Research introduction
The plant cell is composed of various subcellular compartments. To coordinate and regulate all these subcellular compartments to function as a single unit, a large number of molecules must be involved in these complex processes. Therefore, we are trying to isolate and characterize important molecular players of these processes by molecular, biochemical, and cellular approaches.
We have discovered and characterized many important proteins in various steps of intracellular trafficking pathways and elucidated the molecular mechanisms of protein trafficking. Endocytosis is another important area of our research. Now, we are trying to understand how abiotic and biotic stress responses are regulated by protein trafficking and endocytosis. In addition, we are also actively studying molecular mechanisms of protein targeting to chloroplasts and mitochondria. We started to elucidate the cytosolic events involved in protein targeting to chloroplasts and mitochondria. Furthermore, by deciphering the protein targeting mechanisms to these endosymbiotic organelles, we are trying to understand the evolution of these organelles. Another important research topic is to develop molecular and cellular tools to develop the plant cells as a protein production system for valuable proteins.
We have discovered and characterized many important proteins in various steps of intracellular trafficking pathways and elucidated the molecular mechanisms of protein trafficking. Endocytosis is another important area of our research. Now, we are trying to understand how abiotic and biotic stress responses are regulated by protein trafficking and endocytosis. In addition, we are also actively studying molecular mechanisms of protein targeting to chloroplasts and mitochondria. We started to elucidate the cytosolic events involved in protein targeting to chloroplasts and mitochondria. Furthermore, by deciphering the protein targeting mechanisms to these endosymbiotic organelles, we are trying to understand the evolution of these organelles. Another important research topic is to develop molecular and cellular tools to develop the plant cells as a protein production system for valuable proteins.
학부생을 위한 실험실 소개
O 현대생명과학의 발전과 산업적 응용
현대 생명과학의 분부신 발전을 가져온 가장 큰 추동력은 인간의 유전적인 질병을 치료하기 위해서 유전자로부터 필요한 단백질을 만들어서 치료제로 활용하는 것이었다. 이러한 wish를 바탕으로 인류 최초로 고등 생명체로부터 cloning 된 유전자가 쥐의 insulin 유전자였다. 곧 이어 인간의 인슐린 유전자가 확보되었고 이로부터 인간의 인슐린을 대장균에서 생산하여 당뇨병 치료에 활용함으로써 인간이 필요한 의료용 단백질을 유전자로부터 만드는 현대생명과학이 탄생하였다 할 수 있다.
이 후로 생명과학의 발전은 무수히 많은 유전자들을 무수히 많은 생명체로부터 확보되었으며, 이제는 헤아릴 수 없을 정도의 많은 생명체의 전체 유전체의 염기서열이 밝혀짐으로써, 무한대의 유전자가 확보되었다. 유전자를 이용하여 만들 수 있는 단백질들은 활성에 따라서 인체 의약품뿐만 아니라 인간 및 가축용 백신용 단백질들, 화장품 등 미용에 들어가는 단백질들, 식품 첨가제 또는 식품생산용 단백질들, 사료첨가용 단백질들, 산업용 다양한 단백질들, 등 거의 모든 산업에 활용할 수 있다.
따라서 이러한 유전자들을 활용하여 인간이 필요로 하는 다양한 단백질을 만들어 활용할 수 있는 시대로 접어 들었다. 또한 유전자를 이용하여 생산한 단백질은 인체친화적이며 친환경적이다. 이러한 단백질을 대량으로 만드는 방법은 생명체에 유전자를 도입해서 세포가 단백질을 만들게 하고, 이렇게 만들어진 단백질을 세포로부터 순수분리 정제하여 활용하는 것이 기본적이다.
한국에서도 바이오텍 산업으로 의약품인 바이오시밀라를 생산하는 산업이 활발하게 진행되고 있다. 현재 단백질 생산을 위해서 가장 활발하게 활용되는 세포는 동물의 CHO cell이라 부르는 hamster ovarian tumor cell을 사용하거나 대장균 등 미생물, 때로는 yeast와 같은 곰팡이 등을 이용하여 재조합 단백질을 생산하고 있다. 최근에 새롭게 식물이 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 개발 되고 있다.
O 식물을 이용한 단백질 생산 시스템 개발
본 연구실에서는 새로운 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 식물 세포를 이용하여 재조합 단백질을생산하는 기술을 개발하였으며, 이를 통해서 의료용부터 산업용까지 다양한 단백질을 생산하고 이들을 활용하는 기술들을 개발하고 있다.
현재 다양한 stem cell의 growth factor들이나 cytokine들, 다양한 종류의 의료용 candidate 유전자들, bacterial growth를 control 할 수 있는 단백질들, 배기가스로부터 CO2를 포집하고 제거 할 수 있는 단백질들, 다양한 종류의 protease 유전자들을 대상으로 연구를 진행하고 있다.
