농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 소식지 6호가 발간되었습니다.

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Vol.

농림축산식품

7차년도

겨울 들판을 건너온 바람이

신달자

눈 덮힌 겨울 들판을 건너 온 바람이 내 집 노크를 했다 내가 문 열지도 않았는데 문은 저절로 열렸고 바람은 아주 여유 있게 익숙하게 거실로 들어왔다 어떻게 내 집에 왔냐고 물었더니 여기 겨울 들판 아닌가요? 겨울 들판만 나는 바람이라고 한다 이왕 오셨으니 따뜻한 차 한 잔 바람 앞에 놓았더니 겨울 들판은 겨울 들판만 마신다고 한다 말이 잘 통했다 처음인데 내 백 년의 삶을 샅샅이 잘 알고 겨울 들판을 물고 와 겨울을 더 길게 늘이고 있다 차가운 것은 불행이 아니라고 봄을 부르는 힘이라고 적어 놓고 갔다

02

인사말

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iMAF(농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단) 소개

•사업단 연혁

•포스트게놈 다부처 유전체사업

• 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업 - 비전/목표/미션 - 중점 연구분야

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iMAF 후속 사업 기획(안)

12

iGEM / KCCM 소개

14

식품산업을 선도하는 농 2019 농식품R&D 우수성과 60선

26

iMAF 수행과제

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생생연구현장(01~22)

32

•조기성과 창출

동물 미생물제제

건강기능식품(프로바이오틱스)

발효식품

작물 미생물제제

102

•연구역량 강화

참조유전체&비교유전체

미생물군집&메타유전체

다중오믹스

유전체정보분석기술개발

미생물자원 발굴

152

•부처공동 연구(Host-Microbe Interaction)

발행일 | 2020년 11월 06일

작물 마이크로바이옴

발행인 | 김지현

동물 마이크로바이옴

발행처 | 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

작물·동물 병원균

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뉴스클리핑

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사업단 주요 활동

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연구비 관리 꿀팁

201

알아둡시다

202

<참고> 1단계사업 수행과제

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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인 사 말

오후 4시의 희망

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food ; iMAF)은 과학기술정보통신부ㆍ 농림축산식품부ㆍ보건복지부ㆍ산업통상자원부ㆍ해양수산부ㆍ농촌진흥청ㆍ 산림청 등 7개 부ㆍ청이 참여하는 ‘포스트게놈 다부처 유전체사업’의 일환으로 농식품부에서 추진하 는 미생물 유전체 분야 국가 R&D 사업단입니다. 사업단은 2014년 8월에 출범하여 2021년 12월까지 8년 동안 농식품 관련 미생물의 유전체 분석을 바탕으로 기반연구에서부터 응용, 산업화ㆍ실용화에 이르는 전주기적 연구개발을 수행하고 있습니다. 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 연구 성과 연계 활용을 최적화하기 위한 ‘부처 공동연구’를 핵심 투자 분야로 설정하여 사업을 추진하고 있습니다.

2020년이 저물어가고 있습니다. 이제 2018년에 착수한 2단계 사업의 3년차 연구를 잘 마무리하고, 마지막 4년차 연구를 통해 2단계도 우수한 성과로 우리 사업의 결실을 맺고 후속연구를 준비해야 할 때입니다. 아직 2020년 연구기간이 남아 있지만 벌써 여러 과제에서 우수한 연구개발 성과를 거두고 있습니다. 우선 곰팡이 감염증 조절 탈인산화효소의 대량 발굴, 벼의 야생종과 육성 품종 종자 마이크로바이옴 분석 등의 연구결과가 우수한 논문으로 발표되었습니다. 또한 유산균 막걸리, 반려견을 위한 면역증강용 프로바이오틱스 등 제품 출시와 매출로 연결되는 성과도 도출되고 있습니다.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

사업단에서는 8년(2014년~2021년) 동안 성취한 우수한 연구개발 성과를 계속 이어나갈 수 있는 후속사업을 현실화하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 이를 위해 미생물학 및 마이크로바이옴 연구 분야 산ㆍ학ㆍ연 전문가가 참여하여 마이크로바이옴 기술시장 동향보고서를 제작한 바 있으며, 올해에는 농식품마이크로바이옴사업 기획 및 이에 대한 공청회를 진행하였습니다. iMAF 공감! 제6호는 우리 사업단 2단계 사업 21개 과제 연구팀의 3년간의 성과를 소개하고 앞으로 남은 기간의 연구계획과 포부, 최종 연구성과 목표를 담고 있습니다. 우리 사업단은 포스트게놈 시대를 대비하며 유전체사업의 한 축을 담당한다는 사명 아래 바이오산업 분야에서 국가 경쟁력 확보를 위해 ‘산업화ㆍ실용화 성과 극대화’, ‘창의적 연구 네트워크 구축’ 그리고 ‘연구자원 활용 촉진’과 같은 전략을 흔들림 없이 추진하고 실천해 나갈 것입니다. 올 한 해는 참 많은 일들이 있었습니다. 사업단 역시 코로나19로 예정됐던 학술행사를 부득이하게 취소하거나 온라인으로 개최했습니다. 기형도 시인의 ‘오후 4시의 희망’을 문득 떠올려봅니다. 이미 많은 시간이 지난 것 같아 이대로 끝나버리는 하루인 것 같지만 아직도 하루 일정이 끝나지 않아 버겁게 느껴지기도 하는 오후 4시에 시인은 희망을 노래하고 있습니다. 우리 모두가 바로 오후 4시의 희망을 생각해야 할 때가 아닌가 싶습니다. 지난 슬픔과 괴로움은 날려 버리고 남은 기간 동안 희망과 보람을 가득 채워 나가시길 소망합니다.

2021년에는 목표로 하신 연구 성과를 우리 사업단 연구자 모두 좋은 결실로 맺으실 수 있기를 기원합니다. 그 성과에 보답할 수 있게 사업단 역시 새로운 계획으로 희망찬 미래를 맞이할 수 있도록 성실히 준비하겠습니다. 감사합니다. 사업단장 김 지 현

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농림축산식품

미생물유전체전략연구사업단 iMAF는 농식품 분야의 미생물유전체 정보를 자원화하여 산업화ㆍ실용화로 연계함으로써 농림축산식품산업의 국가경쟁력을 강화하고 있습니다. 아울러 바이오경제 활성화를 견인하기 위한 국가 전략 R&D 사업을 수행합니다.

