바이오뱅크 자동화 워킹뱅크 구축 현황

Automation of the DNA storage and retrieval for biobank

질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터 생물자원은행과     
  

Ⅰ. 들어가는 말
  인체자원은 질병 관련 유전자 발굴, 진단 및 맞춤의학 연구를 위한 중요한 자원이다. 최근에는 인체 자원의 자산가치에 관심이 대두되어 국가 주도의 대규모 바이오뱅크 구축·운영이 진행되고 있다. 영국에서는 「UK Biobank」사업으로 50만 명의 인체자원 수집을 실시하고 있으며, 에스토니아는 인구의 약 5%에 대한 건강·유전정보 확보를 위한 「Estonian Genome Center」를 운영하고 있다. 일본 역시 「Biobank Japan」프로젝트로 30만 명의 인체자원 수집을 목표로 하고 있다[1].
  유전체분야의 연구와 분석방법이 발달함에 따라 연구에 대한 수요가 증가하였고, 수집되는 자원의 수가 증가하면서 수집 및 처리과정에서 발생하는 오류를 줄이고[2], 막대한 국가예산을 투입하여 수집하는 대규모 자원을 효율적으로 관리하기 위해서는 바이오뱅킹 업무의 자동화가 필요하다. 자원 수집을 여러 연구기관에서 수행하면 DNA를 추출하거나, 혈장·혈청을 분리하는 과정에서 동일한 품질의 인체 자원을 얻기 어렵지만 자동화된 시료추출 장비를 사용하면 표준화된 자원을 얻을 수 있고 수집된 자원을 사용이 편리한 형태로 분주하는 과정에서 자동분주 장비를 이용하면 시료 간 오염이나 시료가 바뀌는 등의 오류를 줄일 수 있다. 직접 연구에 사용하기 위해서나 분양 등의 자원 활용에 있어서 보관된 자원의 현황파악이 중요하기 때문에 사용자의 기록에 의존한 관리보다는 저장과 출고를 자동으로 기록하고 추적할 수 있는 자동화가 자원관리에 효율적이다.
  대부분의 기존 바이오뱅크들은 수동적인 방법으로 뱅킹업무를 하고 있으나, 자원의 분리, 저장 공간, 빠른 출고 및  그 이후의 추적이 중요하게 여겨지면서 자원수집에 대한 계획을 가지고 새롭게 구축되는 나라별 혹은 질병 특이적바이오뱅크들은 자동화뱅킹을 채택하고 있다[3]. 이 글에서는 해외 바이오뱅크의 자동화 동향을 파악하고, 우리나라 인체자원중앙은행의 자동화 워킹뱅크 구축 현황에 대해 기술하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말

  제약이나 바이오산업 방면에서 화합물 관리와 관련한 저장과 검색 시스템의 자동화 요구가 증가하고 있으며, 인체자원을 대규모로 보존하는 곳에서도 이러한 관심이 증가하고 있다[2]. 수천 건의 자원이 필요한 대규모 연구에 있어서 수작업을 통해 DNA 시료를 제공하려면 인력소모가 많고, 위치 오류 등으로 인해 자원을 잃거나 연구자에게 잘못된 자원을 제공하게 되는데 실제로 많은 개수의 DNA를 다루는 연구에서 1-2% 정도의 위치 오류가 발생하고 있다[4]. 시료 입·출고의 자동화는 연구자원이 관리자에게 노출되는 것을 최소화하고 저장에 소요되는 시간과 대용량의 수동 장치의 접근에서 발생하는 위험을 줄일 수 있어 대규모의 자원을 수집, 저장하는데 자동화가 고려되고 있다[4].
  다양한 회사의 자동화 입출고 장비 현황을 Table 1에 요약하였다[5]. 이러한 장비들은 바코드가 부착된 시료보관 용기를 사용하며, 스캐너와 자체 운영프로그램을 통해서 시료의 입출고 과정을 자동으로 기록하고 로보틱 시스템이 자원을 다룸으로써 관리자의 간섭을 최소화한다. 이 중 Secure Robotized Sample Vault(SRSV)는 deCODE Genetics(www.decode.com)에서 운영 중인 시스템으로 7년간의 운영 경험이 있으며, 시료의 제작에서 보관, 입·출고의 모든 과정이 자동으로 이루어지고 50㎖까지의  다양한 채혈용기를 사용할 수 있다. 보관 가능한 용량은 5백만 시료이며 20℃에서 영하 80℃까지 유지되고 시료보관 온도는 영하 80℃로 DNA 및 전혈뿐만 아니라 혈청 및 혈장시료의 보관도 가능하다. TAP사(www.theautomationpartnership.com)의 Polar 시스템은 현재 UK biobank에서 운영 중으로 액체질소를 이용하여 영하 80℃에서 1,000만 시료의 보관이 가능하다. REMP(www.remp.com)사의 Bio-Sample Store는 Pfizer에서 운영 중으 영하 20도와 영하 80도로 운영되며 혈액분획, DNA 추출 및 세포배양 시스템 등과 연결하여 사용이 가능하다. Thermo Science(www.thermofisher.com)의 바이오뱅크는 영하 80℃에서 시료보관이 가능하고, CO2 백업 시스템을 채택하여 전원 차단 시에도 12시간 동안 온도를 유지할 수 있는데, 이를 하버드의대 단백체연구소(Harvard Medical School Institute for Proteomics)에서 사용 중이다[3]. Hamilton, Matrical, Nexus Biosystems, RTS Life Science사 등에서도 자동화 뱅킹장비를 판매하고 있고 운영환경은 실온, 영하 20℃ 및 영하 80℃에서 운영이 가능한 것으로 보고되고 있으며, 기존의 동일 장비에 용량을 추가할 수 있는 특징이 있다. 인체자원중앙은행(National Biobank of Korea)에서 운영 중인 시스템은 Matrical사의 NitroStore로 자원을 영하 80℃에서 보존하며, 입출고 작업은 영하 20℃에서 이루어지고 액체질소 백업기능을 추가하여 안정적으로 자원을 보존하고 있다.

