바이오인

국가

기업명

파이프라인

적응증

개발 단계

호주

BiomeBank

Biomictra Gaecal Microbiota

CDI

호주식약처 승인

스위스

Ferring Pharmaceuticals

Rebyota(RBX 2660)

CDI

FDA 승인

미국

Seres Therapeutics

SER-109

CDI

FDA 승인

SER-155

이식편대숙주병

임상1상

SER-287, SER-301

궤양성대장염

임상1/2상

프랑스

Enterome

E02401

순환성 교아 세포종, 부신종양

임상2상

E02463

B-세포 림프종

임상2상

E04010

대장암

전임상

EB1010

궤양성 대장염, 음식알러지

전임상

TAK018(Sibofimloc)

크론병

임상2상

영국

4Dpharma

MRx0518

고형암

임상1상

MRx-4DP004

천식

임상1상

Blautix

과민성 대장 증후군

임상2상

Thetanix

크론병

임상2상

미국

Evelo Bioscience

EDP-1815

건선

임상2상

EDP-1867

아토피 피부염

임상1상

EDP-2939, EDP-1908

염증 질환 및 암

전임상

미국

Synlogic

SYNB1618,SYNB1934

페닐케튼뇨증

임상2상

SYNB1891

고형암

임상1상

SYNB8802

장성수산과잉뇨증

임상1상

미국

Second Genome

BX001

여드름

임상2상

BX003

염증성장질환. 원발경화 쓸개관염

임상1상

BX004,BX005

낭포성 섬유증. 아토피 피부염

전임상

국내

지놈앤컴퍼니

GEN-001

고형암. 위암, 담도암

임상2상

SB-121

자폐증, 신생아괴사성장염

전임상

GEN-004,GEN-501

난임. 항암발진 아토피피부염

전임상

고바이오랩

KBLP-001

건선

임상2상

KBLP-007

염증성 장 질환

임상2상

KBLP-002

천식

임상2상

CJ 바이오사이언스

CLCC1

간암. 대장암

전임상

지아이바이옴

GB-X01

암, 중추신경계질환

전임상

GM-M01

대사성 질환

전임상

GM-G01

염증성 장 질환

전임상

NCT number

Cancer types

n

Microbiome-based therapy

Intervention

Stage

NCT03775850

Solid tumors

120

EDP1503(Bifdobacterium strain)

EDP1503 (capsules)+Pembrolizumab

Phase 1–2

NCT03637803

Solid tumors

132

MRx0518(E. gallinarum strain)

MRx0518 (capsules)+Pembrolizumab

Phase 1–2

NCT05107427

Urothelial carcinoma

30

MRx0518(E. gallinarum strain)

MRx0518 (capsules)+Avelumab

Phase 2

NCT03686202

Solid tumors

65

MET-4(Mixture of pure live cultures
of intestinal bacteria)

MET (capsules)+ICI

Phase 1

NCT04601402

Solid tumors

93

GEN-001 (Lactococcus lactis strain)

GEN-001
(capsules)+Avelumab

Phase 1

NCT04187404

Adrenal tumors

60

EO2401 (Vaccines of microbialderived
peptide homologous to
tumor-associated antigens)

EO2401+Nivolumab

Phase 1–2

NCT04116658

Glioblastoma

52

EO2401 (Vaccines of microbialderived
peptide homologous to

tumor-associated antigens)

EO2401+Nivolumab

Phase 1–2

NCT03829111

Renal cell carcinoma

30

CBM588 (Clostridium butyricum
probiotic)

Nivolumab+Ipilimumab versus
CBM588 (capsules)+Nivolumab+Ipilimumab

Phase 1

NCT04167137

Solid neoplasm,

lymphoma

70

SYNB1891 (Engineered E. coli)

SYNB1891 (intratumoral
injection)+Atezolizumab

Phase 1

NCT04208958

Solid tumors

54

VE800 (11 commensal bacterial
strains)

VE800+Nivolumab

Phase 1–2

NCT03817125

Melanoma

14

SER-401 (Defned bacterial consortia)

SER-401 (capsules)+Nivolumab

versus Placebo+Nivolumab

Phase 1

구분

방법

장점

한계점

분변이식

· 포자를 배양하거나 정제한
대변 또는 혼합균주를 이식

· 클로스트리디움 디피실
감염증 치료 입증

· 온전한 공동체의 이동

· 임상에서 입증된 효능

· 공여자 샘플의 스크리닝, 확장성, 다음에 따른 효능의 잠재적 가변성

· 공여자 찾기 어려움

생균

단일균주

· 기능성을 가진 하나의
균주를 이용

· 하나의 균주만 배양하여
생산이 비교적 쉬움

· 미생물 생태계를 변화 시킬 만큼의 효능이 나오기 어려울 수 있음

혼합균주

· 여러 종류의 균주 혼합

· 알려진 혼합균주 구성

· 개별 격리 및 잠재적으로
자립 가능

· 균주마다 적합한 배양조건이 다름

유전자변형 균주

· 원하는 기능을 갖도록
변형된 균주

· 올바른 위치에서 원하는
대사산물 또는 화합물 생산

· 다양한 목적을 위해
엔지니어링 가능

· 유전자 변형에 따른 안전성 이슈

균유래

유효물질

· 균주가 분비한 유익한
단백질 또는 대사 산물을
직접 보충

· 상대적으로 준비가 쉬우며
안전성 평가, 기존 방식을 따를 가능성 있음

· 정제 과정이 필요

활용 분야

설명

진단 분야

질병을 가진 환자와 건강한 사람의 장내 마이크로비옴을 비교하였을 경우, 환자의 마이크로비옴의 불균형이 발견되었으며, 질환별 마이크로비옴의 구성에 차이가 있음을 확인함. 이에 착안하여 장내 마이크로비옴을 다양한 바이오마커로 사용하는 연구가 진행되고 있음

