초록 ▼

□ 연구개요
복잡계 네트워크는 생명 현상을 시스템 전체 수준에서 분석할 수 있게 해주는 유용한 수학적 틀을 제시한다. 본 연구진은, 복잡계 네트워크 관점에서 접근해야 하는 생명 현상 중에서도, 인체 서식 미생물 군집의 연구에 초점을 맞추었다. 인체 서식 미생물 군집은 인체의 건강과 질병 상태에 큰 영향을 미치며, 메타유전체학의 발전과 더불어 관련 실험들이 급속히 진행되고 있다. 이렇게 실험 데이터가 빠르게 생산되고 있음에도, 이를 종합적, 이론적으로 분석할 방법론의 발전은 아직 미비하기만 하다. 본 연구진은 인체 서식 미생물

□ 연구개요
복잡계 네트워크는 생명 현상을 시스템 전체 수준에서 분석할 수 있게 해주는 유용한 수학적 틀을 제시한다. 본 연구진은, 복잡계 네트워크 관점에서 접근해야 하는 생명 현상 중에서도, 인체 서식 미생물 군집의 연구에 초점을 맞추었다. 인체 서식 미생물 군집은 인체의 건강과 질병 상태에 큰 영향을 미치며, 메타유전체학의 발전과 더불어 관련 실험들이 급속히 진행되고 있다. 이렇게 실험 데이터가 빠르게 생산되고 있음에도, 이를 종합적, 이론적으로 분석할 방법론의 발전은 아직 미비하기만 하다. 본 연구진은 인체 서식 미생물 군집에서 일어나는 대규모의 상호작용을 복잡계 네트워크 관점에서 연구하여, 해당 미생물 군집에 대해 단순히 관측 중심인 기존의 연구 동향을 탈피해서, 시스템전체 수준에서 기작 중심의 이해와 예측력을 구하는 데에 앞장서고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
애초 목표로 하였던 연구 계획의 대부분이 본 연구과제의 성과로 도출되었다. 장내 미생물 군집의 상호작용 네트워크를 확장 구축하였고, 이렇게 확장 구축한 미생물 군집 네트워크 위에서의 미생물 개체수 동역학 기술을 위한 수학적 방법론을 선택하였다. 해당 수학적 방법론은, KBase를 통해 자동으로 구축한 genome annotation 중심의 대사 전산 모델에 미생물 군집 네트워크의 문헌 정보를 합친 후 모델을 curation하고 이를 통하여 장내환경에서 중요한 각 기능별 그룹으로 추려진 미생물 종들에 모델 구축을 집중하는 방법이다. 그 이후 해당 미생물의 생장 곡선과 유사한 결과를 재현하도록 매개변수를 선택하고, 혹은 flux vadiability analysis를 통하여 가능한 매개변수의 범위를 screening하여 그 중 적절한 값을 선택하였다. 이 모든 모델들을 동일한 media condition에서 세포 사이의 상호작용을 기술하는 미분방정식을 통하여 dynamic flux balance analysis로 전산모사하였고, 네트워크 상에서 미생물 개체수가 취할 수 있는 상태공간 상의 여러 동역학적 끌개들에 대하여 특정 끌개에서 다른 끌개로 전이를 시킬 때 외부에서 가해야하는 최소한의 섭동을 각종 host의 식습관과 장 내로 유입되는 식재료의 조합을 통하여 추정하였다. 다만, 연구책임자의 외국 기관 이직으로 2018년 2월에 본 연구과제가 해약됨에 따라, 애초 연구계획의 실행 중 일부는 미완으로 남게 되었다. 본 연구과제는 세계적으로 저명한 과학 학술지인 Nature Communications를 비롯한 다수의 국제 학술지에 해당 연구성과들을 게제하였다 [Nat. Commun. 8, 15393; PLOS Comput. Biol. 12, e1004748; Sci. Rep. 8, 4344; Appl. Transl. Genomics 10, 10].

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구는 과학적으로 흥미있고 응용적 측면에서도 중요한 생체시스템의 대규모 네트워크를 대상으로 하였다. 기존의 연구 동향에 대한 근본적 문제 의식울 가지고 이를 해결하기 위한 대범한 연구 계획을 통해 얻어진 본 연구 결과는, 혁신성 높은 연구 성과의 추가 창출을 통한 차세대 지식 생산에 기여하게 될 것이다. 이 연구 결과는 통계물리학과 복잡계 물리학의 방법론이 생체시스템에 대한 유용한 분석 도구의 제시로 이어졌다는 점에서, 이에서 발전한 다양한 후속연구를 촉발시키는 계기를 만들 것이다. 그리고 이 연구 성과는, 인체의 건강 개선 및 면역계, 신경계, 대사관련 질병 치료에 도움이 될 프로바이오틱스와 프리바이오틱스의 체계적 발굴에 도움이 되는 이론적 토대의 마련을 궁극적으로 촉진시키게 될 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 9
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 대표적 연구실적 ... 13
• 끝페이지 ... 24