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연구정보

Korea Institute of Ocean Science & Technology

환경오믹스를 활용한 생지화학적 물질순환 연구

  • 조회 : 6082
  • 등록일 : 2015-12-04
환경오믹스를 활용한 생지화학적 물질순환 연구.pdf 바로보기

| 생태기반연구센터 최동한 책임연구원

 

지구 표면의 70%를 차지하는 해양은 생태계 일차생산의 절반을 담당하며 식량 자원을 공급할 뿐 아니라, 탄소, 질소, 인, 황, 미량 금속 등 원소들의 물질 순환에 중요한 기능을 수행한다. 또한, 열(heat)의 순환과 이산화탄소, 메탄, DMS(dimethylsulfide), 아산화질소(N2O) 등 기후 가스의 해양(퇴적물)-대기 경계면을 통한 흡수?배출을 통해 지구 규모의 기후 조절에 매우 중요한 역할을 한다.

생지화학(生地化學; biogeochemstry)이란 이들 화학 원소들의 순환을 생태계에서 생물을 통해 연구하는 학문이다. 해양 생지화학은 해양생태계에서의 생지화학을 연구하는 학문이다. 하나의 예로 가장 익숙한 원소인 탄소를 살펴보자. 해양에는 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는데, 일차생산자인 광합성 세균과 식물성 플랑크톤에 의해 무기물인 이산화탄소가 유기탄소로 전환된다. 이 유기탄소는 먹이망을 통해 상위 섭식자 및 포식자에게 전달된다. 이 과정에서 유기탄소는 호흡이나 미생물에 의해 분해되어 다시 이산화탄소로 전환하는 순환 과정을 거치게 된다. 다른 화학 원소도 대체로 이와 유사한 과정을 거쳐서 순환된다고 볼 수 있다. 이러한 점에서 볼 때, 먹이망을 통한 물질 순환은 생지화학적 물질순환의 중요한 부분을 차지하는 것으로 보인다. 하지만 먹이망은 유기물이 단순히 상위 단계로 전달되는 과정으로서 생지화학의 다양성과 복잡성에 비춰보면 일부분에 해당한다.

우리가 흔히 세균이라고 부르는 원핵생물[prokaryotes, 세균(bacteria)과 고세균(archaea)으로 구성됨]은 생리적 유연성(flexibility)이 매우 높고 기능적으로 다양성을 지녀, 탄소, 질소, 인, 황 등 주요 원소 및 미량원소의 다양한 유?무기 형태를 이용하거나 전환할 수 있다. 또한, 수은, 기름(oil), DDT(dichlorodiphenyltrichloroethane), 플라스틱, PAH 등 다양한 난분해성 오염 물질도 분해 또는 정화할 수 있다. 생태적 관점에서는 산소, 온도, 압력 등 넓은 환경 구배에서도 적응하여 극한 환경에서도 생존할 뿐만 아니라, 대부분의 경우 활발히 성장할 수 있어, 지구상에 이들이 서식하지 않는 환경은 거의 없다고 볼 수 있다. 이러한 생리?생태적 다양성에 의해 원핵생물은 생지화학적 물질 순환에서 가장 중요하고 결정적인 위치를 차지하고 있다.

원핵생물의 생리?생태적 다양성은 기본적으로 종 다양성에 기인하는 것으로 보인다. 현재까지 약 1만 여종의 원핵생물이 공식적으로 배양되어 보고되었으나, 배양이 가능한 원핵생물은 전체 원핵생물의 약 0.1~1% 내외로 알려진 점과 한 해양 시료에서 예측되는 원핵생물의 종 수가 약 수 만~수십 만종으로 추정되는 점을 고려하면, 원핵생물의 다양성과 생지화학적 기능의 많은 부분은 아직 알려지지 않았을 가능성이 매우 높다. 따라서 지속적인 분리 배양을 통해 기능을 규명하는 작업이 필요한 상황이다.

전통적으로 생지화학적 활성은 지화학적 방법을 이용하여 측정하고 있다. 이들 방법의 하나로 특정 지화학적 과정을 추적할 수 있는 지시자(tracer)를 첨가하여 배양한 후, 생물에 의해 변화된 양을 화학적 방식으로 측정하는 방식을 들 수 있다. 이러한 방식은 해당 시스템에서 특정 생지화학적 과정이 어느 정도의 속도로 일어나는지에 대한 정량적 값을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 어떤 생물이 어느 정도의 비중으로 참여하는가 등의 구체적인 정보는 얻을 수 없으며, 기존에 밝혀지지 않은 새로운 물질의 순환 과정은 파악하기 어렵다. 뿐만 아니라, 화학적 방법으로 정량적인 활성을 파악할 수 있는 생지화학적 과정의 수도 제한적이며, 다양한 과정을 함께 파악하기 위해서는 많은 인력, 물품 및 장비가 소요된다.

