[유전체분야 최근연구동향] 마이크로바이옴 "정밀화 및 구체화 연구로 발전" (한림대 김봉수)

[유전체분야(Host-Microbe Interaction) 최근연구동향]

<마이크로바이옴 "정밀화 및 구체화 연구로 발전">

(한림대학교 생명과학과 김봉수)

<그림 1. 마이크로바이옴의 발전 방향과 빠르게 변화되고 있는 연구 관점> 

  최근 생명공학적 기술의 빠른 성장과 더불어 생물학적 정보의 대용량화와 이를 분석하는 정보 처리 기술은 놀라운 속도로 발전하고 있다.

이러한 기술의 발달은 특정 개체에서 서식하면서 영향을 주고 있는 숙주미생물을 ‘마이크로바이옴 (Microbiome)’ 이라는 주제로 예전과는 비교할 수 없을 정도로 광범위한 분야에서 연구되고 있다.

마이크로바이옴은 특정 환경에 존재하는 모든 미생물들과 그들의 유전체 정보를 뜻하는 용어로, 자연 환경, 인간의 몸, 동물, 식물 등 존재하는 모든 공간에서의 미생물들의 구성과 역할이 연구되고 있으며, 마이크로바이옴 연구를 통해 미생물들의 숙주 및 서식처에서의 중요 역할이 지속적으로 밝혀지면서, 전 세계적으로 컨소시움 (consortium)을 형성하여 다방면으로 이들의 역할과 그 활용 방안에 대한 연구 개발이 진행되고 있다^1),2),3).

미생물들은 그들의 서식처인 환경과 숙주에서 특정 역할을 담당하고 있다.

예전에는 주로 몇 가지 미생물 종 (species)들과 숙주의 상호 관계 및 연관성을 주로 연구하였지만, 실제 미생물이 존재하는 모든 공간에는 한 종 (one species)의 미생물이 아닌, 여러 종의 미생물들이 군집 (Microbiota)을 형성하고 있다. 여러 종의 미생물들은 서로 독립적으로 존재하지 않고, 서로 긴밀하게 영향을 주면서 존재하고 있으며, 그들의 숙주와도 지속적인 상호 관계 (interaction)를 가지고 있다.

이러한 상호관계는 숙주와 다양한 미생물들이 하나의 생태계 (Ecosystem)를 형성하여, 긴밀한 영향을 주고 받는 하나의 단위체 (Holobionts)라는 시각을 제공하고 있다.

다양한 종의 미생물들의 존재와 중요성은 메타게놈 (Metagenome)이라는 배양을 하지 않고, 핵산 (nucleic acid)을 추출하여 그 서열 정보 분석을 하는 기술로 지속적으로 확인되고 있다. 실험실 환경에서 배양이 되지 않는 미생물들이 존재하는 미생물들의 90%를 넘기 때문에, 이러한 미생물들의 존재와 그 영향을 확인하기 위해서는 메타게놈 분석법이 유용하게 사용되고 있다.

숙주미생물의 연구 중 최근 가장 주목을 받는 분야는 휴먼 마이크로바이옴 (Human Microbiome; 인체에 서식하는 세균, 바이러스, 곰팡이 등에 대한 연구)으로 2008년부터 미국, 유럽 등에서 막대한 자금과 인력을 투입하여 대규모 프로젝트를 진행하고 있다^4),5),6).

우리 몸에 존재하는 미생물들은 태어나는 순간부터 정착이 시작되며, 생애 주기 동안 지속적으로 변화한다. 이 미생물들은 음식, 유전 요인, 병력, 약물 복용력, 생활 환경 등 다양한 요인에 의해 지속적인 변화를 겪으며, 각 개인의 특이적인 마이크로바이옴을 형성한다.

이러한 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 있다.

이러한 미생물들의 건강과 질병에 대한 영향이 부각되면서, 현재 전세계는 마이크로바이옴을 활용한 새로운 질병 치료법 및 치료제 개발에 박차를 가하고 있다⁷⁾.

숙주미생물은 식물에서도 중요하기때문에 식물 마이크로바이옴 (Phytobiome)으로도 연구되고 있다.

식물 마이크로바이옴은 식물 내생, 엽권 근권 등에 존재하는 미생물, 동물, 기생체, 공생체 등 식물과 연관된 모든 생물 군집과 이에 영향을 주는 물리, 화학적 환경 기후을 포함하는 개념으로, 식물체를 둘러싼 하나의 생태계를 연구하는 분야이다.