O 학부생의 연구참여 내용
1) 생명과학의 가장 중요한 산업화 응용 과정인 유전자로부터 재조합 유전자의 design, 재조합 유전자의 식물세포의 도입, 식물세포로부터 단백질의 생산 과정, 식물 세포에 만들어진 단백질의 분리정제 등에 관한 다양한 부분에 대한 기초적인 지식을 습득
2) 이를 바탕으로 학생들이 활용해 보고 싶은 단백질에 대한 재조합 단백질 유전자를 design 하고, 이를 이용하여 식물세포에서 유전자 발현을 유도한 후, 식물세포에서 만들어진 재조합 단백질의 분리 정제와 만들어진 단백질의 활성을 확인해 보는 전체 과정을 수행
3) 이러한 기회를 통해서 기초적인 생명과학이 어떻게 산업적으로 활용되며, 궁극적으로 생명과학이 지속 가능한 인간 사회를 만드는데 필수적인 3 대 핵심문제인, 건강, 환경, 에너지 분야에 어떻게 기여할 수 있는지를 직접 경험해 보는 기회를 제공하고자 한다.
현대 생명과학의 분부신 발전을 가져온 가장 큰 추동력은 인간의 유전적인 질병을 치료하기 위해서 유전자로부터 필요한 단백질을 만들어서 치료제로 활용하는 것이었다. 이러한 wish를 바탕으로 인류 최초로 고등 생명체로부터 cloning 된 유전자가 쥐의 insulin 유전자였다. 곧 이어 인간의 인슐린 유전자가 확보되었고 이로부터 인간의 인슐린을 대장균에서 생산하여 당뇨병 치료에 활용함으로써 인간이 필요한 의료용 단백질을 유전자로부터 만드는 현대생명과학이 탄생하였다 할 수 있다.
이 후로 생명과학의 발전은 무수히 많은 유전자들을 무수히 많은 생명체로부터 확보되었으며, 이제는 헤아릴 수 없을 정도의 많은 생명체의 전체 유전체의 염기서열이 밝혀짐으로써, 무한대의 유전자가 확보되었다. 유전자를 이용하여 만들 수 있는 단백질들은 활성에 따라서 인체 의약품뿐만 아니라 인간 및 가축용 백신용 단백질들, 화장품 등 미용에 들어가는 단백질들, 식품 첨가제 또는 식품생산용 단백질들, 사료첨가용 단백질들, 산업용 다양한 단백질들, 등 거의 모든 산업에 활용할 수 있다.
따라서 이러한 유전자들을 활용하여 인간이 필요로 하는 다양한 단백질을 만들어 활용할 수 있는 시대로 접어 들었다. 또한 유전자를 이용하여 생산한 단백질은 인체친화적이며 친환경적이다. 이러한 단백질을 대량으로 만드는 방법은 생명체에 유전자를 도입해서 세포가 단백질을 만들게 하고, 이렇게 만들어진 단백질을 세포로부터 순수분리 정제하여 활용하는 것이 기본적이다.
한국에서도 바이오텍 산업으로 의약품인 바이오시밀라를 생산하는 산업이 활발하게 진행되고 있다. 현재 단백질 생산을 위해서 가장 활발하게 활용되는 세포는 동물의 CHO cell이라 부르는 hamster ovarian tumor cell을 사용하거나 대장균 등 미생물, 때로는 yeast와 같은 곰팡이 등을 이용하여 재조합 단백질을 생산하고 있다. 최근에 새롭게 식물이 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 개발 되고 있다.
O 식물을 이용한 단백질 생산 시스템 개발
본 연구실에서는 새로운 안전하고 저렴하게 단백질을 대량 생산하는 시스템으로 식물 세포를 이용하여 재조합 단백질을생산하는 기술을 개발하였으며, 이를 통해서 의료용부터 산업용까지 다양한 단백질을 생산하고 이들을 활용하는 기술들을 개발하고 있다.
현재 다양한 stem cell의 growth factor들이나 cytokine들, 다양한 종류의 의료용 candidate 유전자들, bacterial growth를 control 할 수 있는 단백질들, 배기가스로부터 CO2를 포집하고 제거 할 수 있는 단백질들, 다양한 종류의 protease 유전자들을 대상으로 연구를 진행하고 있다.
O 학부생의 연구참여 내용
1) 생명과학의 가장 중요한 산업화 응용 과정인 유전자로부터 재조합 유전자의 design, 재조합 유전자의 식물세포의 도입, 식물세포로부터 단백질의 생산 과정, 식물 세포에 만들어진 단백질의 분리정제 등에 관한 다양한 부분에 대한 기초적인 지식을 습득
2) 이를 바탕으로 학생들이 활용해 보고 싶은 단백질에 대한 재조합 단백질 유전자를 design 하고, 이를 이용하여 식물세포에서 유전자 발현을 유도한 후, 식물세포에서 만들어진 재조합 단백질의 분리 정제와 만들어진 단백질의 활성을 확인해 보는 전체 과정을 수행
3) 이러한 기회를 통해서 기초적인 생명과학이 어떻게 산업적으로 활용되며, 궁극적으로 생명과학이 지속 가능한 인간 사회를 만드는데 필수적인 3 대 핵심문제인, 건강, 환경, 에너지 분야에 어떻게 기여할 수 있는지를 직접 경험해 보는 기회를 제공하고자 한다.