유전체 연구 범부처 공동기획 추진을 위한 부처 협의

2010.11

교과부, 지경부, 복지부, 농식품부 4개 부처 실무 협의 착수

유전체 연구, BT(생명공학기술) 5개 중점투자 전략분야로 선정(국과위)

2011. 2

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

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

2012.11

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

2013.12

04 |

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

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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2014.1

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

2016

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

2014. 8

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

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

2017. 8

2단계 추진 연구사업비 확보 2018년 정부예산(안) 47.8억 원 반영

2018. 4

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

미생물유전체전략연구사업 후속 농식품마이크로바이옴사업 기획연구 보고서 발간

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포스트게놈 다부처 유전체사업 과학기술정보통신부

기초·원천·기반

[ 기초·원천 연구, 연구기반 인프라 구축 ]

보건복지부 [ 인간유전체 연구 ]

응용·사업화

농림축산식품부· 농진청·산림청 [ 농생명자원 유전체 연구 ]

해양수산부 [ 해양생물자원 유전체 연구 ]

산업화 인프라

산업통상자원부 [ 산업화 인프라 구축 ]

※ 유전체 정보분석 공동연구기반 구축 사업 ※ 유전체 미래원천 기술 개발 사업 ※ 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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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업 VISION

VISION

•농식품 미생물 유전체 정보자원 활용으로 풍요롭고 건강한 삶에 기여

GOAL

GOAL

•농식품 미생물산업 육성 기반 마련 및 바이오경제 활성화

MISSION •미생물 유전체 연구 수월성 확보 및 농식품 유용 미생물 정보 자원화

MISSION

•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 ●

업적·경제적 가치가 큰 산 고부가가치 미생물 제품 개발 및 산업화

연구역량 강화 ●

●

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

발효식품(김치, 주류, 발효유, 기타 발효식품)

미생물자원 탐색 및 발굴

건강기능식품(프로바이오틱스 등)

미생물 군집 및 메타유전체 분석

동물 미생물제제(소화촉진제, 면역증강제 등)

참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

작물 미생물제제(미생물비료, 미생물농약 등)

다중오믹스 정보 분석

농축산환경개선제

미생물 유전체 정보 분석기술 개발

부처공동 연구 ●

●

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

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FOCUS

iMAF

후속 사업 기획(안)

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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미생물유전체전략연구사업 후속 농식품마이크로바이옴사업(안) 인류는 고도의 산업화 및 인구 증가에 따른 식량난 및 지구온난화라는 새로운 도전의 시기에 살고 있습니다. 최근 인류의 보편적인 삶의 질 제고 측면에서 건강하고 행복한 삶에 대한 웰니스에 큰 관심이 생기면서, 자연생태계는 물론 인간의 건강에 큰 역할을 담당하는 마이크로바이옴에 큰 관심이 집중되고 있습니다. 눈에 보이지 않지만, 인간을 비롯한 자연 생태계에 널리 분포되어있는 마이크로바이옴은 지난 수십억 년간 동·식물과의 공진화를 통해 생태계의 균형을 유지하는 데 필수적인 역할을 하고 있습니다. 특히, 인간 및 동·식물의 건강은 물론 이들의 생리, 대사 조절 및 질병완화 내지 치료에 이르기까지 핵심적인 역할을 한다는 최근 연구결과로 말미암아, 이에 대한 학문적, 산업적 관심도가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 최근 차세대염기서열분석법과 각종 오믹스 기법의 눈부신 발전과 더불어 시스템생물학 기반의 다학제적 접근법을 이용한 미지의 다양한 생태환경에서의 마이크로바이옴 및 통합적 분석방식을 통한 기능 규명이 이루어지고 있습니다. 특히 세계의 기술 강대국들을 중심으로 미래 4차 산업의 핵심 분야인 마이크로바이옴 활용기술의 선점을 위해 정부주도의 대규모 마이크로바이옴 R&D 컨소시엄을 구성하여 공격적인 연구 및 실용화 사업에 박차를 가하고 있습니다. 따라서 우리나라에서도 이러한 시대적 흐름에 선제적으로 대응하고자, 농림축산식품부 주도로 지난 2014년 미생물유전체전략연구사업단을 발족하였고, 총 8년간(2014~2022)의 중장기 계획에 맞춰 미생물 유전체 R&D를 각 전략사업별(조기성과창출, 연구역량강화, 부처공동연구: Host-Microbe Interaction)로 나누어 성공적으로 수행 중에 있습니다. 본 미생물유전체전략연구사업 후속 농식품마이크로바이옴사업(안)에서는 미생물유전체전략연구사업단의 뛰어난 연구 및 실용화 성과를 더욱 발전시켜 차세대 마이크로바이옴 분야에서 우리나라가 선도적 역할을 하기 위해, 5개의 마이크로바이옴 중점연구 분야(발효식품 마이크로바이옴, 경제작물 마이크로바이옴, 경제/반려동물 마이크로바이옴, 헬스케어 마이크로바이옴, 마이크로바이옴 응용연구혁신)를 중심으로 한 사업목표, 추진체계 및 전략을 제시하였습니다. 미생물유전체전략연구사업 후속 농식품마이크로바이옴사업(안)은 이 분야 산·학·연 전문가들의 제언 및 분석을 바탕으로 준비하였으며, 미생물유전체전략연구사업단이 주관하고 사단법인 한국미생물학회 및 유관분야 전문가의 협조를 받아 기획하였습니다. 미생물유전체전략연구사업 후속 농식품마이크로바이옴사업(안)을 요약하여 소개하도록 하겠습니다.

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미생물유전체전략연구사업

후속 농식품마이크로바이옴사업(안) 요약 마이크로바이옴이란 ● 생체를 비롯한 개별 환경에 서식하는 미생물군집과 유전정보 전체를 통칭, 생체 단위별 정보 분석을 통한 과학적·산업적 중요성 대두

필요성 ● 미래 농산업환경 변화에 따라 미생물 및 마이크로바이옴 자원의 확보 및 활용이 새로운 성장동력 산업으로 부각 - NGS기술 도입으로 미생물 유전체 연구수요 급증 및 연구개발 가속화로 인하여 마이크로바이옴 산업 선점을 위한 글로벌 경쟁이 치열 * (미국) 국가 마이크로바이옴 이니셔티브(NMI, 2016~), (EU) MyNewGut(1.3천만 유로, 5년) 등 국가적 차원의 대형 프로젝트 진행 - 마이크로바이옴 연구는 농축산업의 생산량 증대 및 안전성 확보와 직결되므로 지속가능한 농식품 산업 기반조성을 위한 R&D투자가 절실 ● 포스트게놈 다부처 유전체사업 종료(2021년)에 따라 미생물 유전체 기반 농생명산업 육성을 위한 후속 R&D사업 추진 필요성 대두 - 현재 사업에서 확보된 유전체 정보 및 실물자원의 지속적인 활용과 성과의 연계 방안 필요 - 농축산식품 분야 마이크로바이옴 연구개발을 통해 기술수준 및 국제 경쟁력 제고 ● 국내 마이크로바이옴 연구는 해외 선진국을 빠른 속도로 추격 중이지만, 대부분 휴먼(인체) 마이크로바이옴에 치중되어 농축산식품 마이크로바이옴 연구지원 시급

사업 기본내용 ● 정의 : 농축산식품의 새로운 도약 및 성장동력 창출을 위한 마이크로바이옴 혁신기술 개발 및 산업화 기반마련 R&D 프로젝트 ● 기간 및 예산 : 2022년 ~ 2031년(10년간, 2단계; 5년+5년) / 2,200억 원(220억 원/연) ● 추진주체 : 농림축산식품부 / 농림식품기술기획평가원 ● 지원 대상 : 농림축산식품 관련 기업, 대학, 연구소 등

