농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 소식지가 발간되었습니다.

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공감! Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

5

Vol.

농림축산식품

5차년도


논두렁에 서서

이성선 (1941 ~ 2001)

갈아놓은 논고랑에 고인 물을 본다. 마음이 행복해진다. 나뭇가지가 꾸부정하게 비치고 햇살이 번지고 날아가는 새 그림자가 잠기고 나의 얼굴이 들어 있다. 늘 홀로이던 내가 그들과 함께 있다. 누가 높지도 낮지도 않다. 모두가 아름답다. 그 안에 나는 거꾸로 서 있다. 거꾸로 서 있는 모습이 본래의 내 모습인 것처럼 아프지 않다. 산도 곁에 거꾸로 누워 있다. 늘 떨며 우왕좌왕하던 내가 저 세상에 건너가 서 있기나 한 듯 무심하고 아주 선명하다.


공감! Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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인사말

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iMAF 소개

•사업단 연혁 •포스트게놈 다부처 유전체사업 • 농림축산식품 미생물유전체사업

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2단계사업 중간점검

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iMAF 수행과제

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생생연구현장

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• 조기성과 창출 동물 미생물 제제 건강기능식품(프로바이오틱스) 발효식품 작물 미생물 제제

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• 연구역량 강화 참조유전체 메타유전체 다중오믹스 분석기술개발 자유주제

146

• 부처공동 연구(Host-Microbe Interaction) 작물 동물 작물 동물

발행일 | 2019년 11월 29일 발행인 | 김지현 발행처 | 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 주 소 | 서울특별시 서대문구 연세로 50 첨단과학기술연구관 310호 전 화 | 02-2123-7614 팩 스 | 02-2123-8124 홈페이지 | http://www.imaf.or.kr 디자인 | 라온커뮤니케이션 • 여기에 게재된 내용의 일부는 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

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마이크로바이옴 마이크로바이옴 병원균 병원균

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뉴스클리핑

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미생물 정보, 자원 관리 방법 소개

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2019 사업단 주요 활동

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iMAF 1단계 (14년~18년) 사업 수행과제

196

연구비 관리 꿀팁

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알아둡시다

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날아가면서 뒤돌아보다

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food ; iMAF)은 과학기술정보통신부, 농림축산식품부·보건복지부·산업통상자원부·해양수산부·농촌진흥청· 산림청 등 7개 부·청이 참여하는 ‘포스트게놈 다부처 유전체사업’의 일환인 농림축산식품부 국가 유전체 연구개발 사업단입니다. 2014년 8월 출범하여 2021년 12월까지 8년을 기간으로 농식품 분야 미생물 유전체 분석을 바탕으로 기반연구에서부터 응용, 산업화·실용화에 이르는 전주기적 연구개발을 수행하고 있습니다. 우리 사업단은 농식품 미생물 유전체 연구의 수월성을 확보하기 위한 ‘연구역량 강화’, 산업적·경제적 가치가 크고 기술개발 성공 가능성이 높은 전략 미생물의 산업화·실용화 기술을 개발하는 ‘조기성과 창출’, 그리고 숙주-미생물 상호작용(Host-Microbe Interaction) 분야의 부처 간 연구 협력 및 연구성과 연계·활용을 최적화하기 위한 ‘부처 공동연구’를 핵심 투자 분야로 설정하여 사업을 추진하고 있습니다. 1단계 사업 4년을 마무리하고 2018년 4월에 22개 연구과제를 선정해 2단계 사업에 착수한 것이 어제 일만 같은데 어느새 2단계 4년 사업기간도 2년차 연구를 마무리하며 큰 결실을 맺을 준비를 하고 있습니다. 어느 시인은 “새는 날아가면서/ 뒤돌아보는 법이 없다”고 했습니다. 아마도 이루지 못한 꿈과, 다시는 돌이킬 수 없는 것들에 대한 아픔과 아쉬움을 그렇게 노래한 것 같습니다. 그러니 끝내 “고개를 꺾고 뒤돌아보는 새는/ 이미 죽은 새다”라고 비명을 토해내기까지 했겠지요. 그렇지만 우리 사업단의 연구개발은 날아가면서도 반드시 뒤돌아보아야 한다고 생각합니다. 지난 연구내용과 성과를 뒤돌아보는 것이야말로 앞으로 연구방향을 전망하고 준비하는 것과 결코 다르지 않기 때문입니다.

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미생물유전체전략연구사업단

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iMAF 공감! 제5호는 우리 사업단 2단계 사업 22개 과제 연구팀의 지난 2년간의 성과를 뒤돌아보고 앞으로 남은 2년간의 연구계획과 포부를 담았습니다. 미생물은 나고야의정서 발효와 더불어 국부를 창출할 수 있는 핵심 생물소재로 그 중요성이 매우 커지고 있는 자원입니다. 최근에 획기적인 기술인 차세대염기서열분석법과 마이크로바이옴 국제컨소시엄 등 수많은 대규모 메타유전체 프로젝트에 힘입어 기초·기반 연구와 의약, 농축산식품산업, 환경/에너지 등 다양한 응용은 그 어떤 연구개발 분야보다 비약적으로 발전하고 있습니다. 우리 사업단은 포스트게놈 시대를 대비하며 유전체사업의 한 축을 담당한다는 사명 아래 바이오산업 분야에서 국가 경쟁력 확보를 위해 ‘산업화·실용화 성과 극대화’, ‘창의적 연구 네트워크 구축’ 그리고 ‘연구자원 활용 촉진’과 같은 전략을 흔들림 없이 추진하고 실천해 나갈 것입니다. 이제 2019년이 저물어가고 있습니다. 다사다난했던 만큼 올해 크리스마스와 연말을 더 특별하게 보내시기를 바랍니다. 슬픔과 아픔, 후회와 아쉬움은 2019년 마지막날 저무는 해에 모두 실어 보내시고, 대망의 2020년에 새로 맞이하는 날들은 기쁨과 희망과 보람으로 가득 채워 나갔으면 좋겠습니다. 2020년에는 우리 사업단 연구자 모두 더욱 건강하시기 바라며, 하시고자 하는 모든 연구와 일들이 이루어지시기를 기원합니다. 감사합니다. 사업단장 김 지 현

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농림축산식품

미생물유전체전략연구사업단 농식품 분야의 미생물유전체 정보를 자원화하여 산업화ㆍ실용화로 연계함으로써 농림축산식품산업의 국가경쟁력을 강화하고 바이오경제 활성화를 견인하기 위한 국가 전략 R&D 사업을 수행

2010.11

2011. 2

유전체 연구 범부처 공동기획 추진을 위한 부처 협의 교과부, 지경부, 복지부, 농식품부 4개 부처 실무 협의 착수

유전체 연구, BT(생명공학기술) 5개 중점투자 전략분야로 선정(국과위) 신약개발, 유전체 및 생물정보 연구, 뇌신경 융합 연구, U-health·재생의료 산업화

국가과학기술위원회 ‘유전체 정보 분석 연구 투자 전략’확정 연구개발 대상생물종으로 ‘미생물’ 분야 포함

2014.1

2014. 8

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 출범 산업화 지원 미생물유전체전략연구 7개 과제, 부처공동 연구 2개 과제 착수

농림축산식품 미생물유전체사업 기본/시행계획 수립 미생물유전체사업 8개년 기본계획 수립 및 1단계(4개년) 시행계획 수립

2016

사업비 증액(25억 ➔ 47.3억 원/연), 연구과제 확대(10 ➔ 19개 과제) 산업화 지원 미생물유전체전략연구 7개 과제, 부처공동 연구 2개 과제 추가 선정

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미생물유전체전략연구사업단

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2012.11

포스트게놈 다부처 유전체사업 공동기획 인간, 동·식물, 미생물을 대상으로 기초·응용·산업화·인프라 R&D 기획

국가연구개발사업 예비타당성조사 결과 사업타당성 확보 사업기간 8년(2014~2022년), 사업비 5,788억 원 (농식품부 382.9억 원)

2013.12

농림축산식품 미생물유전체 사업 (농식품부) 2014년도 사업비확보 농림축산식품 미생물유전체사업 2014년 사업비 25억 원 확보

2017. 8

농림축산식품 미생물유전체연구사업 2단계(2018~2021) 추진계획 수립 사업추진 방향, 체계, 전략 검토 정비 효율적인 2단계 연구방향 제시

2단계 추진 연구사업비 확보

2018. 4

2018.4. 농림축산식품 미생물유전체 사업 2단계(2018.4.~2021.12) 착수 사업비 238억 원 투입 예정 22개 신규연구과제 착수

2018년 정부예산(안) 47.8억 원 반영 iMAF_2019 Vol. 5

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포스트게놈 다부처 유전체사업 기초·원천·기반

과학기술정보통신부

※ 유전체 정보분석 공동연구기반 구축 사업

[ 기초·원천 연구, 연구기반 인프라 구축 ]

※ 유전체 미래원천 기술 개발 사업

보건복지부 [ 인간유전체 연구 ]

응용·사업화

농림축산식품부· 농진청·산림청 [ 농생명자원 유전체 연구 ]

해양수산부 [ 해양생물자원 유전체 연구 ]

산업화 인프라

산업통상자원부 [ 산업화 인프라 구축 ]

※ 미래 유전체 연구 인프라 고도화 사업

※ 인간 유전체 이행연구 사업 ※ 유전체 이행연구 지원사업 ※ 한국인 유전체 연구 자원 정보생산 및 활용 사업

※ 산업화 지원 미생물유전체전략연구사업 ※ 밀레니엄 농생명자원 유전체 해독 사업 ※ 산림자원 유전체 해독 사업 ※ 농림축산식품 바이오정보 고도화 사업

※ 해양생물 유전체 연구 및 활용 사업 ※ 수산생명자원 유전체 연구

※ 유전체 산업 비즈니스 클러스터 구축 사업 ※ 유전체 핵심기술 개발 및 표준화 ※ 유전체 비즈니스화를 통한 신시장 창출

부처공동 연구사업 질병기전규명 유전체 연구 · Host-Microbe Interaction · 인간게놈 표준지도 작성 · 국제협력 공동연구 · 유전체 전문인력 양성

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미생물유전체전략연구사업단

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업 VISION •농식품 미생물 유전체 정보자원 활용으로 풍요롭고 건강한 삶에 기여

VISION

GOAL •농식품 미생물산업 육성 기반 마련 및 바이오경제 활성화

MISSION GOAL

MISSION

•미생물 유전체 연구 수월성 확보 및 농식품 유용 미생물 정보 자원화 •농식품 미생물 정보·자원 연구개발을 통한 산업화·실용화 지원 체계 구축 •산업적·경제적 가치가 큰 고부가가치 미생물 제품 개발 및 산업화 •숙주-미생물 상호작용(HMI) 분야 부·청간 연구 협력을 통한 시너지 창출

중점 연구분야 조기성과 창출

● 산업적·경제적

가치가 큰 고부가가치 미생물 제품 개발 및 산업화

발효식품(김치, 주류, 발효유, 기타 발효식품)

건강기능식품(프로바이오틱스 등)

동물 미생물 제제(소화촉진제, 면역증강제 등)

작물 미생물 제제(미생물비료, 미생물농약 등)

농축산환경개선제

● 미생물

연구역량 강화

유전체 연구 수월성 확보 및 농식품 유용 미생물 정보 자원화 ● 농식품 미생물 정보·자원 연구개발 통한 산업화·실용화 지원 미생물자원 탐색 및 발굴

미생물 군집 및 메타유전체 분석

참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

다중오믹스 정보 분석

미생물 유전체 정보 분석기술 개발

Host-Microbe Interaction

● 동·식물

마이크로바이옴 기반 숙주-미생물 상호작용 규명 연구 ● HMI 정보를 활용한 산업화·실용화 지원 작물 마이크로바이옴 동물·작물 병원균 상호작용 연구

동물 마이크로바이옴

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농림축산식품 미생물유전체사업

2단계사업 중간점검

2018년 4월 2단계 사업을 시작한 사업단은 올해로 2년차 연구를 진행하고 있으며 2020년 3년차 연구에 들어설 예정이다. 이번 장에서는 지난 2단계 과제가 2년간 진행해온 연구성과를 중간 점검해 본다.

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조기성과 창출

“전략 미생물 활용한 제품화 기술개발, 사업화” • 발효식품(김치)  김치 환경에서 잘 적응하고, 저온에서 잘 생육하는 균주 또는 상용 균주를 분리 및 확보하여, 유전체 분석 진행, 총 4건의 전략 미생물 해독 성과를 냈다. 식약처에서 승인한 17종 프로바이오틱스 균주로 김치 적응 실험 평가하여 최종 우수 후보 종을 선정하였다. 각 기관 후보 균주들을 스타터로 사용하여 시제품 김치를 제작하였다. 유전체 기술이 접목된 기능성 김치가 탄생될 것이다.

• 발 효식품(미강)   기능성 전략 미생물(김치유산균)을 2종 개발하여 기능성, 안전성 테스트를 완료하였다. 특허 출원과 기술이전 성과를 갖고 있다. 전략형 미생물(산업형 미생물) 자원의 확보를 통해 김치유산균 우수성을 다시 한번 공고히 했으며 쌀 부산물 미강의 고부가가치화를 이룰 수 있으며 이는 농가 수익 증대를 기대할 수 있다.

• 발 효식품(주류)   전통누룩 및 전통주의 안전성 확보, 지역기반 전통누룩의 양조 특성 연구를 진행하였으며 우수 양조 곰팡이 개발 및 산업화 기술을 확립하여 기능성 효모 발굴 및 산업화 기술을 연구 중이다. 고품질, 표준화, 다양화 누룩 개발 및 이를 활용한 고품질 전통주 상품화를 최종 목표로 우리나라 전통주의 부흥에 크게 기여할 것으로 예상한다.

• 발효식품(발효유)  국내 전통 발효식품으로부터 유래한 미생물로부터 프로바이오틱스로 인정되어 있는 균주를 선발하여 선정된 균주에 대한 배양조건 확립 및 대량생산 공정 검토를 진행하였다. 관련하여 시제품 생산을 완료하였으며 2019년 내 기술이전 및 제품 출시를, 2020년에는 실제 매출액을 목표로 연구 및 사업화에 매진하고 있다.

• 프 로바이오틱스(1)   감염 억제 효능이 가장 우수한 균주를 선정하였으며, whole genome sequencing을 수행하였다. 항 대장균 phage 선별 및 이들의 in vitro 효능 검증을 진행하였다. 질환 특이적 프로바이오틱스 제품 개발을 통한 미래의 개인 맞춤형 질환 예방/치료 및 건강 증진을 위한 경제적 부가가치 창출을 기대해 본다.

• 프로바이오틱스(2)  정상인 분변시료, 장 점막 회복이 된 궤양성 대장염 환자, 로컬마켓에서 구매한 전통발효식품으로부터 각각 단일집락을 무작위로 선별하여 식품 허용 미생물 및 GRAS급 유산균주를 선별 및 발굴하였다. 스트레스 및 2형 당뇨병 개선 발효유 또는 발효음료 형태의 제품화 성과 목표를 갖고 있다.

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2단계사업 중간점검 • 작물 미생물 제제(1)  방선균 배양액을 이용한 선별과정을 통해 다수의 방선균주를 확보, 후보 균주로부터 생산되는 항진균제의 생산성 향상을 위한 배지 최적화 및 배양공정 최적화를 수행하였다. 기능성 유전자/물질 및 개량공정 최적화를 통한 신약 후보물질 발굴, 고효율 친환경 미생물 제제 제품 등록을 통한 방선균 산업화의 다각화 모색을 목표로 연구에 박차를 가하고 있다.

• 작물 미생물 제제(2)  사과 주요 과실병 방제를 위한 미생물제 제제화를 목표로 시제품을 제작하여 미생물제 시제품 대량생산 공정을 확립하였으며, 안정성을 확인 중에 있다. 2019년 내 기술이전 완료를 목표로 하고 있으며 유기농자재 공시를 위한 공인기관 시험을 진행 중에 있다. 또한 해외시장 판로개척에도 노력을 가하고 있다.

• 동물 미생물 제제(1)  축사 주변 자연계 샘플 및 축분 발효장 샘플을 대상으로 총 80종 이상의 다양한 균주를 선발, 분리하였다. 앞으로 국내 악취저감용 생균제 및 미생물 제제를 개발하는 사업화 매출액 목표를 갖고 있다.

• 동물 미생물 제제(2)  7마리 반려견 유래 70여 종의 미생물 자원을 분리 동정하였으며 항균활성 및 프로바이오틱스 특성이 우수한 자원을 확보하였다. 이 미생물 자원의 유전체 분석을 완료하였으며 이에 따라 특성 연구를 진행하고 배양조건을 확립하였다. 유전체 기술 활용 반려동물 고기능성 사료첨가제 개발을 최종 목표로 삼고 있다.

연구역량 강화

“유전체 정보 해독, 분석, 기술개발 / 자유공모” • 참조유전체  참조유전체 완전해독 85건 및 유용유전자원 확보 10건의 유전체 해독 성과를 이뤘다. 더불어 유전체 분석 관련하여 SCI급 논문 8편을 게재하였고, 유전체 데이터베이스를 구축하여 농·식품 유용미생물의 산업적 활용 극대화를 위한 기반정보 제공 및 농용 미생물의 안전성과 효능에 대한 유전체 정보 기반 학술적 근거 제공에 힘쓰고 있다.

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• 메타유전체  김치를 비롯한 발효식품 내의 다양한 바이러스가 존재함을 메타지노믹 분석법을 이용하여 최초로 확인하였고, 한우의 소화기관 내 유용미생물을 분리하여 전장유전체 분석을 통해 소장 내에서 BCAAs의 이용을 통해 소장 내 아미노산 대사에 관여하는 균주임을 확인하는 등의 연구결과를 도출하였다. 이 같은 연구결과는 다양한 SCI급 논문을 통해 게재하였다.

• 다중오믹스  Journal of Agricultural and Food Chemistry, Journal of Natural Products, Nature Communications 및 Critical Reviews in Environmental Science and Technology 각 분야 상위 10% 논문 발표 4건을 포함해 16건의 논문을 게재하였으며 88건의 학술발표 또한 진행하였다. 특허 등록도 2건 완료한 상태이다.

• 분석기술개발  메타유전체 데이터베이스 구축, Phylogenomics 파이프라인 구축, Genomic Island 데이터베이스 구축 및 농식품 관련 중요 종에 대한 pan-genome 데이터베이스 구축을 이루었다. 이를 통해 농식품 미생물 유전체 및 마이크로바이옴 데이터베이스의 구축 및 분석 소프트웨어의 제공을 통한 국내 관련 연구자 또는 기업의 연구역량 증가를 기대해본다.

• 자유공모1  라만분광법을 활용하여 기능성 단일 세포 선별 및 고속 분리 기술 확보를 최종 목표로 진행 중이다. 자성 나노입자 제작 및 기능성 미생물 군집 분리 기술을 개발하고 표준 질소고정균주의 Ramanome 분석 및 가뭄 환경에서의 라만 특이성 분석을 수행하였다. Ramanome 분석 파이프라인 구축 및 pulse laser를 이용한 single cell 분리 기술을 개발하였다.

• 자유공모2  유용 효모 및 초산균주 후보 50주 이상을 확보하였으며 유용 균주 감별을 위한 신속 스크리닝 기법 개발 및 유용 균주 선택적 분리를 위한 배양 기법을 개발하여 각각 SCI급 논문 게재 및 특허 출원을 진행하였다. 유용 초산균주의 프로바이오틱 효능을 발굴하여 또한 SCI급 논문 게재와 학술발표를 진행한 바 있다.

• 자유공모3  친환경유기농업자재의 소재로 활용 가능한 신규 미생물 유전자원을 확보하여 신규 미생물 유전자원을 DB화하여 농·생명산업 핵심소재로 활용하게 되는 것을 목표로 연구를 진행 중이다. 식물생육촉진(PGPR) 최우수균주의 전장유전체(WGS)을 분석하였으며 신규미생물 유전자원의 다상분류법에 의거한 분류·동정을 진행하였다.

• 자 유공모4   사람의 분변과 청국장을 이용하여 SCFA 발생량과 장내미생물생태간 비교/분석을 진행하였고, 이를 통해 차세대 건강기능식품평가 시스템의 가능성을 검증하였다. 차세대

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2단계사업 중간점검 건강기능식품평가시스템의 가능성 검증을 위한 조건을 확립한 것이다. 최종적으로 개인별 맞춤형 건강기능식품 개발에 도움이 되길 연구팀은 기대하고 있다.

부처공동연구

“숙주-미생물 상호작용 및 동•식물병 진단/제어기술 개발” • 작물 마이크로바이옴  전국 12개 지역, 26개 포장으로부터 농업생산성에 큰 영향을 미치는 물리화학적 특성 및 마이크로바이옴에 대해 분석을 수행하고, 이앙 후 기간별 벼를 확보하여 이들로부터 조직(잎, 줄기, 뿌리, 종자의 내권 및 토양) 및 시기(이앙 후 50일, 80일, 120일, 140일)별 시료를 확보하여 시공간적 마이크로바이옴의 역학을 구명하는 연구를 진행하였다.

• 작물 병원균  미생물 병발생 기작 규명을 4건 달성하였고, 병원성 미생물 정보 완성을 2건 달성하였다. 유용유전자원도 1건 확보하였고, 2건의 지식재산권 출원 성과를 달성하였다. SCI급 논문 4건 게재 및 12건의 학술발표도 이뤘다. 기주-병원균 상호작용 관련 기능유전체 연구를 통한 다중 공기전염 벼, 고추 병원균의 병 발생 기작의 규명과 이를 활용한 병 발생 제어 전략 기반 구축을 최종목표로 하고 있다.

• 동물 마이크로바이옴  돼지, 소, 개의 장내에 존재하는 마이크로바이옴을 분석함으로써 장내 동물미생물, 미생물-미생물 상호작용을 시스템 수준에서 이해하여 지속 가능한 건강관리 전략의 토대를 마련하는 것을 최종 목표로 하고 있다. 소의 사육관리 구간에 따른 분변 시료 확보, 돼지의 건강상태에 따른 분변 시료 확보 및 질환 치료 전후의 분변시료의 관련 정보 확보 등을 진행하였다.

• 동물 병원균  MAP 감염 초기 병원성 기전을 규명하고 MAP type 구분을 위한 진단 마커 발굴을 진행하였다. 또한 MAP 감염 단계에 따른 바이오마커 발굴도 진행한다. MAP의 숙주세포에 감염기전 및 감염단계별 숙주세포의 유전, 면역학적 기전을 규명함으로써 소 요네병 발병기전에 대한 이해 증대를 기대해 본다.

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제22회 농림축산식품과학기술대상

2관왕 달성!

우리 사업단은 2019년 11월 11일 개최된 제22회 농림축산식품과학기술대상에서 대통령 표창과 농림축산식품부 장관 표창을 수상했다. 지난해에 이어 2년 연속 2회 수상이라는 큰 결실을 맺었다. 이 상은 농림축산식품 분야의 우수기술 개발과 확산을 통해 농업인 소득 증대, 국민의 생활여건 향상 및 농식품 산업 발전에 기여한 연구자를 선정하여 시상하고 있다. 우리 사업단에서 2년 연속 농림축산식품과학기술대상 2관왕을 달성했다는 것은 대단한 성과임에 틀림없다. 연구책임자와 연구원들의 헌신과 노고에 진심으로 감사드리며 남은 2년 동안 더 좋은 성과를 기대해 본다.

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2단계사업 중간점검

대통령 표창

대상주식회사, 류병희

대상주식회사 류병희 팀장은 우리나라 김치에서 우수한 발효능력과 기능성을 가진 김치발효종균을 개발해 특허 출원하고 산업적 생산에 적용해 표준화된 고품질 김치를 생산하는데 기여함을 인정받아 대통령 표창 수상의 영예를 안았다.

주요 실적

• 우리나라 김치에서 우수한 발효능력과 기능성을 가진 김치발효종균(starter)을 개발해 유전체 분석 연구를 통해 발효특성, 기능성 및 안전성을 규명

• 관련하여 특허출원하고 산업적 생산에 적용해 표준화된 고품질 김치를 안정적으로 생산하는데 성공

• 김 치발효종균인 DRC1506 균주는 우리나라 고유의 이름인 ‘류코노스톡 메센테로이데스 종가집김치아이(Leuconostoc mesenteroides subsp. jonggajibkimchii)’로 명명

•김치생산종균으로 2017년부터 생산한 국내 및 해외 출시 김치제품 매출액은 2,103억 원

학술 논문 및 지식재산권

•김치발효종균 ‘류코노스톡 메센테로이데스 종가집김치아이’를 김치생산종균으로 특허출원

•국제미생물계통분류학회지(IJSEM)에 게재하기로 확정

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장관 표창

중앙대학교, 강현아

중앙대학교 강현아 교수는 전통 발효식품 유래 토종효모 유전체 정보 분석 및 유용 유전자원 활용기술 개발을 높이 평가받아 장관 표창을 수상하였다.

주요 실적

• 전통 발효식품(주류 및 장류) 효모의 유전체 및 오믹스 정보 분석 연구 인프라 및 역량 강화

•유전체 정보 기반 유용 유전자 발굴 및 활용기술 개발을 통한 농식품 산업화 지원

•국내 전통 발효식품의 첨단과학화, 차별화 및 세계화 기반 구축에 기여

학술 논문 및 지식재산권

•생명공학 분야 상위 6.3%에 해당되는 “Biotechnology for Biofuels”에 논문 게재

• 표준화된 맛과 기능성을 가진 전통주를 양조해 낼 수 있는 신규 토종 효모 활용 기술 개발, 유전체 정보를 토대로 발굴된 신규 향미 생합성 관련 유전자에 대한 기능 검증 연구를 기반으로 활용 기술 개발, 향미가 증진된 장류 발효 종균 및 새로운 프로바이오틱 효모로서의 활용 각각 지식재산권 확보

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iMAF 수행과제 ■ 사업단 운영 구 분

과 제 명

연구기관

책임자

총괄

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

연세대학교

김지현

■ 산업화 지원 미생물유전체 전략 연구 1. 조기성과 창출 구 분 동물 미생물 제제 [1]

동물 미생물 제제 [2]

프로 바이오 틱스 [1]

프로 바이오 틱스 [2]

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과 제 명

연구기관

책임자

주관

유용 미생물 및 유전체 정보를 활용한 양돈장 악취개선 기능성 미생물 제제 개발

(주)진바이오텍

강정선

위탁(1)

기능성 미생물의 유전체 분석 및 돼지의 장내균총과 대사체 분석을 통한 악취억제 기작 연구

단국대학교

강대경

위탁(2)

악취 저감 미생물 제제의 사양 효능 평가

단국대학교

박재홍

주관

반려견·반려묘 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물 제제 개발

협동(1)

NGS 기반 반려동물 유용 미생물 유전체 분석

협동(2)

반려동물용 건강기능성 미생물 제품 개발

(재)농축산용미생물 산업육성지원센터

김양선

전북대학교

신동현

우진비앤지(주)

이성호

주관

감염 억제 및 장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발

연세대학교

윤상선

위탁

프로바이오틱스 후보 균주의 기능성 식품 원료 인증

(주)클립스

주완석

세부(2)

장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발

연세대학교

천재희

협동(1)

대사공학 접근을 통한 장 염증 완화 대장균의 염증 완화 성능 개량

이화여자대학교

박시재

협동(2)

프로바이오틱스 균주 사업화

(주)마이크로바이오틱스

장원

주관

마이크로바이옴 분석 기술을 이용한 스트레스 및 2형 당뇨병 개선 프로바이오틱스 소재 개발

중앙대학교

김원용

위탁

NGS 기반 대용량 유전체 분석

(주)마크로젠

신상흠

세부(2)

마이크로바이옴을 이용한 당뇨병과 스트레스의 연관성 및 프로바이오틱스가 미치는 영향 연구

중앙대학교

황광우

협동(1)

마이크로바이옴 분석 기술을 이용한 스트레스 및 2형 당뇨병 개선 프로바이오틱스 소재의 실용화

롯데푸드(주)

김윤식

미생물유전체전략연구사업단

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구 분

과 제 명

연구기관

책임자

김치 유래 기능성 유산균을 활용한 미강발효제품 개발 및 산업화

조선대학교

장해춘

세부(2)

균주와 발효제품의 기능성 평가

조선대학교

이재준

협동(1)

발효식품의 기능성 미생물 유전체 분석 및 유용유전자 발굴

경희대학교

김해영

협동(2)

미강발효제품의 대사체 분석

경상대학교

김정환

협동(3)

기능성 유산균을 활용한 미강발효제품의 산업화

CJ제일제당(주)

서용기

충북대학교

한남수

세계김치연구소

이세희

대상(주)

류병희

한국식품연구원

김재호

주관

발효 식품 [미강]

주관

김치용 프로바이오틱스 개발 및 건강기능 김치 산업화

발효 식품

협동(1)

김치 프로바이오틱스의 in vivo 건강기능성 규명

협동(2)

프로바이오틱스 생산기술 최적화 및 기능성 김치 상품화

[김치]

발효

주관

오믹스 연구 기반 전통누룩 유래 양조 미생물 자원의 산업화

협동

전통누룩 유래 고기능성 미생물 자원을 활용한 고부가가치 제품 개발

(주)국순당

신우창

주관

한국 전통 발효식품 유산균을 이용한 유전체 기반의 면역/인지 기능 개선 발효유 개발

매일유업(주)

양진오

유전체 기반 발효식품 미생물 기능성 분석 및 면역활성 검사

경희대학교

이주훈

위탁

동물모델 기반 한국 전통 발효식품 유산균의 인지 기능 개선 효능 검증

세종대학교

김형욱

협동(2)

마이크로바이옴기반 장내 환경 개선 효과 검증 및 장내균총과의 상관성 분석

세종대학교

신학동

방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발

인하대학교

김응수

식품 [주류]

발효

협동(1)

식품 [발효유]

작물 미생물 제제 [1] 작물 미생물

주관 협동(1)

방선균 유래 진균제어 미생물 제제 대량 생산 공정 개발

한국생산기술연구원

이도훈

협동(2)

방선균 미생물 제제 실용화 연구

(주)에스티알바이오텍

이상종

안동대학교

전용호

고려바이오(주)

윤여준

주관

유전체 분석 기반 사과병해 방제 및 가지과 작물 생육촉진 미생물 제제 개발

협동

유용미생물을 활용한 친환경 미생물 제제 개발 및 실용화

제제 [2]

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iMAF 수행과제 2. 연구역량 강화 구 분

연구기관

책임자

주관

농식품 미생물 참조 유전체 해독 및 비교유전체 분석

경북대학교

신재호

위탁

농식품용 원핵미생물 참조유전체 분석 및 데이터베이스 구축

(주)마크로젠

최태우

협동(1)

농식품 유용 사상성 진균 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

숭실대학교

서정아

협동(2)

농식품 유용 효모 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석 연구

중앙대학교

강현아

주관

농식품 소재 미생물 군집, 메타유전체 및 메타대사체 정보 분석

경희대학교

배진우

위탁

대용량 유전정보로부터 유용 유전자원 발굴 파이프라인 구축 및 유용효소개발

중앙대학교

전체옥

협동(1)

농축산식품 환경별 미생물간 메타대사체-유전체 상관관계 규명을 통한 발효 최적화

건국대학교

이충환

협동(2)

농작물 및 발효식품 환경의 메타유전체 정보 및 시스템 분석

연세대학교

송주연

주관

농·식품 유용 미생물의 다중오믹스 기반 유용 유전자원 발굴 및 가치제고화 기술 개발

연세대학교

반용선

위탁

다중오믹스 분석 기반 식물 진균 유전자 기능 통합 네트워크 맵 구축 및 유용 유전자원 발굴

서울대학교

손호경

세부(2)

농·식품 유용 세균의 다중오믹스 분석 기반 유전자 기능 네트워크 분석 및 유용 유전자원의 발굴

연세대학교

이동우

위탁

농·식품 유용 세균의 다중오믹스 분석 기반 유전자 기능 네트워크 분석

건국대학교

윤성호

세부(3)

다중오믹스 플랫폼 기반 농·식 유용 유전자원의 산업적 가치제고화

연세대학교

조현수

주관

농림축산식품 분야를 위한 메타유전체의 통합 분석을 위한 데이터 베이스 및 소프트웨어 개발

서울대학교

천종식

개발

위탁

정보이론 및 딥러닝 기반 메타지놈 분석 알고리즘 연구개발

서울대학교

윤성로

자유[1]

주관

기능성 단일 세포 고속 분리 및 유전체 분석을 위한 라만분광법 기반 미생물 탈착 기술 개발

연세대학교

이태권

자유[2]

주관

우리나라 자연발효식품 내 유용 효모 및 초산균 발굴 및 유전체 분석

건국대학교

김동현

자유[3]

주관

오믹스배양기법을 이용한 다기능성 생물방제용 신규 미생물 확보

목원대학교

이효진

자유[4]

주관

장내 마이크로바이옴 기반 식품 기능성 평가 시스템 개발

제주대학교

운노타쯔야

참조 유전체

메타 유전체

다중 오믹스

분석 기술

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과 제 명

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3. 부처공동 연구 (Host-Microbe Interaction) 구 분 주관

과 제 명 벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용 기능 연구

연구기관

책임자

서울대학교

이용환

한국생명공학연구원

류충민

작물 마이크로

협동(1)

마이크로바이옴 재설계를 통한 작물생산성 증대 기술 개발

협동(2)

메타전사체와 네트워크 분석을 통한 시스템 수준의 마이크로바이옴 기능 연구

영남대학교

전준현

주관

돼지, 소, 개의 건강관리 전략 수립을 위한 장내 마이크로바이옴 분석

강원대학교

오연수

협동

돼지, 소, 개의 장내 마이크로바이옴 분석 및 핵심 장내 미생물 발굴

세계김치연구소

최학종

주관

기능유전체 기반 다중 공기전염 식물병원균의 병 발생 기작 규명 및 제어 전략 개발

순천향대학교

윤성환

협동(1)

고추 병원성 Colletotrichum 곰팡이의 공기전반 및 병 발생 기작 규명과 제어기술 개발

강원대학교

김경수

협동(2)

식물 병원성 세균 Burkholderia 의 발병 및 병원성 곰팡이와 상호작용에 의한 복합감염 기작의 규명

부산대학교

서영수

주관

소 요네병원인체, Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis, 신규병원성인자 규명 및 조절기법이용 새로운 방제 기법 개발

서울대학교

유한상

위탁

Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis 균주에서 유전체/전사체 분석 및 바이오마커 발굴

경희대학교

김동혁

바이옴

동물 마이크로 바이옴

작물 병원균

동물 병원균

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생생연구현장 미생물 유전체 R&D 환경이 급변하고 있다. 유전체 기반 기술은 하루가 다르게 급변하고 있으며 첨단기술과 접목하여 바이오산업 전반에서 새로운 성장동력을 창출하고 있다. 글로벌 바이오 기술 강국들은 미래 4차 산업시대의 핵심 분야인 미생물 유전체 및 빅데이터 활용 기술 선점을 위해 집중 투자하고 있으며, 기술혁신을 위해 발빠르게 움직이고 있다. 우리 사업단 역시 미생물 유전체 기반 연구의 수월성을 제고하고 관련 산업이 도약할 수 있는 발판을 마련하기 위해 22개 과제를 착수하여 2년차 연구를 수행중이며 곧 3년차를 맞이한다. 이번 호에서는 22개 과제 연구팀의 지난 2년간의 주요 성과를 살펴보고 앞으로 남은 2년간의 연구계획과 포부를 들어본다.

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조기성과 창출 동물 미생물 제제

• 유용 미생물 및 유전체 정보를 활용한 양돈장 악취개선 기능성 미생물 제제 개발 • 반려견·반려묘 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물 제제 개발

건강기능식품 (프로바이오틱스)

• 감염 억제 및 장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발 • 마이크로바이옴 분석 기술을 이용한 스트레스 및 2형 당뇨병 개선 프로바이오틱스 소재 개발

발효식품

작물 미생물 제제

• 김치 유래 기능성 유산균을 활용한 미강발효제품 개발 및 산업화 • 김치용 프로바이오틱스 개발 및 건강기능 김치 산업화 • 오믹스 연구 기반 전통누룩 유래 양조 미생물 자원의 산업화 • 한국 전통 발효식품 유산균을 이용한 유전체 기반의 면역/인지 기능 개선 발효유 개발 • 방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발 • 유전체 분석 기반 사과병해 방제 및 가지과 작물 생육촉진 미생물 제제 개발

연구역량 강화 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석 미생물 군집 및 메타유전체 분석

• 농식품 미생물 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석 • 농식품 소재 미생물 군집, 메타유전체 및 메타대사체 정보 분석

다중오믹스 정보 분석

• 농·식품 유용 미생물의 다중오믹스 기반 유용 유전자원 발굴 및 가치제고화 기술 개발

유전체 정보 분석기술

• 농림축산식품 분야를 위한 메타유전체의 통합 분석을 위한 데이터베이스 및 소프트웨어 개발

자유 주제

• 기능성 단일 세포 고속 분리 및 유전체 분석을 위한 라만분광법 기반 미생물 탈착 기술 개발 • 우리나라 자연발효식품 내 유용 효모 및 초산균 발굴 및 유전체 분석 • 오믹스배양기법을 이용한 다기능성 생물방제용 신규 미생물 확보 • 장내 마이크로바이옴 기반 식품 기능성 평가 시스템 개발

부처공동 연구 (Host-Microbe Interaction) 작물 마이크로바이옴

• 벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용 기능 연구

동물 마이크로바이옴

• 돼지,소,개의 건강관리 전략 수립을 위한 장내 마이크로바이옴 분석

작물·동물 병원균

• 기능유전체 기반 다중 공기전염 식물병원균의 병 발생 기작 규명 및 제어 전략 개발 • 소 요네병원인체, Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis , 신규병원성인자 규명 및 조절기법이용 새로운 방제 기법 개발

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조기성과 창출

동물 미생물 제제  1 유용 미생물 및 유전체 정보를 활용한 양돈장 악취개선 기능성 미생물 제제 개발 및 산업화

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 (주)진바이오텍

주관연구책임자

강정선 박사 (주)진바이오텍 부설연구소

연구목표 악취 저감 우수 미생물 및 천연물을 활용한 기능성 사료첨가제 및 분무용 미생물 제제 개발

연구내용 - 선발된 균주간 시너지 효과를 내는 최적 조합 탐색 및 선발 - 선발된 후보 균주를 이용한 기능성 사료첨가제 시제품 제작 - 선발된 최종 후보 균주의 대량생산을 위한 lab scale 고체발효 조건 확립 - 선발된 최종 후보 균주의 대량생산을 위한 pilot scale 고체발효 조건 확립

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제1위탁 연구기관 단국대학교

제1위탁 연구책임자

강대경 교수 단국대학교 산업미생물학연구실

연구목표 기능성 미생물의 유전체 분석 및 돼지의 장내균총과 대사체 분석을 통한 악취억제기작 연구

연구내용 - 악취억제 미생물의 유전체 분석을 통한 악취관련 유전자 발굴 및 특성 조사 - 악취억제 미생물의 전사체 확보 및 악취관련 유전자 발현 조사 - 선발균주를 급여한 이유자돈의 장내균총 연구

제2위탁 연구기관 단국대학교

제2위탁 연구책임자

박재홍 교수 단국대학교 사료영양학연구실

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동물 미생물 제제 1

연구목표 최근 축산업계의 핫 이슈인 가축분뇨의 악취를 저감하기 위해 유용 미생물 및 천연물을 이용한 기능성 사료 첨가제 및 미생물 제제의 개발

연구내용 - 가축분뇨의 악취를 저해시키는데 관여하는 미생물 후보균주의 선발 - 선발 균주로 이루어진 복합미생물 제제를 이용한 육성돈의 사양시험 연구 및 결과 도출

21

연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : (주)진바이오텍 주관연구기관인 (주)진바이오텍 연구팀은 축산 악취 저감에 효과적인 미생물 후보균주를 선발하기 위하여 축사주변 자연계 샘플 및 축분 발효장 샘플을 대상으로 총 80종 이상의 다양한 균주를 선발, 분리하였다. 이들 선발균주의 동정을 통하여 사료첨가제로서 활용 가능한 후보균주를 선발하였다. 이들 미생물들 중 악취의 가장 큰 원인이라고 알려진 ammonia, amines, hydrogen sulfide 및 total mercaptans과 같은 악취 유발 물질에 대한 저감효과평가를 통하여 Bacillus sp. 및

Lactobacillus sp.를 각각 3종씩 선발하였으며, 이들 균주에 대한 내산성 및 내열성에 대한 평가 등 특성분석을 완료하였다. 이를 통하여 사양실험용 균 2종을 최종 선발하였다. 또한 축산 악취 저감에 효과적인 천연물 소재를 선발하기 위하여 여러 가지 천연물 소재의 악취 저감 효과를 확인하여 약쑥 및 유카추출물을 최종 선발하였다. 2차년도에는 사양실험용 균 2종에 대해 최적 비율을 탐색하였으며, 이들 각각에 대하여 대량생산을 위한 lab scale 발효 조건을 확립하기 위하여 최적 가수량, 종균접종량, 발효온도, 발효시간, 건조 온도 등에 대하여 조사하였으며, 이를 pilot scale 에 적용하여 발효조건을 확립하였다.

