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2020년 주목할 바이오분야 7개 기술

 

 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 20-7

2020년 주목할 바이오분야 7개 기술

 

◇ 최근 네이처(Nature)에서 7명의 바이오 전문가들에게 2020년 주목해야 할 기술에 대해 인터뷰. cryo-EM 시료 제작기술, 암 컴퓨팅/가상 종양, 단일세포 시퀀싱 플랫폼, 마이크로바이옴 해독 등 올해 큰 영향력을 발휘할 것으로 전망되는 7개 기술을 소개
    ▸주요 출처 : Nature, Biology technologies to watch in 2020, 2020.1.21.

 

■ 네이처(Nature), 2020년 주목할 바이오분야 7대 기술 선정 
 ○ 바이오분야 전문가들은 2020년 주목할 7대 바이오 연구 및 기술에 대해서 트렌드와 발전전망을 예측

 

 <2020년 주목할 바이오분야 7대 기술 및 발전전망>

 

기술분야

제안자 및 발전전망

보다 좋은 cyo-EM 시료 확보

(Better cryo-EM samples)

Hongwei Wang

Structural biologist at Tsinghua University in Beijing, China

23년 내에 극저온 전자현미경(cryo-EM)이 거대분자의 구조를 해독하기 위한 가장 강력한 도구가 될 것이라고 전망되는 가운데, 샘플/시료 제작은 병목단계로, 이를 보다 효율적으로 준비하는 방법과 기술에 대한 중요성이 부각

이를 위해 연구진은 단백질 구조를 유지하기 위해 그래핀 (graphene)과 같은 2차원 물질에 단백질을 고정시키는 접근법을 개발

일부 실험실에서는 나노리터 크기(nanolitre-sized)의 샘플을 표면에 직접 배치하거나 이온 빔을 사용하여 동결된 세포를 100 나노미터(nm) 보다 얇은 층으로 슬라이스하여 세포 내 분자를 분석

cryo-EM으로 분자구조를 분석하기 위해 최대 10,000개의 이미지를 수집하고 분석해야 하지만, 이론적으로 수십 장의 사진으로 충분하기 때문에 제대로 된 시료 준비로 질병 메커니즘을 이해하고 약물을 보다 효율적으로 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대

RNA 분석기술 개선

(Improving RNA analysis)

Sarah Woodson

Biophysicist at Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, US

, 알츠하이머 등 다양한 질병과 연관된 RNA-단백질 복합체 관련하여 앱타머(aptamer)를 이용한 긴 가닥 RNA 시퀀싱과 live-cell 이미징 기술에 향후 수 년 내에 큰 진전이 있을 것으로 전망

짧은 가닥 RNA 시퀀싱이 RNA 생물학 분야에 변화를 가져왔지만, 예를 들어 Oxford Nanopore Pacific Biosciences 시퀀싱 기술을 이용한 긴가닥 RNA 시퀀싱은 RNA 구조 변화를 좀 더 정확하게 분석하는데 기여

이에 연구진은 그간 화학적 footprinting 방법을 이용하여 세포 내 RNA 접힘(folding)을 분석해왔지만, 현재 보다 효과적인 RNA-단백질 응집구조 연구를 위해 긴 가닥 RNA 시퀀싱과 형광물질이 부착된 light-up 앱타머 방법으로 전환하여 연구하고 있으며, 이러한 기술은 세포사멸과 질병세포의 RNA 분자에서 일어나는 현상을 보다 잘 밝힐 수 있을 것으로 기대

마이크로바이옴 해독

(Decoding the microbiome)

Elhanan Borenstein

Computational systems biologist at Tel Aviv University, Israel

지난 10년간 마이크로바이옴의 유전적 시퀀싱 분석을 통해 커뮤니티의 구성을 밝히는 데 큰 진전을 보였고, 앞으로는 마이크로바이옴의 유전체, 전사체, 단백체, 대사체에 관한 통합정보 분석이 주요해질 전망

