안녕하세요. 인하대학교 바이오시스템융합학과 바이오의약품 생산공학 연구실 (BEP Lab)을 소개합니다. 우리 연구 실은 백종윤 교수님의 지도 아래 대학원생 6명이 함께 연구하고 있으며, CHO (Chinese Hamster Ovary) 세포를 이용한 바이오의약품 생산의 효율성을 극대화하고, 안정적인 고생산성 세포주를 개발하는 기술을 확립하기 위한 연구를 주로 진행하고 있습니다. 2019년에 설립된 우리 연구실은 비교적 신생 연구실이지만, 안정적으로 자리잡아 차근차근 성과를 발표해 나가고 있습니다. 

1. 연구실 특징 및 분위기

   우리 연구실은 교수님과 학생들 간의 긴밀한 소통과 협력으로 친밀하고 활기찬 분위기를 자랑합니다. 백종윤 교수님 은 연구 주제를 엄격히 제한하기보다는 학생들이 다양한 분야를 공부하고 새로운 아이디어를 제시하는 것을 존중해주 시는 분입니다. 교수님은 학생들이 연구에 대한 열정을 갖고 자율적으로 연구를 수행할 수 있도록 적극적으로 지원해 주십니다.

   연구실에서는 팀 프로젝트와 개인 연 구 주제를 수행하며, 매주 연구의 진행 상황을 보고하고 피드백을 받는 미팅을 갖습니다. 이러한 정기적인 주간 미팅을 통해 연구 방향을 점검하고 개선할 수 있 는 기회를 제공합니다. 또한, 교수님과 학생들 간의 일대일 미팅도 매주 진행되 어 개별적인 연구 진행 상황에 대한 세심 한 지도를 받을 수 있습니다. 추가적인 지도가 필요하다면 언제든지 일대일 미 팅을 요청할 수 있어, 교수님과의 소통이 매우 원활한 편입니다.

   학생들 간에도 서로의 연구 주제를 편하게 공유하는 분위기가 형성되어 있어, 아이디어를 다듬고 실험에서의 피드백 을 주고받는 것이 활발하고 자유롭습니다. 이렇게 서로 협력하는 친밀한 분위기 덕분에 창의적인 아이디어를 떠올리기 도 하고, 실패에 대한 부담을 덜어주기도 합니다. 이러한 분위기 속에서 연구실 구성원들은 개인의 연구 역량을 향상시 키고 팀워크를 배우며 성장하고 있습니다.

2. 연구 주제

   우리 연구실은 CHO 세포와 관련된 다양한 연구와 바이오의약품 생산을 위한 첨단 기술 개발에 주력하고 있습니다. 

   저희의 첫 번째 연구분야는 CHO 세포 배양 배지 개발 및 최적화입니다. 의약품 생산을 위한 배양 배지는 배양 과정 에서 오염 가능성을 줄이고 제품의 품질에 영향을 주지 않으면서도 실험의 재현성과 결과의 일관성을 보장해야 합니다. 따라서 이 배지는 화학적으로 규명된 성분으로 구성되어야 하며, 혈청과 단백질을 배제하면서도 CHO 세포의 활발한 성장과 증식을 지원하고, 목적 단백질의 생산성을 극대화해야 합니다. 이와 같은 요구 사항으로 인해 배양 배지의 개발 에는 고도의 기술이 필요하며, 현재 많은 회사들이 값비싼 수입 배지에 의존하고 있습니다. 그러나 우리는 고품질의 배 양 배지 레시피를 개발하여 수입 의존도를 줄이고, 국내에서도 효율적이고 경제적인 배양 배지를 공급할 수 있도록 노 력하고 있습니다. 

   두 번째 연구 주제는 세포주 불안정성 예측 모델 개발입니다. 세포주 불안정성이란 생산 세포주가 대규모 생산에 필 요한 기간 동안 배양되면서 점차 생산성이 감소하는 현상을 말합니다. 이로 인해 목적 단백질의 생산량이 기대 이하로 줄어들면 경제적으로 막대한 손실이 발생할 수 있으며, 목표 생산량을 달성하지 못해 재생산이 필요할 수도 있습니다. 현재로서는 개발된 세포주가 장기적으로 안정적으로 목적 단백질을 생산할 수 있는지를 미리 예측하기 위한 연구가 매 우 부족하지만, 우리는 이러한 모델을 개발하여 세포주 개발에 소요되는 시간과 자원을 절감하고, 개발의 효율성을 높 이는 것을 목표로 연구를 진행하고 있습니다.

   세 번째 연구 주제는 안정적인 생산성을 가진 세포주 개발을 위한 기술 확립입니다. 우리는 높은 생산성을 유지하면 서도 안정적인 유전자 발현을 보이는 세포주를 개발하기 위해 CRISPR/Cas9 기술을 활용하여 유전자를 안정적인 발현 이 가능한 위치에 특이적으로 삽입하는 연구를 진행하고 있습니다. 이 기술을 통해 우리는 효율적이고 신뢰할 수 있는 세포주를 개발하는 기술의 발전에 이바지 것을 목표로 하고 있습니다.

