Abstract
Although microorganisms are very diverse, their genomes are, generally, smaller in size and have less variants compared to higher organisms. The technological advances of next-generation sequencing enable the new approach to microbial genomics. Moreover, the rapidly accumulated genome data extended a broad range of microbial studies including their evolution, basic biological process, and epidemiological investigations. Since several countries have already recognized the value of microbial genomes, they have been supporting large projects in the field of microbial genomics for many years through a strong partnership with genomics companies and public research institutes. In this article, we introduced current research trends in microbial genomics and provided research directions for the future.


Ⅰ. 들어가는 말

미생물은 보통 현미경으로 볼 수 있는 크기의 생물을 통틀어 가리키는 말로써 세균, 진균, 바이러스, 조류, 원생동물 등을 포함한다. 사실상 지구의 주인으로 통할 정도로 지구 생물체 총량의 60%를 차지하고 동식물을 합친 무게보다도 훨씬 큰 규모를 이루고 있는 등 지구상에 미생물이 존재하지 않는 곳이 없다고 할 만큼 자연계에 널리 분포하고 있다. 인체에 존재하는 미생물은 최근 다소 논란이 있지만 100조개에 이르러 인간 세포보다 10배 많으며 미생물 유전자 수는 인간 유전자의 100배가 넘는 것으로 알려지고 있다. 미생물 유전체는 미생물 내에 존재하는 모든 유전정보를 의미하는 것으로 대부분 DNA에 저장되어 있으며, 일부 바이러스는 RNA에 저장되어 있다. 미생물 유전체는 그 크기가 0.5～10Mb로 고등생물에 비해 1/100～1/1000 밖에 되지 않고 유전자 밀도가 아주 높다. 따라서 대략 10Mb 이하의 작은 유전체 안에 생존에 필요한 모든 유전정보를 가지고 있다는 점이 미생물 유전체 연구를 쉽게 접근할 수 있게 하는 장점이다. 초기의 미생물 유전체 해독은 주로 병원성 미생물들을 중심으로 진행되었으나 최근에는 산업적으로 응용 가치가 있는 미생물들을 대상으로 한 유전체 연구도 활발히 이루어지고 있다. 또한 미생물 유전체 프로젝트를 주도해 온 미국, 영국, 프랑스, 일본 등의 경우 미생물 유전체 연구의 중심이 국가 또는 공공 연구소에서 영리를 목적으로 하는 기업의 참여가 두드러지는 추세이고 따라서 유전체 분석 데이터도 공개 원칙에서 비공개 또는 유료 서비스화 하는 추세이다. 여기서는 급격히 성장 변화하는 글로벌 유전체 시장과 연구 개발 트랜드에 선제적으로 대응하기 위해 국내외의 미생물 유전체 연구의 동향에 대해 소개하고자 한다.


Ⅱ. 몸 말

1. 미생물 유전체 연구개발

1995년 인류 역사 최초로 생명체(Haemophilus influenzae)의 유전체 정보가 완전히 밝혀진 이래 생물정보학의 혁신적인 진보를 기반으로 인간을 비롯한 수많은 생명체의 유전체 서열 해독이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 그 중 미생물 유전체 연구가 활발한 이유는 다른 고등 생명체에 비해 유전체 크기가 작아서 비교적 연구가 용이하다는 이유도 있지만 미생물이 가지는 생태, 환경, 산업, 학술적 가치가 워낙 크기 때문이다. 즉, 미생물은 실험실 수준의 유전자 재조합 기초 연구에서부터 대규모의 생명공학 기술에까지 폭넓게 적용되는 연구 대상 및 필수적인 유전자원이다. 이렇게 미생물이 고부가 자원으로서 생명공학산업의 핵심소재로 널리 이용되고 있으나 지금까지 확인된 미생물은 전체 미생물 종의 1% 미만일 것으로 추정되고 있으며 향후 무궁한 발전 가능성을 가지고 있다. 선진국을 중심으로 경제적 가치를 보유하고 있는 유용 미생물 자원을 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며 미생물 유전체 분석을 통해 각각의 유전자의 기능들을 파악하는 등 생명현상 및 기작 규명을 통해 보건, 의학, 환경, 산업 분야에의 활용으로 연구가 많이 진행되어 왔다. 이를 위해 초기의 미생물 유전체 연구는 단일 유전체, 즉 하나의 클론에서 나온 미생물 세포의 유전체 해독 연구들이 주로 이루어졌다. 이후 메타유전체(metagenome)의 개념이 도입되면서 광범위한 염기서열 해독을 통한 특정 환경내의 모든 미생물 유전체 서열정보를 확보하기 위한 서열기반의 메타유전체 연구가 이루어지고 있다. 즉, 미생물들은 다양한 환경조건에서 군집을 이루며 동종 간 또는 이종 간 상호작용을 통해 살아가기 때문에 배양이 불가능한 미생물과 더불어 단일 개체가 아닌 군집 수준의 미생물에 대한 연구와 같은 거시적인 관점이 미생물에 대한 이해를 높이고 풍부한 유전자원을 효율적으로 활용할 수 있는 방법으로 각광 받게 되었다. 특히 최근 차세대 염기서열해독기술의 발전으로 인해 이러한 연구들이 가속화되었으며, 미생물 연구의 새로운 전성기가 시작되었다고 할 수 있다. 즉, 유전체를 고속으로 해독하고 분석해 그 기능을 파악하고 나아가서는 유전체를 총체적으로 재설계하고 개량해 목적에 맞는 개체를 개발하는 것이 기술적으로 가능해 짐으로써 미생물의 유전체 및 활용 연구는 전 세계적으로 지속, 확대될 것으로 예상되고 있다.

