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장내미생물의 재발견 : 마이크로바이옴


1. 개요


가. 마이크로바이옴 개요


마이크로바이옴(microbiome)이란 마이크로바이오타(microbiota)와 게놈(genome)이 합쳐서 만들어진 합성어로, 인간, 동・ 식물, 토양, 바다, 호수, 암벽, 대기 등 모든 환경에서 서식하거나 공존하는 미생물과 그 유전정보 전체를 포함하는 미생물군집이라고 할 수 있다. 최근에는 다양한 환경에서의 미생물군집을 말하기도 한다. 식물마이크로바이옴, 동물마이크로바이옴, 환경마이크로바이옴, 인체마이크로바이옴, 장내마이크로바이옴, 피부마이크로바이옴 등 다양한 마이크로바이옴에 대한 연구들이 보고되고 있다. 이중에서도 인체마이크로바이옴에 대한 연구가 가장 많이 진행되고 있으며, 인체마이크로바이옴 중에서도 장내마이크로바이옴에 대한 연구가 가장 활발히 진행되고 있다.


마이크로바이옴에 대한 본격적인 연구는 2010년 이후부터 시작되었으며, 2014년 세계경제포럼(다보스포럼)에서 세계 10대 유망 미래 기술 중 하나로 인체마이크로바이옴치료제가 선정되면서 인체마이크로바이옴에 대한 관심도가 높아지게 되었다. 인체 내의 많은 미생물들이 비만, 당뇨, 아토피 같은 질환과도 관련이 있다는 보고가 나오면서 인체 내 미생물들의 군집으로서의 마이크로바이옴에 대한 관심도가 증가하게 되었고, 최근에는 노화와 정신질환 등도 인체 내 마이크로바이옴과 관련이 있다는 보고가 나오면서 인체 내 미생물들이 인간의 건강과 질병에 미치는 영향이 크다는 것을 인식하게 되었다.


마이크로바이옴이 인체에 큰 연향을 미친다는 것은 2006년 제프리 고든박사(워싱턴대학, 미국)의 연구 발표로 인식의 변화를 가져왔다. 제프리 고든박사는 비만 쥐와 마른 쥐의 분변을 각각 무균 쥐에 주입한 결과 비만 쥐의 분변을 주입한 무균 쥐가 마른 쥐의 분변을 주입한 무균 쥐보다 빠른 시간 내에 비만이 되는 것을 확인하고 비만인 사람과 마른 사람의 장내 마이크로바이옴이 다르다는 연구 결과를 2006년 네이처에 발표하였다[1]. 그 후 비만에 대해 불일치하는 여자 쌍둥이의 분변을 무균 쥐에 주입한 결과 비만쌍둥이로 부터 분변을 주입받은 쥐가 마른쌍둥이로부터 분변을 주입받은 쥐보다 빨리 지방이 증가하여 비만이 되는 것을 확인하고 2013년에 사이언스에 발표하였다[2]. 이런 결과들은 장내 마이크로바이옴이 비만과 밀접한 관계를 가지고 있다는 것을 알게 해 주었고, 사람들에게 큰 반향을 일으켰다.


 

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출처 : 동아사이언스
A.W Walker et al., 2013, Science, 341(6150), 1069-1070

 


나. 마이크로바이옴 연구와 NGS 유전체 분석


마이크로바이옴 연구가 비약적으로 발전은 유전체 분석 기술의 발전과 밀접하게 연관되어 있다. 1990년대 진행된 인간게놈프로젝트(Human Genome Project, HGP)는 큰 기대를 모았다. 인간의 모든 유전자의 염기서열이 밝혀지면 질병과 관련된 많은 어려운 문제들이 빠르게 해결될 것이라고 생각하였다. 그러나 인간의 염기서열 분석만으로는 생명현상 전반에 대해 이해하고 문제를 해결하는데 한계가 있다는 것을 인식하게 되었다. 그 후 인체 내에서 공존하고 있는 인체 마이크로바이옴에 관심을 가지게 되었고 이들에 대한 유전체 분석을 시작하였다.


현재 유전체 분석 방법에 널리 사용되고 있는 것은 차세대 염기서열분석(Next Generation Sequencing, NGS) 기술이다. 이 방법은 여러 개의 DNA를 동시에 해독할 수 있는 병렬해독기법으로 기존의 생어방법보다 시간과 비용을 절감시켜 주어 비용대비 효율적으로 연구 결과를 얻을 수 있다.


NGS 분석 기술이 발전하면서 환경샘플로부터 바로 유전체를 분석할 수 있는 메타게노믹스(metagenomics) 연구가 본격적으로 진행되게 되었다. 메타게노믹스는 메타게놈(metagenome)을 분석하는 것인데, 메타게놈이란 `군유전체`라고도 하면 특정 환경샘플에 존재하는 세균, 곰팡이, 바이러스 등 모든 생물체의 모든 유전체를 종합해서 말하는 것으로, 한 종의 유전체가 아닌 특정환경단위별로 포함되는 모든 종의 유전체를 말한다. 메타게놈 연구를 위해서는 미생물을 분리하거나 배양하지 않고 환경샘플에서 바로 DNA를 추출하여, 환경 내에 존재하는 미생물 군집을 분석한다. 


NGS의 발달로 유전체의 염기서열을 빠른 시간 내에 대용량으로 확보하게 되면서, 확보된 염기서열 정보를 해석하는 것이 매우 중요하게 되어 생명정보학(bioimformatics)도 함께 발전하고 있다.


NGS 분석 기술을 통하여 장내 마이크로바이옴에 얼마나 많은 종류의 미생물들이 있는지 확인할 수 있다. 이런 분석을 통해서 인체마이크로바이옴 중 장내 마이크로바이옴에 있는 세균들에 대한 연구가 이루어졌다. 독일의 Peer Bork 등은 인간의 장유형(human enterotype)에 대한 연구 결과를 20011년 네이처에 발표하였다[3]. 이 연구에 따르면 인간의 장유형은 장내 마이크로바이옴 구성에 따라 박테로이스(Bacteroides) 타입, 프리보텔라(Prevotella) 타입, 루미노코크스(Ruminococcus) 타입 등 3가지로 구분된다고 보도했다. 미국 펜실베니아 연구진들도 건강한 성인 98명을 대상으로 장내 마이크로바이옴을 분석하여 3가지 타입의 장유형에 대해서 2011년 사이언스에 발표하였다[4].


특정 환경샘플에서 얼마나 다양한 미생물이 존재하는지 분석하는 메타게놈분석 외에, 특정 환경의 미생물군집에 존재하는 기능 유전자를 분석하는 유전체 기능 분석(functional genomics)도 NGS 기법을 통해 이루어지고 있다. 유전체 기능 분석은 유전체의 발현 양상과 기능을 분석하는 것으로 타겟에 대해 기능을 나타내는 유전자들을 찾아내는 것이다. 질환과 유전자의 상호관계를 연구하는 면에서 많은 관심을 모으고 있는 분야이다.


이처럼 NGS 유전체 분석 기술은 인간 장내 마이크로바이옴 연구 활성화에 크게 기여하였는데, 널리 사용되고 있는 NGS 장비들은 로슈(Roche), 일루미나(Illumina), 서모피셔사이언티픽(Thermo Fisher Scientific), 퍼시픽바이오사이언스(Pacific Biosciences), 옥스포드 나노(Oxford Nano)등에서 출시되고 있다.


 

...................(계속)

 

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