Research

We study protein homeostasis system in bacteria.

Proteins are vital catalysts for all living organisms. The maintenance of protein quality control in bacteria is directly associated with their survival in various natural environments and host niches. Therefore, diverse host immune system and man-made antimicrobial substances target bacterial protein homeostasis. However, the protein quality control system has been poorly understood in the pathogens and commensal strains, since the study has been mainly limited  to laboratory Escherichia coli strains. 

The Microbial Genetics Lab investigates bacterial protein quality control systems using diverse bacterial models, including the major opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, which is widely used in bioremediation and biotechnology, the cold-adapted bacterium Pseudomonas antarctica, and commensal Escherichia coli strains. We employ a multidisciplinary approach integrating microbial genetics, genomics, proteomics, and protein biochemistry to elucidate the molecular mechanisms underlying bacterial proteostasis, environmental adaptation, and survival.

Our research will provide a concrete foundation to understand how bacteria have evolved to survive various exogenous and endogenous proteotoxic stresses. The results of this work will be useful in the development of anti-microbial/anti-virulence agents that target bacterial protein homeostasis as well as the promotion of beneficial gut commensal bacteria. 

세균의 단백질 항상성 시스템을 연구합니다.

단백질은 모든 생명체의 생명 활동을 수행하는 데 필수적인 역할을 합니다. 세균의 단백질 품질 관리(Protein Quality Control, PQC) 시스템은 다양한 자연환경과 숙주 내 환경에서 세균의 생존과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이에 따라 숙주의 다양한 면역 방어 기전과 인위적으로 개발된 항균 물질들은 세균의 단백질 항상성 유지 시스템을 주요 표적으로 삼고 있습니다. 그러나 지금까지 관련 연구는 주로 실험실 표준 균주인 Escherichia coli에 집중되어 있어, 병원성 세균과 공생 세균의 단백질 품질 관리 시스템에 대한 이해는 여전히 제한적입니다.

미생물유전학 연구실(Microbial Genetics Lab)은 주요 기회감염성 병원균인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 환경정화 및 생명공학 분야에서 활용되는 Pseudomonas putida, 극저온 환경에 적응한 Pseudomonas antarctica, 그리고 장내 공생 대장균(Escherichia coli) 등 다양한 세균을 모델로 단백질 품질 관리(Protein Quality Control) 시스템을 연구하고 있습니다. 이를 위해 미생물 유전학, 유전체학, 단백질체학 및 단백질 생화학 등 다양한 연구 기법을 통합적으로 활용하여, 세균의 환경 적응과 생존을 뒷받침하는 단백질 항상성 유지 기전을 규명하고자 합니다.

우리 연구실은 세균이 외부 환경 및 세포 내부에서 발생하는 다양한 단백질 손상 스트레스(Proteotoxic Stress)에 적응하고 생존하기 위해 어떠한 분자적 기전을 진화시켜 왔는지를 규명하고자 합니다. 이러한 연구는 세균의 단백질 항상성 유지 시스템을 표적으로 하는 새로운 항균제 및 항병원성(Anti-virulence) 치료 전략 개발에 기초자료를 제공할 뿐만 아니라, 유익한 장내 공생 세균의 생존과 기능을 증진하는 데에도 기여할 것으로 기대됩니다.

• Our research aims to understand how microorganisms adapt to and interact with diverse environments and hosts by investigating the mechanisms of protein homeostasis (proteostasis). Specifically, we seek to address the following key questions:

Question 1. How do bacteria survive and cope with diverse environmental stresses?

Question 2. How do bacteria survive and adapt within host and environmental niches?

Question 3. Can we harness bacterial stress tolerance mechanisms for beneficial applications?

• 단백질 항상성 (protein homeostasis) 연구를 통해 다양한 환경과 숙주에서 미생물의 적응 기작과 상호작용 연구를 목표로 하며 아래와 같은 질문에 답을 하고자 합니다.

질문 1. 세균은 어떻게 다양한 스트레스를 견뎌내는가?

질문 2. 세균은 어떻게 신체/환경에서 살아 남고 적응하는가?
질문 3. 세균의 스트레스 내성을 조절할 수 있다면 유용하지 않을까? 

What organisms do we use?

• We use Pseudomonas aeruginosa as a model for bacterial pathogenesis and Escherichia coli as a model for studying the gut microbiome. We also investigate other Pseudomonas species, including Pseudomonas putida, which is widely used in biotechnology, and Pseudomonas antarctica, a cold-adapted bacterium.

• We also use the eukaryotic model organism Saccharomyces cerevisiae (budding yeast), particularly as a humanized yeast model to investigate molecular mechanisms associated with human diseases.

• We use Caenorhabditis elegans (a nematode) and human cell lines as host models to investigate host–microbe interactions.

