바이오인

출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)

 대사체학(Metabolomics)의 최근 연구 동향

목차

1. 서론
2. 대사체 전처리 및 추출법의 연구 동향
  2.1 전처리 기술
     2.1.1 시료 수집과 퀜칭(quenching)
     2.1.2 건조 및 저장
     2.1.3 균질화(homogenization)
  2.2 가장 많이 사용되는 추출법
     2.2.1 용매 기반 추출(solvent-based extraction)법
     2.2.2 마이크로파 추출(microwave-assisted extraction, MAE)법
     2.2.3 초임계 추출(supercritical fluid extraction, SFE)법
     2.2.4 고체상 추출(solid-phase extraction, SPE)법
     2.2.5 종합 추출(comprehensive extraction)법
3. 대사체학에서의 기기분석
  3.1 가장 많이 사용되는 분석기기
  3.2 표적화된 분석에서 스펙트럼 분해법(spectra deconvolution)
4. 대사체학의 응용분야
  4.1 미생물 대사체학
  4.2 식물 대사체학
  4.3 동물 대사체학
  4.4 식품 대사체학
  4.5 의?약학 대사체학
5. 대사체 재프로그래밍(metabolome reprogramming)
6. 데이터베이스 구축 현황
7. 결론 및 향후 전망
8. 참고문헌


1. 서론

대사체학은 생체 시스템에서 다양한 유전적, 생리적, 병리적 또는 환경적인 조건에서 일어나는 저분자 대사체군(metabolome)(100-1000 Da)의 패턴과 농도 등의 분석을 통해 생명현상의 변화와 원인을 규명해 나가는 연구 분야이다(그림 1). 특히, 미생물, 식물, 동물 및 인간을 대상으로 한 기초연구뿐만 아니라, 의약품, 질병진단, 식품, 농업, 환경에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있는 연구분야이며, 2007년 미국 MIT가 선정한 10대 유망 기술에도 포함되었을 정도로 미래를 선도할 연구 분야로 급부상하고 있다.

대사체(metabolites)라는 용어는 유전체학, 전사체학(tranomics) 및 단백질체학 등의 용어에 기초하여, 1998년 효모의 유전자에 대한 연구 논문에서 처음으로 사용되었고[2], 2001년 영국 맨처스터대학의 올리버 교수 연구팀이 효모에서 숨은 돌연변이를 찾아내는 방법인 functional analysis by co-responses in yeast(FANCY)를 개발하면서 유전자 기능을 밝혀내는 새로운 도구로 주목을 받고 있으며[3], 이를 통해 대사체학이 미래의 연구분야로 떠오를 수 있는 계기가 되었다. 특히 고분해능 핵자기공명(nuclear magnetic resonance, NMR) 분광분석기, 질량 분석기(mass spectrometry, MS), 초고성능 액체크로마토그래피(ultra-performance liquid chromatograpy, UPLC) 및 크로마토그래피-MS 시스템 같은 분석기기의 개발뿐만 아니라, 복잡한 생물정보학(bioinformatics) 기술 개발로 인하여 좀 더 다양하고 복잡한 대사체 연구가 가능해 지고 있다[4].

그림 1. 오믹스의 한 분야인 대사체학의 범위

미생물, 식물, 동물 및 인간에서 유래한 생물학적 시료의 대사체 프로파일은 그 자체로서 혹은 유전자 및 단백질의 발현과 연관된 데이터와 조합하여 생체 내에서 일어나는 다양한 생리적 또는 병리적인 현상에 관하여 유용한 정보를 제공한다. 더욱이 IT 기술의 발전으로 인하여, 세포 내에서 일어나는 일련의 대사과정을 컴퓨터상에서 모사하고 특정 유전자 발현이나 효소 활성 등의 지표를 변화시켜 최적의 시스템을 가상환경에서 구축하여 실제 실험으로 진행하는 것이 가능해 지고 있다[5,6]. 이러한 연구 동향에 따라 대사체학은 앞으로 다양한 생명과학 분야에서 활용될 것으로 예상된다. 2012년 기준으로 대사체학과 관련된 전 세계 시장 규모는 $7.1억 이었는데, 2017년에는 $14억까지 성장할 것으로 예측된다[7]. 그러나 현재 국내 대사체학 연구의 기술 수준은 진입기에 해당되며, 미국, 영국 등 서구 선진국에 비해 아직 낮은 단계이고 기초 연구를 통해 데이터를 축적해 나가고 있는 수준이다. 대사체학의 중요성으로 인하여 국가차원에서 대사체 연구에 대한 투자와 지원이 꾸준히 이뤄진다면 머지않은 미래에 선진국 수준과 대등해 질 것으로 예상된다.