앞서 언급한 바와 같이 많은 생지화학적 과정에서 원핵생물이 중요한 기능을 담당하고 있는데, 각각의 생지화학적 기능에는 특정 유전자들로부터 만들어진 효소들이 작용한다. 따라서, 지난 20여 년간 지화학적 활성과 병행하여 해당 기능 유전자에 대한 분자생물학적 분석을 실시함으로써, 특정 생지화학적 과정에 참여하는 생물의 종류와 상대적 기여도에 대한 보다 세부적인 정보를 획득할 수 있게 되었다.

최근에는 해양 산성화등 환경 변화에 따른 생리적 반응과 생태 기능의 변동에 대한 연구가 수행되고 있다. 최근 10여 년 전부터 시작된 차세대염기서열분석방법(Next Generation Sequencing Technology)의 개발과 발전으로 대량의 염기서열이 비교적 저렴하게 분석되어, 환경 시료로부터 생지화학 과정에 연관된 모든 유전자에 대한 염기서열 정보를 획득할 수 있게 되었다. 지속적인 생명정보분석(bioinformatics) 기술의 발달은 환경유전체 분석을 통한 생지화학적 물질 순환 과정에 대한 이해를 촉진하였다. 이처럼 유전자의 기능 분석에 기반하여 생태계의 생지화학적 과정을 역으로 예측하는 것을 “역생지화학(Reverse Biogeochemistry)”라 하며, 이를 통해 다양한 해양 환경에서 새로운 생지화학적 과정을 규명할 수 있었다. 한 예로, 페루 연안에서 무산소 수층을 포함한 환경유전체 및 환경전사체(metagranscriptome) 분석을 통해 원핵생물의 군집 조성을 밝힐 수 있었고, 주요한 생지화학적 과정이 산소 농도 구배에 따라 크게 변화된다는 것을 밝힐 수 있었다(그림 1; Ulloa et al. 2012). 최근에는 환경단백질체(metaproteome) 분석에 대한 연구도 진행되어 메타오믹스를 통해 미생물의 기능적 특성을 파악하기 위한 시도가 계속되고 있다.

기후 변화에 따라 세계적으로 해양의 수온이 증가하였고, 이산화탄소 농도 역시 증가하여 해양 산성화 등의 환경변화가 일어났고, 해양에 서식하는 생물의 성장에 영향을 미치게 되었다. 이러한 상황은 먹이망 구조와 생지화학적 물질 순환 양상에도 영향을 미치게 될 것이다. 환경 변화에 대한 반응은 각각의 개체군 수준에서 다르게 나타날 것이기 때문에 지화학적 방법을 통한 군집 수준에서의 반응 연구만으로는 세부적인 메커니즘을 이해하는데 한계가 있다. 반면, 분자생물학적 방법은 환경 변화에 따른 반응을 유전자 수준에서 파악할 수 있기 때문에, 어떤 생물이 어떻게 반응하는지 등의 구체적인 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다.

 


그림 1. 페루연안의 무산소수층(AMZ)의 환경전사체 연구로부터 얻어진 생지화학 연관 유전자 분포를 나타낸 그래프.
무산소층의 중심부로 가면서 anammox 과정과 탈질화에 참여하는 유전자의 비율이 크게 증가하는 반면,
질산화 유전자의 수는 나타나지 않아 좁은 수심 구간에서 서로 다른 생지화학적 과정이 일어난다는 것을
뚜렷하게 보여준다. 자료 출처: Ulloa et al. (2012)

 

본 장에서는 KIOST에서 수행중인 생지화학적 물질순환 연구를 간략히 소개하고, 국제적 연구 사례 및 현 수준에서 보이는 방법상의 문제점을 제시하고자 한다.

KIOST 관련 연구사업
KIOST에서 수행된 생태계의 생지화학적 물질순환에 관한 연구는 그 수가 많지 않고, 대부분의 경우 다른 과제에 포함되어 단일 과정에 대한 소규모 연구로 진행되었다. 지금은 종료된 ‘POSEIDON’ 과제에서 북서태평양 해역의 질소고정세균의 다양성과 질소고정률에 대한 연구가 수행된 바 있으며, ‘갯벌 경계면에서의 물질 플럭스 및 갯벌의 생태적 기능 평가’ 연구를 통해 갯벌 경계면을 통한 질소계 영양염 플럭스 연구를 수행한 바 있다. 최근에는 ‘해양극한 유전자의 신기능 발굴 및 활용기술 개발’ 과제의 세부 연구로, 동해의 수층과 마산만의 저산소 수층에서 원핵생물의 다양성 및 환경유전체에 기반한 생지화학적 물질 순환 특성 연구를 소규모로 진행하여 우리나라 주변해의 생지화학적 물질순환 양상을 파악하고 있다. 비록 이러한 연구가 선진 연구기관에서는 수년 전부터 활발히 진행되고 있다는 점에서 매우 늦은 감은 있지만, 종합적인 생지화학 연구 과제의 개발을 위한 선행 연구로서 의미를 찾을 수 있을 것이다.


