DGIST SMALL Lab.
컴퓨터공학과 서대하
DGIST SMALL Lab.은 생명현상의 근본 원리를 단일 분자 수준에서 규명하고, 이를 바탕으로 첨단 바이오이미징 및 나노의학 기술을 개발하는 융합연구실입니다. 본 연구실은 화학, 물리학, 생물학, 컴퓨터과학 등 다양한 학문 분야의 경계를 넘나들며, 살아있는 세포 내에서 일어나는 신호전달, 단백질 구조 변화, 촉매 반응 등 복잡한 생명현상을 정밀하게 분석합니다.
주요 연구 분야로는 단일 분자 생물물리학, 나노입자 기반 바이오이미징, 세포 신호 네트워크 분석, 나노의학 응용, AI 기반 데이터 분석 등이 있습니다. 초고분해능 현미경, 암시야 현미경, 단일 분자 추적 및 이미징, 플라즈모닉 나노입자 합성, 양자점 및 나노촉매 개발 등 첨단 실험 및 분석 기술을 바탕으로, 세포 내 단백질의 움직임과 신호전달 경로를 실시간으로 추적하고, 신약 전달 및 표적 치료를 위한 혁신적 플랫폼을 개발하고 있습니다.
특히, 인공지능 및 머신러닝 기법을 도입하여 대용량 실험 데이터의 자동 분석, 단백질 및 세포 신호의 동적 상태 추정, 촉매 반응의 실시간 모니터링 등 데이터 기반 생명과학 연구를 선도하고 있습니다. 이러한 AI 융합 연구는 실험 효율성과 정확도를 높이고, 새로운 과학적 통찰을 제공함으로써 바이오·나노·의료 융합 연구의 혁신을 이끌고 있습니다.
DGIST SMALL Lab.은 다양한 국내외 연구기관 및 산업체와의 협력을 통해, 기초과학 연구에서부터 실용화 기술 개발, 특허 및 논문 발표, 산학협력 프로젝트 등 폭넓은 연구성과를 창출하고 있습니다. 또한, 차세대 연구 인재 양성에도 힘쓰며, 대학원생, 박사후연구원, 연구 인턴 등 다양한 구성원이 함께 성장하는 연구문화를 조성하고 있습니다.
이러한 연구실의 노력은 암, 노화, 대사질환 등 다양한 질환의 근본 원인 규명과 맞춤형 치료 전략 개발, 차세대 진단·치료 플랫폼 구축 등 미래 바이오메디컬 분야의 혁신을 선도하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
Nanoparticle Chemistry
Single-Molecule Biophysics
Cell Signaling Manipulation
단일 분자 수준의 생물물리학 및 세포 신호 연구
DGIST SMALL Lab.은 단일 분자 생물물리학을 기반으로 살아있는 세포 내에서 막 단백질의 확산 및 구조적 동역학을 정밀하게 관찰하고 분석하는 연구를 수행하고 있습니다. 이 연구는 단일 분자 이미징, 초고분해능 현미경, 단일 분자 추적 기술을 활용하여 세포막 단백질(예: EGFR, NMDAR, PV-1, PD-L1 등)의 움직임과 구조 변화를 실시간으로 추적합니다. 이를 통해 세포 내 신호전달 경로의 복잡한 상호작용과 조절 메커니즘을 규명하고, 세포가 다양한 자극에 어떻게 반응하는지에 대한 근본적인 이해를 도모합니다.
특히, 세포 신호전달 네트워크의 공간적·시간적 연결성과 다기능성을 밝히기 위해, 다양한 단백질의 위치 및 활성 변화를 초고분해능 이미징과 AI 기반 데이터 분석을 결합하여 연구합니다. 이러한 접근법은 기존의 집단 평균 분석으로는 파악하기 어려운 단일 분자 수준의 미세한 변화를 포착할 수 있어, 세포 내 신호의 미묘한 조절과정까지도 정량적으로 해석할 수 있습니다.