2. 미생물 유전체 연구방법

미생물 유전체 연구는 미생물 자원을 탐색 발굴하여 그 유전체 정보를 해독하고 각 유전자 및 단백질의 기능을 분석하여 이러한 정보들을 보건 및 산업 등에 이용하는 단계로 나눌 수 있다.

1) 유전체 염기 서열 결정 및 해독; DNA 염기서열의 정보는 1977년에 생어(Sanger)에 의해 개발된 방법을 자동화하여 DNA 가닥에서 A, T, G, C의 순서를 빠르고 정확하게 읽어내는 캐필러리 장비(Sanger sequencing, 1세대 시퀀싱)를 이용하여 분석하였고 이를 이용하여 유전자의 발현, 다양성 및 상호작용 등의 정보로써 활용할 수 있었다. 이후 많은 염기서열을 저렴한 비용에 수행할 수 있는 기술의 필요성이 증가되면서 기술 개발에 과감한 투자가 이루어져 차세대 유전자분석기법(Next Generation Sequencing, NGS, 2세대 시퀀싱)을 이용한 플랫폼이 소개되어 유전체학 분야가 비약적으로 발전하게 되었다. NGS의 기본 개념은 1992년 시드니 브레너 등에 의해 제시되었지만, 기술적 한계 등으로 인하여 2000년 초반이 되어서야 최초로 상용화 될 수 있었다. NGS의 기술은 하나의 유전체를 무수히 많은 조각으로 분해하여 각 조각을 동시에 읽어낸 뒤, 이렇게 얻은 데이터를 생물정보학적 기법을 이용하여 조합함으로써 방대한 유전체 정보를 빠르게 해독하는 기술로써, 유전체 해독에 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 줄여 유전체 해독에 가장 많은 활용되고 있다. 또한 현재는 염기서열 분석 기술은 더 짧은 시간에 더 적은 비용으로 더 많은 염기서열을 결정 할 수 있는 NGS 장비들이 계속적으로 탄생되어 각 과정에서 사용되는 화학반응 및 염기서열 검출 원리에 따라 차세대(2세대), 3세대, 4세대로 분류하고 있다. 이러한 플랫폼 장비를 이용하여 유전체 분석은 기존의 분석된 유전체를 바탕으로 SNP 등을 찾는 Reference 기반 유전체 분석 방법과 새로운 유전체를 분석하는 De novo 유전체 분석 방법으로 나눌 수 있다.
Reference 기반 유전체 분석은 이미 표준 유전체(reference genome)가 완성된 생물종의 유전체 서열정보를 기반으로 레퍼런스 유전체 서열과 비교함으로써 특정 유전체 내 변이를 발굴하고자 할 때 주로 쓰인다. 즉, 이미 알려진 서열정보를 참조로 하여 시료의 염기서열 해석 결과를 비교 확인하는 방법이다. 앞에서 언급했듯이 미생물학계에서는 단일 생물종의 유전체 해독 연구를 넘어서서, 특정 환경에서 수집한 샘플에 함유된 유전체를 분석함으로써 각 환경의 미생물 군집을 파악하고자 하는 metagenomics 연구가 활발히 수행되고 있다. 즉, 한 샘플에 섞여있는 미생물 종을 효과적으로 구분하기 위해 16S rRNA의 일부를 PCR로 증폭하고 증폭산물을 시퀀싱 한 서열과 이미 알려져 있는 미생물의 서열을 비교함으로써 균종을 동정한다.
De novo 유전체 분석은 아직 표준 유전체가 없는 대상의 경우 염기서열을 NGS로 분석하여 맵핑함으로써 새로이 유전체를 구축하는 작업으로 쉽게 말하면 유전체 초안지도를 구축할 때 사용된다. 그러나 NGS만으로 해독된 유전체 정보는 생어 시퀀스(Sanger sequencing)만으로 제작된 유전체에 비하여 전체적으로 정확도 및 완성도가 낮다는 한계를 갖고 있으며 특히 내부에 반복 서열이 다수 존재하는 유전체의 경우는 de novo assembly가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