선발균주의 lab scale 발효 조건 확립 (G10) 24 |

선발균주의 lab scale 발효 조건 확립 (M10)

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제1위탁 연구기관 : 단국대학교 단국대학교(제1위탁) 연구팀은 주관기관에서 예비선발한 악취억제균을 중심으로 기능성 미생물자원을 다수 확보하고 whole genome sequencing을 진행하였다(Bacillus sp. 2종,

Lactobacillus sp. 5종). 그 중에서 장관세포 흡착능이 뛰어난 Lactobacillus plantarum SK151의 유전체 정보를 확보하여, 비교유전체 분석을 통해 장관 흡착과 관련된 유전자군을 발굴하였을 뿐만 아니라 산업동물의 생장에 필수적인 vitamin B2 생합성 유전자군을 확보하였다. 이외에도, 선발된 균주를 이유자돈에 급여한 후에 NGS 기술을 이용하여 장내균총 분석을 진행하였다. 예비선발한 균주를 급여한 이유자돈으로부터 분변을 확보한 후에 장내균총 변화, 선형판별분석, 기능성분석 등 다각적으로 분석을 진행하였다. 대조구와 처리구 사이에 미생물 다양성이나 종 풍부도에 유의적 차이는 없었다. 또한, 악취유발 미생물의 분포에도 유의적 차이는 없었으나, 유익균의 비율이 처리구에서 증가하는 양상을 나타났다. 추가적으로 장내미생물과 장관내 대사 등과의 상관관계 분석을 진행하고 있다.

Genomic DNA quality checking by agarose electrophoresis (1% Agarose gel, 100V, 25mins)

Multivariate analysis after feeding

Bacillus amyloliquefaciences G11 (Blue: Control, red: Treatment)

Comparison of relative abundances of (A) Lactic acid bacteria(Lactobacillus, Pediococcus, Weissella, Leuconostoc, Bifidobacterium, Lactococcus), (B) S. gallolyticus group between control and treatments (C) Comparison of relative abundances between control and treatments at species level(cut off >1%) iMAF_2019 Vol. 5

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동물 미생물 제제 1

제2위탁 연구기관 : 단국대학교 단국대학교(제2위탁) 연구팀은 사양실험을 진행하였으며, 균주별 사양실험 결과 생산성에 있어서 전체 시험기간 동안의 비육돈의 일당증체량, 일당사료섭취량 및 사료요구율에 있어 처리구간 유의적인 차이는 나타나지 않았다. 하지만 분 내 악취물질은 시험 8주차 비육돈의 분 내 황화수소 수치에 있어 유산균 0.5% 및 유산균 1.0% 처리구가 CON 처리구에 비해 유의적으로 낮게 나타났고, 시험 종료 시 (12주) 황화수소 수치에 있어 유산균 1.0% 처리구가 CON 처리구에 비해 유의적으로 낮게 나타났다 (P < 0.05). 혈액 특성 및 영양소 소화율에 있어서는 전체 시험기간 동안 처리구간 차이가 나타나지 않았다. 2차년도에는 선발 미생물균주를 이용한 육성돈 사료 내 복합 미생물 제제의 사양평가를 외하여 3원교잡[(L x Y) x D] 육성돈 150두를 공시하여 시험을 진행하였으며, 생산성, 영양소 소화율, 혈액특성, 분 내 악취물질에 대한 분석을 진행 중이다.

1차년도 사양시험 생산성 결과

1차년도 사양시험 분 내 악취물질 결과

주요성과 본 과제의 연구진은 선발한 미생물 중 3건에 대하여 전략미생물 해독 및 유용유전자원확보를 하였으며 이를 NABIC에 등록하였다. 또한 비SCI 학술지인 Korean Journal of Microbiology에 논문을 게재하였으며, 한국 유가공학회 정기 학술대회 및 심포지엄에 관련 내용을 발표하였다. 또한 돼지의 장내균총에 관한 연구결과를 SCI 논문에 투고하였으며 현재 revision 중이다.

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앞으로의 계획 주관연구기관 : (주)진바이오텍 주관연구기관인 (주)진바이오텍 연구팀은 1,2차년도에 선발한 균주와 최적 발효조건을 이용하여 대량생산 공정을 확립할 예정이다. 또한 시제품을 제작하여 생물 안전성을 평가하고, 분무형 악취저감제를 위한 최적 미생물 조합 탐색 및 액상발효조건을 확립하고자 한다. 또한 이를 실제 현장에 적용을 하여 농가의 반응 및 적용 시 나타나는 문제점을 파악하고, 나타난 문제점은 제품화 단계에서의 문제점에 대해 개선 및 보완에 활용할 예정이다.

제1위탁 연구기관 : 단국대학교 제1위탁(단국대) 연구팀은 선발된 균주를 다양한 조건에서 급여한 돼지의 분변을 계속 확보하여 장내균총 및 대사체 변화를 분석함으로써, 선발된 유산균의 장내균총/대사체 조절 및 악취억제 기작을 규명하고자 한다.

제2위탁 연구기관 : 단국대학교 제2위탁(단국대) 연구팀은 주관기관에서 선발한 균주(1~2차년도)를 이용해 그룹 별 사료 내 서로 다른 단백질 수준을 처리하여 급여함으로 서로 다른 단백질 수준에서 유용 미생물들의 최적 첨가 수준 및 효과를 알아보기 위해 진행할 예정이다.

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조기성과 창출

동물 미생물 제제  2 반려견·반려묘 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물 제제 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 (재)농축산용미생물산업 육성지원센터

주관연구책임자

김양선 박사 (재)농축산용미생물산업육성지원센터 연구팀

연구목표 차세대 염기서열 분석법(Next generation sequencing, NGS)을 기반으로 한 유전체 기술을 활용하여 반려견·반려묘의 면역증강용 미생물 제제를 개발

연구내용 반려견·반려묘 장내미생물, 발효식품으로부터 프로바이오틱스 특징을 지닌 유용미생물 발굴하고, 선정된 유용미생물의 안전성, 면역증진 효과 평가, 반려동물 임상시험을 비롯한 유전체 분석을 통해 프로바이오틱스로서의 특징을 이해하고 반려견·반려묘의 면역증강용 미생물 제제를 개발하고자 한다. 28 |

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제1협동 연구기관 전북대학교

제1협동 연구책임자

신동현 박사 전북대학교 신동현 박사 연구팀

연구목표 면역증강용 미생물 제제 개발지원을 위한 NGS 기반 반려동물 유용 미생물 유전체 분석

연구내용 주요 연구내용은 반려동물 장내 마이크로바이오 기반 면역증강용 미생물 제제 개발을 위한 전주기적 유전체/전사체 정보를 확보하고 분석하는 것과 관련이 있다. 현재, 반려동물 미생물 제제 개발에 관심이 있는 기업, 연구팀과의 협력을 통해서 기능이 우수하다고 판단된 반려동물 유래 미생물 균주 후보들에 대한 신규 혹은 비교 유전체 분석을 수행하여 균주 고유의 특성을 발굴한다. 본 연구팀에서는 반려동물의 NGS 기반 유용미생물 유전체 연구를 통해 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물 제제 개발 단계별로 필요한 유전체 정보를 생산하고 유용 미생물 제품의 장내에서의 면역증강 효과를 확인하기 위해서 생물정보학적 분석을 통해 유용한 정보를 생산하는 역할을 하고자 한다.

제2협동 연구기관 우진비앤지(주)

제2협동 연구책임자

이성호 연구소장 우진비앤지(주) 연구팀

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동물 미생물 제제 2

연구목표 기능성 유용미생물의 고농도 발효공정기법 확립과 사료첨가용 제형화 및 사업화

연구내용 반려동물에서 분리한 유익 미생물 자원을 확보하고 선별된 우수 유익 미생물의 대량배양공정 체계확립 및 완제품 제형화를 통해 유전체 해독 기반 반려동물 면역증강용 프리미엄 미생물 사료첨가제와 질병 처방사료용 사료첨가제를 개발하여 사업화하고자 한다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 반려동물 장내마이크로바이옴 연구 가정 반려견 6마리와 반려묘 21마리의 장내마이크로바이옴 분석을 위해 분변을 이용하여 장내미생물 군집을 차세대염기서열기법을 기반으로 반려견과 반려묘 Bacteroides, Blautia,

Clostridioides 속(genus)이 공통적으로 우점을 이루었지만, Fusobacterium, Collinsella, Bifidobacterium 속(genus)의 군집차이로 반려견과 반려묘의 장내미생물 군집이 다르다는 것을 확인하였다. 2. 반려동물 유용미생물 선발 반려동물의 장내뿐만 아니라 발효식품인 된장으로부터 200여종의 미생물 자원을 분리·확보, 15종의 프로바이오틱스 고시형 인정균주를 포함한 다양한 Lactobacillus, Pediococcus,

Enterococcus, Leuconostoc 속 유산균, 7종의 Bifidobacterium sp. 균주에 대해 내산성, 내담즙성, 가축 병원균과 Clostridioides difficile 에 대한 항균력, 장부착능 등 프로바이오틱스 특성 연구를 수행하여 우수한 유산균을 선발하였다. 3. 유용 미생물 전장유전체 정보 해석 반려견에서 유래한 생균제 특성이 우수한 유산균 2종 Lactobacillus reuteri LBR C1,

Lactobacillus acidophilus LBA C5에 대해서 신규 유전체를 확보하고, 기존의 데이터와의 비교 유전체 분석을 통하여 인간과 공유하는 환경에 의한 효과와 늑대에서 진화한 반려동물의

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진화적 역사와 관련한 유전체 특성을 발굴하였다. 또한 혐기 유산균 Bifidobacterium

gallinarum CACC 514에 대한 bacteriocin생성, EPS생성, 환경적응 인자 등 프로바이오틱스 특징을 유전학적으로 분석하였다. 4. 반려견 미생물 제제 면역증강 및 장내환경 개선 연구 B. longum, P. acidilactici 유산균 2종에 대해 반려견 임상시험을 실시하여 면역증강, 단백뇨개선, 간기능 개선(간 아미노전이 효소 수치 정상화), 콜레스테롤과 전해질 정상화 기능 효과를 확인하였다. 반려견 미생물 제제 급여 전/후, 정상견과 환자견 장내 미생물 군집 분석을 통해서 균총의 변화를 확인하고, 특정 미생물의 유의미한 변화를 통해서 미생물 제제로서의 효과를 증명하였다. 5. 반려동물용 고농도 미생물 사료첨가제 사업화 선별된 2종에 대한 균주 특성을 기반으로, 30L jar fermenter 를 사용하여 배양 조건 (온도, 산소요구량, 교반속도, 내압, 배양시간 등)연구를 통해 산업용 배양 배지를 선정하고 100L, 2ton, 20ton fermenter의 배양 조건 scale-up 적용 시험을 통해 산업화 최종 배양 조건을 선정하였다. 또한 보조제와 부자재 적합성, 제형화 연구를 진행하였고 완제품의 포장 형태, 함량 등을 선정하였다. 완제품의 사양실험을 진행하여 제품의 안전성 (피부자극, 급성경구독성)과 면역학적 증진효과 (면역학적 기능 : IgG 상승, IgE 감소 등)를 확인하였다. 위의 결과를 바탕으로 제품 등록을 완료 하였으며, 제품 홍보를 위한 홍보자료 제작을 진행 중에 있다.

주요성과 가축 병원균과 Clostridioides difficile 에 대한 항균력을 가진 B. longum 미생물 제제를 반려견 대상으로 임상시험을 실시하여 면역증강, 단백뇨 수치 정상화, 간기능 개선(간 아미노전이 효소 수치 정상화) 효과를 확인하였다. 반려견 미생물 제제 급여 전/후, 정상견과 환자견 장내 미생물 군집 분석을 통해서 유의한 균총의 변화를 확인하여 미생물 제제로서의 in-vivo 기능적 효과를 증명하였다.

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동물 미생물 제제 2

B. longum 미생물 제제 급여 전/후 반려견 뇨단백 (A) 정상화와 간기능 개선 (간 아미노전이 효소 수치) (B), 장내 미생물 군집 (C) 분석

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앞으로의 계획 반려견·반려묘를 대상으로 각각 선정된 프로바이오틱스 균주를 반려견과 반려묘 임상시험을 실시하여 프로바이오틱스 투여 전/후의 면역 증진평가, 장내 마이크로바이옴 분석을 통한 장내환경 개선 검증 및 질병연관성 연구를 지속적으로 수행하고자 한다. 또한 시제품 개발 균주를 포함한 반려동물과 된장 유래 유용미생물 자원의 유전체, 대사체 뿐만 아니라 장내 전사체 분석을 통한 오믹스 통합정보를 기반으로 프로바이오틱스 특성 관련 기능성 연구도 추가적으로 진행할 계획이다. 최종적으로 선발된 반려견·반려묘 프로바이오틱스 균주들은 배양조건 조사 등 대량생산공정체계 최적화를 통해 생산수율과 기능성을 향상시키고, 반려견·반려묘 기호에 적합한 제형화(입제. 액제, 타블릿 등) 연구를 실시하고자 한다. 더 나아가 제형에 따른 단가 조사와 포장 형태 및 함량을

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선정하여 시제품 제작과 제품 등록을 추진할 계획이다. 그리고 등록 제품에 대한 홍보자료 제작과 사양실험을 통해 제품으로서 기능성을 검증하고 사업화하여 품질관리체계까지 확립하고자 한다.

사업단 내 공동 연구 및 협력 제언 사업단의 지원으로 연구팀들이 만든 유전체 데이터는 1차적으로 해당 연구팀의 연구에 최우선적으로 사용되어야 하지만, 많은 팀들이 공을 들여서 데이터를 생산하는 만큼 데이터를 공유하고, 같이 사용할 수 있으면 활용가치가 높아질 수 있다. 따라서 데이터의 활용가치를 높이기 위해 기본적인 리스트 공유 및 데이터 협력 연구에 대한 공감이 필요하다.

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관련 분야 동향 및 전망 - 국내 반려동물 관련 시장은 최근 3년 동안 연평균 14.1%씩 성장하여 2017년 약 2조 3,300억원 시장으로 발달, 향후에도 국내 반려동물 등 관련 시장은 연평균 10% 이상의 성장세로 7년 6조원 규모의 시장이 기대된다. - 반려동물 사료 시장은 연평균 19%에 이르는 가파른 성장을 보였고, 2017년 약 8천억원을 상회하는 것으로 추정(사료, 영양간식, 음식료 등 포함), 국내 반려동물 사료시장의 50~60% 정도를 수입에 의존하지만, 현재 활발한 국내 업체들 반려동물 사료시장에 진출 중에 있다. - 인간의 장내미생물과 질병 관련성에 대해 전 세계적으로 부각되어 장내 미생물총에 대한 관심이 증가하여, 동물의 장내 마이크로바이옴 연구를 비롯한 가축용 프로바이오틱스 연구가 활발히 진행 중이다. - 북 미와 유럽으로 프로바이오틱스 제품의 시장 역시 활성화 되어 있으며 많은 제품이 프로바이오틱스를 이용하여 정장제, 면역증강제, 비타민 등을 제조. 츄어블 타입 제형 제품이 대다수를 차지하고 있는데, 국내에는 사료와 섞어 사용하는 분말형태의 생균제 또는 액상제품이 대다수를 차지한다. - 고 농도의 유용미생물 적용 반려동물용 프로바이오틱스 개발은 반려동물의 면역력 증대에 필수적이며 반려동물 프로바이오틱스 제품의 다양한 제형과 고농도 유용미생물 소비자의 프리미엄급 반려동물용품 수요에 부응할 것으로 예상된다.

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조기성과 창출

프로바이오틱스  1 감염 억제 및 장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발

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연구목표 및 내용

주관연구기관 연세대학교 박테리아 감염 조절 실험실

주관연구책임자

윤상선 교수 연세대학교 박테리아 감염 조절 실험실 연구팀

연구목표 및 내용 연세대학교 박테리아 감염 조절 실험실에서는 분자수준에서 박테리아와 호스트 간의 상호작용 및 호스트 장내 공생 미생물의 구성 변화 등이 감염에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하여 이로부터 얻어진 정보를 이용하여 박테리아의 감염을 효율적으로 조절하는 것을 목표로 하고 있다. 본 과제에서는 마우스 장내에서 존재하는 Bacteroides vulgatus 가 장내 병원성 세균의 감염을 억제하는 효능이 있음을 검증하였고 이를 분리 동정하여 질환 맞춤형 프로바이오틱스 균주로 개발하는 것을 연구 목표로 연구를 진행하고 있다.

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위탁연구기관 (주)클립스

위탁연구책임자

주완석 대표 (주)클립스 연구팀

연구목표 및 내용 프로바이오틱스 후보 균주의 기능성 식품 원료 인증

제2세부 연구기관 연세대학교 소화기내과 교실

제2세부 연구책임자

천재희 교수 연세대학교 천재희 교수 연구팀

연구목표 및 내용 본 실험실에서는 염증 완화 활성을 보이는 atypical E. coli (atE c, 비정형 대장균)를 질환 맞춤형 프로바이오틱스 균주로 개발하여 기능성 식품 원료로 인증 받는 것을 위해 마우스 대장 염증 모델을 이용해 atE c 균주의 염증 완화 능력 및 안정성을 검증하기 위한 실험을 진행하고 있다.

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프로바이오틱스 1

제1협동 연구기관 이화여자대학교 생물화학공학연구실

제1협동 연구책임자

박시재 교수

이화여자대학교 생물화학공학연구실 연구팀

연구목표 및 내용 이화여자대학교 생물화학공학연구실에서는 바이오 기반 케미칼, 폴리머, 연료 생산을 위한 미생물 대사공학 연구를 수행하고 있다. 본 연구팀은 장 질환을 포함하는 다양한 질병의 증상 완화를 위하여 감염 억제 및 염증 완화 기능이 검증된 atypical E . coli (atE c, 비정형 대장균)를 대사공학적으로 개량하여 질환 맞춤형 프로바이오틱스 균주로의 개발을 목표로 한다. 이를 위해 과제 책임자인 박시재 교수를 비롯하여 4명의 석사/박사 과정 학생들이 연구를 진행하고 있다. 본 과제에서는 염증 개선을 위해 염증 완화 기능을 활성화 시키는 부틸산 (butyrate) 생합성 경로 예측, 시스템 및 대사 경로 최적화 기술을 개발하는 연구를 진행중이다. 더불어 부틸산 생합성 관련 유전자 발현 시스템을 미세 조절 및 최적화하여 질환 맞춤형 프로바이오틱스 atE c 균주를 개발하고 그 성능을 검증하기 위해 현재 프로바이오틱스 균주로 시판되고 있는 E . coli Nissle 1917 균주와의 성능 비교 연구 또한 수행 중에 있다.

제2협동 연구기관 (주)마이크로바이오틱스

제2협동 연구책임자

장원 대표

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(주)마이크로바이오틱스 연구팀

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연구목표 및 내용 (주)마이크로바이오틱스는 의료환경에서의 안전한 위장 미생물총 이식 (GIFT, gastrointestinal flora transplantation)의 활용과 경구투약용 GIFT 캡슐제제화, 박테리오파아지 들의 연구개발을 위해 연세대학교 의과대학 교수들이 직접 설립한 교원 벤쳐기업이다. 본 과제에서는 감염 및 염증을 억제하는 효능을 가진 프로바이오틱스 균주의 배양을 표준화하고 장 염증 완화에 특이적인 박테리오파아지를 분리 및 선별하여 신개념 치료제/건강보조제로 사업화하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : 연세대학교 1. 마우스 모델에서 B. vulgatus 의 감염 억제 능력 검증 마우스 장에서 감염 억제 능력이 있는 B. vulgatus 를 분리하였으며 이를 혐기성 환경에서 액체 배양하거나 병원성 박테리아와 Co-culture 하는 시스템을 구축하였다. Germ-free 마우스를 이용하여 분리한 B. vulgatus 균주가 in vivo 에서 콜레라균(Vibrio cholerae) 균에 대한 감염을 억제하는 효능을 확인할 수 있었다. 또한 감염 억제 능력을 보인 B. vulgatus 균주의 whole genome 서열 및 RNASeq 분석을 수행하여 감염 억제 기전 연구를 진행 하였다. 동시에, 대사체 분석을 통해, 장내미생물균총의 군집 변화가 일어나는 환경에서 대사체 생산 패턴의 변화도 동시에 발생함을 확인하였으며, Short Chain Fatty Acids의 정상적인 분포가 감염 저항성을 유지하는데 매우 중요한 요소임을 확인하였다. 본 연구 결과는 2019년 9월 14일 Microbiome 저널에 “Commensal-derived metabolites govern Vibrio cholerae pathogenesis in host intestine”의 제목으로 출간되었다. 2. 폐렴 감염원인균의 성장을 억제하는 호흡기 공생미생물 동정 및 효능 검증 본 연구진은 또한 건강한 사람의 비강에 존재하는 공생미생물 균총을 분석하였으며,

Staphylococcus epidermidis 가 가장 빈도 높게 존재함을 확인하였으며, 인체 비강 분리 균 중 호흡기 감염을 일으키는 녹농균의 감염을 특이적으로 억제하는 S. epidermidis한 종을 분리하였다. 관련 내용은 “병원성 세균에 대한 항균 활성 균주 및 이를 포함하는 병원성 세균 유발성 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물”이라는 제목으로 특허 출원되었다. 동시에, 가장 좋은 활성을 보이는 S. epidermidis strain의 유전체 분석을 마무리하였다.

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프로바이오틱스 1

3. 활성 산소 제거 능력이 탁월한 Bifidobacterium longum 균주 분리 장내 염증의 과도한 발생은 활성산소의 과생산과 밀접한 관련이 있다. 이러한 임상 소견을 통해, 본 연구진은 마이크로바이오틱스 연구진과의 협력 연구를 통해 활성산소를 제거하는 데 특별한 능력을 보이는 공생미생물 균주를 분리하고자 하였다. 인체 분변에 존재하는 미생물군집을 활성산소가 높은 농도로 존재하는 조건에서 배양하여, 활성산소 분해 능력이 뛰어난 B.

longum 균주를 분리 동정하였다. 현재 마우스 염증모델을 활용하여 전임상 수준에서 염증완화 효능을 검증하고 있으며, 동시에, 관련 균주의 유전체 분석을 마무리하였다. 관련 내용은 “활성산소 제거능을 갖는 신규한 균주 및 이의 용도”의 제목으로 특허 출원되었다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 1. 마우스 대장염증 모델에서의 atE c 균의 염증완화 능력 검증 마우스 대장에서 분리한 세균총 중에 활성산소에 대한 저항성을 지닌 atE c 균주의 염증 완화 능력을 검증을 위한 실험을 진행하였다. DSS를 이용한 염증성 장질환 마우스 모델에 atE c 균주 투여군의 경우 대조군에 비해 체중 감소가 완화 되었으며, 조직학적 면역 염색, 마우스의 장길이 변화 및 염증지표 분석을 통해서 atE c 균주의 뚜렷한 염증 완화 효능을 확인 할 수 있었다. 또한 atE c에 의한 장내 면역반응을 확인 한 결과 대장 내에서 염증 유발에 영향을 주는 염증성 사이토카인인 IL-1β와 TNF의 발현 저하와 장내 면역에 영향을 주는 Th17 세포와 면역조절 T 세포에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 연구 결과를 통해 atE c 균주가 활성산소 제거 및 IL-17이 관여된 경로를 통해 대장 염증을 완화 시킬 수 있다는 것을 확인하여 현재 그와 관련한 기전 연구를 진행 중에 있다.

2. 마우스 대장 염증모델에서의 atE c와 E. coli Nissle 균주의 염증완화능력 비교 현재 프로바이오틱스 균주로 시판되고 있는 E. coli Nissle 균주(Ec N)와 typical E.coli (tE c) 및 atE c의 항대장 염증 효능을 비교한 결과 atE c가 Ec N 보다 높은 체중감소 및 질병 활성도의 억제 효과를 나타내었으며 마우스의 생존률 또한 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 이러한 작용기전에는 atE c에 의한 조절 T세포의 분화조절 효과에 기인하는 것으로 나타났으며 명확한 기전분석을 위하여 연구 진행 중에 있다.

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제1협동 연구기관 : 이화여자대학교 1. 부틸산 생산 재조합 Atypical E. coli, E.coli Nissle 균주 개발 플라스미드기반 butyrate 생산 대사경로를 제작하기 위해 Escherichia coli, Clostridum

acetobutylicum 그리고 Treponema denticola 균주로부터 butyrate 생산 유전자로 알려져 있는 유전자인 Acetyl-CoA acetyltransferase (atoB), 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase (hbd), 3-hydroxybutyryl-CoA dehydratase (crt), trans-2-enoyl-CoA reductase (ter), acyl-CoA thioesterase2 (tesB)를 확보하였다. 해당 유전자들을 발현시키기 위해 플라스미드 pCDF, pACYC에 삽입하였고 이를 E. coli JM109(DE3), E. coli BL21(DE3),

E. coli MG1655(DE3) 균주에 각각 도입하여 butyrate 생산을 확인하였다.

부틸산 생산 대사회로의 최적화

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프로바이오틱스 1

이후 플라스미드 pKM212와 pKA312 기반의 새로운 벡터 시스템을 구축하여 도입 유전자의 발현 정도를 조절하였다. 구축한 벡터시스템의 작동 수준 평가하기 위해 E. coli XL1-Blue (이하, XB)를 대조군으로 사용하여 부틸산 생산을 위한 플라스크 배양 실험을 진행하였다. 배양실험 결과, XB에서는 부틸산 생산을 확인하였으나 atE c에서는 에탄올, 아세트산 등의 부산물이 다량 축적되어 부틸산 생산이 효율적으로 이루어지지 않았다. 이에 아세트산 등 부산물의 축적을 최소화하기 위해 부틸산 생합성 경로의 경쟁 대사경로를 제거하여 대사 회로를 재설계하였다. 경쟁 대사경로 중 하나인 PoxB 관련 경로의 삭제를 통해 atE c에서 부틸산 생산을 확인하였고, 다른 경쟁 대사경로 삭제의 효과를 기대하며 해당 균주의 배양 실험을 진행하고 있다.

제2협동 연구기관 : (주)마이크로바이오틱스 1. 대장균 제거용 bacteriophage 배양 및 in vitro 활성 점검 ● bacteriophage 역가 측정 - 타겟 균주에 대한 용균스펙트럼 측정

E.coli에 대한 phage의 용균확인

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- Phage의 세균 부착 능력 및 분해 능력을 확인 (lysis)

Phage 의 시간별 Lysis 결과

● Bacteriophage whole genome sequencing

- 유전자 수준에서의 독성 인자 확인 및 안전성 확보 2. ROS 제거 능력이 있을 것으로 예상되는 후보 균주 분리 ● 건강한 사람의 분변에서 Catalase activity가 있는 균주 확보 - 고농도의 H2O2에서 생존할 수 있는 균주를 확보 - 유전자 분석을 통해 정확한 활성요소를 확인

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앞으로의 계획 주관연구기관 : 연세대학교 호흡기 감염 억제 효능을 보인 S. epidermidis 의 임상 적용 및 사육돈의 호흡기 감염 억제 능력을 검증할 것이며, B. longum 균주의 활성산소 제거 능력의 임상 적용을 시도할 것이다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 향후 본 연구팀은 협동연구팀에서 개량한 프로바이오틱스 후보 균주들을 atE c 및 시판되고 있는 프로바이오틱스 균주와 함께 마우스에서 염증 완화 능력 비교 및 안정성 검증을 수행함으로써 프로바이오틱스로 활용할 수 있는 후보군을 선별할 예정이다. 더 나아가 IL10 결손 마우스 등의 마우스 모델뿐 아니라 염증성 환자의 혈액 내의 면역세포와 프로바이오틱스 후보 균주의 공배양을 통해서도 프로바이오틱스 효능을 검증할 계획이다.

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프로바이오틱스 1

제1협동 연구기관 : 이화여자대학교 butyrate 생산 효율을 높일 수 있도록 발현 시스템을 최적화하고, 크로모좀에 butyrate 생산 대사회로를 삽입하기 위해 Cre/Lox 시스템을 이용하여 발현 level이 다른 promoter 등을 적용함으로써 최적화된 발현 시스템을 구축할 것이다.

제2협동 연구기관 : (주)마이크로바이오틱스 1. ROS 제거 능력이 있을 것으로 예상되는 후보 균주

● Catalase activity가 있는 균주

- Galleria mellonella에 주입하여 생존능 확인을 통한 독성평가 및 효율성 검토 2. 대장균 제거용 bacteriophage

● 2개 후보 bacteriophage에 대하여 in vivo 검사 진행

- Larvae를 이용한 독성평가 및 효율성 검토 3. Capsule을 이용한 분변이식 방법 정립

● 장용성 capsule을 이용한 분변이식 방법이용 검토

- 자사의 분변이식 기술에 장용성 capsule을 사용하여 경구투여를 목표로 하고 있다. - 장용성 capsule을 이용한 방법이 정립이 되면 본 과제에서 개발한 균주 및 bacteriophage를 환자에게 적용하기에 용이할 것이다.

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관련 분야 동향 및 전망 건강기능식품의 활성화됨에 따라 국내 여러 회사에서 기존 프로바이오틱스 균주를 활용한 제품화 기술이 개발되고 있다. 하지만 국내에서는 아직까지는 주로 유산균 음료에 대한 인식이 강하여 식음료에 활용되는 비중이 높다. 하지만 유럽이나 일본 등 선진국에서는 프로바이오틱스의 장 건강 개선 효과뿐만 아니라 대사질환과 피부 및 호흡기 질환의 개선 및 피로, 면역 증강 등 다양한 질병의 치료에 이르기까지 다양한 연구가 진행되고 있어 그 시장성이 급성장하고 있다.

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현재 다양한 연구들을 통해 프로바이오틱스의 기능이 입증되고 있는데 그 예로는 다음과 같은 것들이 있다. 1) 로타바이러스성 설사 개선, 2) 유당불내증 경감, 3) 항생제 관련 설사 개선, 4) 유아의 식이성 알레르기 증상 완화, 5) 인슐린 저항성 증후군 치료 6) 비알콜성 지방간 치료, 7) 염증성 장질환 경감 현재까지의 장내 마이크로바이옴 연구가 메타지노믹스(metagenomics)를 위주로 진행되어 왔다면 앞으로는 메타전사체(metatranscriptomics), 메타단백질체(metaproteomics), 대사체학(metabolomics) 등과 같은 보다 접근법이 활용되어 보다 통합적인 장내 미생물-숙주 간의 상호작용에 대한 이해가 가능해질 것이며 이 상호작용이 다양한 질병의 연결고리에 관여하여 이를 조절함으로써 다양한 임상적 효과를 얻을 수 있을 것이다. 이와 더불어 프로바이오틱스의 안정성 확보의 중요성 역시 증가하고 있다. 본 과제를 통해 발굴되고 있는 유용 공생미생물 균주 및 Butyrate 생산 대장균 균주는 치료 목적의 프로바이오틱스로 개발될 것이다.

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조기성과 창출

프로바이오틱스  2 마이크로바이옴 분석 기술을 이용한 스트레스 및 2형 당뇨병 개선 프로바이오틱스 소재 개발

1

연구목표 및 내용 연구목표 최근 염증-스트레스-당뇨병의 연관성에 대한 많은 연구가 수행되고 있으나 스트레스와 당뇨병을 함께 개선할 수 있는 프로바이오틱스 소재는 현재 개발되지 않은 실정이다. 본 연구에서는 마이크로바이옴 분석 기술을 이용하여 염증 억제력이 우수한 유산균주를 발굴하고 세포시험, 질환모델동물 효능실험, 전임상시험, 대량생산, 최적화, 제형화를 통해 스트레스와 당뇨병을 개선 또는 예방 할 수 있는 고기능성 프로바이오틱스 소재를 개발하고 실용화 하고자한다.

주관연구기관 중앙대학교

주관연구책임자

김원용 교수 중앙대학교 의과대학 연구팀

연구내용 주관연구기관(중앙대학교 의과대학)과 위탁연구기관(마크로젠)에서는 유전체 연구기반 2형 44 |

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당뇨병과 스트레스 질환 통합 개선 프로바이오틱스 소재 개발 담당

제1위탁 연구기관 (주)마크로젠

제1위탁 연구책임자

신상흠 차장 (주)마크로젠 연구팀

연구내용 NGS 기반 대용량 유전체 분석

제2세부 연구기관 중앙대학교

제2세부 연구책임자

황광우 교수 중앙대학교 약학대학 연구팀

연구내용 제2세부 연구기관(중앙대학교 약학대학)에서는 2형 당뇨병과 스트레스 질환 통합 개선 프로바이오틱스 소재의 기능 분석 담당

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프로바이오틱스 2

제1협동 연구기관 롯데푸드(주)

제1협동 연구책임자

김윤식 팀장 롯데푸드(주) 연구팀

연구내용 제1협동 연구기관(롯데푸드(주))에서는 2형 당뇨병과 스트레스 질환 통합 개선 프로바이오틱스 소재의 실용화를 담당

21

연구결과 및 주요성과 연구결과 - 2 018년도 3월부터 중앙대학교 병원 윤리위원회의 승인을 받아 궤양성 대장염 환자와 정상인으로부터 분변 시료를 모으고 임상데이터베이스를 구축하였으며, 장 점막 회복이 된 궤양성 대장염 환자로부터 얻은 분변시료로부터 illumina sequencing을 이용한 미생물 군집 분석하였다(위탁연구기관: 마크로젠과 협업). - 발굴 유산균주에 대하여 API 20E, API20NE, API 50CH, API ZYM 등을 이용하여 생리생화학적 특성을 조사하였다. - 후보 균주별 탄소원 이용성 조사: 탄소원 free 배지 조사 및 최적화(modified MRS)와 Glucose 외 탄소원별 생장성을 측정하였다. - 발굴 유산균주에 대하여 생체 내 수준에서 안전성 평가를 진행하였으며, 이를 통해 독성이 없으며, 항염증 효과 있는 것을 확인하였다. - 발굴 유산균주의 장 상피 세포에 대한 장 정착능 평가와 내담즙 및 내산성 평가를 진행하여 위장관 내 생장 유무를 확인하였다.

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- 발굴 유산균주의 기능성 평가를 위해 스트레스 인자 분비에 대한 저해 효능을 평가하였으며, 항스트레스 효과를 확인하였다. - 비만에 대한 발굴 유산균주의 항당뇨 기능성 평가를 위해 세포 수준에서 당 분해 효소 활성 저해 평가와 지방분화 억제 평가를 진행하였으며, 이를 통해 항당뇨 효과를 확인하였다. - 발굴 유산균주의 위탁기관인 마크로젠과 협업하여 전장 유전체를 분석하여, 기능성 유전자를 발굴하였다. - 동물 모델을 이용하여 스트레스와 고지방식이에 따른 체중 및 혈당의 변화, 포도당과 인슐린에 대한 저항성 및 민감성 확인, 발굴 유산균주 투여에 따른 변화를 확인하였다. - 선별 균주에 대하여 탄소원 및 질소원 등의 농도별 생장성을 평가하여 배지 및 배양조건을 최적화 하는 연구를 진행하였다. - 타겟 제품(발효유, 발효음료) 외 다양한 제형 사례 및 application 기술을 조사하였다. - 테스트를 통해 도출된 최적화 조건을 적용하여 선별균주의 프로토타입의 시생산 테스트를 진행하였다.

주요성과 당분해효소 저해능

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프로바이오틱스 2

전략미생물 유전체 해독(2건)

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앞으로의 계획 단위연구기관 : 중앙대학교 의과대학 - 위탁연구기관 : 마크로젠 - 프로바이오틱스 유산균 소재의 지표물질에 대한 독성평가 - 프로바이오틱스 유산균 소재의 지표물질에 대한 전임상 시험 - 마이크로바이옴 기반 프로바이오틱스 유산균 소재의 효능 검증

제2세부 연구기관 : 중앙대학교 약학대학 - 체내에서 유산균의 기능과 조절 기전 연구 - 유산균에 의한 장내 미생물 변화 및 면역 조절 기전 연구

제1협동 연구기관 : 롯데푸드(주) - 고기능성 프로바이오틱스 소재의 원료화 및 유제품 적용 연구 - 고기능성 프로바이오틱스 소재의 제형별 적용 (제과, 과채음료 등) 및 안정성 검증

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사업단 내 공동 연구 및 협력 제언 본 사업팀과 사업단 내 타 사업팀 간의 지속적인 소통과 협력을 통한 파트너십을 바탕으로 연구를 진행함에 있어서 우수한 결과를 도출 할 수 있는 시너지 효과를 발휘하고자 한다.

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관련 분야 동향 및 전망 마이크로바이옴 활용 당뇨병 치료 연구 현황 - 마이크로바이옴과 관련된 미국 시장의 경우, 2016년엔 C. difficiles 에 의한 디피실감염증 치료를 위한 시장이 가장 큰 비중을 차지하고 있고 2025년에도 가장 높은 비중을 차지할 것으로 예측되며, 그 뒤를 이어 크론병, 과민성대장증후군, 당뇨 등이 높은 성장을 기록 할 것으로 추정된다. - Microbiome Therapeutics의 경우 마이크로바이옴으로부터 선별된 유익균을 이용하여 체내 인슐린 흡수를 향상시키는 임상 연구를 진행중에 있다. 또한 Johnson&Johnson은 이스라일 와즈만 과학연구소와 대사 장애에 대한 마이크로바이옴 기반 건강 솔루션 개발 공동연구 및 투자를 진행하고 있고, 로슈와 화이자 역시 대사 질환 치료에 마이크로바이옴을 활용하는 연구에 적극 투자 중에 있다. - GlobalData에 따르면 2018년 9월부터 개발되고 있는 마이크로바이옴 치료제 파이프라인을 가지고 있으며 하나의 파이프라인으로 둘 이상의 치료영역 및 적응증과 관련해 개발이 진행되고 있다. AOBiome의 경우 하나의 파이프라인으로 고혈압, 당뇨 그리고 신경계 등 관련 임상 2상을 진행 중에 있다. - 메 디플란트는 2018년 11월부터 이대목동병원 당뇨 비만수술센터와 15억원 규모로 마이크로바이옴을 이용한 당뇨 비만 치료 신약 개발을 진행하고 있다. - 세계 마이크로바이옴 시장은 2018년 약 1조원을 형성할 것으로 추정되고, 2024년까지 약 4조원의 시장으로 성장할 것으로 전망되며, 해당 시장은 주로 제약과 진단으로 구성된다. - 글로벌 시장조사업체 GBI리서치에 따르면 당뇨치료 시장은 2015년 708억 달러로, 연평균 12.7%의 성장률을 기록하고 있으며 2022년에는 1632억 규모로 커질 것으로 전망된다.

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프로바이오틱스 2

시장현황 : 스트레스와 당뇨병 복합 치료 연구 동향 - 해외 연구업계의 자료에 따라 당뇨병 치료제 시장은 전 세계적인 당뇨인구 증가와 함께, 전년 당뇨 치료/진단 시장을 380억 달러로 추산하고, 2015년에는 512억 달러의 시장을 형성하였다. - 최근 독일 막스플랑크 연구팀은 근육에서 생성되는 스트레스 단백질 ‘FKBP51’이 제2형 당뇨병을 촉진한다는 연구 결과를 발표하고 FKBP51을 억제하는 화합물을 개발했으며 이 물질에 대한 임상시험을 진행할 예정이다. - 또한, 영국 유니버시티칼리지런던 연구팀도 막스플랑크와 별도로 FKBP51 억제 화합물을 개발하였다. - 기존과 최근 연구결과에 따르면 스트레스가 호르몬, 면역 Cytokine, 뇌 시상하부에 영향을 주어 인슐린 저항성과 산화스트레스를 유발시켜, 그 결과로 당뇨병을 일으킨다는 것이 증명되었지만, 아직 스트레스로 인한 당뇨의 원인을 타겟으로 하는 치료제는 출시된 것이 없다. - 미국의 DMICC는 당뇨병과 스트레스로 인한 복잡한 문제를 해결하기 위해 가장 기본적인 분자기능 및 세포 프로세스 장애(dysfunction) 연구에서 과학적인 연구결과를 질병으로 인해 영향을 받는 사람들의 건강 증진을 위한 중개연구에 이르기까지 다각적인 접근을 시도하고 있다.

