Visualizing, Controlling, and Restoring
우리 실험실은 단백질/RNA/항체/칼슘/인지질 등의 생체의 분자 및 신호전달 이온을 시각화 (Visualizing)하고
광유전학 및 합성생물학 기술개발을 통해 제어 (Controlling)하여 세포생물학과 뇌과학 연구를 진행하고 있으며
Optogenetic Medicine, CRISPR-Cas-based mRNA editing, mRNA modulation의
새로운 패러다임의 치료 (Restoring)기술 개발 연구를 진행하고 있습니다.
Mammalian Synthetic Biology
Signaling Optogenetics
Optogenetic Therapeutics
mRNA Editing
mRNA Modulation
Breakthroughs in biology and medicine have followed the development of novel technologies creating new avenues of investigation and therapeutics.
"We provide new paradigms for the researches of cell biology and neurobiology, as well as cellular, optogenetic and mRNA therapy"
우리 실험실은 분자광유전학 – mRNA 광유전학 – RNA 생물학을 결속해 세계 최초의 기술 포트폴리오를 보유하고, RNA 유전가 가위 기반 치료 및 광유전학적 치료로 연결하는 정밀·가역·프로그래머블 전략을 제시하고 있습니다.
● 분자광유전학: 세포내 생체 분자들을 빛으로 제어하는 광유전학 분야 세계적 리더 실험실
빛으로 정밀 생체조절 혁신 기존 채널로돕신 기반의 광유전학의 신경세포 탈분극 기술을 넘어, DNA·mRNA·단백질 기능을 직접적으로 켜고 끄는 분자광유전학(molecular optogenetics) 분야를 개척하였음. LARIAT(Lee, Nature Methods 2014)를 개발하여 단백질을 빛 의존적 클러스터에 가두어 기능을 가역적으로 정지시키는 최초의 기술을 제시하였고, 이를 통해 세포 신호를 초단시간·초고해상도로 정밀하게 제어할 수 있게 되었음. 이어 2015년 OptoSTIM1(Kyeong, Nature Biotechnology)발표된 기술은 내인성 칼슘채널을 빛으로 조절하여 생쥐의 기억력을 향상시킴을 입증함. 2024년 SynapShot(Son, Nature Methods)을 개발하여 살아 있는 생쥐 뇌에서 시냅스 생성과 소멸을 4차원적으로 실시간 추적함으로써 학습과 운동 중 시냅스 리모델링의 분자 기전을 세계 최초로 시각화하는 데 성공하였음. 이러한 연구는 “빛으로 치료하는 Optogenetic Medicine” 개념을 실제 파킨슨병·우울증·치매 모델 치료로 확장시켰으며, 지금까지 30여 편의 광유전학 대표 논문과 다수의 특허·기술이전 성과를 통해 세계적으로 분자광유전학 분야를 선도하고 있음.
● RNA 제어·편집: RNA 유전자가위 활용 DNA를 건드리지 않는 차세대 치료법 개발
DNA 편집의 한계를 넘어 RNA를 정밀하게 절단·변형·조절하는 CRISPR-Cas13 기반 RNA 유전자가위 기술을 선도적으로 발전시켰음. 2024년 발표된 Photo-activatable Cas13(Yu, Nature Commun.)은 Cas13을 빛 반응 단백질과 결합시켜 빛을 받을 때만 RNA 염기 치환이 일어나도록 설계하여, 세포 및 동물 수준에서 부작용을 최소화하고 시공간 선택적 RNA 편집을 실현하였음. 이어 같은 해 보고된 Programmable RNA Acetylation 연구(Yu, Nature Chemical Biology)에서는 Cas13에 화학효소를 탑재하여 RNA 기능을 아세틸화 기반 화학적 변형으로 제어할 수 있는 세계 최초의 플랫폼을 제시하였음. 또한 mRNA-LARIAT(Kim, Nature Cell Biology)을 통해 내인성 β-actin mRNA의 이동과 번역을 광학적으로 제어하며 세포 형태와 가소성에 미치는 인과관계를 규명하였음. 이러한 연구 성과는 RNA 치료제의 정밀 제어·부작용 최소화·맞춤형 적용을 가능하게 하는 차세대 RNA 의약 플랫폼 구축으로 이어지고 있음.
● RNA Optogenetics(New RNA Biology): 광유전학과 RNA 생물학의 융합으로 새로운 연구 패러다임 제시
우리 실험실에서 개척한 정밀한 빛 제어 기술인 광유전학과 RNA 유전자가위의 고해상도 표적성을 융합하여, “빛으로 켜고 끄는 RNA 생물학”라는 새로운 연구패러다임을 제시하고 있음. 이 융합 플랫폼은 세포 내 RNA를 화학적·광학적 복합 신호로 조절하여 가역적·시공간 선택적·고정밀 RNA 치료기술로도 발전 가능하게 하는 전략으로 학문적·산업적 가치가 큼. 우리 연구는 기초과학의 혁신을 넘어, Optogenetic Medicine 2.0과 RNA Editing이라는 두 축을 통해 차세대 바이오시장을 선도할 원천기술로 발전할 수 있을 것임.
We integrate molecular optogenetics, mRNA optogenetics, and RNA biology to build a frontier‑level technology portfolio. Our goal is to translate these platforms into RNA editor–based and optogenetic therapeutics through strategies that are precise, reversible, and programmable.