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

사업개요 ● 목적 : 차세대 마이크로바이옴 분석 및 제어기술 기반 농축식품 산업 육성 및 미생물 강국 실현을 통한 안전한 먹거리 제공과 국민 건강증진 기여 ● 목표 : 농축산식품 마이크로바이옴 자원·정보 및 기술력 확보를 통해 식품, 경제작물, 경제/반려동물 및 헬스케어 분야에 대한 경제적 성과 창출 기여 - 선진국 대비 기술수준 향상 : 2018년 : 75%(KISTEP) → 2031년 : 85% - 마이크로바이옴 자원·정보 확보 : 2031년까지 1,500건 이상 확보 달성 - 산업적 성과창출 : 기술적용 제품 출시 60건 및 연간 매출액 100억 원 달성(2032년) ● 주요 내용 : 빅데이터 및 AI를 기반으로 하는 4차 산업혁명 시대를 맞이하여 미래 농축산식품산업의 4대 핵심 분야인 발효식품, 경제작물, 경제/반려동물 및 헬스케어 분야에서 산업적으로 활용 가능한 마이크로바이옴 분석 및 제어기술을 개발하고, 차세대 마이크로바이옴 연구를 선도할 혁신연구 및 관련 원천기술 개발을 추진 중점 분야

주요 내용

발효식품 마이크로바이옴

식품 유래 유용 미생물과 대사물질 자원화 및 인체 내 작용기전 규명을 통한 식품 마이크로바이옴 자원·정보 개발 및 산업화

경제작물 마이크로바이옴

식물의 저항력 강화, 생육증진 등 경제작물 기반 신선식품 및 식량 생산성 증대를 위한 마이크로바이옴 자원·정보 개발 및 산업화

경제/반려동물 마이크로바이옴

동물복지 증진(기능성 사료, 면역증진 등) 및 축산식품 안전 개선을 위한 마이크로바이옴 자원·정보 개발 및 산업화

헬스케어 마이크로바이옴

식품의 기능성(안전, 영양, 건강) 향상 및 질병 예방/개선 효능을 위한 헬스케어 마이크로바이옴 자원·정보 개발 및 상용화

마이크로바이옴 응용연구혁신

마이크로바이옴 관련 기술 및 제품의 산업적 활용 촉진을 위한 차세대 마이크로바이옴 분석 및 제어 혁신원천연구 개발 및 지원

기대효과 ● 과학기술적 : 농 축식품업 분야 국가 R&D 혁신 및 기술혁신을 통한 과학기술 역량 제고 및 미생물산업 육성체계 구축 - 세계 최고기술의 확보로 세계적 수준의 미생물산업 육성체계 구축 ● 사회경제적 : 사 회적·국가적·글로벌 이슈에 대응할 수 있는 국가적 R&D 과제를 추진함으로써 국가경쟁력 제고의 근간 마련 - 농축산식품 미생물유전체 정보·자원의 고부가가치화 및 산업화 기반 마련을 통해 농생명 산업의 신성장동력 발굴

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iGEM / KCCM 소개

iGEM

미생물유전체전략연구사업단 미생물 정보 및 자원 관리방법 안내 하나

정보자원관리시스템 미생물유전체전략연구사업 정보관리시스템 등록안내

둘

로그인

미생물유전체전략연구사업단 미생물유전체전략연구사업단 정보자원관리시스템 미생물 균주 자원관리 Bioproject 확인 iGEM.OR.KR은 미생물유전체전략연구사업단의 정보자원관리시스템(이하 *iGEM)입니다. 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. 지난 2년(2018~2019년) 동안 등록완료된 성과 중 일부가 성공적으로 국가생명연구자원정보센터(KOBIC)에 등록 되었습니다. KOBIC에서는 메타데이터에 대해 영문기입을 우선하고 있습니다. iGEM 등록시에도 가급적 영문기입을 권장합니다. 다양한 후속연구 및 산업화에 활용할 수 있는 미생물유전체 성과들은 최장 1년의 공개유예 기간을 거쳐 연구팀간 공유되어 유전체 연구를 지원하게 될 것입니다.

Biosample 등록 Experiment 등록 Run 유전체 데이터 업로드 성과등록증 발급

사업단 유전체데이터 등록을 위한 단계별 안내

iGEM 바로가기 시크제네시스(SeqGenesis)는 2011년 7월 설립된 대전 소재 생물정보분석 전문기업으로, 국가 연구기관에서 휴먼, 미생물, 동식물에 대한 오믹스 통합 데이터베이스 및 분석 플랫폼 개발, 영양유전체 연구지원시스템 구축, 분석 알고리즘 개발 등 다수의 생물정보 분석에 대한 다양한 경력을 가진 전문연구원으로 구성되어 있습니다.

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

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

미생물 균주 자원 관리 KCCM에서는 기반 연구 및 HMI 등 연구성과가 산업화

● 미생물 분양 절차

01

분양신청서 접수

02

재고파악 및 분양

03

수령 한달 이내 생존 확인

전화, 이메일, 팩스

과제 혹은 후속연구로 이어질 수 있도록 미생물 균주 실물자원에 대한 공유 체계를 구축하고 그 활용을 책임지고 있습니다. 이는 사업단 성과로 발생된 균주의 수탁, 관리, 분양으로 사업성과의 선순환 구조의 한 축을 담당합니다. 향후 사업을 통해 확보된 미생물 균주 실물자원이 연구자 뿐 아니라 산업계에 공개될 수 있도록 하여 활용을 극대화할 전망입니다. 이를 위해서는 사업단 소속 연구자 분들의 협력이 필요하며, 실물자원의 공유등 유기적인 협력관계를 구축하고 그 시너지 효과를 극대화하는 데 큰 역할을 할 것입니다. 아울러 정보자원관리시스템과도 연계하여 자원관리에 한 축을 담당합니다.

실물자원 개별 등록요청 진행

● 미생물 보관 절차 장기 보존 ➊ 등 록 양식과 엑셀파일을 다운받아 모두 작성하여 주십시오(이메일, 팩스 혹은 출력 후 택배에 동봉하여 주십시오). ➋ 균 주는 평판배지 2개를 순수분리된 상태로

향후 정보관리시스템에 등록완료된 샘플을 바탕으로

택배를 통해 보내주십시오.

개별적으로 실물자원의 등록을 요청드릴 예정입니다. 많은 협조를 바랍니다.

➌ 보 존 서비스 및 이외의 문의사항은 사업단 혹은 KCCM 담당자에 문의해 주십시오.

등록양식 및 엑셀파일 다운로드 바로가기 한국미생물보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, 이하 "KCCM"로 약칭함)는 1967년 학계와 산업계의 과학자 및 관련 종사자들에 의해 비영리 사단법인체로 발족된 한국종균협회(Korean Federation of Culture Colleftions, 이하 "KFCC"로 약칭함)의 부설 균주 기탁 및 보존기관입니다. 미생물유전체전략연구사업단은 사업단 성과로 도출된 미생물 실물자원의 전문적 관리를 위하여 KCCM과 위탁협약하였습니다.