이 보고서에서는 대사체학의 최신 연구 동향과 최근에 신생 기술로 주목 받고 있는 대사체 재프로그래밍에 대해서 소개하고자 하며, 향후 대사체학 전망에 대해서도 논의하고자 한다.

?2. 대사체 전처리법 및 추출법의 연구 동향

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?2.1 전처리 기술

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?2.1.1 시료 수집과 퀜칭(quenching)

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생명체에 존재하는 대사체들은 샘플링 후에 화학적 또는 효소적 반응에 의해 많은 변화가 일어날 수 있기 때문에 가능한 시료를 빠르게 회수해야 한다. 이를 위해 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 방법이 퀜칭(quenching)법인데, 대표적으로 온도 쇼크를 유발시키는 methanol(80℃ 이상 또는 -40℃ 이하)[8], pH 변화를 유발시키는 perchloric acid[9], 급격한 온도 강하를 유발시키는 액체 질소 침액법[10] 등이 사용되고 있다.

?2.1.2 건조 및 저장

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시료의 건조와 저장도 대사체 추출 전에 중요한 단계인데, 오븐, 전자레인지 또는 열기를 이용한 가열법이나 동결 건조법이 보편적인 방법인데, 이 중에서 동결 건조법이 현재까지 가장 좋은 방법으로서 여겨지고 있다. 완전히 건조된 시료를 장기간 보관하는 방법으로, -80℃로 유지되는 냉동장치나 액체질소 하에 보관법이 널리 이용되고 있다.

?2.1.3 균질화(homogenization)

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효과적인 추출을 위해서 시료가 잘 균질화되어야 하며, 대사체학 연구에서 매우 중요하다. 시료 균질성 확보와 매질을 파괴시키는 기술 가운데, 가장 오래되고 보편적인 방법이 분쇄(grinding)법인데, 여전히 대사체학 연구에서 gold standard이다[11]. 하지만 분쇄법은 시간 소모성이며 노동력이 필요한 단점이 있기 때문에 균질기(homogenizer)도 많이 이용하고 있는 방법 중에 하나다. 한편, 최근까지 가장 보편적으로 사용하고 있는 방법 중에 하나가 분쇄법과 초음파를 함께 이용하는 기술인데, 다양한 대사체 추출에 매우 효과적인 것으로 평가되고 있다[12]. 그런데 효모, 세포 배양액, 미생물 또는 체액 같은 입자 크기가 작은 시료들의 경우에는 냉-해동(freeze-thaw cycle)법을 사용하고 있다[13].

?2.2 가장 많이 사용되는 추출법

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?2.2.1 용매 기반 추출(solvent-based extraction)법

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Perchloric acid 추출법은 단백질을 변성시켜서 비단백질 추출물을 얻는데 매우 효과적이며, 효소 반응을 즉시 중지시킨다는 장점으로 인하여 현재까지 광범위하게 사용되고 있으며, 특히 동물 및 식물 시료에 포함된 극성, 친수성 또는 이온성 대사체 추출에 많이 사용하고 있다[14]. 좀 더 다양한 극성도를 갖는 대사체군들의 추출을 위해서는 2상 용매 시스템이 사용되고 있는데, 예를 들어, 물-methanol-chloroform으로 구성된 용매 시스템으로 추출할 경우, 극성 및 친수성 대사체뿐만 아니라 비극성 대사체들까지 동시에 추출이 가능하며, 특히 이런 용매 시스템은 대사체 추출 후에 LC, chromatography-MS, NMR 및 capillary electrophoresis(CE)같은 분석기기와의 적합성이 좋아서 현대 대사체학에서 많이 사용되고 있는 추세이다. Terpenoids, 지방산류 또는 지질류 같은 비극성이면서 소수성 대사체들의 추출에는 chloroform, ethyl acetate 또는 n-hexane 같은 지용성 용매가 광범위하게 사용되고 있으며[15], 이러한 유기용매류는 gas chromatography (GC)나 GC-MS 같은 분석기기와의 적합성이 좋기 때문에 지용성 대사체 분석 연구에 널리 사용되고 있다.

?2.2.2 마이크로파 추출(microwave-assisted extraction, MAE)법

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MAE은 1986년 처음 보고된 이래로, 최소한의 용매로 대사체를 추출할 수 있다는 장점으로 인하여 현재까지도 종종 사용하고 있는 추출법이다. MAE는 open-vessel MAE (FOV-MAE) 또는 closed-vessel MAE (CV-MAE)가 있는데, 대량의 시료를 추출하고자 할 때는 FOV-MAE가 장점이고, 반면에 정밀성이 높고 압력 조절이 가능하며 상대적으로 짧은 시간에 추출하고자 할 때는 CV-MAE가 적합하다. 현재까지 MAE법은 주로 식물 대사체학에서 사용하고 있다. 향후 동물 및 인체 대사체학에서도 MAE법의 적용될 것으로 보인다.