특히, 대사체는 건강 등 숙주-마이크로바이옴 간의 많은 상호작용에 영향을 미치기 때문에, 최근 마이크로바이옴의 대사체 연구가 크게 증가. 하지만 메타게놈 시퀀싱과 대사체 데이터가 결합된 마이크로바이옴 연구의 중요성이 증폭되고 있지만, 매우 복잡하고, 다차원적인 데이터의 특성으로 인해 연구가 어려운 상황

이를 해결하기 위해 과학자들은 마이크로바이옴-대사체 데이터 분석을 위해 단순 연관분석에서부터 복잡한 기계학습 방법까지 사용

연구진에서는 통계학적 접근방법 보다는 특정 미생물 조성이 대사체에 영향을 미치는 메커니즘적 모델을 구축하여 활용. 유전체 및 대사체 정보에 기초하여 특정 대사물질을 생산하거나 흡수하는 각 미생물의 능력과 실제 대사산물 데이터를 비교하는 새로운 분석 프레임워크를 발표할 예정

이러한 연구는 유해 대사산물을 너무 많이 생성하거나 유용 대사산물을 적게 생성하는 특정 미생물을 확인함으로써 마이크로바이옴 기반 치료법을 개선할 수 있을 것으로 기대

암 컴퓨팅/가상 종양

(Computing cancer)

Christina Curtis

Computational and systems biologist at Stanford University, California, US

암 형성과정은 볼 수 없고, 임상적으로 암이 발견되고 나서 종양을 채취하여 결과만 알 수 있지만 그 사이 종양 내에서 어떤 돌연변이가 있었고, 무슨 일이 있었는지 탐색 필요

이에 연구팀은 조직 내 공간구조를 고려하면서 종양 진행의 역학을 탐구하는 컴퓨팅 모델을 제작하여 다양한 시나리오를 시뮬레이션하고 환자 데이터를 모방하는 돌연변이 패턴으로 '가상 종양'을 생성. 시뮬레이션된 데이터와 실제 유전체 데이터를 비교하면 환자의 종양을 유발한 매개변수를 유추 가능

이머징기술인 바코드 및 기록(barcoding & recording) 기술을 사용하여 종양 계통(lineage) 및 표현형(phenotype)을 직접 측정하여 추론적 접근방식을 보완. 특히, 빠르게 발전한 CRISPR 기반 바코드 기술로 RNA in situ 발현을 통해 DNA 바코드의 이미지 기반 검출을 사용하여 세포 계통, 공간적 근접성 및 표현형 포착 가능

암 계통(lineage) 및 종양 형성과정의 공간관계를 추적하여 특정 돌연변이가 세포 적합성에 영향을 미치고 질병의 진행을 촉진하는 방법 등 암의 기원에 대한 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대

유전자 치료기술 진보

(Enhancing gene therapy)

Alex Nord

Geneticist at the University of California, Davis, US

지난 15년간 세포나 조직 내에서 유전자 발현을 조절하는 활성 유전자(enhancer)와 조절 유전자 서열을 매핑하는 대규모 실험을 진행. 이 지도를 완성하기 위해 더 많은 연구가 필요하지만, 유전체를 보다 정확하게 제어하기 위해 이러한 연구결과를 활용할 수 있는 시점

지난해 10월 신경과학 연례회의(Socienty for Neuroscience annual meeting)에서 인핸서(enhancer) 서열을 식별하고, 뇌의 특정세포에서 유전자 발현을 제어하는 주제를 논의했는데, 유전적으로 조작된 바이러스를 뇌에 전달하여 특정 유전자 발현 프로파일에 대한 수천 개의 인핸서를 테스트

2019Allen Institute for Brain Science의 연구팀에서는 이러한 전략으로 인간 두뇌의 특정 피질층(cortical layer) 에서 인핸서를 찾아냄. 또한 최근 하바드대 연구팀에서는 RNA 시퀀싱 방법으로 신경세포 회로를 생산하는 특정 interneuron을 활성화시키는 인핸서를 찾아냄

