국내 최초 남극 방선균 유전체 지도 완성
[인터뷰] 박현 극지연구소 박사
흙 속이나 마른풀에 기생하며 세균과 곰팡이의 중간적 성질을 가진 미생물의 한 종류인 방선균(放線菌). 균사(菌絲)와 같은 것을 내놓으면서 사방으로 퍼지고 난분해성 유기물의 분해나 항생제 같은 다양하고 유용한 이차대사산물을 주로 생산하는 방선균은 일반 박테리아 유전체보다 약 두 배 정도 크기가 크고 핵산 비율이 70% 이상 높은 물질이다.
반복서열이 많은 유전체로서 유전자 분석이 극히 까다로운 균주지만, 지도체를 분석하면 인류 산업에 다양하게 유용할 수 있어 이에 대한 연구는 현대과학에서 매우 중요하다.
국내 연구진이 국내 최초로 새로운 항생제와 항암제를 생산할 수 있는 남극 유래 방선균의 유전체 지도를 완성해 주목을 받고 있다. 박현 극지연구소 박사팀 주도하에 선문대학교 오태진 교수팀과 국내 바이오 벤처기업 디엔에이링크팀 등이 공동 참여해 의학과 농업 분야 등에 사용할 수 있는 대량 항생제 개발의 새로운 길을 연 것이다.
유전체 지도가 완성된 남극 유래 방선균은 남극 지의류의 한 종으로부터 분리된 세균으로 남극의 저온과 건조함, 높은 자외선과 같은 극지의 혹독한 자연환경에서 적응할 수 있는 내성을 가질 수 있도록 진화된 지의류 공생 미생물인 만큼, 해당 지도가 완성되면 인류 의학과 다양한 산업 발전을 이끌어 줄 것으로 기대를 모으고 있다.
세계 두 번째 유전자서열 분석 쾌거
해양수산부의 지원과 극지연구소 주관으로 진행된 이번 연구는 ‘실시간 단일분자 분석기술(Single Molecule Real Time detection, SMRT)’을 이용해 세계 두 번째로 유전자서열을 분석한 것이어서 더욱 의미가 크다.
미생물 유전체 해독에 관한 연구는 2000년대 이후 ‘차세대 유전체 염기서열 해독기술(Next generation Sequencing technology, NGS)의 등장으로 엄청난 전환기를 맞이했다. 1995년 인류 역사 최초로 생명체의 유전체 서열(폐렴균)을 완전히 해독한 이래 지금까지 약 4천 건이 넘는 생명체 유전체 정보가 공개된 바 있다.
“미생물 유전체 연구는 여전히 확장 일로에 있어요. 이는 다른 고등 생명체에 비해 유전체 크기가 작아서 비교적 연구가 용이하다는 이유도 있지만 미생물이 갖는 생태·환경·산업·학술적 가치가 워낙 크기 때문이기도 하죠. 미생물은 실험실 수준의 유전자 재조합 기초연구에서부터 대규모 생명공학 기술에까지 폭넓게 적용되는 연구 대상입니다. 때문에 필수적인 유전자원이라고 할 수 있죠.”
그러나 앞서도 언급했듯 방선균은 유전자 특성이 일반적인 박테리아 유전체 크기보다 2배 정도 크고 특정 핵산(G+C) 비율이 70% 이상으로 높다. 뿐만 아니라 다양한 반복서열이 많은 유전체로서 유전자 분석이 극히 까다로운 균주이기 때문에 기존 NGS 방법을 이용해 유전체 지도를 작성하는 데는 여러 가지 난제가 있었다.
“이번 연구 결과는 ‘PacbioRS’라는 3세대유전자 분석 장비를 이용한 것입니다. 여기에 적용된 기술인 SMRT 기술은 단일 DNA 분자에서 일어나는 DNA 중합효소(polymerase)의 중합 반응을 실시간으로 모니터해 염기서열 정보를 읽어내는 방식이죠. SMRT 기술에서는 중합효소연쇄반응(PCR, polymerase chain reaction)에 의한 증폭 없이 DNA 분자를 직접 활용하기 때문에 바이어스(bias)가 유발되지 않으며 약 20kb에 육박하는 매우 긴 리드(read)가 생성된다는 특징이 있습니다. 때문에 특정 핵산(G+C content)을 갖고 다양한 반복서열을 만드는 방선균 유전체 분석에 효과적으로 적용, 방선균 유전체 지도를 완성할 수 있었죠.”
