안녕하세요. 연세대학교 과학원에 위치한 핵산나노공학 연구실을 소개해드립니다(그림 1). 우리 연구실은 연세대학교 생명공학과 노영훈 교수님의 지도로, 현재 박사 후 연구원 1명, 대학원생 및 연구원 9명, 학부생 연구원 4명으로 구성되어 있습니다(그림 2). 우리 핵산나노공학 연구실은 나노공학(NT)과 바이오공학(BT)을 접목한 나노바이오 융합 학문을 통해 핵산 기반 기능성 생체소재를 개발하고 있으며, 이를 이용하여 생명공학, 의학, 식품, 화장품을 포함한 다양한 산업화 분야로의 응용 연구를 수행하고 있습니다.

1. 연구실 분위기
우리 핵산나노공학 연구실의 큰 장점은 구성원들 사이의 가족 같은 분위기입니다. 강한 친밀도를 자랑하는 우리 연구진들은, 다양한 여가생활을 같이 보내는 등 화목한 실험실을 꾸려나가고 있습니다(그림 3). 또한 교수님을 포함한 구성원들 사이에는 수직적인 상하관계가 아닌 수평 관계가 형성되어 의사소통이 원활하고 자유로운 연구실 분위기가 형성되어 있습니다.

그림 1. 연구실이 위치한 연세대학교 과학원

그림 2. 연구실 구성원 단체사진 (출처: 이슈메이커)

2. 특징
우리 연구실의 주요한 특징은 구성원들의 소통과 융화를 통한 창의적이고 체계적인 연구가 진행될 수 있는 연구 시스템으로 운영되고 있는 것입니다.
우리 연구실은 창의적인 연구 성과를 도출하기 위해 정기적으로 전체 연구실회의 및 연구주제별 연구진 회의를 진행합니다. 일정 기간 연구한 결과를 발표·토의하는 시간을 통해 각 연구원은 서로의 연구 진행 상황에 대해 논의하고 추후의 연구방향을 설정해가고 있습니다. 토의 방식은 자유로운 분위기에서 진행되기 때문에 다양한 전공분야의 연구진들 사이에 활발한 의사소통을 통해 새로운 아이디어를 함께 도출해내는 시너지 효과를 불러일으킵니다.
우리 연구실은 또한 연구주제별 연구진들 사이에 체계적인 ‘멘토-멘티’ 시스템이 잡혀있습니다. 멘토와 멘티는 많은대화를 통해 유대관계를 쌓아가며 체계적인 업무분담을 구축하고 있습니다. 이러한 시스템은 연구에 있어 기초 학문에 대한 지식 전달이 명확하게 이루어지게 하며, 실험 진행에 있어 효과적인 실험 디자인의 설계가 가능하게 합니다.
이와 같은 정기적인 집중토의 및 멘토-멘티 시스템을 통하여 우리 연구실은 더욱 높은 수준의 연구 성과를 이끌기위해 노력하고 있습니다.

그림 3. 연구실 연말 모임

3. 주요 연구 분야
우리 연구실은 핵산을 흔히 알려진 유전정보 저장 역할뿐만 아니라 생체소재로서의 활용을 연구하고 있습니다. 첫째로, 핵산의 생체소재로서의 활용을 위해 나노공학(NT)과 바이오공학(BT)을 연계한 다양한 기술들을 이용하여 핵산나노구조체를 형성하고 연구의 목적에 맞게 타 기능성 생체소재와 결합하여 새로운 기능이 부여된 하이브리드 생체소재를 개발하고 있습니다. 둘째로는, 개발된 핵산 기반 기능성 생체소재를 이용하여 생명공학, 의학, 식품, 화장품과 같은 다양한 산업화 분야로의 응용에 맞게 최적화하는 연구를 수행하고 있습니다.
최근 핵산은 생체소재로서의 발전 가능성과 가용성이 매우 뛰어난 소재로 주목받고 있습니다. 이는 핵산의 기질·염기서열 선택 특이성에 따른 자기조립기능성과, 등방성 및 이방성 그리고 나노미터 단위의 정교한 구조적 조절성 때문입니다. 우리 연구실은 핵산의 자기조립 성질을 활용하여 핵산 기반 나노구조체를 개발하고 핵산의 등방성 및 이방성에 핵산나노공법, 화학적 합성법, 효소적 합성법 등의 최신 나노바이오기술들을 적용하여 다양한 기능성 생체소재와 결합하는 연구를 하고 있습니다. 또한 핵산의 구조적 조절성을 통해 다양한 형태의 나노구조체와 나노구조체로부터 형성된 지지체를 개발하고 있습니다.
또한 우리 연구실은 합성된 핵산 기반 기능성 생체소재를 다양한 분야로의 실질적인 응용에 활용합니다(그림 4).