  인체자원중앙은행에 보존된 자원은 국내 연구자들에게 분양되어 활용되고 있는데 2003년 분양 시작 이후 2009년까지 분양된 자원의 수는 12만여 건이며(Figure 1), 2010년 5월까지 분양 요청된 자원은 2만 7천 건이다. 분양요청은 꾸준히 증가하고 있으나, 신청자에게 분양되기까지 상당한 시간이 소요되어 자원분양의 효율성은 그리 높지 않은 상황이었다. 또한 유전체실용화사업인 ‘지역기반 코호트의 유전체 전장분석 사업’과 같은 대규모 분양요청(10,038건)의 경우는 신속하고 정확한 분양이 요구되었다. 또한 인체자원의 분양 활성화는 자원은행의 성과창출에 필수적인 요건이다.
                                                     
  이에 따라 인체자원중앙은행에서는 분양업무의 효율성을 극대화하기 위해 시료의 입출고 과정을 자동으로 처리할 수 있는 자동화 워킹뱅크 구축을 추진하였다. 전체 분양 자원의 84%를 차지하고 있는 DNA자원 중 분양요청이 빈번하거나 연구가치가 높은 DNA자원(Table 1)을 선정하여 분해 및 크기   이상 유무 확인 등의 정도관리를 실시한 후, 동일 DNA자원을 여러 개로 분주하고 분주시료의 약 2%에 대해서 동일성을 검증한 후 워킹뱅크 운영을 위한 자원을 확보하였다(Figure 2)[6]. 2010년 1월부터  5월까지 30만 개의 분주 시료 입고를 통해 자동화 워킹뱅크 운영 준비를 마친 상태이다. 기존의 분양 준비과정에서는 1,000건의 시료 출고에 소요되는 시간이 약 30시간 정도 소요되었지만 자동화 워킹  뱅크에 구축된 자원의 경우에는 자원분양에 소요되는 시간을 최대 1/10인 3시간 정도까지 감소시킬 것으로 기대한다.

Ⅲ. 맺는 말

   인체자원중앙은행은 50명의 자원 수집을 목표로 한국인체자원은행사업(Korea Biobank Project)을 추진하고 있는데, 한국인 인체자원의 확보, 인체자원 접근성 제고, 인체자원 품질표준화 및 인력전문화, 생명연구자원의 고부가 가치화 및 관련 연구개발 활성화 지원 등의 전략을 기반으로 2009년 말 현재 약 26만 명의 인체자원을 수집하였다[2]. 이 중 인체자원의 표준화 관리정책의 개발·도입 과정과 인체자원의 분양에서 자동화 바이오뱅킹장비의 도입이 중요한 하나의 전략이 될 수 있을 것이다. 이미 해외 일부 바이오뱅크에서는 해당 사업의 목적에 부합하는 자동화 바이오뱅크를 구축하여 시료 수집과 처리의 전 과정을 자동화한 상태이다. 인체자원중앙은행은 기존의 시료보관 용기를 이용할 수 있는 자동화시스템을 도입하여 기존에 구축된 자원은행의 모든 시료를 자동화된 입출고 시스템에 적용하여 자동화 바이오뱅크를 구축할 수 있을 것이다. 따라서 오송 보건의료행정타운 인근에 현재 건립 중인 인체자원중앙은행이 완공되면 인체자원 보존을 위한 안정적이고 충분한 공간이 확보되므로 현재 운영 중인 자동화 시스템을 기반으로 혈청과 혈장 등 온도에 더욱 민감한 자원의 워킹뱅크를 구축할 수 있을 것이다.
  인체자원중앙은행에서 보존·관리되고 있는 자원들은 국내 의과학 연구를 수행하고 있는 많은 연구자들에게 분양됨으로써 관련 연구개발 활동을 지원하고 있는데 엄격한 정도관리를 거친 인체자원을 탑재한 자동화 워킹뱅크의 구축은 분양 업무의 효율성을 증대시킬 것으로 기대된다. 자원 수집단계에서부터 엄격한 정도관리를 실시하고 보존과정에서 관리자의 간섭을 최소화하여 체계적이고 효율적인 바이오  뱅킹이 되도록 하기 위해서는 자동화 단계의 확대가 필수적이라 하겠다.

Ⅳ. 참고문헌

 1. 질병관리본부. 바이오뱅크 최신 동향과 한국인체자원은행사업. 주간건강과질병. 2009;3(20호):328-332.
 2. Thornton M, Gladwin A, Payne R, Moore R, Cresswell C, McKechnie D, Kelly S, March R. Automation and validation of DNA-banking systems,
     Drugdiscoverytoday, 10(20):1369-1375, 2005
 3. John Comley. Automated biobanking the next big step for biorepositories, Drug discovery world, summer:49-70, 2007.
 4. Scott M, Kristin G.A, Kevin F.K, Gray W, Graham C. Collaborative design for automated DNA storage that allows for rapid, accurate, large-scale
     studies, ASSAY and Drug development technologies, 2(6);683-689, 2004.
 5. 전재필, 한복기. 바이오뱅크 입문.  2009.
 6. 질병관리본부. 워킹뱅크 구축을 위한 DNA대량분주 용역사업 결과보고서. 2009.