?2.2.3 초임계 추출(supercritical fluid extraction, SFE)법

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SFE법은 열에 불안정하거나 비극성 화합물의 추출에 적합하여 실제 대사체학에서 광범위하게 사용하고 있는데[16], 특히 추출 용매중에 CO2를 이용한 SFE법이 추출에서 정제과정까지 광범위하게 사용되고 있다. 하지만 CO2의 단점인 비극성 성질을 보완하기 위해 ethanol, acetonitrile, methanol 및 vegetable oils와 같은 개질제(modifiers)를 함께 사용하고 있다. 최근에는 건조 혈액 시료에서 134종의 인지질을 추출하는데 SFE법이 사용되어 지질 프로파일링과 생체 표지자 발굴에 이용하려는 노력들이 진행 중에 있다[17].

그림 2. (A)전형적인 SPE 튜브 이미지. (B) 종합 추출기 이미지

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2.2.4 고체상 추출(solid-phase extraction, SPE)법

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SPE 및 solid-phase microextraction(SPME)은 액체 시료에 있는 다양한 대사체를 농축하거나 정제 목적으로 더 많이 사용되고 있기 때문에 추출 및 정제과정에서 모두 유용한 방법으로 사용하고 있다(그림 2A). 최근에는 SPE 방법이 GC-MS[18] 또는 LC-MS[19]에 연결되어 온라인 추출장치가 장착된 자동화 시스템으로 개발되어 다양하게 응용하고 있다. 한편, SPE은 역상, 순상, 이온교환 또는 흡착 방식의 충진제가 들어있는 SPE 카트리지가 상업화되어 시중에 판매되고 있으며, 향후에도 대사체학 연구에서 추출 및 정제과정에 없어서는 안될 중요한 추출기법이 될 것으로 여겨진다.

?2.2.5 종합 추출(comprehensive extraction)법

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최근에 네덜란드의 Natural Product Laboratory에서 개발한 종합 추출법이 주목을 받고 있는데, 이 방법은 시료에 있는 다양한 극성도를 갖는 대사산물들을 한번에 추출하는 방법으로, kieselguhr 같은 항응고제와 시료를 함께 넣고 진공 펌프 하에서 추출하는 것이 특징이다(그림 2B)[20]. 이 추출법은 2011년에 식물대사체 시료에 적용되어 그 유용성이 검증되었는데, 향후 다양한 대사체학에도 적용될 가능성이 매우 높은 방법으로 주목을 받을 것이다. 

?3. 대사체학에서의 기기분석

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?3.1 분석기기?

대사체 연구는 어떤 생물체에 있는 저분자량 대사체군을 동정 또는 정량 할 수 있도록 완전한 프로파일링이 가능한 모든 스펙트럼을 고속 및 고효율로 검출하는 과정이 필수적인데, 현재까지 가장 흔하게 사용하고 있는 분석기기들이 NMR과 MS로 볼 수 있다. 특히 MS에서 가장 많이 사용되는 분석법은 GC-MS, LC-MS 및 CE-MS이다[21].

표 1. 대사체의 스펙트럼 분해를 위해 일반적으로 사용되고 있는 공개 소프트웨어 리스트

^a소프트웨어에 포함된 기능: 1. Spectral pre-processing, 2. Spectral/peak alignment, 3. Peak detection, 4. Metabolite identification, 5. Data analysis, 6. Pathway analysis, 7. Pathway visualization, 8. 2D-NMR analysis.

NMR은 대사체 분석에 있어서 빠르고 매우 재현성 있으며, 시료가 비파괴적이라서 분석 후에 시료 회수가 필요한 분석에 유용하다. 1차원 NMR(1D NMR)이 현재까지도 고속, 고효율 대사체 연구에 가장 많이 사용되고 있는데, 1H-NMR이 가장 많이 사용되고 있는 핵종 NMR이다. 그 외에도 13C-NMR, 31P NMR도 특정 대사체 연구에 종종 사용되고 있다. 간혹 1D NMR에서 확인이 안될 경우, 1H-1H-NMR, 1H-13C 또는 1H-15N NMR 같은 2D NMR을 사용하여 분석하고 있다[22]. GC-MS는 휘발성 대사체 분석에 주로 사용하고 있으며, 비휘발성 대사체의 경우는 특정 유도체화를 통해 휘발성을 갖도록 제조 후에 분석하고 있다[23]. LC-MS[24] 또는 LC-MS/MS[25]는 열에 불안정하거나 비휘발성 대사체 분석에 많이 사용하고 있는데, 극성 당류, 유기산류, 그리고 다양한 지질류 분석에 이용되고 있다. 최근에, GC-MS나 LC-MS로는 얻을 수 없는 독특한 화학적 정보를 제공한다는 장점으로 인하여[26], 대사체학에서 주목을 받고 있는데, 주로 극성 및 하전된 대사체의 프로파일링에 유용하게 사용되고 있다. 한편, LC-MS-NMR 같은 조합된 분석기기의 개발로 인하여 특정 대사체군의 분리, 동정 및 정량분석이 한층 더 향상되고 있으며[23, 27, 28], 이런 분석법으로 인하여 LC-MS/MS 데이터를 전보다 더 명확하게 해석할 수 있는 시대를 맞이하게 되었다.