• 감염성 모델인 Pseudomonas aeruginosa (녹농균)과 마이크로바이옴 모델로서 Escherichia coli (대장균)을 세균모델로 사용하고 있습니다. 그 외에도 생물공학에 이용되는 Pseudomonas putida, 극한 저온에 적응한 Pseudomonas antarctica 등 다양한 Pseudomonas 속에 세균 종들도 다루고 있습니다.

• 진핵 세포인 효모 (Saccharomyces cerevisiae) 또한 주요 모델로 사용하고 있으며, 주로 인간 질환과 관련된 연구 수행에서 인간화 된 효모 (Humanized Yeast) 모델로서 사용하고 있습니다.

• 예쁜꼬마선충 (Caenorhabditis elegans), 인간 세포주 등을 숙주 모델로 미생물 상호작용을 연구하고 있습니다.

What is the role of chaperones in protein homeostasis?

• Molecular chaperones play a central role in maintaining cellular protein homeostasis (proteostasis) by assisting proper protein folding, preventing stress-induced protein aggregation, and facilitating the recovery and recycling of misfolded or aggregated proteins. Our laboratory investigates the functions and molecular mechanisms of chaperone systems using an integrated approach combining genetics, physiology, biochemistry, and omics-based analyses.

• 세포내 정교한 샤페론 (chaperone) 시스템은 다른 단백질들의 올바른 구조 형성을 돕고 (folding), 스트레스에 의한 변성을 억제 (anti-aggregation)하며 이미 변성된 단백질을 재활용 (recycling)할 수 있게 함으로써 단백질 항상성에 핵심적인 기능을 수행 합니다. 본 연구실은 유전학, 생리학, 생화학적, 오믹스 기반 연구 기법으로 샤페론의 기능과 작용기전을 규명하고 있습니다.

What projects do we have?

I. Microbial Protein Homeostasis (Proteostasis) Systems 

미생물 단백질 항상성 시스템 연구

We identify molecular chaperones that protect proteins against proteotoxic stresses in host-associated and diverse environmental conditions and investigate their underlying molecular mechanisms.

숙주 및 다양한 환경에서의 단백질 변성 스트레스에 대항하는 샤페론 단백질을 발굴하고 그 작용 기전 규명하고 있습니다. 

• Transmissible Locus for Stress Tolerance / Transmissible Locus for Protein Quality Control (tLST / TLPQC). (Lee et al, 2016, Curr Opin Microbiol; Lee et al, 2020, FEMS Microbiol Rev)

• Small heat shock proteins (sHsps): ATP-independent molecular chaperones that prevent protein aggregation and protect unfolded proteins under stress conditions (Lee et al, 2015, Environ Microbiol)

• ClpG: A powerful ATP-dependent disaggregase that restores aggregated proteins and enhances bacterial survival under extreme heat stress. (Lee et al, 2018, PNAS; Kamal et al, 2021, Mol Microbiol;  Katikridis et al, 2023, J Biol Chem)

• AchC (YfdX): A novel acid-responsive, ATP-independent molecular chaperone that protects proteins from acid-induced aggregation and promotes bacterial acid tolerance. (Ham et al, 2026, Ange Chem Int Ed)

• FtsH: A membrane-anchored, ATP-dependent protease that maintains protein quality control by degrading misfolded, damaged, and regulatory proteins. (Kamal et al, 2019, Front Microbiol)

• UgpB: A periplasmic glycerol-3-phosphate-binding protein that also functions as a bile-responsive molecular chaperone to prevent protein aggregation. (Lee et al, 2020, EMBO J)

III. Protein Homeostasis in Microbial Adaptation to Extreme Environments 

인간-미생물 상호작용에서의 단백질 항상성 

We employ a multidisciplinary approach to investigate protein homeostasis systems in cold-adapted bacteria from extreme environments, such as Antarctica, to understand the molecular mechanisms underlying microbial adaptation.

퇴행성 신경질환과 관련된 단백질들의 응집 현상에 영향을 미치는 장내 세균 유래 단백질을 발굴하고 그 작용 기전을 규명하고 있습니다. 

• Ex Vivo and In Vivo Screening Systems for α-Synuclein and Amyloid-β (Aβ) Aggregation (Kim et al, 2022, J Vis Exp)

• Identification of bacterial genetic factors modulating α-Synuclein and Amyloid-β (Aβ) Aggregation

• Phage-mediated genetic manipulation of bacteria in host niches

III. Protein Homeostasis in Microbial Adaptation to Extreme Environments

환경-미생물 적응 기작에서의 단백질 항상성   

We use a multidisciplinary approach to investigate protein homeostasis systems in bacteria adapted to extremely cold environments, such as Antarctica, and elucidate the molecular mechanisms underlying their environmental adaptation.

남극과 같은 극저온의 환경에서 적응한 세균을 모델로 단백질 항상성 시스템을 다학제적으로 연구를 수행하고 있습니다.  

• Cold adapted molecular chaperone systems

• Temperature adaptation mechanism (Moon et al, 2023, J Microbiol; Lee et al, 2024, ISME Comm)

• Development of protein production platform