PubMed 문헌 분석을 통한 한약재 네트워크 다차원 분석 시스템 개발 Development of Medical Herbs Network Multidimensional Analysis System through Literature Analysis on PubMed원문보기
최근 유전체학의 발전, 웨어러블 디바이스의 확산, IT/NT의 발전 등에 따라 방대한 양의 바이오-메디컬 데이터가 생산되고, 이에 따라 빅데이터를 활용한 헬스케어 산업이 급속히 발달하고 있으며, 이와 관련된 빅데이터 기술은 국민의 건강 증대와 건강한 고령 삶을 제공하는 핵심 기술로 급부상하고 있다. 또한, 한의학에 대한 과학적 접근이 진행되면서 한약재 성분의 효능을 검증하고자 하는 다양한 분자 생물학 분야의 연구가 진행되고 있다. 하지만 관련 한약재의 주요 성분과 관련된 생화학적 기작을 손쉽게 검색할 수 있는 시스템이 갖추어져 있지 못한 실정이다. 그래서 본 논문에서는 PubMed로부터 한약재와 관련된 논문들을 수집후, 수집된 논문들에 대한 문헌 분석을 통해 추출된 한약재 관련 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보를 저장 및 관리하는 한약재 정보 데이터베이스를 구축했다. 또한, 연구자들에게 구축한 한약재 정보 데이터베이스에 대한 직관적 분석을 제공하기 위해 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보간 계층구조를 기반으로 네트워크를 구성 후, 해당 네트워크에 대한 다차원 분석을 제공하는 시스템을 개발했다. 마지막으로, 본 시스템은 향후 다양한 한약재 성분의 효능 및 생물학적 기작을 파악하는데 중요한 도구로 활용될 것으로 기대한다.
최근 유전체학의 발전, 웨어러블 디바이스의 확산, IT/NT의 발전 등에 따라 방대한 양의 바이오-메디컬 데이터가 생산되고, 이에 따라 빅데이터를 활용한 헬스케어 산업이 급속히 발달하고 있으며, 이와 관련된 빅데이터 기술은 국민의 건강 증대와 건강한 고령 삶을 제공하는 핵심 기술로 급부상하고 있다. 또한, 한의학에 대한 과학적 접근이 진행되면서 한약재 성분의 효능을 검증하고자 하는 다양한 분자 생물학 분야의 연구가 진행되고 있다. 하지만 관련 한약재의 주요 성분과 관련된 생화학적 기작을 손쉽게 검색할 수 있는 시스템이 갖추어져 있지 못한 실정이다. 그래서 본 논문에서는 PubMed로부터 한약재와 관련된 논문들을 수집후, 수집된 논문들에 대한 문헌 분석을 통해 추출된 한약재 관련 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보를 저장 및 관리하는 한약재 정보 데이터베이스를 구축했다. 또한, 연구자들에게 구축한 한약재 정보 데이터베이스에 대한 직관적 분석을 제공하기 위해 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보간 계층구조를 기반으로 네트워크를 구성 후, 해당 네트워크에 대한 다차원 분석을 제공하는 시스템을 개발했다. 마지막으로, 본 시스템은 향후 다양한 한약재 성분의 효능 및 생물학적 기작을 파악하는데 중요한 도구로 활용될 것으로 기대한다.
With the development of genomics, wearable device and IT/NT, a vast amount of bio-medical data are generated recently. Also, healthcare industries based on big-data are booming and big-data technology based on bio-medical data is rising rapidly as a core technology for improving the national health ...
With the development of genomics, wearable device and IT/NT, a vast amount of bio-medical data are generated recently. Also, healthcare industries based on big-data are booming and big-data technology based on bio-medical data is rising rapidly as a core technology for improving the national health and aged society. Also, oriental medicine research is focused with modern research technology and validate it's various biochemical effect by combining with molecular biology technology. However there are few searching system for finding biochemical mechanism which is related to major compounds in oriental medicine. Therefore, in this paper, we collected papers related with medical herbs from PubMed and constructed a medical herbs database to store and manage chemical, gene/protein and biological interaction information extracted by a literature analysis on the papers. Also, to supporting a multidimensional analysis on the database, we developed a network analysis system based on a hierarchy structure of chemical, gene/protein and biological interaction information. Finally, we expect this system will be used the major tool to discover various biochemical effect by combining with molecular biology technology.