치료제 개발

장내 미생물을 이용한 치료제 연구개발이 가장 활발히 이루어 지고 있으며, 피부질환, 여성 생식기 질환에서도 활발히 진행되고 있음

식품산업

미생물 활효를 통해 생산되는 전통 발효 식품인 김치와 치즈, 요구르트 등에서부터 분리한 미생물로부터 프리바이오틱스 및 프로바이오틱스 소재 건강기능식품까지 확대됨

축산업

사람의 경우와 유사하게 동물도 특정 마이크로비옴을 고농도로 장기간 투여시, 동물의 장 건강뿐만 아니라 고품질의 축산물 생산과 축사환경 개선이 가능할 것으로 연구됨

기능

설명

영양분 흡수

동일한 영양분을 섭취하더라도 개개인의 마이크로비옴 구성에 따라 영양분 흡수 양상에 차이가 존재

약물대사 조절

체내에 유입된 약물 및 발암 물질로부터 인체를 보호

면역작용 조절

인체 면역체계와 상호작용을 통해 외부의 병원성 미생물로부터 인체를 보호

발달 조절

마이크로비옴 생성물질은 뇌 발달 및 신경 조절을 통한 행동 발달에 영향 미침

분류

설명

관련 산업

인간 마이크로비옴

(Human Microbiome)

인체 내, 외부의 여러 서식처에서 다양한 생태학적 지위를 획득하여 인간과 공생관계를 유지하는 미생물군의 집합체

식품발효 및 유가공 산업

화장품, 피부치료제

장내 마이크로비옴

(Gut Microbiome)

주로 위장관 내에 존재하며 미생물과 미생물, 숙주와 미생물 간의 복잡한 상호관계를 이루는 미생물군으로 인간(동물) 마이크로비옴의 일부

건강기능식품 질병치료제

축산(생장, 사료, 예방)

식물 마이크로비옴

(Phytobiome)

식물과 토양, 공기, 물, 기후 등의 환경, 그리고 식물과 연고나되어 있는 미생물, 동물, 기생식물 등으이 모든 생물 군집의 총합

농업(육종, 비료, 영양제)

항생제 내성관리

(Resistome)

항생제에 대한 저항성을 가진 미생물과 관련된 모든 유전자들의 집합

농, 축, 수, 산물 생산업

식의약품 제조

Eligo Bioscience (France)

• 유전자 편집도구로 요구사항에 따른 마이크로바이옴 재프로그래밍을 수행해 외인성 유전자 생성, 표시, 분비 등의 필요한 기능 추가 가능

• 마이크로바이옴 구성, 기능을 원상 복귀하도록 조정하여 질병을 정확히 치료, 서열 특이적 항미생물제는 유용 박테리아를 제외한 유해 박테리아만을 표적으로 적용되도록 설계

Synlogic (US)

• 합성생물학 구성 요소 라이브러리, 유전자 회로, 유전자 스위치를 활용하여 원하는 기능을 가진 합성(또는 살아있는) 생명체 생성

• 자사의 유전자 회로 플랫폼은 미생물 섀시 선택에 도움되며, 유전자 회로를 섀시 유기체에 삽입하고 환자 인체에 능동적 전달, 기능하기 전 기능적 분석 수행 가능

Inscripta (US)

• 변종을 조작하기 위한 유도 진화 기술에 중점을 두고 있음

• 자사의 GenoScaler 플랫폼은 확장 가능성이 높은 변형을 재결합, in silico 플랫폼은 유전자형-표현형 데이터의 통계적 모델링을 통한 공학적 변형 수행

Gingko Bioworks (US)

• DNA 합성, 실험실 자동화 및 고성능 분석을 사용하여 조작된 살아있는 미생물을 개발하고 고처리량 변형 공학의 자동화 수행

• 1억 9백만 DNA 염기쌍의 HTS를 용이하게 하며, 7,117개의 효소 스크리닝, 30,445개의 균주 테스트에 대한 2,719개 경로 확인 가능

Gencirq (US)

• 암 치료를 위한 차세대 박테리아 개발 중으로, 자사가 개발한 Synchronized Lysis 회로는 안전성·효능이 향상된 암 치료법 제공

Kyverna Therapeutics (US)

• 면역 체계기능을 개선하고 회복시키는 살아있는 치료제를 개발하며 합성생물학 기반의 자가 면역에 적절한 필요 기능을 갖춘 조작된 T세포 공학 기반의 치료 플랫폼을 통해 자가 면역 기능 향상 도모

