[논문]미생물 유전체 연구 현황

이유경; 이정현; 이흥금

문제 정의

정부는 1999 년부터 오는 2010년까지 이 사업단에 모두 1, 740억원을 투입하 여 인간 유전체의 기능분석 및 활용을 통해 한국인에 다발하는 위암 . 간암 등의 난치성 질환의 진단과 예방 및 치료기술개발 신약개발을 본격 추진하고 있다 이 연구단은 후발주자의 이점 을 살려 유전체 전체를 연구하기 보다 우리나라 사람들의 질병 과 관련된 유전자 및 한국인 특이 SNP(Single Nucleotide Polymorphisms)를 중심으로 연구를 진행중이다.
또한 미생물은 사람의 질병과 밀접한 관계가 있다. 따라서 병 을 일으키는 직접적 원인인 미생물 유전자의 기능을 연구함으로 써 치료 및 예방제의 개발이 가능한 것이다. 여기엔 한국인의 경우 단위 인구당 사망률 세계 1위인 간질환의 주요원인인 B 형 및 C형 간염바이러스 위궤양의 직접 원인균인 헬리코박터, 전 세계 최고의 사망률을 보이고 있는 말라리아 병원균 등이 포함 된다.
미생물은 유전정보량이 인 간 유전자처럼 방대한 규모가 아니므로 산업미생물, 병원균, 환 경미생물, 농업미생물, 극한미생물 등의 유전자 연구에 대한 집 중적인 투자로 인간게놈 연구에서의 낙후성을 만회할 수 있을 것으로 기대된다. 이 글에서는 전 세계 미생물 유전체 연구 현 황을 파악하고 앞으로 연구결과의 이용 가능성을 예측해 보며, 또한 해양미생물의 유전체 연구 현황과 우리나라의 유전체 연구 상황을 살펴보고자 한다.
지금까지 미생물 유전체 연구 현황에 대하여 알아보았다. 미 생물의 산업적 이용 가능성 때문에 앞으로 더 많은 미생물 특 히 아직까지 중요도가 알려지지 않은 미이용 미생물의 연구가 점차 활발해 질 것으로 기대된다.

성능/효과

그 중 대표적인 미생물은 다음과 같다 우선 병원균으로 위벽 기생 병원균인 Helicobacter pylori, 이 유전체 정보는 전 세계 의약시장의 50억 달러 정도를 차지하는 소화성 궤양의 진단과 백신 및 치료제 개발에 획기적 기여를 할 것으로 기대되고 있 다. 급성 인후염, 성홍열, 중이염, 뇌막염, 복막염, 폐렴, 단독, 산욕열, 농가진, 급성 사구체신염, 류마티스 심장병의 원인균인 Streptococcus pyogenes, 매독균인 Treponema pallidum 등의 병원균이 분석되었다. 피부 화농균 Staphylococcus aureus, 폐 렴균 Mycoplasma pneumoniae, 호흡기 병원균 Haemophilus influenzae, 사람의 Lyme disease를 유발하는 병원균 Borrelia burgdorferi, 그리고 오렌지, 아몬드 협죽도와 같이 경제성 있는 식물의 병원균 Xylella Mstidiosa도 연구되었다.
생물정화 담당 미생물로는 오염물질을 취급한 공장 폐수에서 중금속 제거에 이용될 것으로 기대되는 CaiHobacter crescen ts, 방사능 수준이 극히 높은 환경에서 생존하며 방사능 오염 물질을 정화시키기 위한 DNA-수선 능력을 보유한 DEmcoccze radiodurms의 전체 염기서열이 발표되었다. 이밖에도 poly chlorinated biphenyls(PCBs)의 뛰어난 분해자인 Burkholderia cepacia, 위험한 용매인 trichloroethene를 분해하여 위험하지 않은 물질로 전환시키는 Dehalococcoides ethenogenes, 살충 제에 들어있는 유기염화화합물과 같은 오염물질의 분해하는 Desulfitobacterium hafniense DCB2, 금속과 황산염을 환원시 키는 Desulfovibrio vulgaris, 철이나 우라늄을 포함한 다양한 금속을 제거하는 Geobacter sulfurreducens, 물질대사가 다양 하여 styrene, TNT 및 다환방향족 탄화수소(PA-H) 와 같은 오 염물질을 제거하는 Pseudomonas flu아아is PFO-2, 다양한 종류의 중금속을 세포 표면에 축적시킴으로써 강력한 중금속 생 물정화 가능성을 보이는 Ralstonia metallidurans CH₃₄, 유기 폐기물을 분해하고 독성 금속 물질의 흡착 또는 감소 유발하는 Shewanella oneidensis, 독성 유기 폐기물의 분해와 독성 금속 의 흡착이 가능한 ShewaneHa putrefaciens, 철과 황합물을 흡 착하여 광업에 이용 가능한 Thiobacillus ferrooxidans 등이 있 다 이들 생물의 전체 게놈을 통해 부식물이나 독성 유기 오염 물질, 독성 금속이나 방사능 폐기물을 불용성 형태로 전환함으로 써 이들을 제거하는 방법을 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있다

