이 연구실은 석유 기반 화학산업을 대체할 지속가능한 바이오리파이너리 기술 개발에도 집중하고 있다. 기후위기와 탄소중립 요구가 커지면서, 재생 가능한 탄소원으로부터 연료·화학소재·고분자를 생산하는 기술의 중요성이 급격히 높아지고 있다. 연구실은 미생물 대사공학과 합성생물학을 활용해 바이오 기반 화학물질, 단량체, 바이오폴리에스터, 생분해성 플라스틱 등 환경친화적 소재를 생산하는 세포공장을 개발한다. 대표적으로 바이오폴리에스터 및 PHA 계열 고분자, 유기산 단량체, 카로티노이드, 기능성 바이오소재 생산 연구가 폭넓게 수행되고 있다. 또한 짧은 사슬 알케인과 같은 바이오연료, 바이오 기반 화학제품, 고부가가치 천연물 생산을 위한 경로 재설계도 중요한 성과 축이다. 직접공기포집 C1 전환과 e-바이오리파이너리 개념을 다루는 프로젝트는 이산화탄소를 자원으로 전환하는 미래형 탄소순환 기술까지 시야에 두고 있음을 보여준다. 이러한 연구는 단순한 친환경 소재 개발을 넘어 산업 구조 전환과 공급망 안정화에 기여할 수 있다. 기존 석유화학 공정을 바이오 기반 공정으로 대체하면 온실가스 감축뿐 아니라 분산형 생산, 고기능성 맞춤 소재 제조, 생분해성 제품 확대가 가능해진다. 연구실은 바이오리파이너리 기술을 실제 상용화 가능한 수준으로 끌어올리기 위해 생산 균주 설계, 공정 최적화, 스케일업, 사업화 연계까지 고려하는 점에서 학문적 기여와 산업적 파급력이 매우 크다.

이 연구실의 핵심 축은 시스템 대사공학을 이용해 미생물을 고성능 세포공장으로 전환하는 것이다. 대사공학은 특정 물질을 많이 만들도록 세포의 경로를 재설계하는 분야이지만, 이 연구실은 여기에 시스템생물학, 생물정보학, 유전체 수준 분석을 결합해 훨씬 정밀한 설계 전략을 추구한다. 특히 대장균과 같은 산업 미생물을 대상으로 대사 네트워크를 해석하고, 목표 화합물의 생산성과 수율, 선택성을 동시에 높일 수 있는 경로를 발굴하는 데 강점을 가진다. 이를 위해 유전체, 전사체, 단백질체, 대사체 데이터와 대사 플럭스 분석을 통합하여 세포 내부의 탄소 흐름과 에너지 균형을 정량적으로 이해한다. 이후 유전자 과발현, 억제, 결실, 합성 조절 sRNA, 효소공학, 전자 전달 재배선 같은 방법을 활용해 병목 구간을 제거하고 부산물 생성을 억제한다. 최근에는 가상 세포와 인실리코 모델링, 머신러닝을 접목하여 실험 이전 단계에서 최적 설계를 예측하고, 반복적인 균주 개발 시간을 줄이는 방향으로 연구가 확장되고 있다. 이러한 연구는 바이오연료, 유기산, 천연물, 기능성 소재, 의약 중간체 등 매우 다양한 산업 제품의 생산으로 이어질 수 있다. 단순히 한두 개의 화합물을 생산하는 수준을 넘어, 광범위한 바이오 기반 화학물질의 생산 지도를 제시하고 실제 산업 공정으로 연결 가능한 플랫폼을 만드는 것이 특징이다. 따라서 이 연구 주제는 기초 생물학, 화학공학, 데이터 기반 설계를 융합해 차세대 바이오제조를 실현하는 기반 기술로 평가된다.

이 연구실은 전통적인 대사공학을 넘어 합성생물학 기반의 정밀한 생물 시스템 설계로 연구 영역을 확장하고 있다. 합성생물학은 유전자, 조절회로, 효소 모듈, 섀시 세포를 표준화된 부품처럼 조합하여 새로운 기능을 갖는 생명 시스템을 만드는 분야이며, 연구실은 이를 산업용 미생물 개발과 유용물질 생산에 적극 적용하고 있다. 특히 맞춤형 미생물 섀시 구축, 무세포 시스템, 유전자 회로 설계, 다중 유전자 제어 기술이 주요한 연구 요소로 나타난다. 이 과정에서 중요한 인프라가 바이오파운드리와 자동화 설계-제작-시험-학습(DBTL) 플랫폼이다. 연구실은 초고속 스크리닝, 자동화 실험, 데이터 축적, AI 기반 설계 최적화를 통해 대규모 균주 라이브러리를 효율적으로 탐색하고, 최적 생산 균주를 빠르게 도출하는 체계를 지향한다. 특허에 나타난 합성 조절 sRNA 기반 다중 유전자 발현억제 시스템은 이러한 전략의 대표적인 예로, 복수의 표적 유전자를 동시에 제어하여 생산성 향상과 균주 최적화를 가능하게 한다. 이 연구 방향은 향후 바이오제조 산업의 경쟁력을 좌우할 핵심 요소로 여겨진다. 연구실은 항생제, 대체단백질, 루테인, 의약 소재, 기능성 바이오소재 등 고부가가치 제품 생산에 합성생물학을 적용하고 있으며, 산업 수요 기반 인재 양성과 국제 공동 바이오파운드리 협력까지 병행하고 있다. 즉, 이 주제는 실험실 수준의 유전자 조작을 넘어 자동화·표준화·확장성을 갖춘 차세대 제조 플랫폼 구축이라는 점에서 연구실의 미래 지향성을 가장 잘 보여준다.