기업

주요 내용

Ferring Pharmaceuticals and Rebiotix

•︎ Ferring Pharmaceuticals는 C. Difficile 감염 연구를 위해 Rebiotix 인수

- 2018년 4월 Ferring Pharmaceuticals(스위스)는 C. Difficile 감염 재발 방지를 위한 비항생제 치료제를 개발하는 마이크로바이옴 회사인 Rebiotix(미국)를 인수

Locus Biosciences and EpiBiome

•︎ Locus Biosciences, 첨단 탐색 기술을 위해 EpiBiome 인수

- 2018년 7월, Locus Biosciences(미국)는 고처리량의 박테리오 파지 발견 플랫폼과 고효율 파지 분리 및 특성화 기능을 위해 EpiBiome(미국)을 인수

GALT and Penn State Microbiome Center

•︎ GALT는 R&D를 위해 펜실베이니아 주립 마이크로바이옴 센터와 협력

- 2020년에 General Automation Lab Technologies(GALT, US)는 식물 병리학, 환경 미생물학 및 인간 장내 마이크로바이옴 연구를 발전시키기 위해 미국 펜실베니아 주립 마이크로바이옴 센터(Penn State Microbiome Center)와 계약을 체결

CABM and DuPont

•︎ CABM은 R&D를 위해 DuPont과 협력

- 2020년, Center for Advanced Biotechnology and Medicine(CABM, US)과 DuPont Nutrition & Biosciences는 건강과 웰빙을 위한 차세대 마이크로바이옴 기술을 개발하기 위한 2년간 협력 계약을 체결

Second Genome and Gilead Sciences

•︎ 바이오마커를 위한 Second Genome과 길리어드사이언스의 파트너십

- 2020년 4월, Second Genome(미국)과 Gilead Sciences(미국)는 과민성대장증후군에 대한 Gilead의 5가지 임상 후보 약물 및 약물 표적에 대한 바이오마커를 개발하기 위해 파트너십을 체결하였으며 Second Genome은 3,800만 달러의 선지급을 받음

국가/기관

주요내용

Seventure Partners,

Europe

•︎ 유럽 벤처캐피털, Seventure Partners 및 프랑스 기관 투자자는 2022년 12월까지 마이크로바이옴 혁신을 위한 HFL 2(Health for Life Capital II™) 펀드를 통해 58억 달러의 투자를 약속

NASA, US

•︎ NASA는 지구 생태계와 우주에서의 잠재적인 응용을 위해 마이크로바이옴 연구에 1,250만 달러를 제안

JDRF

(Juvenile Diabetes Research Foundation)

•︎ 당뇨병 R&D를 위한 세계 최대의 비영리 자금 지원 기관으로 미국에 기반을 둠

•︎ 2016년 1형 당뇨병 관련 5년간의 마이크로바이옴 연구에 1,000만 달러를 투자함

Bill and Melinda Gates Foundation

•︎ 2016년 미국 정부가 국가 마이크로바이옴 이니셔티브를 발표한 후 이 재단은 2020년까지 4년 동안 인간 및 농업 부문의 마이크로바이옴 R&D에 1억 달러를 투자하기로 합의

지역

기관

내용

북미

Engineering Biology Research Consortium Microbiome Roadmapping Working Group,

US

• 비영리이면서 민관 협력 파트너십 조직으로 고급 마이크로바이옴 합성생물학(engineering biology)에 중점 둠

• 합성생물학의 연구 및 응용 분야에서의 도전과 기회를 식별하고 이를 해결하기 위한 로드맵과 솔루션을 제공

The Microbiome Center, US

• 시카고 대학, 해양생물연구소, 아르곤국립연구소 등 미국 전역의 여러 대학으로 구성된 공동 연구 기관

• 합성생물학 기술을 사용하여 미생물을 조작하고 진단 및 치료 응용 프로그램을 위한 관련 솔루션을 제공함으로써 미생물의 정체성과 기능을 이해하는 데 중점을 둠

유럽

VIB-KU Leuven Center for Microbiology, Belgium

• 이 센터는 미생물의 생리학, 유전학, 진화, 생태학, 상호 작용 및 산업 및 임상 적용을 위한 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 미생물학(microbiology)을 전문으로 함

• 미생물학에서 합성생물학과 같은 기술을 사용하여 우수한 산업 미생물 및 미생물 제품을 개발

eureKARE,

Luxembourg

• 이 조직은 혁신적인 기술을 포착, 선택 및 육성하고 생명공학 창업 스튜디오를 통해 새로운 회사를 만들어 유럽의 바이오 기업을 지원

• 또한 획기적이고 잠재력 있는 기술을 가진 유럽 바이오 회사에 투자하며 마이크로바이옴(eureKABIOME) 및 합성생물학(eureKASYNBIO) 기술을 위한 특정 모듈을 제공