3.2 표적화 분석에서 스펙트럼 분해법

대사체 정량과정에서 주요한 단점 중에 하나가 스펙트럼상에 보여지는 대사체 피크간의 중첩인데, 특히 NMR과 GC-MS 스펙트럼 분석 시에 이런 문제점이 자주 발생된다. 이 문제를 해결하기 위해 bioinformatics tool이 적용된 스펙트럼 분해(spectral deconvolution)법이 개발되어 전세계 연구자들이 이용하고 있는 상황이다(표 1)[29, 30, 31, 32]. 하지만 이 방법은 분해하고자 하는 스펙트럼 영역에 있는 피크에 상응하는 대사체를 알아야 한다(표적화 대사체학에 적용 가능)는 한계점이 있다. 즉, 비표적화 대사체학에서는 아직 이 방법이 적용될 수 없다는 단점이 있지만[32], 머지않아 비표적화 대사체학에 적합한 스펙트럼 분해법도 개발 될 수 있을 것이다.

현재 NMR 데이터의 스펙트럼 분해법으로 몇 가지가 알려져 있는데, 주로 Bayesian 모델에 기반을 두고 있으며, 그 중에서 BATMAN[33]이 가장 많이 사용하는 방법중에 하나이다. 이 방법은 사용이 용이한 인터페이스와 완전한 프로토콜을 제공하며, 현재 NMR 대사체학의 gold standard로 여겨지는 NMR Suite 소프트웨어 패키지(제작사: Chenomx Inc., Edmonton, AB, Canada)의 성능과 비슷할 정도로 범용적이다. GC-MS 데이터의 스펙트럼 분해법은 시료중에 존재하는 특정 대사체들을 사전에 알 필요가 없는 비감독성 접근법에 기반을 두고 있는데, Metabolome express[34]나 Metabolome detector[35]가 주로 사용되고 있다. 한편, LC-MS 데이터는 MAIT[36], OpenMS[37], Camera[38] 등이 스펙트럼 분해에 주로 이용되고 있는 추세이다.

4. 대사체학의 응용 분야

2011년부터 2014년 8월까지 “PubMed”에 수록된 연구논문의 통계 분석 결과[39], 비표적화 대사체학 관련 논문 수는 378편, 모든 대사체학 관련 논문 수는 4,241편이었으며, 특히, 비표적화 대사체학 기법을 이용하여 발표된 논문 중에 67%가 대사체학 응용이었다. 이 섹션에서는 대사체학의 응용분야 중에, 미생물, 식물, 동물, 의?약학 분야를 중심으로 최근 연구 동향에 대해서 소개하고자 한다.

4.1 미생물 대사체학

미생물 대사체학의 중요한 응용분야 중에 하나가 시료 제조 및 대사체 측정이다. 특히, 시료 제조에 있어서 중요한 2가지 과정인 퀜칭과 추출법에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있으며[40,41,42], 퀜칭법에는 여과 퀜칭과 주입 퀜칭법이 많이 이용되고 있고, 추출법은 유기용매를 이용한 방법이 흔히 사용되고 있다[43]. 초기 미생물 대사체학의 획기적인 연구 중에 하나가 발현이 억제된 유전자의 표현형 분석이었는데, 이와 연계하여 최근에는 노화 관련된 유전자 표현형을 선별적으로 측정하는 “snapshot metabolomics”의 진보가 주목을 받고 있다[43]. 그리고 13C같은 안정한 동위원소를 이용한 효모에서 riboneogenesis 발굴 연구[44]뿐만 아니라, 서로 다른 미생물의 공배양 시스템 분석에 footprinting기법[45]을 적용하는 최신 진보도 주목할 만 한다. 한편, 장내 미생물군이 인체 영양, 건강 및 질병에 영향을 준다는 최근 진보된 연구 결과[46,47,48]들이 특히 주목을 받고 있는데, 향후 의학 대사체학과 연계하여 다양한 인체 질병과의 연관성을 밝혀낼 수 있는 연구가 지속적으로 진행될 것으로 보인다. 아울러, 미생물군과 숙주간의 대사적 상호작용에 따른 제한된 대사체 분석뿐만 아니라, 네트워크 기반 계산법을 적용함으로써 전반적인 대사적 변화를 추적하려는 노력들이 있다[49].

