연세대 이인석 교수팀, 난배양성 장내 미생물 유전체 해독 신기술 개발

이인석(왼쪽부터)연세대 교수, 김찬영 박사, 마준영 박사과정생.<연세대 제공>

연세대학교 생명시스템대학 이인석 교수 연구팀(김찬영 박사, 마준영 박사과정생)은 롱 리드 차세대 염기서열 분석 기술을 이용해 기존에 유전체 해독이 매우 어렵던 난배양성 장내 미생물 유전체의 완전 해독을 가능하게 하는 정보 분석 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

우리 몸에는 수많은 미생물이 공생하고 있으며, 특히 장내에 서식하는 미생물은 우리 몸의 면역 시스템과 상호작용을 통해 건강에 많은 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 장내 마이크로바이옴은 장내 서식하는 미생물들과 이들로부터 유래하는 단백질, 핵산, 대사물질 등 생체분자들을 모두 포함하는 개념으로, 마이크로바이옴이 질병에 미치는 영향을 연구하기 위해서는 미생물들의 군집분석 수준을 넘어 미생물들의 유전체에 암호화된 단백질들과 이들의 기능을 분석하는 것이 필수적이다.

이러한 분석을 효과적으로 진행하기 위해서는 인간의 장내에 서식하는 모든 미생물들의 참조 유전체를 확보하는 것이 반드시 필요하다. 기존 미생물 유전체 해독 방법은 염기서열 분석에 필요한 DNA를 충분히 확보하기 위해 미생물의 배양이 필수적이었으나, 최근 개별 미생물 종의 배양 없이 미생물 균총의 메타유전체 염기서열 분석 자료로부터 직접 미생물 유전체를 조립하는 기술(Metagenome assembled genome)이 급속히 발전하고 있으며, 이를 이용해 아직 배양 불가능한 장내 세균종들에 대한 유전체 해독이 세계 여러 연구자들에 의해 경쟁적으로 진행되고 있다.

특히 장내 미생물 균총의 80% 이상이 난배양성으로 알려져 있어, 이러한 메타유전체 기반 장내 미생물 유전체 해독 기술은 휴먼 마이크로바이옴 연구에 혁신 기술로 인식되고 있다. 하지만 기존 메타유전체 기반 기술은 잘 해독되지 않는 유전자들의 정보가 누락된 불완전한 유전체 지도를 제공한다는 단점이 있다.

연세대 이인석 교수팀은 HiFi (High fidelity) 롱 리드 염기서열 분석을 인간 분변으로부터 추출된 미생물 DNA에 적용해 생산된 염기서열 자료들로부터 유전체를 조립하고, 완벽한 세균 유전체의 최종 판별까지 진행하는 생명정보 분석 파이프라인을 구축했다.

연구팀은 또한 이 방법을 이용해 세계 최초로 100개 이상의 완전 미생물 유전체를 메타유전체 서열 분석 자료로부터 재건해 그 정보를 공개했다. 특히 지금까지 배양되지 않아 유전체를 해독할 수 없었던 35종 이상의 장내 세균에 대한 최초의 완전 유전체 지도를 제공했으며, 이들 유전체 정보의 정확도 또한 기존 배양된 미생물을 이용해 해독된 유전체의 정확도와 차이가 없음을 확인했다.

연세대 이인석 교수는 "이번 연구에서 개발된 마이크로바이옴 유전체 정보 분석 기술은 향후 장내 마이크로바이옴 참조 유전체 데이터베이스의 완성을 앞당겨 마이크로바이옴 기반 질병 연구 및 치료제 개발에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 전했다. 본 연구는 한국연구재단 바이오의료기술개발 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.694)'에 10월 26일 게재됐다. 김대성기자 kdsung@dt.co.kr