후속연구

인간 유전체 기능연구 사업단에서 위암이나 위염과 관련이 깊은 것으로 알려진 Helicobacter pylori염기서열을 연구시작 2개월만에 95%이상 분석. 1차 초안 및 고해상도 지 도를 완성해 놓았다 또한 서울대학교 실험실에서 창업한 마크 로젠이 미국 셀레라사처럼 컴퓨터를 통한 랜덤 샷건(Random Shotgun)방식을 주축으로 대체에너지 산업분야에서 연구가 진 행되어 온 알코올 발효균주인 Zymomonas mobilis■의 전체 염 기 서열을 해독하였다 이 균주는 빠른 당대사를 유지하며 포도 당 등 에너지원의 2-2.6%는 자체 생육에, 나머지 98%는 에탄 올과 CO₂생산에 사용하며 발효조건에 따라 다양한 부산물을 생 성시켜 혈장 대용제, 면역제 등과 같은 의약품 생산분야 등에 응용될 수 있어 마크로젠은 앞으로 칩 개발 및 특허화를 진행 할 계획이다. 한편, 대덕 바이오커뮤니티에 자리잡은 제노텍은 Bacillus 균의 염기서열을 해독하고 있다.
한편 유용 가능한 고세균 유전체도 상당히 분석되고 있다 호 열성 미생물 가운데 하나인 Thermoplasma acidophilum^ pH 2의 산성 조건과 섭씨 59도의 높은 온도에서 세포벽이라는 방 어장치가 없이도 잘 자랄 수 있다 해저 8, 000 피트의 심해저 열수구에서 채집한 고세균 Methanococcus jannaschii^: 일반 생물체의 생존에 필수적인 태양광선이나 산소 유기탄수화물이 없는 환경에서 생존한다 고세균은 극한 환경에서도 생존 가능 하므로 extremophiles(extreme-loving organisms) 라고 불리며 극한 환경 에서도 화학 반응을 효과적으로 유발하는 효소extremozyme) 를 보유하여 새로운 바이오 산업에서의 이용이 기대되고 있다 고세균인 Archaeoglobus fulgidus와 세균인 Thermotoga maritima은 물의 끓는 점 이상의 온도에서도 생존할 수 있으므로 고온에 안정한 효소를 보유하고 있으며 이들은 폐기물을 유용한 화학물질로 전환하는 공정에 이용할 수 있다. Archaeoglobus fulgidus은 깊은 유정내의 고압에서도 생존하며, Thermotoga mwitima은 지구상에 가장 풍부한 바이오폴리머인 간단한 포도 당이나 자당(sucrose) 그리고 복잡한 전분이나 xylan, cellulose 등의 탄수화물 물질대사에 관여하므로 이들을 이용하여 재생 가 능한 에너지원인 에탄올 등의 연료를 생산할 수 있을 것으로 기 대된다. Pyrobaculum aerophilum^ 해저 열수구에서 채집한 고 세균으로 생물체가 견딜 수 있는 한계인 113°C에 가까운 온도 에서 생존할 수 있고 호기성 환경에서도 살 수 있어 실험실에서 쉽게 배양할 수 있으며, hyperthermophilic genome0]] 의해 만 들어진 단백질들은 매우 안정적이다.
다양한 미생물의 유전체 정보가 알려질 때 특정한 생 리현상에 관련된 유전자 산물의 상호관계를 보다 자세히 알 수 있을 것이며, gene knockout, DNA array, proteomics 등의 연 구에 이용되어 그 기능이 알려지지 않은 유전자의 비밀을 밝힐 수 있기 때문이다. 각종 병원균의 유전체 정보는 미생물 유래 병에 관련된 새로운 유전자나 감염기작, 치료 방법 등을 찾는데 도움을 줄 것이다. 또한 극한 미생물의 유전체 정보는 방사능, 산화 조건, 고염, 고온 또는 저온, 강산 또는 강알칼리와 같은 특수한 환경에 생물이 적응할 수 있었던 유전 기작의 이해와 응 용에 도움을 줄 것이다.