Federation of European Microbiological Societies (FEMS),

Netherlands

• 이 연합은 연구, 네트워크, 보조금, 교육 및 봉사활동을 통해 미생물 산업 발전에 기여

• 이 미생물 연구에는 30,000명 이상의 연구원, 과학자 및 학생이 있는 50개 이상의 협회 회원사가 참여하고 있음

그외

Bioproduction Research Institute,

Japan

• 국립산업과학기술종합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 일부로, 미생물 생태를 연구하고 새로운 생명공학 응용 프로그램을 만듦

• 토양, 강, 바다, 논, 습지로 구성된 생물권(biosphere) 생태계를 이해하기 위해 마이크로바이옴, 합성생물학, 분자생물학, 생물정보학을 탐구

Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences,

China

• 2012년에 톈진시 정부와 중국과학아카데미는 이 비영리 국가 연구소를 산업 생명공학을 위한 국가 혁신 시스템으로 설립

• 이 연구소의 핵심 연구에는 합성생물학, 미생물 제조 공학, 생물 공정 공학 및 단백질 과학(protein science)이 포함

Synthetic and Systems Biology Center,

Brazil

• 상파울루 주립 바이오에너지연구센터의 일부이며 식물과 미생물을 사용하여 지속 가능한 에너지원을 제조하기 위한 과학 지식과 기술을 공식화함

• 합성 및 시스템 생물학을 활용하여 여러 부문, 특히 바이오 에너지의 혁신적인 솔루션을 개발

국가/기관

주요내용

EU

•︎ 유럽 연합(EU)은 The 7th Framework Programme for Research 및 Horizon 2020에 따라 미생물 연구의 메타게노믹스 및 기술 발전을 촉진하기 위해 약 216개의 선별된 프로젝트에 4억 9,800만 유로 이상의 자금을 지원함

•︎ Horizon 2020은 마이크로바이옴, 영양, 미생물 숙주, 마이크로바이옴의 응용, 건강 및 질병에 대한 미생물의 관계에 중점을 둔 2018–20 Health and Food Work Program 의 일부였음

NIH, US

•︎ 미국 국립보건원(NIH)은 건강 및 질병에서 인간 마이크로바이옴의 역할을 이해하기 위해 멀티오믹스 데이터를 평가하는 연구 프로젝트에 자금을 지원함

•︎ 이 프로젝트는 임산부의 질내 마이크로바이옴에 대한 멀티오믹스 분석과, 건강한 개인과 질병이 있는 개인에 대한 멀티오믹스 미생물의 비교 분석이 포함됨

BARDA, US

•︎ 생물학적 위협에 대한 의학적 대응책 개발을 전문으로 하는 미국 BARDA은 C.difficile, VE303(현재 단계 II)에 대한 살아있는 미생물 치료제의 임상 개발을 위해 2020년에 Vedanta Biosciences에 총 7,690만 달러 지원금 중 740만 달러를 지원

DBT, India

•︎ 인도의 Department of Biotechnology(DBT)는 마이크로바이옴 연구 및 혁신을 촉진하기 위해 2019년 인간 마이크로바이옴 R&D 프로젝트에 2,000만 달러를 투자

지역

기관

내용

북미

University of Guelph, Canada

•︎ 이 대학은 인간의 질병에 필요한 미생물을 포함하는 대변을 생산하기 위해 인간의 원위 장(distal gut)을 모방하는 Robogut를 개발함

•︎ 클로스트리디움디피실리(Clostridium difficile : 설사 등을 유발하는 균)에 감염된 설사 환자 치료 가능

Canadian Microbiome Initiative 2(CMI2)

•︎ 마이크로바이옴을 통한 예방 및 치료 솔루션 개발이라는 장기적인 목표와 함께 마이크로바이옴 분야를 향상시키고 당면 과제를 해결하기 위해 Canadian Institute of Health Research 에서 시작한 전략적 이니셔티브

•︎ 마이크로바이옴에 중점을 두며, 특히 배양할 수 없는 미생물의 배양기술의 향상도 포함

Duke University, 미국

•︎ 이 대학은 인간 장내 미생물총에 대한 고처리량 분리 및 배양 기술을 개발하기 위해 유전학 및 유전체학, 컴퓨터 생물학 및 생물정보학, 분자 유전학 및 미생물학, 생물의학 등의 공과 대학 및 관련 프로그램으로 구성된 공동 연구 단위

유럽

Host-Microbiota Interactions Laboratory, Wellcome Sanger Institute, UK

•︎ 이 연구실은 미생물의 항상성을 회복하기 위한 치료 기회를 연구함

•︎ 연구자들은 메타 게놈 분석을 개선하기 위해 배양 기술(culturomics technology)의 최적화를 목표로 함

Helmholtz Zentrum Munchen, Germany

•︎ 인간, 토양, 식물 표본의 마이크로바이옴 비교 분석을 위한 연구 단위로, 생태계 서비스를 유지하고 지구적 토양 변화에 대한 미생물 반응 패턴을 이해하기 위한 전략을 수립

그외

Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences,

China

•︎ 2006년에 홍콩중문대학교(The Chinese University of Hong Kong), 중국과학원, 선전 시(深圳, Shenzhen Municipal Government)가 공동으로 설립

