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유전자 가위로 유전자 켜고 끄기 동시에 가능하다
유전자를 켜고 끈다는 것은 마치 전등 스위치를 올리고 내리듯, 세포 속 유전자의 작동 여부를 조절하여 켜면 단백질이나 물질 생산이 활발해지고, 끄면 생산이 억제된다. 한국 연구진이 기존에 ‘끄는 기능’에 치중됐던 한계를 넘어, 유전자를 켜고 끄는 것을 동시에 구현할 수 있는 혁신적 시스템을 세계 최초로 개발하며 합성생물학 기반 바이오산업의 새로운 패러다임을 열었다.
우리 대학 공학생물학대학원(생명과학과 겸임) 이주영 교수와 국가과학기술연구회(이사장 김영식) 산하 한국화학연구원(원장 이영국) 노명현 박사 공동연구팀이 대장균에서 원하는 유전자를 동시에 켜고 끄는 것이 가능한 새로운 이중모드 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위 시스템을 개발했다고 21일 밝혔다.
대장균은 실험이 쉽고 산업적 활용으로 바로 이어질 수 있는 대표적인 미생물이다. 한편, 유전자 가위(CRISPR) 기술은 21세기 생명공학의 가장 혁신적인 도구로 평가받고 있다.
특히 합성생물학의 기반이 되는 박테리아는 구조가 단순하고 빠르게 증식하면서도 다양한 유용 물질을 생산할 수 있다. 따라서 박테리아에서의 유전자 활성화는 ‘미생물 공장’을 설계하는 핵심 기술로, 산업적 가치가 매우 크다.
합성생물학의 핵심은 생명체의 유전자 회로를 프로그래밍하듯 설계해 원하는 기능을 수행하도록 만드는 것이다. 마치 전자회로에서 스위치를 켜고 끄듯, 특정 유전자는 활성화하고 다른 유전자는 억제해 대사경로를 최적화하는 기술이 필요하다. 연구팀이 개발한 이중모드 유전자 가위는 바로 이러한 정밀한 유전자 조절을 가능하게 하는 핵심 도구다.
기존 유전자 가위(CRISPR)는 주로 ‘끄기(억제)’ 기능에 특화되어 유전자 발현을 막는 데는 뛰어났지만, 반대로 유전자를 켜는 기능은 매우 제한적이었다.
또한 CRISPR가 작동하려면 특정 DNA 인식 서열(PAM, protospacer adjacent motif)이 필요한데, 기존 시스템은 PAM 인식 범위가 좁아 조절할 수 있는 유전자의 폭이 제한적이었다.
게다가 진핵세포(사람·식물·동물 세포)에서는 CRISPR 기반 활성화(CRISPRa)가 어느 정도 발전했지만, 박테리아에서는 내부 전사조절 메커니즘 차이로 유전자 ‘켜기’가 제대로 되지 않는 한계가 있었다.
연구팀은 이 한계를 극복하고자 표적을 확장하여 더 많은 유전자에 접근 가능하도록 하고 대장균 단백질을 활용하여 유전자 활성화 성능을 대폭 향상하였다.
그 결과, 기존에는 “끄는 것 위주”였던 유전자 가위가, 이번에는 켜기와 끄기를 동시에 제어할 수 있는 시스템으로 발전하게 된 것이다.
개발된 시스템의 성능 검증 결과는 매우 인상적이었다. 유전자를 켜는 실험에서는 최대 4.9배까지 발현량이 증가했고, 끄는 실험에서는 83%까지 억제할 수 있었다.
더욱 놀라운 것은 두 개의 서로 다른 유전자를 동시에 조절할 수 있다는 점이었다. 실제로 한 유전자는 8.6배 활성화하면서 동시에 다른 유전자는 90% 억제하는 데 성공했다.
연구팀은 이 기술의 실용성을 입증하기 위해 항암효과가 있는 보라색 색소인 ‘바이올라세인’ 생산량 늘리기에 도전했다. 대장균의 모든 유전자를 대상으로 하는 대규모 실험을 통해 바이올라세인 생산에 도움이 되는 유전자들을 찾아냈다.