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조기성과 창출

발효식품(미강) 김치 유래 기능성 유산균을 활용한 미강발효제품 개발 및 산업화

1

연구목표 및 내용

주관연구기관 조선대학교 김치연구센터

주관연구책임자

장해춘 교수 조선대학교 김치연구센터

연구목표 기능성 김치유산균을 활용한 미강발효제품 개발 및 산업화

연구내용 - 균주의 기능성 평가를 통한 기능성 균주 선정 - 균주의 배양학적 특성 확인, phytase 활성 및 안전성 평가 - 균주의 안정성 평가(산업적 내구성, 생균 유지를 위한 안정화 최적 조건 확립) - 미강의 특성 분석(이화학적 특성, 일반 성분, 영양성분)

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발효식품(미강)

제2세부 연구기관 조선대학교

제2세부 연구책임자

이재준 교수 조선대학교 단체급식실험실

연구목표 미강발효물의 기능성 평가(동물 실험: 기능성 유산균, 미강발효물 섭취 쥐의 기능성 판정)

연구내용 - W. koreensis DB1 균주, 미강 및 미강발효제품의 지방세포 분화에 미치는 영향 및 그에 따른 유전자 발현 변화 확인 - 동물 실험을 통한 ① 균주 ② 미강 및 ③ 미강발효제품의 항비만 및 콜레스테롤 저하효과 평가

제1협동 연구기관 경희대학교

제1협동 연구책임자

김해영 교수 경희대학교 식품생화학 연구실

연구목표 전략 미생물 유전자 해독, 전략 미생물로부터 유용 유전자원 확보

연구내용 - W. koreensis, Lb. plantarum EM 염기서열 해독, 조립 및 주석 처리 52 |

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- 저온성 김치의 메타유전체 분석 - 저온성 김치 유산균과 표준 미생물 염기서열 해독, 조립 및 주석처리 - COG 카테고리에 따라 유전체 분류

제2협동 연구기관 경상대학교

제2협동 연구책임자

김정환 교수 경상대학교 식품미생물학연구실

연구목표 김치 유산균을 이용한 미강발효물의 대사체 분석 연구

연구내용 - 대사체 분석 기술인 LC/MS, GC/MS를 이용한 김치 유산균 미강발효물의 대사체 분석 - 김치 유산균을 이용한 미강발효물의 대사체 간 상관성 분석 - 김치 유산균을 이용한 미강발효물의 metabolic pathway 도출

제3협동 연구기관 CJ제일제당(주)

제3협동 연구책임자

서용기 박사 CJ제일제당(주) 연구팀

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발효식품(미강)

연구목표 기능성 김치 유산균을 활용한 미강발효제품의 산업화·실용화

연구내용 - 발효를 위한 부산물 소재 확보 - Scale-up 발효공정 검토 및 확립, 발효 후 가공공정 개발 - Pilot 발효 소재 생산 시스템 구축

21

연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 조선대학교 김치연구센터 1. 균주의 기능성 평가 - 김치 유산균 48종 중 높은 항콜레스테롤능을 지닌 Lb. plantarum EM 선정 - Ornithine과 citrulline 생성능이 뛰어난 W. koreensis DB1과 W. koreensis HJ 선정 2. 오르니틴 생성 W. koreensis 와 저온성 생육 유산균의 배양학적 특성 조사 - 배양온도 및 초기 pH에 따른 생육도, 당대사능(API 50CHL kit, BioMeriéux)을 조사 3. 균주의 안전성 평가(in vitro ) - 용혈성(Hemolysis), 항생제 내성, Biogenic amine 생성능, 유해효소 활성능(API Zym kit, BioMeriéux) 조사 결과 전략 미생물 7종 모두 안전한 것으로 확인 4. 기능성 균주의 선정 - 전략 미생물 최종 선정 → 총 7종 (항콜레스테롤능 유산균 Lb. plantarum EM, 오르니틴생성 유산균 W. koreensis DB1 외 1종, 저온성 유산균 Leu. gelidum subsp. aenigmaticum JW1 외 3종) 5. 균주의 안정성 평가 - 균주 : ① 항콜레스테롤능 유산균 Lb. plantarum EM ② 오르니틴 생성 유산균 W. koreensis DB1 - 산업적 내구성(내산성, 내열성, 내염성) 및 생균 유지를 위한 안정화 최적 조건 확립 6. 미강의 특성 분석 - 이화학적 특성, 일반성분, 영양성분(유리당, 유기산, 지방산, 유리아미노산)을 분석

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7. 미강의 발효 조건 확립(전처리 조건) : 미강 첨가량 및 가열 처리 조건을 확립 8. 발효공정의 최적화(미강에서 유산균 증식) - 조기성과 창출을 위해 3차년도 연구내용 일부 2차년도에 수행(DB1 미강발효제품 개발) - 균주 : 오르니틴 생성 유산균(항비만능) W. koreensis DB1 - 영양원, 발효 초기 pH, 발효 온도를 최적화 9. 최적 발효 공정 조건에서 미강 발효 : 이화학적 특성 및 영양성분을 분석 10. 균주 특성 조사(Phytase 활성) : 1차년도 평가 결과 반영하여 조사 - Phytase 활성 : Lb. plantarum EM은 강한 phytase 활성을 나타내었으며 W. koreensis DB1은 약하지만 phytase 활성을 나타낸다. - Phytic acid 함량 : W. koreensis DB1 발효 미강 열풍건조물(5,000 mg/100g)은 생미강(8,500mg/100g) 대비 약 41% 이상 감소. 하루에 열풍건조물 1~10g 섭취 시 피틴산 섭취량 5~50 mg 정도로 인체에 무해함을 확인

연구성과 - SCI(E) 등급 논문 2편 초과 달성 No

1

2

논문명 Purification and characterization of an antimicrobial compound produced by Lactobacillus plantarum EM showing both antifungal and antibacterial activities Characterization of juice fermented with Lactobacillus plantarum EM and its cholesterol -lowering effects on rats fed a high-fat and high-cholesterol diet

학술지명

등급/IF

비고

LWT- Food science and technology

SCI /3.714

계열 상위 18%

Food Science and Nutrition

SCIE /1.747

제2세부 연구기관 : 조선대학교 1. W. koreensis DB1 균주, 미강 및 미강발효제품의 지방세포 분화에 미치는 영향 - 오르니틴 생성능을 지닌 W. koreensis DB1 균주, 발효미강 및 미강 추출물 모두 농도 의존적으로 지방구의 형성과 지방축적을 억제→PPARγ의 C/EBPα등의 지방세포분화전사인자들의 발현과 지방합성관련 효소인 FSA와 ACC 발현을 음성적으로 조절하여 억제된 것으로 보여진다. 발효미강 추출물은 미강 추출물에 비하여 지방세포 분화억제효과가 유의하게 크게 나타나 미강을 발효하면 그 효과가 증가하는 것으로 나타났다.

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발효식품(미강)

2. 동물 실험을 통한 W. koreensis DB1 균주, 미강 및 미강발효제품의 항비만 효과 - 실험조건

•사용동물: C57BL/6J 마우스, 10주간 사육

•실험군 ① 정상식이군 ② 고지방-고콜레스테롤식이군 ③ 고지방-고콜레스테롤식이군 +W. koreensis DB1 균주+5% 미강+1% 발효미강+5% 발효미강+5% 키토산

- 실험결과: 5% 발효미강 첨가군은 체중감소, 체지방 감소, 간 및 혈청의 중성지방 농도, 혈청 렙틴, 인슐린 및 포도당 농도, 간의 지질 침착도, 지방합성관련 유전자발현 수준, 부고환지방세포의 크기를 유의하게 저하시켰으며, 혈청 중 아디포넥틴 함량은 유의하게 증가시켰다. 이러한 효과는 W. koreensis DB1 균주군, 5% 미강 첨가군 및 1% 발효미강 첨가군에서도 항비만효과와 지질대사 개선효과가 나타났지만, 5% 발효미강 첨가군과 5% 키토산 첨가군에 비해서는 미비한 효과가 나타났다. 따라서 본 실험 결과 W. koreensis DB1 균주로 발효한 미강은 미강에 비하여 항비만 및 지질대사 개선효과가 더욱 우수하게 나타났다. 발효과정은 미강의 항비만 및 지질대사 개선효과를 증진시키며 발효미강은 기능성식품으로서 이용가치가 높을 것으로 사료된다.

제1협동 연구기관 : 경희대학교 1. Lactobacillus plantarum EM의 genome sequencing 및 유전체 분석 - Lb. plantarum EM의 genome sequencing, assembly 및 annotation

• Assembly 결과 총 50개의 contig가 나왔으며 contig의 평균 길이는 69,055 bp로 가장 긴 contig는 372,573 bp, 가장 짧은 contig는 6,361 bp로 측정된다. annotation 결과 균주의 길이는 3,452,787 bp로 GC content는 44.2%, 유전자는 3,474개, protein은 3,403개로 분석된다.

- Lactobacillus plantarum EM의 항콜레스테롤 관여 유전자 조사

• PCR을 통해 Lb. plantarum EM 균주에 존재하는 항콜레스테롤 유전자를 확인하였고, genome sequencing 결과를 바탕으로 항콜레스테롤 유전자를 추출하여 다른 Lb.

plantarum에 존재하는 항콜레스테롤 유전자와 유전자 비교 분석을 수행하였을 때 다른 L. plantarum에 비해 많은 항콜레스테롤 유전자를 보유하는 것으로 확인하였다.

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2. Weissella koreensis HJ, W. koreensis DB1의 genome sequencing 및 유전체 분석 - W. koreensis HJ, W. koreensis DB1의 genome sequencing, assembly 및 annotation

• W. koreensis 의 경우 총 15개의 contig가 나왔으며 contig의 평균 길이는 95,171 bp로 측정된다. Annotation 결과 균주의 길이는 1,427,517 bp로 GC content는 35.5%, 유전자는 1,453개, protein은 1,400개로 분석된다.

• W. kooensis DB1의 경우 assembly 결과 총 14개의 contig가 나왔으며 contig의 평균 길이는 103,280 bp로 측정되었다. Annotation 결과 길이는 1,445,923 bp로 GC content는 35.4%, 유전자는 1,404개, protein은 1,404개로 분석된다.

3. Leuconostoc inhae PG7, Leu. gasicomitatum CH3의 genome sequencing 및 유전체 분석 - Leu. inhae PG7, Leu. gasicomitatum CH3의 genome sequencing, assembly 및 annotation

• Leu. inhae PG7의 경우 assembly, annotation 결과 총 4개의 contig가 나왔고 1개의 chromosome과 3개의 plasmid DNA가 확인된다. Chromosome의 size는 1,965,201 bp, plasmid의 size는 37,916 bp, 23,621 bp, 22,490 bp로 각각 확인되었고, chromosome의 coding-gene 수는 1,933개, plasmid는 46개, 27개, 28개로 각각 확인된다.

• Leu. gasicomitatum CH3의 경우 assembly 및 annotation 결과 총 3개의 contig가 나왔고, 1개의 chromosome과 2개의 plasmid DNA가 확인된다. Chromosome의 size는 1,798,911 bp, plasmid의 size는 35,056 bp, 29,973 bp로 각 확인되었고, chromosome의 coding-gene 수는 1,742개, plasmid는 43개, 37개로 각 확인된다.

제3협동 연구기관 : CJ제일제당(주) 1. 발효를 위한 부산물 소재(미강) 확보 - 자사 햇반 부산물 미강 발생 현황 조사 - 미강 別 영양 성분 및 안전성 검증 - 미강 발생 공정 프로세스 확인: 투입 → 선별 → 집진 → 도정 → 집진 → 저장 2. Scale-up 발효공정 검토 - 부산물 발효가 가능한 Scale-up 업체 list화 및 검토 완료 3. Scale-up 발효 공정 확립 - 가공 공정 확립을 위한 기질, 발효 시간, 가수량, 건조 온도 別 발효 특성 테스트 - 생산성 검증을 위한 Mass balance 도출 - 발효 생산 공정도

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발효식품(미강)

구분

공정

설비

지표

1

원료 투입

법적 및 자가 규격

2

가수/기질 혼합

3

증자

상압 증자기

증자後 생균수

4

액상 배양/접종

액상 발효기 (Jar fermentor)

배양後 생균수

5

발효

액상 발효기

배양後 품질 검증 (생균수, pH, 아미노산, 유기산 등)

6

건조

열풍건조기

건조 후 수분 10% 미만

7

분쇄

분쇄기

입도

혼합기

원료 대비 가수량

4. Pilot 발효 소재 생산 - Pilot 발효 미강의 영양성분 및 지표성분(아미노산, 유기산 등) 분석 - CJ제일제당(주) 내부 안전 Gate(미생물 및 이화학)통과하여 자사 신규 원료 등록 완료 - CJ유산균발효미강분말제품의 품목제조보고서 등록 5. 제품 적용화 - 리턴업 발효효소 베이직(유산균 발효미강분말제품) 제품 적용 완료(19.10月 출시)

연구성과

31

항목

제품명

출시예정일

상품화

리턴업 발효효소 베이직 (유산균 발효미강분말제품)

19년 10월

앞으로의 계획 기관 조선대학교 (제1세부)

조선대학교 (제2세부)

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연차별 연구 내용 3차년도 미강에서의 유산균 증식 및 최적 발효 조건 확립 미강발효제품의 항콜레스테롤능 및 항비만 효과 평가

4차년도 미강발효산물을 이용한 기능성 식품 개발 및 생산(Lab scale) -

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경희대학교 (제1협동)

유전체 비교 분석 및 기능성 유전자 분석

경상대학교 (제2협동)

김치 유산균 미강 발효물 대사체 변화 및 영향 연구

CJ제일제당㈜

발효공정 최적화 및 표준화

유용유전자 발굴 및 확인 김치 유산균 미강 발효물 대사경로 도출 미강발효제품의 제품화 및 사업화

관련 분야 동향 및 전망 본 연구개발에서 주원료로 사용되고 있는 미강은 국내·외에 연간 7억 6800만 톤에 달하며 이중 10%만이 미강유 등 식품으로 이용되고 90%이상은 사료 등으로 처리되고 있다. 미강을 활용하려는 최근의 연구추세도 미강을 주원료로 발효하는데 여러 기술적 어려움이 있어 bioconversion 기술정도가 도입되지 미생물 발효는 거의 전무한 현실이다. 본 연구 개발의 성과인 유용 김치 유산균 및 그 유전자는 기존의 유산균들과는 차별화된 특성을 지니므로 국내·외 시장에서 경쟁력이 강하다. 본 연구개발은 토종 미생물 및 그 유전자 전략자원 확보와 산업화 전략을 제시화 하고 제품 개발에 따른 실용화를 하였다. 더 나아가 본 연구개발기술은 타 식품 산업분야(예: 발효식품 종균, 선식, 이유식, 환자식, 노인식, 건강기능 식품 등)에 그대로 적용될 수 있어 경제·산업적 파급효과가 크다. 건강기능 원료 대부분이 수입에 의존하는 상태이므로 고기능성 건강 원료가 개발될 경우 외화 유출 방지에 기여할 수 있다. 본 연구개발로 항콜레스테롤능 + 항비만능 + 장내균총개선 + 항산화능을 지닌 항노화 건강기능식품이 개발되면 수요는 폭발적으로 증가될 것이며 이와 함께 의료비 절감 효과 기대할 수 있다. 쌀 가공 중 발생되는 미강을 주원료로 활용함으로써 일반 식품의 제조 중 발생되는 부산물의 부가가치 증대 및 활용성 제고 등 파급효과를 지닌다. 국내 발효 건강 원료의 기능성 증대와 원천기술 확립으로 K-food의 글로벌 경쟁력 강화 파급효과를 지닌다.

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조기성과 창출

발효식품(김치) 김치용 프로바이오틱스 개발 및 건강기능 김치 산업화

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 충북대학교

주관연구책임자

한남수 교수 충북대학교 발효공학실험실

연구목표 및 내용 제1세부 과제는 충북대에서 맡아서 진행하며, 김치용 프로바이오틱스 후보 균주 발굴 및 in vitro test를 통한 건강기능성 분석과 유전체 수준의 규명을 최종 목표로 설정하여 연구를 진행 중에 있다. 위 목표를 달성하기 위해 인체, 김치 유래 분리주 등 다양한 유산균 후보 균주를 확보하여 장내에서 안정성을 가지고, 항암, 항염 및 장 질환 개선 기능을 가지는 우수 균주를 발굴하고, 멀티오믹스 기반 분석을 위한 표적 유전자 선정, 이를 이용해 최종 선정된 프로바이오틱스 균주의 기능성 및 안전성을 규명하고자 한다. 또한, 선발된 기능성 프로바이오틱 유산균의 김치 환경 적응 및 품질 개선을 위한 김치 적용 기술을 확립하고자 한다. 60 |

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제1협동 연구기관 세계김치연구소

제1협동 연구책임자

이세희 박사 세계김치연구소 연구팀

연구목표 및 내용 제1협동 과제는 세계김치연구소에서 맡아서 진행하며, 김치 프로바이오틱스의 in vivo 건강기능성 규명을 최종 목표로 설정하여 연구를 진행하고 있다. 위 목표를 달성하기 위해 프로바이오틱스 균주의 유전체 정보를 기반으로 기능성을 예측하여 in vitro test, 대사체 분석 등의 확인과정을 거치고, 동물 질환유도 (알콜성 간손상 모델, 인지기능저하·우울증 유도 모델 등)방법을 이용하여 동물에서의 기능성 프로바이오틱스의 질환개선 효능을 면역학적 방법, 행동분석 등을 통해 검증한다. 또한, in vivo test를 통해 투여한 프로바이오틱스 균주로 인한 동물장내의 미생물의 균총 변화 확인 및 기능성이 검증된 프로바이오틱스 균주의 안전성을 확인하고자 한다.

제2협동 연구기관 대상(주)

제2협동 연구책임자

류병희 부장 대상(주) 신선연구실

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발효식품(김치)

연구목표 및 내용 제2협동 과제는 대상(주)에서 맡아서 진행하며, 프로바이오틱스 생산기술 최적화 및 기능성 김치 상품화를 최종 목표로 설정하여 연구를 진행하고 있다. 위 목표를 달성하기 위해 시판 김치, 재래식 김치, 별미 김치 등 다양한 김치로부터 유산균을 분리하여 내산성, 내담즙성 균주를 선별하고, 효소 활성을 측정법을 이용하여 알코올 분해 효소 및 알데하이드 분해 효소 활성이 뛰어난 후보 균주를 선발하였다. 최종적으로 알코올 유도성 간질환 세포 모델에서 간세포 보호 활성 및 염증성 사이토가인 억제능을 가진 우수 균주를 선정하여 간질환 개선 효능 유산균의 최적 배양 조건을 수립하고자 한다.

본 사업의 목표는 NGS 기반 유전체 기술을 활용하여 김치 발효식품의 프로바이오틱스 기능성 미생물을 종균화하고 고부가가치 기능성 식품으로 산업화하는 것이다.

본 사업의 목적인 김치용 프로바이오틱스 개발 및 건강기능 김치 산업화

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2차년도 연구개발목표

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연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : 충북대학교 인체 내에서 무해하며 건강 기능성 유산균으로 널리 알려져 있으며 식약처에서 승인한 고시형 프로바이오틱스 17종 균주들을 김치 스타터로써 적합 유무를 판단하기 위해 액체 김치배지에 접종시켰다. 김치 환경에서 잘 살아남고, 저온에서 잘 생육하여 적응할 수 있는 균주 5종들을 선정하였다. 이렇게 선별한 종들을 실제 김치를 제조하여 스타터로써 접종한 뒤 상업 균주인 Leuconostoc mesenteroides DRC 1506을 접종한 김치 맛과 비교하여 상업 김치 맛과 큰 차이가 없는지 맛 평가를 진행하였다. HPLC, GC/MS 그리고 H-NMR 기기 분석을 통해 대사 물질이 비슷하게 생성하는 균주들로 선정하였다. 그 결과, Lactobacillus 속 2 종으로 최종 선정을 하였고 본 균주의 종을 중심으로 인체 내 혹은 발효 식품같은 다양한 환경에서 여러 가지 균주들을 분리하였다. 특히, 이렇게 분리한 균주를 대상으로 장 건강에 유익한 기능을 평가하고자 adhesion activity, anti-carcinogenic activity, anti-oxidant activity, permeability test 및 TJ(tight junction) protein의 발현을 평가 중에 있다. iMAF_2019 Vol. 5

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발효식품(김치)

후보 프로바이오틱스 선발 과정

건강 기능성 분석 시스템 구축 64 |

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제1협동 연구기관 : 세계김치연구소 1차년도에 기 분리된 김치용 유산균 중 Lactobacillus paracasei CBA3611 전장유전체서열 분석 및 관련 균주와의 비교유전체 분석을 통한 기능적 특성을 예측하였다. CBA3611 균주의 동물세포를 이용한 기능성(장관 세포의 세로토닌 생성유도 및 생성관련 유전자의 발현확인, 신경세포의 산화적 stress에 대한 보호) 및 장 염증유도 병원균 Clostridiodes difficile 의 성장 억제)을 검증하였다. 알콜성 간손상 동물모델 확립 및 제2협동(대상(주))에서 선별한 김치유산균의 투여를 통한 동물(C57BL/6)에서의 간 손상 예방효과를 확인하였다.

기능성 프로바이오틱스 후보 균주 검증과정

제2협동 연구기관 : 대상(주) 다양한 김치 샘플로부터 500종 이상의 유산균을 분리하였고, 내산성, 내담즙성 우수 균주 18종을 분리하였다. 그 중 간기능 개선 효능 유산균을 선별하기 위하여 알코올 분해성 활성(알코올 분해 효소, 알데하이드 분해효소 활성) 및 간세포에서의 염증성 사인토카인(TNF-α, IL-8)억제능을 확인 하였다. 그 결과 최종 2종의 유산균 Lactobacillus plantarum DSR J266, Lactobacillus

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발효식품(김치)

brevis DSR J301을 선별하였고, 1건의 특허를 출원하였다. 본 특허는 간 기능 개선용 유산균 및 이의 용도에 관한 것으로, 상기 간 기능 개선용 유산균은 알코올 탈수소효소 및 아세트알데하이드 탈수소효소 활성이 높아 숙취해소 활성이 뛰어나며, 내산성 및 내담즙성이 우수하기 때문에, 알코올성 간질환의 예방 등 간 기능 개선용도 또는 숙취 해소 용도로 사용하기 위한 식품 등에 유용하게 활용될 수 있다.

간 기능 개선용 유산균 특허 결과

31

앞으로의 계획 3차년에는 최종 선정된 프로바이오틱스의 장, 간, 정신 건강 동물 모델 실험을 마무리하고 기능성 인허가를 위한 자료들을 확보하는 동시에 김치 생산 공정에 이용하기 위해 김치 적용 기술

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확립하고, 마지막 4차년도에는 최종 선발된 프로바이오틱 균주의 김치생산 적용을 통해 고부가가치 프로바이오틱스 김치 개발 및 출시를 계획하고 있다.

41

관련 분야 동향 및 전망

김치 프로바이오틱스의 미래

기술적 측면으로는 김치유산균의 기능성 유전자 정보제공 및 기능성 식품신소재 개발에 기여 및 활용이 되며 경제적 측면으로는 우수 김치발효 종균 개발 특허 및 산업재산권 확보로 김치 생산의 독점적 지위 확보하고 마지막으로 사회적 측면에서는 김치 발효식품의 표준화 및 고급화로 인한 김치 대중화 및 세계화를 이룰 수 있을 것이다.

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조기성과 창출

발효식품(주류) 오믹스 연구 기반 전통누룩 유래 양조 미생물 자원의 산업화

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 한국식품연구원

주관연구책임자

김재호 박사 한국식품연구원 우리술연구팀

한국식품연구원 우리술연구팀은 국내 주류산업의 활성화와 우리술의 우수성을 알리기 위해 전통 양조기술과 최신발효과학에 기반한 주류 제조기술 연구와, 국내 양조인력 양성, 우리술 품질인증 및 컨설팅 등의 다목적 기능과 산업체와의 네트워킹을 통한 공공 중심센터로의 역할을 수행하고 있다. 특히, 우리나라 전통누룩을 복원한 양조미생물 및 우리술의 오믹스 연구를 통해 우리술의 품질 고급화를 위한 발효제어 기술을 연구하고, 우리술의 건강기능 우수성을 구명하는 등 전통주 세계화를 위한 기반구축연구를 수행하고 있다.

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연구목표 NGS 기반 유전체 기술을 활용하여 전통누룩 유래 고기능성 미생물을 종균화 하고 고부가가치 기능성 제품으로 산업화 한다.

연구내용 - 오믹스 기반 고기능성 미생물 균주 탐색 및 확보 - 오믹스 기반 선발된 종균의 발효 최적화 연구 - 전통누룩 및 미생물 표준화 기술 개발 - 전통누룩 유래 고기능성 유전자원 소재화 및 산업적 활용

협동연구기관 (주)국순당

협동연구책임자

신우창 소장 (주)국순당 연구소

제1협동 연구기관 (주)국순당 연구소는 전통주 업체로 1970년에 설립한 이래 45여년간 전통주의 기본 원료인 누룩과 미생물 연구를 중점적으로 수행하고 있다. 본 사업에서 ㈜국순당 연구팀은 한국식품연구원 우리술연구팀에서 복원한 누룩들 중 우수 누룩을 선별하고 표준화하여 제품을 개발하고, 누룩기반 전통주의 레시피를 계량적으로 정립하는 일을 수행하고 있다. 이러한 우수 양조미생물을 활용한 전통주 개발연구는 옛 문헌에는 있지만 지금은 사라진 우리 전통주를 복원하는 사업인 우리술 복원사업의 일환으로 전통 속에 숨어 있는 조상들의 과학적 지혜를 깨우치고 있다.

연구목표 전통누룩 유래 고기능성 미생물 자원을 활용한 고부가가치 제품 개발

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발효식품(주류)

연구내용 - 지역 특성 기반 맞춤형 누룩의 메타지놈 분석 - 전통누룩 유래 효모 양조 특성 구명 및 추가 선별 - 전통누룩 유래 미생물 유전자원 맞춤형 pool 구축 - 선발 유산균의 probiotics 효과 검증 - Probiotics 검증된 유산균의 종균화 및 제재화 - Probiotics 적용 기능성 시제품(주류/음료) 레시피 개발

21

연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 전통누룩에서 발굴한 Aspergillus oryzae Singok 균주 및 산업화 연구단은 고문헌에 수록된 전통누룩에 자생하는 고기능성 미생물 균주를 탐색하고 특성을 발굴하여 우수 미생물의 주류산업화 연구를 수행하고 있다. 최근 한국식품연구원 연구팀은 여러 전통누룩 중 당화력이 우수한 후보 곰팡이를 대상으로 양조특성을 분석하여 최종 신곡에서 분리한 Aspergillus oryzae Singok 균주를 개발하였다. 선발된 균주는 전분분해능이 매우 높으며, 주류 제조 시 우수한 향미특성과 깔끔한 후미를 보여 전통주 제조에 매우 적합한 것으로 확인되었다. 최근 본 균주를 활용한 황국제조기술 및 탁주 시제품 생산공정 확립을 완료하였으며, 서울탁주 기술 이전을 통한 프리미엄 탁주생산에 활용을 앞두고 있다.

Aspergillus oryzae Singok를 활용한 발효제 pilot 생산

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2. 전통누룩 유래 프로바이오틱 기능을 갖는 효모 발굴 및 산업화 연구 일반적으로 프로바이오틱 미생물로서 젖산균(lactic acid bacteria)이 대표적으로 알려져 있으나, 이러한 유산균은 여러 항생제에 민감성을 가져 실제 활용에 다소 제약이 있다. 따라서 최근 유산균의 단점을 보완할 수 있는 천연 효모종의 개발로 프로바이오틱스 효모 생균제가 널리 이용되고 있는데, 본 연구팀은 전통누룩에서 프로바이오틱 기능이 있는 효모 균주를 발굴, 기능성을 평가하고 사업화하기 위한 연구를 진행하고 있다. 밀 을 원료로 제조된 전통누룩에서 분리한 Saccharomyces cerevisiae Boulardii-03 균주는 체내 생육활성도가 높고 장염증 개선 효능이 있는 것으로 확인되었다. 또한 Saccharomyces 속 효모로 주류제조 시 뛰어난 양조적성을 보여, 향후 탁주제조를 위한 기능성 발효종균으로 활용이 가능할 것으로 보여진다. 생균을 직접 섭취하게 되는 생탁주의 경우 해당 프로바이오틱 효모의 효율적 섭취가 가능하다는 장점이 있어, 현재 본 효모 균주를 활용한 탁주 제품개발 연구가 진행 중에 있다.

3. 전통주의 안전성 확보를 위한 아플라톡신 생성 억제 유산균 연구 전 통누룩은 전통주에 사용되는 유일한 발효제로써 찐 곡물가루로 성형한 덩어리에 미생물이 자연발생적으로 생육하기 때문에 미생물 군집이 매우 복합적이다. 본 연구팀의 선행 연구에서는 전통누룩의 대표적 곰팡이는 이미 안전성이 확보된 Aspergillus oryzae 이며 전통누룩의 aflatoxin의 오염정도가 매우 낮은 것을 확인하였다. 그러나 최근 전 세계적으로 강화되는 아플라톡신 안전규제 및 기후변화 등의 요인으로, 전통주의 안전성 확보 노력이 요구되는 바, 전통누룩 유래 Asp. flavus 의 생육과 aflatoxin 생성을 억제하는 유용 유산균을 탐색하는 연구를 수행하였다. Asp. flavus 생육과 aflatoxin 생성을 억제하는 동시에 주류양조에 바람직한 미생물인 Asp. oryzae 의 생육은 방해하지 않는 유산균을 선별하기 위해 표준균주

Asp. oryzae RIB40, Asp. flavus NRRL3357 그리고 누룩유래 toxin 생성 Aspergillus sp.를 사용하였다. 전통누룩 11종에서 유산균 추정 181개의 콜로니를 분리하였고, 이들의 곰팡이 생육 및 아플라톡신 생성 억제 결과에 따라 5개의 그룹으로 분류, 그룹 3에 해당하는 14개의 분리균이 Asp. oryzae의 생육은 방해하지 않으면서 Asp. flavus의 생육과 아플라톡신 생성을 억제하였고, 16s RNA 기반 모두 Weissella, Enterococcus, Staphylococcus,

Lactobacillus, Pediococcus 속 유산균으로 동정되었다. 현재 연구팀은 얻어진 결과를 바탕으로 유용 유산균 14종 중 Asp. flavus 의 생육과 aflatoxin 생성 억제능력이 상대적으로 우수한 균주를 선별하여 aflatoxin 생성억제 메카니즘 및 대사물질을 확인하는 연구를 수행하고 있다.

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발효식품(주류)

A.oryzae

Group A.oryzae A.flavus 누룩분리 생장억제 생장억제 Aspergillus sp.

개수

1

x

x

x

14

2

x

x

o

139

3

x

o

o

14

4

o

o

o

13

5

x

o

x

A. flavus

누룩분리 Aspergillus sp.

C o n

L A B 1

1 181

Total

L A B 2

전통누룩 분리 유산균

Aspergillus 생육 억제

Aflatoxin 생성 억제

4. 지역 특성 기반 맞춤형 전통누룩 제조 및 메타지놈 분석 일교차가 큰 강원 지역 특성을 감안하여 밀 분쇄도, 성형 조건(수분함량, 두께, 모양) 및 발효 조건 등 다각적 측면에서 전통누룩을 제조한 뒤 풍미, 효소 및 미생물학적 특성 평가, 양조학적 발효 관능 특성 비교 평가를 통해 지역 특성 기반 맞춤형 전통누룩 제조에 관한 기술 표준화를 마련하였다.

5. 전통누룩 유래 기능성 유전자원 발굴 및 맞춤형 pool 구축 1단계에서 발굴한 미생물 유전자원과 전통누룩에서 분리한 신규 효모 및 유산균에 대한 양조 및 관능 특성 평가를 진행하고 있다. 이를 바탕으로 주류 등 고부가가치 기능성 제품에 활용하고자 각 유전자원 특성을 기반으로 pool을 마련하고 있다.

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6. 선발 유산균에 대한 종균화 및 제재화 고부가가치 기능성 제품 활용성을 높이고자 전통누룩 유래 선발 유산균(Lactobacillus

plantarum KSD-KM7)에 대한 종균화 및 제재화 연구를 수행하였다. 기존 유산균 제재와 차별성을 부여하기 위해 ‘식물성 천연물 배양’과 ‘식품원료’를 기반으로 진행하였으며 고농도 유산균 배양 및 동결 건조 공정 최적화를 통해 제조 공정 기술을 마련하였다.

31

식물성 천연물 배양

식품원료 배양

유산균 배양 농도 (cfu/mL)

8.0 x 109

1.0 x 1010

유산균 제재 농도 (cfu/g)

1.0 x 1011

1.0 x 1012

생존율 (Viability)

71.8%

75.4%

앞으로의 계획 현재 연구팀은 전통누룩에서 확보된 우수 유용미생물의 종균화 연구를 위해 유용균주의 안전성 평가 및 활용확장 연구, 그리고 이들을 기초로 한 전통주 산업화 연구를 수행 중에 있다. 이에 분석된 전통누룩 오믹스 정보와 양조효모의 표준유전체 정보를 바탕으로 오믹스 통합정보 기반 발효 최적화 연구를 진행할 예정이며, 아울러 현재 제조된 전통누룩 및 개량누룩의 양조특성에 관한 연구 및 기 선별된 전통누룩 유래 유산균 특성 탐색 등을 통해 고품질 전통주 개발에 대한 연구를 수행 중에 있다. 이러한 연구를 통한 전통누룩의 과학적 재해석으로 유용미생물 확보, 품질 균일화 및 고부가가치 개발을 기대하고 있다.

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조기성과 창출

발효식품(발효유) 한국 전통 발효식품 유산균을 이용한 유전체 기반의 면역/인지 기능 개선 발효유 개발

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 매일유업(주)

주관연구책임자

양진오 연구소장 매일유업(주) 중앙연구소

연구목표 기능성이 규명된 한국 전통 발효식품 유래 미생물의 종균화 및 이를 적용한 기능성 제품 개발/출시

연구내용 기능성이 규명 된 분리균주의 배양조건 최적화 및 대량생산 공정 구축 후 선별 한 유산균주를 종균화하여 이를 적용한 제품의 생산 공정, 품질 표준화 규격을 설정하고 제품화 후 임상연구 실시. 마케팅 전략수립 및 손익구조 점검을 통한 제품 출시

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제1협동 연구기관 경희대학교

제1협동 연구책임자

이주훈 교수 경희대학교 프로바이오틱스 및 발효식품학 연구실

연구목표 유전체 정보를 활용한 국내 전통 발효식품 유래 기능성 미생물을 스크리닝하여 이에 대한 상업적 기능성 분석 및 유전체/대사회로 분석을 수행하고 동물모델 기반 기능성 균주의 면역 질환 및 인체 인지 기능 개선 효능을 장내 미생물 분석을 통한 검증

연구내용 전통발효식품에서 분리된 균주의 프로바이오틱 효능 분석한 뒤, 우수한 기능성 발효식품 미생물 후보군을 선정하여 in vivo/in vitro 기반 면역기능 효능 검증과 이에 대한 면역 관련 유전체 구조 및 대사체 분석을 수행을 통한 안전성 및 기능성 규명을 수행하고, 동물모델에서의 장내균총 변화와 기능 효능 검증 및 임상환자의 장내 균총 변화를 분석

제2협동 연구기관 세종대학교

제2협동 연구책임자

신학동 교수 세종대학교 식품미생물학 및 마이크로바이옴 연구실

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발효식품(발효유)

연구목표 한국인 장내 균총 모사 시스템을 활용하여 한국 전통 발효식품 유래 기능성 유산균이 한국인 장내 마이크로바이옴에 미치는 특성 및 유익 기능성을 평가하고, 고기능성 균주 개발을 하고자 한다.

연구내용 한국인 장내균총 모사시스템을 기반 한 한국 전통 발효식품 후보 유산균 균주의 한국인 장내환경 개선 효과 검증 및 최종 균주 선정. 마이크로바이옴 기반 동물모델 내 선별 유산균 균주의 장내 균총 유익 변화 및 면역/인지 관련 기능성 분석. 고기능성 발효유 제품의 동물모델 기반 장내 균총 조성 변화 및 유익 기능성 검증

본 사업의 목표는 기능성을 가진 발효식품 미생물을 이용한 기능성 제품 개발 및 상품화이다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 제1협동 연구기관 : 경희대학교 경희대(제1협동)에서는 전통 발효식품으로부터 기 확보된 1,600 여종의 미생물로부터 고시형 프로바이오틱스로 인정되어있는 균주를 선발하여 기능성 연구를 수행하였다. 선발된 미생물은

Lactobacillus plantarum 6종, Bifidobacterium bifidum 2종, Lactococcus lactis 10종이며, 이들에 대한 in vitro 스크리닝으로, 산소내성, 열충격, 내열성, 내담즙산/위산성, 콜레스테롤 저하능, 면역 조절능 평가 등을 통해 프로바이오틱스로서의 우수한 기능성을 나타내는 미생물을 선정하고자 하였다. 평가 결과, Bifidobacterium bifidum 1종, Lactobacillus plantarum 2종이 종합적으로 결과가 가장 좋은 것을 확인하여, 이를 토대로 균주 3종을 선정하였다. 면역실험의 경우

in vitro 실험만으로 면역 조절능을 평가하기에는 부족하므로, 선정된 미생물을 이용하여 전임상적인 동물 모델에서의 면역 활성 평가를 하였다. 쥐 모델에 강제로 장내 염증을 유발 후 균주를 섭취하여 균주의 염증 완화 및 면역 조절능을 평가 하였다. 장내 염증의 생길 경우 장의 길이가 줄어드는데 길이를 측정한 결과, 대조군(염증 유발군)에 비하여 실험군(염증 유발+선정된 균주섭취군)에서 길이가 완화되는 것을 확인하였으며, 다양한 사이토카인 측정 결과, 선정된 균주들이 면역 조절에 효과가 있는 것을 확인하였다. 또한 확보된 분변을 이용한 장내 미생물총 분석을 수행하여, 전임상적 효과와의 유의한 상관관계를 보였다. 선정된 미생물 3종은 유전체 분석을 수행하여, 안정성 및 항생제 내성 유전자의 유무를 파악하였고, 대량생산 시 필요한 에너지원을 확인 및 기능성 물질 생성에 대한 여부를 유전체 기반 대사회로 분석을 통해 진행하였다.

제2협동 연구기관 : 세종대학교 세종대(제2협동)에서는 최적화된 한국인 장내균총 배양시스템을 활용하여, 장내균총 내 우점 미생물을 기반한 분류 방법인 Enterotype에 따라 피험자를 모집 후, 장내 모사 환경을 구축하였다. 본 배양시스템을 활용하여 한국 전통 발효식품 유래 후보 유산균에 대한 한국인 장내 마이크로바이옴에 대한 정착능을 평가하였다. 특히 후보 유산균가 Enterotype별 장내 마이크로바이옴에 미치는 특성 및 유익 기능성을 마이크로바이옴 기법을 도입하여 분석을 진행하였다. 한국 전통 발효식품에서 분리된 기능성 유산균인 Lactobacillus 9종, Bifidobacterium 2종에 대해, positive control로 사용된 Lactobacillus rhamnosus GG(L-GG), Bifidobacterium

animalis subsp. lactis (BB-12)와 비교하여 한국인 장내균총에서 더 높은 정착능을 보이는 균주를 규명하였다. 본 결과에 기반하여 한국인 장내 Enterotype에 따라 장내 환경에 잘 정착할 수 있는 후보 균주를 선정하였다.

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발효식품(발효유)

주관연구기관 : 매일유업(주) 주관연구기관 매일유업(주)에서는 상기의 결과를 통하여 선정 된 3종 균주의 생산성을 향상시킬 수 있는 배양 조건을 확립, 대량생산 공정을 구축하였고, 시제품 생산을 통하여 균주 샘플을 확보하였다. 선별 된 유산균주를 적용한 발효유 시제품 제작을 위하여 품질 표준화 규격 설정 중에 있으며, 제품 출시/판매를 위한 마케팅 전략수립 중에 있다.

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앞으로의 계획 한국 전통 발효식품에서 분리한 분리균주의 유전체 연구를 수행하여 안전성을 확인하고 인지 기능 개선과 관련한 기능성 유전 정보 확보를 진행할 예정이며, 기능성에 대한 직접적인 효능 확인을 위하여 선별 된 유산균주를 활용한 동물 모델에서 인지 기능 개선 평가(세종대 김형욱 교수 위탁)와 투여에 따른 장내균총 분석 및 유익효과 확인을 위한 연구를 수행하고자 한다. 아울러 선별 된 유산균주의 배양 조건을 확립하고 대량생산 공정을 구축하는 한편, 유산균주를 적용한 시제품을 생산하고, 앞서 구축한 한국형 장내균총 배양시스템에 시제품을 처리하여 마이크로바이옴 변화 및 메타볼로믹스에 기반한 결과로 장내균총에 미치는 영향을 규명하고자 하며, 기능성 메타지노믹스 예측 모델에 기반하여 인체 장내균총의 유전자 구성성분에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 상기 결과들을 바탕으로 시제품을 활용한 임상연구를 진행하고자하며, 임상환자의 문진을 통해 기능성을 평가하고, 임상연구로부터 확보 된 분변을 이용하여 장내균총 분석 수행으로 장내균총 조성 변화 및 유익효과를 확인하고 임상 효과와 장내균총 사이의 상관관계를 통계학적으로 분석 및 증명하고자 한다. 최종적으로 상기 연구를 수행하여 기능성이 규명된 유산균주를 이용하여 고기능성 제품 개발 및 제품 출시를 하고자 한다.

