이 연구 주제는 인체 장 환경을 미세유체 기반의 생체모사칩으로 재현하고, 장 상피세포와 마이크로바이옴 사이의 복잡한 상호작용을 정밀하게 분석하는 데 초점을 둔다. 연구실은 기존의 2차원 세포배양이나 단순 동물모델이 충분히 반영하지 못했던 인체 특이적 생리 반응을 보다 현실적으로 구현하기 위해 gut-on-a-chip 플랫폼을 적극적으로 활용한다. 이를 통해 장내 미생물이 상피 장벽 기능, 염증 반응, 산화 스트레스, 조직 재생에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 한다. 특히 장 상피가 기계적 자극을 받으며 3차원 형태 형성과 기능적 분화를 이루는 과정을 반영하는 연구가 두드러진다. 단일세포 전사체 분석과 같은 고해상도 분자 분석 기법을 접목하여, 장 칩 내에서 세포 상태가 어떻게 변화하는지, 미생물 자극이 유전자 발현과 세포 기능에 어떤 영향을 주는지를 체계적으로 추적한다. 이러한 접근은 단순히 장내 미생물의 존재를 관찰하는 수준을 넘어, 숙주-미생물 상호작용의 인과적 기전을 밝히는 데 중요한 기반이 된다. 이 연구의 궁극적 가치는 염증성 장질환, 장 누수 증후군, 감염성 장질환과 같은 질환의 발생 원인을 더 정확히 이해하고, 새로운 치료 전략을 설계할 수 있는 플랫폼을 제공하는 데 있다. 환자 맞춤형 세포와 미생물을 적용할 경우 개인별 질환 특성과 치료 반응을 평가할 수 있어 정밀의료로의 확장 가능성도 높다. 또한 마이크로바이옴 의약품, 프로바이오틱스, 기능성 바이오소재의 효능 검증 도구로 활용될 수 있어 기초연구와 산업 응용을 연결하는 핵심 기술로 평가된다.

연구실은 크론병, 대장암, 장누수와 같은 질환을 인체 유사 환경에서 재현하는 환자특이적 질환모사칩 개발에 주력하고 있다. 이러한 플랫폼은 환자 유래 세포, 질환 관련 미생물군, 염증 미세환경을 통합하여 실제 병태생리를 모사함으로써 기존 모델보다 높은 예측력을 확보하는 것을 목표로 한다. 특히 장내 미생물이 질환 진행과 면역 반응 조절에 미치는 영향을 칩 상에서 직접 검증함으로써, 질환의 개인차를 반영한 연구가 가능해진다. 이 과정에서 연구실은 프로바이오틱스 매개 상피 재생, 항염증 반응 유도, 미생물 면역조절을 통한 면역항암제 효능 증진 등 치료 중심의 응용 연구를 수행한다. 질환모사칩은 단순 독성시험 장치가 아니라, 치료제 후보가 장벽 회복, 염증 억제, 종양 미세환경 변화, 면역세포 활성에 미치는 영향을 다차원적으로 분석할 수 있는 실험 시스템으로 기능한다. 환자특이적 대장암 칩이나 크론병 칩 연구는 마이크로바이옴 기반 치료제와 기존 의약품의 병용 가능성을 검토하는 데도 중요한 근거를 제공한다. 이 연구는 미래 의료에서 치료제 개발의 성공률을 높이고, 환자 맞춤형 치료 전략을 빠르게 수립하는 데 기여할 수 있다. 동물실험 의존도를 줄이면서도 인체 반응과 더 가까운 결과를 제공하므로, 전임상 평가 플랫폼으로서의 가치도 매우 크다. 나아가 생균치료제, 면역치료 보조제, 맞춤형 마이크로바이옴 의약품 개발로 이어질 수 있어 바이오헬스 산업의 차세대 핵심 인프라로 확장될 가능성이 높다.

이 연구 주제는 장과 뇌를 포함한 복수 장기의 생리적 연결성을 생체조직칩 상에서 구현하여, 전신 수준의 질환 기전을 해석하려는 시도에 해당한다. 연구실은 염증성 장질환이 장에 국한되지 않고 뇌염증이나 신경계 이상으로 이어질 수 있다는 점에 주목하여, 장-뇌 연결 플랫폼을 개발하고 있다. 이는 장기 간 상호작용을 단일 장기 모델이 아닌 다중 생체모사 시스템으로 분석함으로써 복잡 질환의 전개 과정을 더 정밀하게 이해하려는 접근이다. 기술적으로는 미세유체 칩, 오가노이드, 스페로이드 어레이, 전기생리학 측정, 3D 프린팅 기반 소자 제작 등이 통합된다. 장 조직에서 발생한 염증 신호나 마이크로바이옴 유래 대사체가 신경세포 기능과 네트워크 활성에 어떤 영향을 주는지를 추적할 수 있으며, 정상 상태와 질환 상태 간의 차이도 비교 가능하다. 이러한 플랫폼은 생체 내에서 관찰하기 어려운 시공간적 신호 전달을 실험적으로 제어하고 측정할 수 있다는 점에서 매우 강력한 연구 도구이다. 장-뇌 축 연구는 난치성 염증질환, 신경염증, 뇌전증 등 서로 다른 질환 영역을 연결하는 융합 연구로 발전할 수 있다. 연구실의 다중장기 미세시스템은 질병 기전 규명뿐 아니라 약물 스크리닝, 치료 타깃 발굴, 마이크로바이옴 의약품 효능 평가에도 활용될 수 있다. 결국 이러한 연구는 인체의 복잡한 시스템 생물학을 공학적으로 재구성하여, 차세대 정밀의료와 바이오 디바이스 개발을 동시에 견인하는 기반이 된다.

연구실은 마이크로바이옴 공학을 합성생물학과 접목하여, 질환 특이적 기능을 수행하는 유전자재조합 생균치료제 개발과 검증 체계를 구축하고 있다. 이는 단순히 유익균을 투여하는 수준을 넘어, 특정 병원체에 선택적으로 부착하거나 염증 반응을 조절하도록 설계된 미생물을 치료 플랫폼으로 활용하는 접근이다. 특히 질 내 감염과 같은 미생물 생태계 기반 질환을 대상으로 사람 질 모사칩에서 효능과 안전성을 검증하려는 연구는 실제 임상 적용 가능성을 높이는 중요한 단계이다. 이와 함께 연구실은 합성생물학의 산업화를 위해 바이오+AI+자동화 융합 역량을 강조하는 교육 및 연구 프로젝트에도 적극 참여하고 있다. 생균치료제 개발에는 균주 설계, 배양 최적화, 기능성 검증, 독성 평가, 생산 공정 확립이 모두 필요하며, 이를 통합적으로 다루는 바이오파운드리형 연구 생태계가 중요하다. 연구실의 방향성은 기능성 미생물 설계와 인체유사 검증 플랫폼을 연결함으로써, 합성생물학의 성과가 실제 치료제와 바이오제조로 이어지도록 하는 데 있다. 이 연구는 향후 감염병, 염증질환, 여성건강, 장질환 등 다양한 영역에서 새로운 미생물 기반 치료 전략을 가능하게 할 것으로 기대된다. 또한 생체모사칩을 활용한 검증 파이프라인은 규제과학과 전임상 표준화 측면에서도 의미가 크다. 교육 인프라와 산업수요 기반 인재양성까지 병행하고 있어, 연구실은 차세대 합성생물학 응용의 실용화와 전문인력 양성을 동시에 추진하는 융합형 연구 거점으로 볼 수 있다.