[논문]식품분야에서 대사체 분석 기술의 활용

김현진

doi:10.23093/fsi.2012.45.2.36

식품분야에서 대사체 분석 기술의 활용
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문제 정의

식품의 기능성 측면 외에도 식품의 안전성, quality control 등 식품의 다양한 분야에서 대사체학의 적용이 시도되고 있으나 국내에서는 여러 가지 문제점들 때문에 크게 부각되고 있지 않은 실정이다. 따라서 본고에서는 식품분야에서의 대사체학의 응용 현황을 살펴봄으로써 식품 대사체학에 대한 자료를 제공하고자 한다.
NMR인 경우 기기 가격이 비싸고 감도가 떨어지고 시료의 양이 많이 필요하며 검출 가능한 물질이 한정되어 있다는 단점에도 불구하고 비파괴 검사로 분석시간이 짧고 resolution과 재연성이 높을 뿐만 아니라 대사체 database를 비롯한 다양한 분석 software가 잘 구축되어 있어서 대사체분석에 많이 사용되고 있다. 또한 분석된 대사체 구조에 자세한 정보를 제공해 줌으로써 미지의 대사체를 확인하는데도 쓰인다. GC/MS는 다른 기기와는 달리 시료를 유도체화 시켜야하고 분석시간이 길다는 단점을 갖고 있기는 하지만 감도와 재연성은 LC-MS보다 우수하고, 대사체 database 및 관련 분석 software가 잘 구축에 있으며 다른 기기에 비해 저렴하다는 장점을 갖고 있다.

제안 방법

예를 들어 메주가 발효되는 60일 동안 열수로 추출한 메주 발효 대사체들을 LC-MS를 분석한 결과 그림 3과 같은 결과를 얻었다 (6). 발효는 40일까지 급격하게 진행되었지만 40일과 60일된 메주의 대사체 profile에는 큰 변화가 없었으며 발효가 진행되면서 증가 또는 감소하는 대사체들을 동정한 후 메주 발효 pathway를 도출하였다. 메주 발효과정에 생성되는 많은 대사체들은 단백질, 탄수화물, 지방 등이 분해되어 생성되기도 하지만 일부 대사체들은 발효에 관여하는 미생물들에 의해 생성되는 by-products 인데 도출된 pathway가 이들의 생성을 잘 보여주고 있다.
대사체 추출물을 high-throughput analysis technology로 분석 한 스펙트럼 data를 분석하기 위해서는 MarkerLynx, Chenomx NMR, MATLAB 등 다양한 프로그램을 이용하여 data를 보정해 줌으로써 data의 오차를 줄여 잘못된 결과를 도출할 가능성을 낮게 한 다음 다변량통계분석을 이용하여 통계학적으로 data를 분석하게 되는데 주로 principal component analysis (PCA)와 partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) 방법이 주로 사용된다. 이들 프로그램은 분석된 data를 2차원 또는 3차원 공간에 시각화시켜줌으로 (scores plot) 비교 그룹간의 차이를 쉽게 구분할 수 있게 해줄 뿐만 아니라 비교 그룹간의 차이에 관여하는 대사물질들에 (loadings plot, Splot, line plot) 대한 정보를 제공해 준다 (1). 이들 주요 대사물질의 동정 및 관련 pathway 도출은 그림 2에서 보여주는 대사체 관련 database들을 활용할 수 있다.
대사체 분석은 그림 1에서 보는 바와 같이 동물, 사람, 세포, 식물, 식품자체 등에서 시료를 모은 다음 다양한 high-throughput analysis technology 분석기기를 이용하여 대사체들을 분석하고 분석된 data는 normalization, alignment, deconvolution 등의 data 보정과정을 거쳐 다변량통계분석 방법을 이용하여 통계분석을 한다. 통계분석을 통해 얻어진 data를 통해 관련 주요 대사체들 발굴하고 발굴된 대사체들을 이용하여 새로운 pathway를 도출한다. 이렇게 도출된 대사체들과 관련 pathway가 맞는지에 확인하기 위하여 시료에서 화학적, 생화학적, 분자생물학적인 방법들을 사용하여 검증하는 validation 과정을 거치게 된다.

대상 데이터

대사체 분석을 위해서는 한 번에 다량의 대사체들을 분석할 수 있는 능력을 갖춘 분석기기가 적합하며 주로 사용되는 기기는 nuclear magnetic resonance (NMR), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry(FT-ICR-MS), capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS), magnetic resonance imaging(MRI) 등이다. 이 중에서 가장 많이 사용되는 기기는 NMR, GC-MS, LC-MS로 이들 기기의 장단점을 표2에 요약하였다. NMR인 경우 기기 가격이 비싸고 감도가 떨어지고 시료의 양이 많이 필요하며 검출 가능한 물질이 한정되어 있다는 단점에도 불구하고 비파괴 검사로 분석시간이 짧고 resolution과 재연성이 높을 뿐만 아니라 대사체 database를 비롯한 다양한 분석 software가 잘 구축되어 있어서 대사체분석에 많이 사용되고 있다.

데이터처리

대사체 분석은 그림 1에서 보는 바와 같이 동물, 사람, 세포, 식물, 식품자체 등에서 시료를 모은 다음 다양한 high-throughput analysis technology 분석기기를 이용하여 대사체들을 분석하고 분석된 data는 normalization, alignment, deconvolution 등의 data 보정과정을 거쳐 다변량통계분석 방법을 이용하여 통계분석을 한다. 통계분석을 통해 얻어진 data를 통해 관련 주요 대사체들 발굴하고 발굴된 대사체들을 이용하여 새로운 pathway를 도출한다.