그 결과, 단백질 생산을 도와주는 ‘rluC’ 유전자를 켜면 2.9배, 세포를 분열하고 나누어지도록 하는 ‘ftsA’ 유전자를 끄면 3.0배 생산량이 늘어났다. 두 유전자를 동시에 조절했을 때는 더욱 큰 시너지 효과가 나타나 무려 3.7배의 생산량 증가를 달성했다.
한국화학연구원 노명현 박사는 “박테리아에서도 정밀한 유전자 활성화가 가능해졌다”며 “합성생물학 기반 바이오산업 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이주영 교수는 “이번 연구는 유전자 가위와 합성생물학을 결합해 미생물 생산 플랫폼의 효율을 크게 높인 성과”라며 “하나의 시스템으로 복잡한 유전자 네트워크를 제어할 수 있어 새로운 연구 패러다임을 제시했다”고 밝혔다. 또한 “이번 기술은 다른 박테리아 종에서도 작동이 확인돼, 바이오 의약품·화학물질·연료 생산 등 다양한 분야에 활용될 수 있다”고 덧붙였다.
우리 대학 생명과학연구소 문수영 박사후 연구원이 제1 저자인 이번 연구 결과는 분자생물학 분야 최고 권위지인 ‘Nucleic Acids Research'에 지난 8월 21일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Dual-mode CRISPRa/i for genome-scale metabolic rewiring in Escherichia coli
(저자 정보 : 문수영(KAIST, 제1 저자), 김미리(한국화학연구원), 안난영(KAIST), 노명현(한국화학연구원, 교신저자), 이주영(KAIST, 교신저자) 총 5명)
※DOI: 10.1093/nar/gkaf818
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 보스턴코리아 공동연구개발 사업의 지원으로 수행됐다.
2025.09.22 조회수 2421 -
차세대 난수 발생기 국제 표준화 주도
컴퓨터 보안에서 난수(Random number)는 비밀키나 초기값(IV)처럼 예측 불가능해야 하는 중요한 값으로, 보안 시스템의 근간을 이룬다. 이를 위해 ‘결정론적 난수 발생기(DRBG)’가 사용돼 겉보기에는 무작위처럼 보이는 수를 만들어 낸다. 그러나 기존 DRBG는 안전성(해킹에 대한 예측 불가성)과 출력 속도에서 한계가 있었다. KAIST 연구진은 새로운 증명 기법을 통해 이론적으로 가능한 최고 수준의 안전성을 입증하고, 구조를 병렬화해 속도를 극대화한 DRBG를 개발했다. 이를 통해 IoT 기기부터 대규모 서버까지 적용 가능한, 안전하면서도 초고속의 난수 생성이 가능해졌다.
우리 대학 전산학부 이주영 교수 연구팀이 치환(permutation)* 기반 결정론적 난수 발생기(DRBG, Deterministic Random Bits Generator)의 안전성을 분석하는 새로운 이론적 기틀을 마련함과 동시에, 최적의 효율성을 달성하는 결정론적 난수 발생기를 설계했다고 20일 밝혔다.
*치환: 여러 비트나 바이트의 순서를 바꿔 뒤섞는 과정으로 양방향 변환이 가능(뒤섞은 걸 원래대로 돌릴 수 있음)
결정론적 난수 발생기는 블록 암호*, 해시 함수**, 치환 등 기본 암호학적 연산을 활용해 엔트로피 소스(환경에서 얻는 무작위 데이터)로부터 예측 불가능한 난수를 만들어 낸다.
*블록 암호: 원래 문장을 같은 길이의 암호문으로 바꾸는 방법
**해시 함수: 입력을 고정 길이의 요약 값을 바꾸는 함수로 입력데이터를 섞어 예측 불가능한 값을 만듦
이렇게 생성된 난수들은 비밀키 및 초기화 벡터 생성 등 대부분의 암호 알고리즘에서 활용되며, 이에 기반하는 전체 시스템의 근본적인 안전성을 좌우한다. 따라서 결정론적 난수 발생기는 암호학의 기반을 이루며, 그 효율성과 안전성을 개선하는 것은 매우 중요한 연구 과제다.
