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나노바이오 융합 소재 연구실

Materials Integrated Nanobio Laboratory (MIN Lab.)

Homepage: https://min.hallym.ac.kr
지도교수
박민
박 민
  • 학위 : 연세대학교 세라믹공학과 학사, 연세대학교 신소재공학과 공학박사
  • 경력 : 한국과학기술연구원 Post-Doc, 독일 Münster 대학 Post-Doc
  • 교육분야 : 바이오소재, 의생명과학개론, 바이오센서 특론, 재료유기화학, 고분자소재, 상변화와 미세조직
  • 연구분야 : 의료용 체외진단키트, 나노-바이오 센서, 바이오 시스템 엔지니어링, 나노-바이오 하이브리드
  • 이메일 : minpark@hallym.ac.kr
  • 연구실 : 자연과학관 7516호
  • 실험실 : 자연과학관 7515호
연구분야 소개
  • 한림대학교 미래융합스쿨 융합신소재공학전공의 나노 바이오 융합 소재 연구실 (Materials Integrated Nanobio Laboratory, MIN Lab.)에서는 표면발현(Autodisplay)기술 등의 유전자 재조합기술과 단백질 발현기술, 기능성 고분자 박막 코팅 등의 표면개질 및 증착 공정기술을 활용한 진단검사와 바이오센서에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 특히 바이오센서나 진단검사의 민감도를 높이기 위한 트랜스듀서(transducer)나 검출물질(detection reporter) 뿐 아니라 고감도로 항원을 인식할 수 있는 분자인지막(molecular recognition layer)의 형성에 관련한 연구를 진행하고 있습니다. 이를 위해서 항체를 효율적으로 고정할 수 있는 친화도 단백질, 전기화학 바이오센서의 구현을 위한 효소 등을 표면발현 기술을 통해 발현하고 있으며, 기능성 아민기 등을 함유한 고분자의 상온 코팅을 통한 고밀도 효소고정화 기술 등을 개발하여 고감도 진단검사 및 바이오센서를 구현하였습니다.

세부 연구분야 소개
표면발현(Autodisplay) 기술
  • MIN Lab.에서는 표면발현 기술을 응용하여 다양한 단백질 및 효소를 발현하고 이를 진단검사와 바이오센서에 응용하는 연구를 진행중입니다. 세포기질(cytosol)에 단백질을 발현하는 보통의 단백질 발현기술과 달리, 표면발현기술은 단백질을 세포의 외막에 고정화한 형태로 발현합니다. 본 연구실에서 사용하는 표면발현기술은 그람음성균의 외막에 자연적으로 존재하는 외막단백질을 이용하여 원하는 타겟을 고밀도로, 그리고 100 % 같은 배향을 가진 상태로 발현하는 특징을 가집니다. 또한 표면발현기술은 그람음성균을 활용하는 단백질발현 방법으로, 세포분열 주기가 짧고 배양이 간단하기에 단백질 발현 효율이 좋은 장점을 가지고 있어 생명공학 분야에서 가장 널리 사용되는 대장균을 활용 가능합니다.



  • 표면발현을 통하여 발현된 단백질은 별도의 복잡한 크로마토그래피 과정 없이 단순한 원심분리만으로도 정제가 가능하며, 발현 단백질에 세포막 환경이 조성된다는 장점이 있습니다. 또한 발현된 단백질은 세포막에 고정되어 있지 않고, 인지질 이중막을 따라서 이동이 가능합니다. 이러한 특징으로 인하여 이량체나 삼량체 이상의 구조를 갖는 단백질의 발현이 가능한 장점을 가집니다. 이러한 표면발현 기술은 세포막 기반의 효소의 발현, 약물 스크리닝 및 활성도 테스트, 약물 대사, enzyme refolding, whole cell biocatalyst, translocation 등의 연구에 활용되어 왔습니다.



