안녕하세요 명지대학교 지능형 바이오 마이크로 시스템 연구실(IBML)을 소개합니다. 저희 연구실은 조용민 교수님의 지 도 아래, 대학원생 2명과 학부연구생 5명으로 구성되어 있으며, 총 7명의 연구원이 함께 연구에 매진하고 있습니다. 

   저희 연구실에서는 공학적 기술 – 미세유체칩, 자동화, 이미지 처리, 머신러닝 등 –을 이용해 예쁜꼬마선충 (C. elegans), 다 프니아 (Daphnia) 와 같은 모델 동물들에서 다양한 생리학적 정보를 정량적, 대량으로 측정할 수 있는 플랫폼을 개발하고 이 를 바탕으로 신경학, 노화, 약물 및 독성평가등 다양한 질문에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 

1. 연구실 분위기

   지능형 바이오 마이크로시스템 연구실은 교수님과 학생들간의 원활한 커뮤니케이션을 통해 함께 성장해 나가는 것 을 지향하고 있습니다. 교수님의 지도 속에서 부족한 점을 누군가 알려주는 것이 아닌 스스로가 찾을 수 있게끔하여 실 험을 할 때마다 성장하는 모습을 통해 학생들의 열정을 불러일으킬 수 있습니다. 연구실의 모든 구성원은 서로 자유롭 게 질문하고, 연구에 대한 고민을 나누며, 활발한 소통을 이어갑니다. 이는 구성원들이 연구에 대한 열정을 키우고, 창 의적인 아이디어를 마음껏 표현할 수 있게 하는 중요한 원동력이 됩니다. 무엇보다, 저희 연구실에서는 웃음이 끊이지 않습니다. 구성원들은 연구와 학문에 대한 진지함을 유지하면서도, 서로의 인간적인 면모를 존중하고, 함께 웃고 즐기 는 것을 소중히 여깁니다. 이런 분위기는 연구실 생활을 더욱 즐겁고 의미 있게 만들어 주며, 긍정적인 에너지가 넘치는 환경을 조성합니다. 이와 같은 특징들 덕분에 밝은 분위기 속에서 학생들이 적극적이고 성실하게 실험실 업무를 수행 할 수 있습니다.

2. 특징

   IBML 연구실은 구성원들의 개별 역량 향상과 원활한 소통을 위해 다양한 미팅 및 스터디를 진행하고 있습니다. 개인 의 관심 분야를 기반으로 교수님과의 미팅을 통해 연구 주제를 선정하기에, 연구 수행이 즐겁게 이루어집니다. 연구 주 제를 토대로 소그룹을 조직하여 주간 그룹별 미팅을 진행합니다. 이때, 실험 결과 및 진행 상황을 교수님과 공유하고, 교수님의 피드백이나 브레인스토밍을 통 해 연구 방향을 설정합니다. 이 과정에서 연구의 완성도를 높이고, 구성원들이 성 장할 수 있는 기회를 경험합니다.

   랩미팅과 스터디는 격주로 진행되며, 교수님을 포함한 모든 구성원이 참여합 니다. 스터디는 대규모의 정량적 데이터 의 효율적인 분석과 이를 기반으로 예측 모델을 개발하여 문제를 해결하기 위한 머신러닝 스터디와 생명 현상의 분자적 메커니즘을 이해하기 위한 생화학 스터 디로 구성됩니다. 발표자를 중심으로 새 로운 개념을 학습하고, 교수님의 추가 설 명으로 이해를 돕습니다. 이렇게 생물학, 화학공학, 머신러닝 등 융합 연구가 가능하여 다각적인 접근이 가능합니다. 랩미팅에서는 개인의 실험 결과나 연구 주 제와 관련된 논문 발표를 통해 발표 능력을 향상시킬 수 있으며, 서로의 연구를 이해하고 의견을 공유하여 새로운 시각을 키워나갑니다.

   방학 동안에는 한 달에 두 번씩 Joint Journal Club을 진행합니다. 이는 공통 연구 분야인 C. elegans를 다루는 학내 식 품영양학과 최신식 교수님 연구실과 함께 진행하며, 각 연구실별 연구 관련 논문 발표를 통해 새롭게 알게 된 지식을 공유하고, 최신 연구 동향을 파악하여 전문성을 더욱 강화시킵니다.

3. 연구

   IBML 연구실에서는 마이크로 시스템, 자동화, 이미지 처리 기술을 결합하여 동물 모델에서 여러 생물학적 변화를 정 량적으로 측정할 수 있는 통합 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이를 통해 측정된 데이터를 바탕으로 머신러닝과 기법을 적용하여 다양한 생물학적 질문에 답을 구하고자 합니다. 연구의 주요 동물 모델로는 예쁜꼬마선충, 다프니아와 같은 소동물을 이용하고 있습니다.