이러한 연구는 암, 노화, 대사질환 등 다양한 질환에서의 신호전달 이상을 이해하고, 신약 개발 및 맞춤형 치료 전략 수립에 중요한 기초 정보를 제공합니다. 또한, 단일 분자 수준의 정밀 분석 기술은 생명과학, 의학, 나노바이오 분야의 융합연구를 촉진하며, 미래 바이오메디컬 혁신의 핵심 기반이 되고 있습니다.
나노입자 기반 바이오이미징 및 나노의학
본 연구실은 유기·무기 나노입자를 활용한 바이오이미징 및 나노의학 응용 연구에 집중하고 있습니다. 플라즈모닉 나노입자, 양자점, 나노촉매 등 다양한 나노소재를 합성하고, 이들의 광학적·촉매적 특성을 이용하여 살아있는 세포 내에서 생화학적 반응과 신호전달 과정을 실시간으로 관찰합니다. 특히, 나노입자를 이용한 세포 내 단백질 추적, 신호 조작, 약물 전달 시스템 개발 등 다각적인 연구가 이루어지고 있습니다.
이러한 나노입자 기반 기술은 기존의 이미징 한계를 극복하여, 세포 내에서 일어나는 미세한 생화학 반응과 구조 변화를 높은 해상도와 민감도로 검출할 수 있게 합니다. 예를 들어, 플라즈모닉 나노입자를 활용한 암시야 초고분해능 현미경, 단일 분자 촉매 반응 모니터링, 나노입자-세포 상호작용 분석 등은 생명현상의 실시간·정량적 분석을 가능하게 합니다. 또한, 자기성 나노입자, 광반응성 나노입자 등을 이용한 세포 신호 조절 및 표적 치료 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 진단·치료 플랫폼 개발, 맞춤형 나노의약, 신약 전달 시스템 등 의료 및 바이오산업의 혁신을 이끌고 있습니다. 나노입자 기반 바이오이미징 및 나노의학 연구는 생명과학, 화학, 물리학, 의공학 등 다양한 학문 분야의 융합을 통해 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.
AI 및 머신러닝 기반 빅데이터 분석과 실험 자동화
DGIST SMALL Lab.은 실험에서 생성되는 대용량 이미징 데이터와 복잡한 생물학적 신호를 효과적으로 해석하기 위해 인공지능(AI) 및 머신러닝 기반 데이터 분석 기법을 적극적으로 도입하고 있습니다. 단일 분자 추적, 세포 신호 네트워크 분석, 촉매 반응 모니터링 등에서 발생하는 방대한 데이터를 효율적으로 처리하고, 숨겨진 패턴이나 상태 변화를 자동으로 탐지할 수 있는 알고리즘을 개발합니다.
특히, 딥러닝 기반 이미지 분석, 시계열 데이터의 상태 추정, 히든 마르코프 모델(HMM) 등 다양한 AI 기법을 활용하여 실험 데이터의 해석 정확도를 높이고, 기존의 수작업 분석이 가지는 한계를 극복합니다. 이를 통해 단일 분자 수준의 확산 상태, 단백질 구조 변화, 신호전달 네트워크의 동적 변화를 정량적으로 규명할 수 있습니다. 또한, AI 기반 실험 자동화 및 시뮬레이션 기술을 개발하여, 실험 효율성과 재현성을 극대화하고 있습니다.
이러한 AI 융합 연구는 생명과학 실험의 패러다임을 변화시키고, 새로운 과학적 발견과 혁신적 기술 개발을 가속화합니다. 데이터 기반 과학의 중요성이 커지는 시대에, DGIST SMALL Lab.의 AI 및 머신러닝 연구는 미래 바이오·나노·의료 융합 연구의 핵심 동력으로 자리매김하고 있습니다.
1
PLVAP pattern in live endotherial cell
Lee et al.
Nano Letters, 2024
2
Lipid raft imaging in living cell
Park et al.
Analytical Chemistry, 2023
3
3D movement of a single endosome
Jin et al.
JACS Au, 2022
1
암시야 초분해능 현미경을 이용한 엔도좀의 동적거동과 그 기하하적 해석
2
중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 엔지니어링 기반 COVID-19 유발, 급성 호흡곤란 증후군 치료 원천 기술개발