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관련 분야 동향 및 전망 장내 미생물 균총 환경 개선 - 장내 미생물 균총의 유익한 변화를 유도하여 면역 관련 질환과 다양한 대사성증후군(비만, 당뇨, 심혈관질환 등) 뿐만 아니라, gut-brain axis, gut-skin axis 등 장과 뇌, 피부의 연관성을 연구하여 관련 질환을 개선하고자 하는 연구가 국제적으로 급증. 상기 학계의 연구 결과를 바탕으로 인체에 유익한 장내 미생물의 활성화 혹은 질병 유발 인자 억제 기능성을 보유한 미생물 소재 개발이 관련 산업계에서 주목받고 있는 상황이다.

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관련 기술 현황 - 대표적으로 잘 알려진 NGS platform은 illumina, Roche, Life Technologies 등이 있으며, 선진국에서는 이들 장비들이 지닌 한계(분석 효율, 시간, 비용, 정확도 등)를 극복하기 위하여 많은 연구와 투자를 진행하였다. 최근 Pacific BioSciences, Oxford Nanopore Technologie, Visigen Biotechnology, Iron Torrent에서 개발된 장비들은 3~4세대 NGS 장비로 불리며 NGS 분석기술의 대중화를 선도하고 있다. - 이러한 최신 분석 장비를 활용하여 짧은 시간과 낮은 비용으로 장내 미생물 유전체 분석 및 인체 내 마이크로바이옴 분석을 기존 NGS 분석 장비보다 정교하고 정확하게 분석하고 있다. - 아 울러 외부에서 투여하는 미생물이 장내에서 나타내는 기능성 검증을 위한 전사체 (transcriptomics) 및 대사체(metabolomics) 연구가 폭넓게 수행되고 있으며, 마이크로바이옴 분석의 경우 장내 미생물 조성뿐만 아니라 전반적인 기능성 파악을 위한 메타샷건(meta shotgun) 및 전사체 수준에서 메타전사체(meta Transcriptomics) 연구도 시작되어 장내 미생물의 변화에 따른 원인-결과만 관찰하는 것이 아닌 인체 내에서 이들이 나타내는 기능성의 대사경로까지 파악하는 연구가 수행되고 있다. - 보다 효과적인 연구 결과를 얻기 위해서는 Germ-free mice나 Gnotobiotic mice를 이용한 동물실험 또는 이를 바탕으로 한 장내 미생물 균총 이식연구(Fecal Microbiota Transplantation, FMT) 등이 필요하지만, 해외의 경우도 특정 제약 성분을 제외한 식품성분 등에 따른 장내 미생물 균총의 영향을 평가하는 연구는 거의 없다. - 많은 선진국의 경우, 현재까지는 기초과학 측면에서 유전체 정보를 축적하고 세밀화 하는 단계이며, 상기 첨단 기술을 활용한 식품소재 및 인체 내 대사과정, 상호작용에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

프로바이오틱스 기술현황 - 프로바이오틱스를 활용한 정장제, 면역 제품 개발 기술은 이미 상당부분 산업화 되어있지만, 그 효능은 개인마다 차이를 보이는 경우가 있으며 최근 유럽을 중심으로 전반적인 프로바이오틱스 기능성에 대한 규제 강화로 임상연구 필요성이 증가하는 상황이다. - 다 양한 제형, 코팅기술을 접목하여 높은 생존율을 보이는 프로바이오틱스 생산이 가능한 상황이며 장내 미생물 균총 분석을 통한 개개인 마이크로바이옴 맞춤형 기능성 제품은 개발 초기 단계에 있다.

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조기성과 창출

작물 미생물 제제  1 방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 인하대학교

주관연구책임자

김응수 교수 인하대학교 미생물분자생물공학 실험실

연구목표 NGS 기반 유전체 기술을 활용하여 선별된 방선균의 유전체 특성 규명

연구내용 - 항진균 활성이 우수한 2종의 NGS 기반 유전체 분석 (2,3차년도에 추가적인 2종에 대한 유전체 분석 실시) - 마이크로바이옴 기반 폴리엔 특이적인 P450 in vitro 스크리닝을 통한 항진균 방선균 탐색 및 확보 (방선균 MMBL001-004 및 P. autotrophica 등, 총 5종 확보) - 선정된 방선균 균주 특성, 유전체 구조 및 오믹스 분석

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- 기능성 유전자/물질 분석 - 유용성, 안정성, 안전성 등 평가 및 검증(인하대-생기연-STR)

제1협동 연구기관 한국생산기술연구원

제1협동 연구책임자

이도훈 박사 한국생산기술연구원 연구팀

연구목표 사업화·실용화를 위한 배양공정 최적화 및 스케일업

연구내용 - 항진균제 최적 생산을 위한 방선균 배지성분 최적화 - 배양공정 최적화-표준화 - 대규모 발효를 위한 스케일업 연구 - 유용성, 안정성, 안전성 등 평가 및 검증(인하대-생기연-STR)

제2협동 연구기관 (주)에스티알바이오텍

제2협동 연구책임자

이상종 대표 (주)에스티알바이오텍연구원

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작물 미생물 제제 1

연구목표 항진균 기능성, 독성, 토양 적응력 및 작물 보호능 검증

연구내용 - 생물농약 후보 방선균의 균주 특성 파악 및 고농도 포자형성, 수확조건 확립 - 고효율 미생물 제제 또는 생리활성물질 제품 등록 및 상품화 - 유용성, 안정성, 안전성 등 평가 및 검증(인하대-생기연-STR)

단위/세부/협동기관 연구개발 최종 목표 및 연구내용

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 항진균 유래 fungicide 활성이 우수한 2종의 NGS기반의 유전체 분석 ● Fusarium oxysporum & Candida albicans 에 대해 항진균 활성이 있는 방선균 선별

- Fusarium oxysporum – 벼의 잎 마른병을 유발하는 Fusarium계열 곰팡이 Candida

albicans - polyene compound을 생산하는 방선균을 선별 시 이용되는 곰팡이

- 한국생명공학연구원(KRIBB)으로부터 방선균 2,419종 분양

- 방선균 2,419종의 F. oxysporum 과 C. albicans 에 대한 항진균 활성 테스트 완료 (방선균 2,419종 중 148종을 선별) •Fusarium oxysporum 대해서 항진균 활성을 확인한 방선균은 138종 •Candida albicans 대해서 항진균 활성을 확인한 방선균은 68종

• Fusarium oxysporum & Candida albicans에 대해 항진균 활성을 확인한 방선균은 58종 ●F . oxysporum 과 C. albicans에 대해 항진균 활성이 확인된 방선균이 생산하는 compound의 HPLC 분석실시 (방선균 배양액 내 polyene compound의 생산여부를 확인) ● 선별된 방선균 148종 중 51종의 배양액에서 polyene compound를 생산하는 것을 확인 • Triene 1종, Tetraene 3종, Pentaene 13종, Methylpentaene 25종, Hexaene 1종, heptaene 7종, octaene 1종 2. 항진균 유래 fungicide 활성이 우수한 2종의 NGS기반의 유전체 분석실시 ● Fusarium oxysporum 과 Candida albicans에 대해 항진균 활성이 우수한 방선균 8종 선정 ● 우수한 항진균 활성을 갖고 있는 것으로 선별된 8종의 방선균 중 2종을 우선적으로 선정

- NCBI database와의 비교 분석을 통한 신규성 검증

- 방선균이 생산한 항진균 compound의 분석

- 항진균 compound의 생산성 및 활성도 비교 분석

● 종합적인 분석으로 선정된 방선균 2종에 대해 NGS기반의 유전체 분석실시

- whole genome sequencing 실시

3. 유전정보의 분석 및 이차대사산물 생합성 유전자 후보군 선별 ● 유전체 분석을 실시한 방선균 2종에 대해 유전정보의 분석 - 선정된 방선균 2종의 유전정보분석 (anti-SMASH 4.0 프로그램을 이용하여 유전자 분석 실시) - 유전정보분석을 통해 이차대사산물 생합성 유전자 후보군 선별하고 항진균 활성을 나타내는 compound의 생합성 유전자확인 작업 수행

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작물 미생물 제제 1

주요성과 논문 - C ell Factory Design and Culture Process Optimization for Dehydroshikimate Biosynthesis in Escherichia coli . Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (in press) - Heterologous Expression of Daptomycin Biosynthetic Gene Cluster via Streptomyces Artificial Chromosome Vector System. Journal of Microbiology and Biotechnology (Accepted)

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앞으로의 계획 3차년도 (2020년) 연구내용 구분

기관명

연구내용

주관연구기관

인하대학교

항진균 폴리엔 생합성 유전자군의 유전체 재설계를 통한 신규 유도체 도출

참여기관

생산기술연구원

참여기업

에스티알바이오텍

항진균제 최적 생산을 위한 스케일업 최적화 친환경 농약을 위한 작물 진균 제어능 및 안정성 검증

4차년도 (2020년) 연구내용

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구분

기관명

연구내용

주관연구기관

인하대학교

합성 생물학 및 유전체 공학 기반의 신규 방선균 생물농약 및 활성물질 개발

참여기관

생산기술연구원

사업화-실용화를 위한 배지-배양-스케일업 공정 최적화

참여기업

에스티알바이오텍

시제품의 독성 및 안전성 조사

관련 분야 동향 및 전망 국내 생물농약 (일명 천연식물보호제) 등록현황은 방선균 기반의 생물 농약으로는 (주)케이 아이비씨의 방선균 2종 (Streptomyces goshikiensis WYE324, Streptomyces colombiensis WYE20)이 등록되어 사용되고 있다.

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국외에서는 더욱 활발하게 방선균 기반 생물농약이 사용되고 있으며, 특히 미국 노보자임의

Streptomyces lydicus WYEC108 (상품명 Actinovate)와 핀란드 Verdera의 Streptomyces K61 (상품명 Mycostop)은 방선균을 주성분으로 하고 있다. 중국의 경우에도 폴리엔계 켄디시신 및 난타마이신을 생산하는 방선균 Streptomyces 를 생물농약으로 활용하여 작물의 진균 감염 및 진균공생해충을 친환경적으로 제어하고 있다.

국내 제품생산 및 시장 현황의 경우 방선균 스트렙토마이세스 속을 이용한 연구 및 제품들이 핵심 생물농약으로 개발되었으며, 대표적인 액제로는 (주)케이아이비씨의 스트렙토 마이세스고시키엔시스더블유와이이324 액제 및 스트렙토 마이세스콜롬비엔시스더블유와이이20 액제가 존재한다. 또한 경상대 연구진은 푸사리움 옥시스포럼 (Fusarium oxysporum )을 포함하는 다양한 식물 병원균에 우수한 항진균 활성을 나타내는 스트렙토마이세스 그리시우스 (Streptomyces griseus) S4-7' 균주 및 이의 배양액을 유효성분으로 함유하는 식물병방제용 조성물을 개발하여 특허출원 하였고, 국내의 경우 2000년대, 생물농약 사용비중은 전체 농약시장의 1% 내외 수준이었지만 2010년에는 전체 농약시장의 10%(1천2백20억원)를 차지했다. 현재 국내 생물농약 시장은 약 800억 원의 시장을 형성하고 있으며, 친환경농산물시장규모는 2009년 기준 3조7,355억 원으로 증가 하였고, 2013년에는 5조 955억 원으로 성장했다.

국외 제품생산 및 시장 현황의 경우 전 세계 생물농약 시장은 2003년 468 million US$, 2005년 672 million US$, 2011년 1,320 million US$로 연평균 약 10%의 성장을 나타내었으며, 2017년 까지 약 3,200 million US$로 연평균 15%이상 성장하였고 2024년까지 4,000million US$의 시장을 점유할 것으로 예측 된다. 2014년 기준 전세계 작물보호제 시장 규모는 510 억달러로 추산되며 연 평균 3.6% 가량 신장되고 있다. 이중 화학농약 시장은 480억달러로매년 3%대의 성장세를 보인 반면 생물농약 시장은 33억달러 규모로 아직 화학농약에 비해서는 7%가 채 되지 않지만 매년 15%이상 신장하며 가파른 성장세를 보인다. 이뿐만 아니라 세계 생물농약 시장은 2005년 전체 농약시장의 약 2.5% 수준에 머물었지만, 최근 연평균 증가율이 9.9%로 계속해서 고성장세를 기록하고 있다. 전세계 약 110개 회사에서 생물농약 사업을 추진하고 있으며, 대표적으로 Agra Quest, Verdera OY, 및 Certis USA, 상기 세 회사가 생물농약 시장의 약 5% 씩을 차지하고 있다. 특히 방선균 유래 생물농약 및 생물비료 회사 및 시장은 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 현재 Kemira사의 Mycostop, Ag Bio사의 Actinovate, Cleary사의 Affirm등 다양한 방선균 유래 생물농약이 생산 및 판매중이다.

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조기성과 창출

작물 미생물 제제  2 유전체 분석 기반 사과병해 방제 및 가지과 작물 생육촉진 미생물 제제 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 안동대학교

주관연구책임자

전용호 교수 안동대학교 임상식물병리학 연구팀

연구목표 NGS 기반 유전체 기술을 활용하여 사과 주요 병해 방제용 미생물 제제 개발 및 작물(고추, 토마토)의 생육촉진 친환경 미생물 제제 개발이 연구목표이다. 유용미생물의 유전체 해독을 통해 미생물의 기능성 유전자 및 항균물질을 구명하고, 유용미생물의 기능성과 효능을 검증하여 고부가가치 기능성 미생물 제제를 개발한다.

연구내용 미생물제 개발을 위해, 가장 효과적인 PGPR균주 4종의 특성 및 유전체분석을 통해 개발가능성에 대한 연구를 수행한다.

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협동연구기관 고려바이오(주)

협동연구책임자

윤여준 팀장 고려바이오(주) 연구팀

연구목표 효과가 검증된 유용 미생물을 이용한 미생물제 개발 및 제품화를 목표로 본 연구를 수행하고 있다. 이를 위해, 미생물의 배양성, 보조제 등의 고려요인 분석을 통한 제제 및 제형을 선정하고, 시제품 제조 후 농가 실증시험을 거쳐 사업화를 수행한다.

연구내용 유용미생물을 이용한 미생물 제제, 제형, 시제품제조 및 사업화를 수행한다.

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연구결과 및 주요성과 1. 미생물제 개발을 위한 유용미생물 4종의 특성 구명 4종 균주는 다음과 같다. Bacillus amyloliquefaciens (AK-0), Paenibacillus polymyxa (APEC128), Bacillus subtilis (APEC170), Serratia plymuthica (APEC123)에 대한 특성구명을 위해 생리생화학적 및 탄소이용도 분석, 계통분석, Chitinase, glucanase, protease 및 IAA 생성 등이 확인되었다. 과실 병방제가능성 여부를 위한 연구에서 상기 균주들은 사과탄저병, 겹무늬썩음병, 점무늬낙엽병원균의 균사생장을 억제하였고, 특히 사과탄저병의 포자 발아를 억제하였다. 아울러 배양여액에서의 항균 활성 상당히 높게 나타났다.

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작물 미생물 제제 2

미생물제 개발을 위한 유용미생물의 특성 및 유전체 분석

2. 탄저병원균 생장 억제를 시킨 유용미생물의 작용기작 연구 병원균 생장에 영향을 미치는 선발 유용미생물 4종에 대한 항균활성 작용기작을 연구하였다. 선발 균주는 병원균(C. gloeosporioides)의 포자 발아를 억제하였고, 심하게는 병원균의 세포벽을 lysis시켰다. 과실에서는, 유용미생물과 탄저병을 동시 접종하였을 때 in vitro보다 포자발아율은 높았으나 2차적으로 발아 후 부착기 형성을 억제하였다. 현미경관찰 결과 선발균주는 탄저병균 포자의 발아 후 과실 표면 침입을 위한 부착기 형성을 억제하는 것으로 나타났다.

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3. 시제품을 이용한 사과탄저병 방제 포장 실증 검정 예천, 문경 두 곳에서 선발된 4종의 균주를 이용하여 제작한 시제품 병방제 효과 실증 검정을 위하여 포장에서 연구를 진행하였다. 8월부터 10월 초까지 15일 간격으로 시제품을 처리 하였으며, 병 발생상황을 주기적으로 조사하여 탄저병, 갈색무늬병, 점무늬병 발생 상황을 관찰하였다. 무처리구에 비하여 4종의 시제품 모두 탄저병 방제에 효과를 보이는 성과를 얻었으며, B. velezensis AK-0과 S. plymuthica APEC123 균주의 병 방제는 76%가 넘는 높은 방제가를 보여 포장 실증 실험에서 시제품이 우수한 효과를 보이는 성과를 얻었다. 화학약제와 혼용 사용 또한 가능한 것으로 생각되며, 향후 유기농제품이 등록되어 있지 않은 사과 방제에서 저농약 및 유기농 재배지에 큰 도움을 줄 것으로 생각된다.

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작물 미생물 제제 2

4. 전략미생물 유전체 해독 Bacillus velezensis AK-0의 Whole Genome Sequencing을 완료하였다. AK-0는 이차대사산물로 항균활성을 나타내는 Bacillaene, Macrolactin 등의 유전자를 보유하고 있으며, 특히 탄저병의 원인균과 같은 곰팡이에 항균활성을 갖는 Fengycin, Difficidin, Surfactin을 보유하고 있는 것으로 확인되었다.

5. P. polymyxa 표현형 변이에 의한 식물생장촉진효과 연구 자연상태에서 표현형 변이가 발생하는 P. polymyxa E681은 옥신유전자를 보유하고 있어 식물생장촉진능이 있음에도 불구하고, 표현형 변이가 발생할 경우 in vitro 및 in vivo 에서 활성이 감소하는 것으로 확인되었다.

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6. 유용미생물의 배양성 확인, 미생물제 제제화 고려요인 분석 및 최적화 조건 설정 5종의 유용미생물에 대한 특성을 확인하고, 미생물별 특성에 따라 기본적인 배양성 및 대상 병해에 대한 항균특성 확인 및 최적배지를 선발하였다. 이 외에도 제제화용 보조제, 계면활성제, 부착성 증진제, 발아촉진제, 확산제, 물성조정제, 안정제 각각에 대한 종류 및 농도를 선발하였고, 선발된 보조성분들과 미생물 혼합물의 안정성 테스트를 바탕으로 최종 혼합비율을 결정하였다. 7. 유용미생물의 제제화 및 대량생산 최적화, 시제품 제조 유용미생물을 다양한 조건에서 배양하여 최적배양조건을 확인하였고, 이를 토대로 1차년도 연구를 통해 선발한 최적배지를 이용하여 7ℓ jar fermenter, 250ℓ fermenter에서 대량생산(배양)공정을 확립하였다. 최종 생산된 시제품은 온도별로 보관하여 경시적 미생물안정성을 확인하였다.

배양액 현미경 관찰

7ℓ jar fermenter

250ℓ fermenter

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작물 미생물 제제 2

8. 제품화를 위한 공인기관 시험 제품화를 위해 주성분분석(미생물 동정 및 유효균수 측정), 병원성미생물 검사(병원성대장균, 병원성살모넬라, 황색포도상구균, 리스테리아 모노사이토제네스, 바실러스 세레우스), 독성시험(급성경구독성/병원성검사, 급성경피독성검사, 피부자극성검사, 안점막자극성검사, 어류영향검사, 꿀벌영향검사), 유식물 약해시험(사과, 고추, 딸기, 오이, 토마토)을 유기농업자재 공인시험기관을 통해 진행중에 있으며, 최종적으로 병해관리용 유기농업자재로 신청할 예정이다.

31

앞으로의 계획 3차년도에는 선발균주의 작물생장촉진 및 재해내성연구가 진행되며, 시제품의 효과 검증과 농가 실증시험을 진행하게 된다. 후보 균주에 대한 연구도 병행된다. 4차년도에는 선발균주 조합을 이용한 토마토 생육촉진 및 병방제효과 기내검정이 이루어지며, 시제품의 농가실증시험 및 제품화를 위한 공인기관시험이 2차로 진행되고 사업성, 경제성 분석을 통한 본격적인 사업화 연구가 수행된다. 이로써 본 연구가 완료되는 시점인 2021년까지 유용미생물을 활용한 과수, 과채류 병해방제용 미생물 제제와 작물생육증진용 미생물 제제로서의 제품 개발 완료, 유기농업자재 제품공시로 자재등록 완료 및 2022년부터 본격적인 시장진입을 기대한다.

41

관련 분야 동향 및 전망 국내의 경우 최근 화두가 되고 있는 모든 농산물에 대한 PLS(Positive List System)의 2019년 전면시행을 앞두고 친환경농가 뿐만 아니라 일반 관행농가에서도 친환경 작물보호제에 대한 관심이 급증하고 있으며 현장에서도 이와 관련된 제품의 시장이 확대되고 있다. 국내의 미생물농약, 미생물비료, 친환경농자재, 천적 등을 포함한 생물농약시장은 약 1,000억 정도로 추정되며, 2020년에는 전체 농약 시장의 10% 규모인 2,000억 원 정도에 이를 것으로 예상되고 있다(농림축산식품부, 2011).

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연구역량 강화

참조유전체 농·식품 미생물 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 경북대학교

주관연구책임자

신재호 교수 경북대학교 세균 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

공동연구기관 고려대학교

공동연구책임자

이하나 교수 고려대학교 세균 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

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참조유전체

연구목표 농·식품 유용 사상균 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석 기반의 유용 유전자원 발굴 및 유전체 정보 통합시스템 구축

연구내용 - 농·식품 유용 세균 참조유전체 정보 생산 •다양한 농업현장 및 발효식품 유래의 세균의 유전체 분석대상 선정 •PacBio RSII 와 PacBio sequel을 이용한 유전체 해독 및 주석화를 이용한 참조유전체 생성 - 비교유전체 분석을 통한 농·식품 유용 세균 및 유전자원 탐색 • 표준 유용 세균의 phylogenomics 분석을 통한 유용 유전체 특징 및 진화적 위치와 유용 유전자 진화경로, 분류체계 분석 • 농·식품 유용 세균의 pan, core-genome 분석을 통한 기능유전자 발굴 및 고도주석화 - 미생물유전체 통합 DB 구축 및 웹브라우저를 통한 검색 및 분석 정보 제공 •1단계 결과물과 2단계 확보 세균, 사상균, 효모 유전체를 통합한 웹기반 DB 구축 •산업화 및 실용화를 위한 유용 유전자 검색 기능 제공 • 사업단 내부 성과 자원을 위한 내부 DB 및 균주 은행 조기 운용

위탁연구기관 (주)마크로젠

위탁연구책임자

최태우 과장 (주)마크로젠 연구팀

연구내용 - 농·식품용 원핵미생물 참조유전체 분석 및 데이터베이스 구축

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제1협동 연구기관 숭실대학교

제1협동 연구책임자

서정아 교수 숭실대학교 사상성진균 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

연구내용 - 농·식품 유용 사상성진균의 고품질 참조유전체 확보 • 우리나라 농·식품 유용 사상성진균에 대한 분리 및 동정, 고품질 참조유전체 해독, 정밀 조립, 주석화 방법에 대한 pipeline 확립 - 참조유전체를 활용한 근연종 간 비교유전체 분석을 통한 유용 유전자원 확보 •국내외 근연 진균 종의 비교유전체 분석으로 우리나라 자원의 우수성 검증 • 비교유전체 분석으로 농·식품산업 유용 효소, 유용물질 생합성 관련 유전자원 확보 및 활용 정보 체계화 - 국내 농업 유용 사상성진균 유전체정보 표준화 및 참조·비교유전체 DB 구축 •국내 고유 사상성진균 고품질 유전체 정보 제공을 위한 DB 구축 •기본 검색 및 유용유전자 분석 가능한 시스템 구축

제2협동 연구기관 중앙대학교

제2협동 연구책임자

강현아 교수 중앙대학교 효모 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

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참조유전체 연구내용 - 농·식품 유용 효모 참조유전체 정보 생산 •다양한 농업현장 및 전통발효 식품 유래 효모 유전체 분석 대상 선정 •최신 NGS 기법 활용 de novo 유전체 해독, 유전체 구조 정밀 분석 및 물리지도 완성 •완전 해독 참조유전체 서열 및 RNA-Seq 정보 통합 분석 기반 고품질 주석화 - 농·식품 유용 효모 비교유전체 분석 기반 유용 유전자원 발굴 •참조유전체 기반 비교유전체 분석을 통한 진화적 유연관계 및 유전적 다양성 규명 • 비교유전체 분석을 통한 유용 유전자군 발굴 및 기능적 특성 검증 - 농·식품 유용 토종 효모 유전체 정보 통합 DB 구축 및 정보 체계화 •한국형 농·식품 효모 기반 유용 유전자원 발굴을 위한 참조 및 참조유전체 통합 DB 구축 •국내 최초 농·식품 효모 유전체 비교분석용 Web 기반의 DB 구축 및 운영

21

연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 경북대학교 1. 농·식품 유용 참조유전체 분석 대상 세균선정 및 유전체 분석 참조유전체 분석대상 선정을 위해 300종 가량의 분석 대상균주선정 및 배양을 통해 유전체 분석 대상종의 Genomic DNA 추출과 PacBio RSII 및 PacBio Sequel을 활용한 전장유전체 분석을 완료하였다. 2. 미생물유전체 통합 DB 구축 및 웹브라우저를 통한 검색 및 분석 정보 제공 1단계 유전체 분석이 완료된 전장유전체들의 참조유전체화 및 균주은행을 위한 GBrowse를 활용한 Shin’s Lab Genome Browse개설 및 운용을 위한 전장유전체 업로드를 진행 중이다.

참조유전체의 자원화를 위한 분석도구들이 탑재된 데이터베이스 구축 96 |

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제1협동 연구기관 : 숭실대학교 1. 전통 발효식품 유래 진균 자원 중 유용 물질 생성능이 우수한 균주 선발 CM

Amylase

Cellulase

Protease

Citric acid

(complete media)

(starch iodine agar)

(CMC media)

(skimmilk agar)

(czapek-dox agar)

KYF3

KJC3

N402

ATCC 13496

제 1협동기관에서 보유하고 있는 1100개 이상의 발효식품 유래 진균 중 유용효소(protease) 활성능이 높은 Aspergillus niger 균주를 대상 그룹으로 선정하였다. ATCC, NRRL, CBS 등 미생물보존기관으로부터 표준균주 및 상용화 균주를 분양하여 효소 활성능 (a-Amylase, glucoamylase, protease, cellulase) 및 2차대사산물 생성능 (citric acid, oxalic acid) 평가 수행중이다. 2. 농·식품 유용 사상성진균 참조유전체 분석 대상 균주 선정, 유전체 해독 및 분석 국내 전통발효식품 유래의 protease 활성 (단백질 분해능) 균주로 확인된 Aspergillus niger 2균주를 PacBio sequel 방법으로 해독 후 분석 수행 중이다.

제2협동 연구기관 : 중앙대학교 1. 참조유전체 분석 대상 효모 균주의 특징 및 유전체 분석 1 차 년도에 이어서 메주/된장에서 분리한 효모 종들 중 내염성을 보이는 신규 효모

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참조유전체

(Wickerhamomyces anomalus A30-7-Y4, W. anomalus A30-11-Y3)과 샘표(주)에서 제공한 W. subpelliculosus SMY04를 확보하고 이들에 대한 비교 대상의 표준 효모 균주로 ATCC 또는 KCTC에서 Debaryomyces hansenii KCTC 27743, W. anomalus KCTC 27761, Wickerhamomyces subpelliculosus CBS 5767T, 균주를 구입하여 총 6종의 효모 균주를 확보하고 이들의 내염성, ploidy, 향미 특성을 분석하고 이들에 대한 whole genome sequencing을 수행하였다. Reference RNA ORF Flavor -Seq numbers genome

Yeast Species

Growth Halo WGS* tolerance at 37°C

1

Debaramyces hansenii KCTC 27743

◯ (+++)

X

12.36 Mb (CAU)

6,332

2

Wickerhamomyces anomalus A30-7-Y4

◯ (++)

22 Mb (CAU)

9,600

3

Wickerhamomyces anomalus A30-11-Y3

◯ (+)

N.D.

4

Wickerhamomyces anomalus KCTC 27761

◯ (+++)

27 Mb (CAU)

12,400

◯ (++)

16 Mb (CAU)

7,615

Wickerhamomyces ◯ (++) subpelliculosus SMY-04(L)

15 Mb (CAU)

7,615

Wickerhamomyces 5 subpelliculosus CBS 5767T 6

N.D.

Source

CBS 767 Cheese Nuruk (12.2 Mb) NRRL Y-366-8 (14.1 Mb) NRRL Y-366-8 (14.1 Mb) NRRL Y-366-8 (14.1 Mb)

Ethyl esters

Jang (CAU)

Ethyl esters

Jang (CAU)

N.D.

Nuruk

X

N.D.

Fermenting cucumbers, USA

X

Ethyl esters

Sempio Inc.

2차 년도 유전체 분석 대상 장류 유래 균주 리스트 및 특징

2. 토종효모 유전체 DB 구축용 서버 설치 - 전통 발효 효모 전용 국내 웹사이트와 기반 툴을 개발하기 위해 HP server(2 X Intel Xeon CPU; 3.2GHz & 32 cores)와 대용량 하드드라이브(60 Terabyte)를 설치하였으며, 리눅스 OS인 Centos7, Apache와 MySQL 등의 응용프로그램을 구동하여 Korean Yeast Reference Genome DB (KYRGD, www.kyrgd.org)를 설치하였다. - 전통 식품 유래의 효모균주 유전체 조립이 완성될 때마다 각 균주별 BLAST 및 genome 검색이 가능한 browse 구축할 예정으로 현재는 D. hansenii D2의 BLAST 및 genome browse가 설치되어 있다.

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전통 발효 효모 전용 국내 웹사이트 KYRGD (www.kyrgd.org)

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앞으로의 계획 주관연구기관 : 경북대학교 - 농·식품 유용 세균 (비료, 농약, 축산, 발효, 효소, 건강)의 선정 및 기능별 분류와 유전체 해독 - 세균, 사상성진균, 효모 유전체 정보 통합 DB 구축 - 사업단 내부 지원을 위한 유전체 DB 및 균주 은행 운영

제1협동 연구기관 : 숭실대학교 - 표준균주의 참조유전체 기반으로 근연균주 간 비교유전체 분석 기반 마련사람의 장내 환경 에서 유래한 세균 36 종 선정 및 전장 유전체 해독 - 참조유전체 분석 완료 균주의 유전체 정보 등록(5점 이상) - 사상성진균 참조유전체 DB 구축을 위한 유전체 자원·정보 체계화

제2협동 연구기관 : 중앙대학교 - 농·식품 유래 효모 5종 및 산업용 종균 효모 2종 선정 및 유전체 해독(5점 이상) - 기타 농·식품 유래 유전체 분석 대상 균주 선정 및 비교유전체 분석(5점 이상) - 효모 유전체 정보와 RNA-Seq 데이터를 맵핑한 웹사이트 구현

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참조유전체

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관련 분야 동향 및 전망 미생물 참조 유전체 및 비교유전체 분석 연구 동향 및 전망 1996년 진핵생물로서 가장 먼저 유전체 서열 분석이 완료된 전통 효모 Saccharomyces

cerevisiae 를 위시하여 산업적으로 또는 의학적으로 중요한 여러 non-Saccharomyces 균주들의 유전체 분석 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 최근에는 산업적 유용 미생물 대상의 비교유전체 연구에 관한 관심이 증대되고 있어, 2016년 미국 JGI의 지원으로 산업적 유용 효모 균주 27종에 대한 유전체 해독 및 비교 분석 연구를 수행한 다국적 효모연구팀이 비교유전체 분석 정보를 토대로 균주 특이적 대사 및 새로운 유전자 암호가 존재함을 보고함. 이와 같은 비교유전체 연구는 농축산식품을 비롯하여 다양한 산업공정에서 주요 역할을 하는 non-Saccharomyces 효모종 대상의 비교유전체 연구로 확대되고 있다. 다른 지역에 서식하거나 산업적 용도가 다른 Saccharomyces cerevisiae 균주내에서도 상당한 유전체 서열과 구조적 차이가 발견됨에 따라 기존의 참조유전체로 사용되었던 Saccharomyces

cerevisiae S288C 균주 외에 부가적으로 11종의 Saccharomyces cerevisiae 균주에 대한 유전체 서열 및 주석이 참조유전체로 SGD에 포함되었다. 이와 같은 연구추세는 기존의 참조유전체에 대한 개념이 “하나의 표준 종에 대한 하나의 참조유전체”에서 같은 종이라도 보다 정확한 유전체 비교 분석을 통해 균주 특이적 기능 및 성장 특징에 대한 정보를 도출하기 위해서는“여러 표준균주들의 다양한 참조유전체”가 필요하다는 개념으로 확장되고 있음을 시사하고 있다. 한편, 다양한 long read 기반 NGS기술이 발전함에 따라 Saccharomyces cerevisiae ,

Kluyveromyces marxianus, Pichia pastoris 등 산업적 유용 효모 균주들의 불완전한 유전체 초안을 최신의 NGS 기법을 활용하여 다시 완전 해독된 참조유전체로 완성하는 추세이다.

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연구역량 강화

메타유전체 농식품 소재 미생물 군집 및 메타유전체 정보 분석

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 경희대학교

주관연구책임자

배진우 교수 경희대학교 미생물생태학 연구실

연구목표 - 농축산식품 분야 환경을 대상으로 메타유전체 분석을 통해 핵심 마이크로바이옴 및 특이 유전자 세트를 분석, 수집하여 메타유전체 및 시스템생물학 측면에서 국내 농축산업 환경 및 전통식품 특성을 이해하고 농식품 유용 미생물 정보 산업화·실용화 지원 - 메타오믹스 기반 장내 숙주-박테리아-바이러스 관계 규명을 통한 송아지 설사 원인 분석 - 대변무리이식 (fecal microbiota transplantation)을 통한 송아지 설사 완화 연구 - 국산 및 중국산 상품 김치의 원산지에 따른 김치 내 세균/바이러스 군집 구조 분석 - 전통발효식품의 발효과정에 따른 세균 및 바이러스 군집변화 비교분석

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메타유전체

연구내용 - 타겟 샘플에서 농축식품 유용 메타유전체 분석 후보 미생물 확보 및 분석대상 타겟 균주 선정 방안 마련 - 농축식품 대상의 메타유전체 연구를 위한 환경 선정 및 실험 조건 설계 - 분석대상 환경의 미생물 군집 구조 프로파일링 및 핵심 대사 예측 - 대규모 메타유전체 염기서열 해독 및 정보 분석 - 머신러닝 기술을 이용한 메타유전체 빅데이터 분석을 통한 대사 및 기능 예측 - 메타유전체 정보 기반 산업화·실용화 조기성과 창출 및 부처공동 연구 지원 - 설사 송아지와 건강한 송아지의 분변 내 메타지놈, 메타전사체, 메타볼롬 군집을 각각 규명하여 설사 유발 과정에서 형성되는 숙주-박테리아-바이러스의 metagenomic/ transcriptomic/ metabolomic interaction map을 제시하여 송아지 설사의 근본적인 원인을 규명 - 건강한 송아지의 분변을 채집하여 설사 증세 송아지에게 이식시켜 줌으로써 설사 증세 완화 효과를 제시 - 분변 공여 송아지의 선별조건을 확립하고 송아지의 설사 증세 완화 효과를 나타내는 후보 미생물을 분리/동정하여 미생물 조성, 배양 방법 및 이식 방법 등에 대한 지식재산권을 확보 - 원료 및 발효 조건이 명확히 정의된 국산 및 중국산 상품 김치 내 세균 및 바이러스 군집구조를 차세대염기서열기법 기반으로 분석하여 국산 및 중국산 상품김치를 판별할 수 있는 정확하고 과학적인 김치 원산지 판별 분석법의 기초자료로 활용 - 전통발효식품의 발효과정에 주된 역할을 하는 세균과 바이러스의 상호관계를 비롯하여 식품내의 바이러스의 생태학적 역할과 기능을 이해할 수 있고는 과학적인 기초자료로 활용

위탁연구기관 중앙대학교

위탁연구책임자

전체옥 교수 중앙대학교 환경미생물학 연구실

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연구목표 - 고효율 신규 유전자를 대량으로 탐색하여 확보할 수 있는 대용량 유전자 발굴 파이프라인의 구축 및 유용효소 개발

연구내용 - 대용량 유전자 발굴(high throughput gene mining) 파이프라인 구축 - 구축된 대용량 유전자 발굴(high throughput gene mining) 파이프라인을 이용하여 고성능·고 효율의 유용 효소의 발굴 - 숙주 시스템에서의 효소 발현 조건 최적화 및 최적 효소 활성 분석 - 개발 효소의 대량 생산 및 산업 적용 기술 개발

제1협동 연구기관 건국대학교

제1협동 연구책임자

이충환 교수 건국대학교 기능대사체 연구실

연구목표 - 메타메타볼로믹스 기반 농축산식품 분야 미생물 자원의 대사체 분석을 통한 기능성 대사산물 발굴 및 메커니즘 해석 - 메타대사체 - 유전체 상관관계 분석을 통한 미생물 상호작용 대사네트워크 규명 - 농축산식품 분야 미생물 자원 관련 대사체 데이터 베이스 확장 구축

연구내용 - 농축산식품 환경 내 유용 미생물 자원의 개별 대사 메커니즘 해석 - 환경 요인에 따라 기여하는 미생물들의 co-culture를 상황에서의 신호 전달 및 기능대사체의 메타메타볼롬 해석

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메타유전체

- 메타오믹스(대사체-유전체) 통합 분석을 통한 미생물 상호작용 및 관련 핵심인자 발굴 및 대사 경로 확립

제2협동 연구기관 연세대학교

제2협동 연구책임자

공동연구원

송주연 연구교수

김응빈 교수 연세대학교 송주연 박사 연구팀

연구목표 - 대용량 메타유전체 정보 분석 및 이를 활용한 농식품 환경 내 미생물 자원 탐색 - 메타유전체 정보 분석 기반 핵심 미생물의 기능 분석 및 미생물-작물 상호작용의 이해 - 생물 연구개발 네트워크를 활용한 메타유전체 연구 협력 및 정보 분석 지원

연구내용 - 작물 근권 마이크로바이옴 분석 및 기주-미생물 상호작용 관련 핵심 마이크로바이옴 도출 - 메타유전체 분석 대상 향토 발효음식 선정과 표본 수집 및 군집 분석 - 미생물 연구개발 네트워크를 활용한 메타유전체 연구 협력 및 정보 분석 지원

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연구결과 및 주요성과 1. 설사 송아지의 장내미생물 군집 및 불균형 원인 조사 설사 송아지와 정상 송아지를 대상으로 장내미생물 군집을 구성하는 박테리아 및 바이러스 군집의 시/공간적 특성 변화 및 숙주의 대사/면역 반응을 비교 분석하여 송아지 설사의 근본적인 원인을 규명하고자 생후 50일 이내의 송아지 24 마리의 직장 내용물을 채집하여 박테리아 군집 (16S rRNA gene) 및 전사체 군집 (host transcriptome + bacterial metatranscriptome + viral transcriptome)을 분석한 결과, 설사 송아지의 장내에서 Proteobacteria 군집비율이 이상적으로 증가함을 확인하였다.

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2. 설사 송아지 대상 건강한 송아지의 대변무리이식 (FMT) 연구 건강한 송아지의 분변샘플을 채집하여 설사하는 송아지에게 먹여주고 병증의 완화 여부를 평가하고, 설사 송아지의 장내에서 발생했던 gut dysbiosis가 대변무리이식 (FMT)를 통해서 회복되는지를 평가하였다.

대변이식에 의한 송아지 설사증 치료

이를 위해 건강한 송아지 20마리, 전해질 투여 대조군 14마리, 항생제 투여 대조군 23마리, 분변이식 실험군 20마리를 선별하고, 시술 전 (0일), 시술 후 2일, 4일, 8일, 16일, 32일, 48일, 6개월, 12개월까지 추적 관찰하여 설사증의 완화와 장내미생물 군집변화 (496개 분변 샘플)를 종합적으로 판단하였다.