•︎ 신흥 산업을 개발하기 위해 중국의 장비 제조 및 서비스 산업을 강화하고, 특히 미세유체기술(droplet microfluidics technology)로 인간 미생물의 고처리량 분리 및 배양을 전문으로 수행함

기술

iChip

(developed by NovoBiotic Pharmaceuticals, US)

Robogut

미세유체공학과 FACS

(Microfluidics and FACS)

설명

장내 복잡한 미생물을 선별하여 분리하는 소형 칩

인간의 원위 장(distal gut)을 시뮬레이션(음식을 섭취하고 소화한 후 및 미생물이 가득 찬 폐기물로 전환)하여 in vitro 내에서 원하는 미생물군을 개발

이들의 조합은 다양한 미생물 생태계에서 미생물을 높은 처리량으로 분리하고 배양 가능하게 함

장점

이전에 배양할 수 없었던 복잡한 시료에서 미생물을 식별하고 배양함

이전에 배양할 수 없었던 미생물 및 박테리아, 바이러스 및 기타 미생물의 복잡한 생태계를 배양하는데 도움

원하는 효소 또는 대사물을 생산하는 미생물에 대한 다양한 미생물 개체군 선별

방법

다중 세포를 포함하여 영양소 통과를 허용하면서도 미생물을 분리, 식별 및 배양

박테리아, 바이러스 및 기타 미생물을 포함한 미생물군을 in vitro 내에서 배양하여 대변 이식을 위한 합성 대변 대체물 생산

대변 이식을 위한 합성 대변 대체물을 만들기 위해 in vitro 내에서 박테리아, 바이러스 및 기타 미생물을 포함한 미생물군을 배양

상용화

상태

상용화

사전 상업화

상용화

R&D포커스영역

약물 발견, 환경 샘플에서 미생물 식별

감염병 치료제 발굴

약물 발견, 알려진 경로에서의 돌연변이 선별

구분

유전 회로

(Genetic circuits)

미생물 공학

(Microbial engineering)

바이오센서

(Biosensors)

설명

시공간을 활용하여 치료 효과를 높이고 마이크로바이옴 발현을 조절하기 위해 인공적으로 만들어질 수 있는 유전적인 부분

치료 단백질, 항체 및 생화학 물질의 이종 생산(heterologous production)을 촉진하고 숙주가 원하는 효과적인 생물학적 합성 대사 경로를 제공하기 위해 리프로그래밍 된 미생물

숙주 내 질병을 일으킬 수 있는 바이오마커를 감지할 수 있는 바이오센서 역할을 하는 미생물 군집(community)

장점

숙주 내 장기적으로 유지되어 치료제로써 효능을 높임

(예: B. thetaiotaomicron)

숙주에 부작용을 일으킬 수 있는 대변 이식과 같은 치료보다 장내 미생물로부터 치료제를 추출하는 것이 더 안전함

만성질환의 진단 지연 또는 오진의 문제점 극복

방법

유전자공학을 통해 숙주 내 치료제로써 마이크로바이옴의 발현을 조절하기 위해 일부 유전자를 합성 설계함

사이토카인, 효소 및 질병에 대한 치료 단백질과 같은 치료제를 생산하기 위해 미생물을 재설계(rewire)

재설계된 미생물은 질병 상태의 생체지표를 감지하는 센서 역할을 함

R&D 포커스 지역

CRISPR/Cas*

기반을 둔 생체분자 생산

만성질환의 연구개발 : 암, IBD(염증성장질환), 비만, 대장염

질병진단 : 위장관출혈, 대장염, 장염

지역

기관

내용

북미

The Microbiome Center,

Argonne National Laboratory,

US

• 마이크로바이옴 연구를 위한 나노과학, 나노기술 및 AI/ML을 탐구, 마이크로바이옴의 식별 및 기능을 연구

* 협력기관 : The University of Chicago and Marine Biological Laboratory, US

The Biodesign Center,

Arizona State University,

US

• 응용 분야(인간, 토양, 식물, 우주선, 매립지) 전반에 걸쳐 미생물 거동을 예측하는 이론을 공식화

• 에너지 추출에 중점을 두고 장내 미생물총이 인간 건강에 미치는 영향을 탐구하고 이해

* 협력기관: The Mayo Clinic Arizona

Dalhousie University,

Canada

• 해당 대학의 통합 마이크로바이옴 자원(Integrated Microbiome Resource)은 학계와 산업계 리더를 지원

• 차세대 시퀀싱 기술, 연구 설계 지침, 샘플 준비 및 데이터 분석을 통해 마이크로바이옴 시퀀싱 및 분석

유럽

Austrian Microbiome Initiative (AMICI),

Austria

• 의료용 마이크로바이옴 연구 및 개발에 중점을 둔 연구 플랫폼

The Center for Microbial Ecology and Technology,

Ghent University,

Belgium

• 응용 프로그램 전반에 걸쳐 미생물 데이터베이스 관리 제공

그외

Westlake University, China

• 제2형 당뇨병과 관련된 장내 마이크로바이옴 특성을 연구하기 위해 해석 가능한 ML 개발

* 협력기관: Sun Yat-sen University and Southern Medical University in Guangzhou, China