T e l : +82-2-391-0950, +82-2-396-0950 Fax : +82-2-392-2859 주 소 : 서울시 서대문구 홍제내2가길 45(홍제동) 유림빌딩 3F 한국미생물보존센터 담당자 : 이연희 iMAF_2020 Vol. 6

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농식품산업을 선도하는

2019 농식품R&D 우수성과 60선 사업단 과제 선정 쾌거 성과명

주관연구책임자

주관연구기관

선정 사유

세계시장 진출이 가능한 감염성 장질환의 효과적인 장내미생물 최초 확보

윤상선

연세대학교

과학적 성과 우수

전통누룩 유래 유산균 고함유 기능성 막걸리 제품화 성공

김재호

한국식품연구원

사업화 성과 우수

신규 방선균 유래 친환경 항진균 미생물 제제 개발 성공

김응수

인하대학교

과학적 성과 우수

해충에만 작용하는 인체에 무해한 친환경 유기 살충제 개발 성공

신재호

경북대학교

사업화 성과 우수

병원성 곰팡이의 멜라닌 색소 합성 및 DNA 손상 회복 조절 기작 규명

반용선

연세대학교

과학적 성과 우수

총채벌레를 효과적으로 방제하는 친환경 작물 보호제의 개발 (1단계 과제)

박태현

(주)팜한농

과학적 성과 우수

성과명

세계시장 진출이 가능한 감염성 장질환의 효과적인 장내미생물 최초 확보

주관연구기관 : 연세대학교 주관연구책임자 : 윤상선 과제명 : 감염 억제 및 장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발 과제기간 : 2018년 04월 ~ 2021년 12월

성과 내용

● 최 근 해외여행 인구 증가로 인해 발생 가능성이 높은 수인성 질환에 대한 다각적인 대응방안(면역력 개선) 등을 확보하여 국내 콜레라 감염증 유행 등에 선제적으로 대응이 가능 ● 현대인의 건강에 많은 영향을 미치는 장 건강을 위한 감염성 질환 치료용 장내 미생물 유래 프로바이오틱스 확보 등에 관한 해외 유명 저널(SCI급) 등재를 통해 연구의 우수성 확인

성과의 우수성

● 실험 모델 제시: 콜레라 감염성 연구를 위한 마우스 감염모델을 확립하고 최적화 함으로써 감염성질환 관련 연구자들에게 과학적이고 효용성이 높은 실험 모델을 제시 ● 치료용 프로바이오틱스 개발 방안 제안 : Metagenomics 및 metabolomics 등의 최신의 omics 분석 기술을 이용하여 장내 환경 내의 미생물 및 대사체의 다각적인 변화를 관찰하고 해석하여 감염성 질환 치료용 프로바이오틱스 연구개발의 접근 방법을 제시 ● 장관 공생 미생물의 새로운 기능 및 능력 제시 : 감염억제 효과가 탁월한 공생미생물인 Bacteroides vulgatus를 분리 및 동정하였으며 전체 유전체를 분석하여 장내 환경에서 생존 및 증식, 숙주와의 연계 능력을 이해하기 위한 기반을 마련하였음

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

● 감염성 질환 치료용 공생 미생물 개발 : Bacteroides vulgatus이 감염성 질환 치료제로서의 능력을 규명하여 장관 관련 질환 등의 치료제로서의 기능성도 함께 시사함 ● 신개념의 감염치료 전략 시사 : 장내 상재균인 Bacteroides vulgatus을 단독으로 이식하여 콜레라를 효과적으로 치료할 수 있음을 보여주어 향후 항생제 비의존적인 신개념의 감염치료 전략 수립에 중요한 시발점이 될 수 있음

파급 효과

성과의 활용도

● 본 연구에서 확립된 마우스 감염 모델은 콜레라균 감염 기전에 연구에 매우 중요한 핵심 모델이 될 수 있음 ● 본 연구에서 분리·동정한 박테로이데스 불가투스(Bacteroides vulgatus)는 장내 상재균으로 장내 정착 및 생육이 우수하며 유전체 분석 결과 특이 독성 인자를 가지고 있지 않으며 감염증 모델에서 마우스에 이상 질환을 유도하지 않음, 또한, 면역 세포의 활성화에 긍정적인 것으로 알려진 Short-Chain Fatty Acids(SCFAs)의 생산에 직·간접적으로 작용하는 것을 확인하여 향후 질병 치료용 프로바이오틱스 개발에 활용 가능함 ● 향후, 콜레라 유행 국가에서 감염예방 목적의 미생물 신약으로의 개발이 가능할 것으로 기대하며, 현재 대표적 SCFA중 하나인 Butyrate를 매우 높은 효율로 합성하는 마이크로바이옴 유래 유전자를 동정하여 인체 적용을 위한 전임상 수준에서의 효능 검증을 수행하고 있음 성과의 파급효과

● 감염성 질환과 장내 미생물 간의 상호 관계를 규명하는 데 중요한 단서를 제공하였음 ● 또한, 특정 질병의 치료에 효과적인 장내 상재균을 찾아내고 감염 저해 효과를 입증함으로써 감염성 질환 치료를 위한 장내 미생물의 억제 효과에 대한 명확한 증거를 제시함 ● 장내 미생물 중 특정 미생물의 손실이 인체의 면역 능력 및 저항력 감소와 관련이 있음을 확인함으로써 향후 다양한 장 질환에 대한 효과적이고 과학적인 치료 방법 제시에 기여함 ● 최근 만성 염증성 질환인 IBD의 치료에 분변 이식술(Fecal Microbial Transplantation, FMT)의 효과가 입증되면서 장내 상재균을 활용한 질병 치료 방안이 제안되고 있음 ● 본 연구에서 제안된 장내 상재균인 박테로이데스 불가투스는 감염성 질환 치료에 효과적인 프로바이오틱스의 생산 및 활용 가능성을 시사함

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농식품산업을 선도하는 2019 농식품R&D 우수성과 60선

▲ 박테로이데스 불가투스의 콜레라균 억제 효과

성과명

전통누룩 유래 유산균 고함유 기능성 막걸리 제품화 성공

주관연구기관 : 한국식품연구원 주관연구책임자 : 김재호 과제명 : 오믹스 연구 기반 전통누룩 유래 양조 미생물 자원의 산업화

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과제기간 : 2018년 04월~2021년 12월

성과 내용

2020-10-20 오후 4:23:15

● 국내 전통 발효 유전자원 활용으로 수입 기능성 미생물 대체 및 전통주 국가정체성 확보 ● 전통누룩 제품 생산, 유통 안전성 확보를 통한 해외 수출 증대 기대 ● 개발된 신규 균주 및 이를 포함하는 조성물에 대한 특허 출원 4건, 기술이전 1건 등 기술개발 및 보급 우수성 인정

성과의 우수성

● 유 산균 사균체의 주요활성으로는 항염작용, 감염억제작용, 항암작용, 면역조절 (Immunomodulation) 작용 등을 가지고 있는 것으로 보고되고 있음 - 살아 있는 유산균은 장에 정착하고 개체 수를 늘리고 유해균과 경쟁하여 장내균총을 정상화한다고 알려져 있음