설사 송아지의 시간변화에 따른 장내미생물 군집변화

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메타유전체

3. 원산지에 따른 김치 내 세균/바이러스 군집 구조 분석 발효 식품 내의 바이러스 군집은 식품의 세균 군집과 상호작용하여 발효과정과 산물의 품질에 영향을 미칠 수 있으며, 최종적으로 인간이 섭취했을 때, 식품 내의 미생물 군집에 의해서 장내 환경과 장내 미생물 군집이 영향을 받을 수 있다. 국산 및 중국산 김치를 대상으로 메타지노믹스 기법을 이용하여 세균 및 바이러스의 군집을 분석하여 원산지에 따른 차이를 확인하였다. 이 결과는 과학적인 원산지 판별을 위한 자료가 될 것이다. 4. 메타볼로믹스 기반 대사체 분석 및 매커니즘 규명 본 연구팀은 fungi와 bacteria의 상호작용 해석 연구를 위하여, 농축산식품 분야 유용 미생물자원인 Aspergillus oryzae 와 Bacillus amyloliquefaciens 의 개별 대사메커니즘 해석 연구 및 상호작용 해석 연구를 수행하였다. 두 균주를 선택하여 최소배지에서 배양하여 대사체 변화의 메커니즘을 규명 연구를 진행하고 있다. 또한 단위(경희대학교)팀에서 진행 중인 대변무리이식을 통한 송아지 설사 치료군의 송아지 분변 및 혈청의 대사체 변화 모니터링 연구 또한 수행 중에 있다.

Fungi-Bacteria 상호작용 해석을 위한 실험 Scheme

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5. 농작물 및 발효식품 환경의 메타유전체 분석 토 마토 풋마름병 저항성, 감수성 품종 근권의 microbiota 데이터로부터 strain 단위의 differential abundance 분석을 수행하고 전 메타유전체 서열을 재구성하였다. 이를 기반으로 토마토 풋마름병 저항성 품종에서의 minimal community를 구축하기 위해 토양 유래 균주를 배양하기 위한 배지 및 배양 조건을 선정하여 근권 시료로부터 다양한 균주들을 분리, 동정하였다. 한편, 병저항성 기여 균주와 기주 간의 상호작용 연구를 위한 실험 조건 및 분석 시스템을 구축 중에 있다. 발효식품에서는 향토 발효식품인 조기젓, 갈치젓, 잡젓 등의 시료를 수집하여 microbiota를 분석하고 우점종으로 나타나는 세균들을 대상으로 효율적으로 분리, 배양하는 최적 조건을 수립하였다. 이에 따라 분리된 두 종류의 대표 세균의 기능성 유전자를 발굴하기 위해 기능 분석 수행 및 유전체를 분석 중이다. 또한 전 메타유전체 서열 정보 분석 지원 및 다양한 환경의 마이크로바이옴 분석 연구를 위해 최근 마이크로바이옴 관련 연구들에서 유망한 분석 기술들을 도입하고 있다 6. 대용량 유전자 발굴(high throughput gene mining) 파이프라인 구축

데이터베이스 내 단백질 서열들의 클러스터링 모식도와 대용량 유전자 발굴(high-throughput gene mining) 파이프라인 알고리즘

공용 단백질 서열 데이터와 환경 시료로부터 생산되는 메타지놈(metagenome) 서열 데이터를 통합하여 단백질을 발굴하기 위한 파이프라인을 구축하였다. 파이프라인을 통해 찾고자 하는 기능 단백질들 간의 유사도, 도메인 정보, 유래 미생물 및 환경에 대한 정보를 얻을 수 있어 대용량 유전체 정보로부터 고기능성·고효율의 후보 효소를 효과적으로 선정할 수 있다. 또한 구축한 대용량 유전자 발굴 파이프라인을 웹페이지로 제작하여 대용량 단백질 데이터베이스로부터 원하는 후보 단백질들의 탐색을 편리하게 할 수 있도록 하였다.

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메타유전체

7. 구축된 유전자 발굴 파이프라인을 이용한 효소 유전자 발굴 구축한 파이프라인을 이용하여 과당으로부터 알룰로스를 생산하는 2,455개의 에피머레이즈들의 정보를 목록화하고 최종적으로 19개의 후보 단백질 서열을 확보하였다. 이들로부터 우수한 효소 활성을 보이는 후보를 선별하는 과정을 진행하고 있다.

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앞으로의 계획 송아지의 설사 증세 완화 효과를 나타내는 후보 미생물을 분리/동정하여 미생물 조성, 배양 방법 및 이식 방법 등에 대한 지식재산권을 확보할 계획이다. 또한 송아지의 건강/발달/성장 속도를 종합적으로 평가하고, 대변무리이식 시술 방법을 홍보하여 실제 농가에 적용될 수 있도록 연구결과를 적극적으로 적용하도록 하겠다. 메타지노믹스 기반 식품의 발효과정에 따른 세균 및 바이러스 군집의 다양성과 변화를 비교분석하여 세균과 바이러스의 상호관계를 규명하고 식품의 발효과정에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 메타메타볼로믹스 기법을 활용한 환경별 농축산식품 유래 미생물의 대사 메커니즘 및 발효 대사 유용물질을 규명하고자 한다. 메타오믹스 연계 대사경로 구축을 통한 체계적인 해석시스템 알고리즘을 확립하여 농축산식품의 미생물 군집 프로파일링 및 핵심 대사를 예측하고자 한다. 또한 미생물들의 co-culture 상황에서 메타메타볼롬 해석을 통해 발효 환경에 따른 미생물-대사체 및 상호작용 핵심인자를 규명하고, 농축산식품 자원의 메타오믹스 기반 총체적 상관관계 규명을 통해 지표 물질 규명 및 발효 최적화를 진행하고자 한다. 1, 2차년도에 도출된 자료에 기반으로 병저항성과 관련된 핵심 미생물 군집 및 개별 균주의 환경 내 역할을 분석하고, 메타오믹스 분석 기반의 작물-미생물 상호작용을 이해하기 위한 연구를 추진할 계획이다. 신규 향토 발효식품 마이크로바이옴 분석을 통해 신규 토종 미생물 분리, 발굴하며 유전체 특성 연구를 진행하여 향토 발효음식 및 자원의 우수성을 설명하기 위한 자원 수집을 이어갈 예정이다. 또한, 사업단의 연구개발 네트워크 협력 연구를 통한 지속적인 미생물 전 메타유전체의 공동연구 또는 분석을 지원하여 다양한 농식품 환경 내 마이크로바이옴 기능의 이해 및 메타유전체 기반의 효율적인 유용 미생물 유래의 자원 발굴 연구를 진행하고자 한다.

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선정된 후보 효소의 발현을 통해 숙주에 대한 발현조건 최적화와 발현된 효소에 대한 효소 활성을 분석하고 후보 유전자 중 고성능·고효율의 효소를 추출하고 분리/정제하기 위한 조건 및 기술을 개발할 계획을 가지고 있다. 또한 고성능·고효율을 갖는 개발 효소의 산업적 이용을 위하여 숙주의 배양 조건 및 숙주로부터의 효소 생산과정 최적화를 통해 대량 생산이 가능한 조건과 기술을 확립하고자 한다.

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관련 분야 동향 및 전망 농축산식품 분야 미생물 자원의 메타메타볼롬(메타대사체-유전체) 분석 연구를 통한 발효 관련 지표물질 발굴 및 분석기술을 통하여 농축산식품 내 고부가가치 미생물 자원 소재 개발 및 발효 최적화를 도모하고자 한다. 마이크로바이옴 연구는 인체, 동식물을 대상으로 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며 현상 분석 뿐 아니라 활용 연구로 이어지고 있다. 인체 마이크로바이옴에서의 의약학적 연구 개발 뿐 아니라, 식물 마이크로바이옴 분야에서도 신개념 미생물 비료 및 농약의 필요성에 따라 관련 연구와 투자가 이뤄지고 있으므로 본 연구에서 진행하고 있는 동물, 식물, 식품 등 다양한 환경의 메타유전체 연구는 해당 환경의 마이크로바이옴의 이해를 위한 분석 자료 뿐 아니라 신개념 유용 미생물 및 유전자원 소재 발굴 등 미생물 활용 기반을 제공할 것으로 기대된다. 최근 국외에서는 대용량의 효소에서 유용 효소를 빠르게 스크리닝 하는 고속 다중 스크리닝법 (Highthrough screening; HTS)의 자동화를 통하여 유용 효소의 발굴이 늘어나는 추세에 있다. 세계 산업용 효소 시장의 80% 이상을 Novozymes사(덴마크), Dufont사(미국), DSM(네덜란드)가 독과점 점유하고 있는 실정이다. 국내 효소 시장의 규모는 매년 성장하는 추세에 있지만, 국내 산업용 효소 중 약 95%는 다국적 기업으로부터 수입하여 이용하고 있어 국내 효소 산업에서 수입 효소에 대한 의존도는 상당히 높은 실정이다. 국내 효소 시장은 약 1천억원 규모(약 7000톤)으로 대량생산 체계가 마련되어 있지 않지만 국내 산업용 효소 시장규모는 점차로 성장해 나갈 것으로 예상된다. 그러나 식/음료 및 세제용 효소는 2010년 이후 시장규모가 꾸준히 감소하고 있는 실정에 있어 시장 내 경쟁력 있는 효소의 발굴과 개발이 필요한 실정이다.

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연구역량 강화

다중오믹스 농·식품 유용 미생물의 다중오믹스 기반 유용 유전자원 발굴 및 가치제고화 기술 개발

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연구목표 및 내용 본 연구진은 1단계 미생물유전체전략연구사업의 연구를 통해 구축된 대용량 기능유전체 진균 변이균주 라이브러리와 전장유전체 분석을 통해 선별된 농·식품 유용 미생물로 생각되어지는 세균 및 진균을 대상으로 유전체, 전사체, 단백체 및 표현형질체를 포함한 다중오믹스 분석을 사용하여 통합적인 유전자 기능 네트워크 맵 규명 및 제어기술을 개발하고자 한다. 이를 통해 농·식품 유용미생물부터 유래한 유용 유전자원의 발굴과 가치제고화는 물론 도출될 데이터베이스, 다중오믹스 분석 인프라 및 가치제고화 플랫폼 기술을 사업단 내의 타과제팀의 사업화와 실용화를 위해 공유하고 지원하여 본 사업단의 연구역량강화에 기여하고자 한다.

주관연구기관 연세대학교

주관연구책임자

반용선 교수 연세대학교 미생물생명공학 연구실

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연구목표 및 내용 연세대학교(제1세부, 단위과제책임) 반용선 교수 연구팀에서는 농/축산/식품 유용 주요 미생물 중에서 뇌수막염을 일으키는 동물 병원성 진균 크립토코쿠스 네오포만스(Cryptococcus

neoformans)에 대한 연구를 진행 중이다. 이번 연구에서는 뇌수막염진균(C. neoformans)의 인산화효소/탈인산화효소/전사인자 유전자 결손변이체 라이브러리를 활용하여 다중오믹스 기능유전체 분석을 진행하여 농축산식품 분야에 활용 가능한 유용 유전자를 발굴하고 관련소재를 개발하는 것을 목표로 한다.

제1위탁 연구기관 서울대학교

제1위탁 연구책임자

손호경 교수 서울대학교 식물병생리학 연구실

연구목표 및 내용 서울대학교(제1위탁) 손호경 교수 연구팀에서는 농/축산/식품 유용 주요 미생물 중에서 식물 병원성 진균인 붉은 곰팡이(Fusarium graminearum )에 대한 연구를 진행하고 있다. 손호경 교수 연구팀은 1단계 연구를 통하여 식물 병원성 모델 진균에서 병원성과 스트레스반응을 조절하는 유전자를 다량 발굴하였고, 이번 연구에서는 식물 병원성 핵심 유전자의 기능분석과 단백질 상호작용체 연구를 진행하여 식물 병원성 모델 진균의 스트레스 반응 및 병원성을 조절하는 통합적인 신호전달 네트워크를 규명하는 것을 목표로 한다.

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다중오믹스

다중오믹스 분석기반 농식품 유용유전자원의 발굴, 개량 및 대량생산 연구 전략 (제2세부)

제2세부 연구기관 연세대학교

제2세부 연구책임자

이동우 교수 연세대학교 식품생명공학 연구실

연구목표 및 내용 연세대학교(제2세부) 이동우 교수 연구팀은 다중오믹스 분석을 기반으로 하여 농·식품 유용 미생물의 기능성을 발굴하고 그를 응용하는 연구를 진행 중이다. 농/축산/식품 유용 세균에 대한 전장유전체 분석 자료를 바탕으로 발굴한 핵심 유용 미생물에 대한 다중오믹스 분석 및 유전자 기능 112 |

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네트워크 분석, 유용 유전자원 발굴을 수행하고 있다. 발굴한 유전자원을 활용하여 적응진화기작을 규명하고 고온성 플랫폼 균주로써 활용이 가능할 것으로 예측되는 후보의 내열성 결정인자, 천연 희귀당 생산 및 전환을 위한 필수유전자 등 산업적으로 적용 가능한 핵심유용유전자 및 조절 네트워크를 발굴하는 것을 목표로 한다.

제2위탁 연구기관 건국대학교

제2위탁 연구책임자

윤성호 교수 건국대학교 시스템생물학 연구실

연구목표 및 내용 건국대학교(제2위탁) 윤성호 교수 연구팀에서는 제2세부에서 선정한 유용 세균을 대상으로 다중오믹스 분석, 대사회로 재설계 및 미생물 세포 공정을 통해 단백질 생산 및 균주 개선 연구를 진행중이다. 1단계에서 확보할 수 있었던 농·식품 유용 세균의 전장유전체 정보와 다중오믹스 정보를 기반으로 하여 초고속 미생물 스크리닝 플랫폼 기술을 산업화하고 대사네트워크 맵 구축과 미생물의 최적화된 배양조건 확립을 위한 연구를 진행하고 있다.

제3세부 연구기관 연세대학교

제3세부 연구책임자

조현수 교수 연세대학교 구조 생물학 실험실

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다중오믹스

연구목표 및 내용 연세대학교(제3세부) 조현수 교수 연구팀에서는 단백질의 구조 분석을 통해 단백질의 기능적인 특성을 밝혀내는 연구를 진행하고 있다. 1단계 사업을 통해 발굴한 항진균제 표적 단백질의 구조 규명을 통하여 동식물 병원성 진균제어 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있고, 또한 농·식품 유용 세균의 다중오믹스 분석을 통해 발굴된 유용 단백질의 구조를 규명하는 연구를 진행하고 있다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 본 연구는 1단계 미생물유전체전략연구사업의 연구를 통해 구축한 대용량 진균 변이균주 라이브러리와 전장유전체 분석을 통해 선별된 농·식품 유용 세균 및 진균을 대상으로 다중오믹스 분석을 통해 통합적인 유전자 기능 네트워크 맵 규명을 위하여 총 3개의 세부과제와 2개의 위탁과제를 구성하여 아래와 같이 과제별 연구 목표 및 내용을 수행하고 있다.

주관연구기관 : 연세대학교 주관연구기관 연세대학교 연구팀에서는 1단계 연구에서 구축한 동물 병원성 모델 진균인 뇌수막염균(C. neoformans)의 탈인산화효소 라이브러리를 활요한 다중오믹스 네트워크 분석 연구를 진행하고 있다. 해당 진균 내에 존재하고 있는 139개의 탈인산화효소에 대하여 각각 상동유전자 치환 방법을 이용하여 결손변이체 라이브러리를 제작하였고, 그 중 114개의 유전자에 대해 230개의 변이균주를 제작하였다. 제작된 변이균주를 대상으로 in vitro 에서 각종 스트레스 요인에 대한 감수성과 약물 저항성, 병원성인자 생성능 등의 표현형질체를 관찰하였다. 또한 이러한 탈인산화효소 변이균주 라이브러리를 사용하여 Galleria mellonella 곤충 모델을 이용한 병독성 테스트 및 마우스모델을 이용한 대용량 병원성 테스트를 통해 뇌수막염 유발 진균 C.

neoformans 의 병원성 조절 탈인산화효소를 분류할 수 있었다. 곤충과 마우스모델 모두에서 병원성의 감소가 확인된 11개의 탈인산화효소에 대해 표현형질체, 인산화단백질체, 전사체를 포함하는 다중오믹스 분석을 진행하였고, 병원성 조절 탈인산화효소의 소포체 수송 조절능과 세포벽 당단백 조절능, 뇌 혈관장벽 통과능 관련 기능을 규명하여 논문 투고를 준비 중이다. 나머지 25개의 탈인산화 효소에 대해서는 잠정적 생장필수 유전자로 분류하여 추가적인 검증을 진행 중이다.

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제1위탁 연구기관 : 서울대학교 서울대학교(제1위탁)에서는 식물 병원성 모델 진균인 붉은곰팡이(F. graminearum )에서 발굴한 단백질 간의 상호작용에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려진 WD40 단백질에 대한 연구를 진행하였다. WD40 유전자 결손변이체 라이브러리 중 후속 기작연구를 위하여 유성생식과 병원성 모두 장애를 보이는 17개의 결손변이체를 선발하여 결손변이를 명확히 확인하였고, 기 구축된 WD40 유전자 결손변이체 라이브러리를 대상으로 형질체 데이터베이스를 구축하였다. 또한 병원성 관련 주요 WD40 유전자 결손변이체 대상 8개에 대한 유전적 복원균주를 확보하였으며, 앞서 선별된 결손변이균주를 대상으로 해당 유전자에 형광단백질유전자를 표지한 유전적 복원균주를 확보 중이다. 또한 손호경 교수 연구팀은 붉은곰팡이의 핵심 전사조절인자 유전자의 기능유전체 분석을 진행 중이며, 전사조절인자 결손변이체 라이브러리 중 병원성과 유성생식에 관여하는 두 전사조절인자의 상호작용을 yeast two-hybrid 시스템을 사용하여 in vitro 상에서 확인하였으며, affinity purification-mass spectrometry 분석과 기능유전학 연구를 수행하였다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 연세대학교(제2세부) 연구팀은 1단계 연구에서 확보한 Bacillales 유전체 정보를 기반으로, 공개되어있는 유전체 데이터를 추가 수집하여 총 177균주를 선별하였다. 이들의 분리 지역 및 균주의 생육환경에 따라 분류 및 16S ribosomal RNA 계통수 분석을 통해 선택균주의 다양성을 확인하였다. 또한 범유전체(pan-genomics)를 분석하여 Bacillales 속의 균주가 공통적으로 가지고 있는 균주생육온도에 관여하는 핵심유전자 후보를 발굴, 대장균에 도입하여 최적온도 변화를 측정하였다. 다중오믹스를 기반으로 하여 천연 희귀당 생산, 전환, 및 이화능을 지닌 유용 유전자원을 찾고 그 기능을 규명하기 위한 초고속 스크리닝 플랫폼 세포 개발 역시 진행 중이다. 대장균에 결여된 타가토스 대사관련 유전자를 플랫폼 세포에서 발현하였고 연속배양을 통해 기능회복을 확인하였으며, 숙주 내에서 타가토스를 이화하기 위한 대사회로간의 상호작용과 전장유전체 분석을 통해 세포 내 타가토스 이화 대사에 필수적인 유전자 변이를 확인하였다. 야생 대장균주에 돌연변이 도입을 통해 타가토스 자화능 획득 분석을 수행하여 검증하였고, PTS 관련 유전자 결손변이를 통해 타가토스 자화능 연관 트랜스포터를 스크리닝하였다. 또한 유전체분석을 기반으로 한 단백질 바이오매스 분해 균주의 분석용 데이터베이스를 구축하였으며, 케라틴 분해균주 F. islandicum AW-1의 전장유전체 정보를 활용한 annotation-based protease list를 획득 하였고, 단백질체 분석용 데이터베이스를 구축하였다. RNA 염기서열 분석 결과를 사용하여 선별된 정제된 protease의 첨가로 인한 난분해성 케라틴 분해 시너지 효과를 확인하였다.

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다중오믹스

제2위탁 연구기관 : 건국대학교 건국대학교(제2위탁) 연구팀은 제2세부의 연구 목표에 맞추어 농·식품 유용 미생물의 열처리 조건 연속배양에서 시간에 따른 전사체 데이터를 확보하고 이를 분석하였다. 높은 온도에서의 스트레스 반응을 연구하기 위한 최적의 배양조건을 확립하였고, PI(propidium iodie)염색법을 이용하여 세포 스트레스 및 사멸한 세포의 비율 측정을 확립하였다. 예측 정확성이 높은 BL21 대장균 균주의 인실리코 대사 네트워크를 구축하여 세포가 스트레스 환경에 노출 시 어떤 표현형을 지니는지를 분석함으로써 전사체 분석 결과와 세포의 표현형과의 상관성 유무 분석을 가능케 하였으며, 구축된 대사 네트워크의 정확성을 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교하여 결과를 반영해 모델을 향상시켰다. 또한 대장균을 대상으로 한 삼투압 변화에 따른 연속배양 실험을 완료하였고, 각 조건에 따른 전사체 데이터를 확보하였으며 데이터 분석을 수행하였다.

제3세부 연구기관 : 연세대학교 연세대학교(제3세부) 연구팀은 동물 병원성 진균인 C. neoformans의 제 1세부 연구결과 중 병원성 관련 단백질로 알려진 Cka1(human CK2α ortholog)의 구조를 IPTG induction system을 통한 과발현 방법을 기반으로 하여 분석하였다. 2.3Å의 해상도를 가지는 X-ray 회절 데이터를 얻는데 성공하였으며 molecular replacement 방법을 이용하여 phasing 정보를 얻는데 성공하였다. 또한 Cka1의 단독구조 뿐만 아니라 ATP의 analog인 adenylyl-imidodiphosphate 및 이미 잘 알려져 있는 human CK2α 의 저해제인 CX-49445와의 구조를 co-crystalization방법을 사용하여 규명하였다. 또한 C. neoformans 의 병원성 관련 탈인산화효소로 알려져 있는 Yvh1(human DUSP12 ortholog)의 구조 또한 규명하였고, 단백질의 N-terminus 혹은 C-terminus에 flexible loop를 가지고 있는 것을 확인하였다. cnYVH1 과 인간 유래 단백질 DUSP12이 구조적으로 상당히 유사하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 F. islandicum AW-1유래 insulinase family protease M16 단백질의 발현과 정제를 완료하여 M16 단백질 결정화 스크리닝을 수행하였고,

P. fluorescens 유래 리파아제 TliA 단백질 결정화 스크리닝 또한 수행하였다.

연구성과 논문성과 - Sho1 and Msb2 play complementary but distinct roles in stress responses, sexual differentiation, and pathogenicity of Cryptococcus neoformans / 2018.12.04 / Frontiers in Microbiology(IF=4.259), 미생물학분야 상위 24%

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- Rad53- and Chk1-dependent DNA damage response pathways cooperatively promote fungal pathogenesis and modulate antifungal drug susceptibility / 2019.01.02 / mBio(IF=6.747), 미생물학분야 상위 10.5% - Nutrient and stress sensing in pathogenic yeasts / 2019.03.08 / Frontiers in Microbiology(IF=4.259), 미생물학분야 상위 24%. - The TOR pathway plays pleiotropic roles in growth and stress responses of the fungal pathogen Cryptococcus neoformans / 2019.06.07 / Genetics(IF=3.564), 분자생물학 및 유전학분야 상위 30% - Biosynthesis of nonimmunosuppressive FK506 analogues with antifungal activity / 19.07.19 / Journal of Natural Products(IF=4.257), 미생물학분야 상위 16% - Structural analysis of fungal pathogenicity-related casein kinase α subunit, Cka1, in the human fungal pathogen Cryptococcus neoformans / 2019.09 in press / Scientific Reports(IF=4.011) / 다학제분야 상위 22% - Identification of matrix metalloproteinase-1-suppressive peptides in feather keratin hydrolysate / 2018.11.05. / Journal of Agricultural and Food Chemistry(IF=3.412)/ 농업, 다학제분야 상위 3% - Fluorescence-based quantification of bioactive keratin peptides from feathers for optimizing large-scale anaerobic fermentation and purification / 2019.02.01 / Biotechnology and Bioprocess Engineering(IF:1.438) / 생명공학 & 응용미생물분야 - New approaches towards the discovery and evaluation of bioactive peptides from natural resources / 2019.06.05 / Critical Reviews in Environmental Science and Technology(IF=5.980) / 환경과학 분야 상위 8% - Identification of keratinases from Fervidobacterium islandicum AW-1 using dynamic gene expression profiling / 2019 accepted / Microbial biotechnology(IF:4.857) / 생명공학 & 응용미생물분야 상위 13% - Minimization of energy transduction confers resistance to phosphine in the rice weevil,

Sitophilus oryzae/accepted/Scientific Reports(IF=4.011)/다학제분야 상위 22% - Metabolic network reconstruction and phenome analysis of the industrial microbe,

Escherichia coli BL21(DE3) / 2018.09.21/ Plos One(IF=2.766) / 다학제분야 상위 23%

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다중오믹스

특허성과 - 변형된 당 대사 경로를 갖는 재조합 균주 및 이를 이용한 당이성화 효소의 스크리닝 방법 등록번호: 10-1979213/ 등록일자: 2019.05.10. - 변형된 당 대사 경로를 갖는 재조합 균주를 이용한 당이성화 효소의 스크리닝방법 등록번호: 10-2007890/ 등록일자: 2019.07.31.

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앞으로의 계획 주관연구기관 : 연세대학교 / 제1위탁 연구기관 : 서울대학교 연세대학교 (제1세부)와 서울대학교 (제1위탁)에서는 2개년도의 연구를 통해 동식물 진균 모델의 주요 신호전달인자에 관한 기능유전체 연구를 진행하였다. 구축된 기능 유전체 라이브러리를 활용하여 다중오믹스 분석을 기반으로 한 신호전달 네트워크를 규명할 예정이며, 주요 동식물 진균으로 확대 적용하여 유용 유전자원을 발굴할 것이다. 또한 이 유용 유전자원을 표적으로 하는 활성물질 스크리닝 시스템을 구축하여 이를 제어하는 기술을 개발할 수 있다. 이 외에 농축산식품 분야에 활용이 가능한 유전자 활용 단백질 상호작용체 연구를 위해 단백질 상호작용이 일어날 것으로 예상되는 주요 전사인자들을 대상으로 스크리닝을 수행하고 관련 소재 개발도 진행할 예정이다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 / 제2위탁 연구기관 : 건국대학교 연세대학교 (제2세부)와 건국대학교 (제2위탁)에서는 1단계 사업에서 확보한 농·식품 유용 세균의 전장유전체 정보를 활용해 다중오믹스 분석을 통해 다양한 환경인자에 따른 유용미생물의 적응진화기작 규명 및 관련 유용 유전자원을 발굴할 것이다. 또한 농·식품 유용유전자원을 탐색 또는 개량을 위해 다중오믹스 분석 및 대사회로 재설계를 통한 초고속 스크리닝 플랫폼 호스트 기술을 개발할 예정이다. 더 나아가 다중오믹스 DB를 기반으로 유전자 조절 네트워크 분석을 진행하여 산업적 유용 유전자원을 발굴할 예정이다.

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제3세부 연구기관 : 연세대학교 연세대학교 (제3세부)에서는 1단계 사업을 통해 발굴한 항진균제 표적 단백질의 구조 규명을 통해 동식물 병원성 진균제어 기술을 개발할 예정이다. 또한 농·식품 유용 세균의 다중오믹스 분석을 통해 발굴된 유용 단백질의 구조를 규명할 것이다. 발굴된 유용 단백질의 구조를 규명한 후 간 유래 상동 단백질과의 공통점 및 차이점을 구조적으로 제시할 것이며 돌연변이를 통한 약물 표적 부위의 생물학적 의미 구축할 예정이다. 또한 다중오믹스 플랫폼 기술을 통한 사업단 내 타 과제에서 발굴된 유용자원의 가치제고화 및 원천기술을 제공할 예정이다.

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관련 분야 동향 및 전망 바이오 신기술은 타 분야 기술들과 융합을 지속하여 2030년경 세계 경제에 대규모 변화를 가져오는 바이오경제시대로 진입할 것으로 보인다. 바이오기술은 21C 인류가 직면한 보건, 식량, 에너지, 환경문제의 4대 문제를 해결하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 미생물 또한 바이오경제를 지원하는 미래 바이오산업의 핵심소재로 바이오 분야의 발전과 혁신을 위한 필수적인 연구소재이며 질병, 에너지, 환경, 농업, 식량 등 인류난제 해결은 물론 고부가가치 경제적 이윤을 창출할 수 있는 핵심 생물소재로 연구가 지속되어야 하는 분야이다. 본 연구팀은 차세대 염기서열 분석법을 활용한 고품질의 농·식품 유용 미생물 유전체 정보를 생산하고, 비교 기능 유전체 분석을 포함한 유전체 수준의 다중오믹스 기반 유전자 기능 네트워크 맵을 구축하는 것을 목표로 하고 있으며 이를 통하여 표준화된 참조유전체 정보를 제공함과 더불어 농·식품 산업에서의 글로벌 경쟁력을 지닌 유용 유전자원 및 미생물 유래 바이오 소재를 발굴하고자 한다. 이러한 농·식품 유용 미생물 자원의 건강 기능성을 발굴하여 신개념의 질병치료제 또한 생산 가능하다. 특히 인체의 장내 면역 항상성 유도를 통한 바이오 신약 또한 항체를 기반으로 한 치료/예방 식품 보조제 개발이 가능하여 차세대 치료제 및 질병 진단/예방에 큰 효과가 있을 것으로 기대가 된다. 또한 본 연구팀에서 구축된 고급 유전체 정보와 다중오믹스 기반 유전체 네트워크 맵 분석기술을 사업단 내 타 연구과제와 공유하고 농·식품 유용 미생물유전자원의 가치제고화 플랫폼 기술을 지원하여 농·식품 사업화 지원체계 구축에 기여할 것이라고 생각한다.

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연구역량 강화

분석기술개발 농림축산식품 분야를 위한 메타유전체의 통합분석을 위한 데이터베이스 및 소프트웨어 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 서울대학교

주관연구책임자

천종식 교수 서울대학교 진화생물정보학 연구실

연구목표 앞으로의 유전체 정보는 그 규모가 폭발적으로 증가할 것이므로 관심 분야에 대한 비교유전체 분석과 분류학적 또는 기능적인 바이오마커를 통한 분석이 필요하다. 본 연구의 목표는 확보 가능한 최대한의 reference genome data와 micriobiome metagenomic data를 통합하여, 높은 coverage를 가지는 Non-redundant Gene Catalogue를 구축하여 대규모 big data 분석이 가능한 파이프라인을 구축하는 것을 목표로 하고 있다.

연구내용 주관연구기관 서울대학교 천종식 교수의 진화생물정보학(Laboratory of Evolutionary 120 |

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Bioinformatics; LEB) 연구실에서는 미생물 종의 비교 유전체 및 Pan/core genome, genomic island database 구축과 phylogenomics 파이프라인 구축, 대규모 microbiome 16S 및 shotgun database와 Gene catalogue database 구축을 목표로 연구하고 있다.

위탁연구기관 서울대학교

위탁연구책임자

윤성로 교수 서울대학교 데이터사이언스 & 인공지능 연구실

연구목표 및 내용 위탁기관 서울대학교 윤성로 교수의 연구실에서는 정보이론 기반의 분석 알고리즘 및 군집화/분류 알고리즘 고안, Deep-learning 기반 오류 정정 기술을 활용한 분석 정밀도 고도화하여 최종적으로는 microbiome 네트워크 분석 파이프라인을 구축하는 것이 목표이다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 ● 비교유전체 분석에 기반한 Bacillus cereus group 내 분류군 재정립 식중독 균인 Bacillus cereus 와 살충 단백질 (Bt toxin)을 생성하는 Bacillus thuringiensis 는

API test 등 생화학적인 테스트로 구분이 불가능하였으며, 단지 Bt toxin의 생성 여부로 두 종을 구분지어왔다. 이 논문에서는 두 종에 속하는 898개의 분류학적으로 엄밀히 동정된 B. cereus 및 B. thuringiensis 유전체에 대해 비교유전체 분석을 통하여 생물정보학적 기법으로 유전체 스크리닝을 수행하였고, 그 결과 Bt toxin을 가진 유전체는 다계통적이며, 플라스미드를 통해 빈번히 이동함을 확인하였다. 이 과정에서 기존에 B. cereus 로 분류되어 Bt toxin의 함유 여부가 밝혀지지 않았던 유전체들 내에서 Bt toxin 유전자를 찾아냈으며, 기존에 널리 알려지고 연구된 3개 domain 구조를 가진 Crystal Bt toxin 못지 않게, Cytolytic Bt toxin을 가진 유전체도 다수 존재함을 밝혔다.

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분석기술개발

이 외에도 B. cereus 의 특징으로 알려진 emetic toxin 유전자와 diarrheal toxin 유전자를 컴퓨터 기반의 유전체 스크리닝으로 찾아낸 결과 diarrheal toxin 유전자는 B. thuringiensis의 유전체에도 보편적으로 가지고 있음을 확인하였으며 emetic toxin 유전자는 B. cereus, B.

thuringiensis 모두에게서 발견되지 않았다. (기존에 emetic B. cereus 로 알려진 균주들은 계통유전체적 분석 결과 Bacillus paranthracis임이 확인) 게통유전체적 분석을 수행 결과로

B. thuringiensis 는 두 개의 genomovar (유전체 변종)으로 구성됨을 확인하였는데, 상당수가 cytolytic Bt toxin을 가진 strain으로 구성된 cytolyticus 와 소수만이 Bt toxin을 가진

thuringiensis 가 그들이다. ● Mouse Gut Metagenome Database

장내 미생물의 대사물질은 실험 및 임상 과정에서 약효에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 실험에서 가장 널리 쓰이는 모델 동물인 쥐의 장내 미생물 조성을 파악하는 것은 왜곡되지 않은 결과를 얻어내는 데 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구실은 다양한 vender로부터 생산되는 실험용 쥐의 16S rRNA 데이터를 모으고 그들을 비교분석하는 데이터베이스를 제작하였다. 16S amplicon의 arget variable region에 따른 noise를 줄이기 위하여 V4 region만을 취하여 분류학적 조성 비교분석에 사용하였다. 그 결과 쥐의 품종보다는 공급 vender에 따라 장내 미생물 조성에 큰 차이를 보였고, 이를 확대하여 생각한다면 인간 또한 식생활에 의해 장내 미생물 조성의 변화에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 vender에 따른 장내 미생물 조성의 차이를 잘 참고하여 연구자들이 실험을 수행한다면 보다 효과적인 신약 개발이 가능할 것으로 생각된다. ● VCGID database

수평적 유전자 이동은 미생물의 계통분류와 진화 연구에 있어서 혼선을 주는 부분이기도 하며 항생제 내성을 가진 유전자들이 이를 통하여 이동하기도 하는 만큼 보건, 의학, 축산, 농학 등의 분야의 연구에서도 고려해야 할 사항이다. 이에 본 연구진은 양돈 농가에서 큰 문제가 되고 있는 콜레라의 원인균인 Vibrio cholerae 에 대해서 이러한 유전자의 집단 이동 단위인 genomic island에 대한 데이터베이스를 제작하였다. 이를 위하여 비교유전체에서 일정하게 연속적인 배열을 보이는 유전자 군집을 분석하는 알고리즘을 개발하였고 나아가 이와 같은 군집 주변부의 유전자들을 유전체 세트 안에서 분석한 결과 기존 genomic island외의 신규 genomic island를 예측하였고 이들을 virome 데이터베이스와 비교 분석 하였다. 계통수 상에서 genomic island가 유입된 위치와 비교유전체 상에서의 위치, 해당 genomic island를 가지고 있는 strain의 실제 서열등을 나타낼 수 있도록 하여 완성된 genomic island 데이터베이스를 웹서비스를 통해 제공하고 그 이름을 VCGID(Vibrio Cholerae Genomic Island Database)라 붙였다. 본 알고리즘을 활용한다면 다른 농축산 관련 질병을 유발하는 원인균에 대해서도 genomic island를 찾아내고 이에 대한 방역 대책을 세우는 데 자료가 될 수 있을 것이다. 122 |

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● pan/ccore-genome database 구축 및 마이크로바이옴의 gene catalogue database 구축

우선 Lactobacillus 등 주요 분류군에 대하여 각 분류군에 속하는 양질의 genome들을 모은 후 이들을 기반으로 pan genome 및 core genome 데이터베이스를 구축하였다. 이들 데이터베이스를 r e f e r e n c e 로 하여 o p e n -r e f e r e n c e 방식을 채택하여 s h o t g u n metagenome의 각 read들을 클러스터링하고, 그 결과를 바탕으로 non-redundant한 gene catalogue database를 구축하였다. 이와 같은 대용량의 gene catalogue 데이터베이스의 구축으로 향후 새로이 확보되는 농축산 메타유전체 데이터에 대해 놓치거나 잘못 분류되는 정보 없이 보다 정확한 분석이 가능할 것으로 여겨진다.

연구성과 Comparative genomic and phylogenomic analyses clarify relationships within and between Bacillus cereus and Bacillus thuringiensis: proposal for the recognition of two Bacillus thuringiensis genomovars I Baek, K Lee, M Goodfellow, J Chun - Frontiers in microbiology, 2019

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앞으로의 계획 3~4차년도에는 2차년도까지 구축된 데이터베이스와 분석기술을 적용하여 대규모의 메타유전체를 빠르고 정확하게 분석할 수 있는 파이프라인을 만들어 사업단 내에서 협력을 통해 분석 지원 및 결과물을 서비스 할 수 있는 웹서비스를 구축할 예정이다. 이는 2차년도에서 완성된 gene catalogue를 이용하여 short read를 classify 할 수 있는 군집화 알고리즘을 만들고 이를 통한 대규모의 microbiome gene profile database를 완성하는 것으로 제공 가능하다. 이 과정에서 다양한 알고리즘을 테스트 할 것이며 deep learning 및 information theory 기반의 고도화된 분석 기법을 통해 병목을 해결하여 시간 단축 및 정밀도가 향상된 최적의 분석 파이프라인을 완성 할 계획이다. 또한, 같은 시료로부터 생산된 메타유전체 및 메타전사체 세트 데이터를 통합 분석 가능한 파이프라인을 추가하여 이를 시각화 할 수 있도록 제공할 것이다.

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관련 분야 동향 및 전망 현재 유전체 정보는 규모가 폭발적으로 증가하고 있으며, 이에 대한 데이터베이스 구축이 해당 산업에서 결정적인 역할을 하고 있다. 해당 분야는 해외에서는 물론 국내에서도 여러 산업에서 관심을 가지고 있고, 웹서비스를 통해 메타유전체의 분석결과를 서비스할 것을 목표로 하고 있다.

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연구역량 강화

자유주제  1 기능성 단일 세포 고속 분리 및 유전체 분석을 위한 라만분광법 기반 미생물 탈착 기술 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 연세대학교

주관연구책임자

이태권 교수 연세대학교 생태환경생명공학 연구실

연구목표 나노입자와 라만분광법을 활용하여 기능성 미생물 자원을 단일 세포 (single cell) 수준에서 선별 및 분리를 통해 유전자원을 확보할 수 있는 원천 기술 개발을 최종 목표로 하고 있다.

연구내용 연세대학교 생태환경생명공학연구실은 자성 나노입자를 활용하여 환경시료로부터 기능성 미생물 군집을 분리하고, 라만분광법을 활용하여 기능성 단일 세포를 선별 및 분리하여 유용한 유전자원을 확보하는 기술을 개발 중에 있다. 이 기술을 활용하여 가뭄 조건에서 식물-미생물 간의 상호작용을

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통해 식물의 내건성을 향상시키는 핵심 미생물을 검측 및 분리할 예정이며, 분리된 단일세포 유전체의 비교 분석을 통해 신규 내건성 향상 메커니즘을 규명하고자 한다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 자성 나노입자 제작 및 기능성 미생물 분리 기술 개발 염 화철 이온과 수산화 이온의 합성으로 만들어진 자성 나노입자에 Poly(allylamine hydrochloride)를 코팅하여 미생물 분리에 적합한 자성 나노입자를 제작하였다. 이를 활용해 토양 시료 내의 미생물 군집 중 페놀을 기질로 사용하는 미생물 군집을 분리하는데 성공하였다. 분리한 군집의 실제 페놀 분해 효율을 평가한 결과, 분리한 페놀 분해 군집은 48시간 이내에 300 mg/L의 페놀을 분해하였고 비분해 군집과 비교하면 약 31%정도 높은 페놀 분해 효율을 보였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 한국미생물생명공학회, ASME, ISME에서 개최한 각 3개의 학술대회에서 포스터발표를 하였다. 2. Ramanome 분석 파이프라인 구축 및 가뭄 환경에서의 라만 특이성 분석 국내 라만 제작 업체 NanoBase와 협업하여 미생물 검측 및 분리용 라만 분광현미경을 제작하였다. 라만 분광현미경은 분광기와 초점, Grating 등에 따라 라만 스펙트럼의 특성이 민감하게 변화하므로 라만 분광현미경에 적합한 스펙트럼 분석 파이프라인 구축이 필요하다. 따라서 본 연구진은 R 프로그램의 Chemospec package를 활용하여 Raw data를 baseline correction, Normalization, Alignment 등의 단계를 거쳐 스펙트럼을 전처리하고 고품질의 대표 Ramanome을 확보할 수 있는 파이프라인을 구축하였다. 전처리된 라만 스펙트럼을 활용해 총 10종의 표준 질소고정 균주의 라만 스펙트럼(Raman shift 400-1800 cm-1 구간)을 기반으로 계통학적 판별이 가능함을 확인하였다. 가뭄에 내성을 가지는 균주 3종(Achromobacter piechaudii, Arthrobacter chlorophenolicus, Azospirillum

halopraeferens)과 가뭄에 민감한 균주 3종(Azospirillum lipoferum, Derxia gummosa, Rhizobium soli)을 일반 조건과 가뭄 조건(Polyethylene Glycol 25% 주입=약 1.0 Mpa)에서 배양하여 균주별 Ramanome 비교 분석을 하였다. 그 결과, 가뭄에 민감한 균주는 단백질과 지질을 의미하는 Raman peak가 증가하였고 핵산을 의미하는 peak가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 가뭄에 내성을 가진 균주는 일반 조건에서 배양한 Ramanome과 가뭄 조건에서 배양한 Ramanome의 차이가 크지 않음을 확인했다.

