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출처 : 바이오인더스트리

역동적인 Metabolomics의 출현

1. Metabolomics

메타볼로믹스(metabolomics)는 많은 양의 데이터 생성을 목적으로 하는 분야인 오믹스(omics) 중에서도 가장 최근에 관심을 끌고 있는 분야이다. 메타볼로믹스는 샘플의 작은 분자량 화합물들의 변화측정을 목적으로 하기 때문에 지노믹스(genomics)와 프로테오믹스(proteomics) 이후에 출현한 것이 당연하다. 이 작은 분자량의 화합물들은 효소반응의 기질과 부산물들이고, 직접적으로는 대사물질로서 세포의 표현형(phenotype)을 결정 짓는다.

전통적인 대사물질에 대한 연구는 수십 년 전부터 시작되었다. 메타볼로믹스는 샘플의 총체적인 대사 정보에 대한 더 많은 이해를 위해 소수의 표적 분자들보다 더 많은 분자들의 역할을 확인함으로써 연구의 범위를 넓혀가고 있다

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일반적으로, 메타볼로믹스(metabolomics)라는 단어는 메타보노믹스(metabonomics)라는 단어와 서로 번갈아 가면서 사용되어 왔다. 그러나 메타보노믹스는 동물이나 인간과 같은 고등 생명체들을 이용하는 연구만을 포괄하는 반면에 메타볼로믹스는 미생물, 효모와 식물까지도 포함하는 미묘한 기술적인 차이가 존재한다.

Front Line Strategic Consulting의 Metabolomics 보고서에 따르면 메타볼로믹스에 대해 추정된 현재의 세계시장규모는 약 3천 8백만 달러이다. 그리고2007년까지는 시장규모가 복합적 연간 성장률 46%를 보이면서 2억 5천만 달러 이상으로 성장할 것으로 추정된다. 여기에서 시장이란 분석장비 회사, 소프트웨어 회사 및 연구목적으로 메타볼로믹스기술을 기반으로 이용하는 회사들을 포함한다.

메타볼로믹스 연구를 위해서 새로운 기술들이 필요하지는 않다. 전형적으로 질량 분석기나 핵자기공명(NMR)은 작은 분자량을 가지는 화합물들의 농도들을 측정하는데 이용될 수 있으며, 액체나 기체 크로마토그래프를 포함하는 기술들은 향상된 정확성과 민감도를 요구하는 경우에 사용될 수 있다. 이러한 분석 장비들로부터 습득한 데이터들은 수집되어서 샘플의 대사 정보를 결정하기 위해서 분석된다.

메타볼로믹스의 독창성은 고속처리(high-throughput)와 자동화된 장치로 분석된 데이터를 생성하는 접근방식에 있다. 그 목적은 동시에 수백만 개의 화합물의 존재와 농도를 측정하기 위함이다. 자동화는 액체를 다루는 로봇을 이용하여 자동 샘플 로딩으로부터 자동화된 데이터 변환, 분류 그리고 분석장치의 이용에 이르기까지 공정의 모든 단계에 초점을 이루고 있다.

최근에 메타볼로믹스 연구는 새로운 의약품의 발견이나 개발을 돕기 위해서 이용되고 있으며 이러한 기술은 공정을 더 효율적으로 만들고, 의약회사가 의약품을 더 빠르게 商品化할 수 있도록 돕는다. 메타볼로믹스기술을 통하여 의약품의 표적을 발견할 수 있고, 의약품의 작용기작(mode-of-action)에 관한 데이터를 공급하고, 의약품의 독성효과를 밝혀낼 수 있다.


2. 활용분야

잠재적인 의약품의 표적들은 어떤 생화학 물질이 특정 질병 상태에 영향을 미치는지를 평가함으로써 발견될 수 있다. 만약 특정 생화학물질의 미량이나 과량 발현이 질병에 연관되어 있다면 그 화합물에 작용하는 단백질들이 그 약을 위한 주요 후보가 된다.
대부분의 제약회사들은 그들이 테스트할 수 있는 것보다 더 많은 표적을 가지고 있기 때문에 메타볼로믹스는 어떠한 표적들이 실험적으로 수행되어야만 하는지 우선순위를 매기는 것을 도울 수 있다. 메타볼로믹스 연구는 또한 어떻게 의약품이 작용하는지를 알아내는 것을 도울 수 있다. 약품으로 처리되거나 처리되지 않은 샘플들 사이의 화학물질의 변화를 비교하는 것은 의약품이 어떻게 시스템에 영향을 미치는지에 대한 단서들을 제공할 수 있다. 비록 제약회사들이 항상 의약품이 어떻게 작용하는지를 보여줄 필요는 없지만 작용기작을 알아내는 것은 FDA 승인을 앞당길 수 있다.