2) 유전체 기능 분석; 이렇게 연구대상이 되는 미생물의 유전체 정보를 획득하고 나면, 각 유전자의 기능을 실험적으로 밝혀야 하는데 여기에는 대략 각 유전자를 하나씩 손상시켜 어떤 기능이 상실되는지 알아보거나 유전자 발현 양상을 조사하거나, 각 유전자에서 생산되는 단백질의 기능을 분석하는 세 가지 접근 방식이 있다.
가. 유전자 조작; 유전자의 기능을 알기 위해서는 특정한 유전형질을 갖는 유전자를 삽입하거나 제거 혹은 특정 지역의 염기서열을 바꾸는 등의 조작을 통해 인위적으로 돌연변이 시키는 방법을 주로 사용한다. 가장 넓게 사용하는 방법은 directed mutagenesis, gene knockout, RNAi, CRISPR-Cas9 등을 이용하여 목표 유전자를 손상시키거나 재조합하는 것이다. 이를 응용하여 병원균의 경우 병원성 유전자를 밝히는데 사용할 수 있고, 밝혀진 기능을 이용하여 유전자 조작 미생물을 제작하여 항생제와 같은 유용 물질을 대량 생산하는데 활용 할 수 있다.
나. Microarray 및 RNA-seq; DNA chip의 microarray분석법은 미생물 유전자의 발현 양상을 대량으로 분석하는 것 뿐만 아니라 근연 미생물간의 유전자 함량을 비교하기 위해 많이 사용되고 있다. 그러나 2000년대 초까지 microarray로 대표되었던 유전자 발현체(mRNA) 분석법은 NGS 기술의 발달로 인하여 현재 대부분 RNA-seq으로 대체되었다. Microarray로는 특정 mRNA의 증가 또는 감소량 정도만 파악 할 수 있었지만, NGS로 mRNA 의 염기서열을 직접 해독하게 됨으로써 그 전까지 불가능했던 RNA editing이나 allele-specific expression 등의 관찰이 가능하게 되었다. mRNA뿐만 아니라 small RNA 등의 non-coding RNA의 분석도 가능하며, 엑손(exon)과 인트론(intron)을 구별하기 위한 수단으로 사용된다. 또한 염기서열이 완전히 해독되지 않았거나 전사체들의 서열 정보가 불충분한 생물에서도 분석이 가능하다.
다. Proteomics; 단백질을 동정하고 기능을 밝히는데 proteomics의 기법이 종종 이용되는데 이는 특히 세균의 경우 유전자의 숫자가 진핵생물에 비해 상대적으로 적고 유전자 발현과 단백질 생산 사이의 상관계수가 높을 뿐만 아니라 만들어진 단백질에 다른 요소가 첨가되는 경우도 많지 않기 때문이다. 가장 많이 쓰이는 방법은 이차원 전기영동법을 통하여 각각의 단백질을 분리하고 이들을 질량분석기 등을 이용하여 단백질을 동정하는 것이다. 최근에는 proteomics의 범위가 단백질의 동정이나 입체구조의 분석 뿐만 아니라 단백질의 기능 및 단백질 간의 상호작용과 전체 대사 경로를 연구하는 분야로 확대되고 있다.