후속연구

특히 식품 관련 대사체 전문가는 거의 전무한 실정이다. 그럼에도 불구하고 식품산업이 개인 맞춤형, 기능성 식품, 표준화 등으로 가고 있기 때문에 다양한 식품분야에서 대사체 분석 기술이 활용이 앞으로 크게 증가할 것으로 사료된다. 특히, quality control, 특정 미생물 선발, 안전성, 건강 기능성 식품 등에서 그 활용도가 높을 것으로 사료된다.
또한 이들 대사체들의 변화를 통해 발효에 따른 메주의 영양적 관능적 quality를 확인 할 수 있으며 이를 통해 발효과정을 모니터링 할 수도 있다. 또한 우리나라의 전통 발효 식품들의 quality control를 위해서는 우선적으로 우수 균주를 확보해야 되는데 이때도 대사체 분석 기술이 활용될 수 있다. 스크리닝한 단일 균주로 발효식품을 제조한 후 발효식품의 대사체를 분석하고 quality와 어떤 상관성이 있는지를 확인함으로써 우수 균주를 선발하는데도 대사체 분석 기술이 활용되고 있으며 국내 식품업체 중에서는 CJ가 최근에 대사체 분석 기술을 이용한 제품의 quality control 시도하고 있는 것으로 알려지고 있다.
인간 유전자 지도가 완성되었을 때 많은 사람들은 암을 포함한 불치병을 치료할 수 있는 방법뿐만 아니라 생명을 연장시킬 수 있는 방법을 조만간 밝힐 수 있을 것으로 확신하였지만 십여 년이 지난 지금도 불치병 치료 및 생명 연장을 위한 수많은 연구가 진행 중에 있으며 많은 전문가들이 앞으로 적어도 30년은 더 연구가 진행되어야 이들 질병에 대한 치료가 가능할 것이라고 전망하고 있다. 과학자들은 유전체학 (genomics) 기술이 인간 유전자에 대한 많은 정보를 제공했음에도 불구하고 이 기술이 생명현상의 많은 부분을 이해하는데 많은 한계가 있음을 인식하게 되었고 genomics 연구를 보조할만한 새로운 기술들을 찾게 되었다.
그럼에도 불구하고 식품산업이 개인 맞춤형, 기능성 식품, 표준화 등으로 가고 있기 때문에 다양한 식품분야에서 대사체 분석 기술이 활용이 앞으로 크게 증가할 것으로 사료된다. 특히, quality control, 특정 미생물 선발, 안전성, 건강 기능성 식품 등에서 그 활용도가 높을 것으로 사료된다. 식품분야에서 대사체 분석 기술이 더 활성화되기 위해서는 앞에서 언급한 인프라 문제도 반드시 해결되어야 하겠지만 식품 산업 현장이나 교육 현장에 있는 분들의 높은 관심이 가장 우선적으로 필요할 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

대사체학의 생물학적 정의는?

생물학적으로 대사체학이란 high-throughput analysis technology (NMR, LC/MS, GC/MS 등)을 이용하여 다양한 유전적, 생리적, 또는 환경적 조건하에서 변화되어 나타나는 생체시료 (조직, 혈액, 소변, 타액, 머리카락 등) 및 세포시료 등에서 분자량 1,000 Da 이하의 저분자 대사물질들을 분석함으로써 생명현상의 변화 원인을 규명해 나가는 연구 분야로 이들 연구를 통해서 얻어진 결과들 자체 또는 유전자나 단백질 연구에서 얻어진 결과들과의 상호 연관성을 조사함으로써 생체에서 일어나는 여러 생리학적, 병리학적 발현에 관한 상당한 정보를 제공해 준다. 그러나 최근에는 이런 생물학적 정의에서 벗어나 다양한 분야에서 사용되고 있다 (1).

David Wishart는 식품과 관련된 어떤 분야에서 대사체학이 활용이 가능하다고 하였나?

동물, 식물, 미생물을 비롯한 다른 생물학적인 시료들에 대한 대사체학적인 접근방법과는 달리 식품분야에서 대사체학의 접근은 크게 식품 가공 중의 변화를 분석하는 부분과 식품 섭취에 따란 변화를 분석하는 부분으로 나눌 수 있으며 The Human Metabolome Project의 리더인 David Wishart에 의하면 대사체학은 4 분야에서 활용이 가능하다고 기술하고 있다 (5). 식품성분 분석, 식품의 진위판별, 식품섭취 후 주요 식품 성분의 체내 모니터링, 식품섭취 후 체내 대사체 변화 모니터링. 앞에 두 부분은 식품 가공 중 변화를 분석하는 분야이며 뒤의 두 부분은 식품 섭취와 관련된 분야로 흔히 영양대사체학(nutrimetabolomics) 이라고도 불린다.

대사체 분석기기 중 하나인 GC/MS의 장단점은?

또한 분석된 대사체 구조에 자세한 정보를 제공해 줌으로써 미지의 대사체를 확인하는데도 쓰인다. GC/MS는 다른 기기와는 달리 시료를 유도체화 시켜야하고 분석시간이 길다는 단점을 갖고 있기는 하지만 감도와 재연성은 LC-MS보다 우수하고, 대사체 database 및 관련 분석 software가 잘 구축에 있으며 다른 기기에 비해 저렴하다는 장점을 갖고 있다. 대사체 분석기기로 최근에 가장 많이 사용되고 있는 LC/MS는 기존의 HPLC 부분이 UPLC로 바뀌면서 분석시간이 많이 단축되었으며 필요한 시료의 양이 매우 적음에도 불구하고 가장 많은 수의 대사체들을 분석해 내고 있지만 다른 기기들에 비해 관련 database가 한정되어 있어서 미지의 대사체 동정은 쉽지 않다.

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