With the development of genomics, wearable device and IT/NT, a vast amount of bio-medical data are generated recently. Also, healthcare industries based on big-data are booming and big-data technology based on bio-medical data is rising rapidly as a core technology for improving the national health and aged society. Also, oriental medicine research is focused with modern research technology and validate it's various biochemical effect by combining with molecular biology technology. However there are few searching system for finding biochemical mechanism which is related to major compounds in oriental medicine. Therefore, in this paper, we collected papers related with medical herbs from PubMed and constructed a medical herbs database to store and manage chemical, gene/protein and biological interaction information extracted by a literature analysis on the papers. Also, to supporting a multidimensional analysis on the database, we developed a network analysis system based on a hierarchy structure of chemical, gene/protein and biological interaction information. Finally, we expect this system will be used the major tool to discover various biochemical effect by combining with molecular biology technology.
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문제 정의
그래서 본 논문에서는 PubMed[11]로부터 한약재와 관련된 논문들을 수집후, 수집된 논문들에 대한 문헌 분석을 통해 추출된 한약재 관련 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보를 저장 및 관리하는 한약재 정보 데이터베이스를 구축했다. 또한, 연구자들에게 구축한 한약재 정보 데이터베이스에 대한 직관적 분석을 제공하기 위해 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보 간 계층구조를 기반으로 네트워크를 구성 후, 해당 네트워크에 대한 다차원 분석을 제공하는 시스템을 개발했다.
본 연구에서는 최신의 텍스트마이닝 기술을 통합하여 한의약 분야 문헌 분석을 손쉽게 수행할 수 있는 분석 시스템을 개발하였으며, 한의학 약재 448개를 대상으로 관련된 약재 정보와 생물학적 상호작용 정보를 추출하여 통합 데이터베이스를 구축하였다. 또한 연구자가 직관적으로 생물학적 네트워크 정보를 분석할 수 있도록 생물학적 네트워크 가시화 도구를 최신 웹 기술을 활용하여 개발하였다.
제안 방법
구축한 한약재 정보 데이터베이스(Medical Herbs Database)는 [그림 8]과 같이 한약재 기본 정보를 저장하는 KHERBS 테이블, 한약재별 화합물, 유전자/단백질, 생물학적 상호작용 정보를 저장하는 KHERB_RELATION 테이블 그리고 KHERB_RELATION 테이블에 저장된 정보가 추출된 PubMed 논문의 메타정보를 저장하는 PUBMED 테이블로 구성된다.
본 연구에서는 최신의 텍스트마이닝 기술을 통합하여 한의약 분야 문헌 분석을 손쉽게 수행할 수 있는 분석 시스템을 개발하였으며, 한의학 약재 448개를 대상으로 관련된 약재 정보와 생물학적 상호작용 정보를 추출하여 통합 데이터베이스를 구축하였다. 또한 연구자가 직관적으로 생물학적 네트워크 정보를 분석할 수 있도록 생물학적 네트워크 가시화 도구를 최신 웹 기술을 활용하여 개발하였다. 현재 신약의 개발 속도가 정체되고 있어서 한의학 약재를 대상으로 신규 약효 성분의 중요성이 증가하고 있는 실정이다.
그래서 본 논문에서는 PubMed[11]로부터 한약재와 관련된 논문들을 수집후, 수집된 논문들에 대한 문헌 분석을 통해 추출된 한약재 관련 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보를 저장 및 관리하는 한약재 정보 데이터베이스를 구축했다. 또한, 연구자들에게 구축한 한약재 정보 데이터베이스에 대한 직관적 분석을 제공하기 위해 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보 간 계층구조를 기반으로 네트워크를 구성 후, 해당 네트워크에 대한 다차원 분석을 제공하는 시스템을 개발했다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문에서는 문헌 분석의 결과물에 대한 정확한 검증을 위해서 직접 수작업을 통해 문헌 분석 결과를 큐레이션 하였다. 큐레이터는 생명과학분야 석사 이상의 학력자 2명으로 구성하였다.
대상 데이터
한약재 정보 데이터베이스는 PubMed Crawler와 PubMed Parser를 통해 구축된다. PubMed Crawler는 한국한의학연구원에서 보유하고 있는 다양한 한의학 데이터베이스와 대한약전 그리고 생약규격집 등 현재 한의학 연구에서 많이 활용되고 있는 총 448개의 한약재 정보를 초록(Abstract)에 포함하는 PubMed 내 모든 논문에 대한 PubMed ID, 제목, 초록 그리고 게재일을 수집한다. 현재 총 448개의 한약재 정보에 대해 PubMed Crawler를 통해 수집된 PubMed 초록은 총 17,398건이다.