   네 번째 연구 주제는 Perfusion Reactor의 소형화입니다. 바이오의약품 생산의 트렌드가 다품종 소량 생산으로 변화하 면서, 더 작은 규모에서 효율적으로 단백질을 합성할 수 있는 continuous culture system이 주목받고 있습니다. 우리는 Perfusion 생물반응기의 소형화를 통해 공간 활용도를 높이고 실험 비용을 절감할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.

   마지막 연구 주제는 Cell-Free Protein Synthesis입니다. 이 기술은 세포 없이 효소와 기질만을 이용해 단백질을 합성 하는 시스템을 말하며, 생산 속도가 빠르고 세포 배양이 필요 없어 단백질 의약품 생산에 필요한 비용을 절감할 수 있 을 것으로 기대됩니다. 우리는 이 연구와 관련하여, 2021년 대한민국 바이오의약품 대상에서 보건복지부 장관상을 수 상한 바 있습니다.

   우리 연구실은 이러한 다양한 연구를 통해 바이오의약품 생산 분야의 첨단 기술을 선도하며, 혁신적인 연구 성과를 지속적으로 창출하고 있습니다.

3. 맺음말

연구실 대표 논문

Chinese Hamster Ovary Cell Line Instability: Causes, Mitigation, and Prediction, BIOTECHNOLOGY AND BIOPROCESS ENGINEERING, 28권,5호, pp. 750~760, 2023

A splinkerette PCR-based genome walking technique for the identification of transgene integration sites in CHO cells, JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY, 371권, pp. 1~9, 2023

Enhanced cell growth, production, and mAb quality produced in Chinese hamster ovary-K1 cells by supplementing polyamine in the media, APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY, 107권,9호, pp. 2855~2870, 2023

NAD+ supplementation improves mAb productivity in CHO cells via a glucose metabolic shift, BIOTECHNOLOGY JOURNAL, 18권,4호, 2023

Generation of reference cell lines, media, and a process platform for CHO cell biomanufacturing, BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING, 120권,3호, pp. 715~725, 2023

CHO 세포 배양에서 미토콘드리아 생합성 유도를 통한 재조합 단백질 생산성 증대, KSBB JOURNAL, 37권,4호, pp. 139~150, 2022

Energy metabolism in Chinese hamster ovary (CHO) cells: Productivity and beyond, KOREAN JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING, 39권,5호, pp. 1097~1106, 2022

재조합 CHO 세포주의 DNA 반복서열을 활용한 PCR 기반 외래유전자 삽입위치 분석, KSBB JOURNAL, 37권,1호, pp. 17~24, 2022

CHO 세포 부유배양용 플라스크의 산소전달속도 모델 개발, KSBB JOURNAL, 37권,1호, pp. 32~40, 2022

DNA Double-Strand Breaks Affect Chromosomal Rearrangements during Methotrexate-Mediated Gene Amplification in Chinese Hamster Ovary Cells, PHARMACEUTICALS, 13권,3호, 2021

Escherichia coli의 지방산 대사과정 및 배양조건 조절을 통한 FAEE 생산, KSBB JOURNAL, 35권,3호, pp. 273~279, 2020

Growth Rate Changes in CHO Host Cells Are Associated with Karyotypic Heterogeneity, BIOTECHNOLOGY JOURNAL, 13권,3호, 2018

A Framework to Quantify Karyotype Variation Associated with CHO Cell Line Instability at a Single-Cell Level, BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING, 114권,5호, pp. 1045~1053, 2017

Toward improved host cell protein impurity assessment, BIOTECHNOLOGY JOURNAL, 11권,8호, pp. 998~999, 2016

CHOgenome.org 2.0: Genome resources and website updates, BIOTECHNOLOGY JOURNAL, 10권,7호, pp. 931~938, 2015

Optimization of bioprocess conditions improves production of a CHO cell-derived, bioengineered heparin, BIOTECHNOLOGY JOURNAL, 10권,7호, pp. 1067~1081, 2015

Toward product attribute control: developments from genome sequencing, CURRENT OPINION IN BIOTECHNOLOGY, 30권, pp. 40~44, 2014

miRNA Expression in CHO: Nature knows best, BIOTECHNOLOGY JOURNAL, 9권,4호, pp. 459~460, 2014

Bioengineering murine mastocytoma cells to produce anticoagulant heparin, GLYCOBIOLOGY, 24권,3호, pp. 272~280, 2014

Bioengineered Chinese Hamster Ovary Cells with Golgi-targeted 3-O-Sulfotransferase-1 Biosynthesize Heparan Sulfate with an Antithrombin-binding Site, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, 288권,52호, pp. 37308~37318, 2013

Toward a bioengineered heparin challenges and strategies for metabolic engineering of mammalian cells, Bioengineered, 3권,4호, 2012

Metabolic engineering of Chinese hamster ovary cells: Towards a bioengineered heparin, METABOLIC ENGINEERING, 14권,2호, pp. 81~90, 2012

Proteomic understanding of intracellular responses of recombinant Chinese hamster ovary cells cultivated in serum-free medium supplemented with hydrolysates, BIOTECHNOLOGY PROGRESS, 89권, pp. 1917~1928, 2011

Ultra-performance ion-pairing liquid chromatography with on-line electrospray ion trap mass spectrometry for heparin disaccharide analysis, ANALYTICAL BIOCHEMISTRY, 415권,1호, pp. 59~66, 2011