국제적 연구 동향
최초의 대규모 환경유전체 연구는 Gordon and Betty Moore 재단과 미국 DOE (Department of Energy)의 후원으로 J. Craig Venter Institute에 의해 2003년에 시작된 ‘Global Ocean Sampling Expedition’ 을 들 수 있다. 2010년까지 계속된 탐사를 통해 미국 연안, 남극 및 심해 열수구의 극한 환경, 발틱 해, 지중해 및 흑해 등 다양한 해역에서 유전자 분석을 위한 1,600여 개의 시료를 확보하고 분석하여 6,800만개의 단백질 서열을 획득하였다. 이를 통해 미생물의 다양성, 생태계의 생지화학적 물질 순환 특성을 파악할 수 있었으며, 유용 유전자원 발굴 연구도 병행하여 수행하였다.

2006년부터 NSF 지원을 받는 미국C-MORE 연구센터에서는 “From genomes to biomes”라는 모토 하에 유전자 기반의 생지화학 연구를 통해 해양 환경에서 탄소, 생물 원소 및 에너지의 플럭스를 조절하는 기작을 이해하기 위한 연구를 진행 중에 있다(그림 2). 또한 독일은 2008년부터 MIMAS(Microbial Interactions in Marine Systems) 프로그램을 추진하여 해양 환경의 미생물 다양성, 환경유전체, 환경전사체 및 환경단백질체(metaproteome) 등의 복합 연구를 통해 해양생태계의 기능적 분석을 위한 기술 개발을 시도하여 왔다. 

 


그림 2. C-MORE 연구 과제의 주요 주제와 상호 연관성을 나타낸 그림.
미생물 다양성 및 환경유전체 연구가 다른 연구 분야와 융합된 구조를 잘 보여줌.
자료 출처: http://cmore.soest.hawaii.edu/research.htm

 

위와 같이, 특정 환경의 생지화학적 과정을 개괄적으로 파악하는데 환경오믹스 연구는 매우 효과적이지만, 정량적 비교를 위해서는 보완해야 할 부분이 존재한다. 기존에 특정 기능 유전자의 qPCR(quantitative PCR), RT-qPCR(reverse transcription qPCR), microarray와 환경유전체 방법은 기본적으로 생지화학적 과정을 촉매하는 효소의 유전자나 mRNA의 수(數)를 측정하여 상대적인 중요성을 평가한다. 이러한 추정에는 유전자-mRNA-효소-화학반응이 서로 선형적인 관계를 갖고 있다는 전제가 있다. 그러나 이러한 관계는 다양한 요인에 의해 달라질 수 있기 때문에 유전자 수가 많다고 해서 해당 과정이 반드시 우세하다고 결론 내릴 수는 없. 다만, 특정 유전자의 발현 산물인 효소(단백질)나 발현을 위한 중간 산물인mRNA의 정량이 유전자의 수보다는 더 민감하게 활성을 대변할 것으로 여겨져, 환경전사체 및 환경단백질체의 적용이 더 효과적일 것으로 여겨진다. 다만, 환경단백질체를 적용하기 위해서는 앞으로도 더 많은 연구가 필요할 것으로 여겨진다.
원핵생물 유전자의 30% 이상은 현재까지 그 기능이 알려져 있지 않으며, 생명정보학적 분석에 의해 하나의 기능으로 특정되었다 하더라도 실제로는 다른 기능을 하는 유전자도 많은 실정이다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 아직 분리되지 않은 많은 수의 원핵생물을 분리 배양하고, 유전체 분석 및 유전자 기능 연구들을 지속적으로 수행할 필요가 있다. 최근에는 이러한 배양의 문제점을 극복하기 위해 단세포 분리 시스템과 single-cell genomics 기술을 활용하여 배양에 의존하지 않고 중요한 미생물의 유전체를 분석하는 연구가 매우 활발히 진행 중이다.
이러한 문제점에도 불구하고, 환경오믹스 연구가 다양한 물리?화학?생물학적 과정이 서로 영향을 미치는 생태계의 환경적 특성을 종합적으로 파악하는데 매우 강력한 수단이 될 수 있다는 점에는 이견이 없을 것이다. 다만 기능이 알려지지 않은 유전자의 기능을 파악하기 위한 분자생물학적 연구, 유전자의 발현량 및 효소량과 생지화학적 활성과의 상관관계를 규명하기 위한 분자 생태 및 지화학의 병행 연구 등 지속적인 연구 노력이 필요할 것이다.

 

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최종수정일 :
2021-02-17