안녕하세요. 성균관대학교 공과대학 화학공학부에 있는 공정설계 및 시스템공학 연구실을 소개합니다. 2018년 3월 부터 새롭게 연구실을 오픈하여, 이동엽 교수님의 지도 아래 현재 학부연구생을 중심으로 공학, 바이오, 정보기술의 새로운 융합연구를 진행하고 있습니다. 지난 10여 년간 꾸준히 연구해 왔던 시스템 생명공학, 생물정보학, 합성생물학, 공정시스템 공학의 다양한 방법론을 바이오의약 산업과 공정산업 등에 적용하고 있고, 최근에 마이크로바이옴과 빅데이터 분석을 통합하는 연구를 새롭게 시작하여 함께 성장해 나갈 열정적인 대학원생 및 박사후연구원을 모집하고 있습니다(이메일 : dongyuplee@skku.edu).

그림 1. 공정설계 및 시스템공학 연구실 미팅사진

1. 연구실 분위기

우리 연구실의 장점은 학생 및 연구원들 상호간의 자유로운 소통과 자발적인 협업입니다. 이동엽 교수님의 지도 아래 수평적인 관계 속에서 연구생들은 연구와 학업의 공유를 통해 열린 마음으로 소통하고 협력합니다. 시스템공학, 생물학, 통계분석, 데이터마이닝의 융합연구가 국내에서는 아직 새롭고 낯선 분야이기 때문에 어려움이 많을 수 있지만 연구생들의 배우고자 하는 적극적인 열정과 긍정적인 사고를 바탕으로 주어진 프로젝트와 연구를 최선을 다해 수행하고 있습니다. 또한, 우리 연구실은 “Don’t work hard, work smart!”를 모토로 삼는 동시에 창의적이고 혁신적인 아이디어를 중시하고, 항상 쾌적하고 아름다운 연구공간을 갖추려고 노력하고 있습니다. 칸막이가 전혀 없고 분리되지 않은 연구실 구조는 연구생들 사이의 즉각적인 의사소통과 자연스러운 토론을 가능하게 해주며, 경직되지 않은 편안한 분위기를 조성하여 각자의 연구와 학업에 집중할 수 있도록 합니다. 따라서 오픈 랩(open lab)을 지향하며 공유와 협력의 긍정적인 상호작용으로 구성원이 함께 성장할 수 있는 환경과 문화를 추구하고 있습니다.

2. 연구실 특징 

우리 연구실은 우호적 경쟁과 협력을 통해 구성원이 함께 성장할 수 있는 것을 중요하게 생각합니다. 각 구성원이 연구에 임하는 데 있어서 자율적이고 열성적인 태도는 다른 구성원과의 우호적인 경쟁 관계를 형성하고 구성원들이 모두 함께 적극적인 마음가짐으로 연구에 임할 수 있는 연구실 환경을 조성합니다. 이러한 환경 속에서 우리 구성원들은 열린 마음으로 소통하고 지식과 정보를 자유롭게 공유하는 동시에 토론을 통해 어려운 문제들을 해결하며 공통의 목표를 향해 함께 나아가고 있습니다. 또한 결과적으로 의미 있는 결론에 도달할 때까지 이루어지는 교수님의 세심한 지도를 통해 연구생들이 높은 학문적 성취를 가능하게 합니다. 우리 연구실의 특징을 하나 더 말하자면, 다른 연구실과 같이 진행하는 공동연구들이 많다는 것입니다. 응용될 수 있는 분야가 넓은 만큼 국내를 비롯한 미국, 유럽, 아시아의 다양한 국제공동 연구팀들과 협력하여 진행하는 프로젝트에 참여할 기회가 많습니다. 즉, 다양한 분야를 연구하며 더 넓은 스펙트럼의 전문지식과 시야를 갖춘, 학문 간의 경계를 넘나드는 융합형 인재로 성장할 수 있습니다.

3. 연구

시스템생명공학(Systems Biotechnology)과 생물정보학(Bioinformatics)은 생명공학, 생물학, 전산학 등의 다양한 지식들이 모여져 이루어진 학문으로 무한한 응용 가능성을 지니고 있는 분야입니다. 우리 연구실은 연구생들이 각자 관심 있는 세부 분야에 대해 자율적으로 수학하고 연구할 수 있고, 각자에게 주어진 연구 과제에 대하여 관련 지식과 정보를 꾸준히 쌓으면서 다양한 연구를 진행하게 됩니다. 예를 들면 현재 시스템생물학 기법을 이용하여 가상세포 유산균 모델링에 대한 연구를 진행하고 있는데[1], 유산균-장내미생물-호스트 간의 복잡한 상호작용을 빅데이터와 수학모델을 활용하여 질병치료로 활용할 수 있는 스마트 유산균을 디자인하는 것이 목표입니다.
다른 예로는 식물의 세포 모델링이 있습니다. 식물 세포 모델링은 다른 미생물이나 동물 세포 모델링과 비교하여 물질대사 네트워크가 훨씬 더 복잡하고 식물 고유의 시스템이 존재하기 때문에 식물에 최적화된 가상세포 모델을 만들어야 합니다[2]. 이 연구의 목적은 식물의 물질대사 메카니즘을 체계적으로 이해하여 오믹스 데이터 분석과 시뮬레이션을 통해 작물 개량에 활용하는 것입니다. 주로 대표적인 농작물인 벼와 약용작물인 인삼에 대해 연구를 진행 중이며, 최근 토양미생물과 뿌리 내 미생물간의 상호 작용 및 공생 관계를 규명하기 위해 노력중입니다.