기술

빅데이터 해석학

AI/ML 예측 분석학

설명

• 빅데이터는 메타데이터 큐레이션 및 데이터 유형 통합

• 고급 마이크로바이옴 데이터의 시각화

• AI/ML 도구는 마이크로바이옴 연구 결과를 특성화하기 위한 분석 플랫폼을 생성

• 통계적 ML 분석 도구는 미생물 구성 및 기타 공변량(covariate, 여러 변수들이 공통적으로 함께 공유하고 있는 변량)을 기반으로 표현형을 예측

장점

• 빅데이터는 클라우드를 기반으로 마이크로바이옴 데이터 세트를 대량 및 빠르게 계산

• ML에서 딥러닝 알고리즘은 대량의 마이크로바이옴 데이터 분석이 가능

• 예측 분석학은 다양한 질병을 너무 늦지 않게 적절한 시기에 진단할 수 있음

방법

• 클라우드 기반의 도구와 소프트웨어는 데이터 처리 및 분석을 강화
(예: Qiita, GNPS)

• 모델 개발

- 미생물 분류학적 표현 및 분화 이해와 질병 예측에서의 숙주 표현형을 추론하기 위한 모델 개발(예: DeepARG)

- 개별화된 의약품을 결정하기 위한 마이크로바이옴 기반의 예측 모델

상용화

상태

• 빅데이터는 애플리케이션 전반에 걸쳐 마이크로바이옴 데이터를 관리하고 활용하기 위해 상업화되고 지속적으로 업데이트 됨

• ML은 마이크로바이옴 데이터 분석을 위한 연구에서 점점 더 많이 사용되고 있음

• 예측 분석 모델은 질환의 결과를 이해하기 위한 연구에서 사용됨

R&D

포커스

영역

• 데이터베이스 저장소(repository), 클라우드 기반의 데이터 공유

• 숙주 마이크로바이옴(host-microbiome) 상호작용을 기반으로 하는 연구 및 제품 개발

• 질병 예측을 기반으로 하는 마이크로바이옴 연구 및 제품 개발

구분

R&D

제품개발

처리 및 제조

포장 및 물류센터

유통(공급)

핵심 업무

(KeyTask)

학술기관,
중소기업,
제약회사
R&D 수행 및 규제승인

관련 기술을 활용한 마이크로바이옴 제품 디자인 및 프로토타입 개발

승인된 디자인에 따라 적절한 평가와 확인을 거쳐 공정 및 제조

오염 방지 및 생존 유지를 위해 제어된 온도에서 포장, 유통업체에 제품을 공급

대리점 및
하위 대리점에서 소매점으로 유통

도전과제 및 어려움

높은 처리량의 배양기술, 데이터 통합 도구 및 대규모 미생물군집 분석소프트웨어 부족

제품의 최적의 규제 포지셔닝 이해, 즉 제품에 대한 적절한 법적 분류 결정

살아있는 유기체의 다양한 일괄 변형(batch-to batch)을 위해 제조 표준에 대한 광범위한 조사 필요

시간이 지나도 프로바이오틱스가 안정적으로 유지되도록 보장하고 자연 환경과는 별개로 생체 내에서 제품 생존력을 유지해야 함

시장 경쟁력을 지닌 강력한 제품 차별화와 포지셔닝 필요

극복을 위한 기반 기술

유전체학, 전사체학, 대사체학, 메타지노믹스, 미세유체학, FACS 기술, AI/ML 도구, 바이오뱅킹

생체재료공학, 3차원(3D) 프린팅, 합성생물학, AI/ML 도구

고처리량 배양, 발효, 자동화

동결보존,
동결건조

디지털 지원을 통한 공급망 관리

출처

정의

사전적 정의

•마이크로바이옴은 ‘미생물(Microbe)과 생태계(Biome)의 합성어

분자·세포생물학백과

•미생물군집 혹은 미생물총은 주어진 환경에서 생존하고 있는 모든 미생물의 집단 전체를 지칭하는 용어

한경경제용어사전

•‘인간의 몸에 서식하며 공생하는 미생물’인 마이크로바이오타(Microbiota)와 게놈(Genome)의 합성어

Dictionary.com

•The totality of microorganisms and their collective gentic material present in or on the human body or in another environment

Science紙논문

•마이크로바이옴은 인체에 존재하며 우리 몸을 함께 공유하며 살고 있지만, 그동안 건강이나 질병의 원인으로 거의 간과되어 온 상재균·공생균·병원균 등 모든 미생물들의 “총합”

- 노벨 생리의학상 수상자인 컬럼비아대학의 레더버거 교수와 맥크레이 교수의 2001년 사이언스지 기고 논문 발췌

Microbiome紙논문

•특정 환경에 존재하는 모든 미생물 유전체(Genome)의 결합으로 특정 환경에 존재하는 미생물 군집을 의미하는 마이크로바이오타(Microbiota)와 한 개체의 모든 유전 정보를 의미하는 유전체(Genome)의 합성어

↓

•마이크로바이옴은 미생물군집과 유전체의 합성어로 인간, 동물, 식물, 토양, 바다. 대기 등에 공존하는 미생물 군집과 유전체 전체를 의미

구분

유형

프로바이오틱스

(Probiotics)

