생체분자접합
생체분자 접합 연구는 단백질과 같은 생체분자에 원하는 합성 화학 물질을 정확하고 선택적으로 연결하는 기술을 개발하는 데 초점을 두고 있습니다. 특히 유전자 코드 확장(GCE) 기술을 이용하여 기존 아미노산에는 없는 특별한 화학적 성질을 지닌 비천연 아미노산(ncAA)을 살아있는 세포 안에서 단백질의 원하는 위치에 도입합니다. 이를 통해 단백질의 특정 부위만 선택적으로 표지하거나 기능을 부여하는 기술을 개발하고 있습니다.
비천연 아미노산(ncAA)을 단백질의 원하는 위치에 도입한 뒤, 클릭 화학과 같은 생물직교적 반응을 이용하여 다른 분자를 선택적으로 연결하는 기술을 연구하고 있습니다. 또한 단백질이 스스로 특정 부위를 이어 붙이는 단백질 스플라이싱 기술을 활용한 접합 방법도 개발하고 있습니다. 이러한 접근법은 단백질 본래의 구조와 기능에 미치는 영향을 최소화하면서, 원하는 위치에 표지 물질이나 기능성 분자를 도입할 수 있다는 장점이 있습니다. 이를 바탕으로 단백질의 표지, 기능 부여 및 조립에 폭넓게 활용할 수 있는 모듈형 플랫폼을 개발하고자 합니다.
나아가 이러한 생체분자 접합 기술을 항체 기반 접합체를 비롯한 치료 및 진단 분야에 적용하는 연구에도 관심을 두고 있습니다. 아직 초기 단계이지만, 비천연 아미노산에 도입된 고유한 화학적 작용기와 모듈형 단백질 연결 기술을 활용하여, 구성과 결합 위치가 보다 균일하고 정밀하게 제어된 생체분자 접합체를 구현할 가능성을 탐구하고 있습니다.
센서 및 생체 기능 제어
센서 및 생체 기능 제어 연구에서는 외부의 화학 신호를 이용하여 살아있는 세포 안에서 단백질의 기능을 조절하는 화학 센서와 바이오 액추에이터를 개발하고 있습니다. 특히 세포가 원래 사용하는 신호 전달 체계와 간섭하지 않는 별도의 화학 신호를 활용하여, 원하는 생물학적 기능만 선택적이고 예측 가능하게 조절하는 것을 목표로 합니다.
최근 우리 연구실은 유전자 코드 확장 기술을 기반으로, 불소 이온에 반응하여 단백질의 기능이 활성화되는 제어 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템에서는 화학적 보호기가 붙어 있는 타이로신 유사체를 단백질의 원하는 위치에 도입합니다. 이후 불소 이온을 처리하면 보호기가 제거되고 자연적인 타이로신이 다시 형성되면서, 단백질이 비활성 상태에서 활성 상태로 전환됩니다. 이 기술은 타이로신이 기능에 중요한 역할을 하는 형광 단백질과 효소 등에 적용할 수 있으며, 박테리아와 포유류 세포 모두에서 작동합니다.
이와 같은 시스템은 단백질의 활성, 위치 또는 다른 분자와의 상호작용을 외부 신호로 조절하는 바이오 액추에이터로 활용될 수 있습니다. 장기적으로는 저분자 화합물의 입력을 원하는 생물학적 반응으로 연결하는 케미제네틱 플랫폼을 구축하고, 이를 합성생물학과 세포공학 분야로 확장하는 것을 목표로 합니다.
방향성 진화
방향성 진화 연구에서는 자연에 존재하는 20가지 표준 아미노산만으로는 구현하기 어려운 새로운 단백질 기능을 개발하고자 합니다. 이를 위해 유전자 코드 확장 기술로 비천연 아미노산을 단백질에 도입하고, 다양한 변이체 가운데 원하는 성질을 가진 단백질을 반복적으로 선별하고 발전시키는 방향성 진화 전략을 연구합니다.
단백질의 구조와 기능을 미리 예측하여 설계하는 데만 의존하지 않습니다. 대신 단백질이 비천연 아미노산의 새로운 화학적 성질을 효과적으로 활용하도록 진화시킴으로써, 기존에는 구현하기 어려웠던 촉매 활성과 분자 인식 기능을 발굴하는 것을 목표로 합니다. 또한 특정 단백질이나 실험 시스템에만 적용되는 방법을 넘어, 방향성 진화의 효율과 활용 범위를 높일 수 있는 일반적인 원리와 기술을 탐구하고 있습니다.
이 연구는 효소, 단백질 간 상호작용을 조절하는 모듈, 합성 단백질 구성 요소 등에 적용됩니다. 장기적으로는 화학생물학과 합성생물학을 연결하고 다양한 단백질 공학 연구에 폭넓게 활용할 수 있는 방향성 진화 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 합니다.
화학 물질 유도 이합체화
화학 물질 유도 이합체화 연구에서는 특정 저분자 화합물이 존재할 때만 서로 결합하는 인공 단백질 모듈을 설계합니다. 이를 비천연 아미노산(ncAA) 도입 기술 및 단백질 공학과 결합하여, 세포가 원래 사용하는 상호작용 체계에 영향을 최소화하면서도 원하는 단백질끼리 선택적으로 결합하도록 하는 시스템을 개발하고 있습니다.
이러한 기술은 분리되어 있던 단백질을 저분자 화합물로 연결하여 기능성 복합체를 형성하게 합니다. 이를 통해 효소 활성화, 유전자 전사 조절, 단백질 스플라이싱 등 다양한 생물학적 과정을 필요할 때 선택적으로 작동시킬 수 있습니다. 특히 여러 단백질 구성 요소를 자유롭게 조합할 수 있는 모듈형 구조를 활용하여, 기능성 단백질 복합체의 조립과 활성을 조절하는 데 관심을 두고 있습니다.
또한 화학 물질 유도 이합체화 기술을 하나의 독립된 도구로만 활용하지 않고, 생체분자 접합, 센서 및 생체 기능 제어, 방향성 진화 연구와 연계하고자 합니다. 장기적으로는 화학 신호를 이용하여 세포의 기능과 거동을 원하는 방식으로 조절할 수 있는 통합적인 화학생물학 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 합니다.