방선균 유전체 지도를 완성하는 게 중요한 이유는 방선균이 의약분야에서 상업적으로 사용되고 있는 항생물질의 75%, 농업분야에서 이용되는 항생물질의 60% 가량을 생산하는 등 산업분야에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있기 때문이다.
“방선균은 세균과 곰팡이의 중간적 성질을 가진 미생물의 한 종류입니다. 난분해성 유기물의 분해나 항생제 같은 다양하고 유용한 이차대사산물의 주요 생산자이죠. 방선균은 산업분야에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있는데, 이 때문에 연구결과에서 얻어진 남극 유래 방선균 유전체 지도는 다양한 이차대사물질, 특히 항생물질들의 생합성 관련한 연구뿐 아니라 2세대 항생제의 내성 문제를 해결할 수 있는 새로운 개량항생제를 개발하는 데 중요한 자료로 활용될 수 있습니다.
또한 이번에 해독된 방선균은 남극의 지의류인 ‘Cladonia borealis’라는 종에서 분리해낸 신종으로서 남극생물들이 어떻게 극한환경에서 적응해서 살아가는지, 또 진화해 왔는지 유전자 수준에서 연구할 수 있는 자료가 될 것으로 기대되고 있습니다.”
개량 항생제 개발의 ‘키포인트’
박현 박사팀의 연구결과로 얻어진 이번 남극 유래 방선균 유전체 지도는 다양한 이차대사물질, 특히 항생물질들의 생합성 관련 연구뿐 아니라 2세대 항생제의 내성 문제를 해결할 수 있는 새로운 개량항생제를 개발하는 데 중요한 자료로 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.
“남극은 극한환경이지만 다양한 생물들이 서식하고 있을 뿐 아니라 이곳의 생물들은 환경에 적응하도록 진화해 왔기 때문에 이번 유전체 지도가 새로운 유전자원의 다양한 소스가 될 것입니다. 더불어 이러한 환경에서 독립적인 진화역사를 갖고 있는 극지생물 유전자는 생명의 기원이나 진화역사를 푸는 데도 실마리가 될 거예요.”
극지생물에 대한 유전체 지도를 확보하는 작업이었던 만큼, 연구 과정은 살얼음 같은 주의를 요구하기도 했다. 무엇보다 시료를 확보하는 것은 가장 중요하면서도 어려운 과정이었다.
“극지에 가야 시료를 얻을 수 있기 때문에 연구를 위해 시료를 확보하는 것은 가장 어려운 점이었어요. 미생물이라서 스탁(stock)을 보존하거나 배양하는 것은 상대적으로 용이했지만 어떤 경우에는 실험 중간에 시료 손상이 발생되기도 했죠. 그러면 다시 극지에 가서 시료를 확보하기 위해 1년을 기다려야 해요. 때문에 더욱 많은 주의가 필요했습니다.”
유전체 분석에 있어서도 이번에 적용한 SMRT 기술은 최근 활용되기 시작해 아직까지 해당 기술을 통한 유전체 지도 완성 결과가 발표된 예가 없었으므로 여러 시행착오를 거칠 수밖에 없었다.
“많은 어려움이 있었지만 그럼에도 불구하고 이번 연구는 진행돼야 했습니다. 유전체 지도가 완성된 후 얻게 되는 이점은 정말 무궁무진하거든요. 방선균 유전자는 산업적으로 유용성이 높기 때문에 많은 곳에서 연구를 진행하고 있어요. 신종 방선균을 찾기 위한 노력도 다양한 곳에서 진행되고 있죠.
