바이오시스템기계공학과

연구실 소개(Non-destructive Biosensing Laboratory)

바이오시스템은 생물학적 시스템(biological system, 유전자 및 유전자 네트워크, 생화학적 경로 및 반응，신진대사 등 생물체 유지를 위한 모든 기능) 뿐만 아니라 상호작용을 기반으로 다양한 조건에 많은 연화가 일어나는 농,식품 시스엠(agricultural and food system)을 모두 포함한다.

바이오시스템은 일반적인 공학 시스템과는 다른 독특한 성질을 갖고 있기 때문에 바이오시스템을 분석하기 위해서는 시스템의 성질을 반영할 수 있는 효율적인 분석 도구를 필요로 한다. 가장 직접적이고 명확한 방법으로는 실험적 분석 방법이 있으나, 이는 시간，비용 및 인력을 집약적으로 요구하는 경우가 많으며，때로는 윤리적 혹은 기술적 한계로 인해 실험적 접근이 제한되는 경우가 발생한다. 따라서 실험적 방법을 보완하는 효과적인 분석방법을 필요로 한다. 농 식품 시스템의 경우, 오련 기간 동안 많은 데이터를 생산/축적 하고 있으며, 환경과의 상호작용을 기반으로 다양한 연수가 포함되어 있는 복잡한 시스템이므로 단순한 분석을 넘어，생산,축적된 데이터로부터 효율적인 결과를 획득하기 위한 모델링 기안 데이터 가공 처리가 필요하다.

바이오시스템 모일링(biosystems modeling)은 바이오시스템과 모델링을 결합한 융복합 학문으로서 효과적이고 강력한 바이오시스옘의 분석 도구이다. 바이오시스템 모델링을 활용하여 시물레이션을 기반으로 한 시스템 특성 에측, 실험데이터의 통합적인 분석 및 알려지지 않은 메커니즘의 규명 등 다양한 연구를 효과적으로 수행할 수 있으며, 실험에 비해 상대적으로 적은 비용과 인력으로 시스옘의 분석이 가능하므로, 실험의 한계를 보완할 수 있는 접근방법이다. 뿐만 아니라 모델링을 찰용하면 농업 생산, 가공 및 식품의 공정 설계 최적화와 같은 분석 작업도 가능하기 때문에 바이오시스템 모델링은 농,식품 분야의 차세대 분석 도구로서 활용 가치가 매우 높다.

효율적인 농/축산/식품시스템의 분석

• 복잡한 네트워크와 환경조건에 의해 제어되는 바이오시스템 및 관면 실험 데이터의 분석을 효과적으로 수행
• 시스템 생물학(system biology), 대사공학(metabolic engineering), 유전공학(genetic engineering)을 포함한 생명공학 분야뿐만 아니라，영양소

Input-effective system analysis를 바랑으로 한 농업 축산 식품 시스템의 연구

• 시스템을 효율적으로 제어/분석할 수 있는 둘을 제공함으로씨, 실험 및 생산 공정 설계에 있어 시행착오로 인한 비용과 시간을 절약
• 모델을 기반으로 밝혀지지 않은 regulatory mechanism을 규명함으로씨 고부가가치 상품 개발에 이용

다양한 연구 분야에서 이루어지는 실험 데이터를 가공 및 처리할 수 있는 융복합적 접근 방법

• 빅 데이터(big data) 처리, 메타 분석(meta analysis)등 농업, 축산, 식품 시스템에서 생산 축적된 대규모의 데이터의 효율적 가공 및 처리

농업, 축산, 식품 분야에 적합한 모델링-실험 연계의 연구 패러다임 개발 및 분석 툴 개발

연구분야

주요 연구 분야는 바이오시스템 모델링과 이를 찰용한 바이오시스템의 분석 및 최적화이다. 모델링을 기반으로 한 체내 칼슘 대사과정 분석, 식품가공공정 모델링 및 분석을 통한 자원 최적화, 식품 효소 데이터 분석，모델을 기반으로 한 실험설계，그리고 식물 리그닌 생합성과정 모델링을 통한 바이오연료 생산 최적화 등을 연구하였으며, 현재 모델링을 이용한 바이오 및 농업, 축산, 식품 시스템 분석을 주요 연구대상으로 하고 있다.

Mathematical/statistical modeling of biosystems (agricultural, food and biological system)： 농업, 축산, 식품 및 생물학적 시스행의 수학적 및 통계학적 모델링

• 미분방정식, 선령/비선형 회귀분석 등의 수학적 및 통계학적 방법을 활용하여 기후 및 생태 환경, 수확 후 처리 과정, 식품 가공 등의 다양한 농, 식품 시스템뿐만 아니라 신진대사，유전자 네트워크 등의 생물학적 시스템의 거동을 에측하고 분석하기 위한 모델을 개발함
• 주요연구
  1. 1)생육 및 저장 환경에 따른 농산물 품질과 내부 물질 변화 예측 모델 개발
  2. 2)CLIMEX 기반 기후 연화에 따른 곤충의 잠재적 분포 예측
  3. 3)Biochemical Systems Theory를 활용한 생체 대사 과정 모델링

Model-based biosystem/data analysis and optimization： 모델 기반 바이오시스템 및 관런 데이터의 분석과 최적화