인핸서 서열이 확인되면 이를 기반으로 유전자치료를 위해 특정세포에서 CRISPR-Cas9 유전자 편집도구와 같이 기술을 활용하여 유전자의 활성화 또는 결실을 유도

마우스 실험에서 이러한 접근법은 비만과 fragile-X, Rett Dravet syndromes의 유전자 발현 부족을 교정할 수 있는 것으로 보이며, 향후 연구를 통해 인간에서도 적용이 가능할 것으로 기대

단일세포 시퀀싱 플랫폼

(Single-cell sequencing)

J. Christopher Love

Chemical engineer at the Koch Institute for Integrative Cancer Research at MIT in Cambridge, Massachusetts, US

유전자치료제, CART치료제 등 단일세포 시퀀싱이 약물개발에 매우 중요해진 시점에서 쉽고, 빠른 약물제조에 대한 관심이 높아짐. 이에 고처리량(high-throughput)의 단일세포 RNA 시퀀싱을 위한 휴대용의 저렴한 플랫폼을 개발

면역세포 서브타입을 구별할 수 있을 정도의 해상도를 얻는 것이 여전히 어려운 과제이지만, 단일세포 유전체 시퀀싱 방법을 향상시켜 저발현 전사체(low-expression trans) 효율적으로 검출하는 방법을 고안하여 T세포의 유전자 발현 프로파일을 고유 항원 수용체의 서열과 연결하는 방법을 설계

최근 설립된 Honeycomb Biotechnologies는 이러한 단일세포 RNA 시퀀싱 플랫폼을 상용화. USB 드라이브 크기의 튜브에 세포를 넣어 액체질소로 고정시킨 다음 전세계 어디에서나 거의 모든 시료에 대해 단일세포 저장 및 시퀀싱이 가능할 것으로 기대

유전체 구조와 기능 연계

(Linking genome structure and function)

Jennifer Phillips-Cremins

Epigeneticist and bioengineer at the University of Pennsylvania, Philadelphia, US

단일세포의 DNA를 끝까지 펼칠 때 길이는 약 2 미터이지만 핀 머리보다 작은 직경을 가진 핵 안에 있고, 염색체는 공간적 으로 그리고 시간적으로 조절되는 3D 구조를 형성

지난 10년 동안 유전체 및 이미징 기술이 발전함에 따라 이제 유전체, 염색체가 어떻게 접히는지를 초고해상도 맵(ultra- high-resolution map)으로 제작 가능. 이제 가장 큰 질문은 접히는 패턴(구조)과 기능의 관계로, 유전자 발현, DNA 복제 DNA 복구와 같은 기본 프로세스를 어떻게 제어하는지임

여러 가지 합성생물학(synthetic biology) 접근법을 통해 다양한 길이 및 시간에 걸쳐 유전체를 접고 조사할 수 있는데, CRISPR-GO라는 방법을 통해 핵 특정위치의 DNA 조절을 통해 유전자 기능 분석 가능

빛과 CRISPR-Cas9를 활용하여 DNA 특정 부위를 조절하는 광 활성화 다이나믹 루핑(light-activated dynamic looping) 툴을 활용하여 수천 또는 수백만 개의 염기(base)와 떨어진 표적 유전자와 직접 접촉할 있는 인핸서를 통해 유전자의 발현을 평가할 수 있으며, 이러한 기술은 많은 질병과 연관된 표적 유전자 발현을 시공간적으로 정확하게 제어 가능

CasDrop이라는 시스템은 또 다른 다른 광 활성화 CRISPR- Cas9 툴로, subnuclear 막이 없는 응집체(condensates)DNA 특정부위를 끌어들이는데, 몇 년 전에 발견된 이후 뜨거운 논쟁을 벌이고 있음

한창 개발 중이고, 논의 중인 3D 게놈 엔지니어링 툴을 CRISPR 기반 라이브 셀 이미징(live cell imaging) 접근 방식과 결합하여 세포에서 실시간으로 유전체를 엔지니어링하고 관찰이 가능할 것으로 기대

 

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