 수 있도록 한다. 또한 대사 표지와 생물직교 반응을 결합하여 세포 내 특정 공간에서 당단백질을 선택적으로 표지하고 분석하는 방법론을 개발하고 있다. 이러한 연구는 기존 생물학적 분석법으로는 접근하기 어려운 세포 표면 당쇄, 세포내 구획별 당단백질, 질병 관련 당화 변화를 정밀하게 규명할 수 있게 한다. 나아가 특정 당화효소의 기질 특이성과 생리적 기능을 연결함으로써 암, 면역질환, 발생학 등 다양한 분야의 분자기전을 밝히는 데 기여할 수 있다. 본 연구실의 화학생물학 플랫폼은 진단용 프로브, 표적화 치료 전략, 기능성 생체소재 개발로도 확장될 수 있는 기반 기술이다.

본 연구실은 최근 저분자 화합물을 이용해 세포 내 단백질의 양과 기능을 직접 제어하는 표적 단백질 분해 기술에도 연구 역량을 집중하고 있다. 기존 저해제 중심의 약물 개발이 단백질의 활성을 일시적으로 억제하는 데 머물렀다면, PROTAC은 표적 단백질 자체를 분해 경로로 유도함으로써 보다 근본적이고 지속적인 기능 억제를 가능하게 한다. 연구실은 이러한 개념을 생물학 연구 도구와 치료 기술로 확장하는 데 주력하고 있다. 구체적으로는 MDM2를 포함한 표적 단백질에 결합하는 저분자 리간드를 탐색하고, 이를 E3 ligase 리간드와 연결하는 분자 설계를 통해 새로운 PROTAC 라이브러리와 합성 플랫폼을 구축하고 있다. 치아 및 치조골 재생을 위한 중간엽줄기세포 분화 유도형 PROTAC 개발, 형광단백질이 표지된 다양한 단백질을 범용적으로 분해할 수 있는 FPTAC 시스템 개발 등은 연구실의 응용 지향성을 잘 보여준다. 이 과정에서 합성화학, 세포생물학, 재생의학이 긴밀하게 융합된다. 이 연구는 기초과학적으로는 단백질 기능을 시간적·공간적으로 정밀 제어할 수 있는 새로운 실험 도구를 제공하고, 응용 측면에서는 난치성 질환과 조직 재생을 위한 차세대 치료 전략으로 연결될 가능성이 크다. 특히 재생의학 분야에서 특정 신호 단백질을 선택적으로 제거해 세포 분화와 조직 형성을 유도하는 접근은 매우 혁신적이다. 본 연구실은 향후 PROTAC의 표적 다양성, 세포 선택성, 생체 내 안정성을 높여 실제 치료제로 이어질 수 있는 화학생물학적 플랫폼을 구축하고자 한다.