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자유주제 1

3. 가뭄 환경에서의 미생물 활성 중수 기반 평가 미생물을 40% 중수와 함께 배양하면 활성이 있을 때 미생물의 라만 스펙트럼에서 CD peak (Raman shift 2040-2300 cm-1)가 나타나므로 미생물의 활성 여부를 평가할 수 있다. 가뭄 내성 균주 3종과 가뭄 민감성 균주 3종을 각각 일반 배양하거나 가뭄 환경에서 배양한 후 라만 스펙트럼을 측정한 결과, 가뭄 민감성 균주 3종은 모두 가뭄 환경에서 CD peak를 보이지 않았지만 가뭄 내성 균주 3종은 모두 가뭄 환경에서도 CD peak를 보였다. 이로써 가뭄 내성 균주가 가뭄 환경에서 활성이 있음을 라만 분광현미경으로 판단할 수 있음을 확인했다.

가뭄 내성 균주와 가뭄 민감성 균주의 활성 차이

4. 라만 레이저 활용 슬라이드 글라스 및 미생물 포집 Chip 제작 본 연구진은 라만 레이저 활용이 가능한 슬라이드 글라스와 미생물 포집 Chip을 제작하였다. 슬라이드 글라스는 현미경 상으로 미생물의 위치 확인이 가능하며 라만 간섭 현상이 적은 Quartz 슬라이드를 기본으로 하였다. 슬라이드 글라스 표면은 Pulse laser 사용 시 미생물을 보호하며 산화될 수 있는 Indium Tin Oxide (ITO)로 코팅하여 제작하였다. 미생물 포집 Chip은 성형이 용이하고 재사용이 가능한 PDMS 재질로 제작하였고 1개의 Chip에 미생물 포집 Well을 30개씩 제작하여 탈착 시 PBS buffer 또는 Lysis buffer를 주입한 후 미생물을 포집할 수 있도록 제작하였다. 5. Pulse laser 활용 미생물 탈착 기술 개발 및 환경 시료 적용 가능성 확인 E .coli 시료를 건조시킨 ITO 코팅 슬라이드 글라스와 본 연구진이 제작한 미생물 포집 Chip을 126 |

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고정시키고 Single cell의 위치를 확인하여 PBS buffer가 들어있는 미생물 포집 Chip의 Well에 Pulse laser로 균주를 탈착 시켰다. 실제로 미생물이 Well에 탈착 되었는지 확인하기 위해 분리된 Single cell의 유전자를 MDA를 이용하여 증폭시킨 후 PCR을 통해 균주의 존재 여부를 확인하였다. Pure culture 뿐 아니라 환경 시료에도 적용이 가능한지 확인하기 위해 ITO 코팅 슬라이드 글라스에 Cryosection한 콩과작물의 뿌리 혹을 고정시켜 뿌리 혹 내부의 균주를 탈착하였다. 균주를 탈착한 Well을 동일하게 MDA를 이용하여 유전자를 증폭시킨 후 균주의 존재 여부를 확인하였다. 균주가 탈착 된 것으로 확인된 시료는 시퀀싱 분석을 통해 뿌리 혹 내부의 균주에서 기인한 것이 맞는지 비교 확인할 예정이다.

Pulse laser 활용 Single cell 탈착 기술 모식도 및 탈착 전후 비교 사진

6. 라 만 이미징 기술을 활용한 내건성 공생 미생물의 생태지위 분할(ecological niche partitioning) 규명 식 물 공생 미생물은 가뭄 환경에서 수분 부족 스트레스로 인해 생리적 활성이 변화하며 활성의 차이에 따라 식물 근권 내의 거주 공간 이동이 발생한다. 이에 따라 발생하는 생태지위의 분할을 라만 이미징 기술을 활용하여 규명하고자 하였다. 현재까지 본 연구진은 라만 이미징 기술을 활용해 Cryosection한 콩과 작물의 뿌리 혹 단면에 존재하는 미생물을 Phenylalanine peak (Raman shift 1003 cm-1) 혹은 CH peak (Raman shift 2900 cm-1)로 이미지화 할 수 있는지 여부를 확인 하였다. 더 나아가 라만-동위원소 연계기술을 활용하여 내건성 공생 미생물의 생리적 활성에 따라 생기는 라만 스펙트럼의 차이로 활성 균주의 위치를 분석하고자 한다. 이로써 내건성 공생 미생물의 식물 조직 내의 생태지위가 분할되는 현상을 규명할 수

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자유주제 1

있으며 가뭄 환경에서 식물과 미생물의 공생 관계 변화를 추적할 수 있을 것으로 전망된다.

뿌리 혹 단면 광학 이미지 및 CH peak 기준 라만 이미지

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앞으로의 계획 가뭄조건에서 식물-미생물 공생 균주의 단일세포 유전체 분석 식물생장 챔버에 13CO2를 주입하여 콩과작물을 재배하면 당류가

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C동위원소로 치환되고

13

C로

치환된 당류를 기질로 하여 성장한 공생미생물 또한 동위원소로 표지될 것이라 예상하여 실험을 진행할 계획이다. 동위원소로 표지된 근권 미생물들을 라만분광법으로 검측하여 공생미생물의 존재 유무를 확인할 것이다. 또한 pulse laser를 이용하여 단일세포 탈착하고, 탈착된 단일세포에서 확보된 16S rRNA와 protein-coding marker gene을 이용해서 intra 혹은 inter phylum 수준의 계통분석을 수행하여 기알려진 참조 유전체 혹은 메타지놈과와 비교분석을 수행한다. 유전체 분석을 통해 내건성 식물생장촉진 유전자와 가뭄에서의 생장유지 관련 기능성 유전자를 선별할 예정이다.

식물 내건성 향상 미생물의 신규 메커니즘 규명 및 적용성 평가 고속 분리된 single cell의 유전체 비교 분석을 통해 판별된 가뭄내성과 관련 있는 막단백질과 식물 내건성 향상에 관련된 핵심유전자를 활용하여 가뭄환경에서의 식물-미생물의 신규 공생관계 메커니즘을 발굴할 예정이다. 식물 내건성 향상 핵심 single cell 배양에 성공한 균주를 대상으로 128 |

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가뭄조건에서 식물식물재배실험을 수행하여 생장촉진 활성을 확인 할 것이다. 이에 따라 가뭄 시에도 작물생산량의 저하를 막아 식량문제를 해결할 수 있으며 추가적으로 single cell 검측 및 분리기술을 통해 미생물 생태계에 대한 이해도를 높여 기능성 유전자원 개발 및 확보에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

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관련 분야 동향 및 전망 라만분광법을 활용한 기능성 미생물 분리 기술 동향 국내에서 라만분광법은 식품 내 일부 병원균을 검측 하는 목적으로 주로 활용되고 있으나 일반적인 환경시료에서 활용한 경우는 알려진 바 없다. 반면에 2010년 이후 영국, 독일, 오스트리아, 중국 등을 중심으로 라만분광법을 활용한 미생물 검측에 대한 논문과 특허가 폭발적으로 증가하였으며 식품분야에서 주로 활용되어 식중독을 일으키는 Salmonella 균주 검측 기술은 표준화된 기술이 존재한다. 그러나 국외에서도 국내 연구 동향과 마찬가지로 대부분의 연구가 미생물 검측 자체에 집중되고 있으며 환경시료로부터 유용 균주를 분리하여 유전체 분석에 응용하는 분야는 2015년 이후에 제한적으로 나타나고 있다. 이에 반해 본 연구는 환경 시료에서 단순 미생물 검측 뿐 아니라 기능성 미생물을 단일 세포 수준으로 대량 고속 분리가 가능할 것으로 판단된다.

단일 세포 수준의 유전체 분석 기술 동향 단일 세포 수준의 유전체 분석 기술은 단일 세포를 분리하여 유전체 정보를 분석하는 기술로 다양한 세포의 유전체 정보를 동시에 분석하는 기존의 유전체 분석 방식과는 다르다. 단일세포 유전체학은 빠르게 발전하고 있으며 미생물부터 암까지 이르는 다양한 생물 분야에 영향을 주고 있다. 현재까지의 단일 세포 유전체 분석 기술의 요소 기술로써 단일 세포 분리 기술과 유전체 증폭 기술이 있다. 현재 FACS, Microfluidics, Flow Cytometry sorting 등의 방법으로 단일 세포를 분리하여 단일 세포 유전체를 분석하는 기술은 환경, 의학연구, 유전공학 등의 다양한 분야에서 활용 중이며 이와 동시에 단일세포의 유전체를 좀 더 정확하고 균일하게 증폭시키기 위한 방법들이 개발되고 있다. 최근 중합효소연쇄반응(PCR) 기반 기술의 낮은 분석범위와 항온기술(다중전위반응(MDA))의 균일성 부족을 극복하기 위해 ‘중첩 프라이머-중합효소연쇄반응 대체기술(DOP-PCR)’과 ‘냉각고리-증폭주기 기술(MALBAC)’이 개발되었다. 아직 단일세포의 변이 등의 문제로 유전체 분석에 어려움이 여전히 존재하고 있지만 수년 내로 극복 될 것이라 예상되며 단일세포 수준의 유전체 분석으로 인해 기존 유전체 연구가 풀지 못한 질문들이 해결이 되고 기술 또한 더욱 단단하게 정립될 것이라 예상한다.

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연구역량 강화

자유주제  2 우리나라 자연발효식품 내 유용 효모 및 초산균 발굴 및 유전체 분석

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연구목표 및 내용 주관연구기관 건국대학교

주관연구책임자

김동현 교수 건국대학교 김동현 교수 연구팀

연구목표 및 내용 본 팀의 연구목표는 NGS 분석기술을 활용하여 우리나라 자연발효식품 내 유용 효모 및 초산균 군집을 효율적으로 프로파일링하고, 농축산분야 유용 프로바이오틱스 자원을 탐색 및 발굴하는 것이다. 주요 연구 내용은 1차년도(2018)에 메타지놈 분석을 통한 자연발효식품 내 효모 및 초산균 군집 프로파일링하는 것으로, 국내 자연발효식품을 수집 및 확보하고 이로부터 효모 및 초산균 군집 탐색 및 프로파일링(qPCR 활용 효모 및 초산균 신속 탐색 및 NGS 활용 군집 검증) 후 배양 조건 최적화를 통한 효모 및 초산균 분리 조건을 확립을 하였다. 이어 당해 2차년도(2019)는 자연발효식품 내 유용 효모 및 초산균 분리 및 확보에 주력하는 연차로, 유용 효모 및 초산균 분리 및

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프로바이오틱스로의 특성을 평가하고, 선발된 유래 유용 효모 및 초산균 확보 및 미생물자원은행에 기탁함과 동시에 국내외 유전체 데이터베이스에 유전자원 기탁 및 지적 재산권을 확보하는 것이다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 본 연구팀은 지난해 우리나라 자연발효식품(식초 및 발효유 등)의 메타지놈 군집분석을 통하여 다수의 효모와 초산균주를 확인하였고, 프루브 방식을 활용한 신속 검출 정량기법 및 최적 선택배지 개발을 통하여 자연발효식품으로부터 매우 작은 군집으로 존재하고 있는 효모 및 초산균주를 분리하였다. 당해에는 분리된 균주들을 대상으로 프로바이오틱스로의 적용 가능성을 확인하고자 다양한 측면에서의 프로바이오틱스 스크리닝 검사를 실시하였다. 좋은 프로바이오틱스가 되기 위한 세 가지 조건인 건강 유용 기능성, 안전성, 숙주 소화기계 내 생존성 등을 가장 잘 만족하는 후보 미생물 분리주를 확인하기 위하여 1차년도에 분리한 8개의 초산균주를 대상으로 in vitro 및 in

vivo 스크리닝을 실시한 결과, 막걸리식초에서 분리해낸 Acetobacter pasteurianus MGLV 균주와 케피어에서 분리해낸 Acetobacter fabarum DH1801 균주가 가장 좋은 in vitro 특성을 발휘하여, 두 균주를 사용하여 실험동물을 이용한 in vivo 실험을 실시하였다. 두 균주 모두 마우스의 장내미생물총을 현저하게 변화시킴을 확인하였으며, 면역지표를 변화시킴을 확인하였다. 한편, 숙주 안전성 측면에서 Acetobacter fabarum 균주는 향후 추가적인 연구가 필요하다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, 효모의 경우 케피어에서 분리해낸 Kluyveromyces marxianus A1, A2, A5등의 효모가 현재 임상적으로 유일하게 승인되어 사용되고 있는 프로바이오틱 효모인 Saccharomyces

boulardii 효모주보다 위장관 생존성이 더욱 우수할 뿐만 아니라 기질 이용 범위도 더욱 뛰어나 향후 산업동물에서 생산성 향상 및 감염성 질병 예방을 위한 프로바이오틱스로의 개발 가능성을 확인할 수 있었다. 특히, 아직 연구가 미약한 초산균에 대해서 고품질의 참조유전체를 확보 및 선점, 연구팀에 공유하고자 분리된 초산균주 3주에 대하여 hybrid de novo assembly 방식을 이용하여 complete genome을 mapping하였다. 뿐만 아니라 분리 미생물들에 대해서도 한국미생물보존센터에 기탁하고 현재 지적 재산권 확보를 위한 준비 중에 있다. iMAF_2019 Vol. 5

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자유주제 2

연구성과 본 연구팀은 상기 연구를 수행하는 과정에서 우리나라 자연발효식품으로부터 초산균만을 선택적으로 분리해내기 위한 신규 배양 배지를 개발하여 JCR 기준 상위 Impact factor 상위 10% 이내 저널인 Food control지에 논문을 게재하고 (Kim et al. 2019, Food Control, 106, 106707), 이에 대한 지적 재산권을 확보하였다 (출원번호: 10-2018-0112985). 또한, 식품 기질로부터 신속하게 초산균 군집을 스크리닝할 수 있는 프로브 검출법에 대해서도 동 저널에 논문을 게재할 뿐 아니라 (Kim et al. 2019, Food Control, 100, 78-82.) 특허를 출원하여 (출원번호: 10-20180135252) 현재 등록을 위한 심사 중에 있다.

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앞으로의 계획 본 과제를 통해 분리 확보한 초산균 중 Acetobacter pasteurianus MGLV의 프로바이오틱스로의 개발 가능성을 확인하여 본 균주에 대한 국제 균주 특허 기탁을 실시하고 해당 균주에 대한 지적 재산권을 확보할 예정이다. 또한 당 균주의 프로바이오틱 효능에 대한 오믹스 분석을 실시하여 이에 대한 SCI급 논문을 저술 및 투고할 예정이다. 또한 연구 과정에서 분리한 초산균의 유전체 및 자연발효식품들의 메타지놈 시컨스 데이터를 NABIC 및 iGEM 데이터베이스에 업로드함으로써 본 사업단의 다양한 연구 팀에서 필요시 사용될 수 있도록 공유함과 동시에 비교 유전체 분석을 통하여 프로바이오틱 미생물에 대한 유전적 이해도를 더욱 높여 나갈 것이다.

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관련 분야 동향 및 전망 현재 우리나라의 프로바이오틱스 시장은 2017년 기준 약 2천억원 규모이고, 우리나라 뿐만 아니라 전 세계적으로도 계속해서 시장 규모 측면에서 상승세를 이어나가고 있는 유망한 고부가가치 산업 분야라고 할 수 있다. 현재 프로바이오틱스 시장을 우점하고 있는 것은 Lactobacillus 속의 유산균과 Bifidobacterium , Bacillus 등의 유익 세균들이 주를 이루고 있으나, 아직까지 본 과제의 핵심 소재인 초산균 및 효모에 대해서는 식품 산업에서만 주로 사용되고 있을 뿐,

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프로바이오틱스로서의 개발은 매우 미흡한 실정이다. 프로바이오틱스 시장을 선도하고 있는 미국 및 일본, 유럽의 다양한 선진국의 경우 기존에 사용되고 있는 균주들에 이어 차세대 프로바이오틱스 소재로서 초산균 및 효모를 임상단계에까지 적용을 시도하는 사례들이 점차 소개되고 있는 반면, 아직까지 국내에서는 이러한 카테고리의 유용 미생물 및 유전 자원에 대한 전반적 관심과 연구개발이 부족한 실정이다. 그 실례로, 인의 및 수의분야 모두에서 국내 시장 제품들을 확인해 보았을 때, 유산균이나 바실러스균을 소재로 한 제품은 손쉽게 찾아볼 수 있는 반면, 효모(아직까지 프로바이오틱 효모가 사용되지 않으며, 대체로 맥주효모나 빵효모를 영양 목적으로 첨가)나 초산균과 관련된 제품은 거의 전무하다. 참조유전체의 경우, NABIC에는 초산균과 관련된 유전정보가 아직까지 등록되어있지 않고, PATRIC genome DB에서 확인해보아도 2019년 9월 기준 36여개에 그친다. 그마저도 대부분은 같은 species의 균들에 대한 정보가 많아, 종의 측면에서 봤을 때 (초산균종이 현재까지 46종이 알려진 것과 비교하면 절반에도 미치지 못하는 수준이며) 아직 밝혀내야 할 유전 정보가 많다는 것을 알 수 있다. 우리나라도 향후 전 세계의 흐름인 수위 ‘생물 자원 전쟁’에 대비하여 다양한 미생물 자원을 확보해두고 이들에 대한 유전 자원 데이터베이스를 확립함으로써 국가 경쟁력을 제고할 필요가 있다. 이러한 시대의 필요에 부응하여, 본 과제에서도 비교적 생소한 미생물 유전 자원을 확보 및 자원화함으로써 생물 자원 다양성 확보에 이바지 하고자 한다.

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연구역량 강화

자유주제  3 오믹스배양기법을 이용한 다기능성 생물방제용 신규 미생물 확보

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연구목표 및 내용 주관연구기관 목원대학교

주관연구책임자

이효진 박사 목원대학교 미생물생태자원연구실

연구목표 - 유기농업자재 개발을 위한 농용미생물 유전자원의 다양성 확보 - 신규 농용미생물 유용자원 탐색을 위한 culturomics 배양기술 개발 - 농·생명의 산업에 활용 가능한 신규 미생물유전자원 발굴

연구내용 - 벼 재배 논토양 생태계 내 세균군집의 다양성 및 핵심세균군집 구조 분석 - 컬처로믹스기법을 이용한 미생물 유전자원 배양기술 설계 및 다양성 확보 - RT-PCR 분석을 통한 미생물 유전자원(광합성세균, 질소고정세균, 길항미생물)의 정량 평가 - 농·생명산업에 활용 가능한 미생물 유전자원 발굴(작물생육용 및 병해충방제 유기농업자재) - 신규미생물 유전자원의 whole genome 분석 및 다상분류법에 의거한 분류·동정 134 |

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 메타지노믹스분석법을 이용한 논토양 생태계 내 핵심세균군집 구조 분석 본 연구는 20년 이상 장기 관리한 벼 재배 논토양(산화, 환원층)을 대상으로 차세대 염기서열 분석법인 Pyrosequencing 방법을 이용하여 논토양 내 세균군집의 다양성 및 핵심 세균군집구조를 밝히고자 하였다. 논토양 내 세균군집은 총 70개의 계통군으로, Proteobacteria (34.2~44.7%), Chloroflexi (5.8-19.5%), Acidobacteria (7.3-14.5%), Bacteriodetes (3.612%) 그리고 Verrucomicrobia (6.0-10.9%) 등 15개의 계통군이 주요 세균군집으로 확인되었다. 논토양 내 핵심세균군집 구조를 밝히기 위해, QIIME program을 이용하여 벤다이어그램으로 해석한 결과, Geobacter, Alcaligenaceae, Myxococcales, Rhodoplanes, Cytophagaceae, Sphingobacteriales_uc, Verrucomicrobia, Cyanobacteria, Chloroflexi, Nitrospirae 등이 핵심세균군집으로 확인되었다. 이들 계통군은 논토양 내에서 메탄생성, 철(Fe )산화, 환경오염물질(비소, 우라늄) 분해 등 토양 정화작용, 식물생육촉진능, 길항작용, 유기물 분해작용 및 탄소·질소 물질순환에 관련된 OTU로 구성되었다.

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자유주제 3

2. 컬처로믹스기법을 활용하여 자색광합성세균, 질소고정세균의 다양성 확보 - 자색광합성세균 다양성 확보 작물생육용자재로 활용 가능한 자색광합성세균 유전자원 다양성을 확보를 위해 토양시료 분산처리법, 배양조건, 배양배지 등을 고려한 컬처로믹스 배양기술을 이용하여 자색세균 710균주를 분리하였다. 자색광합성세균으로 판정하기 위해 pufLM 유전자 증폭 및 광합성색소 분석(BChl)을 통해 자색광합성세균 500 균주를 확보하였다. 자색광합성세균 500균주의 16S rRNA 유전자 염기서열을 해석한 결과, Proteobacteria, Firmicutes 그리고 Actonobacteria 계통군에 속하는 14科 20屬의 다양한 계통군을 확보하였다.

- 질소고정세균 다양성 확보

질소고정세균 다양성 확보를 위하여 무질소배지, 혼합평판법, 배양조건 등을 고려한 컬처로믹스배양기술을 이용하여 토양세균 2,810균주를 분리하였다. 이들 균주를 대상으로 질소고정세균으로 판정하기 위해 nifH 유전자 증폭 및 아세틸렌환원능 분석을 통해 질소고정세균 500 균주를 수집하였다. 질소고정세균 500균주의 16S rRNA 유전자 염기서열을 해석한 결과, Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes 그리고 Actinobacteria 계통군에 속하는 24科 37屬의 다양한 계통군을 확보하였다.

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3. 농·생명산업에 활용 가능한 미생물 유전자원 발굴 분 리된 PGPR 미생물유전자원(자색광합성세균, 질소고정세균) 1,000 균주를 대상으로 농·생명산업에 활용 가능한 미생물 유전자원을 발굴하기 위하여 식물생장호르몬인 indole-3acetic acid(IAA) 생성능을 검토하여 170~1,970uM IAA 생성능을 보이는 88균주를 1차 선발하였으며, 이들 88균주를 대상으로 실내시험과 필드시험을 통해 생육능을 검토하였다. 실내시험으로 오이종자의 발아능과 유묘활력을 평가한 결과 발아능에서는 균주간에 큰 차이를 보이지 않은 반면 유묘활력은 Porphyrobacter sp. COR-2, Elioraea sp. PF-30 그리고,

Porphyrobacter sp. MO-37 균주에서 측근수의 발생이 우수하였으며, 대조균주 Rhodobacter capsulatus 에 비해 약 1.2~1.68배 향상되었다. 필드시험은 실내시험에서 확보된 3균주를 대상으로 벼 육묘장에서 육묘생육효과를 평가한 결과 Porphyrobacter sp. COR-2 균주와

Elioraea sp. PF-30 균주는 무처리구와 대조균주인 Rhodobacter capsulatus 에 비해 초장, 경수 및 중량이 향상되었으며, Duncan의 다중 검정 결과 5% 수준에서 통계적 유의성이 인정되어 유기농업자재 활용 가능성이 판정되었다.

4. 신규미생물 유전자원의 Whole genome 분석 및 다상분류법에 의거한 분류·동정 -E lioraea sp. PF-30 균주의 Whole genome 분석

식물생육촉진 자색광합성세균 Elioraea sp. PF-30 균주의 whole genome 분석을 통해 유전자의 특성을 평가한 결과, 식물생육촉진효과에 관여하는 인산가용화효소, 옥신 생성 그리고 질소고정 유전자들을 포함하고 있었다. 식물생육촉진미생물로 알려진 Rhodobacter

sphaeroides 균주와의 유전자분석을 비교·검토한 결과, Elioraea sp. PF-30 균주의 경우, 인산가용화효소(ppa, phoD), 질소고정(FixH / G/ S, NtrX, cysE) 유전자를 포함하고 있는 것으로 나타났다. iMAF_2019 Vol. 5

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자유주제 3

- Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 Whole genome 분석

식물생육촉진 질소고정세균(자색광합성세균) Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 whole genome 분석을 통해 유전자의 특성을 평가한 결과, 식물생육촉진효과에 관여하는 인산가용화효소, 옥신 생성, 질소고정 그리고 siderophore 유전자들을 포함하고 있었다. 식물생육촉진미생물로 알려진 Rhodobacter sphaeroides 균주와의 유전자분석을 비교·검토한 결과, Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 경우, 인산가용화효소(ppa, phoD), 질소고정(FixH / G/ S, NtrX, cysE) 그리고 siderophore (Fiu, entE, dhbE, vibE, mxcE)유전자를 포함하고 있는 것으로 나타났다.

Description of Elioraea roseus sp. nov. PF-30 - Cells were Gram-stain-negative, motile and non-spore-forming rods. Colonies are circular, convex with entire margins, mucoid, translucent, pink on PSB after incubation for 5 days at 28°C.

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- Oxidase-positive and catalase-negative. Nitrate is reduced to nitrite. Gelatin, urea, casein, cellulose (CM-cellulose) and starch are not hydrolysed. - The major fatty acids were identified as C18:0 and C18:1 ω7c and isoprenoid quinone was Q-10. - The draft genome of strain PF-30T contained contigs, with a total length of 4,487,661bp and N50 length of 92,038bp (GenBank accession no. VFAC00000000). The average nucleotide identity (ANI) values between strain PF-30T and closest relative E.

tepidiphila TU-7T was 75.1%. - The DNA G+C content of the type strain is 69.9 mol%. - The type strain, PF-30T (=KACC 19985T=NBRC 113984T), which was isolated from floodwater of a paddy field.

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앞으로의 계획 - 논토양 내 미생물 유전자원(항균활성 길항미생물)의 정량 평가(RT-PCR 분석) - 논토양 내 미생물 유전자원(항균활성 길항미생물)의 다양성 확보 - 유기농업자재(병해충방제)로 활용 가능한 미생물 유전자원 발굴 •벼 잎집무늬마름병(Rhizoctonia solani) 항균활성 길항미생물유전자원 수집 •세균벼알마름병(Burkholderia glumae) 항균활성 길항미생물유전자원 수집 - 벼 병해충의 생물학적 방제 효과 •항균활성 길항미생물을 이용한 종자 또는 육묘 소독 효과 •항균활성 길항미생물을 이용한 식물병 억제 효과 - 오믹스배양기술을 기반으로 한 농용미생물 유전자원의 대량배양법 구축 - 신규 농업미생물자원의 활용을 위한 유전자원 등록 및 정보화 •유용미생물 유전자원을 국내·외 유전자은행(KACC, NBRC 등) 균주 기탁 예정 •다상분류법에 의거하여 신규 미생물 유전자원의 확보 및 IJSEM 논문 게재 예정

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연구역량 강화

자유주제  4 장내 마이크로바이옴 기반 식품 기능성 평가 시스템 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 제주대학교

주관연구책임자

운노타쯔야 교수 제주대학교 운노타쯔야 교수 연구팀

연구목표 건강기능식품이 장내미생물에 주는 효과를 in vitro 로 실현하고, Metagenomics를 이용한 crossomics 분석을 통해 건강기능식품의 효능을 예측 가능하게 하는 시스템을 개발하고자 한다.

연구내용 - In vitro Gut Microbiome 연구 : 건강기능식품의 기능성을 평가하기 위해서는 in vivo 실험이 보편적으로 진행되고 있는데, 본 연구에서는 건강기능식품평가를 위한 in vivo 실험을 대체하기 위한 in vitro 차세대 건강기능식품평가시스템을 구축하고자 한다. - Cross-Omics 기반 SCFAs 생산경로 예측 : 본 연구에서는 장내미생물의 수많은 역할들 중 Short Chain Fatty Acids(SCFAs) 생성에 초점을 맞추어 미생물 생태, 메타유전체 분석을 통하여 140 |

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SCFAs 발생 과정을 예측하고, 건강기능식품 가각에 대한 특징을 알아내고자 한다. - 현재 건강기능식품 개발은 보편적으로 동물실험으로부터 효과를 검증하고, 윤리적인 문제로 임상실험이 쉽게 이루어지지 않고 있다. 이와 같은 이유로 건강기능식품을 구입 및 섭취하는 소비자들은 해당 제품이 어떻게 인체에 적용이 되어 유익한 효과를 나타내는지에 대한 이해가 부족한 실정이다. 이에 본 연구 개발 시스템은 임상실험 없이 건강기능식품이 사람의 장내미생물에 미치는 영향을 예측가능하며, 소비자들에게 건강기능식품 효과에 대한 관심을 유도할 수 있을 것이라 판단되어진다. - 본 예측시스템은 동물실험을 대체가능한 건강기능식품평가시스템으로, 동물실험 및 임상실험 보다도 신속하게 건강기능식품의 효과를 검증할 수 있어 비용 및 시간 점감 효과를 기대할 수 있으며, 해당 연구 분야 발전에 큰 영향력을 기여할 것이라 판단되어진다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 건강기능식품평가시스템의 가능성을 검증 - Acetate와 propionate는 청국장을 섭취하지 않고 만들어진 분변(BF)과 섭취하여 만들어진 분변(AF)을 각각 Fecal Fermentation에 사용하였을 때 모두 0 시간에 비하여 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다(p<0.05). 반면, 앞에 두 분변을 각각 사용하여 FF를 2시간 진행하였을 때에는 두 최종발효산물 간의 acetate 함량비교에서는 유의적인 차이는 나타나지 않았다. Butyrate는 AF 분변을 사용한 FF 시 0시간 대비 유의적 증가가 나타나는 것으로 확인되었고, BF에서는 유의적인 차이가 나타나지 않았다.

또한, 각각 BF 와 AF의 FF가 2 시간이 되었을 시의 발효산물 간 비교에서도 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 이를 통해 본 연구진은 피험자가 직접 청국장을 섭취하지 않아도 섭취한

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자유주제 4

것과 비슷하게 FF과정에서 주요 SCFA를 증가시킬 수 있을 것이라 판단되며, 본 연구 개발 차세대 건강기능식품평가시스템의 가능성을 검증하는 것이라 사료된다. - NMDS 상에서 미생물생태를 비교하였을 때, 청국장 섭취여부와 관계없이 Sample 그룹의 미생물 생태는 모두 같은 방향으로 생태가 변하는 것으로 확인 되었고 ANOVA결과에서는 섭취여부와 관계없이 Blank 그룹간 및 Sample그룹간 차이가 없는 것으로 확인되었다. 이는 본 연구개발 차세대 건강기능식품평가 시스템의 가능성을 검증하는 것이라 판단된다.

발효산물 내 시간별 SCFAs 함량 변화

OTUs를 기반한 NMDS 상 미생물생태 유사성 비교

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2. 건강기능식품(김치, 청국장, 가르시니아)의 Short Chain Fatty Acids (SCFAs) 생성과정이 예측 가능한 Cross-Omics 분석 pipeline 개발 - 김치, 청국장, 가르시니아 Fecal Fermentation 시간대별 SCFAs 함량을 비교한 결과 시간에 따른 SCFA 함량의 변화를 GC-MS를 이용해 총 3가지의 SCFAs를 정량 분석 하였다. 그 결과, BLK그룹과 SCFAs중 Butyrate중 30분만을 제외한 건강기능식품 그룹에서 SCFAs가 모두 유의적으로 증가 한 것을 확인하였다. 특히, 세 개의 그룹 모두 60분과 120분 사이에서 가장 급격하게 증가했으며 SCFAs가 증가하는 양상도 모두 비슷했다. - NMDS 분석 결과 가장 큰 차이는 BLK 그룹과 건강기능식품 그룹 간 미생물 생태 차이가 뚜렷하게 구분 되었다. 이는 건강기능식품이 사람의 장내미생물에 변화를 준다는 것을 증명함과 동시에 In vitro 실험 방법이 다양한 건강기능식품의 효능을 검증하기에 적합하다는 것이라 사료된다.

발효산물 내 시간별 SCFAs 함량 변화

건강기능 식품별 NMDS상 미생물생태 변화

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자유주제 4

3. 발효산물 내 DNA 로부터 Shotgun Sequencing을 이용한 Cross-omics 분석 pipeline 구축 - 현재 발효산물 내 DNA 로부터 Shotgun Sequencing이 완료되어 분석 진행 중이며, 미생물생태분석과분석 및 차별 발현 유전자(Differentially Expressed Gene, DEG) 및 기능성유전자분포분석을 통해 SCFA 생성경로를 예측할 것이다. 이를 토대로 Multi-Omics간 상관관계를 확인 할 수 있는 Cross-Omics pipeline을 구축하고자한다.

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앞으로의 계획 건강기능 및 비건강 식품과 다양한 장내미생물간 상관관계분석 - 3차년도에는 2차년도에서 모집한 피험자 100명과 질병관리본부 CODA로부터 얻은 1,436명의 장내미생물 생태 정보를 합쳐 20명의 피험자를 선별할 예정이며, 선별된 피험자들의 분변샘플을 이용하여 건강기능식품 및 비건강식품 GID-FF로 처리 후 개인별 장내미생물차이에 따른 microbiota shift 및 SCFA 발생량 비교분석을 진행할 계획이다.

기능 및 비건강 식품과 장내미생물간의 상관관계 및 SCFA 생산경로 비교분석 - 2차년도에 구축한 Cross-Omics 분석 pipeline을 토대로 3차년도에서 실험한 피험자 중 건강기능식품 및 비건강식품에 대해 큰 차이를 보인 세 명의 피험자를 선별하고, 메타유전체 및 메타전사체분석을 통해 1, 2차년도의 한 사람 분변을 이용하여 구축한 기능성식품평가시스템을 활용하여 여러 사람의 장내미생물생태에 따라 달라지는 건강기능식품의 효과를 파악할 계획이다.

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관련 분야 동향 및 전망 국내 기술 수준 및 시장 현황 - 2015년을 기준으로, 국내 건강기능식품 업체 수는 487개사 (전년대비 9.9% 증)이며, 건강기능 식품 제품 수와 업체당 평균 매출액(37억 4천만 원, 전년대비 5.6%)은 지속적으로 증가세를 유지하고 있다. 한편, 휴먼 마이크로바이옴 분야는 기능성 제품·치료제 등 다양한 시장의 수요가 존재함에 따라 높은 발전 가능성을 가지고 있으나 우리나라는 아직 연구초기 단계에 머무르고 있다.

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- 2017년도 과학기술연감에 따르면 차세대 바이오 분야에서는 국민의 삶과 밀접하게 연관된 감염병 국제연구, 다제내성세균(슈퍼박테리아)의 진단, 치료, 오믹스(Omics), 한국인의 호발성질환 관련 유전체연구 등 차세대 미래 유망 분야를 발굴하기 위한 기초·원천 중장기 핵심 원천기술 확보를 추진하고 있다. 또한 장내 미생물과 아토피 피부염, 비만, 암, 당뇨 등 다른 질환과의 관련성을 밝힌 연구는 빠르게 진행되고 있으며, 이를 바탕으로 개인 장내 미생물 환경을 분석해 부족한 분변 미생물군을 이식하거나 프로바이오틱스, 의약품 개발 등에 활용하려는 움직임도 활발히 진행되고 있다. 시장에서는 몇 년 안에 마이크로바이옴을 활용한 개인맞춤형 의료가 현실화될 것으로 전망하고 있으나, 장내미생물 기반 개인 맞춤형 기능성식품 시장은 현재 미미하게 진행되고 있다.

국외 기술 수준 및 시장 현황 - 미국, 유럽 등 글로벌 과학기술 강국들은 휴먼 마이크로바이옴의 중요성을 인지하고, 막대한 자금과 인력을 투입하여 대규모 프로젝트를 진행하였다. 그 결과로 휴먼 마이크로바이옴과 인간 질병 및 건강 간의 상관관계가 속속히 밝혀지고 있으며, 인체 마이크로바이옴 참조 유전체(Reference Genome) 데이터베이스를 구축하고, 이를 통해 3가지 연구분야(염증성 장질환, 당뇨병, 신생아 마이크로바이옴)를 중점으로 군집내 마이크로바이옴 기능을 규명하였다. - 벨기에-네덜란드는 2016년 벨기에인과 네덜란드인을 대상으로 장내 마이크로바이옴의 구성과 참여자들의 생활특성을 연구, 그 결과 개개인의 생활습관에 따라 장내 마이크로바이옴 구성에 공통된 특징을 보이며 건강검진 결과와 마이크로바이옴 군집의 분포는 약 92%의 유의미한 상관성이 있는 것으로 밝혀졌고, 장내 마이크로바이옴에 미치는 영향이 가장 큰 변수는 약물복용 여부로 나타났다. - 글로벌 마이크로바이옴 시장전망은 2022년 5억달러부터 2025년 9억달러까지 연평균 21%씩 성장할 것이라고 예측하였다. - 세계 건강기능식품 시장규모는 ‘15년 기준 1,179억 달러로 추정되며 연평균 7.3% 성장하여 2020년에는 1,677억 달러에 이를 것으로 전망되며, 세계시장에서 가장 큰 규모를 보이고 있는 곳은 미국으로 약 404억 달러 규모이며, 중국은 약 163억 달러, 일본은 약 109억 달러 순으로 나타났다.

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부처공동 연구

작물 마이크로바이옴 벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용 기능 연구

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연구목표 및 내용 주관연구기관 서울대학교

주관연구책임자

이용환 교수 서울대학교 식물균병학 연구실

연구목표 - 벼 재배 환경(토양) 내 미생물 군집의 분포양상과 물리화학적 특성 조사 및 분석을 통한 지속 가능한 논 토양 관리를 위한 platform 구축 - 벼 경작기 동안 근권을 포함한 마이크로바이옴의 시간적·공간적 변화 추적을 통한 특정 미생물의 군집화 양상 예측 시스템 구축 - 벼 종자 내 미생물 군집의 구성과 기능 분석 및 유용미생물 발굴을 통한 종자 마이크로바이옴의 생태학적 이해 - 기후변화와 병해충에 의한 벼 마이크로바이옴의 구조적·기능적 변화 분석 및 환경 스트레스 대응 마이크로바이옴의 활용방안 제시 146 |

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연구내용 연구팀의 생물정보학적 분석 능력을 활용하여 벼 농업생태계를 구성하는 토양과 벼의 마이크로바이옴(세균과 진균 마이크로바이옴)에 대한 시공간적인 변화를 반영한 종합적인 프로파일링과 함께 벼 종자 마이크로바이옴으로부터 추후 기후변화와 병해충에 대응하여 농업적으로 활용할 수 있는 미생물상의 확보 및 평가를 진행하고 있다.

제1협동 연구기관 한국생명공학연구원

제1협동 연구책임자

류충민 박사 한국생명공학연구원 감염병연구센터

연구목표 - 벼 마이크로바이옴에 대한 Dual-RNA-sequencing 분석을 통한 벼와 마이크로바이옴의 상호작용 예측 - 벼 마이크로바이옴 유래 유용 미생물 확보 및 이차대사산물 분석을 통한 식물-미생물 및 미생물미생물간의 상호작용 연구 - 유용 미생물의 선발 및 작물 근권 마이크로바이옴의 엔지니어링과 합성 미생물상 제작 및 평가

연구내용 논 토양 유래 세균과 진균 마이크로바이오타에 대한 연구에 이어 논토양에 존재하는 다양한 혐기성 미생물의 생태를 연구하기 위해 메타지놈기반의 마이크로바이오타 연구와 같은 샘플을 혐기배양기내에서 배지를 이용하여 분리한 세균과 비교 분석 하였다. 벼 근권에 존재하는 혐기세균중에 주된 세균종을 분리하여 벼나 고추와 같은 작물에 처리하여 작물의 생장촉진과 면역유도 검정을 실시하였다. 더불어 선발된 미생물의 휘발성물질을 작물의 근권에 처리함으로 세균 이차대사산물을 이용한 농업 적용 시험을 실시하고 있다.