또한 극한 미생물의 유전체 정보는 방사능, 산화 조건, 고염, 고온 또는 저온, 강산 또는 강알칼리와 같은 특수한 환경에 생물이 적응할 수 있었던 유전 기작의 이해와 응 용에 도움을 줄 것이다. 궁극적으로 우리가 한 생명체의 모든 유전정보를 알아내는 일은 각종 생명 현상을 이해와 의학, 약학, 농학, 식품 및 발효산업의 발전에 크게 기여할 것이다. 인간이 궁극적으로 추구하는 질병 없는 장수의 꿈과 식랴 환경, 에너 지문제 해결의 열쇠가 생명체 안에 있다고 믿기 때문이다.
그런데 자연환경의 미생물 중 에서 실험실 내의 배양이 가능한 종은 1% 미만이므로 나머지 99% 정도의 배양되지 않은 미생물의 유전체를 활용하기 위해 서는 새로운 분리배양 기법의 개발이 선결되어야 할 것이다. 그 래도 배양이 어려운 배양불가균주(viable but not culturable, VBNC)의 유전체 연구를 수행하기 위해서는 PFGE(Pulsed Field Gel Electrophoresis)와 BAC(Bacterial Artificial Chromosome) 벡터 등을 이용하여 고분자량 유전체를 확보하는 등의 새로운 기법을 도입하여야 할 것이다. 생물자원의 확보가 생명공학 산 업에서 원천기술의 확보로 인식되는 이때.
연구비도 미국의 경우 연간 1조원에 달하지만 우리는 10억원 규모이다. 다만 우리나라도 2002년까지 바이오 산업 펀드를 1.0()0억원 규모로 확충하기로 하고 바이오산업을 정보 통신산업에 이은 '21 세기 주력 성장산업'으로 선정해 범정부 차 원의 투자, 육성 정책을 펴나가겠다고 하므로 앞으로 유용 미생 물 유전체 연구도 활발해 질 것으로 기대된다
그러나 아직까지 전체 해양 미생물 중 극히 일부분만이 연구된 실정이며 유전체 연구에서도 크게 주목받지 못하고 있다. 따라서 앞으로 해양미생물을 이용하기 위해서는 이 들의 생물다양성을 확보하고 유전자원을 분리하며 이용가능한 방 법을 찾는 기술의 개발이 절대적으로 필요하다. 특히 연안 연 근해.
각종 병원균의 유전체 정보는 미생물 유래 병에 관련된 새로운 유전자나 감염기작, 치료 방법 등을 찾는데 도움을 줄 것이다. 또한 극한 미생물의 유전체 정보는 방사능, 산화 조건, 고염, 고온 또는 저온, 강산 또는 강알칼리와 같은 특수한 환경에 생물이 적응할 수 있었던 유전 기작의 이해와 응 용에 도움을 줄 것이다. 궁극적으로 우리가 한 생명체의 모든 유전정보를 알아내는 일은 각종 생명 현상을 이해와 의학, 약학, 농학, 식품 및 발효산업의 발전에 크게 기여할 것이다.
지금까지 미생물 유전체 연구 현황에 대하여 알아보았다. 미 생물의 산업적 이용 가능성 때문에 앞으로 더 많은 미생물 특 히 아직까지 중요도가 알려지지 않은 미이용 미생물의 연구가 점차 활발해 질 것으로 기대된다. 그런데 자연환경의 미생물 중 에서 실험실 내의 배양이 가능한 종은 1% 미만이므로 나머지 99% 정도의 배양되지 않은 미생물의 유전체를 활용하기 위해 서는 새로운 분리배양 기법의 개발이 선결되어야 할 것이다.
따라서 미생물 유전체 연구는 이런 미생물의 지구 생태계 내의 역할을 이해하고 응용한다는 측면에서 수행되어야 할 것이다. 미생물은 유전정보량이 인 간 유전자처럼 방대한 규모가 아니므로 산업미생물, 병원균, 환 경미생물, 농업미생물, 극한미생물 등의 유전자 연구에 대한 집 중적인 투자로 인간게놈 연구에서의 낙후성을 만회할 수 있을 것으로 기대된다. 이 글에서는 전 세계 미생물 유전체 연구 현 황을 파악하고 앞으로 연구결과의 이용 가능성을 예측해 보며, 또한 해양미생물의 유전체 연구 현황과 우리나라의 유전체 연구 상황을 살펴보고자 한다.