3. 미생물 유전체 연구 동향

국외에서는 주요 유전체 연구 선도 국가를 중심으로 미생물 유전체 해독 및 분석을 위한 대규모 투자와 국제 공동 프로젝트가 진행 중이며 실용화, 산업화를 촉진시키기 위해 제도, 정책 측면에서 개선 보완되어 진행되고 있다.
1) 미국; 미국 에너지성(Department of Energy; DOE)에서는 미래의 에너지 확보, 오염 환경의 복원, 그밖에 보건 및 산업 등에 미생물 자원을 이용하기 위해 미생물 유전체 프로젝트(Microbial Genome Program)를 지원하였다. 미국 국립보건원(NIH)은 2007년부터 전 세계 유전체 연구비의 약 1/3 정도에 해당하는 연구비를 투자하여 인종, 나이, 성별 등에 따라 사람 몸에 살고 있는 미생물 메타유전체를 연구하는 대규모 국제 공동 프로젝트(Human Microbiome Project; HMP)를 수행하고 있으며, 프로젝트 1단계(예산년도 2007～2012년, 1억 1500만 달러)에서는 건강한 성인과 미생물 관련 질병 코호트에 있어서 미생물의 특성을 규명하기 위한 정보 및 전산 도구 개발에 초점을 두었으며, 2단계(예산년도 2013～2015년)에서는 인간이 미생물 관련 질병에 있어서 인간과 미생물의 생물 정보를 통합적으로 구축하는 연구를 진행하였다. 군집 연구는 미국에서 민관을 떠나 가장 뜨거운 연구 분야이다. 버락 오바마 미국 행정부는 올 초 5월에 임기 마지막 대형 과학프로젝트로 국가 마이크로바이옴 이니셔티브(National Microbiome Initiative; NMI)를 발표했다. 농작물과 소, 돼지 등에 영향을 미치는 토양미생물을 비롯해 감염병과 정신질환, 비만에 영향을 미치는 미생물, 우주인에게 미생물이 미치는 영향을 연구하는 이 사업에는 2년간(예산년도 2016~2017) 1억 2,100만 달러가 투자될 예정이다. 민간분야에서도 다국적 제약사인 로슈와 화이자도 신약 개발을 위해 장내 미생물을 활용한 약물 연구에 투자하고 있다. 그 밖에 미국 에너지성은 전 세계에서 수집된 적어도 20만개의 환경 샘플에 존재하는 미생물군의 특성을 알아내기 위해서 염기서열을 분석, 정리, 가공하여 유용한 정보로 만드는 Earth Microbiome Project(EMP)를 진행 중에 있다.
2) 캐나다; 캐나다 국립보건연구원(Canadian Institutes of Research; CIHR)은 미국의 국립보건원에서 시작된 인체 마이크로바이옴 프로젝트(HMP)의 진행에 발 맞춰 이 분야에서 캐나다 연구자들이 주도적으로 중요한 역할을 할 수 있는 연구 환경을 조성하고자 2009년에 140억 원의 예산을 편성하여 캐나다 마이크로바이옴 이니셔티브(Canada microbiome initiative; CMI)를 만들었다.
3) 유럽; 유럽 연합은 2008-2012년에 인간 장내 미생물의 유전체와 인간의 건강 및 질병간의 연관성을 확립하자는 목표를 가지고 유럽 8개국의 산‧학계 연구기관으로 구성된 컨소시움을 통해 대규모 유전체 프로젝트(Metagenomics of the Human Intestinal Tract; MetaHIT)를 진행하였고, 2011-2015년에 분석과정과 프로토콜의 표준화를 통해서 장내 미생물체가 인간 건강에 미치는 영향을 측정하는 방법을 최적화하고자 하는 목표를 가지고 국제 인간 마이크로바이움 표준 프로젝트(International Human Microbiome Standards Project; IHMS)를 진행하였다. 현재는 미국, 일본, 한국 연구진으로 구성된 국제인간마이크로바이움 컨소시움(International Human Microbiome Consortium; IHMC)에 참여하고 있다. 프랑스는 2013년에 인간의 장세포와 장내 미생물체 간의 상호작용에 있어 핵심 구성 요소를 결정하고, 세균의 개체수를 모델링하고자 메타제노폴리스(MetaGenoPolis; MGP)프로젝트를 진행하고 있다.
4) 아시아; 중국의 BGI(Beijing Genome Institute)는 2009년부터 만개의 미생물 참조유전체를 생성하는 목표를 가지고 프로젝트(10,000 Microbial Genome Project)를 수행했으며 여기에는 농축산, 생물에너지, 환경, 의학 등 다양한 분야의 미생물들을 포함하고 있다. 또한 인간 장 미생물 유전체 연구를 수행하기 위해 초기 15억원의 연구비로 메타-거트 프로젝트(Meta-GUT project)를 시작하였고 유럽과 MetaHIT 프로젝트를 공동으로 진행하는 등 활발히 연구를 수행하고 있다. 일본은 2005년에 일본 내에서 수행되고 있는 인간과 동물 마이크로바이옴 연구 데이터를 수집, 공유, 및 통합 관리하는 대형 마이크로바이옴 프로젝트를 수행하기 위해 휴먼 메타지놈 컨소시움 재팬(Human MetaGenome Consortium Japan, HMGJ)을 구성하였고, 현재는 기업 및 국립연구소 단위의 규모를 통해서 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 전 세계적으로 활발한 미생물 유전체 연구에 발 맞춰 국내에서도 2000년 초부터 여러 정부 부처에서 미생물 분야의 유전체 연구 활성화를 통해 실용화 및 산업화의 기반을 마련하고자 몇몇 중대형 프로젝트를 수행하여 왔다. 과거 과학기술부에서는 21C 프론티어사업의 일환으로 2002-2012년까지 미생물 유전체 기능 규명 및 고부가 가치 미생물 자원의 발굴과 활용을 위한 핵심기반기술 확립을 목표로 총 1,104억 원의 연구비를 투자하여 ｢미생물유전체활용기술개발사업｣을 추진하였고, 보건복지부에서는 보건의료기술연구개발사업으로 2001-2007년까지 국내 특정 호발 감염성 질환의 병원성 미생물 유전체 염기서열의 완전 해독 및 특정 감염성 질환 완치를 위한 진단, 예방, 치료 기술 개발을 목표로 총 127억 원의 예산으로 장관계‧호흡계‧피부감염 미생물에 대해 ｢병원성미생물유전체연구센터｣를 운영하고 있다. 농림수산식품부에서는 2009-2014년까지 농림기술개발사업으로 ｢유전체 분석을 활용한 전통발효식품의 기능성 표준화 연구｣과제를 선정하여 총 25억 원의 연구개발비를 지원하였으나 부처별 유전체 연구 사업이 종료되어 미생물 유전체 분야의 정부 투자가 정체되어 있는 상황이다. 이후 2011년 5월에 출범한 차세대바이오그린 21사업에 일부 유전체 사업이 포함되어 있고, 최근 2014-2021년까지 포스트게놈다부처유전체사업의 일환으로 미생물-숙주 상호작용 연구 및 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업을 통하여 미생물 유전체 정보를 체계적으로 자원화하고 산업화로 연계하여 생명산업과 바이오 경제 활성화를 목표로 추진하고 있으나 대부분 식물 또는 동물의 유전체 연구로써 국가적으로 미생물 분야에 대한 보다 많은 투자가 필요한 실정이다.