Research Area
- ㆍProtein translation mechanism and protein biogenesis
- ㆍProtein targeting and trafficking mechanisms
- ㆍOrganelle biogenesis and evolution
- ㆍAbiotic stress responses and its application in biomass production
- ㆍReprogramming of plant cells as a protein production system
Major publications
- ㆍJunho Lee, et al. (2023) Translation rate underpins specific targeting of N-terminal transmembrane proteins to mitochondria. Journal of Integrative Plant Biology, 65,6,1505-1520
- ㆍSang-Yun Han, et al. (2023) Comparative transcriptomics reveals the role of altered energy metabolism in the establishment of single-cell C4 photosynthesis in Bienertia sinuspersici. Frontiers in Plant Science, 2023(14)
- ㆍThangarasu Muthamilselvan, et al. (2023) Assembly of Human Papillomavirus 16 L1 Protein in Nicotiana benthamiana Chloroplasts into Highly Immunogenic Virus-Like Particles. Journal of Plant Biology, 1-10
- ㆍJunho Lee, et al. (2023) Translation rate underpins specific targeting of N-terminal transmembrane proteins to mitochondria. Journal of Integrative Plant Biology. 65(6):1505-1520
- ㆍAreum Yun, et al. (2023) Design of an artificial transcriptional system for production of high levels of recombinant proteins in tobacco (Nicotiana benthamiana). Frontiers in Plant Science, 2023(14): 1138089
- ㆍDabeen Kim, et al. (2022) Understanding protein translocation across chloroplast membranes: translocons and motor proteins. Journal of Integrative Plant Biology, 65(2):408-416
- ㆍShammi Akter, et al. (2022) Production of active Exendin-4 in Nicotiana benthamiana and its application in treatment of type-2 diabetics. Frontiers in Plant Science, 2022
- ㆍMd Rezaul Islam Khan, et al. (2022) Plant produced endotoxin binding recombinant proteins effectively remove endotoxins from protein samples. Scientific reports, 2022(12):16377
- ㆍSeungjin Woo, et al. (2022) Both metaxin and Tom20 together with two mitochondria-specific motifs support mitochondrial targeting of dual-targeting AtSufE1. Journal of Integrative Plant Biology, 64(8):1596-1613
- ㆍJinseung Jeong, et al. (2022) GREEN FLUORESCENT PROTEIN variants with enhanced folding are more efficiently imported into chloroplasts. Plant Physiology, 190(1):238-249
Education
- ㆍB.S., Seoul National University, Seoul, Korea (1981)
- ㆍM.S., Seoul National University, Seoul, Korea (1983)
- ㆍPh.D., University of North Carolina-Chapel Hill (1988)
Career
- ㆍ1988-1993 : Harvard Medical School, Postdoctoral fellow
- ㆍ1993-1999 : Professor at Gyeongsang National University
- ㆍ1998-2007 : Head of the center for protein intracellular trafficking
- ㆍ1999-Present : Professor at POSTECH
- ㆍ2008-2010 : Chairman of Life Science
- ㆍ2008-2013 : Chairman of Integrative Biosciences and Biotechnology
- ㆍ2019.8-Present : Chief Scientist, Beijing Forestry University, China
Activities
- ㆍEditorial board members: Plant Cell, Plant & Cell Physiology, J. Plant Biology, Frontiers in Plant Cell Biology, Frontiers in Plant Traffic and Transport
- ㆍOrganizer of ICAR-2016 (Korea)
- ㆍPlenary lecture at ICAR in Japan (2010)
- ㆍKeynote speaker at EN PER in Germany (2010)
Major Awards/Honors
- ㆍ2005 : 일맥문화재단, 일맥 문화대상 (과학기술상)
- ㆍ2007 : 포항공과대학교 자랑스런 포스테키안 상 (이학부분)
- ㆍ2008 : (재)인촌기념회, 제23회 인촌상 (과학 부분)
- ㆍ2011 : 포항공과대학교 Fellow 선정
- ㆍ2015 : 한국식물학회 최우수 학술상
- ㆍ2017 : 미래창조과학부&한국과학기술단체총연합회, 대통령표창
- ㆍ2017 : (사)한국분자.세포생물학회, Presidential Lecture Award
- ㆍ2018 : 2018 국가연구개발사업 우수성과 100선
- ㆍ2019 : 산학협력 유공자 부총리 겸 교육부장관 표창
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