생물자원의 확보가 생명공학 산 업에서 원천기술의 확보로 인식되는 이때. 우리나라에서만 서식 하는 고유 미생물자원과 각 국가 관할 영토 외의 지역에서 서 식하는 미생물 자원을 확보하고 이중 유용 생물자원의 유전체 정보를 선점함으로써 경쟁력을 높이는 것도 유전자 전쟁을 준비 하는 한가지 전략이 될 수 있을 것이다.
생물정화 담당 미생물로는 오염물질을 취급한 공장 폐수에서 중금속 제거에 이용될 것으로 기대되는 CaiHobacter crescen ts, 방사능 수준이 극히 높은 환경에서 생존하며 방사능 오염 물질을 정화시키기 위한 DNA-수선 능력을 보유한 DEmcoccze radiodurms의 전체 염기서열이 발표되었다. 이밖에도 poly chlorinated biphenyls(PCBs)의 뛰어난 분해자인 Burkholderia cepacia, 위험한 용매인 trichloroethene를 분해하여 위험하지 않은 물질로 전환시키는 Dehalococcoides ethenogenes, 살충 제에 들어있는 유기염화화합물과 같은 오염물질의 분해하는 Desulfitobacterium hafniense DCB2, 금속과 황산염을 환원시 키는 Desulfovibrio vulgaris, 철이나 우라늄을 포함한 다양한 금속을 제거하는 Geobacter sulfurreducens, 물질대사가 다양 하여 styrene, TNT 및 다환방향족 탄화수소(PA-H) 와 같은 오 염물질을 제거하는 Pseudomonas flu아아is PFO-2, 다양한 종류의 중금속을 세포 표면에 축적시킴으로써 강력한 중금속 생 물정화 가능성을 보이는 Ralstonia metallidurans CH₃₄, 유기 폐기물을 분해하고 독성 금속 물질의 흡착 또는 감소 유발하는 Shewanella oneidensis, 독성 유기 폐기물의 분해와 독성 금속 의 흡착이 가능한 ShewaneHa putrefaciens, 철과 황합물을 흡 착하여 광업에 이용 가능한 Thiobacillus ferrooxidans 등이 있 다 이들 생물의 전체 게놈을 통해 부식물이나 독성 유기 오염 물질, 독성 금속이나 방사능 폐기물을 불용성 형태로 전환함으로 써 이들을 제거하는 방법을 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있다
특히 연안 연 근해. 퇴적물, 해양생물체, 염전 등 기존의 다양한 해양환경뿐 아니라 심해, 열수구 남극이나 북극과 같은 극한환경에 서식하는 해양 미생물의 유전체 연구도 활성화되어야 할 것이다.
그러나 유전체 연구가 집중적인 연구비 투자가 요구되기 때문 에 전반적으로 미생물 유전체 연구는 미미한 실정이며 분석하고 있는 미생물 균주도 이미 외국에서 분석을 끝낸 것들이어서 국 내 생명공학 및 제약산업에서 좀더 빠른 시일 내에 효과를 거 둘 수 있는 경쟁력있는 새로운 균주의 확보와 유전체 연구가 절 실하다. 한편, 앞으로 유전체 연구의 목표를 전체 염기서열 분 석으로 할 것인지 아니면 연구 또는 이용목적에 부합하는 유전 자 군을 다룰 것인지에 대한 선택이 필요하다. 왜냐하면 기존의 염기서열 분석 결과 유전자 가운데 많은 부분이 다른 미생물과 매우 유사하기 때문이다.

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