PubMed Parser는 수집된 PubMed 초록으로부터 한약재와 관련된 화합물, 유전자/단백질 그리고 생물학적 상호작용 정보를 추출해 Medical Herbs Database에 저장한다, 화합물 정보는 오픈 소스 개체명인식 도구인 OSCAR4(Open-Source Chemistry Routines4)[13]를 활용해 추출하였고, 수집된 화합물은 총 95,925건이다. [표 1]은 가장 많이 추출된 상위 5개의 화합물과 초록 문장 건수를 보여준다.
PubMed Parser는 수집된 PubMed 초록으로부터 한약재와 관련된 화합물, 유전자/단백질에 대한 생물학적 상호작용 정보를 추출하기 위해서 MetaMap[15]을 활용해 추출하였고, 수집된 생물학적 상호작용 정보는 총 29,479건이다. Metamap은 현재 NCBI에서 연구 개발 중인 생물학적 용어사전을 기반으로 한 의미 추출 도구로, 생물학적 용어를 약 130개의 온톨로지로 분류하여 생물학적 의미를 추출한다.
현재 생물학적 상호작용 정보를 가장 많이 구성하는 정보는 단백질-단백질 또는 단백질-유전자 간의 상호 작용 정보로, 한약재 네트워크 다차원 분석을 위해서는 한약재와 관련된 단백질과 유전자 정보를 추출하는 것은 매우 중요하다. PubMed Parser는 통계기법을 활용하여 유전자/단백질 및 세포 정보를 추출하는 도구인 Abner[14]를 활용해 추출하였고, 수집된 유전자/단백질은 총 21,962 건이다. [표 2]는 가장 많이 추출된 상위 5개의 단백질/유전자와 초록 문장 건수를 보여준다.
본 논문에서 개발한 한약재 네트워크 다차원 분석 시스템은 [그림 6]과 같이 PubMed Crawler, PubMed Parser, Medical Herbs Database, Network Analyzer 그리고 Network Viewer로 구성되어 있다.
큐레이터는 생명과학분야 석사 이상의 학력자 2명으로 구성하였다. 큐레이션은 추출된 화합물, 유전자/단백질에 대한 생물학적 상호작용 정보 총 29,479 건의 결과에 대해 수행했다. [표 6]은 큐레이션을 통해 수정할 수 없는 추출 결과의 예로, 추출 대상 문장 내 관계를 나타내는 화합물, 유전자/단백질이 없는 경우 또는 관계 타입이 화합물 반응(chemical reaction) 즉 유전자/단백질 간의 관계를 설명하지 못하는 대사적 관계로 총 1,705 건에 대해서는 전혀 잘못된 텍스트마이닝 결과를 얻었음을 확인했다.
본 논문에서는 문헌 분석의 결과물에 대한 정확한 검증을 위해서 직접 수작업을 통해 문헌 분석 결과를 큐레이션 하였다. 큐레이터는 생명과학분야 석사 이상의 학력자 2명으로 구성하였다. 큐레이션은 추출된 화합물, 유전자/단백질에 대한 생물학적 상호작용 정보 총 29,479 건의 결과에 대해 수행했다.
PubMed Crawler는 한국한의학연구원에서 보유하고 있는 다양한 한의학 데이터베이스와 대한약전 그리고 생약규격집 등 현재 한의학 연구에서 많이 활용되고 있는 총 448개의 한약재 정보를 초록(Abstract)에 포함하는 PubMed 내 모든 논문에 대한 PubMed ID, 제목, 초록 그리고 게재일을 수집한다. 현재 총 448개의 한약재 정보에 대해 PubMed Crawler를 통해 수집된 PubMed 초록은 총 17,398건이다.
성능/효과
즉, 본 시스템의 총 448 건에 대한 한약재 관련 생물학적 상호작용 정보 추출 정확도는 89%이고, 큐레이션을 통해 총 27,774 건의 한약재 관련 생물학적 상호작용 정보를 제공한다.
후속연구
향후 연구로는 대용량 생물학적 네트워크 내에서 사용자가 관심을 갖는 서브 네트워크 및 유사 네트워크를 효율적으로 탐색하는 기능을 추가할 계획이다. 또한, 오픈 소스 기반의 바이오 네트워크 분석 시스템이 있다면 그들과의 성능 평가를 통해 본 논문에서 개발한 시스템의 우수성을 보다 명확하게 입증할 계획이다.