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작물 마이크로바이옴

제2협동 연구기관 영남대학교

제2협동 연구책임자

전준현 교수 영남대학교 미생물유전체학 연구실

연구목표 - 마이크로바이옴의 기내 실험 모델 구축 및 상호작용 분석 - 벼 마이크로바이옴에 대한 네트워크 분석을 이용한 미생물 간의 상호작용 관계 분석 - 메타전사체 분석 및 메타유전체들에 대한 비교유전체학적 분석 - 네트워크 분석 및 비교유전체 분석 결과에 기반한 식물 마이크로바이옴 기능의 핵심 미생물 동정 및 이들의 이용가능성 탐색

연구내용 미생물 군집은 근본적으로 네트워크를 이루는 특징을 가지고 있으며 이를 통해서 미생물들이 개별적으로 존재할 때에는 나타낼 수 없는 특성과 기능을 보여주게 된다. 이러한 복잡성과 이를 매개로 하는 미생물 군집의 기능을 연구하기 위해서는 단순히 군집의 조성과 구조를 아는 것을 넘어서는 연구가 필요하다. 본 연구팀은 메타전사체와 네트워크 분석을 통해 시스템 수준에서 마이크로바이옴 기능을 파악하고 예측하고자 하는 노력을 하고 있다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : 서울대학교 1. 논 토양의 세균 및 진균 마이크로바이오타의 구조 분석 확보한 252개 토양 시료로부터 세균, 고세균, 진균 바이옴 시료를 확보하여 마커 유전자 기반의

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마이크로바이오타 프로파일링을 실시하였다. 분석된 마이크로바이오타에 대하여 지역과 토질, 경작 방법의 영향을 constrained PCoA를 이용하여 확인한 결과, 지역적 차이에도 불구하고 토질 및 경작 방법이 군집 구조 차이에 유의적인 영향을 주었다. 이 중 경작 방법에 의한 세균과 고세균, 진균 마이크로바이오타의 차이를 보기 위하여 경작 방법에 의해 영향을 받는 operational taxonomic unit (OTU)를 differentially abundant OTU, indicator OTU, Random forest analysis의 세 가지 분석을 이용하여 확인하였으며, 이들이 co-occurrence network 상에서 어떠한 역할을 하는지 분석하였다. 그 결과, 비료미시비 조건을 대표하는 OTU가 모든 netwrok에서 hub로서 역할을 함을 확인하였다.

논 토양 세균과 고세균, 진균 군집에 대한 constrained PCoA 분석(좌)과 관행농 및 비료미시비 조건에 대한 multikingdom co-occurrence network 분석(우)

2. 벼 경작기 동안 근권을 포함한 마이크로바이옴의 시간적·공간적 변화 추적 벼의 경작기에 따라 근권 및 내권(잎, 줄기, 뿌리, 종자) 내부의 세균 및 진균 마이크로바이오타가 어떻게 구성되는지를 확인하였다. 수원과 춘천의 포장을 대상으로 실험을 진행하여 토양 및 뿌리 내권의 마이크로바이오타는 시기에 따라 상대적으로 안정적인 것을 확인하였다. 반면, 지상부에 해당하는 잎, 줄기, 종자의 마이크로바이오타는 시기에 따라 서로 다른 구성을 보임을 확인하였다. 특히, 종자 마이크로바이오타는 지역적 차이에도 불구하고 시기에 따라 서로 유사한 군집 구성을 보였다. 이는 종자 마이크로바이오타의 assembly가 환경 영향보다 기주 식물의 영향을 더 받는 것일 수 있다는 것을 추측할 수 있었다. 이와 더불어 메타유전체 분석을 통해 시기별 근권 및 비근권 토양 마이크로바이옴의 구조 및 기능 변화를 봄으로써 특정 시기에 벼 생장 및 발달에 필요한 미생물을 확인하고 있다. iMAF_2019 Vol. 5

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작물 마이크로바이옴

세균 및 진균 군집의 조직별/시간별 군집 구조의 차이(좌) 및 시간별 종자 군집의 변화(우)

제1협동 연구기관 : 한국생명공학연구원 논 토양에서 혐기적 미생물의 분리 및 식물과의 상호작용 연구 논 토양의 특성상 토양 공극이 적고 담수에 의한 혐기 조건의 형성으로 토양 내 다양한 혐기 미생물들이 존재 할 것으로 예상되어 지금까지 연구가 잘 되지 않았던 논 토양 내 혐기세균과 벼의 상호작용에 대한 연구에 집중하고 있다. 1차년도에 분리한 80여종의 혐기성 세균을 벼의 근권에 처리 후 잎에서 병을 내는 흰잎마름병원균인 Xanthomoans oryzae pv.oryzae 를 접종 시 유도저항성의 효과를 나타내는 4종류의 혐기성 세균을 선발하였다. 또한 고추의 근권에 혐기성 세균을 처리 후

Xanthomonas axonopodis pv. vesicatoria를 처리 시 유도저항성을 보이는 3종의 혐기성 세균을 선발하였다. 또한 이러한 혐기성 세균을 고추 포장에 처리 시 aphid에 대한 저항성 증가와 수확량의 증가효과도 확인 할 수 있었다. 혐기성 세균의 이차대사산물인 휘발성물질에 대한 식물의 생장 촉진과 병 저항성을 유도에 대한 결과도 확인 하였다.

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고추의 근권에 혐기성 세균 Clostridium spp. 처리에 의한 식물면역 유도

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제2협동 연구기관 : 영남대학교 무균체 식물의 확립 및 미생물 분리 무균체 식물 확립은 기술적으로 어려운 부분이 있으나 이 부분이 앞으로 합성미생물상의 기능을 연구하고 미생물이 실제로 식물에 미치는 영향을 정확히 규명하기 위해 반드시 필요한 부분이기 때문에, 1년차부터 지금까지 계속 시도를 하고 있다. 이와 더불어 벼의 근권 및 내권으로부터 미생물들을 분리하는 작업을 수행하였다. 배양 가능한 미생물에 대한 분리는 앞으로도 지속적으로 다양한 배지 조건 및 환경에서 수행을 하여 앞으로 이용이 가능한 유용 미생물을 발굴 할 수 있는 자원으로 활용하고자 한다.

벼의 내권에서 분리한 세균들의 리스트 및 벤다이어그램

벼도열병 발생과 관련되어 있는 마이크로바이옴의 변화를 알기 위해서 벼에 벼도열병 접종 전 및 후에도 이러한 배양 가능한 미생물들의 분리 작업을 수행을 하였으며, Mi-Seq을 이용한 군집 profiling 작업도 수행을 하였다. 이를 통해서 병 접종 전 후의 미생물 군집에서 그 abundance가 변화하는 미생물들을 특정할 수 있었으며 현재 이들 중 일부를 배양하여 그 기능에 대한 연구를 수행 중이다.

벼 접종 전후 뿌리, 줄기, 잎(왼쪽에서부터 오른쪽으로)에서 내권 세균의 abundance 변화

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작물 마이크로바이옴

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앞으로의 계획 주관연구기관 : 서울대학교 주관연구기관 서울대 연구팀은 재배벼(Oryza sativa)가 포함되어 있는 Oryza 속의 다른 17종의 종자와 국내 육성 품종의 종자의 마이크로바이오타를 분석하여 식물의 진화적 요인이 세균 및 진균 마이크로바이오타에 주는 영향을 확인할 계획이다. 또한, 벼 초기 발달단계 및 스트레스 조건에서 종자 미생물 군집의 구조와 기능을 확인하여 벼 생산에 유용한 기능을 수행할 것으로 기대하는 미생물을 확보할 계획이다. 이들을 기반으로 합성미생물군집을 만들어 기후 변화에 따른 환경 변화와 병원체에 의한 영향 속에서 농업 생산성 향상에 기여할 수 있는지를 확인할 계획이다.

제1협동 연구기관 : 한국생명공학연구원 한국생명공학연구원(제1협동) 연구팀은 향후 선발된 세균 이차대사산물인 휘발성물질에 의한 벼의 전사체 분석을 통하여 식물 면역 기전에 대한 연구가 진행중이며, 선발된 혐기세균과 이차대사산물에 의한 마이크로바이옴의 재구성 가능성을 연구할 계획이다. 이를 통해 최종적으로 온실 조건에서 근권마이크로바이옴 엔지니어링을 통해 병 발생 억제 및 벼 생장 촉진 기술을 확보하고 최적화할 계획이다.

제2협동 연구기관 : 영남대학교 영남대(제2협동) 연구팀은 벼도열병균 접종 전후의 근권 및 내권 미생물들 군집에 대한 상호작용 네트워크를 구축하고 이를 통해서 key node나 허브에 해당하는 미생물들을 파악하여, 1-2년차에 분리 배양한 미생물들 중에서 여기에 해당하는 미생물을 찾아내어 그 기능에 대한 연구를 수행하고자 한다.

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관련 분야 동향 및 전망 마커 기반의 군집 프로파일링(amplicon-based community profiling)을 통해 논 토양 마이크로바이옴의 구성과 다양성을 확인하였으며, 특히 벼의 경작방법에 따라 서로 다르게 관리되는 논 토양에서의 세균과 진균 군집의 구조와 다양성을 확인하기도 하였다. 토양과 마찬가지로 벼의 마이크로바이옴에 대한 연구 또한 활발하게 진행되고 있다. 벼의 엽권과 근권을

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중심으로 마이크로바이옴의 구조에 대한 구명과 더불어 벼의 품종 간 마이크로바이옴의 구조적 차이를 확인였으며, 지리적으로 분리된 지역에서 벼를 재배하고 이것에 대한 마이크로바이옴을 분석함으로써 토양 출처에 따른 논 토양 마이크로바이옴의 다양성과 벼 마이크로바이옴의 관계를 보고 있다. 또한, 군집 역학(community dynamics) 측면에서 뿌리 내권 마이크로바이옴 형성에 식물의 선별 과정이 관여함이 예측되기도 하였다. 마이크로바이옴의 구조 및 다양성에 대한 분석과 더불어 그 기능을 분석하는 시도가 이루어지고 있다. 메타유전체학과 메타단백질체학을 이용하여 토양 또는 벼 조직의 마이크로바이옴의 전체 메타유전체를 염기서열분석을 통해 확인된 유전자의 기능을 해독함으로서 마이크로바이옴의 기능을 확인하고 있다. 또한, 벼 뿌리의 세균 마이크로바이옴이 일반적으로 가지고 있는 유전체의 특성이 구명되었다. 최근 토양 환경에 따른 미생물 군집이 식물의 생육 및 발달을 포함한 다양한 형질 변화와 연관되었음이 제시되고 있으며, 단순히 메타유전체를 이용한 미생물 군집 연구 외에도 메타유전체와 메타단백질체를 연결해 군집을 분석하는 등의 새로운 방식의 연구방식을 접목한 연구결과도 발표되고 있다. 특히, 기주식물의 유전체 정보와 마이크로바이옴의 메타유전체 정보를 이용하여 마이크로바이옴의 구조와 기능에 영향을 주는 기주식물 내 유전자좌와 유전자 후보를 확보하고 후보 유전자를 삭제한 돌연변이 식물을 이용하여 이를 밝히는 연구 또한 최근 활발히 진행되고 있다. 농업 미생물 연구는 국내에서 단순 미생물 군집에 대부분의 초점이 맞춰져 있는 반면, 국외의 연구는 농작물의 단순 미생물 군집뿐만 아니라 농작물의 방출물질에 의해서 조절되는 미생물 군집, 미생물 군집에 의해서 제어되는 병충해 관련 연구 등, 농업에 실질적으로 사용할 수 있는 연구가 진행되고 있다. 인간과 상호작용하고 있는 장내 마이크로바이옴은 이제 세컨드 게놈(Second genome)으로 개인 맞춤형 의료를 위한 필수 정보로 여겨지고 있다. 이처럼 식물에서도 식물과 상호작용하는 식물 마이크로바이옴을 작물의 건강과 생산성 향상이라는 측면에서 작물 맞춤형 재배 및 관리를 위한 필수적인 정보로 여겨 향후 폭발적인 연구가 이루어질 것으로 보인다. 특히, 농업생산성 증대와 지속가능한 농업의 발전을 위하여 농업에 활용 가능한 마이크로바이옴에 대한 수요가 증가할 것으로 전망된다. 실제로 Indigo Agriculture를 비롯한 기업은 마이크로바이옴을 기반으로 농업생산량 증대 및 병해충 방제를 위한 미생물 제제 또는 솔루션을 개발하고 있다. 이것은 새로운 농업 시장이 등장하였음을 의미한다. 이와 더불어 정밀농업 또는 스마트농업이 대두됨에 따라 마이크로바이옴 데이터가 이를 위한 빅데이터로써 활용될 가치가 높다. 이처럼 식물 마이크로바이옴은 새로운 농업 이익 창출과 기존 농업을 보완하는 기술로써 데이터 및 자원 확보를 위한 끊임없는 연구와 개발이 이루어질 것으로 전망된다.

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부처공동 연구

동물 마이크로바이옴 돼지, 소, 개의 건강관리 전략 수립을 위한 장내 마이크롬바이옴 분석

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연구목표 및 내용 주관연구기관 강원대학교

주관연구책임자

오연수 교수 강원대학교 수의과대학 병리학교실

연구목표 돼지, 소, 개의 장내에 존재하는 마이크로바이옴을 분석함으로써 장내 동물-미생물, 미생물-미생물 상호작용을 시스템 수준에서 이해하여 지속 가능한 건강관리 전략의 토대를 마련함

연구내용 - 돼지, 소, 개의 장내 마이크로바이옴 연구 기반 확립 - 메타오믹스 기법을 적용한 동물-미생물 및 미생물-미생물 상호작용 분석 - 돼지, 소, 개의 장내 마이크로바이옴의 현장 적용 및 유용유전자 활용 기반 마련

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공동연구기관 경상대학교

공동연구원

유도현 교수 경상대학교 수의과대학 내과학교실

공동연구기관 전북대학교

공동연구원

박진호 교수 전북대학교 수의과대학 내과학교실

협동연구기관 세계김치연구소

협동연구책임자

최학종 박사 세계김치연구소 미생물기능성연구원

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동물 마이크로바이옴

연구목표 소, 돼지, 개 등 경제·반려동물의 장내에 존재하는 마이크로바이옴 내 동물-미생물, 미생물-미생물 상호작용을 시스템 수준에서 이해함으로써 지속가능한 축산생태계 보존 및 가축생산의 새로운 전략 개발.

연구내용 - 경제·반려동물 장내 마이크로바이옴 연구 기반 확립 - 메타오믹스 기법을 적용한 동물-미생물 및 미생물-미생물 상호작용 분석 - 경제·반려동물 장내 마이크로바이옴의 현장 적용 및 유용유전자 활용 기반 마련

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 경제동물 및 반려동물의 질환에 따른 장내미생물 군집 분석 - 한우송아지의 일령 및 설사 유무에 따른 장내미생물군집 분석

그림1. 한우송아지 분변의 일령 및 설사 유무에 따른 α-Diversity 분석

한우송아지 분변 시료 25종{정상 14종, 설사 11종(rotavirus, coccidium, corona virus)}에 대하여 α-Diversity 분석을 통한 군간 장내미생물군집 분석을 실시한 결과, 한우송아지의 일령 및 설사 유무에 따라 richness 지수인 Ace, Chao-1, JackKnife에서는 차이를 보이지

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않았으나, evenness 지수인 Simpson과 Shannon에서는 21-30일령의 Normal 군과 1-10일령의 Diarrhea 군의 Simson 지수와 Shannon 지수가 유의적으로 차이를 보인다(그림 1).

Taxonomic composition 분석을 통해 군 간의 relative abundance를 비교 분석한 결과, 한우송아지의 일령 및 설사 유무에 따라 phylum 수준에서의 군 간의 유의적인 차이는 보이지 않았다(그림 2). 하지만, 핵심미생물 후보군 선발을 위한 LEfSe 분석을 통해 genus 수준에서 11-20일령 및 21-30일령의 송아지에서 차이를 나타내는 장내미생물 13종을 확인하였으며(그림 3. 정상송아지 11-20일령: Prevotella, Lachnospiraceae_uc, Dorea; 정상송아지 21-30일령: Blautia, Provotellaceae, Muribaculaceae, Christensenellaceae; 설사송아지 11-20일령: Enterobacterales, Gammaproteobacteria, Enterobacteriaceae,

Escherichia, Proteobacteria; 설사송아지 21-30일령: Catenella), 컬쳐로믹스 접근을 통한 장내미생물 후보균 배양기술개발을 통해 설사증 유무에 따른 장내 유익균 및 유해균을 분리 중이다.

그림2. 한우송아지 일령 및 설사 유무에 따른 phylum 수준에서의 (A) 개체별, (B) 일령 및 설사증 유무에 따른 Taxonomic composition 분석

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동물 마이크로바이옴

그림3. 한우송아지 일령 및 설사 유무에 따른 genus 수준에서의 LEfSe 분석

- 반려동물(개)의 질환에 따른 장내미생물군집 분석 개 분변 시료 16종{정상 5종(C), 뇌염 질환 11종(N)}에 대하여 α-Diversity 분석을 통한 군 간 장내미생물군집 분석을 실시한 결과, 질환 유무에 따라 richness (Ace, Chao-1, JackKnife) 및 evenness (Shannon, Simpson) 지수가 유의적으로 차이를 보인다(그림 4).

그림 4. 반려동물(개)의 질환에 따른 α-Diversity 분석

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- Taxonomic composition 분석을 통해 phylum 수준에서 군 간의 relative abundance를 비교 분석한 결과, 뇌염 질환군에서 Bacteroidetes, Fusobacteria의 감소 및 Firicutes, Actinobacteria, Proteobacteria의 증가하였으며(그림 5(A)), LEfSe 분석 결과 질환군에서 Proteobacteria가 유의적으로 증가하는 것을 확인하였다(그림 5(B)).

그림 5. 한우송아지 일령 및 설사 유무에 따른 phylum 수준에서의 (A) Taxonomic composition 분석 및 (B) LEfSe 분석

핵심미생물 후보군 선발을 위해 species 수준에서 LEfSe 분석을 수행한 결과, 정상군과 뇌염 질환군에서 차이를 나타내는 장내미생물 40종을 확인하였으며(그림 6. 정상군: Clostridium

hiranonis, Faecalibacterium prausnitzii, Fusobacterium varium, Fusobacterium perfoetens, Bacteroides coprocola, Lactobacillus gasseri, Romboutsia timonensis, Holdemanella biformis, Bacteroides plebeius, Sutterella stercoricanis, Blautia glucerasea, Lactobacillus murinus, Bacteroides caecigallinarum, Allobaculum stercoricanis, Slackia faecicanis, Fournierella massiliensis, Fusobacterium necrogenes, Prevotella copri, Paeniclostridium ghonii, Anaerobiospirillum succiniciproducens, Collinsella tanakaei, Bacteroides coprophilus, Slackia piriformis, Butyricicoccus pullicaecorum, Parabacteroides merdae, Intestinibacter bartlettii, Dolosicoccus paucivorans; 뇌염 질환군: Escherichia coli, Enterococcus faecium, Collinsella intestinalis, Bacteroides ovatus, Clostridioides difficile, Streptococcus salivarius, Clostridium innocuum, Anaerostipes caccae, Lactobacillus reuteri, Clostridium ramosum, Romboutsia sedimentorum, Clostridium paraputrificum, Enterococcus faecalis), 컬쳐로믹스 접근을 통한 장내미생물 후보균 배양기술개발을 통해 질환별 장내 유익균 및 유해균을 분리 배양하여 특성을 분석 할 예정이다.

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반려동물(개)의 뇌염 질환 유무에 따른 species 수준의 LEfSe 분석

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앞으로의 계획 (3차년도) 메타오믹스 기법을 적용한 핵심미생물의 유전체, 전사체, 대사체 정보를 확보 및 해독하고, 경제·반려동물의 질환-이차대사산물 간의 상관관계를 구명하고자 한다. (4차년도) 핵심미생물의 라이브러리를 확보하고, 유전자의 재적용을 통한 장내미생물 엔지니어링 기술 및 현장 모니터링 기술 구축을 통하여 유용미생물 적용을 통한 장내미생물군집 재구성 기반 기술을 확립하고자 한다.

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부처공동 연구

작물병원균 기능유전체 기반 다중 공기전염 식물병원균의 병 발생 기작 규명 및 제어 전략 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 순천향대학교

주관연구책임자

윤성환 교수 순천향대학교 미생물유전체학 연구실

연구목표 벼 병원성 Fusarium 곰팡이의 병원성과 공기전반 관련 기작의 규명 및 병 발생 제어 기술 개발

연구내용 - 벼 키다리병균(F. fujikuroi)의 키다리 병원형과 줄기마름 병원형 별 발병 특이 유전자 집단의 기능과 조절체계 규명 - Fusarium 병원균의 공기전반 관련 유전자 집단의 기능 분석 및 조절체계 규명 - 이를 통한 벼 Fusarium 병원균의 발병 기작과 생태의 종합적 이해 - Fusarium 병원균의 발생 기작과 생태 활용 병 발생 제어 전략의 개발

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작물병원균

제1협동 연구기관 강원대학교

제1협동 연구책임자

김경수 교수 강원대학교 식물균병학 연구실

연구목표 고추 병원성 Colletotrichum 곰팡이의 병 발생과 공기전반 관련 기작의 규명 및 병 발생 제어 기술 개발

연구내용 - 고추 탄저병균 Colletotrichum scovillei 의 포자생성 전사체 연구 - C. scovillei 의 포자생성 및 발병 기작 연구 - C. scovillei 의 포자 및 발병 특이 유전자의 기능 연구 - 고추 탄저병균 C. scovillei 의 공기전반 및 발병 억제 제어 전략의 개발

제2협동 연구기관 부산대학교

제2협동 연구책임자

서영수 교수 부산대학교 시스템 식물 미생물 연구실

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연구목표 벼, 고추 병원성 Burkholderia 세균의 병 발생 및 Fusarium 곰팡이와 상호작용, 복합감염 관련 기작의 규명

연구내용 - 다양한 병원성 Burkholderia 세균 사이 상호 작용 연구 및 비교 유전체 분석 - 병원성 Burkholderia 세균과 Fusarium 곰팡이 사이 상호 작용 및 전사체 연구 - 병원성 Burkholderia 세균과 Colletotrichum 곰팡이사이 상호 작용 및 전사체 연구 - 병원균 사이 상호 작용 관련 주요 유전자의 발굴 및 기능 연구

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연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : 순천향대학교 1. F. fujikuroi 의 병원형 별 병 발생 특이 유전자 집단의 기능규명 - 벼 발병 과정 중 특이적으로 발현되는 B14 균주의 병원성 관련 후보 유전자 집단(총 20종)을 선발하여, 그 중 9 종의 유전자삭제 돌연변이체 제작 - 유전자삭제돌연변이체의 병원성 실험 진행 - B 14 균주의 푸모니신 생합성 유전자군 내 존재하는 전사인자(FUM21 )의 프로모터와 루시퍼레이즈 유전자를 융합한 후 형질전환 방법으로 B14 균주의 유전체에 도입했으며, 해당 유 전 체 부 위 에 삽 입 된 형 질 전 환 체 를 선 발 하 여 저 질 소 액 체 배 지 에 서 특 이 적 인 루시퍼레이즈의 활성을 확인하였다.

그림 I-1. A: FLFUM21 형질전환체의 제작 모식도, B: FLUM21 형질전환체의 luciferase 활성도

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작물병원균

2. F. fujikuroi 의 병원형 별 포자 형성 특이 유전자 집단의 기능 규명 - 자 낭균 곰팡이의 포자생성 촉진 액체배지인 CMC 배양의 경우, B14와 B20 모두 소형분생포자만 생성하였으나, B14의 생성양이 B20의 두 배 가량 높았다. - 반면, YMA 배지 위에서는 두 균주 모두 대형과 소형 분생포자를 생성하였으나, B20에 비해 B14의 대형포자 생성양이 두 배 가량 낮았을 뿐 아니라 생성 시기도 하루 이상 지연되었음 - 병원형 별 야생균주 집단(각 5 균주씩)에서 포자생성량의 변이는 없었으나 2 종의 키다리병원형 야생균주에서 대형분생포자의 생성비가 높았다. - F. fujikuroi 의 소형분생포자와 대형분생포자 생성 사이 특이 경로의 동정을 위하여 CMC 배양체로부터, 두 균주 사이 특이적인 분생포자 생성 조절 경로의 동정을 위하여 YMA 배양체로부터 전사체 해독을 수행 중이다.

3. 전사체 분석을 통한 F. fujikuroi 의 포자와 균사 형성과정 중 유전자 발현 양상 비교 - F. fujikuroi 표준균주 B14, B20 균주간 포자와 균사 형성 과정에서 유전자 발현을 비교하기 위해 포자 형성 단계(CMC 액체배지), 균사 형성 단계(YMA 고체배지) 에서 균주를 배양한 후 각각의 배양체를 이용하여 전사체 해독(RNA-sequencing)을 진행하였다. - 표준균주 B14의 경우, YMA 조건과 비교하여 CMC 단계에서 발현량이 2배 이상 증가한 유전자들은 총 255 종, CMC 조건과 비교하여 YMA 단계에서 발현량이 2배 이상 증가한 유전자들은 총 719 종이었다. - 표준균주 B20의 경우, YMA 조건과 비교하여 CMC 단계에서 발현량이 2배 이상 증가한 유전자들은 총 555 종, CMC 조건과 비교하여 YMA 단계에서 발현량이 2배 이상 증가한 유전자들은 총 411 종이다.

그림 I-2. CMC 배지 (배양 2일 차)와 YMA 배지 (배양 4일 차)에서 F. fujikuroi 균주의 포자생성능

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제1협동 연구기관 : 강원대학교 1. C. scovillei 의 포자생성 양상 비교 - 광조건 및 공기 공급, pH, 탄소원 및 질소원에 따른 포자생성 비교 2. 고추 품종별 C. scovillei 의 포자생성 양상 연구 - 대장정 품종의 포자 수가 다른 나머지 품종에 비해 약 45~59% 적은 수의 포자를 생성하는 하였음 (그림 II-1). 이 결과는 고추 품종에 따라 고추탄저병원균의 포자 생성에 차이를 나타낼 수 있는 것이 확인하였다.

그림 II-1. 고추품종에 따른 포자생성 양상시험.

그림 II-2. 고추품종에 따른 포자생성 수치

3. 고추 품종별 C. scovillei 의 감염 및 발병 특성 연구 - C. scovillei는 부착기를 이용해 고추 과실을 침투하여 병을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.

제2협동 연구기관 : 부산대학교 1. 식물 병원성 Burkholderia glumae 와 B. gladioli 사이 상호 작용 및 병원성 연구 -B . gladioli의 특정 strain에서 매우 강한 식물 병원성 B. glumae BGR1을 억제하고, 이를 벼 줄기의 동시 감염을 통해 B. glumae BGR1의 병원성이 B. gladioli에 줄어드는 것을 확인하였다. - 배타적 상호작용을 나타내는 특정 B. gladioli 와 B. plantarii의 관계를 in vitro 스크리닝을 통해 확보했다. - B. plantarii KACC18965가 벼의 유모상태에서 어린 유모잎의 tumbling 현상과 뿌리의 성장을 억제하는 반면, B. gladioli KACC18962는 약한 병원성만을 보이는 특징을 가지기

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때문에 in vivo 조건에서 B. gladioli KACC18962과 B. plantarii KACC18965의 상호작용이 in vitro 스크리닝의 결과와 동일함을 확인하기 위해서 벼 유모상태에서의 병원성을 확인하였고 이를 통해 B. gladioli KACC18962가 in vivo 조건에서도 동일하게

B. plantarii KACC18965를 억제함으써, B. plantarii KACC18965에 의한 병징이 나타나지 않는 것을 확인하였다.

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앞으로의 계획 주관연구기관 : 순천향대학교 - 벼 Fusarium 곰팡이 병원균의 발병과 병원형 변이 조절체계의 규명 및 병 발생 제어 전략의 탐색 - 벼 Fusarium 곰팡이의 발병 기작 및 생태를 활용한 병 발생 제어 전략의 구축

제1협동(강원대) - 고추 탄저병균 Colletotrichum scovillei 의 포자생성 및 발병 기작 연구 - 고추 탄저병균 C. scovillei 의 공기전반 및 발병 종합적 이해 및 제어 전략 연구

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제2협동(부산대) - 기능유전체학적 접근을 통한 다양한 Burkholderia 세균과 병원성 Colletotrichum 곰팡이 사이 상호 작용 연구 - 병원균 사이 상호 작용에 중요한 기능을 하는 유전자 발굴 및 기능 연구

사업단 내 공동 연구 및 협력 제언 - Fusarium 과 Colletotrichum 병원성 곰팡이의 생육 억제용 길항 Burkholderia 세균의 선발 및 특성 규명 관련 공동연구 - Burkholderia 세균을 활용한 Fusarium 병원성 곰팡이의 분생포자 형성 조절(억제)관련 공동연구

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관련 분야 동향 및 전망 - 일본 연구진에 의해 비병원성 Fusarium oxysporum 균주 포자의 선 살포를 통한 벼 키다리병 방제 효과 관련 국내 특허 등록 - 기능유전체학적인 접근을 통한 기주-병원균간 상호작용 메커니즘 규명 연구 진행 - 고추탄저병 발생 억제용 천연물의 탐색 진행

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부처공동 연구

동물 병원균 소 요네병원인체, Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis, 신규병원성인자 규명 및 조절기법이용 새로운 방제 기법 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 서울대학교

주관연구책임자

유한상 교수 서울대학교 수의과대학 전염병학교실

연구목표 요네병은 설사를 주된 증상으로하는 반추동물의 만성 소모성 질병이며, Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP)의 감염에 의해 발병한다. 다른 결핵과 같은 마이코박테리움 감염증과 마찬가지로 매우 긴 잠복기를 가지기 때문에 진단에 큰 어려움이 있는 질병이다. 게다가 잠복기 동안 감염 개체들이 간헐적으로 분변을 통해 균을 배설하여 주위 개체를 감염시키기 때문에 근절 또한 매우 어려운 질병이다. 본 연구에서는 감염 초기의 숙주와 MAP 간 상호작용을 분석하여 잠복감염과 관련된 병원성 기전을 규명하고 이 과정에서 신규/병원성 유전자를 발굴하여 감염 초기 잠복감염 검출을 위한 효과적인 진단법 및 백신후보주 개발을 통한 질병 제어 기술을 개발하고자 한다. 168 |

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연구내용 - In vitro 및 in vivo 감염 모델을 활용하여 MAP 감염 초기 유전체 수준에서의 host-pathogen 상호작용을 RNA-Seq 기법을 활용하여 분석한다. - 분석 결과를 바탕으로 숙주의 면역반응 및 세포수준에서의 대사변화 등 감염 초기 방어기전을 규명하고 또한 MAP의 숙주세포 내 생존기전 등 병원성 기전을 규명한다. - 이 과정에서 발굴된 감염 초기 발현이 변화된 신규 및 병원성 유전자들의 특성을 돌연변이 제작기법을 활용하여 규명한다. - 발굴된 신규/병원성 유전자를 진단기법 개발 및 백신주개발 등에 활용하여 질병 제어 기술을 개발한다. - 목적동물(자연감염우)에서 감염 초기 유전체 발현양상을 RNA-Seq, microRNA-Seq 등의 기법을 활용하여 분석한다. - 이 과정에서 MAP의 잠복감염과 연관이 있는 숙주의 microRNA 관련 면역반응 조절인자를 규명하고, 이를 바이오마커로 활용하는 진단기법을 개발한다.

공동연구기관 경상대학교

공동연구책임자

신미경 교수 경상대학교 의과대학 미생물학교실

연구내용 - 주관연구와 연계하여 병원성유전자의 결손변이주(mutants) 제작 및 변이주의 유전, 면역학적 특성을 분석한다. - 병원성유전자 결손변이주의 백신효능 평가를 통해 백신 후보물질을 발굴한다. - 목 적동물(자연감염우)의 혈액 유래 단백질을 분석하여 잠복감염 및 준임상형 감염우에서 특이적으로 나타나는 바이오마커를 발굴하여 진단기법 개발에 응용한다.

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동물 병원균

위탁연구기관 울산과학기술원

위탁연구책임자

김동혁 교수 울산과학기술원 시스템생물학 연구실

연구내용 - 국내 분리 MAP 균주의 유전체 정보를 완성하고 pan-genome 기법을 활용하여 세계적으로 보고된 MAP 분리주들과의 비교유전체학 분석을 수행한다. 이 과정에서 국내 분리주의 특이적인 유전자를 발굴하고 이를 검출키트 개발에 응용한다. - MAP 표준균주 및 국내 분리주의 전사단위(trancriptional unit)를 발굴하고 병원성 유전자를 분석한다. - MAP 감염우/감염동거우/비감염우에서 미생물 균총 분포를 조사하여 감염 특이적인 미생물균총 변화를 규명한다.

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연구결과 및 주요성과 연구결과 1. in vitro 감염 모델에서의 감염 초기 병원성 기전 규명 목적동물 유래 peripheral blood mononuclear cells(PBMC)에 MAP를 감염시키고(MOI 0.1:1) 24시간 및 72시간 후 total RNA를 분리하여 RNA-Seq 분석을 수행하였다. DEG 분석을 통해 감염 후 숙주세포에서의 유전자 발현 변화 양상을 관찰한 결과 감염 전반에 걸쳐 Th17 세포들이 주로 활성화되는 것으로 나타났으며 Th1 관련 pathway는 감염 후 24시간에는 활성화되었으나 72시간에는 억제되는 양상을 보였다. 따라서 Th17 세포의 활성화와 관련있는 IL-17A, IL-17F, IL-22 등 사이토카인의 발현이 강하게 증가하였다. IFN-γ와 같은 사이토카인은 24시간에는 발현이 증가했으나 72시간에는 대조군 대비 발현이 감소한 양상을 보였다. Canonical pathway

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분석에서 LXR/RXR activation 관련 유전자들의 발현이 감염 전반에 걸쳐 감소한 것으로 나타났다. LXR receptor는 macrophage의 cholesterol 대사를 조절하는 역할을 하는 것으로 알여져 있는데 해당 유전자 발현의 감소가 관찰됨과 함께 down-stream에서 조절을 받는 cholesterol efflux 관련 유전자인 ABCA1, ABCG1, MpoE 등의 유전자 발현도 함께 감소한 것으로 확인되었다. 병원성 마이코박테리아는 감염 초기 macrophage 내에서 숙주의 cholesterol 등 지질대사를 변화시키고 이로부터 유래된 지질을 생존에 필요한 carbon source로 활용하는 것으로 알려져 있다. 따라서 MAP의 감염 초기에도 cholesterol efflux 관련 유전자를 감소시켜 생존하는 기전을 가지고 있는 것으로 생각된다. 추후 연구에서 병원체의 global transcriptomic analysis를 통해 숙주의 지질대사 변화와 관련된 병원체의 핵심 병원성 인자를 발굴하고자 한다.

감염 후 24시간에서 Th cell differentiation 양상

감염 후 24시간에서의 LXR/RXR pathway

2. MAP 감염개체의 감염 단계에 따른 혈청 proteome 분석 모든 mycobacteria 감염에 있어서 활성감염과 잠복감염을 구분하여 진단하는 것은 중요한 부분을 차지한다. 특히 MAP 잠복감염 개체들은 분변을 통해 균을 배출함으로써 다른 개체에 전염을 시킬 수 있는 중요 요인으로 여겨지고 있다. 그러므로 MAP 감염 개체를 조기색출하고 제어하기 위해 잠복감염 개체를 조기진단 할 수 있고 감염단계별 진단할 수 있는 바이오마커를 다양한 분석을 통해 도출할 필요가 있다. 임상개체에서 널리 이용되는 검체는 혈액과 분변이다. 특히 혈액은 ELISA test를 통한 항체가 조사에 이용되고 있는데, 혈액에는 항체이외에도 다양한 정보를 나타낼 수 있는 성분들을 다수 포함하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 MAP 감염 단계에 따라 Proteomics를 통해 개체의 혈액 성분을 비교하고, 유의적인 성분 목록을 작성하고자 iMAF_2019 Vol. 5

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하였다. 비감염군 개체와 MAP 감염된 개체를 감염단계에 따라 구분하여 다음과 같이 총 4 그룹으로 확정하였다: (1) ELISA 음성, 분변내 균검출; (2) ELISA S/P ratio >55; (3) ELISA S/P ratio > 200; (4) 비감염 대조군. 혈액을 채취하여 혈청을 수거하였고, 그룹에 해당되는 임상개체들의 혈청을 각각 섞어 분석에 이용하였다. 각 그룹의 혈청을 2-DE를 수행하여 spot 분석을 수행하였다. Image analysis를 통해 유의적인 spot을 선정하였으며, 유의적인 spots은 MALDI-TOF/MS 분석을 통해 동정하여 유의미한 단백질 list를 작성할 예정이다.

MAP 감염단계에 따른 임상개체 혈청의 2-DE 분석

3. Pan-genome 분석법을 통한 MAP 분리주들의 비교유전체학 분석 5개의 국내분리주에 대하여 whole genome sequence를 분석하여 database에 등록하였으며 비교유전체분석을 통해 MAP 균주의 유전적 다양성 및 국내 분리 MAP 균주의 유전적 특성이 분석되었다. 국내분리주의 complete genome과 public database에 있는 40개의 MAP genome이 pan-genome 분석법을 이용하여 분석되었다. Pan-genome 분석 결과 구분된 core, accessory, unique 유전자들은 COG 분석을 통해 기능적인 분석이 추가적으로 수행되었다. Pan-genome 분석을 통한 phylogenetic 분석 결과 MAP는 유전적으로 크게 두 가지의 cluster로 구분되었고, 기존의 역학적인 분석을 통해 알려진 바와 같이 S-type, B-type, C-type으로 구분되는 경향을 나타내었다. 각 타입에 특이적인 accessory 유전자의 기능적인 분석 결과 다양성을 나타내는 유전자들은 주로 대사와 관련된, 특히 지질대사와 관련된 유전자들이 많았으며 이는 숙주에 대한 적응성 등 다양한 조건에서의 생존을 위해 진화되어온 것으로 생각된다. 특히 본 연구에서 국내 분리 B-type과 C-type간에 인공배지의 조성에 따른(Tween-80의 첨가유무) 생장정도의 차이가 있다는 사실을 발견하였는데, 유전체 분석 결과 국내 분리 B-type과 C-type 균주들의 유전적 다양성이 주로 lipid metabolism 관련 유전자들의 돌연변이에 의해 생겨났다는 사실을 발견하였다. 따라서 본 연구에서 수행한 pangenome 분석 결과는 유전적 다양성에 따른 병원성의 차이를 예측할 수 있는 기초자료가 될 수 있다. 172 |

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Pan-genome 분석에 따른 core, accessory, unique 유전자의 수와 COG 분석을 통한 각 유전자들의 기능 구분

4. MAP의 타입별 구분이 가능한 진단 마커 발굴 (대표성과) Pan-genome 분석 결과를 토대로 하여 MAP의 주요 타입인 S-, B-, C-type을 구분할 수 있는 마커를 발굴하였다. MAP_RS04120 gene에 존재하는 short sequence repeat(SSR)의 반복서열이(GTG) S-type에는 세 번 반복되고 C-type에서는 네 번, B-type에서는 다섯 번 반복되는 것을 확인하였다. 기존에 발굴된 SSR이 시퀀싱을 기반으로 한 분자역학적 분석에 사용되고 있으나 해당 SSR은 본 연구에서 최초로 발견되었으며 이 하나의 SSR을 이용하여 S-, B-, C-type을 구분할 수 있기 때문에 가치가 있는 마커이다. 타입 구분을 위한 분석기법은 real-time PCR을 기반으로한 multiplex PCR로, 증폭되는 패턴이 타입에 따라 다르게 나타나기 때문에 한 번의 PCR 수행으로 분리주의 타입 구분이 가능하다. 따라서 IS1311 PCR-REA 등 기존에 주로 사용되던 번거로운 기법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

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Real-time PCR을 이용한 MAP의 molecular typing 기법

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앞으로의 계획 현재까지 수행 된 연구결과를 확장하여 병원성 관련 및 신규 유전자를 발굴한다. 발굴한 유전자의 병원성 및 특성을 분석하여 백신후보주 개발 및 진단마커개발 등을 수행한다. 또한 목적동물에서의 microRNA 등 감염 초기 신규 기능성 유전자들을 발굴하여 바이오마커로 활용할 예정이다. 또한 지속적인 감염개체 및 감염동거우 확보를 통해 마이크로비옴 분석을 실시하여 요네병 감염과 관련이 있는 미생물 균총의 변화를 분석하고자 한다.