4.2 식물 대사체학

2004년 독일 막스 플랑크 연구소의 Fiehn 박사 그룹에서 GC-MS를 이용하여 토마토 줄기에서 대사체군 분석 결과를 보고한 이래로[50], 현재 유전자 발현과 대사체의 통합 분석을 통해 세포 내에서 일어나는 전반적인 대사 경로를 분석하는 수준까지 진행되고 있다. 이와 연계하여 황(sulfur) 결핍 같은 환경 스트레스에 대한 식물 대사체를 조절하는 유전자-대사체 네트워크 분석이 가능해졌으며, 유사한 방법으로 전사체(tranome)와 대사체의 통합 분석을 통해 새로운 유전자 기능을 밝혀내는 수준까지 진행되었다. 특히, 대표적 식물인 Arabidopsis thaliana에서 유전자 발현과 2차 대사산물의 통합 분석을 통해 AtMetExpress development dataset를 구축하는 데 성공한 사례가 대표적인데[51], 이 연구를 통해 확인된 총 1,589개의 대사체 신호 중에 167개의 대사체를 규명하는 데 성공하였다. 이 결과는 Arabidopsis가 매우 조직 특이적인 방식으로 다양한 식물화학물질 (phytochemicals)을 합성한다는 증거이므로, 향후 다른 중요한 식물 대사체 연구로 확장될 것으로 보인다. 한편, 최근에 식물 대사체 농도를 조절하는 유전적인 요인 분석을 위해 대사체 정량 형질 부위(quantitative trait locus, QTL) 분석법이 도입되어 응용되고 있는데[52], 결국 이러한 연구들을 통해 대사체와 다른 형질 간 상호작용을 대사체 데이터 분석을 통해 예측하는 것이 가능해졌다.

4.3 동물 대사체학

동물에 대한 대사체학 응용연구는 미생물이나 식물 대사체학에 비해 상대적으로 제한되고 있지만 꾸준히 증가하는 추세이다. 동물 대사체학 연구 대상 중에, zebra fish, nematode 또는 fruit fly 같은 이용한 기초적인 연구 결과들이 최근에 보고되고 있는데, 척추동물 발생 예측[53], 암, 수간의 대사체 프로파일링[54], 카드뮴에 대한 대사체 변화 측정[55], 동종 교배에 대한 대사체 분석[56] 및 저온 쇼크에 대한 대사체 프로파일링[57] 등이 대표적인 사례들이다. 이러한 동물 모델을 대상으로 표적화 또는 비표적화 분석 연구를 통해 축적된 결과들은 쥐를 포함한 다른 고등 동물들의 생리적, 진화적 및 병리적인 과정들을 조사하는데 중요한 기초 자료로 사용되고 있다. 최근에 미성숙 노화증상을 보이는 caspase 2를 발현하지 못하는 쥐의 혈청 대사체학 연구를 통해, 일부 포화지방산류와 포도당 같은 중요한 대사체의 농도가 대조군에 비해 농도 차이가 있다는 것이 증명되었고[58], 췌장암이 유발된 쥐의 혈청 구연산이 정상 쥐에 비해 농도가 증가된다고 밝혀졌는데[59], 이런 결과들은 향후 인체 질병 대사체학의 기초 자료가 될 것으로 보인다.

4.4 식품 대사체학

최근 들어, 식품 또는 한약의 품질 및 안전성 평가에 대사체학이 중요한 도구로 응용되고 있다. 특히, 감자의 유전자 발현, 대사체 및 표현형을 통합한 네트워크 구축[60], 토마토의 중요한 대사체 결정[61], 쌀의 생물학적 다양성 분석[62] 및 멜론 변종의 특성화[63], 와인의 변종 간 차이와 지리학적 기원 예측 같은 품질 평가[64], 그리고 NMR과 LC-MS/MS를 이용한 맥주의 화학적 변화 예측[65] 또는 저장 과정에서 일어나는 맥주의 쓴맛을 내는 물질들의 규명[66] 등이 대표적인 사례들이다. 한편, 한약재료 중에 대표적인 당귀의 지리적 기원, 변종 및 품질 분류에도 대사체학이 응용되고 있는데[67], 최근 식품소재로도 많이 활용되고 있기 때문에 기존의 유전자검사법에 의한 원산지 확인이나 품질 분류법을 대체할 수 있는 고속, 고효율 검사법으로 대사체학이 주목을 받을 것으로 보인다. 아울러 전통 한약제들의 복잡한 성분들 때문에, 근거중심의학을 지향하는 현대 의학에서 배제되고 있는 한계점을 극복 할 수 있는 한가지 해결책으로 대사체학이 주목을 받을 것으로 보인다. 