많은 醫藥品들이 毒性을 가진다는 것이 발견되기 때문에 임상시험에서 실패하게 된다. 代謝의 변화분석(Metabolic profiles)은 의약품에 의해서 영향을 받는 대사경로들의 연관성을 알아내는데 이용될 수 있으며, 이것으로 의약품의 부작용을 보여줄 수 있다. 제약회사들은 메타볼로믹스기술을 이용하여 의약품 개발과정 초기에 독성을 가진 의약품 후보들을 제거함으로써 시간과 돈을 절약할 수도 있다.

의약품의 발견공정을 더 효율적으로 만드는 것과 함께 메타볼로믹스 기술들은 진단(diagnostics)을 위해 이용될 수도 있다. 지노믹스와 프로테오믹스는 유전형(genetype)에 대한 광범위한 정보를 공급해왔지만 표현형에 대해서는 거의 정보를 제공하지 못한다.
낮은 분자량의 화합물들은 표현형에 밀접한 연관성을 가지고 있고, 이러한 특징은 메타볼로믹스를 특정한 질병들의 진단법을 개발하는 논리적인 기술로 만들 수 있다.

메타볼로믹스기술들이 성숙해 감에 따라 다른 분야들에서의 應用도 이루어질 수 있다. 이 기술은 치료법(theranostic)의 발전에도 적용할 수 있다. 이것은 특정한 개인에 대하여 특정한 치료 과정의 효능을 결정하는 방법이 될 수도 있다. 예를 들면, 한 화합물이 한 질병과 연관되어 있다는 사실을 발견하였다면 치료법은 치료 과정 동안에 그 화합물의 농도를 측정한다. 이것은 환자들의 반응에 대한 측정일 수 있다.

메타볼로믹스는 또한 의약품 이외의 분야에도 적용이 가능하다. 예를 들면, 이 기술은 기능성 식품들(nutraceuticals)에서 서로 다르게 유전적으로 개선된 농작물들(GM crops) 사이 또는 전통적인 농작물들과 유전적으로 개선된 농작물들 사이의 영양분들의 차이들을 결정하는데 사용될 수 있다.

메타볼로믹스는 농업에서 식물 유전자들을 발견하고 효과적인 제초제와 살충제를 디자인하는데 이용될 수 있다. 메타볼로믹스 산업의 계속적인 성장은 이러한 연구 분야들의 개척에 의존할 것이다.


3. 메타볼로믹스 시장에 영향을 미치는 요소들

메타볼로믹스 산업의 주요한 발전 원동력은 이 기술이 의약품 탐색 과정에 가져올 수 있는 잠재적인 이익들이다. 제약회사들은 크게 수익성이 있는 의약품을 시장에 내어놓아야 한다는 압박감을 가지고 있다. 그들은 현재 특허만료와 새로 출현하는 의약품들과의 경쟁 때문에 상품등록이 필요 없는 의약품들에 대한 시장점유율을 잃고 있다.

메타볼로믹스는 표현형과 직접적인 연관성을 제공함으로써 의약품 연구를 직접적으로 도울 수 있는 기술이다. 비록 메타볼로믹스기술의 개발이 의약품 개발에서의 연관성에 의해서 크게 발전 원동력을 얻었지만 이 기술의 완전한 이용을 방해하는 여러 가지 요인들이 있다.

예를 들면, 지난 20년 이상 발전해왔던 교육의 격차가 있다. 오늘날 대부분의 과학자들은 유전학과 분자생물학으로 단련되어 있다. 메타볼로믹스는 최근에는 관심에서 멀어진 주제인 생화학과 생화학적인 경로에 대한 지식을 필요로 한다.

대부분의 제약회사들은 메타볼로믹스로부터 혜택을 볼 수 있다는 것을 알고는 있으나 지노믹스와 프로테오믹스 분야에 이미 크게 투자해 왔으며, 그들이 찾는 답들이 쉽게 이용 가능하지는 않다는 것을 알았다. 따라서 이 회사들은 새로운 연구 분야들로 확장하는 것에 대하여 조심스럽다.

