Synthetic biology aims to provide a principled approach towards building biological entities with complex and novel functionality using modular and programmable parts. Precise and programmable control of gene expression is becoming a basic requirement for many biological and biotechnological research applications. To date, synthetic biology approaches yielded novel and sophisticated gene circuitry including molecular counters, synchronized oscillators, logic gates, memory devices, and analog signal processors. Due to its simple base-pairing rules and well-characterized thermodynamic parameters, RNA molecules can form the basis of de-novo-designed synthetic regulators of gene expression. Recent advances in RNA nanotechnology, to which I have contributed with my postdoctoral work, will enable RNA components to sense and regulate gene expression with high sensitivity and fast dynamics and serve as a broadly enabling platform for many areas with biomedical applications. For instance, the ability to detect the dynamics of antibiotic resistance in bacterial populations and biofilms can serve as one of the first steps for developing anticipatory medical and cellular devices. Further, we expect that the technology developed for prokaryotic riboregulators can be adapted to eukaryotic systems in the future.

합성생물학 연구실에서는 기존에 생체 내에 존재하는 분자 네트워크와는 다른 새로운 세포 내 기능 조절 네트워크를 구성하는 연구를 진행하고 있습니다. 분자 수준에서부터의 생물정보 분석과 디자인, 실험적 검증을 통해 세포 기능을 인공적으로 조절할 수 있는 분자 네트워크에 대해 다방면으로 연구합니다. 최근에는 핵산 (Nucleic Acid) 디자인을 통한 새로운 분자 계산법인 ribocomputing 기법의 개발을 진행하고 있습니다. 앞으로 합성생물학을 통한 새로운 조절 네트워크를 구성하는 것이 바이오 에너지와 의료용 물질 생산, 면역계와 상호작용하고 리포터 역할을 할 수 있는 스마트 프로바이오틱스와 같은 다양한 응용 분야에 적용될 것으로 기대되며 이에 대한 연구들을 수행하고 있습니다. 연구 참여를 통해 대장균 및 다른 미생물을 이용하여 cloning 과 같은 기본적인 분자 생물학 실험, FACS, plate reader 등의 다양한 분석용 실험 기법을 경험하고, 합성 생물학에서 많이 이용되는 계산 및 모델링 방법에 대해 배울 수 있습니다.

학부생들이 참여할 수 있는 연구 주제
(1) Ribocomputing device – 대장균 내에서의 논리 회로 구현을 위해 분자 수준의 디자인과 cloning, 대장균에서의 발현, reporter expression 검증을 수행합니다.
(2) SNP-selective nucleic acid probe – SNP을 구분할 수 있는 프로브를 테스트하기 위해 분자 수준의 디자인과 PCR을 통한 reporter expression 검증을 수행합니다.

• ㆍSynthetic biological circuits
• ㆍSmart probiotics
• ㆍNucleic acid engineering
• ㆍMolecular computation

• ㆍKim J, Simmel FC, (2022) Scaling up genelet circuits. Nature Chemistry 14, 1210-1211
• ㆍKim J, et al., (2019) De novo-designed translation-repressing riboregulators for multi-input cellular logic. Nature Chemical Biology 15, 1173-1182
• ㆍGreen AA*, Kim J*, et al., (2017) Complex cellular logic computation using ribocomputing devices. Nature 548, 117-121
• ㆍKim J, et al., (2014) Synthetic circuit for exact adaptation and fold-change detection. Nucleic Acids Research 42, 6078-6089
• ㆍWeitz M, Kim J, et al., (2014) Diversity in the dynamical behaviour of a compartmentalized programmable biochemical oscillator. Nature Chemistry 6, 295-302
• ㆍKim J, et al., (2011) Synthetic in vitro transcriptional oscillators. Molecular Systems Biology 7, 465
• ㆍKwon JH*, Kim J*, et al., (2010) Overexpression of high-mobility group box 2 is associated with tumor aggressiveness and prognosis of hepatocellular carcinoma. Clinical Cancer Research 16, 5511-5521
• ㆍKim J, et al., (2010) Epithelial-mesenchymal transition gene signature to predict clinical outcome of hepatocellular carcinoma. Cancer Science 101, 1521-1528
• ㆍKim J, et al., (2006) Construction of an in vitro bistable circuit from synthetic transcriptional switches. Molecular Systems Biology 2, 68

• ㆍB.S., POSTECH, Korea (2000)
• ㆍPh.D., California Institute of Technology, USA (2007)

• ㆍ2007-2010: Senior Researcher, CbsBioscience Inc.
• ㆍ2010-2014: Postdoctoral Scholar, California Institute of Technology
• ㆍ2014-2018: Postdoctoral Research Fellow, Wyss Institute, Harvard University
• ㆍ2018: Senior Scientist, NuProbe USA Inc.
• ㆍ2018-Present: Assistant Professor, Dept. of Life Sciences, POSTECH