현재 신약의 개발 속도가 정체되고 있어서 한의학 약재를 대상으로 신규 약효 성분의 중요성이 증가하고 있는 실정이다. 이에 본 시스템은 향후 다양한 한의학 분야 약재 성분의 효능 및 생물학적 기작을 파악하는데 중요한 도구로 활용될 것으로 기대한다. 하지만, 연구자들이 본 연구에서 개발한 시스템을 현업에서 활용하기 위해서는 좀 더 연구에 도움을 줄 수 있는 고차원 네트워크 분석 기능 제공이 요구되며, 개발한 시스템에 대한 신뢰성 확보가 요구된다.
이에 본 시스템은 향후 다양한 한의학 분야 약재 성분의 효능 및 생물학적 기작을 파악하는데 중요한 도구로 활용될 것으로 기대한다. 하지만, 연구자들이 본 연구에서 개발한 시스템을 현업에서 활용하기 위해서는 좀 더 연구에 도움을 줄 수 있는 고차원 네트워크 분석 기능 제공이 요구되며, 개발한 시스템에 대한 신뢰성 확보가 요구된다. 향후 연구로는 대용량 생물학적 네트워크 내에서 사용자가 관심을 갖는 서브 네트워크 및 유사 네트워크를 효율적으로 탐색하는 기능을 추가할 계획이다.
하지만, 연구자들이 본 연구에서 개발한 시스템을 현업에서 활용하기 위해서는 좀 더 연구에 도움을 줄 수 있는 고차원 네트워크 분석 기능 제공이 요구되며, 개발한 시스템에 대한 신뢰성 확보가 요구된다. 향후 연구로는 대용량 생물학적 네트워크 내에서 사용자가 관심을 갖는 서브 네트워크 및 유사 네트워크를 효율적으로 탐색하는 기능을 추가할 계획이다. 또한, 오픈 소스 기반의 바이오 네트워크 분석 시스템이 있다면 그들과의 성능 평가를 통해 본 논문에서 개발한 시스템의 우수성을 보다 명확하게 입증할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한약재 성분의 효능을 검증하기 위한 한약재 주요 성분의 생화학적 기작을 검색할 수 있는 방법이 있는가?
또한, 한의학에 대한 과학적 접근이 진행되면서 한약재 성분의 효능을 검증하고자 하는 다양한 분자 생물학 분야의 연구가 진행되고 있다. 하지만 관련 한약재의 주요 성분과 관련된 생화학적 기작을 손쉽게 검색할 수 있는 시스템이 갖추어져 있지 못한 실정이다. 그래서 본 논문에서는 PubMed로부터 한약재와 관련된 논문들을 수집후, 수집된 논문들에 대한 문헌 분석을 통해 추출된 한약재 관련 화합물, 유전자 그리고 생물학적 상호작용 정보를 저장 및 관리하는 한약재 정보 데이터베이스를 구축했다.
방대한 양의 바이오-메디컬 데이터가 생산되는 이유는 무엇인가?
최근 유전체학의 발전, 웨어러블 디바이스의 확산, IT/NT의 발전 등에 따라 방대한 양의 바이오-메디컬 데이터가 생산되고, 이에 따라 빅데이터를 활용한 헬스케어 산업이 급속히 발달하고 있으며, 이와 관련된 빅데이터 기술은 국민의 건강 증대와 건강한 고령 삶을 제공하는 핵심 기술로 급부상하고 있다. 또한, 한의학에 대한 과학적 접근이 진행되면서 한약재 성분의 효능을 검증하고자 하는 다양한 분자 생물학 분야의 연구가 진행되고 있다.
한의학에 대한 과학적 접근에 따른 어떤 연구가 진행되는가?
최근 유전체학의 발전, 웨어러블 디바이스의 확산, IT/NT의 발전 등에 따라 방대한 양의 바이오-메디컬 데이터가 생산되고, 이에 따라 빅데이터를 활용한 헬스케어 산업이 급속히 발달하고 있으며, 이와 관련된 빅데이터 기술은 국민의 건강 증대와 건강한 고령 삶을 제공하는 핵심 기술로 급부상하고 있다. 또한, 한의학에 대한 과학적 접근이 진행되면서 한약재 성분의 효능을 검증하고자 하는 다양한 분자 생물학 분야의 연구가 진행되고 있다. 하지만 관련 한약재의 주요 성분과 관련된 생화학적 기작을 손쉽게 검색할 수 있는 시스템이 갖추어져 있지 못한 실정이다.
참고문헌 (15)
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