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새로운 수 천 종 포함. 1만 개 이상의 메타 게놈 데이타 사용.

육상 미생물의 유전자 카탈로그 '토양, 바다 및 생물의 세균 군집 분석'

어디에나 존재 :

박테리아는 사막, 심해 또는 인체 등 전 세계적으로 상상할 수 있는 거의 모든 서식지를 식민지화한다. 광범위한 게놈 분석을 사용해 연구원들은 현재 5만 개 이상의 박테리아와 고세균을 분류했다. 그들의 목록에는 이전에 알려지지 않은 수천 종이 포함돼 있다. 과학자들이 저널 "Nature Biotechnology"에 보고한 것처럼 질병과 약물에 대한 연구에도 도움이 될 수 있다.

▲ 인간의 피부에 서식하는 미생물(피부 미생물 군집) : 신체 부위에 분포 (출처:Source http://www.genome.gov/dmd/img.cfm?node=Photos/Graphics&id=85320 / Author Darryl Leja, NHGRI)

박테리아는 여러 면에서 우리와 관련이 있다. 우리를 아프게 할 수 있지만 생명을 구하는 약을 생산할 수도 있다. 우리 밭의 토양에서는 식물의 성장에 영향을 미치고 장에서는 소화를 돕는다. 동시에, 미생물의 다양성은 일부만 알려져 있다. 심지어 뉴욕의 센트럴 파크나 우리 코에서도 연구원들은 새로운 유형의 박테리아를 발견하고 있다.

기초로서의 메타 유전체학

수년 동안 세계의 박테리아를 일종의 지도로 분류하려는 시도가 있었다.
버클리에 있는 DOE Joint Genome Institute의 스테펜 마이팍(Stephen Nayfach)이 이끄는 팀은 현재까지 가장 광범위한 세균 게놈 분석을 발표했다. 이를 위해 연구진은 다양한 종의 유전 정보를 결합한 소위 메타 게놈의 데이터를 사용했다.

“지금까지 많은 미생물을 배양할 수 없다.”라고 연구원들은 설명한다. “배양이 필요하지 않은 분자 접근 방식으로만 접근할 수 있다. 이러한 접근 방식 중 하나는 메타 유전체학이다”
이 과정에서 유전 물질은 환경 샘플에서 직접 획득하고 개별 종을 사전에 분리 및 증식하지 않고도 분석된다.

Nayfach와 그의 팀은 매우 다른 서식지에서 1만 개 이상의 메타 게놈을 사용했다.
모든 대륙의 자연 및 농업 토양, 세계 해양, 소의 소화관 및 인체. 이로부터 그들은 이 서식지에 있는 5만 개 이상의 미생물 게놈을 재구성하고 그들을 위한 가계도를 만들었다.
이를 위해 그들은 메타 게놈의 데이터를 알려진 박테리아 게놈과 비교하여 참조로 사용했다.

인식할 수 없는 다양성

그들의 결과는 ‘지구 마이크로 바이옴의 게놈(GEM)’ 카탈로그의 기초를 형성한다.
그 내용은 육지 미생물 다양성의 상당 부분이 아직 발견되지 않았음을 확인시켜준다.
연구진은 수천 개의 새로운 종, 속 및 주문, 그리고 이전에 알려지지 않은 4백 개 이상의 박테리아 종류를 확인했다. “이 카탈로그는 박테리아와 고세균의 알려진 계통 발생 다양성을 44%까지 확장한다”고 연구원들은 보고했다.

새로운 종의 경우뿐만 아니라 이전에 유전자를 사용하여 발견된 대부분의 미생물의 경우 생활 방식이나 대사 활동에 대해 알려진 바가 거의 없다. Nayfach와 그의 동료들은 "지금까지 우리가 게놈을 사용하여 확인한 박테리아 단백질 클러스터의 거의 70%에 대한 기능적 분류가 없었다"고 보고했다.

▲ 대장균이 축적된 모습 (2 차 전자 현미경)

마약 검색을 위한 귀중한 정보

새로운 미생물 군집 카탈로그는 미생물 환경에 대한 지식을 확장할 뿐만 아니라 약물 연구에도 흥미로울 수 있다. 예를 들어, 박테리아가 자신의 방어를 위해 생산하는 항생제와 같은 생물학적 물질인 소위 2차 대사 산물에 초점을 맞춘다.

연구진은 "대부분의 2차 대사 산물은 지금까지 소수의 박테리아 그룹에만 속하는 배양 박테리아에서 분리되었다"고 말한다. "GEM 카탈로그는 분류 학적 및 생물 지리학적으로 다양한 게놈 컬렉션에 암호화된 이차 대사 산물의 레퍼토리를 탐색할 수 있는 독특한 기회를 제공한다."

새로운 병원체 및 박테리오 파지의 증거

카탈로그는 또한 이전에 발견되지 않은 병원균에 대한 정보를 제공한다.
연구진은 “무엇보다도 Coxiella burnetii(콕시엘라 부르네티; Q열병원체(~熱病原體). Haemaphysalis, Ixodes, Dermacentor, Amblyomma 속(屬)의 진드기에 의하여 전파된다)와 관련된 Coxiella 속의 새로운 종을 발견했다"고 말했다. Coxiella burnetti는 Q 열로 알려진 것을 유발하며 가능한 생물 테러 무기로 분류된다.

또한 연구진은 바이러스 유전 물질에 대한 메타 게놈을 조사했다.
많은 바이러스가 박테리아를 숙주로 사용하며 실제로 팀은 수많은 바이러스-숙주 관계를 식별 할 수 있었다.

“우리는 GEM 카탈로그가 이차 대사 산물의 대규모 레퍼토리를 드러내며 바이러스-숙주 관계 연구에도 적합함을 보여주었다. 따라서 우리는 카탈로그가 향후 연구를 위한 귀중한 자원이 될 것으로 기대한다”고 연구원들은 말했다.
(Nature Biotechnology, 2020, doi : 10.1038 / s41587-020-0718-6)

[더사이언스플러스=문광주 기자] "no science, no future"

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