● Molecular Optogenetics: Light‑precision control of molecules inside living cells and brains
We pioneered molecular optogenetics, moving beyond channelrhodopsin‑based neuronal depolarization to directly switch DNA, mRNA, and protein functions on and off with light. With LARIAT (Nature Methods, 2014), we introduced the first method to reversibly trap target proteins in light‑induced clusters, enabling ultrafast, high‑resolution control of cell signaling. We then showed with OptoSTIM1 (Nature Biotechnology, 2015) that endogenous calcium channels can be controlled in vivo to enhance memory in mice. Most recently, SynapShot (Nature Methods, 2024) allowed real‑time, 4D tracking of synapse formation and elimination in the live mouse brain, visualizing the molecular remodeling of synapses during learning and movement. These advances extend the concept of “optogenetic medicine” to disease models—including Parkinson’s disease, depression, and dementia—and are underpinned by 30+ representative publications, patents, and technology transfers.
● RNA Control & Editing: DNA‑sparing next‑generation therapeutics
We advance CRISPR‑Cas13 platforms that precisely cleave, modify, and regulate RNA—overcoming limitations of DNA editing. Photo‑activatable Cas13 (Nature Communications, 2024) links Cas13 to a light‑responsive module so base editing occurs only upon illumination, achieving spatiotemporally selective RNA editing with minimized off‑target effects in cells and animals. In parallel, programmable RNA acetylation (Nature Chemical Biology, 2024) equips Cas13 with catalytic enzymes to chemically modulate RNA function, establishing a first‑in‑class platform for functional RNA remodeling. With mRNA‑LARIAT (Nature Cell Biology, 2020), we optically controlled the localization and translation of endogenous β‑actin mRNA, defining a causal link between local mRNA translation, cell morphology, and plasticity. Together, these tools enable precision control, reduced side effects, and patient‑specific applications for RNA medicines.
● RNA Optogenetics (New RNA Biology): A fused paradigm for light‑switchable RNA
By combining the spatiotemporal precision of optogenetics with the target specificity of RNA editors, we are establishing “RNA optogenetics”—a new paradigm in which RNA behavior is turned on and off by light, and further tuned by chemical signals. This fusion yields reversible, cell‑type– and time‑specific RNA interventions that naturally extend into high‑precision RNA therapeutics. Beyond basic discovery, this strategy positions our work to drive Optogenetic Medicine 2.0 and RNA Editing as two pillars of next‑generation biotechnology, with strong potential to shape the future bio‑therapeutics market.
Research Areas
CRISPR-Cas-based mRNA base editing, modification, and therapy (mRNA 치료)
Protein engineering for novel and useful functions in mice and human
Cell function control and therapy (세포 치료)
Molecular/subcellular optogenetics and optogenetic medicine (광유전학의학)
Mammalian Synthetic Biology
Synthetic cell biology (합성세포생물학)
Synthetic neurobiology (합성신경생물학)
Bio-imaging (molecule, cell and in vivo imaging)
Signaling optogenetics (신호전달 광유전학)
Molecular optogenetics (분자 광유전학)
mRNA optogenetics (mRNA 광유전학)
Antibody optogenetics (항체 광유전학)
Neurobiology
Brain repair
2025년
12월 3일
유지환 학생이 JW이종호재단 기초과학자 장학생에 선정되었습니다. 축하합니다!
11월 12일
허원도 교수님께서 2025 바이오 분야 발전 유공자로 과학기술정보통신부 장관 표창을 수상하셨습니다. 축하합니다!
8월 28일
진주애 학생이 학문후속세대 지원사업 박사과정생 연구장려금 지원사업에 선정되었습니다. 축하합니다!
8월 23일
이희영 박사님의 (INSPECT) INtracellular Separation of Protein Engineered Condensation Technique 논문이 Nature Communications지에 억셉트 되었습니다. 축하합니다!
6월 5일
유지환 학생이 대학원 대통령과학장학생(박사 재학)에 선정되었습니다. 축하합니다!
5월 10일
신종필 학생의 Dysregulation of FGFR1 in the brain contributes to neurological disorders in human and mouse 논문이 Experimental & Molecular Medicine지에 억셉트 되었습니다. 축하합니다!
5월 10일
현보배 박사님의 Optogenetic intervention of neurolocal disorder and AI-based diagnostics 논문이 Nature Communications지에 억셉트 되었습니다. 축하합니다!
5월 7일
이채연 박사님의 Optogenetic Storage and Release of Protein and mRNA in Live Cells and Animals 논문이 Nature Communications지에 억셉트 되었습니다. 축하합니다!
2월 26일
유지환 학생의 Programmable RNA acetylation with CRISPR-Cas13 논문이 Nature Chemical Biology지에 억셉트 되었습니다. 축하합니다!
2월 25일
유정혜 박사님 (현 스탠포드대 박사후연구원)이 2025년 엔지노믹스 논문상을 수상하였습니다. 축하합니다!
2월 21일
허원도 교수님께서 KAIST 석좌교수로 임용되셨습니다. 축하합니다!
2월 13일
허원도 교수님께서 2024년 KAIST 대표연구성과 10선에 선정되셨습니다. 축하합니다!
2월 4일
허원도 교수님께서 2024년 KAIST 개교 54주년 기념 우수 교원 포상(학술상)을 수상하셨습니다. 축하합니다!
1월 10일
진주애 학생이 2025년도 KAIST 인성장학생에 선정되었습니다. 축하합니다!