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 사균은 장내에 존재하던 유익균의 먹이가 되어 유익균에 대하여 prebiotics의 역할도 할 수 있음(Wan-Jae Kim, Understanding of Killed Lactic Acid Bacteria as a Probiotics, 대한약국학회지, Nov.2018(4) N-2, 115-122) ● 현재 산업화에 이용되고 있는 유산균 배양의 경우 다음의 2가지 목적성이 있음 (1) 고농도 배양 배지 , (2) 기능과 관능 향상을 위한 유산균 발효 배지 - 고농도 유산균을 얻기 위한 배지 조성의 경우 유산균 증식을 목적으로 하기 때문에 일반적으로 배양액은 관능적으로 적합하지 않으며 원심분리 공정 후 제거됨 -식 음료를 전제로 한 발효액의 경우 관능적으로 적합할 수 있으나 유산균의 농도가 고농도 배양 보다 낮음 ● 이에 본 성과에서는 유산균을 대량으로 배양할 수 있음과 동시에 배양액을 식음료로 직접 적용할 수 있도록 개발하고자 하였고 더 나아가 동결건조 방법을 통해 제재의 형태를 갖출 이에 본 이에 성과에서는 본 성과에서는 유산균을 유산균을 대량으로 대량으로 배양할배양할 수 있음과 수 있음과 동시에동시에 배양액을 배양액을 식음료로 식음료로 직접 적용할 직접 적용할

수 있도록 하였음

수 있도록 수 있도록 개발하고자 개발하고자 하였고하였고 더 나아가 더 나아가 동결건조 동결건조 방법을방법을 통해 제재의 통해 제재의 형태를형태를 갖출 수 갖출 있도록 수 있도록

- 이와 같은 목적에 의해 개발된 배지를 이하 ‘주박 배지’로 정의함 하였음하였음 ● 유산균 조성목적에 중 공통적으로 사용되는 핵심 요소들은 – 이와–배지 같은 이와목적에 같은 의해 개발된 의해 개발된 배지를배지를 이하 ‘주박 이하배지’로 ‘주박 배지’로 정의함 정의함 당류, 펩톤류, 효모 추출물 등이 있지만, 펩톤과 효모추출물을 사용할 경우핵심 관능적으로 식음에 적합하지 않음 유산균유산균 배지 조성 배지중 조성 공통적으로 중 공통적으로 사용되는 사용되는 핵심 요소들은 요소들은 당류, 펩톤류, 당류, 펩톤류, 효모 추출물 효모 추출물 등이 있지만, 등이 있지만, 펩톤과펩톤과 효모추출물을 효모추출물을 사용할사용할 경우 관능적으로 경우 관능적으로 식음에식음에 적합하지 적합하지 않음 않음

● 따라서 이를 대체하기 위해 막걸리 발효 과정에서 생성되는 부산물인 주박(=막걸리박, 따라서따라서 이를 대체하기 이를 대체하기 위해 막걸리 위해 막걸리 발효 과정에서 발효 과정에서 생성되는 생성되는 부산물인 부산물인 주박(=막걸리박, 주박(=막걸리박, 술지게미)을 유산균의 주된 영양원으로 활용하였음 술지게미)을 술지게미)을 유산균의 유산균의 주된 영양원으로 주된 영양원으로 활용하였음 활용하였음

▲▲프리바이오 제품 이미지 ▲ 프리바이오 프리바이오 막걸리막걸리 막걸리 제품 이미지 제품 이미지

파급 효과

▲ 배양액 주박배지 배양액 ▲ 주박배지 ▲ 주박배지 배양액

● 유산균은 살아 있어야만 생리활성이 있다는 생각은 2000년대에 이루어진 다양한 유산균 사균체의 연구에 의하여 학계와 산업계에서 퇴출되고 있음 유산균은 살아있어야만 살아있어야만 생리활성이 생리활성이 있다는있다는 생각은생각은 2000년대에 2000년대에 이루어진 이루어진 다양한다양한 유산균유산균 - 2유산균은 009년, Nutrition Review의 ‘Probiotic microbes: do they need to be alive to be 사균체의 사균체의 연구에연구에 의하여의하여 학계와학계와 산업계에서 산업계에서 퇴출되어지고 퇴출되어지고 있음 있음

파급 파급 효과 효과

– 2009년, – 2009년, Nutrition Nutrition Review의 Review의 ‘Probiotic ‘Probiotic microbes: microbes: do they do need they need to beto alive be to alive to be beneficial?’에서 be beneficial?’에서 “Probiotics “Probiotics 안전한안전한 이용을이용을 위해 될 위해 수 있으면 될 수 있으면 사균체(microbial 사균체(microbial

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carcasses)를 carcasses)를 이용할이용할 것”을 것”을 제안하면서, 제안하면서, Probiotics는 Probiotics는 관습적으로 관습적으로 살아있는 살아있는 균에만균에만 국한되고 국한되고

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있다고있다고 지적하고 지적하고 probiotics의 probiotics의 영역을영역을 사균체와 사균체와 미생물미생물 유래물질까지 유래물질까지 확대 (Kataria 확대 (Kataria J, et al.

J, et al.

Probiotic Probiotic microbes: microbes: do they do need they need to beto alive be to alive beto beneficial? be beneficial?

Nutr Rev Nutr2009;67(9): Rev 2009;67(9): 546-550) 546-550) 2020imaf내지_수6.indd 17

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beneficial?’에서 “Probiotics 안전한 이용을 위해 될 수 있으면 사균체(microbial carcasses)를 이용할 것”을 제안하면서, Probiotics는 관습적으로 살아있는 균에만 국한되고 있다고 지적하고 probiotics의 영역을 사균체와 미생물 유래물질까지 확대 (Kataria J, et al. Probiotic microbes: do they need to be alive to be beneficial? Nutr Rev 2009; 67(9): 546-550) ● Probiotics 기능성 및 관능 향상이 가능한 주박 배지를 활용한 프리바이오 탁주 개발 22 주박배지 배양액 : 배양액을 식음료로서 직접 활용 할 수 있는 고농도 유산균 배양액으로, Postbiotics 의 직접적인 이용이 가능하여, 최종 고농도의 프리바이오틱스 함유 탁주 개발이 가능함 ● 본 성과에서는 전통누룩에서 우점종으로 존재하는 유산균(Lactobacillus plantarum KSDKM7)을 고농도가 되도록 레시피 및 공정을 개발하고 제품 경쟁력을 확보하고자 생막걸리에 비해 유통기한 연장 가능한 살균 막걸리로 제품화하였음 : 기존 생막걸리 유통기한 1개월 → 살균막걸리로 생산 시 유통기한 12개월

성과명

신규 방선균 유래 친환경 항진균 미생물 제제 개발 성공

주관연구기관 : 인하대학교 주관연구책임자 : 김응수 과제명 : 방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발 과제기간 : 2018년 04월 ~ 2021년 12월

성과 내용

● 미생물 제제의 제품화와 관련된 우수한 논문을 게재(IF 5.122, JCR 상위 10% 이내) 하였으며, 관련 2건의 특허 출원을 통해 성과의 과학적 우수성 입증 기술개발뿐만 아니라 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발의 기반이 되는 균주의 특성 및 배양에 대한 노하우 기술이전(2.5 백만원)을 통해 개발 기술의 경제적 우수성을 나타냄