  • MIN Lab.에서는 항체결합 특이성을 가지는 Protein A 유래 Z-domain, 바이오틴(Biotin)과의 결합 특이성을 가지는 streptavidin 등의 친화도 단백질과 Glucose-6-phosphate, NADH oxidase 등의 산화환원 효소 등을 대장균 표면에 발현하였습니다. 이러한 표면발현 기술 관련 연구는 Biosensors & Bioelectronics, Sensors & Actuators B: Chemical, Analytica Chimica Acta, Enzyme & Microbial Technology, Analyst, Journal of Pharmaceutical & Biomedical Analysis 등의 다양한 저널에 결과들을 발표하고 있습니다.
진단검사 기술
  • MIN Lab.에서는 고감도의 진단검사 기술에 관련한 연구도 수행하고 있습니다. 이를 위해서 앞서 말씀드린 표면발현 기술을 면역검사에 적용하고 있습니다. 면역검사는 가장 널리 사용되고 있는 진단검사의 일종으로 항원-항체 반응을 활용하여 원하고자 하는 항원 또는 항체를 정량검사하는 방법입니다. 분자인식을 위해 가장 널리 사용되고 있는 항체는 Y자 형태의 단백질로, 2개의 항원과의 결합부위가 양쪽 가지 끝에 국소적으로 존재하고 있습니다. 이러한 구조적인 특징으로 인하여 고밀도의 항체고정화 기술이나, 항체의 배향조절 기술을 필요로 하고 있습니다. MIN Lab.에서는 배향조절을 위해 항체의 Fc부분과 결합특이성을 가지는 Z-domain을 표면발현의 타겟 단백질로 활용하여 대장균 외막에 발현하였습니다. 이러한 Z-domain은 오토디스플레이를 대장균 외막에 1.8∙105 copies/cell로 고밀도로 발현되어 있어 배향조절효과와 함께 밀도조절 효과까지 가지고 있습니다. 이 외에도 바이오틴과의 결합특이성을 가지는 streptavidin을 발현하여 진단검사에 응용하고 있습니다.



  • 이러한 친화도 단백질이 발현된 대장균의 경우 간단한 원심분리만으로도 용액에서 분리가 가능하기 때문에 면역검사의 고체지지대로 활용이 가능합니다. 이를 활용하여 다양한 항원의 정량검사를 진행하였으며, 사람의 혈액에서도 정량검사가 가능함을 확인하였습니다. 특히 류마티스관절염 환자 혈청에서 염증 바이오마커인 C-reactive protein (CRP) 정량검사를 진행한 결과, 기존에 사용되는 ELISA 면역검사법보다 특이도가 7% 향상되고, 검출한도(limit of detection, LOD)가 10배 이상 향상되었습니다.



  • 또한 MIN Lab.에서는 표면발현된 대장균의 외막만을 리포좀(liposome)형태로 분리하고, 이를 다시 2차원 평면에 코팅하는 기술을 보유하고 있습니다. 이를 활용하여 친화도 단백질 표면발현된 대장균의 외막을 마이크로플레이트 표면에 코팅하여 고감도의 면역검사법을 개발하였습니다. 이러한 연구 결과들은 Analytica Chimica Acta, Biochimica et Biophysica Acta-Biomembrane, Applied Surface Scinece, Enzyme & Microbial Technology, Analyst, Journal of Pharmaceutical & Biomedical Analysis, Analytical Methods, BioChip Journal 등의 저널에 그 결과들을 출판하면서 지속적인 연구를 이어가고 있습니다.



  • MIN Lab.에서는 이러한 면역검사용 친화도 단백질 표면발현 대장균 뿐 아니라 직접 항체의 표면발현을 진행하고 있습니다. 알츠하이머 바이오마커인 베타 아밀로이드와 결합하는 단일체인 항체(single chain variable fragment, scFv)의 표면발현 연구를 수행중이며, 이를 활용한 다양한 진단검사법 개발 연구를 진행할 예정입니다.


바이오센서 기술
  • MIN Lab.에서는 친화도 단백질 표면발현 대장균 기반의 바이오센서, 효소 표면발현 대장균 기반의 전기화학 바이오센서, 유속조건에서 사용가능한 플루이딕 바이오센서 등에 관한 연구를 진행중입니다. 친화도 단백질 표면발현 대장균을 활용한 바이오센서의 경우, 앞서 말씀드린 외막 코팅기술을 이용하여 면역센서 개발에 활용하고 있습니다. 바이오센서는 보통 분자인지막을 통해 분석물을 선택적으로 인식하고 신호를 생성합니다. 바이오센서의 트랜스듀서 표면에 위치하는 분자인지막은 센서의 종류에 따라 다르지만 그 두께에 제약이 있는 경우가 있는데, 대표적 바이오센서의 하나인 SPR(surface plasmon resonance)바이오센서의 경우 evanescence field 기반의 광학센서로 약 100 nm 이내의 물질을 인식합니다. Z-domain이 표면발현된 대장균 외막을 SPR바이오센서의 표면에 적층시켜 항체를 고정할 수 있는 기능성 막을 형성하고, 항체의 고정을 통해 배향조절이 가능한 분자인지막을 구현하였습니다. 표면발현 기술이 적용된 바이오센서는 물리적 흡착을 통해 무작위로 센서 표면에 고정된 항체막과 비교하여 100배 이상 민감도가 향상되었습니다.