4.5 의?약학 대사체학

현재, 의학에서 대사체학을 이용하는 주요한 목적은, 약물 작용이나 질병의 메커니즘을 밝혀내고, 진단 및 예후 그리고 독성 및 치료 효과에 대한 생체표지자를 발굴 또는 측정하기 위함이다.

전임상 및 임상 약물을 개발하는데 있어서, 다국적 제약사 또는 유수 임상병원에서 대사체학을 적용하고 있는데, 주로 약물 표적, 안정성, 효험 생체표지자 및 약물 작용의 메커니즘을 규명하려는 목적으로 대사체학이 활용되고 있다[28,69,70]. 특히, Pfizer, AstraZeneca, Merck, Eli Lilly 및 Bayer Healthcare 사 같은 유수 제약사들은 신약 개발이나 독성 평가 등에 이미 수 년 전부터 대사체학을 응용하고 있으며, Brigan & Women’s Hospital/Harvard Medical School이나 Massachusetts General Hospital 등의 미국 임상병원에서도 응용하고 있다.

인체 질병 및 건강 장애가 체내 대사(경로)의 변화에 의해 유발되기 때문에, 진단 생체표지자 또는 치료 표적의 발굴 또는 확인을 위해 대사체학을 적용하려는 시도들이 점점 증가하고 있는 추세이다[68]. 특히, 암, 대사질환, 중추신경계 및 정신질환 같은 질병에 대사체학이 많이 응용되고 있다. 이 중에서 암 대사체학 연구는, 비표적화 대사체학을 통해 암조직과 정상 조직에 존재하는 대사체들의 농도 분석을 통해 새로운 생체표지자를 발굴 또는 확인하거나[71,72], 특정 대사물질을 표적으로 하는 표적화 대사체학을 통해 암 세포에서 일어나는 새로운 메커니즘을 규명하는 연구[73,74]로 분류된다. 그러나 현재까지 선천성 대사질환에 대한 생체 표지자를 제외하고, 연구개발을 통해 밝혀진 잠재적인 생체 표지자들이 아직 임상에서 진단 및 예후 관찰 목적으로 사용되지 못하고 있는데, 비표준화 된 연구 디자인과 잠재적인 생체 표지자를 측정할 수 있는 측정법의 민감도와 특이도가 모두 확보되지 못하고 있기 때문이다. 이와 관련하여, 현재 Roche, Siemens, Abbott, AB Sciex 사 같은 글로벌 임상진단기기 제작사에서는 대사체학의 표준화된 방법을 적용하여 임상에서 적용 가능한 진단 기기 시스템을 개발 중에 있다.

2008년에 인체 혈액에서 대사체와 유전자간의 기능적 관계를 확인하기 위한 방법으로 대사체학과 genome-wide association studies(GWAS)가 접목된 metabolomics genome-wide association studies(mGWAS)가 처음 보고[75]된 이후로, 현재까지도 다양한 분야에 응용되고 있으며, mGWAS는 기존 방법들보다 더 정밀하고, 재현성과 민감도가 우수한 표준화된 방법으로 평가되고 있다[76]. 특히, 비표적화 대사체학을 적용하는 mGWAS는 인체 혈액이나 뇨[77]에서 대사적 특성 분석을 통해 유전자와 대사적 기능간의 연관성에 대한 정보를 제공하는데 유용하게 사용되고 있다. 흥미롭게도 최근에 대장 종양 환자의 대변에 있는 미생물군의 mGWAS 분석이 성공적으로 완료되어 대장암 조기 진단 및 치료에 대한 길이 열릴 것으로 보인다[78].

한편, 최근에 대사체학 연구의 글로벌 리더 중에 하나인 미국의 Metabolon®사에서는 분석기기개발 전문회사인 미국의 AB Sciex사와 공동으로, 심혈관 질환, 당뇨병, 퇴행성 신경 질환 등의 연구에서 중요한 역할을 하는 천 여종 이상의 지질의 정성 및 정량 분석 연구에 도움이 될 수 있는 시료 전처리 표준화부터 생물학적 데이터 해석까지 통합된 솔루션인 ‘LipidyzerTM Platform’을 개발하여, 현재 상업적으로 시판 중에 있다. 이처럼 대사체학의 선도 그룹에서는 그 동안의 축적된 대사체학 연구 결과 및 데이터베이스를 토대로 임상, 발효 또는 식품 등의 분야에 실용화 할 수 있는 platform 개발에도 심혈을 기울이고 있는 상태이다.