성과의 우수성

● 현재 국내의 미생물 생물농약은 바실러스(Bacillus) 기반의 살충제가 주로 사용되고 있으나, 식물의 진균 감염을 일으키는 곰팡이를 제어하는 활성은 토양 방선균 유래 천연물들이 뛰어난 항진균 활성을 보이는 것으로 알려져 있음. 본 연구는 국내 유기농 토양에서 분리한 신규 방선균 유래 친환경 항진균 미생물 균주를 확보함으로써 우수성과 차별성을 가짐 ● 12종 이상의 식물 병원성 진균을 테스트하여 모두 우수한 활성을 보이는 결과를 토대로,

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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현재 국내의 미생물 생물농약은 바실러스 (Bacillus) 기반의 살충제가 주로 사용되고 있으나, 식물의 진균 감염을 일으키는 곰팡이를 제어하는 활성은 토양 방선균 유래 천연물들이 뛰어난

성과의 우수성

항진균 활성을 보이는 것으로 알려져 있음. 본 연구는 국내 유기농 토양에서 분리한 신규 방선균

친환경 항진균 미생물 균주를 확보함으로써 우수성과 차별성을 가짐 Strategic Initiative for유래Microbiomes in Agriculture and Food

12종 이상의 식물 병원성 진균을 테스트하여 모두 우수한 활성을 보이는 결과를 토대로, 잎마름병을 포함한 다양한 농작물 진균 제어용 미생물 제제로 활용할 수 있는 차별성 확보 확보된 항진균 균주들의 전체 유전체를 분석하여 항진균 물질의 예상 구조 및 생합성 경로를 현재 국내의 미생물 생물농약은 바실러스 (Bacillus) 기반의 살충제가 주로 사용되고 있으나, 밝힘으로, 추후 진행되는 다양한 마이크로바이옴 기반의 다양한 유전체 연구의 유용자원으로 활용 식물의 진균 감염을 일으키는 곰팡이를 제어하는 활성은 토양 방선균 유래 천연물들이 뛰어난

성과의 우수성

잎마름병을 포함한 다양한 농작물 진균 제어용 미생물 제제로 활용할 수 있는 차별성 확보

항진균 활성을 보이는 것으로 알려져 있음. 본 연구는 국내 유기농 토양에서 분리한 신규 방선균 유래 친환경 항진균 미생물 균주를 확보함으로써 우수성과 차별성을 가짐

● 확보된 항진균 균주들의 전체 유전체를 분석하여 항진균 물질의 예상 구조 및 생합성 경로를

12종 이상의 식물 병원성 진균을 테스트하여 모두 우수한 활성을 보이는 결과를 토대로,

잎마름병을 포함한 다양한 농작물 진균 제어용 미생물 제제로 활용할 수 있는 차별성 확보

밝힘으로써 추후 진행되는 다양한 마이크로바이옴 기반의 다양한 유전체 연구의 유용자원으로 활용

잎마름병은 확보된 항진균 균주들의 전체 유전체를 분석하여 항진균 물질의 예상 구조 및 생합성 경로를 국내의 대표적인 농작물인 고추, 토마토, 벼 등에 흔히 발생하는 대표적인 진균감염으로서, 밝힘으로, 추후 진행되는 다양한 마이크로바이옴 기반의 다양한 유전체 연구의 유용자원으로 활용 매년 심각한 경제적 피해를 발생시키고 있음

파급 효과

파급 효과

전 세계적으로 친환경 유기농 농작물을 선호하는 추세에 따라 토양 미생물을 이용한

마이크로바이옴 기반의 친환경 억제제 개발 및 발생하는 적용기술 확립은 국내외적으로 ● 잎마름병은 국내의 대표적인 농작물인 고추, 토마토, 벼 진균 등에 흔히 대표적인그 활용도가 크게 증가할 것으로 사료됨

진균감염으로, 매년 심각한 경제적 피해를 발생시키고 있음 잎마름병은 국내의 대표적인 농작물인 고추, 토마토, 벼 등에 흔히 발생하는 대표적인

● 전 세계적으로 친환경 유기농 농작물을 선호하는 추세에 따라 토양 미생물을 이용한

진균감염으로서, 매년 심각한 경제적 피해를 발생시키고 있음

마이크로바이옴 기반의 친환경 진균 억제제 개발 및 적용기술 확립은 국내외적으로 그

파급 효과

전 세계적으로 친환경 유기농 농작물을 선호하는 추세에 따라 토양 미생물을 이용한

마이크로바이옴 기반의 친환경 진균 억제제 개발 및 적용기술 확립은 국내외적으로 그 활용도가

활용도가 크게 증가할 것으로 사료됨

크게 증가할 것으로 사료됨

▲ 고추, 딸기, 토마토 잎마름병에 대한 균주의 농작물 적용 시험. 우수한 항진균력 확인

▲ 고추, 딸기, 토마토 잎마름병에 대한 균주의 농작물 적용 시험. 우수한 항진균력 확인

성과명

해충에만 작용하는 인체에 무해한 친환경 유기 살충제 개발 성공 ▲ 고추, 딸기, 토마토 잎마름병에 대한 균주의 농작물 적용 시험. 우수한 항진균력 확인

주관연구기관 : 경북대학교

204 농림식품기술기획평가원

주관연구책임자 : 신재호 과제명 : 농식품 유용 세균의 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석을 통한 세균 유전체 정보의 고도화 및 자원화 2019 농기평 우수성과 사례집_1020_최종_.indd 204

2020-10-20 오후 4:23:17

과제기간 : 2018년 04월 ~ 2021년 12월 204 농림식품기술기획평가원

성과 내용

● 친환경적 해충 방제 수단으로 활용될 수 있는 신규2020-10-20 균주 오후 Beauveria bassiana KNU-101을 4:23:17

2019 농기평 우수성과 사례집_1020_최종_.indd 204

분리하고 그 기능을 확인 ● 농·식품 각 분야별 특성 및 요구에 따른 유용 미생물 균주뿐만 아니라 확보된 유용 유전자원을 공급하는 실용화 체계를 구축

성과의 우수성

● 친환경적 해충 방제 수단으로 활용 될 수 있는 신규 군주 Beauveria bassiana KNU-101을 국내에서 분리하고 그 기능을 확인하였음 iMAF_2020 Vol. 6

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농식품산업을 선도하는 2019 농식품R&D 우수성과 60선