최근에는 극한환경에서 높은 내성을 갖는 지의류에 다양한 방선균이 존재한다는 것이 보고되면서 지의류가 새로운 신종 방선균의 소스로서 주목을 받기 시작했습니다. 우리 연구팀에서도 초기에는 이들 방선균의 유전체 분석을 위해 NGS를 주로 활용했지만 항상 서열분석 등의 어려운 부분들이 존재했습니다. 그래서 이를 해결하기 위한 방법으로 SMRT 기술을 적용해 시도하게 됐죠.”
SMRT 방법이란 기존 차세대염기서열 분석(NGS) 방법과는 달리 차별화된 단일 분자 실시간 DNA 염기서열 분석 방법으로, 별도의 유전자 증폭이 필요치 않아 유전자 DNA 염기서열을 직접 읽어준다. 한 번에 읽을 수 있는 서열의 길이가 매우 길기 때문에 그동안 분석에 어려움을 겪고 있던 복잡한 구조의 유전체 해독에도 도움을 준다.
“세계적으로 뿐만 아니라 국내에서도 NGS를 이용해 많은 미생물의 유전체 지도 결과가 발표되고 있습니다. 하지만 NGS만을 이용해서는 분명 한계가 있다는 점을 모든 연구자들이 인지하고 있는 상황이죠. 이 한계를 극복할 수 있는 하나의 방법이 이번에 적용한 SMRT 기술이 될 것입니다. 특히 이번 연구를 통해 SMRT 기술을 적용한 유전체지도 완성이 아시아에서 최초로 보고된 만큼 국내 유전체 분석기술의 도약에도 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있어요.”
이번 연구는 남극 유래 방선균을 비롯해 앞으로 보다 많은 생물의 유전체를 정확하게 분석할 수 있는 가능성뿐만 아니라, 다방면의 방법론적으로 적용될 수 있는 원천기술이 될 것으로 조심스럽게 추측되고 있다.
현재 해당 연구는 이번에 발표한 방선균 외에도 여러 남극 미생물과 극지 지의류, 더불어 고등생물인 남극 어류, 남극 식물 등 다양한 극지생물들에 대한 유전체 지도가 완성단계에 있거나 진행중에 있다.
박현 박사는 이를 토대로 극한환경에서 적응‧진화한 새로운 유전자원의 확보와 이 극지생물들의 고유 생명현상을 유전체 기반으로 밝히는 연구를 지속적으로 해나갈 예정이라며 앞으로의 계획을 밝혔다.
반복서열이 많은 유전체로서 유전자 분석이 극히 까다로운 균주지만, 지도체를 분석하면 인류 산업에 다양하게 유용할 수 있어 이에 대한 연구는 현대과학에서 매우 중요하다.
국내 연구진이 국내 최초로 새로운 항생제와 항암제를 생산할 수 있는 남극 유래 방선균의 유전체 지도를 완성해 주목을 받고 있다. 박현 극지연구소 박사팀 주도하에 선문대학교 오태진 교수팀과 국내 바이오 벤처기업 디엔에이링크팀 등이 공동 참여해 의학과 농업 분야 등에 사용할 수 있는 대량 항생제 개발의 새로운 길을 연 것이다.
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| ▲ 박현 극지연구소 박사 ⓒ박현 |
유전체 지도가 완성된 남극 유래 방선균은 남극 지의류의 한 종으로부터 분리된 세균으로 남극의 저온과 건조함, 높은 자외선과 같은 극지의 혹독한 자연환경에서 적응할 수 있는 내성을 가질 수 있도록 진화된 지의류 공생 미생물인 만큼, 해당 지도가 완성되면 인류 의학과 다양한 산업 발전을 이끌어 줄 것으로 기대를 모으고 있다.
세계 두 번째 유전자서열 분석 쾌거
해양수산부의 지원과 극지연구소 주관으로 진행된 이번 연구는 ‘실시간 단일분자 분석기술(Single Molecule Real Time detection, SMRT)’을 이용해 세계 두 번째로 유전자서열을 분석한 것이어서 더욱 의미가 크다.
미생물 유전체 해독에 관한 연구는 2000년대 이후 ‘차세대 유전체 염기서열 해독기술(Next generation Sequencing technology, NGS)의 등장으로 엄청난 전환기를 맞이했다. 1995년 인류 역사 최초로 생명체의 유전체 서열(폐렴균)을 완전히 해독한 이래 지금까지 약 4천 건이 넘는 생명체 유전체 정보가 공개된 바 있다.