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관련 분야 동향 및 전망 요네병을 비롯한 우결핵 등과 같은 mycobacteria 감염증은 소에서 경제적으로 큰 피해를 주는 질병이지만 아직까지 효과적인 진단법이나 예방백신 개발은 미흡한 실정이다. 특히 MAP 감염증의 경우 상용화되어 소에서 적용 가능한 백신은 단 1종 뿐이며, 이마저도 낮은 백신효과와 진단 시 교차반응 등으로 인해 전 세계적으로 사용이 권장되고 있지 않다. 그러나 이와 같은 문제는

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교차반응을 줄일 수 있는 새로운 진단법 개발, 새로운 아이디어를 활용한 백신개발 등으로 극복할 수 있다. 효율적인 예방기법의 개발은 MAP가 어떻게 숙주의 면역기전을 회피하는지, 또한 숙주가 MAP의 침입 시 어떤 반응을 보이는지에 대해서 획득면역 뿐 만아니라 선천면역 수준에서 어떤 반응을 보이는지 등 숙주-병원체 상호작용에 대한 정확한 이해가 없이는 불가능하다고 할 수 있다. 따라서 최근 국내외에서는 감염 초기 숙주-병원체 상호작용에 대해 이해하기 위하여 다양한 기법을 활용한 연구를 수행하고 있다. 최근 가장 활발하게 시도되고 있는 분야는 RNA-Seq 등의 기법을 활용한 복합적인 전사체 연구이다. 다양한 감염 모델에서 RNA-Seq 분석이 수행되고 있으며 이를 통해 감염 초기 숙주의 면역반응과 관련한 pathway들이 밝혀지고 있다. 그러나 감염 초기에 병원체가 발현하는 유전체에 대한 연구는 다른 감염병과 비교했을 때 아직 부족하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구팀에서는 in vitro co-culture 모델을 구축하여 dual RNA-Seq을 활용한 hostpathogen interactome 분석에 연구의 초점을 맞추고 있다. 가축의 전염병은 예방기법의 개발도 중요하지만 해당 질병을 완전히 근절할 수 있는 전략의 마련이 가장 중요하다. 전염병의 근절 전략 수립에는 효과적인 진단법의 개발이 필수적이다. 요네병은 임상증상을 나타내기까지 매우 긴 잠복기를 가지고 또한 준임상형의 상태에서 감염된 개체의 분변으로부터 균을 배설하며 다른 개체로 전파를 시키기 때문에 임상증상을 기반으로한 진단 만으로는 해당 질병을 근절할 수 없다. 따라서 준임상형 및 잠복기의 개체를 효과적으로 검색하는 진단법의 개발이 국내외 모든 연구자들의 목표라고 할 수 있다. 발전된 대용량 유전체분석기법을 활용하여 감염 초기의 개체의 혈액이나 조직에서 바이오마커를 찾는 시도가 해외 여러 연구자들로부터 시도되고 있고, 본 연구팀에서도 microarray 기법을 이용하여 숙주의 감염 초기 바이오마커들을 발굴하였다. 최근에는 post-transcriptional 조절인자인 miRNA의 분석을 통한 바이오마커 발굴이 몇몇 연구자들에 의해 시도되고 있다. miRNA는 바이오마커로서의 가능성 뿐만 아니라 발병기전에 있어 중요한 감염 초기 면역반응의 조절과 관련이 있을 것으로 생각된다. 사람의 결핵균인 M. tuberculosis (Mtb) 감염에 대한 miRNA 면역 조절 기전 연구가 활발히 이루어지고 있어 Avirulent strain인 BCG와 Mtb의 비교를 통해 몇 가지 miRNA가 IFN-γ, TNF-α 등의 발현변화를 유도하고, apoptosis 등을 조절하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 아직 MAP 감염 초기의 miRNA 역할에 대한 규명은 아직 부족한 상황으로 판단된다. 이에 따라 본 연구에서는 miRNA-Seq 기법을 활용하여 진단을 위한 바이오마커 발굴과 더불어 감염 초기 miRNA의 면역조절기전에 대해 규명하고자 한다.

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2019 Vol.5 | 5차년도 뉴스클리핑

뉴 스 클 리 핑 NEWS Clipping 한국과학기술한림원 신임 정회원 24명 선출 한국과학기술한림원(원장 한민구)은 2020년도

▲공학부▷김상욱(KAIST)▷박기동(아주대)▷

신임 정회원 24명을 선출했다고 밝혔다.

이관영(고려대)▷조형희(연세대)▷한창수(고려대) ▷황성우(삼성종기원)▲농수산학부▷김지현(연세대)

◇ 신 임 정 회 원 ▲ 정 책 학 부 ▷ 배 종 태 ( K A I S T )

▷박병대(경북대)▷최도일(서울대)▲의약학부▷

▷송재용(서울대)▷이정동(서울대)▷임일(연세대)

김재민(전남대)▷김원재(충북대)▷이유미(경북대)

▲이학부▷김영훈(서울대)▷백성희(서울대)▷

▷황선영(한양대)

염한웅(POSTECH)▷유종성(DGIST)▷장영태 (POSTECH)▷전장수(GIST)▷정해명(서울대)

[조선일보, 2019년 11월 27일 보도]

곰팡이 멜라닌 생합성 조절 신호전달 네트워크 규명 농림식품기술기획평가원(원장 오경태)은 농식품

유용 미생물의 다중오믹스 기반 유용 유전자원

R&D 과제 지원을 통해 ‘곰팡이 멜라닌 생합성

발굴 및 가치제고화 기술 개발’에 대한 연구를

조절 신호전달 네트워크 규명’에 성공했다고

지원하였다.

밝혔다. 이번 연구를 주관한 연세대학교 반용선 교수 멜라닌은 다양한 인간, 동물 및 식물 병원성

연구팀은 “뇌수막염 유발 병원성 곰팡이인

곰팡이의 생존 및 병 발생 과정에 매우 중요한

크립토코쿠스 네오포만스를 모델 시스템으로

역할을 한다고 알려졌으나, 이를 조절하는

활용하여 병원성 곰팡이에서 기존 밝혀져 있지

통합적인 신호전달 네트워크는 알려지지 않았다.

않은 멜라닌 생합성 관련 핵심 전사인자인 Hob1, Mbs1, Bzp4 및 Usv101과 이를 조절하는

이에 농림축산식품부와 농기평은 포스트게놈

신호전달 네트워크를 통합적으로 규명했다.”라고

다부처 유전체사업을 통해 2018년부터 ‘농·식품

밝혔다.

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해당 연구팀은 “멜라닌은 곰팡이의 병독성을

이번 연구결과는 미생물학 분야의 세계적

조절하는 매우 중요한 인자라는 점에서 이러한

학술지인 엠바이오(mBio)에 2019년 10월 1일

과정에 관여하는 Hob1, Mbs1, Bzp4, Usv101

게재되었다.

전사인자와 Kic1, Gsk3 인산화효소를 저해할 수 있는 저해제 발굴을 통해 새로운 항진균제를

이번 연구는 농림축산식품부 농림축산식품

개발할 수 있다.”라고 말했다.

미생물유전체사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 및

농기평 오경태 원장은 “우리 먹거리를 병들게

선도연구센터지원사업의 지원을 받았다.

하는 동·식물 병원성 곰팡이를 효과적이면서도 특이적으로 억제할 수 있는 방법이 많지 않아

[한국농촌경제신문, 2019년 10월 14일 보도]

우리의 식탁이 위협받고 있는데 이번 연구를 통해 곰팡이 병독성 인자의 생합성을 직접적으로 저해할 수 있는 새로운 약물이 개발되기를 기대한다.”라고 말했다.

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2019 Vol.5 | 5차년도 뉴스클리핑

2019년 「국가 연구개발 우수성과 100선」에 농식품부 연구개발(R&D) 성과 7건 선정, 역대 최다 규모 농림축산식품부(장관 김현수, 이하 농식품부)는 농식품부가 지원한 연구개발 성과 7건이 「2019

강원도농업기술원 박영식 연구팀은 세계 최초로

국가연구개발우수성과 100선」에 선정되었다고

복숭아 꽃눈 제거용 분무건을 개발하여 그간 98%

밝혔다.

농업인의 노동력으로 작업하던 복숭아 꽃눈 제거작업의 효율성을 혁신적으로 높였다.

정부는 과기정통부 주관으로 과학기술인의 자긍심을 고취시키고 우수한 국가연구개발 성과를 홍보하기 위해 지난 2006년부터 매년 국가연구개발 우수성과를 선정해오고 있다. 농식품부 연구 과제에서만 7건이 선정된 것은 지난 2013년에 이어 역대 최다 규모의 성과다. 특히 국가 연구개발(R&D) 예산(약 20조원) 중 농식품부 연구개발(R&D)에 투입되는 예산이 약 1% 수준인 점을 고려할 때 매우 높은 성과를 거둔 것으로 평가된다. 이번 우수 성과에는 스마트 돈사 복합환경제어기 등 농기자재 2건, 쌀 발효 천연 조미소재 등 식품

식품 분야 ㈜샘표식품 이대희 연구팀은 쌀 발효물 활용 조미소재를 개발하여 콩과 밀에 한정되었던 기존 천연조미소재 시장을 확대, 글루텐 프리 제품 등 소비자의 다양한 수요 충족에 기여했다. ㈜한성식품 차성관 연구팀은 김치의 초기 균수를 감소시키고, 저장·유통 과정 중 이산화탄소 발생을 억제하는 포장재를 개발하여 김치의 품질 유지 기간을 기존 30일에서 3개월로 연장하는 등 수출 기반을 강화했다.

2건, 고품질 종자·유전체 기술 3건 등 다양한

종자, 유전체 분야

분야가 고루 선정되었다.

연세대학교 김지현 연구팀은 토마토의 풋마름병 발생과 진전을 억제하는 특정 미생물을 찾는 데

농기자재 분야

성공하여 친환경 농약과 비료 기술의 발전 가능성을

경상대학교 김현태 연구팀은 악취 감지, 질병

열었다.

진단, 자동 환경 제어가 가능한 스마트 돈사 관리시스템을 개발하여 국내 양돈 및 관련 기자재 산업의 스마트화 기반을 만들었다.

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- 해당 논문은 생명공학 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature

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Biotechnology)’ 2018년 11월호에 표지 소개

㈜팜한농 성순기 연구팀은 비선택성 제초제*로부터

아티클로 게재되기도 했다.

작물을 보호하는 유전자를 세계 최초로 개발하여 해외 특허 5건을 등록하는 등 작물 바이오 산업의 발전 기반을 마련했다. * 잡초의 종류에 상관없이 효과를 발휘하는 제초제

윤동진 농업생명정책관은 “우수성과 100선에 선정된 연구자에게는 향후 2년간 연구개발(R&D) 과제 선정 시 가점을 부여할 계획이다”라고 밝히며, “앞으로도 연구개발(R&D) 성과를 통해 ㈜농우바이오 김규현 연구팀은 고품질 양파 종자

농산업의 경쟁력을 지속적으로 높여 나가겠다”고

개발로 해외 종자 점유율이 높은 양파 종자의

덧붙였다.

국산화 및 수출에 기여한 점을 인정받았다. * 350억원 규모의 양파 종자 시장 중 약 75%가 해외 종자(주로 일본산)인 가운데, 지난 2년간 국내 매출 25억 원, 수출 125만 달러 달성

[정책브리핑, 2019년 10월 7일 보도]

김지현 연세대 교수, 대한민국학술원상 수상 연세대는 17일 김 교수가 대한민국학술원상 자연과학기초부문 수상자로 결정됐다고 밝혔다. 대한민국학술원상은 대한민국학술원법 제14조에 따라 1955년부터 수상자를 배출하기 시작했으며, 우리나라 학계에서 가장 오랜 역사를 가지고 큰 권위를 지닌 상으로 알려져 있다. 이 상은 대표 저서 또는 논문 1편을 중심으로 심사되는 등 특정 주제에 관련된 집중적인 연구업적의 독창성과 김지현 연세대학교 시스템생물학과 교수가

공헌도를 평가받게 된다.

우리나라 학계에서 가장 권위 있는 상인 대한민국학술원상을 받았다.

김 교수는 그동안 미생물 유전체 연구에 매진해

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2019 Vol.5 | 5차년도 뉴스클리핑

오면서 생명진화의 원리를 규명하는데 크게

김 교수가 2009년 과학 학술지 ‘네이처 (Nature)‛ 에

기여했다는 평을 받았다. 특히 그는 장기간

아티클논문으로 발표한 연구결과는 지난 10년간

실험실에서 진화시킨 대장균의 유전체 분석을

1000회가 넘게 인용됐고 여러 최고 권위의 저널에서

통해 유전적 변이와 환경 적응도 간의 관계가

우수 논문으로 소개되는 성과를 내기도 했다.

비례하지 않으며 알려진 것보다 훨씬 더 복잡하고 역동적으로 일어난다는 것을 발견하기도 했다.

[매일경제=박윤균 기자, 2019년 9월 17일 게재]

사람의 독감과 가축의 구제역 겨울은 감기의 계절이다. 사람은 겨울의 지독한

사람은 그해 겨울 유행주가 백신 항원과

독감을 피해보고자 가을엔 예상 유행주로

예상치를 벗어나거나 백신을 접종했지만 감기에

항원을 구성한 인플루엔자 백신을 맞는 것이

걸린 경우 이만하길 다행이라는 반응이지만,

연례행사이고, 소와 돼지는 상시로 접종하는

가축의 구제역 백신은 접종했으니 절대로

구제역 백신을 더욱 신경써서 접종한다. 그러나

질병이 발생하면 안되고 만약 발생하면

사람과 동물의 백신접종은 질병 발생 시

'물백신'이거나 백신 접종 후 면역력이 떨어지는

바라보는 시각이 극명히 갈린다.

개체를 전수조사해 잡아내는 등의 관리·감독을 소홀히 한 정부가 잘못이라고 한다.

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백신은 군집으로 존재하는 집단의 전반적인

병원체의 기전, 미생물 유전체 분석 등의

건강을 이끌고 가는 데 비용 대비 가장 효과가

기초과학과 전반적 면역반응을 높이기 위한

높은 방법이며 수많은 전문가의 분석과 연구로

방안을 연구 중이다. 이런 연구는 특히 면역력이

탄생하는 바이오 연구의 결실이다. 가장

약한 구간의 가축에게 크게 도움을 줄 것이다.

유행하는 항원 균주를 선택해 최소한의 적정 항원량을 선정, 적합한 부형제와 조합해 정해진

어떤 백신이든 접종 시 면역자극으로 인해

용법·용량대로 건강한 개체에 접종했을 때

체온이 올라가고 일시적 식욕부진이 온다. 이런

질병의 방어에 도움 줄 것을 기대하고 사용하는

현상이 건강한 개체라면 충분히 극복하지만

것이다.

아프거나 임신을 한 동물이라면 백신에 의한 면역반응을 이겨내기 쉽지 않을 것이다. 임신

그러나 그 어떤 백신도 100% 방어를 감히

모우에게 구제역 백신을 접종할 경우 유산

보장하지 않는다. 따라서 백신을 정부가 하라는

위험이 있다는 것은 연구조사로 이미 밝혀져

대로 접종했는데도 병에 걸렸으니 '물백신'이란

있는 사실이다. 정부가 항체양성률 조사 시 군집

논란은 질병 발생에 대한 두려움으로 대상 없는

내 개체 차이로 인해 면역력이 떨어진 개체를

무차별적 공격이며, 사용자인 생산자도,

찾아내기 위해 전수조사를 하려는 무모한

수의사도, 정책결정자도, 일반 소비자도

생각보다는 제대로 접종하기 위해 수의사 인력

한꺼번에 혼란과 절망에 빠뜨리는 말이다.

확보와 백신 접종이 부담될 수 있는 임신 모우 등에게 걱정 없이 접종할 수 있도록 밀착된

구제역 발생을 막기 위해서는 다방면의 노력이

배려를 고민해야 한다.

동시에 이뤄져야 한다. 농장으로 구제역 바이러스가 유입되지 못하도록 차단방역과

아리스토텔레스는 자신의 도덕철학에서 완벽한

소독을 실시하고, 이 경계를 넘어 유입된

인간은 다른 사람을 비난하지 않는다고 했다.

바이러스 감염을 막기 위해 농장 안에서는

비난은 지극히 감정적인 뇌영역의 일이기

백신을 접종한다. 백신은 건강한 개체에

때문일 것이다. 위기의 순간에 비난이나

접종해야 완전한 효능을 기대하므로 농장 내

비판보다는 격려와 긍정적인 문제 제기가

동물이 건강해질 수 있도록 관리에 최선을

우리를 발전시키는 동력이 된다.

다해야 한다. 질병을 막기 위한 동물의 면역력을 높이기 위해 농림축산식품부를 주축으로 한

[파이낸셜뉴스=오연수 교수 기고, 2019년 2월

미생물유전체전략연구사업단(연세대) 에서는

14일 게재]

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뇌수막염 유발 진균의 조절 기전 규명 농림식품기술기획평가원은 미생물 유전체 연구를

또한 현재 상용되고 있는 약물을 처리한 결과

통해 뇌수막염을 유발하는 진균(곰팡이)의 병원성

민감성이 증가함을 확인할 수 있었다.

조절 기작을 규명함으로써 차세대 고부가가치 항진균제 개발에 대한 가능성을 높였다고 1일

이번 연구결과는 진균에 의한 DNA 손상 및

밝혔다.

회복에 관여하는 신호전달 조절을 통한 병원성 조절 작용기작의 이해를 증진시켰으며

농림식품기술기획평가원은 농식품 유용 미생물

추가적으로 신규 항진균제 타깃 신호전달 경로를

유전자원 발굴 및 실용화·산업화 기술개발을

발굴함으로써 향후 항진균제 약물개발에 중요한

목적으로 ‘포스트게놈다부처유전체사업’ 일환의

원천기술을 제공하고 이를 바탕으로 차세대

‘농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(단장

고부가가치 항진균제 개발에 대한 가능성을

김지현 연세대학교 교수)’을 통해 미생물 유전체

높였다는데 의의가 있다.

연구를 지원하고 있다. 미생물유전체전략연구사업단의 연세대학교 생명공학과 반용선 교수 연구진은 한국원자력연구원 임상용 박사 연구진(주저자 정광우 박사)과 공동연구를 수행해 뇌수막염을 유발하는 진균의 신규 병원성에 관여하는 신호전달경로의 작용기전을 규명하고, 이와 관련된 신규 항진균제 타깃 발굴에 성공하였다. 연구진은 진균에 의한 DNA 손상 및 회복에 관여하는 특이적 전사조절인자*와 상위 신호체계인 인산화효소**와의 종합적인 기능과

진균성 뇌수막염의 원인균인 크립토코쿠스는 AIDS, 장기이식 환자와 같은 면역저하 환자와 노인층에서 주로 발병하는 진균성 뇌수막염을 유발하는 병원성 효모이며 최근의 국제적 통계에 따르면 연간 20만명 이상이 감염되고 이 중 약 80%이상이 사망하는 심각한 진균 감염성 질병으로 알려져 있다. 현재까지 진균성 뇌수막염의 치료는 플루사이토신, 폴리엔 계열의 암포테라신 비 및 아졸 계열의 플루코나졸을 이용하였으나 약물 저항 균주 출현, 간독성 및 신독성 등과 같은 부작용이 발생하여 제한적으로만 사용이 가능하였다.

작용기전 분석을 통해 밝혀냈다. 한편, 이번 연구는 미생물학 분야의 세계적 실험을 통해 DNA 손상 및 회복에 관여하는

학술지인 엠바이오(mBio)에 2일자로 게재된다.

인산화효소가 저해된 균주를 감염시킨 결과, 뇌수막염 증상이 완화된 것을 확인할 수 있었으며

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[메디컬투데이=조용진 기자, 2019년 1월 2일 게재]

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미생물에게 어울려 사는 법을 배운다 보이지 않는 것들의 보이는 매력 다음 세대가 묻다

2장. 떼려야 뗄 수 없는 인간의 동반자 중

“미생물은 질병을 일으키는 해로운 생물

‘미생물과의 합주’ 챕터 마지막에서는 포스트게놈

아닌가요?”

다부처 유전체사업과 미생물 오케스트라의 지휘자라는 멋진 수식어를 달고 있는 우리 사업단의

김응빈이 답하다

소개글도 확인할 수 있었다.

“미꾸라지 한 마리가 온 웅덩이를 흐린다는 속담처럼 질병을 일으키는 미생물은 극소수에

자칭 미생물 변호사라고 말하는 김응빈 교수의

불과하고, 대부분은 우리의 삶에 없어서는 안

지난 작품에서도 알 수 있듯, 이번 작품에서도

되는 존재입니다. 게다가 예사롭지 않은 가르침을

역시 인문학과 철학, 과거의 역사적 사건과

전해주기도 합니다.”

과학적 지식, 미생물 정보를 교묘하게 넘나드는 작가의 장점이 그대로 녹아 있어 누구나 쉽게

사업단 메타유전체팀 공동연구원 연세대 김응빈

즐길 수 있는 또 한 권의 책이 세상에 나온 것이다.

교수가 새로운 책을 선보였다. 그동안 이미 여러권의 단행본을 발간한 김응빈 교수는 미생물

저자 김응빈 교수는 이 책에서 묻는다. 미생물이

전공자가 아닌 일반 대중들도 미생물에 대한

시나브로 매력적으로 보이기 시작하지 않느냐고,

어려움이나 거부감 없이 쉽게 미생물과 친해질 수

이에 이렇게 답변해본다. 아니요, 그 정도로는

있도록 하는 유익하면서도 재미있는 책을 내는

부족해요. 미생물에 정말 홀딱 반해버렸어요!

작가로 정평이 나 있다. 올가을, 만추에 또 한번 가득한 즐거움이 담긴 단행본을 들고 온 김응빈 교수의 책을 잠시 살펴보도록 하자. 책의 제목은 ‘미생물에게 어울려 사는 법을 배운다.’ 책은 ‘여는글. 미생물, 그런 건 알아서 뭐하게?, 1장. 해롭고 더럽고 하찮은 존재라고?!, 2장. 떼려야 뗄 수 없는 인간의 동반자, 3장. 미생물은 축복인가 재앙인가, 4장. 나눔을 통한 공생의 아이콘, 닫는 글. 행복한 공생을 향한 작은 생각’으로 구성된다.

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미생물 정보, 자원 관리 방법 소개 생물유전체전략연구사업단 미 미생물 정보, 자원 관리 방법 소개 하나 둘

미생물 유전체 정보 관리 시스템

미생물유전체전략연구사업단 미생물 유전체 정보 관리 미생물유전체전략연구사업단 미생물 균주 자원 관리

미생물 유전체 정보 관리 iGEM.OR.KR은 미생물유전체전략연구사업단의 미생물유전체 정보 관리시스템(이하 *iGEM)입니다. 2018년 11월에 공식적으로 정보 관리 서비스를 시작하였습니다. 그리고 2019년 10월에 한차례 개편을 통하여 현재의 모습에 이르렀습니다. 이번 개편은 범부처 협의체에서 결정된 제 2차 유전체정보연계 SOP를 최대한 반영하였습니다. 기존과 달라진 점은 오믹스 정보를 한차례에 다 모아서 받았던 정보를 Bioproject, Sample Experiment, Run 등으로 메타데이터를 나누어 제공받는 점입니다. 수집하는 메타데이터의 양이 늘어났지만 NTIS에 기 등록되어있는 정보들을 최대한 활용하여 새 글 작성에 반복적인 작업을 하지 않도록 하였습니다. iGEM으로 업로드된 유전체 데이터는 검증과정을 거쳐 등록증을 발급하여 드리고 있으며, 등록완료가 된 데이터는 농업생명공학정보센터 (이하 *NABIC)에 자동으로 이관됩니다. 특히, NCBI와는 다르게 등록완료된 성과에 대하여 과제정보가 기입된 성과등록증이 발급되므로 사업단 성과로 증빙할 때에 더 수월하게 제출이 가능합니다. 다양한 후속연구 및 산업화에 활용할 수 있는 미생물 유전체 성과들은 최장 1년의 공개유예 기간을 거쳐 연구팀간에 공유되어 유전체 연구를 지원하게 될 것입니다. 앞으로도 계속 연구자 친화적인 정보 관리 시스템으로개편해 나갈 예정입니다. 건의사항이나 문의사항이 있으시면 언제든지 사업단으로 연락을 주시기 바랍니다.

미생물유전체전략연구사업 정보관리시스템 등록안내

로그인 Bioproject 확인 Biosample 등록 Experiment 등록 Run 유전체 데이터 업로드 성과등록증 발급

미생물유전체전략연구사업단은 ‘농림축산식품 미생물 유전체 정보 관리 시스템(iGEM)’의 유지보수 및 업그레이드등 전문적관리를 통한 안정적인 시스템 운영으로 체계적인 데이터베이스 구축 및 활용을 지원하기 위해 시크제네시스와 위탁협약 하였습니다.

시크제네시스(SeqGenesis)는 2011년 7월 설립된 대전소재 생물정보분석 전문기업으로, 국가 연구기관에서 휴먼, 미생물, 동/식물에 대한 오믹스 통합 데이터베이스 및 분서 플랫폼 개발, 영양유전체 연구지원시스템 구축, 분석 알고리즘 개발 등 다수의 생물정보분석에 대한 다양한 경력을 가진 전문연구원으로 구성되어 있습니다.

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IGEM 바로가기

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미생물 균주 자원 관리

미생물 보관 절차 장기 보존 신청시 준비물

등록신청서 등록양식과 엑셀 파일 다운로드

순수분리된 균주 2개

두가지 양식 모두 기입

미생물유전체전략연구사업단 미생물 균주 자원 관리 시작! KCCM과 위탁과제 협약 완료

선불 혹은 착불 택배이용

KCCM에서는 기반 연구 및 HMI 등 연구성과가 산업화 과제 혹은 후속연구로 이어질 수 있도록 미생물 균주 자원에 대한 공유 체계를 구축하고 그 활용을 책임지고

미생물 분양 절차

01

분양신청서 접수

02

재고파악 및 분양

03

수령 한달 이내 생존 확인

전화, 이메일, 팩스

있습니다. 이는 사업단 성과로 발생된 균주의 수탁, 관리, 분양으로 사업 성과의 선순환 구조의 한 축을 담당합니다. 향후 사업을 통해 확보된 미생물 균주 자원이 연구자 뿐 아니라 산업계에 공개 될 수 있도록하여 활용을 극대화 할 전망입니다. 다만 이를 위해서는 사업단 소속의 연구자 분들이 협력이 필요하며, 실물자원의 공유 등 유기적인 협력관계를 구축하고 그 시너지 효과를 극대화 하는데 큰 역할을 할 것입니다. 아울러 미생물

T e l : +82-2-391-0950, +82-2-396-0950 Fax : +82-2-392-2859

유전체 정보 관리 시스템과도 연계되어 미생물 유전체

주 소 : 서울시 서대문구 홍제내2가길 45(홍제동) 유림빌딩 3F 한국미생물보존센터

정보,균주 자원 관리에 한축을 담당할 것입니다.

담당자 : 이연희

한국미생물보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, KCCM)는 1967년 학계와 산업계의 과학자 및 관련 종사자들에 의해 비영리 사단법인체로 발족된 한국종균협회(Korean Federation of Culture Collections, KFCC)의 부설 균주기탁 및 보존기관입니다.

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2019 사업단 주요 활동

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2018.11.30.

2018 엠바이옴(mBiome) 컨퍼런스

2019.4.17.

사업단 과제 워크샵

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2019.6.24.

사업단 과제 워크샵

2019.8.~10.

단위과제 현장점검

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2019 사업단 주요 활동 2019.8.~10.

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단위과제 현장점검

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2019.8.~10.

단위과제 현장점검

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2019 사업단 주요 활동

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2019.8.~10.

단위과제 현장점검

2019.5.~10.

기술시장동향보고서 작성

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2019.10.4

농식품부 - 농기평 - 사업단 업무 회의

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iMAF 1단계 (14년~18년) 사업 수행과제 ■ 사업단 운영 구 분

과 제 명

연구기관

책임자

총괄

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

연세대학교

김지현

연구기관

책임자

■ 산업화 지원 미생물유전체 전략 연구 1. 조기성과 창출 2014년 협약: 연구기간 4년 구 분 주관

김치유산균의 유전체분석 및 생물학적 진화(순화)과정을 통한 김치발효용 스타터균주 개발

중앙대학교

전체옥

세부

김치유산균의 유전체분석 및 생물학적 진화(순화)과정을 통한 김치발효용 스타터균주 개발

중앙대학교

전체옥

협동(1)

김치유산균의 기능성 및 안정성 연구

충북대학교

한남수

협동(2)

김치유산균의 실증화 및 산업화 연구

대상㈜

류병희

김 치

과 제 명

주관

전통누룩 유래 자생 미생물 자원의 유용성 연구

한국식품연구원

김재호

세부

전통누룩 유래 자생 미생물 자원의 유용성 연구

한국식품연구원

김재호

협동

유용 미생물 활용 주류 제조공정 확립 및 사업화

㈜국순당

신우창

주관

미생물 유전체, 기능분석 및 토성, 작물 맞춤형 생물비료 개발

충북대학교

사동민

세부(1)

미생물 유전자원을 이용한 생물비료 개발

충북대학교

사동민

세부(2)

전략 미생물 유전체 분석

충북대학교

이이

협동(1)

선발 미생물 대량생산을 통한 생물비료 제조 및 산업화

㈜흙살림

양병근

주 류

생 물 비 료

사 료 첨 가 제

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주관

유전체공학을 통한 가축 생산성 증진용 항균활성/ 안정성 우수 사료첨가 생균제의 개발 및 생산 최적화 연구

서울대학교

허철성

세부

사료첨가 미생물의 배양 생산성 및 생존율 최적화

서울대학교

허철성

협동(1)

항균활성/안정성 확보된 사료첨가 미생물 자원 및 유전체 확보

강원대학교

김은배

협동(2)

사료첨가 미생물 대량 생산 조건 확립 및 시제품 생산

㈜씨티씨바이오

박양순

미생물유전체전략연구사업단

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2016년 협약: 연구기간 2년 구 분 프로

과 제 명

연구기관

책임자

주관

NGS 기반 장내미생물총 분석 기술을 활용한 콜레스테롤 저하 유산균 소재의 개발 및 제품화

㈜에이투젠

강지희

세부

NGS 기반 장내미생물총 분석 기술을 활용한 콜레스테롤 저하 유산균 소재의 개발 및 제품화

㈜에이투젠

강지희

주관

미생물 유전체 기술 활용한 항비만 프로바이오틱스 개발 및 기능성식품 산업화

㈜종근당바이오

최인석

세부

미생물 유전체 기술 활용한 항비만 프로바이오틱스 개발 및 기능성식품 산업화

㈜종근당바이오

최인석

협동(1)

항비만 프로바이오틱스 선발 및 효능 검증

한국식품연구원

임상동

협동(2)

미생물 유전체 기술 및 in vivo 효능 검증 통한 항비만 기능성 프로바이오틱스 개발

한동대학교

Wilhelm Holzapfel

바이오 틱스

프로 바이오 틱스

미생물

주관

미생물 유전체 정보 활용 경제작물 미생물농약 개발

㈜동부팜한농

신택수

세부

미생물 유전체 정보 활용 경제작물 미생물농약 개발

㈜동부팜한농

신택수

총채벌레 살충성 미생물 Beauveria bassiana 균주의 유전체 분석 연구

전북대학교

김재수

주관

미생물 유전체 정보 활용 돼지 만·급성 설사증상 조절 면역 증강제 개발

서울대학교

박병철

세부

미생물 유전체 정보 활용 돼지 만·급성 설사증상 조절 면역 증강제 개발

서울대학교

박병철

협동

미생물 유전체 정보 활용 돼지 만·급성 설사증상 조절 면역 증강제 제품화

㈜씨티씨바이오

윤승현

주관

유전체 기반 발아대두 동충하초(Cordyceps militaris )로부터 지방간 질환 개선 바이오소재 개발

㈜세포활성연구소

박동기

세부

유전체 기반 발아대두 동충하초(Cordyceps militaris )로부터 지방간 질환 개선 바이오소재 개발

㈜세포활성연구소

박동기

협동(1)

발아대두 동충하초 유용성분의 비알코올성 지방간 질환 개선 기능성 평가 연구

가천대학교

박태식

협동(2)

발아대두 동충하초의 전사체에 기반한 바이오 소재 생성 관련 유전자군 발굴

인천대학교

최재혁

농약 세부 위탁

면역 증강제

유용 버섯

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iMAF 1단계 (14년~18년) 사업 수행과제 2. 연구역량 강화 2014년 협약: 연구기간 4년 구 분

메 타 유 전 체

과 제 명

연구기관

책임자

주관

농축산식품 환경 미생물의 메타유전체 정보 분석

경희대학교

배진우

세부

경제동물의 메타유전체 정보 분석

경희대학교

배진우

협동

농식품 유용미생물의 메타유전체 정보 및 대사네트워크 분석

연세대학교

송주연

세부위탁

질량분석기기 기반 농업유용미생물의 메타볼롬 해석

건국대학교

이충환

협동위탁

메타유전체 및 메타볼롬 종합 정보분석을 위한 네트워크 파이프라인 구성

중앙대학교

설우준

주관

농업 유용 진핵미생물의 참조유전체 및 오믹스 정보 분석 연구

중앙대학교

강현아

세부

한국 전통주류 발효효모 균주의 참조유전체 및 오믹스 분석 연구

중앙대학교

강현아

협동

한국 전통주류 당화곰팡이 균주의 참조유전체 및 오믹스 분석 연구

숭실대학교

서정아

㈜테라젠이텍스

홍창표

참 조 유 전 체

세부위탁 농 업 생 물 정 보

주류 진핵 미생물 참조유전체 정보 생산

주관

NGS를 활용한 미생물 유전체 및 전사체 분석 소프트웨어 및 시스템 개발

㈜천랩

천종식

세부

NGS를 활용한 미생물 유전체 및 전사체 분석 소프트웨어 및 시스템 개발

㈜천랩

천종식

협동

NGS를 활용한 미생물 유전체 및 전사체 분석 소프트웨어 및 시스템 개발

㈜테라젠이텍스

홍창표

연구기관

책임자

2016년 협약: 연구기간 2년 구 분 기 능 대 사 체

다 중 오 믹 스

주관

기능대사체 해석 기반 농식품 미생물자원 탐색

건국대학교

이충환

세부

기능대사체 해석 기반 농식품 미생물자원 탐색

건국대학교

이충환

세부위탁

향미대사체 해석 기반 농식품 미생물자원 탐색

이화여자대학교

김영석

주관

농·식품 유용 미생물의 기능유전체 기반 다중오믹스 정보 네트워크 분석

연세대학교

반용선

세부(1)

농·식품 유용 미생물의 기능유전체 기반 다중오믹스 정보 네트워크 분석

연세대학교

반용선

세부(2)

농· 식품 유용 미생물 및 유전자의 가치제고화 플랫폼 기술 구축

연세대학교

조현수

미생물 참조유전체 확보 및 비교유전체 분석을 통한 농·식품 유용 기능성 탐색

경북대학교

이동우

협동

194 |

과 제 명

미생물유전체전략연구사업단

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3. 부처공동 연구(Host-Microbe Interaction) 2014년 협약: 연구기간 4년 구 분

과 제 명

연구기관

책임자

주관

벼와 고추 침해 주요 공기전반 병원성 곰팡이의 발병유전체 분석 및 기능연구

순천향대학교

윤성환

세부

벼와 고추 침해 주요 공기전반 병원성 곰팡이의 발병유전체 분석 및 기능연구

순천향대학교

윤성환

협동

고추 침해 공기전반 병원성 곰팡이의 발병유전체 분석 및 기능 연구

강원대학교

김경수

세부위탁

벼 침해 주요 공기전반 병원성곰팡이의 집단 다양성 및 발병 유전체학 분석

동아대학교

이정관

주관

세포내 기생 난치성 산업동물 주요 병원균의 핵심 병원성 유전체 분석과 이를 이용한 제어기술 개발

경상대학교

김 석

세부

세포내 기생 난치성 산업동물 주요 병원균의 핵심 병원성 유전체 분석과 이를 이용한 제어기술 개발

경상대학교

김 석

협동(1)

살모넬라균의 숙주환경에서의 유전체 비교 분석 및 병원성 관련인자 분석

중앙대학교

이강석

협동(2)

기생성 세균의 오믹스데이터 비교분석 및 진단/예방 원천기술 사업화 탐색

㈜인트론바이오 테크놀로지

손지수

연구기관

책임자

식 물 병 원 균

동 물 병 원 균

2016년 협약: 연구기간 2년 구 분

주관

식물의 유기물 분비에 따른 근권 미생물 커뮤니티분석 및 유용 공생미생물 자원 발굴

중앙대학교

설우준

세부

식물의 유기물 분비에 따른 근권 미생물 커뮤니티분석 및 유용 공생미생물 자원 발굴

중앙대학교

설우준

협동(1)

식물 면역을 향상시키는 근권 미생물 발굴

단국대학교

권지안

협동(2)

삼 추출물을 활용한 질소고정 및 DNRA 반응 촉진 미생물 컨소시엄 발굴

한국과학기술원

윤석환

협동(3)

식물 환경 스트레스 저항성 획득을 위한 식물과 공생미생물간의 상호작용 분석

부산대학교

이재훈

주관

식물_미생물과 곤충_미생물 상호작용에 대해 비교 유전체 및 비교 in host 전사체분석을 통한 새로운 병원성 인자 발굴 및 응용

부산대학교

서영수

세부(1)

식물_미생물과 곤충_미생물 상호작용에 대해 비교 유전체 및 비교 in host 전사체분석을 통한 새로운 병원성 인자 발굴 및 응용

부산대학교

서영수

세부(2)

전사체 분석을 통한 공생 인자의 발굴과 재조합 변이 공생균을 이용한 공생기작의 규명 및 숙주와의 상호작용에 관여하는 특정유전자의 역할 규명

부산대학교

이복률

생 미

과 제 명

생 물

동 식 물 병 원 균

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연구비 관리 꿀팁 연구비 집행할 때, 꼭 기억합시다! 2019년 규정 개정사항! [국가연구개발사업 관리 등에 관한 규정 및 농림축산식품 연구개발사업 운영규정 주요 개정사항, ‘19.09 시행] 연구비 사용 방식의 표준화 간소화 연구개발비 비목 통합을 통한 간소화 ●

- 연구활동비와 연구과제추진비를 연구활동비로 통합

연구시설 장비비 풀링제 도입 연구시설 장비비 통합관리 기관 지정 예정 ●

- 연구시설 및 장비를 연구기관 또는 공동 활용시설 단위로 통합 관리 예정(추후 확정 안내)

연구비통합관리시스템 구축 예정 연구비 관리시스템 ‘이지바로’ 통합 운영 예정 ●

- 부처별로 개별 시스템 운영이던 기존 방식을 ‘이지바로’로 통합 운영 예정(추후 확정 안내)

Q. A.

Q. A. Q. A.

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(인건비) 소속기관으로부터 급여를 지급받는 외부연구원에게 인건비 현금 지급이 가능한가? 소속이 별도로 있는 외부 연구원의 경우 인건비는 미지급 또는 현물로 계상하여 참여할 수 있으며 인건비 현금 지급은 불가하다. 외부연구원은 ‘건강보험자격득실확인서’ 등의 서류로 현재 소속 기관이 별도로 없을 경우에만 인건비 현금 지급이 가능하다.

(학생인건비) 학생인건비 통합관리기관이 아닐 경우에도 학생인건비로 계상해야 하는가? 학생인건비 또는 인건비로 계상이 가능하며, 다만 학생인건비 통합관리기관이 아닐 경우에는 다른 연구개발비 항목과 동일한 방식으로 정산을 받아야 한다.

Q. A.

(국외출장여비) 국외 출장 시 외국에서 체류하는 기간으로 15일인가? 여권 등 출입국 내역을 확인할 수 있는 서류상 날짜로 15일 이내이며 당초 계획한 국외출장기간보다 출장기간을 초과할 수 없다.

구기간 중 발생된 이자 및 환급받은 부가가치세는 연 연구비로 재투자하여 사용 구 종료 후 1개월 이내 회계기관에 정산 서류 제출, 연 3개월 이내 농기평 최종 제출 구비의 차년도 이월은 과제종료 후 2개월 이내 연 신청, 500만원 이상은 승인 요청

(범용성 기자재 구입) 범용성 기자재에서 범용성의 뜻은 무엇인가? 여러 분야나 용도로 널리 쓰는 것을 범용이라 하듯이, 기자재 또한 해당 연구과제만을 위해 필요한지 일반적 보편적으로 널리 사용되는지가 범용성을 판단하는 기준이 된다. 연구과제 수행을 위해 필요한 부분이 있더라도 해당 기자재가 범용성이라면 간접비 등으로 집행해야 한다.

위 내용은 iPET에서 발행한 「연구개발비 관리 매뉴얼」 중에서 발췌했으며, 매뉴얼은 www.ipet.re.kr에서 전문을 볼 수 있습니다.

미생물유전체전략연구사업단

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알아둡시다 과제관리 일정 년월

협약/평가/연구비관리

과제/성과관리

사업단 운영

2019.11

사업단 중간평가 – 농기평 실시

연구성과 입력

12

연차실적계획서 수정보완

2차년도 성과 최종 입력

2020. 1

3차년도 연구개시 연구비 정산서류 제출

2

연구비 이월신청 마감

3

연구비 정산결과 제출

2019 엠바이옴 컨퍼런스

(예정) 사업단 과제워크샵

4 5 진도점검

6

(예정) 사업단 과제워크샵

7 8 9 3차년도 연차실적계획서 제출

10 11

(예정) 사업단 자체 중간평가

연구성과 입력

(예정) 2020 엠바이옴 컨퍼런스

12

연차실적계획서 수정 보완

3차년도 성과 최종 입력

연 락 처 과제관리

사업관리실

061-338-9794

S-R&D

상담 콜센터

1566-0369

연구행정

사무국

02-2123-8125

정보·자원 관리

사무국

02-2123-8126

농림수산식품기술기획평가원(iPET)

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(iMAF)

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