    주요 연구분야 중 하나는 미세유체칩을 이용하여 정밀하게 외부자극을 조절하면서 예쁜꼬마선충에서 뉴런의 반응성 을 측정하는 플랫폼을 개발하는 것입니다. 예쁜꼬마선충은 투명한 몸을 지니고 있어 현미경을 이용해 체내에서 일어나 는 생리적 변화를 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 이를 활용하여 GCaMP라는 칼슘 인디케이터를 유전 공학 기술을 이 용해 특정 뉴런에 삽입한 후, 형광 이미징을 통해 개별 뉴런의 반응성을 측정합니다. 측정 과정은 자동화된 미세유체칩 과 이미지 처리 기술을 통해 이루어지며, 기존 전통적 실험 방법보다 짧은시간동안 더 많은 수의 개체를 더욱 정밀하게 통제된 환경에서 측정 할 수 있게 합니다. 이를 통해 화학적, 물리적, 온도 자극 등 다양한 자극 (때로는 복합자극)에 따 른 신경 회로의 반응을 측정하고 인지 작용에 대한 메커니즘을 이해하는 연구를 수행하고 있습니다. 아울러, 인지능력 이 동물의 생리적 상태 – 예를들어, 수면, 노화, 약물 및 독성물질 노출 –에 따라 어떻게 변화하는지 연구하여, 인지능력 감소, 퇴행성 뇌질환의 이해 및 치료제 개발에 기여하고자 합니다.

   또 다른 연구분야로는 예쁜꼬마선충, 다프니아와 같은 동물의 다양한 표현형 정보를 바탕으로 동물의 건강수명을 측 정하는 연구입니다. 이를 통해 새로운 약물 스크리닝 및 독성 평가 파이프라인을 개발하고 약물 발굴을 진행하고 있습 니다. 예를들어 인간의 피부의 탄력, 주름 정도, 색 등을 보며 피부 나이를 측정하는 것과 유사하게, 동물에서 다양한 생 물학적으로 중요한 표현형 정보 – 운동능력, 신체 크기, 자극에 대한 반응성 등 -를 정량적으로 측정하고 이를 머신러닝 기법과 결합하여 개별 동물의 생물학적 나이를 측정하고 예측할 수 있는 모델을 개발하였습니다. 이러한 모델은 항노 화 약물 스크리닝, 독성 평가 등 다양한 평가에 사용하고 있습니다. 나아가 발굴된 약물의 작동 메커니즘 (MoA)을 규명 하기 위해 전사체 및 단백질체 분석 영역으로 연구를 확장하고자 합니다. 이러한 연구를 통해 우리는 인지능력과 노화 와 관련된 생물학적 메커니즘을 보다 깊이 이해하고, 관련 질환의 치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대합니다.

4. 맺음말

   이상으로 명지대학교 화학공학과 조용민 교수님의 지능형 바이오 마이크로 시스템 연구실 소개를 마치겠습니다. 저 희 연구실은 혁신적인 연구를 통해 공학과 생물학의 융합 분야에서 선도적인 역할을 하고자 합니다. 앞으로도 끊임없 는 연구와 개발을 인류 건강 증진에 기여할 수 있도록 노력하겠습니다. 더 자세한 정보는 연구실 홈페이지 (https://sites. google.com/view/cholab2023)를 방문해 주시기 바랍니다.

연구실 대표 논문

1.S. A. Lee et al. "Dynamic temperature control in microfluidics for in vivo imaging of cold-sensing in C. elegans." Biophysical Journal 123.8 (2024): 947-956.

2.A.V. Shindyapina, Anastasia et al. "Rapamycin treatment during development extends life span and health span of male mice and Daphnia magna." Science Advances 8.37 (2022): eabo5482.

3. Y. Cho et al. "Intelligent high-throughput intervention testing platform in Daphnia." Aging Cell 21.3 (2022): e13571.

4.Y. Cho et al. "Multimodal stimulation in a microfluidic device facilitates studies of interneurons in sensory integration in C. elegans." Small 16.10 (2020): 1905852.

5.K. N. Le et al., “An automated platform to monitor long-term behavior and healthspan in C. elegans under precise environmental control” Communications Biology, 2020, 3 (1), 297

6.Y. Cho et al. "On-chip functional neuroimaging with mechanical stimulation in Caenorhabditis elegans larvae for studying development and neural circuits." Lab on a Chip 18.4 (2018): 601-609.

7.Y. Cho et al. "Automated and controlled mechanical stimulation and functional imaging in vivo in C. elegans." Lab on a Chip 17.15 (2017): 2609-2618