“미생물 유전체 연구는 여전히 확장 일로에 있어요. 이는 다른 고등 생명체에 비해 유전체 크기가 작아서 비교적 연구가 용이하다는 이유도 있지만 미생물이 갖는 생태·환경·산업·학술적 가치가 워낙 크기 때문이기도 하죠. 미생물은 실험실 수준의 유전자 재조합 기초연구에서부터 대규모 생명공학 기술에까지 폭넓게 적용되는 연구 대상입니다. 때문에 필수적인 유전자원이라고 할 수 있죠.”
그러나 앞서도 언급했듯 방선균은 유전자 특성이 일반적인 박테리아 유전체 크기보다 2배 정도 크고 특정 핵산(G+C) 비율이 70% 이상으로 높다. 뿐만 아니라 다양한 반복서열이 많은 유전체로서 유전자 분석이 극히 까다로운 균주이기 때문에 기존 NGS 방법을 이용해 유전체 지도를 작성하는 데는 여러 가지 난제가 있었다.
“이번 연구 결과는 ‘PacbioRS’라는 3세대유전자 분석 장비를 이용한 것입니다. 여기에 적용된 기술인 SMRT 기술은 단일 DNA 분자에서 일어나는 DNA 중합효소(polymerase)의 중합 반응을 실시간으로 모니터해 염기서열 정보를 읽어내는 방식이죠. SMRT 기술에서는 중합효소연쇄반응(PCR, polymerase chain reaction)에 의한 증폭 없이 DNA 분자를 직접 활용하기 때문에 바이어스(bias)가 유발되지 않으며 약 20kb에 육박하는 매우 긴 리드(read)가 생성된다는 특징이 있습니다. 때문에 특정 핵산(G+C content)을 갖고 다양한 반복서열을 만드는 방선균 유전체 분석에 효과적으로 적용, 방선균 유전체 지도를 완성할 수 있었죠.”
방선균 유전체 지도를 완성하는 게 중요한 이유는 방선균이 의약분야에서 상업적으로 사용되고 있는 항생물질의 75%, 농업분야에서 이용되는 항생물질의 60% 가량을 생산하는 등 산업분야에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있기 때문이다.
“방선균은 세균과 곰팡이의 중간적 성질을 가진 미생물의 한 종류입니다. 난분해성 유기물의 분해나 항생제 같은 다양하고 유용한 이차대사산물의 주요 생산자이죠. 방선균은 산업분야에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있는데, 이 때문에 연구결과에서 얻어진 남극 유래 방선균 유전체 지도는 다양한 이차대사물질, 특히 항생물질들의 생합성 관련한 연구뿐 아니라 2세대 항생제의 내성 문제를 해결할 수 있는 새로운 개량항생제를 개발하는 데 중요한 자료로 활용될 수 있습니다.
또한 이번에 해독된 방선균은 남극의 지의류인 ‘Cladonia borealis’라는 종에서 분리해낸 신종으로서 남극생물들이 어떻게 극한환경에서 적응해서 살아가는지, 또 진화해 왔는지 유전자 수준에서 연구할 수 있는 자료가 될 것으로 기대되고 있습니다.”
개량 항생제 개발의 ‘키포인트’
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| ▲ 방사균을 분리한 남극 지의류(Cladonia borealis) ⓒ극지연구소 |
박현 박사팀의 연구결과로 얻어진 이번 남극 유래 방선균 유전체 지도는 다양한 이차대사물질, 특히 항생물질들의 생합성 관련 연구뿐 아니라 2세대 항생제의 내성 문제를 해결할 수 있는 새로운 개량항생제를 개발하는 데 중요한 자료로 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.
“남극은 극한환경이지만 다양한 생물들이 서식하고 있을 뿐 아니라 이곳의 생물들은 환경에 적응하도록 진화해 왔기 때문에 이번 유전체 지도가 새로운 유전자원의 다양한 소스가 될 것입니다. 더불어 이러한 환경에서 독립적인 진화역사를 갖고 있는 극지생물 유전자는 생명의 기원이나 진화역사를 푸는 데도 실마리가 될 거예요.”