치환 함수는 양방향 계산이 가능한 암호 알고리즘의 기본적인 구성 요소로서, 미국 표준 SHA-3 해시 함수에 사용되면서 우수한 안전성과 효율성으로 많은 관심을 받고 있다.
그러나, SHA-3에 채택된 스펀지 구조*는 치환 크기에 비해 출력 효율이 작다는 점이 한계로 지적됐다. 기존 치환 기반 결정론적 난수 발생기의 출력 함수는 모두 스펀지 구조를 사용해 설계됐기에, 이들 또한 출력 효율에 제약이 있었다.
*스펀지 구조(Sponge construction): 스펀지가 물을 빨아들이고 짜내는 과정을 닮아, 데이터 입력을 차례로 흡수하고, 원하는 길이만큼 출력을 짜낼 수 있음. 출력 길이가 고정되지 않아, 필요에 따라 아주 긴 난수나 해시도 생성 가능
또한, 기존 치환 기반 결정론적 난수 발생기는 안전성을 증명할 때 ‘게임 호핑(Game Hopping)’이라는 기법을 사용해 왔다. 그러나 이 방식은 이론적으로 가능한 보안 수준보다 낮게 평가되는 한계가 있었다.
예를 들어, 치환의 capacity(c)가 256비트일 경우 이론적으로는 min{c/2, λ/2}, 즉 128비트의 안전성을 기대할 수 있다. 하지만 기존 증명 방식에서는 min{c/3, λ/2}, 약 85비트 수준으로만 보장되는 것으로 나타났다. (λ는 엔트로피 임계값, min은 둘 중 작은 값을 취함)
게임 호핑 기법은 난수 발생기와 공격자가 맞붙는 상황을 ‘게임’으로 정의하고, 이를 여러 개의 작은 단계(미니게임)로 나눈 뒤 각 단계에서 공격자가 성공할 확률을 계산해 합산하는 방식이다. 하지만 단계를 지나치게 세분화하다 보니, 실제보다 낮은 안전성 수치가 산출되는 문제가 있었다.
이주영 교수 연구팀은 기존 게임 호핑(Game Hopping) 기법이 전체 게임을 지나치게 많은 단계로 나눠 분석한다는 점에 착안해, 이를 단 2단계로 단순화한 새로운 증명 방식을 제안했다. 그 결과, 기존 치환 기반 결정론적 난수 발생기의 보안 수준이 실제로는 min{c/2, λ/2} 비트에 해당하며, 이는 기존 대비 약 50% 향상된 안전성을 제공한다는 사실을 입증했다. 또한 이 값이 이론적으로 달성 가능한 최대치임도 함께 증명했다.
또한 연구팀은 기존 스펀지 구조가 직렬(한 줄) 처리 방식으로 인해 출력 효율에 한계가 있다는 점을 개선하기 위해, **POSDRBG(Parallel Output Sponge-based DRBG)**를 설계했다. 새로 제안된 병렬 구조는 여러 줄을 동시에 처리하듯 데이터를 병렬로 출력해, 치환 기반 난수 발생기가 낼 수 있는 최대 효율을 구현했다.
이주영 교수는 “POSDRBG는 소형 사물인터넷(IoT) 기기부터 대규모 서버까지, 난수 생성 속도와 안전성을 모두 개선한 새로운 결정론적 난수 발생기”라며, “이번 연구가 진행 중인 결정론적 난수 발생기 국제 표준 SP800-90A* 개정 과정에서 ‘치환 함수 기반 DRBG’가 정식 표준에 포함되는 데 긍정적인 영향을 줄 것”이라고 말했다.