5. 대사체 재프로그래밍(Metabolome reprogramming)

최근에, 다른 종간의 기본적인 대사 경로 및 해당 성분들의 유사성 때문에 특정 외인성 대사체에 의한 대사체군이 재프로그래밍 될 수 있다는 것이 밝혀진 이후에, 변화된 대사 경로의 재구성을 통한 질병의 예방 및 치료를 위한 약물 개발에 대한 기대감이 커지면서 연구자들 사이에서 주목을 받고 있다. 특히, kanamycin 내성균인 Edwardsiella tarda에 alanine, glucose 또는 fructose 같은 대사체들을 외부에서 세포안으로 공급해주면, 다제약제 내성을 보이는 E. tarda가 kanamycin 감수성이 높아져서 결국 사멸에 이르게 되는데[79,80], 이 연구 결과는 대사적 조절제 역할을 하는 alanine, glucose 또는 fructose같은 대사체가 대사체 재프로그래밍 기법을 통해 치료제로서 가능성을 제시할 수 있는 흥미롭고 중요한 의미가 있다(그림 3).

한편, 면역 반응과 관련된 인터페론 중(IFN)에 하나인 IFN-α2b에 노출시킨 zebra fish의 체액에 대해 GC-MS 기반 대사체 분석 결과, 불포화지방산이 IFN-α2b에 노출시키지 않은 경우보다 고농도로 생합성 되며, 외부에서 zebra fish에 linoleic acid 같은 불포화 지방산을 주입할 경우에 Vibrio alginolyticus나 E. tarda 같은 병원성균에 감염 시 생존율이 향상된다는 결과가 증명되었는데[81], 결국 대사체 재프로그래밍을 통해 특정 병원성균에 취약한 숙수의 방어시스템을 내성이 강한 시스템으로 회복시킬 수 있다는 의미 있는 결과라 볼 수 있다.

현재까지 대사체 재프로그래밍의 연구 수준은 ‘개념 도입기’라 볼 수 있지만, 표적 대사체군을 재구성하고, 재구성 메커니즘을 밝혀내는데 유용한 가장 최근의 대사체학 기술 중에 하나라는데 주목할 필요가 있다. 이 기술은 지속적인 연구개발을 통해, 의, 약학 분야뿐만 아니라, 식품, 수산양식 등을 포함한 다양한 분야에서 응용 가능성이 높을 것으로 여겨진다.

지난 몇 년간에 걸쳐, 대사체 확인에 필수적인 대사체 스펙트럼 데이터베이스가 개발되어 전세계 연구자들이 쉽게 이용할 수 있는 단계까지 구축되어 있는 상태이다(표 2). 이 중에서 2015년 현재까지‘The Human Metabolome Database(HMDB)’[82]와 ‘METabolite LINK(METLIN)’[83]가 대표적인 데이터베이스이며, 전자는 캐나다 The Metabolomics Innovation Centre에서 운영 중이며, 1H-NMR, LC-MS 또는 GC-MS 등의 기기를 통해 분석한 41,993개의 대사체가 입력되어 있으며, 1,579개의 이상의 인체 대사체 스펙트럼을 구축하고 있는 가장 완전하면서도 방대한 자료를 구축하고 있고(2015년 현재, HMDB ver. 3.6/PI: Prof. David Wishart), 후자는 미국 Scripps 연구소에서 운영 중이며, 240,964개의 대사체가 입력되어 있고, 68,124개 대사체의 MS/MS 스펙트럼이 구축되어 있는데(PI: Dr. Gary Siuzdak), 현재 전세계 연구자들이 이 두 가지 데이터베이스를 가장 많이 이용하고 있는 상황이다.

한편, 지난 수 년 동안 대사 경로 분석을 위한 데이터베이스도 개발 및 구축되어 운영되고 있는데(표 2), 대사 경로에 기반한 대사체학 연구가 가능해졌다. 현재 이러한 방법들이 ‘metabolite set enrichment analysis(MESA)’로 불리기도 한다. 가장 많은 대사 경로와 대사체 정보를 보유하고 있는 데이터베이스가 ‘Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)인데[84], 연구자들이 가장 많이 사용하고 있다.

7. 결론 및 향후 전망

지난 십여 년 동안 대사체학은, 미생물, 동?식물, 식품 및 인체 등을 포함한 다양한 생물학적 시스템의 복잡한 표현형을 예측하고 규명하는데 강력한 하나의 기술로 입증되어 왔으며, 응용 분야가 점점 다양해 지고 있다. 