- 백 강균은 지난 100여 년 이상 생물학적 방제수단으로 널리 알려졌지만, 현실적인 친환경 농자재의 단가를 고려한 산업 생산을 위한 노력은 상대적으로 부족해서, 효과는 있지만 고가의 농자재로 인식이 되어왔음 ● 본 연구개발은 활성이 잘 알려진 백강균의 산업화를 위하여 균주 screening을 살충효과에만 맞추지 않고 포자생성능을 주요한 인자로 삼아 진행하였음 - 특히 분리된 균주는 유전체 분석을 통하여 해당 균주의 곤충 독성과 인체 안전성을 검증하여 산업화에 문제가 없도록 조치하였음 ● 기존의 산업화된 국내외의 백강균과의 대조 실험을 통해 KNU-101이 10배 이상 포자 생성능이 우수함을 확인하였음 - 또한 동 균주의 꽃노랑총채벌레에 대한 병원성을 검증을 위하여 시험 포장에서의 실증을 진행하였고, 입상제형은 66%, 포자의 농도가 높은 과립제형의 경우 80% 이상의 방제가를 확인하였음

▲ 개발된 제품 이미지

파급 효과

● 국내 친환경농자재 관련 시장은 주로 관 주도의 보조사업 등을 통해서 형성이 되어 있는 실정이며, 기업이 생산한 자재가 보조금 없이 판매가 되기에는 어려운 실정 - 그것은 효능이 있는 친환경농자재는 생산 단가가 지나치게 높고, 단가가 낮은 농자재는 효능이 떨어지는 구조적인 문제에 기인함 ● 본 연구개발은 학교의 연구개발력을 산업 생산, 혹은 생산 단가 절감에 투입함으로써, 보조금 없이 판매가 가능한 농자재를 시장에 출시하게 되었음

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● 환경호르몬으로 작용할 수 있는 화학농약을 저감하고 안전하고 친환경적인 먹거리를

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

생산하는 것은 국내 농업인뿐만 아니라 전 국민의 건강과 직결되는 문제로서 저비용, 고효능이 검증된 본 백강균 농자재는 국내 친환경농업의 핵심적인 농자재로 활용되고 있으며, 앞으로 그 활용도를 증대시킬 것으로 기대 ● 본 균주의 특성을 이용하여 경제성 있는 수화제를 출시, 포자의 농도를 극대화시켜 사용할 수 있으므로 항상 효능 측면에서 저평가를 받던 친환경 농자재 분야의 이미지를 쇄신할 수 있을 것으로 기대함

성과명

병원성 곰팡이의 멜라닌 색소 합성 및 DNA 손상 회복 조절 기작 규명

주관연구기관 : 연세대학교 주관연구책임자 : 반용선 과제명 : 다중오믹스 분석 기반 동물 진균 유전자 기능 통합 네트워크 과제기간 : 2018년 04월 ~ 2021년 12월

성과 내용

미국 미생물학회가 발간하는 미생물학분야 세계권위 학술지인 엠바이오(mBio)에 2편의 논문을 출판, 그중 한 편이 편집자 선정논문(Editor’s Pick)으로 게재되었을 뿐 아니라, 세계 석학들이 추천하는 F1000 논문에 선정되어 논문의 우수성 증명

성과의 우수성

● 본 연구결과가 발표되기 전까지 병원성 곰팡이의 멜라닌 색소 생합성을 조절하는 효소 (Laccase)의 기능만 알려져 있을 뿐, 이러한 효소가 어떠한 환경에서, 어떠한 전사인자들과 신호전달경로에 조절되는지에 대해서는 극히 제한적으로 알려졌음 – 특히 멜라닌 생합성은 병원성 진균의 핵심 병독성 인자로 알려졌지만, 이를 조절하는 다양한 신호전달체계에 대한 연구가 미비했음 ● 본 연구에서는 멜라닌 색소를 핵심적인 병독성 인자로 활용하는 뇌수막염 유발 병원성 곰팡이에서 본 연구진이 이전에 구축하였던 전사인자와 인산화효소 변이균주 라이브러리를 활용하여(Jung 등 2015 Nature Communications; Lee 등 2016 Nature Communications) 멜라닌 색소 생합성에 관여하는 핵심인자들을 스크리닝하였고, 멜라닌 생합성과 관련된 LAC1 유전자의 발현을 조절하는 전사인자와 상위조절자인 인산화효소의 상관관계를 종합적으로 규명하였음 – 더불어 전사인자에 의한 하위조절인자 및 관련 네트워크를 종합적으로 발굴하기 위해,

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멜라닌 조절 핵심 전사인자 변이균주들에 대한 RNA-Sequencing 기반 전사체 분석을 통해 멜라닌 생합성을 조절하는 하위 신호전달 네트워크를 통합적으로 규명하였음 ● 동물 병원성 진균 내의 DNA 손상 반응 기작은 그 중요성은 알려져 있었으나 DNA 손상 반응과의 병독성과의 관련성 및 그를 조절하는 신호전달체계에 대한 연구가 미비하였음 ● 본 연구에서는 병원성 진균의 DNA 손상 반응 기작을 조절하는 것으로 보이는 인산화효소 Rad53와 Chk1이 병원성 진균의 DNA 손상 반응 기작과 병독성에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였고, 인산화효소에 의한 하위조절인자 및 관련된 네트워크를 발굴하기 위해 DNA 손상 반응 핵심 인산화효소 변이균주들에 대한 RNA-Sequencing을 기반으로 전사체 분석을 통해 DNA 손상 반응을 조절하는 신호전달 네트워크를 통합적으로 규명하였음 ● 본 연구 성과에서 진행된 전사체 분석 결과를 기반으로 멜라닌 색소 생합성 및 DNA 손상 반응을 조절하는 것으로 보이는 전사인자 및 인산화효소의 하위 유전자를 찾을 수 있고, 아직 그 기능이 밝혀지지 않은 하위 조절 유전자들에 대한 분석을 진행함으로써 멜라닌 생합성과 DNA 손상 반응에 중요하게 관여하는 다른 유전자들의 발굴이 가능함 ● 멜 라닌 색소는 인간 병원성 곰팡이뿐만 아니라 다양한 동식물 병원성 곰팡이에서도 병원성을 조절하는 주요 병원성 인자로 알려져 있기 때문에, 멜라닌 색소 생합성과정에 관여하는 핵심 신호전달인자에 대한 이번 연구는 다양한 병원성 진균을 저해하기 위한 저해제 개발에 유용하게 이용될 수 있음 – 또한 DNA 손상 반응이 동물 병원성 진균의 병독성에 중요한 역할을 하기 때문에 병원성 진균을 저해하기 위한 저해제 개발에 유용하게 이용될 수 있음 – 특히 진화적으로 상관관계가 적은 유전자의 경우 병원성 진균 특이적인 약물 타깃으로 활용될 가능성이 매우 높으며, 이를 활용하여 병원성 곰팡이의 병독성 인자 생합성을 직접적으로 저해할 수 있거나, DNA 손상 반응을 억제할 수 있는 새로운 약물 개발이 기대됨

파급 효과

● 본 연구 성과에서 밝혀진 동물 병원성 곰팡이의 멜라닌 색소 생합성 조절 신호전달경로 및 핵심 전사인자, 핵심 인산화효소에 대한 분석은 진화적으로 보전성이 높은 다른 동식물 병원성 곰팡이의 멜라닌 색소 관련 연구에도 확대 적용이 가능함 ● 진행된 전사체 기반 분석을 통해 멜라닌 생합성 조절 신호전달경로 및 DNA 손상 회복 반응을 조절하는 것으로 보이는 전사인자 및 인산화효소가 조절하는 하위 유전자를 규명할