극지생물에 대한 유전체 지도를 확보하는 작업이었던 만큼, 연구 과정은 살얼음 같은 주의를 요구하기도 했다. 무엇보다 시료를 확보하는 것은 가장 중요하면서도 어려운 과정이었다.
“극지에 가야 시료를 얻을 수 있기 때문에 연구를 위해 시료를 확보하는 것은 가장 어려운 점이었어요. 미생물이라서 스탁(stock)을 보존하거나 배양하는 것은 상대적으로 용이했지만 어떤 경우에는 실험 중간에 시료 손상이 발생되기도 했죠. 그러면 다시 극지에 가서 시료를 확보하기 위해 1년을 기다려야 해요. 때문에 더욱 많은 주의가 필요했습니다.”
유전체 분석에 있어서도 이번에 적용한 SMRT 기술은 최근 활용되기 시작해 아직까지 해당 기술을 통한 유전체 지도 완성 결과가 발표된 예가 없었으므로 여러 시행착오를 거칠 수밖에 없었다.
“많은 어려움이 있었지만 그럼에도 불구하고 이번 연구는 진행돼야 했습니다. 유전체 지도가 완성된 후 얻게 되는 이점은 정말 무궁무진하거든요. 방선균 유전자는 산업적으로 유용성이 높기 때문에 많은 곳에서 연구를 진행하고 있어요. 신종 방선균을 찾기 위한 노력도 다양한 곳에서 진행되고 있죠.
최근에는 극한환경에서 높은 내성을 갖는 지의류에 다양한 방선균이 존재한다는 것이 보고되면서 지의류가 새로운 신종 방선균의 소스로서 주목을 받기 시작했습니다. 우리 연구팀에서도 초기에는 이들 방선균의 유전체 분석을 위해 NGS를 주로 활용했지만 항상 서열분석 등의 어려운 부분들이 존재했습니다. 그래서 이를 해결하기 위한 방법으로 SMRT 기술을 적용해 시도하게 됐죠.”
SMRT 방법이란 기존 차세대염기서열 분석(NGS) 방법과는 달리 차별화된 단일 분자 실시간 DNA 염기서열 분석 방법으로, 별도의 유전자 증폭이 필요치 않아 유전자 DNA 염기서열을 직접 읽어준다. 한 번에 읽을 수 있는 서열의 길이가 매우 길기 때문에 그동안 분석에 어려움을 겪고 있던 복잡한 구조의 유전체 해독에도 도움을 준다.
“세계적으로 뿐만 아니라 국내에서도 NGS를 이용해 많은 미생물의 유전체 지도 결과가 발표되고 있습니다. 하지만 NGS만을 이용해서는 분명 한계가 있다는 점을 모든 연구자들이 인지하고 있는 상황이죠. 이 한계를 극복할 수 있는 하나의 방법이 이번에 적용한 SMRT 기술이 될 것입니다. 특히 이번 연구를 통해 SMRT 기술을 적용한 유전체지도 완성이 아시아에서 최초로 보고된 만큼 국내 유전체 분석기술의 도약에도 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있어요.”
이번 연구는 남극 유래 방선균을 비롯해 앞으로 보다 많은 생물의 유전체를 정확하게 분석할 수 있는 가능성뿐만 아니라, 다방면의 방법론적으로 적용될 수 있는 원천기술이 될 것으로 조심스럽게 추측되고 있다.
현재 해당 연구는 이번에 발표한 방선균 외에도 여러 남극 미생물과 극지 지의류, 더불어 고등생물인 남극 어류, 남극 식물 등 다양한 극지생물들에 대한 유전체 지도가 완성단계에 있거나 진행중에 있다.
박현 박사는 이를 토대로 극한환경에서 적응‧진화한 새로운 유전자원의 확보와 이 극지생물들의 고유 생명현상을 유전체 기반으로 밝히는 연구를 지속적으로 해나갈 예정이라며 앞으로의 계획을 밝혔다.
 저작권자 2013.08.13 ⓒ ScienceTimes |
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