그림 2. 주요 연구 결과 (멀티오믹스 데이터 분석과 세포 모델링을 통합한 시스템 생물학 기법의 적용 : 벼세포(왼쪽) [2]와 동물세포(오른쪽) [4]) 

그리고, 산업적으로 밀접한 바이오의약 관련해서는 Merck, Amgen과 같은 다국적 제약사와 연계하여 시스템적 균주개량과 동물세포배양 및 차세대 바이오 공정기술 개발연구를 활발히 수행하고 있습니다[3,4]. 향후 다양한 high-throughput 장비에서 얻을 수 있는 멀티오믹스 데이터와 온라인 모니터링 기술을 통해 얻게 될 다량의 배양 데이터에 대한 활용도를 높이고, 인공지능과 가상세포모델을 결합한 스마트 세포 네비게이터와 같은 획기적인 차세대 생물공정 기술을 개발할 예정입니다[5]. 이러한 기술을 활용한다면 배양공정 개발 기간 단축, 단백질 의약품의 생산성 증대 및 품질 및 안정성 조절/유지 등 획기적으로 공정 개선에 기여할 수 있습니다. 위와 같은 연구들은 공통적으로 산업체와 연계하여 진행할 수 있고, 경제적 측면에서 의미 있는 결과를 도출해 낼 수 있습니다. 우리 연구실은 이러한 연구 주제에 중점을 두고 있기 때문에 특허출원과 사업화를 중요한 목표로 설정하고 입니다.

그림 3. 공정설계 및 시스템공학 연구실의 바이오의약 관련 연구분야 

4. 맺음말 

제4차 산업혁명의 시대가 도래하면서 시스템생명공학과 생물정보학은 미래 기술을 이끌어 나갈 핵심적인 분야로 점차 주목을 받고 있습니다. 비교적 새로운 학문이기 때문에 개척할 수 있는 연구 주제가 매우 광범위하고 다른 학문과 융합하여 학문적으로 활용될 수 있는 잠재력이 무궁무진한 만큼 성장 가능성이 높습니다. 그리고 이러한 기술들이 향후 바이오산업의 기반 및 필수 기술들로 자리 잡을 것으로 전망되기에 국내에서도 관련한 학문적 역량을 갖춘 글로벌 인재가 필수적으로 요구될 것입니다. 앞으로 많은 관심과 성원 부탁드립니다. 감사합니다.

5. 최근 연구 논문 

1. Kodurua, L., Y. Kim, J. Bang, M. Lakshmanan, N. S. Han and D.-Y. Lee. 2017. Genome-scale modeling and transcriptome analysis of Leuconostoc mesenteroides unravel the redox governed metabolic states in obligate heterofermentative lactic acid bacteria. Sci. Rep ., 7: 15721.
2. Lakshmanan, M., S.-H. Lim, B. Mohanty, J. K. Kim, S.-H. Ha and D.-Y. Lee. 2015. Unraveling the light-specific metabolic and regulatory signatures of rice through combined in silico modeling and multi-omics analysis. Plant Physiol., 169(4): 2982-2991.
3. Hong, J. K., M. Lakshmanan, C. Goudar and D.-Y. Lee. 2018. Towards next generation cell line development and engineering by systems approaches. Curr. Opin. Chem. Eng., in press.
4. Yusufi, F. N. K., M. Lakshmanan, Y. S. Ho, B. L. W. Loo, P. Ariyaratne, Y. Yang, S. K. Ng, T. R. M. Tan, H. C. Yeo, H. L. Lim, S. W. Ng, A. P. Hiu, C. P. Chow, C. Wan, S. Chen, G. Teo, G. Song, J. X. Chin, X. Ruan, K. W. K. Sung, W. S. Hu, M. G. S. Yap, M. Bardor, N. Nagarajan and D.-Y. Lee. 2017. Mammalian systems biotechnology reveals global cellular adaptions in a recombinant antibody-producing CHO cell line. Cell Syst ., 4(5): 530-542.
5. Kyriakopoulos, S., K. S. Ang, M. Lakshmanan, Z. Huang, S. Yoon, R. Gunawan and D.-Y. Lee. 2018. Kinetic modelling of mammalian cell culture bioprocessing: the quest to advance biomanufacturing. Biotechnol. J ., 13(3): 1700229.
6. Yu, K., C. Liu, B.-G Kim and D.-Y. Lee. 2015. Synthetic fusion protein design and applications. Biotechnol. Adv. , 33: 155-164.