한국의과학연구원

다양한 종이 균형을 이루며 서식하는 휴먼 마이크로바이옴

휴먼 마이크로바이옴은 다양한 부위에 다양한 종이 균형을 이루며 서식합니다. 인체 내에 존재하는 미생물은 주로 세균(bacteria)이지만, 바이러스(virus), 고균(archaea), 곰팡이(fungi), 원생동물(protozoa)까지 매우 다양하게 존재하며 전체 미생물의 약 95%는 대장을 포함한 소화기관에 존재하며, 호흡기, 생식기, 구강, 피부 등에도 널리 분포하고 있습니다. 기존에는 인체 공생 미생물의 수가 인체를 구성하는 체세포의 수보다 열 배 이상 많게 존재하는 것으로 알려져 왔지만, 최근 연구 결과에 따르면 대략 체세포 수보다 조금 많은 4⨯10¹³정도로 추정되고 있습니다. 마이크로바이옴은 불과 인간 체중의 1~3%를 차지하면서도 중요한 면역작용에 관여하며, 약물에 대한 반응을 조절하고 신진 대사에 큰 영향을 주는 기능적 단위로써 마이크로바이옴을 '제2의 장기'라고 말하기도 합니다.

마이크로바이옴은 비만, 당뇨와 같은 대사 질환, 자폐증, 우울증, 알츠하이머병과 같은 신경계 질환, 아토피, 천식과 같은 알레르기 질환뿐 아니라 다양한 신체 기관의 질환에 연관이 되어 있다고 보고되고 있습니다. 이러한 미생물들의 건강과 질병에 대한 영향이 부각되면서, 전세계적으로 마이크로바이옴을 활용한 새로운 질병 치료법 및 치료제 개발에 박차를 가하고 있습니다.

01미생물 군집 연구

01NGS(Next Generation Sequencing)을 이용한 유전체 분석

최근들어 많은 양의 생어 염기서열 분석은 특히 대규모, 자동 게놈 분석을 위해 NGS을 이용하고 있습니다. NGS분석은 이미 유전체 연구의 핵심 기술로 자리잡았고, 임상에서 다양한 질병의 진단과 처방을 위해 사용되는 것을 눈 앞에 둔 상태입니다. 현재 NGS분석 기술은 암유전체의 연구 및 치료에 가장 활발히 이용되고 있으며 다양한 암 종류에서 암유전체 빅데이터를 구축하고 있습니다. 또한 NGS분석은 미생물학계에서는 단일 생물종의 유전체 해독 연구를 넘어서서, 특정 환경에서 수집한 샘플에 함유된 유전체를 분석함으로써 각 환경의 미생물 군집을 파악하는 메타지노믹스(Metagenomics) 연구에도 사용되고 있습니다.

02NGS 기법 소개

03NGS 분석 방법

KRIBS에서 분석하는 방법은 DNA 가닥을 복제 혹은 합성하면서 염기서열을 분석하는 sequencing by synthesis 방식입니다. 단편화된 샘플 DNA에 장비가 인식할 수 있는 어댑터(adapter) 올리고뉴클레오티드 (oligonucleotide)를 결합시킨 라이브러리(library)를 유리판에 부착된 탐침자(probe)에 결합시키고, 결합된 각 라이브러리를 증폭(bridge amplification)하여 각 DNA 단편에 대한 클러스터(cluster)를 만듭니다. 여기에 각기 다른 형광이 부착된 염기(dATP, dCTP, dTTP, dGTP)와 함께 DNA 중합효소 (polymerase)를 넣어 주면 각 클러스터에는 라이브러리의 DNA의 염기서열에 상보적인 염기가 삽입되면서 각기 다른 형광을 방출하고 형광 결과값을 통해 염기서열을 기록하게 됩니다.

04NGS 선택 이유

05NGS 분석 프로세스

06NGS 분석결과

Taxonomic composition

07바이오인포매틱스(Bioiformatics)

바이오인포매틱스는 생명공학의 ‘BIO’와 정보학의 ‘Informatics’가 합성된 단어로 컴퓨터를 통해 생물학적 데이터를 수집, 관리, 저장, 평가 및 분석을 하는 기술입니다.

최근 휴먼 게놈 프로젝트가 완결됨에 따라 다양한 유전정보의 처리 및 관리되는 데이터의 양이 증가되며 바이오인포매틱스의 중요성이 높아졌습니다. 바이오인포매틱스는 유전자 산업을 발전시키는 데 핵심적인 구성요소가 되어 가상발효시스템 뿐만 아니라 미생물 신소재의 개발, 신약의 임상실험이나 새로운 항생제의 개발 및 검증 등 다양한 분야의 연구하는데 매우 유용한 수단으로 진행되고 있습니다.

한국의과학연구원에서는 환경 내에 존재하는 다양한 미생물에 대한 배열해석, 데이터베이스 검색 및 구축과 대사계 해석의 연구를 통하여 생물체의 생명현상을 하나의 네트워크 시스템 으로 인식하고 생물현상 각각의 상호 작용과 그 관련성에 관한 연구를 진행하고 있습니다.

08미생물 분야에서 NGS 활용

02Real-time PCR을 이용한 정량분석

Real-time PCR에 의한 정량분석은 마이크로바이옴의 한 축이 되고 있습니다. NGS(Next Generation Sequencing)에 발전으로 마이크로바이옴의 획기적인 발전을 도모하고 있지만, 정작 NGS data가 갖는 기술적인 한계인 정성 결과(비율, %)는 마이크로바이옴 연구에 있어서 반드시 보완이 필요한 영역입니다. 장내미생물에 대한 미생물군집(Metagenome)연구에 있어서 기술적인 허들이 되는 부분은 100명의 장내미생물을 분석할 경우, 각각의 장내미생물의 비용이 다르며 일반화 및 표준화 하는데 걸림돌이 되고 있습니다. 또한 비율분석의 한계이기도 합니다.

한국의과학연구원 마이크로바이옴센터에서는 NGS기반의 마이크로바이옴 연구 외에 RT-PCR기반의 정량적인 마이크로바이옴 연구에도 매진하고 있습니다. 종-속-과-목-강-문-계로 분류되는 미생물의 분류체계에서 정량분석을 진행하려는 미생물의 범주를 결정하고 해당 범주의 미생물에 대한 DNA sequence에 대한 특이적인 프라이머를 세팅하는 것으로 마이크로바이옴 정량분석 연구가 시작됩니다.