마이크로바이옴과 마이크로바이오타 뜻, 마이크로바이옴 역사, Microbiome 관련 기술

 

 

마이크로바이옴 (Microbiome)의 뜻

 
현재 우리는 인공지능의 시대가 도래하여 새로운 과학기술이 나날이 출현하고 발전하는 시대에 살고 있습니다. 우리 인간은 태어나면서 죽는 그 순간까지 우리를 둘러싼 환경과 상호작용하며 살고 있는데, 그중 우리의 삶에 밀접한 영향을 주는 것이 바로 미생물입니다. 이러한 미생물에 관련하여, 용어적인 측면에서 접근하자면 '마이크로바이옴(Microbiome)'은 일반적으로 미생물(Microorganism) 전체를 지칭할 때 사용됩니다. 학문적으로 정의를 내리자면, 1988년에 Whipps에 의해서 마이크로바이옴은 "확실히 구별되는 물리화학적 특성을 가지면서 합리적으로 잘 정의된 서식지를 점유하는 특징적인 미생물 군집"으로 정의되었습니다.
 
 

실험실 환경인 배지에서 배양되는 미생물들

 

마이크로바이옴과 마이크로바이오타의 의미

이후 2020년에 국제적인 전문가들에 의해 발표된 논의에 따르면,  마이크로바이옴에 대해 Whipps에 의한 기존의 정의에서 "용어에 대해 간결하면서, 명확하고, 포괄적인 설명"을 "두 가지 특성"으로 추가하였습니다. 첫 번째 특성은 미생물군집의 역동적인 특성을 강조하고,  두 번째 특성은 마이크로바이옴(Microbiome)과 마이크로바이오타(Microbiota) 용어 간의 의미를 명확하게 구분하는 것입니다.
 
마이크로바이오타(Microbiota)는 마이크로바이옴(Microbiome)을 형성하는 모든 살아있는 구성원으로 이루어져 있습니다. 마이크로바이옴(Microbiome)을 연구하는 대부분의 학자들은 세균, 고세균, 조류, 작은 원충이 마이크로바이옴의 구성원에 속하는 것에 동의하지만, 파지, 바이러스, 플라스미드, 이동성이 있는 유전 물질은 아직 논란이 있습니다.
 
Whipps의 "활동의 극장(Theatre of activity)"에서 2차 대사산물이 복잡한 종간 상호작용을 중재하고 경쟁 환경에서 생존을 보장하는 필수적인 역할을 한다고 설명합니다. 예를 들어 세포와 세포 간의 부착(adhesion) 또는 바이오필름 형성 등과 같은 작은 분자에 의해 유도되는 쿼럼 센싱(Quorum sensing)이 대표적입니다. 이러한 쿼럼 센싱을 통해 세균이 협력 활동을 제어하고, 표현형을 생물학적 환경에 적응할 수 이도록 도와줍니다. 
 

동물과 식물에서의 마이크로바이옴

우리 인간과 마찬가지로, 모든 동물 그리고 식물은  생애주기 전 과정에서 원생생물, 세균, 고세균, 균류, 바이러스를 포함한 모든 미생물과 연관성을 가집니다. 특히 해양과 식물 파트를 살펴보겠습니다.

해양 파트에서 해양동물과 미생물의 연관성은 단일 해양동물 숙주와 미생물 공생체 시스템으로 과거부터 연구되어 왔습니다. 그러나 최근에는 해양동물 숙주와 관련된 미생물 공동체 간의 여러 마이크로바이옴 상호작용에 대한 연구로 활발히 진행되고 있습니다.
 
특히 해양에서의 마이크로바이옴이 해양동물 숙주의 건강, 생리학, 행동, 생태에 영향을 미칠 가능성은 해양동물이 어떻게 변화에 적응하는지에 대한 이해를 탐구하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이를 통해 이미 해양에 영향을 주고 있는 기후 변화 및 인위적인 변화에도 적용할 수 있습니다.
 
식물 파트의 마이크로바이옴은 최근 들어 식품 생산과 식물의 건강에 대해 중요성이 커지면서 관심이 커지고 있는 분야입니다. 식물은 식물 마이크로바이오타라고 불리는 다양한 식물 미생물 컨소시엄과 관련되어 살고 있는데, 이들은 식물 내부(내층)와 식물 외부(외층) 양쪽에서 살고 있습니다. 이러한 식물 마이크로바이오타는 식물 생태와 식물 생리에 중요한 역할을 하고 있습니다.

식물 마이크로바이옴에는 식물의 건강과 식물 홀로비온트의 적합성에 필수적인 키스톤 종들이 포함된 것으로 여겨지고 있습니다. 이와 마찬가지로, 포유류 동물의 장내 마이크로바이옴은 숙주 생리학에서 주요 조절인자로 여겨지면서, 숙주 계통과 미생물 계통 간의 공진화 과정에서 포유류가 다양한 생활양식에 적응하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
 

마이크로바이옴의 역사

마이크로바이옴에 대한 연구는 17세기 미생물학으로부터 시작되었습니다. 미생물학에서의 연구로 새로운 기술과 장치의 개발이 건강과 질병에 대한 인류의 이해도를 높이며 새로운 패러다임이 되었습니다. 미생물학에서 현미경이 최초로 개발되면서 미지의 세계가 발견되었고, 여기에서 미생물 동정이 시작되었습니다. 이를 통해 감염성 질병이 초기 연구에서 주요 관심분야가 되었으나, 감염성 질병과 관련된 병원성 미생물은 전체 미생물에서 극히 일부에 불과합니다.
 
전체 미생물에서 비병원성 미생물이 압도적으로 다수를 차지하면서 이들의 존재가 생태계를 건강하게 유지하는 것에 필수적이며 다른 미생물 및 동식물과의 상호작용에 유익한 관련성을 보여줍니다.

연구가 발전하면서 미생물이 단일 세포로 존재하며 복잡한 집합체에서 미생물이 발생한다는 것이 밝혀졌습니다. 또한 유전물질 DNA의 발견, 16S rRNA 등을 이용한 시퀀싱 기술의 개발, PCR 유전자 증폭 기술, 클로닝 기술 등을 통해 배양이 되지 않는 미생물에 대한 마이크로바이옴 연구가 가능해졌습니다.

새로운 시퀀싱 기술과 그에 따른 시퀀스 데이터의 축적은 상위 생물 내부의 미생물 마이크로바이옴의 보편성과 인간, 동물, 식물 건강에 대한 미생물의 중요성을 부각하면서 금세기 초에 패러다임의 전환이 발생했고, 이는 현재까지도 이어지고 있어 미생물 생태학에 큰 영향을 미치고 있습니다.

특히 미생물 생태학에서는 게놈과 메타게놈을 고 처리량으로 분석함으로써 개별 미생물뿐만 아니라 미생물 군집 전체의 기능을 연구하는 데 효율적인 방법이 제공되기 때문입니다. 또한 현재 멀티오믹스 기술은 환경 내 미생물 활동에 대한 상세한 정보를 제공하는 기술로서 메타트랜스톰, 메타프로테옴 및 대사 접근법을 포함합니다.

기술의 발전으로 인한 풍부하게 축적된 데이터를 기반으로 지난 30여 년 간 과소평가된 미생물 배양에 대한 새로운 중요성이 부각되면서, 고 처리량 컬처로믹스(high throughput culturomics)는 현재 마이크로바이옴을 연구하는 데 중요한 기술로 손꼽히고 있습니다.