• 수학적/통계학적 모델링을 기반 복잡한 바이오시스템의 효과적인 분석과 바이오시스템으로부터 도출된 실험 데이터의 가공 및 처리를 수행함
• 시스템 및 데이터의 통합적 분석을 기반으로 특정 목적을 달성하기 위한 최적화를 수행함
• 주요연구
  1. 1)질량 분석기를 통해 획득한 농산물 및 임상실험 데이터 처리 알고리즘 가!발 및 통계 분석
  2. 2)Constraint-based reconstruction analysis (COBRA)를 찰용한 세포 대사과정의 분석
  3. 3)Flux balance analysis를 이용한 동물 세포내의 신진 대사 분석

Computer-aided bio/food process design: 컴퓨터 시물레이션 기반 식품/바이오 공정의 설계

• 실함적 접근이 제한되어 있는 식품가공/바이오 공정에 대해 컴퓨터 시물레이션을 활용하여 새로운 공정의 설계 및 최적화를 수행함
• 주요연구
  1. 1)식품가공공정의 mass balance 분석
  2. 2)자원 소비 및 부산물 배출의 최소화를 위한 최적 식품가공공정 설계

주요연구소개

CLIMEX를 찰용한 해충 분포 모델링

• CLIMEX는 특정 종(species)의 실제 서식지와 잠재적 서식지에 대해서 종의 서식 정보와 기후 데이터를 바탕으로 Ecoclimatic Index (EI) 지수를 통해 에촉하는 프로그램임
• CLIMEX는 두 가지 기능을 토대로 종의 분포를 예측하며，CLIMEX Model은 기후에 따른 생물 종의 서식범위 예축에 할용되고, CLIMEX Match Climates은 서로 다른 장소의 기상학을 비교함
• CLIMEX 기반 분석을 통한 생물종의 현재종의 분포 및 침입종의 장재적 분포 가능성 평가를 통해서 기후변화에 따른 농업 지역의 잠재적 위험의 파악하는데 이용할 수 있음

데이터베이스 및 데이터 처리 알고리증 개발

• 임상학적 조기 진단을 위한 바이오마커의 개발 및 찰용의 기초 분석 기기로써 질량분석기가 찰용되고 있으며, 질량분석기 데이터의 정확한 분석을 위해서는 분석 기계 및 데이터의 종류에 적합한 library의 구축이 필요함
• 임상학적 실험을 통한 바이오마커의 선별을 위해서, 질량분석기에서 획득한 데이터를 바이오분자들로 분류하기 위한 동적 library를 구축하는 데이터 처리 알고리즘을 구축하였음
• 내부 기준이 존재하지 않는 질량분석기 데이터에 적용할 수 있는 동적 library를 구축함으로씨, 바이오마커의 선별에 있어서 유의미한 데이터를 높은 확률로 구분하고, 전체 샘플에 대한 데이터를 통합 및 처리함으로써 데이터 처리 시간을 줄임

Metabolic network reconstruction

• Metabolic network reconstruction은 metabolism의 구성요소인 gene, enzyme, metabolite, reaction등에 다！한 데이터베이스의 구축과 모델링을 기반으로 한 다양한 분석 및 simulation을 수행하여, 대상 metabolism의 특정적인 변화의 예측이 가능함
• Flux Balance Analysis (FBA)와 같은 분석이론과 Sim-Vis, COBRA toolbox와 같은 tool을 이용하여 대사 경로의 flux 변화 시물레이션을 수행하고，optimal control point를 탐색함

Response Surface Method

• 응특성 연구에 많이 사용되는 통계분석의 하나로서, 요인변수 간의 상관관계를분석하고 결과값을 최적화 하는데 유용함
• 실험을 통해 획득한 data를 통합적으로 분석하여 각각의 구성요소들이 결과에 얼마만큼의 중요도를 가지는지 확인하고, 최적화 지점을 찾는 것과 더불어 변수의 조절에 따른 반응의 연화를 시각적으로 나타냄

통계를 이용한 다중 비교，상관관계 분석 및 다연량 분석을 이용한 최적 인자 규명

• 다중 비교는 두 개 이상의 그릅을 평균과 표준면차를 기준으로 동시에 비교하여 그를간의 차이를 판단하는 통계 분석기법으로씨, 실험을 기반으로 한 대부분의 연구에서 주요 분석 도구로써 널리 찰용되고 있음
• 상관관계 분석과 다면량 분석은 주어진 데이터 간의 관련성을 파악하고 데이터의 연량을 가장 잘 설명할 수 있는 인자를 찾아내는데 이용되는 통계 기법임

주요 연구 과제

• 원예종자사업단 연구성과 관리 시스템 구축
• 사업단관리 시스템 구축 및 운영
• 사료용 GMO 옥수수 발아억제 비파피 검사기술 개발
• 비파괴분석 기술을 이용한 표현형 표준 영상화 연구
• 권역별 기후연화 매개체 감시 거점센터
• 모델링 기반 기능성 배추 생육저장 조건 통합 최적화
• 조사료 재배 환경 요인 분석 및 환경 최적화 기술 개발
• 소 도체 비파괴 종합 품질 촉정 기술 개발

실험실 구성원

김도균（석사 2년차）

• Response surface method
• Constrained-based reconstruction and analysis
• Flux balance analysis

심준용(석사 1 년차）

• Response surface method
• Constrained-based reconstruction and analysis

변대현(학부)

• CLIMEX-based predictive simulation for species

Contact information

• 실험실 주소 : 농업생명과학대학 2호관（E10-2） 2107호
• 실험실 연락처 : +82-42-821-7869