*SP800-90A: 미국 NIST(국가표준기술연구소)가 제정한 국제 표준 문서로, 암호 시스템에서 사용할 수 있는 DRBG의 설계·운영 기준을 정의한다. 현재까지는 치환(permutation) 기반 DRBG가 표준에 포함되어 있지 않았음
KAIST 정보보호대학원 정우혁 박사과정생이 제1 저자로, 이주영 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는, 8월 암호학 분야 최우수 국제학회인 CRYPTO(Annual International Cryptology Conference)에서 발표될 예정이다.
※ 논문명: Enhancing Provable Security and Efficiency of Permutation-based DRBGs
(저자 정보: 정우혁(KAIST, 제1저자), 황성하(KAIST), 김휘겸(삼성전자), 이주영(KAIST, 교신저자) 총 4명)
※ DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-032-01901-1_15
한편, 이 연구는 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐다.
2025.08.20 조회수 2136 -
전산학부 박사과정 학생들, 2020 국가암호공모전 대상 수상
우리 대학 전산학부 정보보호대학원 박사과정 이영민, 이병학, 최원석 학생(지도교수 이주영)이 지난 10월 22일 서울 양재동 엘타워에서 진행된 미래암호워크숍 2020 국가암호공모전에서 “Improved Security Analysis for Nonce-based Enhanced Hash-then-Mask MACs” 논문으로 대상을 수상했다.
‘2020 국가암호공모전’은 국내 암호기술 발전을 위해 국가정보원의 후원으로 한국정보보호학회 한국암호포럼이 개최했으며 상금은 대상 1,000만원을 포함해 총 5,000만원 규모다. 올해 공모전은 암호 원천기술 분야와 암호 기술 응용 및 활용 분야 논문으로 진행되는데, 대상은 두 분야를 통틀어 한 편만 선정됐다.
한편, 같은 연구실 박사과정 이병학, 이영민, 최원석 학생은 최우수상을 수상했고, 박사과정 김성광, 하진철, 최원석 학생은 특별상을 수상했다. 이병학, 김성광 학생은 2019 국가암호공모전에서도 “Tight Security Bounds for Double-block Hash-then-Sum MACs” 논문으로 최우수상을 수상했는데, 이 논문은 올해 최우수 암호학회 Eurocrypt에 발표됐다.
2020.10.26 조회수 27236 -
최원석, 이병학 연구원, 2018 국가암호공모전 대상 수상
KAIST 전산학부 정보보호대학원 최원석 박사과정과 이병학 석사과정(지도교수 이주영)이 2018 국가암호공모전에서 ‘Indifferentiability of Truncated Random Permutations’ 논문으로 대상을 수상했다.
시상식은 미래암호워크숍의 부대 행사로 11월 15일 서울 라마다호텔에서 진행됐다.
2018 국가암호공모전은 국내 암호기술 발전을 위해 국가정보원의 후원으로 한국암호포럼과 한국정보보호학회, 국가보안기술연구소에 의해 개최됐다. 총상금은 대상 1천만 원을 포함해 총 5천만 원 규모이다.
암호공모전은 암호 논문 분야, 암호 문제풀이 분야, 암호 활용 아이디어 분야로 나뉘어 진행되고 이 중 대상은 전체 분야를 통틀어 오직 암호 논문 분야에서 한 편이 선정됐다.
대상 외에도 암호 논문 분야에서 김성광 박사과정(지도교수 이주영)이 장려상을 수상했고 김성광, 최원석 박사과정, 이영민 석사과정이 특별상을 수상했다. 그 밖에도 정보보호대학원 해킹 동아리 GoN의 학부생들로 이루어진 두 팀(지도교수 차상길)이 문제 풀이 분야에서 각각 최우수상과 장려상을 수상했다. 국가암호기술 전문인력 양성과정 시상식에서는 전산학부 이지은 박사과정이 최우수상, 이병학 석사과정생이 우수상을 수상했다.
이병학 학생은 2017 암호공모전에서도 ‘Tweakable Block Ciphers Secure Beyond the Birthday Bound in the Ideal Cipher Model’ 논문으로 최우수상을 수상한 바 있다.
2018.11.22 조회수 11369