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 [2023 바이오 미래유망기술(하)] 토양 마이크로바이옴 연구 개발동향 및 전망

홍수린 / 차의과학대학교 생명과학부 교수

◈ 목차

1. 개요

2. 연구개발 동향 및 전망

가. 해외 연구 동향

나. 국내 연구 동향

3. 결론 및 시사점

◈본문

1. 개요

마이크로바이옴(microbiome)은 미생물 군집(microbiota)과 유전체(genome)의 합성어로 인간, 동물, 식물, 토양, 바다, 대기 등에 공존하는 박테리아, 바이러스, 곰팡이 등의 미생물 군집과 유전체를 의미한다. 인체 생물학적 관점에서 마이크로바이옴은 피부, 호흡기, 생식기, 위장관 등 우리 몸의 다양한 부위에 서식하며 개인적인 특징을 가지고 건강상태에 중요한 영향을 미친다고 알려지면서 개인 맞춤형 치료법 개발과 같은 관련 연구가 빠르게 성장하였다.

[그림 1] NIH 휴먼 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Project) 단계

출처 : The Integrative HMP(iHMP) Research Network Consortium, Nature 569: 641-648 (2019)

미국은 2008년부터 국립보건원(NIH) 주도로 생체 내 또는 표면에 서식하는 미생물 군집체를 종합적으로 탐구하는 것을 목표로 휴먼 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Project)를 시작하여 마이크로바이옴 관련 연구 기반을 구축하였다. 이 프로젝트를 통하여 다양한 인체 부위에서 미생물 군집체의 유전자 서열을 분석하여 미생물의 다양성과 역할을 탐구하였으며, 이들이 소화, 면역, 영양 흡수, 대사 등에 미치는 영향을 탐색하면서 인간의 건강 유지와 질병 발생과의 관련성을 알아내는 데 중점을 두었다.

[그림 2] 통합된 마이크로바이옴 이니셔티브의 잠재적 영향들

출처 : Diana Swantek, News from Berkeley Lab “Berkley Lab Participates in New National Microbiome Initiative(2016)

이러한 연구성과에 힘입어 마이크로바이옴 연구가 인간의 건강은 물론이고 농업, 환경 분야에서 가지는 엄청난 잠재력을 인식하면서, 미생물을 구성하는 물질과 이들이 만드는 다양한 대사물질뿐 아니라 서식 환경까지 포함하는 마이크로바이옴의 의미가 확장되었다. 미생물체의 잠재력을 탐색하고 다양한 분야에서 마이크로바이옴 연구개발을 발전시키는 것을 목표로 미국 정부는 2016년 국가 마이크로바이옴 이니셔티브(National Microbiome Initiative)를 발표하고 다양한 분야의 연구와 협력을 추진하고 있다.

특히 최근 가속화되는 기후변화와 환경오염에 대응하고 지구 생태계의 건강한 보존과 복원을 위한 노력의 한 분야로 토양 마이크로바이옴에 대한 이해와 연구의 필요성이 대두되고 있다. 토양 마이크로바이옴은 토양 환경에서 서식하는 박테리아, 곰팡이, 원생동물, 바이러스 등 다양한 미생물 군집체를 의미한다. 토양은 생물 다양성과 생태계의 중요한 부분으로 미생물들이 토양에서 상호작용하며 토양의 건강과 생태계의 기능에 영향을 미치며 토양 생태계의 안정성을 유지하는데 중요한 역할을 한다.

또한 농업 생산성에도 중요한 영향을 미치는데, 유익한 미생물 군집체는 식물의 영양 흡수를 돕고 식물 생장을 촉진하며, 작물의 병‧해충 및 병원체에 대항하는 자연적인 방어 체계를 형성하는 데 큰 역할을 한다. 따라서 토양 마이크로바이옴 연구는 농업, 생태학, 환경보전 등 다양한 분야에서 중요한 관심사이며 토양 생태계와 그 안에 존재하는 미생물 군집체의 이해는 지속 가능한 자연생태계의 보전에 중요한 기술로서 그 연구 분야는 계속해서 진화하고 있다.

2. 연구개발 동향 및 전망

가. 해외 연구 동향

토양 마이크로바이옴 연구는 미생물체의 광범위한 다양성을 이해하는 것으로부터 출발한다. 다양한 토양 유형과 지역에서 존재하는 미생물의 다양성을 조사하고, 이를 통해 토양 생태계의 구성과 기능에 대한 이해를 확대하고 있다. 유전체 염기서열 분석기술의 발전은 토양 마이크로바이옴 연구에 혁신적인 전환을 가져왔다. 대용량 유전체의 염기서열 분석을 통해 토양 미생물체의 유전 정보를 빠르고 정확하게 분석할 수 있으며, 분석 결과를 통해 미생물의 다양성, 기능, 상호작용에 대한 탐구가 진행되고 있다.

다양하고 복잡한 미생물체가 생태계 기능에 어떻게 영향을 미치는지는 여전히 명확하지 않지만, 실험용 초원 생태계를 설계하고 토양 미생물체를 조작하여 미생물체의 다양성과 네트워크 복잡성이 영양소 순환과 관련한 여러 생태계 기능에 긍정적인 영향을 미치고 있다는 것을 밝혀냈다. 이는 곰팡이와 세균 군집체 내부 및 군집체 간의 미생물 상호작용이 생태계 성능 향상에 중요하다는 것을 나타낸다.

[그림 3] 토양 마이크로바이옴 네트워크 복잡성과 다기능성 간의 관계

출처 : Nature Communications 10:4841 (2019)

...................(계속)

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