최근 들어, 비표적화 대사체학(보통, 수 천개 이상의 대사체 분석법)이 미생물, 식물, 동물, 의, 약학 등을 포함한 다양한 분야에 적용되어 유용성이 증명되고는 있지만, 여전히 표적화 대사체학(보통, 200개 미만의 기지 대사체 분석법) 연구에 의한 결과물들이 지배적이라고 볼 수 있다. 따라서 기존의 분석방법의 향상과, 스펙트럼 데이터 처리의 자동화가 필요하다. 현재까지 대사체학 연구에서 스펙트럼 및 대사 경로 분석에 유용한 데이터베이스들이 구축되어 전세계 연구자들이 유용하게 사용하고 있고, 꾸준히 데이터가 추적되고 있다. 하지만 새로운 데이터 해석 방법의 개발도 미래에 해결해야 할 과제 중에 하나이다. 또한 복잡한 대사적 변화를 체계적으로 해석하고, 중요한 대사적 메커니즘에 대해 의미 있는 가설을 유도해 낼 수 있는 알고리즘이 부족한 것도 사실이다. 특히 이런 부분이 표적화 대사체학에 비해 비표적화 대사체학이 상대적으로 연구 결과가 적은 이유이다.

현대 대사체학은 대사체학 그 자체만으로도 유용한 기술이지만, 유전체학 전사체학 및 단백질체학 같은 다른 오믹스 분야와의 통합 응용 연구가 점차 확대 되고 있는 추세이다. 그 단적인 사례가 mGWAS인데, 향후에도 mGWAS는 유전자와 대사체간 및 단백질과 대사체간의 연관성 분석을 통해 중요한 생체 표지자 확인 및 메커니즘 규명에 유용하게 사용될 것으로 보인다. 그러나 인체 대상으로 mGWAS 적용 시 문제점은, 예측 메커니즘의 검증이 안되어 있다는 것과, 유전적 변이 메커니즘과 그로 인한 표현형으로서 체액 내 대사체 특성과의 직접적인 연관성이 명확하게 규명되지 않았다는 것이다. 따라서 유전적 변이에 의한 대사체 특성 변화를 검증하고, 유전형과 조직 특이적인 대사체 특성과의 직접적인 연관성 규명 연구가 후속 연구로 반드시 진행되어야 할 것이다.

대사체 재프로그래밍 기술은 신생기술이지만, 그 응용 분야는 무궁무진 하다고 볼 수 있다. 향후에는 하나의 치료제로서 효과적인 재프로그래밍 대사체를 발굴하여 충분한 기초연구를 통해 궁극적으로 임상에서 사용할 수 있도록 기술개발이 되어야 할 것이다. 보통 재프로그래밍 대사체는 비독성이면서 세포 내에 존재하는 생체물질을 재프로그래밍에 이용하기 때문에, 기존 화학약물 개발에 들어가는 비용 및 시간을 고려할 때 장점이라 볼 수 있다. 이런 점에서 제약사의 지속적인 관심과 연구개발도 필요할 것으로 보인다.

현재 국내 대사체학 연구 수준은, 미국, 유럽 및 일본 같은 대사체학 분야의 선진국에 비해 기술적 및 인프라적으로 차이가 나는 것이 사실이다. 그러나 국내에서도 식품, 식물, 인체 분야를 중심으로 활발하게 연구가 진행되고 있으며, 기술적인 부분만을 비교할 경우에는 해외 선진국에 비해 크게 기술차이가 없지만 만들어진 데이터를 의미 있는 결과로 해석하는 알고리즘, 가설 생성 및 통계처리 기술이 부족한 상황이다. 결국 분석기기를 이용한 분석에서부터 데이터 해석까지 숙련된 전문가들의 육성도 국내 대사체학 발전을 위해서 반드시 고려해야 될 사항들이다. 특히, 국내에 자생하는 식용 및 약용작물을 대상으로 한 대사체학 연구는 고유의 풍부한 자원 보유 및 해당 분야의 숙련된 전문가들이 있기 때문에 집중적으로 연구 개발이 필요하다고 볼 수 있다. 또한 국내에서 발생 빈도가 높은 질병이나 고유한 전통 식품 등에 대한 대사체 데이터베이스를 구축하는 것도 해외 선진국과의 기술경쟁에서 비교우위를 점할 수 있을 것이며[85,86], 관련 정부부처차원에서 국내 대사체 연구의 필요성에 대한 인식 제고와 이에 따른 투자와 지원이 적극적으로 이뤄진다면 가까운 미래에 선진국들과 동등한 수준이 될 것으로 보인다.

 8. 참고문헌

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