메타볼로믹스 연구들의 기술적인 장점들은 문서로 증명되어 있지만 그 실제적인 기능에 대해서는 아직까지는 크게 증명되지 않고 있다. 그러나 선구적인 회사들이 메타볼로믹스기술을 통하여 성공 사례들을 획득해 감에 따라 이러한 비관은 사라질 것이다.

메타볼로믹스는 또한, 현재에 진행 중인 지노믹스와 프로테오믹스 연구에 가치를 부여할 수 있다. 이 세 종류 기술의 조합은 어떤 한가지 분야 만으로부터의 결과보다 더 의미 있는 데이터를 공급할 수 있다. 이미 지노믹스와 프로테오믹스 데이터를 생성해 왔던 회사들은 메타볼로믹스 데이터를 가지고 그들의 작업을 더욱 증대시킬 수 있다.

메타볼로믹스 데이터는 유전자의 기능을 해명할 수도 있다. 예를 들면 유전자 knock-out 돌연변이의 대사 변화분석은 어떠한 생화학 물질이 그 유전자에 작용하는지를 결정하기 위해서 그 유전자의 야생형(wild-type)과 비교될 수 있다. 이것은 유전자와 단백질의 기능을 직접적으로 찾아내는 방법이다.

회사들은 또한 새로운 질병의 표적을 발견하기 위해서 메타볼로믹스를 이용하고 있다. 질병에 걸린 것과 정상의 샘플들의 대사 변화분석은 어떠한 생화학 물질들의 농도가 증가했는가 감소했는가를 알아내기 위해서 비교될 수 있다. 그리고 나서 이 생화학 물질들은 특별한 질병과 연관성이 확인된 후에 진단이나 치료법을 개발하는 근거로써 사용될 수 있다.

질병의 초기 진단을 위한 검사법의 개발에 대한 기대는 메타볼로믹스 기술들의 발전을 촉진하고 있다.


4. 사업전망

메타볼로믹스 산업은 이 기술을 이용하는 비교적 적은 수의 회사들과 함께 주목받고 있으며, 기술의 대중화에 따라 새로운 회사들도 이 산업에 참가할 것이다. 현재에는 메타볼로믹스 연구에 사용되는 분석장비회사들이 시장을 가장 크게 차지하고 있다. 그러나, Applied Biosystems社(Foster City, 美國 캘리포니아)과 같은 질량분석기나 Bruker BioSpin社(Billerica, 美國 매사츄세츠)와 같은 핵자기공명장치를 생산하는 회사들은 앞으로는 시장의 작은 부분만을 차지하게 될 것이다. 반면에 실제로 메타볼로믹스기술들을 용용하는 회사들은 그들의 수익이 상승세를 탈 것이다.

메타볼로믹스는 다른 오믹스(omics) 과학들처럼 데이터 획득과 관리가 중요하다. 이와 같은 특징 때문에 Molecular Mining社(Cambridge, 미국 매사츄세츠)와 같은 여러 개의 작은 소프트웨어 회사들은 지노믹스, 프로테오믹스와 메타볼로믹스 데이터를 통합하며 각 데이터 세트들 사이의 연관성을 나타낼 수 있는 제품들을 내놓고 있다. 앞으로 5년 안에 진보된 예측이 가능한 더 정교한 제품들을 제공할 것으로 기대된다.
메타볼로믹스 연구를 위한 통합 시스템을 개발하고 있는 회사들은 빠르게 성장하여 5년 이내에 시장을 점유할 것으로 기대된다. 이러한 회사들의 대부분은 상대적으로 규모가 작기 때문에 수익을 내기 위해서 더 큰 제약회사들과 공동 연구에 의존하고 있지만 자체적인 의약품 탐색 프로젝트도 준비하고 있다. Paradigm Genetics社(Research Triangle Park, 美國 노스캐롤라이나)는 이러한 회사들 중에 가장 큰 규모
를 가진다. SurroMed社(Mountain View, 미국 캘리포니아)는 의약품을 개발하고 바이오 마커들을 발견하기 위하여 메타볼로믹스 기술을 이용하고 있다.
메타볼로믹스의 성장은 이 회사들의 성공에 크게 의존한다. 의약품 발견을 위한 메타볼로믹스 분야의 가치가 증명되어 감에 따라서 제약약회사들의 관심은 증가될 것이다. 결국 메타볼로믹스는 지노믹스만큼 없어서는 안될 요소가 될 것이다.