생체분자접합
생체분자접합 연구는 생체분자와 합성 화학 물질을 정밀하고 선택적으로 연결하는 전략을 개발하는 데 초점을 두고 있습니다. 특히 살아있는 세포에서 유전자 코드 확장(GCE) 기술을 통해 고유한 화학적 작용기를 지닌 비천연 아미노산(ncAA)을 단백질에 도입함으로써, 위치 선택적인 표지를 구현하는 데 관심을 두고 있습니다.
지정된 위치에 ncAA 도입을 통한 클릭 화학 반응 등의 생물직교적 접합 반응과 단백질 스플라이싱 기반 접근법을 탐구하고 있습니다. 이를 통해 단백질의 고유한 구조와 기능을 유지하면서도 원하는 단백질 변형이 가능합니다. 이러한 전략으로 단백질 표지화, 기능화, 조립을 위한 모듈형 플랫폼을 개발하고자 합니다.
이러한 생체분자접합 원리를 항체 기반 접합체와 같은 치료 및 진단 응용으로 확장하는 연구에도 관심을 두고 있습니다. 이 방향은 아직 초기 단계에 있지만, ncAA로 코드화된 화학적 핸들과 모듈형 단백질 연결 전략을 활용하여 보다 균일하고 정밀하게 생체분자 접합체를 구현할 수 있는 가능성을 탐구하고 있습니다.
센서 및 생체 기능 제어
센서 및 생체 기능 제어 연구에서는 외부의 화학적 신호를 입력 값으로 이용하여 생체 시스템에서 단백질 기능을 정밀하게 제어할 수 있는 화학 센서 및 바이오 액추에이터를 개발하고 있습니다. 세포 내 고유 신호 전달 경로와 직교적인 화학 신호를 이용하여 생물학적 활성을 선택적이고 예측 가능하게 조절하는 것을 목표로 하고 있습니다.
최근 우리 연구실에서는 유전자 코드 확장을 기반으로 한 불소 이온 활성화 단백질 제어 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템에서는 화학적으로 보호된 타이로신 유사체를 단백질의 지정된 위치에 도입하여, 불소 이온에 노출되면 보호기가 제거되어 자연적인 타이로신 잔기가 재생됩니다. 이를 통해 단백질 기능이 비활성 상태에서 활성 상태로 전환됩니다. 이 시스템은 타이로신을 핵심 잔기로 가지는 형광 단백질과 효소 등에 적용될 수 있으며, 박테리아 및 포유류 세포에서 작동됩니다.
이러한 시스템은 시공간적으로 단백질의 활성, 위치, 상호작용 등을 능동적으로 조절하는 바이오 액추에이터로 이해할 수 있습니다. 장기적으로는 저분자의 화학적 입력을 프로그래밍 가능한 생물학적 출력으로 연결하는 케미제네틱 플랫폼을 구축하여, 합성생물학 및 세포 공학 응용으로 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다.
방향성 진화
방향성 진화 연구는 천연 아미노산의 한계를 넘어서는 단백질 기능을 확장하는 데 초점을 두고 있습니다. 유전자 코드 확장과 진화적 선택을 결합함으로써, 기존의 표준 아미노산 조합만으로는 구현하기 어려운 단백질 활성과 분자 인식 양식에 접근하는 전략을 탐구하고 있습니다.
합리적 설계에만 의존하기보다는, 단백질이 새로운 화학적 기능성에 적응할 수 있도록 하는 진화 기반 접근법에 관심을 두고 있습니다. 이러한 맥락에서 단일 시스템에 국한되지 않고, 방향성 진화의 효율과 적용 범위를 전반적으로 향상시킬 수 있는 일반적 개념을 연구하고 있습니다.
이러한 접근은 효소, 상호작용 단백질 모듈, 그리고 합성 단백질 구성 요소에 적용되며, 선택 과정을 통해 새롭게 발현되는 기능적 거동을 발견하는 데 중점을 두고 있습니다. 장기적으로는 화학생물학과 합성생물학을 연결하는, 폭넓게 적용 가능한 방향성 진화 프레임워크를 구축하는 것을 목표로 하고 있습니다.
화학 물질 유도 이합체화
화학 물질 유도 이합체화 연구는 저분자에 반응하여 조건부로 조립되는 인공 단백질 상호작용 모듈을 설계하는 데 초점을 두고 있습니다. 화학 물질 유도 이합체화의 개념을 비천연 아미노산(ncAA) 도입 및 단백질 공학과 결합함으로써, 세포 내 고유 네트워크와 직교적이면서도 특이적이고 조절 가능한 상호작용 시스템을 설계하고 있습니다.
이러한 시스템은 효소 활성화, 전사 조절, 단백질 스플라이싱을 포함한 다양한 생물학적 과정을 제어하는 데 활용될 수 있습니다. 특히 저분자 의존적 이합체화를 모듈형 단백질 구조와 결합하여, 기능성 단백질 복합체의 조절 가능한 조립을 구현하는 데 관심을 두고 있습니다.
화학 물질 유도 이합체화 모듈을 단일 도구로 한정하기보다는, 생체분자접합, 센서 및 생체 기능 제어, 방향성 진화 연구와 연계하여 활용하고자 합니다. 이러한 통합적 관점으로 세포 거동을 정밀하게 제어할 수 있는 프로그래밍 가능한 화학 생물학적 인터페이스를 구축하는 것을 목표로 합니다.