그림 4. 주요 응용 연구분야

예를 들어 약물개발 분야에서는 RNA 간섭을 통해 특정 단백질을 선택적으로 제어하는 핵산 약물 기반 나노구조체를 자기조립을 통해 제작하고 있으며, 나노구조체의 유효성을 높이기 위해 다양한 기능성 고분자 생체소재들을 융합하여 구조체의 안정성, 목표 지향성 및 약물효능을 증진했습니다. 또한 바이오센서 분야에서는 핵산의 기질·염기서열의 상보적 결합을 이용한 높은 특이도 및 민감도의 신·변종 바이러스 다중진단 센서를 개발 연구하고 있습니다. 식품 분야에서는 나노기술을 이용하여 식품을 나노 크기의 입자 형태로 제작함으로써, 식품 성분의 파괴 및 분해 방지와 함께 효과적인 체내흡수율 증진 효과를 끌어내고 있습니다.
이처럼 핵산의 특성들이 적절히 활용된 기능성 생체소재를 개발하여 실생활에서 접할 수 있게 상용화하는 것이 우리실험실의 장기적인 연구 목표입니다.

4. 맺음말
핵산 기반 기능성 생체소재는 다기능성과 구조적 역할을 기반으로 다양한 분야에서의 활용이 기대되고 있습니다. 핵산을 생체소재로써 사용하는 연구의 역사는 불과 20년에 지나지 않을 정도로 짧지만, 핵산나노공학 분야는 새로운 핵산 기반 기능성 생체소재의 개발과 산업적 응용에 있어서 무궁무진한 잠재력이 있습니다. 산업화를 위해 우리 연구실은 각 분야의 산·학·연·병 전문가들인 국내·외 대학기관과 연구소(MIT, Harvard 의과대학병원, 성균관대학교,이화여자대학교, 한국화학연구원), 산업체(아모레퍼시픽, 삼성, LG) 및 정부기관(식품의약품안전처, 보건복지부, 미래창조과학부)과 협력하여 다양한 과제를 수행하고 있습니다. 우리 연구실은 핵산나노공학을 통해 생명과학의 한 단계 진보를 끌어내기 위해 오늘도 열심히 연구에 매진하고 있습니다. 앞으로도 많은 관심 부탁드립니다.

5. 대표 연구 논문
Young Hoon Roh, Jason Z. Deng, Erik C. Dreaden, Jae Hyon Park, Dong Soo Yun, Kevin E. Shopsowitz,Paula T. Hammond, “A Multi-RNAi Microsponge Platform for Simultaneous Controlled Delivery of Multiple Small Interfering RNAs”, Angewandte Chemie 55, 3347–3351 (2016)
Young Hoon Roh, Jong Bum Lee, Kevin E. Shopsowitz, Erik C. Dreaden, Stephen W. Morton, Zhiyong Poon, Jinkee Hong, Inbar Yamin, Daniel K. Bonner, and Paula T. Hammond, “Layer-by-Layer Assembled Antisense DNA Microsponge Particles for Efficient Delivery of Cancer Therapeutics”, ACS Nano 8 9767-9780 (2014)

Kevin E. Shopsowitz, Young Hoon Roh, Zhou J. Deng, Stephen W. Morton, Paula T. Hammond, “RNAi-Microsponges Form through Self-Assembly of the Organic and Inorganic Products of Transcription”, Small 10 1623-1633 (2014)
Young Hoon Roh, Roanna C. H. Ruiz, Songming Peng, Jong Bum Lee, Dan Luo, “Engineering DNA-based Functional Materials”, Chemical Society Reviews 40, 5730–5744 (2011)
Shawn J. Tan, Pichamon Kiatwuthinon, Young Hoon Roh, Jason Samuel Kahn, Dan Luo, “Engineering Nanocarriers for siRNA Delivery”, Small 7, 841–856 (2011)
Young Hoon Roh, Jong Bum Lee, Pichamon Kiatwuthinon, Mark Hartman, Judy J. Cha, Soong Ho Um, David A. Muller, Dan Luo, "DNAsomes: Multifunctional DNAbased Nanocarriers”, Small 7, 74-78 (2011)
Young Hoon Roh, Jong Bum Lee, Shawn J. Tan, Bojeong Kim, Hyeongsu Park, Edward J. Rice, Dan Luo,“Photocrosslinked DNA Nanospheres for Drug Delivery”, Macromolecular Rapid Communications 31, 1207–1211 (2010)
Jong Bum Lee, Young Hoon Roh, Soong Ho Um, Hisakage Funabashi, Wenlong Cheng, Judy J. Cha, Pichamon Kiatwuthinon, David A. Muller, Dan Luo, “Multifunctional Nanoarchitectures from DNA-based
ABC Monomers”, Nature Nanotechnology 4, 430-436 (2009)