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[사진. (왼쪽부터) 정유숙 (주)쎌바이오텍 이사, 권순경 경상국립대 교수, 이현권 박사후연구원, 김지현 교수, 윤재경 연구교수, 송주연 연구교수]

 

장내 미생물 등의 메타유전체 빅데이터를 쉽고 빠르게 분석할 수 있는 도구가 개발돼 마이크로바이옴 연구 문턱이 낮아질 전망이다.

 

김지현 교수 연구팀은 경상국립대학교 권순경 교수, ㈜쎌바이오텍 정유숙 이사와의 공동연구를 통해 대용량 메타유전체 정보 기능 분석을 표준화‧최적화한 통합 파이프라인인 `메타펀(metaFun)'을 개발했다.

 

인체 마이크로바이옴은 우리 몸속에 사는 수많은 미생물의 집합으로 최근 장내 미생물이 비만, 당뇨 등 대사질환과 면역질환, 암 및 뇌신경질환, 정신질환 등과 깊은 관련이 있다는 연구 결과가 잇따라 보고되고 있다.

 

이러한 미생물군집의 구조와 기능을 들여다볼 수 있는 메타유전체 분석 기술은 배양이 어려운 미생물을 포함한 전체 미생물의 유전정보를 분석할 수 있어 마이크로바이옴 연구의 핵심기술로 자리 잡았다. 하지만 분석 과정이 매우 복잡하고 사용하는 프로그램이나 설정값에 따라 결과가 크게 달라지는 문제가 있었다. 

 

연구팀은 이를 해결하기 위해 메타유전체 분석 전 과정에 대해 표준화하고 최적화한 데이터 해석 환경을 제공하는 분석 도구를 설계했다.

 

먼저 인체 장내, 식물 뿌리 토양, 해양 등 다양한 환경의 메타유전체 데이터를 활용한 대규모 테스트를 통해 최적의 분석 조건을 도출했다. 또한 서로 다른 컴퓨터 분석 환경에서도 같은 결과를 얻을 수 있도록 최신 워크플로우 관리 기술과 컨테이너 기술을 적용했다.
 

[그림 1. metaFun 메타유전체 빅데이터 기능 분석 파이프라인의 개발 모식도]

 

이렇게 개발한 메타유전체 통합 분석 파이프라인 메타펀(metaFun)은 염기서열 데이터의 품질 검사부터 미생물 종류 분석, 기능 분석, 균주 수준의 세밀한 분석, 유전체 조립과 분류, 유전체 품질 평가, 비교유전체학 분석에 이르는 총 7개의 분석 단계를 효율적으로 수행한다.

 

또한 분석 결과를 활용하여 실시간 데이터 해석과 시각화를 지원하는 4개의 대화형 모듈을 제공해 비전문가도 코딩 기술 없이 결과를 이해할 수 있도록 했다.

[그림 2. metaFun의 7개 분석 모듈 중 4개의 대화형 시각화 모듈 개요도]

 

연구팀은 대장암 환자와 건강인의 장내 미생물 데이터를 이용해 메타펀(metaFun)의 성능을 검증, 미생물 간의 관계를 살펴보는 분석에서 환자군과 건강인 간의 뚜렷한 차이를 확인해 실제 연구에 활용 가능한 도구임을 입증했다.

 

논문의 제1저자로 이번 연구를 주도한 이현권 박사는 “메타펀은 복잡한 메타유전체 분석 과정을 하나의 표준화된 흐름으로 정리한 대화형 도구로 누구나 즐겁게 마이크로바이옴 데이터를 가지고 즐길 수 있길 바란다”고 소감을 밝혔다.

 

교신저자인 김지현 교수는 “개별 미생물 종류의 변화부터 군집 간 상호작용 네트워크, 나아가 균주 수준의 미세다양성까지 다층적으로 분석할 수 있어, 마이크로바이옴과 질병의 연관성, 환경에서의 역할 등을 보다 입체적으로 규명할 수 있을 것”이라고 설명했다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 바이오‧의료기술개발사업, 중견연구사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 미생물학 및 마이크로바이옴 연구 분야의 저명 국제학술지인 '장내 미생물(Gut Microbes)'에 1월 13일 온라인 게재됐다.

 

한편, 메타펀(metaFun)은 오픈소스로 공개돼 전 세계 연구자들이 자유롭게 사용하고 개선할 수 있으며 한 번의 설치만으로 바로 활용할 수 있다.
 

 

관련 링크: https://metafun-doc.readthedocs.io/en/main/Korean/index.html