Ⅲ. 맺는 말

미생물은 지구상에서 가장 오랫동안 진화해 온 그룹이다. 지금까지 인간에 의해 분리, 동정된 적이 있는 세균은 지구상에 존재하는 미생물 전체 종의 겨우 1%에 지나지 않는다고 한다. 따라서 미생물의 유전체 연구는 생명의 기원, 생명 현상의 원리, 생물의 다양성, 그리고 진화를 이해하는 기초가 된다. 미생물의 유전자 범위는 엄청나게 방대하여 새로운 미생물 종의 유전체를 해독할 때마다 전체의 약 1/4 정도가 이전까지 전혀 알려진 바 없는 새로운 유전자이다. 현재 미국, 영국, 프랑스, 일본 등에서 미생물 유전체 연구가 주요 국가사업으로 진행되면서 유전체 서열 정보들이 누적되고 있고 대규모 분석을 활용한 의약품 소재 개발, 미생물 감염 및 전파 연구로 활용되고 있다. 우리나라도 더 늦기 전에 서둘러 국가 차원에서 미생물 자원을 발굴하고 유전체 해독 및 기능 분석과 산업적 이용을 위한 연구를 지원해야 한다. 다행히 우리나라는 이 분야에 고급인력이 풍부하고 아직까지는 연구 경쟁력도 뒤지지 않는 상태이다. 또한 우리나라는 2005년부터 3년 연속 신규 미생물 등록 세계 1위를 차지하는 등 생명연구자원 확보 및 보존 측면에서 국제수준의 연구역량을 유지하고 있다. 이를 통하여 아직까지 미개척 분야인 메타유전체와 우리나라의 전통산업 등과 관련된 토착 미생물을 중심으로 연구를 전개해 나간다면 우리도 충분히 미생물 산업을 주도하는 나라가 될 수 있을 것으로 기대해 본다. 나아가 미생물 유전체 연구 분야 중 국가적 대응 필요성이 큰 분야를 선정하여 집중적인 투자가 이어질 경우 실용화 성과 창출 및 신산업 분야 선점이 가능할 것으로 기대된다.


Ⅳ. 참고문헌

1. 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단, 2015년 연구동향분석보고서
2. Land M et al., Insights from 20 years of bacterial genome sequencing. Functional & Integrative Genomics; 2015; 5; 141-161.
3. Oulas A et al.,Metagenomics: Tools and Insights for Analyzing Next-Generation Sequencing Data Derived from Biodiversity Studies. Bioinform Biol Insights. 2015; 9: 75–88.
4. Toft C et al. Evolutionary microbial genomics: insights into bacterial host adaptation. Nature Reviews Genetics; 2010; 11; 465-475.