• 적당량을 섭취했을 때 인체에 이로움을 주는 살아있는 미생물을 총칭하며, 우리 몸에 유익을 주는 균

- 적정량을 섭취했을 때 체내 건강에 유익한 역할을 하는 살아있는 미생물(FAO/WHO, 2001)

프리바이오틱스

(Prebiotics)

• 장내 유익한 박테리아의 생장을 돕는 난소화성 성분으로서 프로바이오틱스의 영양원이 되어 장내 환경개선에 도움을 주는 성분

- 미생물군집의 조절과 관련하여 인체에 건강상의 이점을 부여하는 비생존 식품 성분(FAO/WHO, 2007)

포스트바이오틱스

(Postbiotics)

• 장내 유익균이 만들어내는 건강에 이로운 부산물(폐기물)로서 살아있는 박테리아에 의해 분비되거나 박테리아 용해 후 방출되는 용해성 인자(생성물 또는 대사산물)

신바이오틱스

(Synbiotics)

• 프로바이오틱스와 프리바이오틱스의 혼합물로서, 미생물 영양원(프리바이오틱스)의 투입으로 하나 또는 제한된 수의 건강 증진 미생물(프로바이오틱스)의 신진대사를 선택적으로 자극

- 인체 건강을 개선하기 위한 장 미생물군집 관리도구로 간주되는 프리바이오틱스와 프로바이오틱스의 적절한 조합(WHO, 2017)

마이크로바이옴

상승효과 작용기작

Mn

SphingobacteriumandBacillus

Use various organic compounds to bio-adsorb Mn (II) and bio-adsorb Mn in the coexistence system.

PAHs

Four fungal (Aspergillus flavus H6, Aspergillus nomius H7, Rhizomucor variabilis H9, Trichoderma asperellum H15) and five native bacterial strains (Klebsiella pneumoniae B1, Bacillus cereus B4, Pseudomonas aeruginosa B6, Klebsiella sp. B10, Stenotrophomonas maltophilia B14)

Increase synergistic metabolic degradation. Produced noticeable microbial diversity changes in the soil contaminated by PAHs, which caused the microbial community to shift in the direction of aromatic hydrocarbons and intermediate degradation pathways.

Four different strains of P. aeruginosa (PA-OBP1, PA-OBP2, PA-OBP3, and PA-OBP4)

Secrete a wider range of enzymes to catalyze the degradation process through various reactions.

BPS

A bacterial consortium consisting ofPseudomonas umsongensis,Bacillus mycoides,Bacillus weihenstephanensis,andBacillus subtilisand a fungal consortium consisting ofMucor circinelloides,Penicillium daleae,Penicillium chrysogenum,andAspergillus niger

Counteract the harmful effects of BPS on the soil by enhancing the activity of catalase, urease, acid phosphatase, and alkaline phosphatase. Enhance the activity of dehydrogenase, arylsulfatase, β-glucosidase, and acid phosphatase.

Four bacterial genera Hyphomicrobium, Pandoraea, Rhodococcus, andCupriavidus

Resistant to BPS and can use BPS as a substrate. When the degradation rate of BPS increased, the growth rate of the bacteria increased.

BPF

Four bacterial genera, Salmonella enterica(46.4%), Enterobacter(28.6%), Citrobacter(21.4%), andPseudomonas(3.6%)

Synergistically degrade BPF. Use BPF and its metabolites as a carbon source to remove BPF.

Four kinds of bacteria (Pseudomonas umsongensis, Bacillus mycoides, Bacillus weihenstephanensis, and Bacillus subtilis) and four fungi (Mucor circinelloides, Penicillium daleae, Penicillium chrysongogenum, and Aspergillus niger)

Increased the activity of urease, β-glucosidase, catalase, and alkaline phosphatase. Increased the activity of dehydrogenases, catalase, β-glucosidase, alkaline phosphatase, and urease.

Crude oil

Indigenous bacterial Paraburkholderia sp. and Paraburkholderia tropica and exogenous fungus Scedosporium boydii

Significantly enhanced microbial activity and increased the uniformity and diversity.

마이크로바이옴

상승효과 작용기작

Pyrene

Five cultivable bacteria (Mycobacteriumspp. PO1 and PO2, Novosphingobium pentaromativorans PY1, Ochrobactrumsp. PW1, and Bacillussp. FW1)

Degrade the essential intermediate compounds produced during the degradation of pyrene by other members. Degrade phthalates or protocatechuates. Produce a large amount of high-efficiency biosurfactant, thereby increasing the soluble pyrene content, improving its bioavailability and biodegradability.

DBP

Pandoraea sp. and Microbacterium sp.

Degrade dimethyl phthalate (DMP), di-2-ethylhexyl phthalate (DEHP), and phthalic acid (PA); one strain of bacteria uses the intermediates produced by another strain.

DOP

Arthrobactersp. SLG-4 andRhodococcussp. SLG-6

Metabolize DOP as phthalic acid (PA). Degrade DOP to PA and then metabolize it to protocatechuate acid and finally to tricarboxylic acid (TCA) through the meta-cleavage pathway.