  • Glucose-6-phosphate(G6PDH), NADH oxidase와 같은 산화환원 효소는 전기화학 바이오센서에 널리 적용되어 왔습니다. MIN Lab.에서는 이러한 산화환원 효소의 표면발현을 통해서 고감도의 전기화학 바이오센서를 개발해왔습니다. 기존의 바이오센서는 단백질인 효소를 전극 표면에 고정하기 위하여 별도의 물리적, 화학적 고정 공정을 필요로하고, 이 과정에서 무작위 배향이나 화학반응으로 인한 효소의 활성도가 감소하는 경우가 많습니다. MIN Lab.에서는 고활성의 산화환원 효소를 대장균에 표면발현하는 기술을 보유하고 있으며, 이를 통하여 고감도의 전기화학 바이오센서를 구현하였습니다.



  • 최근 오간온어칩, 인공장기 등의 연구가 활발해짐에 따라 유속조건에서 측정이 가능한 바이오센서의 필요성이 더욱 증가하고 있습니다. MIN Lab.에서는 기능성 고분자 박막 코팅 등의 표면개질 및 증착 공정기술을 활용하여 유속조건에서도 측정이 가능한 실시간 모니터링용 바이오센서 연구를 수행하고 있습니다. 상온에서 기상증착이 가능하며, 기능성 아민(amine)기를 가지는 파릴렌-A(parylene-A)의 코팅을 통하여 다공성 막의 표면개질을 진행하고, 고밀도로 개질된 표면 아민기를 활용하여 효소를 고정화 하였습니다. 이를 유속 챔버에 장착하고 유속조건하에서 요독 모니터링을 실시한 결과, 10 mL/min의 고유속 조건에서도 요독 측정이 가능함을 확인하였습니다. 또한 복막투석액, 혈청 등의 시료에서도 측정이 가능함을 확인하였습니다.



  • MIN Lab.에서는 이러한 바이오센서에 대한 연구 결과들을 Biosensors & Bioelectronics, Sensors & Actuators B: Chemical, Analytica Chimica Acta, Analyst, Sensors등의 저널에 출판해 나가면서 연구를 지속해 오고 있습니다.
연구분야 활동 외 소개
  • MIN Lab.의 지도교수는 한국 MEMS 학회, 바이오칩학회 등의 학회에서 이사로 활동하고 있으며, 연구원들은 학생회원으로 다양한 학술대회에 매년 참가하여 연구결과들을 발표하고 있습니다. 또한 MRS, Biosensors, Transducers, Eurosensors, Nano Korea등 국내·외에서 개최되는 여러 국제학술대회에도 활발히 참가하고 연구성과를 발표하고 있습니다. 이러한 학회 및 학술대회 활동 결과 지도교수는 2019년 마이크로나노시스템학회 신진연구자상, 2017년 한국바이오칩학회 젊은인재상을 수상하고, 연구원들의 학회발표는 2019년 한국바이오칩학회 추계학술대회에서 우수논문상을 수상하는 성과를 거두었습니다. 연구실 구성원들의 연구 과정 및 성과를 서로 공유하면서 토론하는 기회를 매주 미팅을 통해 가지고 있으며, 이를 통해 시너지를 효과적으로 창출하는 방향으로 연구를 진행하고 있습니다. 또한 대학원생 및 학부연구생이 다같이 심포지엄 및 학회에 참여하여 친목을 도모하고, 단합을 다지는 많은 기회를 가지려고 노력하고 있습니다.

연구실 홍보
  • 저희 MIN Lab.에서는 재료공학 기술의 바이오 분야로의 융합을 추구하고 있습니다. 이를 위해 유전자 재조합기술, 단백질 발현기술, 표면개질 기술, 증착 공정기술 등 다양한 기술을 활용하여 새로운 아이디어를 개발하고, 검증하며 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구의 수행을 위해서 대장균 세포배양 시스템, 대용량 고속 원심분리기, 흡광/형광 마이크로 플레이트 리더기, 전위가변기(potentiostat), 시린지펌프 및 정량이송펌프(peristaltic pump), SPR 바이오센서, 전기영동장비, 모세관전기영동기 등 바이오센서/바이오소자 제작용 장비 및 측정 장비를 갖추고 있으며, 형광현미경, 전자현미경 및 EDS, 스퍼터, 오븐 등의 계측기와 동물세포 배양 시설 등을 학과 공용 장비로 보유하고 있습니다. 또한 공동기기실에 구축된 공초점현미경, 유세포분석기(flow cytometry)등 고가의 분석장비의 활용이 가능합니다. MIN Lab.은 다양한 국가 및 민간 연구 과제를 수행하며 활발한 연구를 진행하고 있으며, 바이오와 융합된 공학을 연구하고 싶은 학생들에게 최적의 환경과 최고의 기회를 제공할 것입니다.