식물을 둘러싼 하나의 생태계는 농업적으로 작물의 영양학적 가치와 식품 안전성에 영향을 주는 요소로 매우 중요하다.

현재까지는 주로 식물의 품종과 토양 환경 등에 따라 서로 다른 마이크로바이옴에 대한 연구가 수행되었지만, 최근에는 식물 생육, 비생물학적 스트레스와 식물 병에서의 숙주인 식물과 마이크로바이옴의 상호 관계에 대한 연구가 수행이 되면서 마이크로바이옴을 활용한 응용법 개발이 이루어지고 있다⁸⁾.

숙주미생물인 마이크로바이옴에 대한 연구는 기존까지 특정 마커 유전자 (16S rRNA, 18S rRNA, ITS 등)를 활용한 미생물 군집 구조에 대한 비교분석이 주로 이루어졌었다. 하지만, 최근에는 서로 다른 미생물 군집의 숙주에서의 역할에 대한 연구가 중요시 되면서, 전체 메타게놈 (whole metagenome)을 이용한 미생물 기능성 유전자 분석을 통해 마이크로바이옴의 잠재적 역할 분석, 전체 RNA분석 (metatranscriptome)을 이용한 미생물 군집 유전자 발현 분석, 미생물 군집 단백질체 분석 (metaproteome)을 이용한 분석된 유전자들이 단백질로 만들어지는지를 확인하고, 전체 대사체 분석 (metabolome)을 이용한 합성된 단백질 산물이 실제 대사물질을 만들어내는지를 확인을 하고 있다.

​또한, 예측된 마이크로바이옴의 특정 기능을 증명하기 위한 in vitro cell, 동물 모델, 식물 모델에서의 실험을 수행하고 있다. 이러한 여러 연구 기법을 통해 확인된 결과를 바탕으로 마이크로바이옴의 역할 메커니즘 (mechanism)을 제시하는 구체화 연구로 발전하고 있다.  

현재 숙주미생물에 대한 연구는 여러 분석 기법을 이용하여 보다 정밀화와 구체화되는 방향으로 발전하고 있다.

미생물 군집 구조의 분석은 이제 단순히 특정 속 (genus)과 종 (species)의 수준이 아닌 균주 (strain) 수준의 규명이 되어야 하며, 미생물 군집의 기능은 대사 수준 (metabolic pathway)이나 기능성 수준 (functional module)이 아닌 개별 유전자 (gene) 수준으로 규명이 되어야 하며, 대상 숙주도 특정 그룹 (population or group)이 아닌 각 개체 (individual or organism) 수준으로 규명이 되어야 하며, 실험적으로 생태계 (in nature) 수준에서의 증명을 하도록 발전이 되고 있다 (그림 1)⁹⁾.

보다 정밀하고 실제 숙주에서 일어날 수 있는 수준을 제시하여 이를 이용한 응용법 개발을 요구하고 있다.

정밀화 및 구체화되고 있는 발전 방향에 뒤쳐지지 않기 위해서는 숙주미생물인 마이크로바이옴을 연구하기 위해 다양한 연구 기법의 전문가들이 서로 긴밀히 협력을 하여야 세계적인 추세에 뒤쳐지지 않고 선도할 수 있는 방법을 모색할 수 있을 것이다. 이를 위해 적극적인 공동 연구와 consortium 형성이 필요할 것이다.

(참고 문헌)

  1. NIH Human Microbiome Project, 미국 (https://hmpdacc.org)

  2. MetaHIT, 유럽 (http://www.metahit.eu/)

  3. Earth microbiome project, International consortium (http://www.earthmicrobiome.org)

  4. 곽민정, 김지현 (2017), 인체 마이크로바이옴 연구개발 동향, KHDI 전문가 리포트, 2017-3

  5. 김병용 (2017), 휴먼 마이크로바이옴 연구동향-장내 마이크로바이옴 중심으로, BioINpro, 2017-33호

  6. 황은혜, 남영도, 김은정 (2018), 휴먼 마이크로바이옴, KISTEP 기술동향브리프, 2018-03호

  7. 홍정은 (2017), 마이크로바이옴, 유산균을 넘어 치료제로!, 한국바이오경제연구센터

  8. 김지현, 오평록, 최국현, 윤정하, 김윤석 (2017), 마이크로바이옴 연구개발 동향 및 농식품 분야 적용 전망, IPET

  9. Schmidt et al., (2018), The human gut microbiome: from association to modulation. Cell, 172, 1198-1215.