TPHP

Pseudarthrobacter, Sphingopyxis, Methylobacterium, and Pseudomonas

Synergy between the different strains of the microbial consortium GYY. Self-regulate and adapt during the degradation of TPHP.

PHs

Diaphorobactersp. strain LR2014-1 andAchromobactersp. strain ANB-1

Synergistic catabolism of linuron leads to a more effective catabolism of linuron and promotes growth. It contains two evolutionarily different hydrolases, the amide hydrolase superfamily Phh, and the amidase superfamily TccA2, which have complementary roles in the hydrolysis of different types of PHs.

Butane

Six butane-oxidizing bacteria (BOB, PG-3-1, PG-3-6, PG-3-2, PG-3-10, PG-3-7, and PG-3-12) and butanol oxidizing strain Mycobacteriumsp. PG-3-5

The BOB strain oxidized butane to butanol. The butanol oxidizing strain removed butanol, promoting the growth of both BOB and butanol-oxidizing bacteria. The co-cultivation of BOB strains and butanol-oxidizing strains has a synergistic effect.

DON

Pseudomonassp. Y1 and Lysobactersp. S1

Convert DON into non-toxic 3-epi-DON. DON degradation was the DON epimerization process. DON epimerization is a two-step enzymatic detoxification pathway of DON. The synergistic metabolism promoted DON epimerization.

TC

Raoultellasp. XY-1 and Pandoraeasp. XY-2

The presence of a biochemical synergistic effect between the bacteria, which enhanced the bacteria’s activity and the degradation of TC.

Cd

UPC (70.22–75.41% of Sporosarcina, 13.83–20.66% of norank_f_Bacillaceae, and 5.91–13.69% of unclassified_f_Bacillaceae)

Contained a bacterial consortium with high urease activity and carbonate formation ability. In the urease hydrolysis process of urea, Cd2+cations are adsorbed through their negative charges, and the combination of Cd2+and carbonate finally formed a precipitate. Stronger environmental adaptability.

　헬스케어

(Healthcare)

식음료

(Food & Beverage)

개인관리

(Personal Care)

공기조화기술

(HVAC)

OTC 프로바이오틱스는 오랫동안 인류 건강에 중요한 역할을 하였지만, 향후 수년 내에 소화기 질환에 대한 새로운 마이크로바이옴 기반 치료법이 등장할 수 있음

또한 치료 효능을 개선과 개인 맞춤형이 가능한 진단제품과 서비스 관심이 높아짐

F&B 산업에서는 오래 전부터 프리바이오틱스와 프로바이오틱스 성분이 사용되어 왔지만, 최근에는 마이크로바이옴 기반의 F&B 제품을 활용하여 과학적으로 특정 소비자의 건강에 기여하는 것에 대한 관심고조

또한 프로바이오틱스는 정신 건강에 유용한 혜택을 위해 기존 위장(GI) 공간에서 외부로의 움직임이 시작됨

마이크로바이옴 기술이 노화 방지 및 기타 피부 및 모발 관리 제제 개발에 사용

개인관리 및 화장품에서는 마이크로바이옴기반 제품에만 초점을 두는 신규회사들이 등장

유명화장품 브랜드도 마이크로바이옴 기술을 접목한 신제품 개발에 관심

난방, 환기 및 에어컨 산업은 새롭게 대두되는 흥미로는 분야 임

실내 공기의 질을 개선하기 위한 HVAC시스템의 프로바이오틱스 기술을 사용

핵심기술 　

주요내용

프로바이오틱스 (probiotics)

적당량을 섭취했을 때 인체에 이로움을 주는 살아있는 세균을 총칭하는 말로 우리 몸에 유익(有益)을 주는 균(菌)

인간의 건강에 이로운 박테리아나 효모와 같은 살아있는 미생물로 구성되며, 유산균(Lactobacillus), 비피더스균(Bifidobacterium), 엔테로콕쿠스(Enterococcus) 등 이로운 균주를 포함

프리바이오틱스

(prebiotics)

장내 유익한 박테리아의 생장을 돕는 난소화성 성분으로써 프로바이오틱스의 영양원이 되어 장내 환경을 개선하는 데 도움을 줌

대표적인 프리바이오틱스로 이눌린 또는 이눌린을 이용하여 만든 프락토올리고당 등 식이섬유가 풍부함. 프리바이오틱스는 올리고당과 같이 탄수화물로 이루어져 있는 경우가 많고, 대부분이 식이섬유의 형태로 존재

표적 항균제

(Targeted Antimicrobials)

항미생물제라고도 하며 미생물의 생장(growth)이나 생존(survival)을 억제할 수 있는 천연화합물 혹은 합성화합물을 의미

특히, 표적 항균제는 인체에 해롭지 않고 유익한 미생물을 해치지 않으면서 명확하게 병원성 미생물을 목표로 삼는 기술

기타

프로바이오틱스, 숙주 조직 내 또는 숙주 생물체의 건강한 생체 내 성장 및 유지를 지원방법으로 유래된 비 생물성분을 이용하는 기술