마이크로바이옴

마이크로바이옴 연구에서의 균유전체학(metagenomics)

미생물과 마이크로바이옴?

18세기에 현미경의 발달로 미생물의 존재가 처음으로 밝혀졌을 때, 이 지구와 그 너머에 광범위한 미생물 존재의 정도를 완전히 상상할 수 있는 사람은 거의 없었습니다. 과장이 아니라, 미생물이 세상을 움직인다고 단언할 수 있습니다(1). 가장 가혹하고 가장 척박한 환경을 포함하여 거의 모든 곳에서 미생물을 찾을 수 있습니다. 미생물은 물리적 환경과 유기 생물권 모두의 조절에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다. 당연하게도, 미생물은 인간을 포함한 단일 세포 및 다세포 유기체 모두와 많은 관계(일부는 유익하고 일부는 해로움)를 형성했습니다. 인간의 건강과 질병에 대한 미생물의 중요성은 지난 수십 년 동안 확실히 명백해졌습니다(1).

세상을 움직이는 미생물.

이 관계의 복잡성은 아마도 미생물을 이해하는 데 가장 큰 장애물일 것입니다. 미생물학 분야에서 우리 지식의 대부분은 통제된 환경 내에서 순수한 미생물 균주를 분리하여 성장시키는 순수 배양을 활용하는 연구에서 비롯됩니다. 그러나 모든 미생물이 배양액에서 자랄 수 있는 것은 아니며 인공적인 순수 배양은 미생물이 자신의 특성, 행동 및 진화 경로를 지시하는 다른 종과의 상호 작용을 박탈합니다. 이것은 페트리 접시에 있는 미생물의 유전자형과 표현형이 자연에서 발견되는 것과 매우 다를 가능성이 있음을 의미합니다(1).

균유전체학(metagenomics)이란 무엇인가요?

넓게 말하면, 군집 유전체학으로도 알려진 균유전체학(metagenomics)은 자연 생활 환경에 포함된 미생물 군집의 유전적 분석입니다. 미생물학의 관점에서 볼 때, 균유전체학(metagenomics)은 배양할 수 없는 미생물을 연구합니다. 순수 배양의 유전적 균질성에 대한 이러한 대안은 과학자들이 미생물 군집 내에 존재하는 놀라운 다양성을 더 잘 포착할 수 있는 능력을 제공합니다. 그 다음으로 다양한 미생물 군집을 연구하는 것은 우리 자신의 생리와 우리가 살고 있는 세계의 시스템에 대한 더 나은 이해를 과학계에 제공합니다(1).

마이크로바이옴을 연구하는 방법

샷건 염기서열 분석(Shotgun sequencing)은 박테리아와 함께 박테리아가 아닌 미생물(예: 곰팡이 및 바이러스)을 동시에 연구할 수 있는 기능을 제공하지만(2), 더 많은 염기서열 분석 작업을 필요로 합니다. 또는 16S 염기서열 분석은 하나의 유전자에만 초점을 맞출 수 있습니다. 특히, 16S 염기서열 분석은 세균 계통발생 및 분류 조사에 유용합니다(2). 메타전사체학은 메타유전체 메신저 RNA(mRNA)의 연구로서, 메타유전체 연구에서 밝혀진 차이점이 유전자 조절과 발현에 어떻게 영향을 미치는지 연구하는 데 매우 유용합니다.

현재 방법의 한계점

희망적으로 들릴 수 있지만, 메타전사체학은 mRNA의 짧은 반감기 등의 기술적 장애에 의해 제한될 수 있습니다. NGS 기술이 발전함에 따라 다양한 기술이 개발되었으며 이후 메타유전체 접근 방식에 맞도록 변형되었습니다. 미생물 균유전체학(metagenomics)의 초기 단계에서 파이로시퀀싱과 같은 중간 판독 기술(~800bp)을 사용하여 많은 연구가 수행되었습니다(예: Roche^® 454 플랫폼 사용)(4). 시간이 지남에 따라 짧은 판독 기술(예: Illumina^® 염기서열 분석)이 더 비용 효율적이고 처리량이 더 높은 대안을 제공했습니다.

그러나 짧은 판독 염기서열 분석(short-read sequencing)에는 특정 편향(bias)과 기술적 장애로 인한 고유한 문제가 있습니다. 보다 최근에는 기술 발전에 따라 수십 킬로베이스 길이의 판독을 생성할 수 있는 기술(예: SMRT 염기서열 분석 및 나노포어 염기서열 분석)을 통해 긴 판독 염기서열 분석으로의 이동이 촉진되었습니다. 오류가 발생하기 쉽지만 이러한 긴 판독은 염기서열 분석 심도가 오류 수정을 허용할 만큼 충분한 경우 완전 유전체(closed genome)를 조립하는 데 유리한 것으로 입증되었습니다(5). 그러나 Illumina 염기서열 분석에 비해 생성된 유전 정보가 부족하고 다량의 가공되지 않은(raw) DNA 샘플이 필요하기 때문에 이러한 기술은 현재 전장 유전체 염기서열 분석 및 유사한 응용 분야에 더 적합할 수 있습니다(6).

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참고 문헌:

National Research Council (US) Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications. The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Washington (DC): National Academies Press (US); 2007.
Jovel, J. et al. (2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics. Front Microbiol. 7, 459.
Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls. Clin. Microbiol. 45(9), 2761–2764.
Bragg, L. and Tyson, G. W. (2014) Metagenomics using next-generation sequencing. Environ. Microbiol. 1096, 183–201.
Koren, S. and Phillippy, A. M. (2015) One chromosome, one contig: complete microbial genomes from long-read sequencing and assembly. Curr. Opin. Microbiol. 23, 110–120.
Driscoll, C. B. et al. (2017) Towards long-read metagenomics: complete assembly of three novel genomes from bacteria dependent on a diazotrophic cyanobacterium in a freshwater lake co-culture. Stand. Genomic. Sci. 12, 9.