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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수 있으며, 해당하는 유전자들을 분석하여 멜라닌 생합성과 DNA 손상 반응에 중요한 역할을 하는 유전자를 추가적으로 발굴할 수 있음 ● 본 연구에서 진행된 전사체 분석 결과를 토대로 발굴된 동물 병원성 곰팡이의 멜라닌 색소 조절 신호전달경로에 관여하는 멜라닌 색소 조절 신호전달경로의 핵심 전사인자 및 핵심 인산화효소 및 DNA 손상 회복 신호전달경로에 관여하는 유전자들을 타깃으로 하여 진균을 저해할 수 있는 특이적인 항진균제 개발이 가능함 ● 또한 진균이 감염 가능한 숙주와 진화적으로 상관관계가 적은 핵심 유전자들을 타깃으로 하여 그 기능을 저해함으로써 병원성 진균 특이적 항진균제 개발이 가능함 – 이를 통해 연간 15조원에 달하는 항진균제 시장에 진입할 수 있는 교두보를 확보

손상 반응 조절 기작 ▲▲ 세포 ▲세포 세포 내내 DNA 내DNA DNA 손상 손상 반응 반응 조절 조절 기작 기작 ▲ 세포 ▲ 세포 내 DNA 내 DNA 손상 손상 반응 반응 조절 조절 기작 기작

▲ 전사체 분석을 통한 멜라닌 생합성 하위조절 유전자 발굴 ▲▲ ▲ 전사체 전사체 분석을 분석을 통한 통한 멜라닌 멜라닌 생합성 생합성 하위조절 하위조절 유전자 유전자 발굴 발굴 ▲ 전사체 전사체 분석을 분석을 통한 통한 멜라닌 멜라닌 생합성 생합성 하위조절 하위조절 유전자 유전자 발굴 발굴

▲ DNA 손상 반응 핵심 인산화효소의 병독성 감소 ▲ DNA DNA 손상 손상 반응 반응 핵심 핵심 인산화효소의 인산화효소의 병독성 병독성 감소 감소 ▲▲ ▲ DNA DNA 손상 손상 반응 반응 핵심 핵심 인산화효소의 인산화효소의 병독성 병독성 감소 감소

▲ 전사체 분석을 통한 DNA 손상 반응 하위조절 유전자 발굴 ▲ ▲ 분석을 분석을 통한 통한 DNA DNA 손상 손상 반응 반응 하위조절 하위조절 유전자 유전자 발굴 발굴 ▲ 전사체 전사체 ▲ 전사체 전사체 분석을 분석을 통한 통한 DNA DNA 손상 손상 반응 반응 하위조절 하위조절 유전자 유전자 발굴 발굴

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농식품산업을 선도하는 2019 농식품R&D 우수성과 60선

성과명

총채벌레를 효과적으로 방제하는 친환경 작물 보호제의 개발

주관연구기관 : ㈜팜한농 주관연구책임자 : 박태현 과제명 : 미생물 유전체 정보 활용 경제작물 미생물농약 개발 과제기간 : 2016년 02월~ 2018년 02월

성과 내용

● 유충 및 성충을 타깃으로 하는 기존 살충제와 달리 번데기를 타깃으로 하여 화학농약 저항성 총채벌레를 효과적으로 방제가능 ● 2017년 13억원을 시작으로 2019년까지 3년간 누적 매출 78억원을 달성 개발 기술은 국내 지식재산권을 확보하였으며, 해외 진출을 위해 미국 외 5개국에 출원중임

성과의 우수성

● 총채벌레는 고추, 오이 등의 원예작물, 장미, 국화 등의 화훼작물 및 감귤 등의 과수에까지 광범위한 기주식물에 직접 가해를 하여 작물의 상품성을 감소시킬 뿐만 아니라 이차적으로 총채벌레는매개하는 고추, 오이 등의 장미,국내뿐만 국화 등의 화훼작물 등의 과수에 까지 식물바이러스를 주요원예작물, 해충으로 아니라및전감귤 세계적으로 피해가 증가하고 있음 광범위한 기주식물에 직접 가해를 하여 작물의 상품성을 감소시킬 뿐만 아니라 이차적으로 식물바이러스를 매개하는 주요저항성 해충으로발현이 국내 뿐만용이하여 아니라 전 세계적으로 증가하고 있음 ● 총채벌레는 세대 간격이 짧아 방제가 피해가 어려움 성과의 우수성 총채벌레는 고추, 오이 등의 원예작물, 장미, 국화 등의 화훼작물 및 감귤 등의 과수에 까지 총채벌레는 세대간격이 저항성 발현이상품성을 용이하여 방제가뿐만 어려움 광범위한 기주식물에 직접짧아 가해를 하여 작물의 감소시킬 아니라 이차적으로

● 국내외 총채벌레 살충제는 유충증가하고 및 성충을 타깃으로 하지만, 식물바이러스를방제용 매개하는 주요 해충으로 국내대부분 뿐만 아니라지상부의 전 세계적으로 피해가 있음

성과의 우수성

국내외 총채벌레 방제용 살충제는 대부분 지상부의 유충 및 성충을 타겟으로 하지만, 총채싹은

총채벌레는 세대간격이 짧아 저항성 발현이하는 용이하여 방제가 어려움 총채싹은지하부의 지하부의 총채벌레 번데기를 타깃으로 하는 새로운 개념의 바이오 작물보호제임 총채벌레 번데기를 타겟으로 새로운 개념의 바이오 작물보호제임 국내외 총채벌레 방제용 살충제는 대부분 지상부의 유충 및 성충을 타겟으로 하지만, 총채싹은

총채싹은 타겟점이 다르고 화학농약 저항성 총채벌레를 효과적으로 방제할 수 있기 때문에,

총채벌레 번데기를화학농약 타겟으로 하는 저항성 새로운 개념의 바이오 작물보호제임 ● 총채싹은 지하부의 타깃점이 다르고 총채벌레를 효과적으로 방제할 수 있기 때문에,

화학농약과 체계처리에 적합하며 우수한 약효 뿐만 아니라 화학농약 사용량 감소에도 효과적임

총채싹은 타겟점이 다르고 화학농약 우수한 저항성 총채벌레를 효과적으로 방제할화학농약 수 있기 때문에, 화학농약과 체계처리에 적합하며 약효뿐만 아니라 사용량 감소에도 효과적임 화학농약과 체계처리에 적합하며 우수한 약효 뿐만 아니라 화학농약 사용량 감소에도 효과적임

▲작용기작 총채싹 제품 작용기작 ▲ 총채싹 제품

▲ 총채싹 제품 작용기작

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▲ ERL836 ▲ ERL836 포자의 전자현미경포자의 사진 전자현미경 사진 ▲ ERL836 포자의 전자현미경 사진

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

새로운 처리 형태의 총채벌레 방제용 미생물농약를 개발함으로써 국내외 작물보호제 시장에서 2020imaf내지_수6.indd 24

경쟁력을 확보함 새로운 처리 형태의 총채벌레 방제용 미생물농약를 개발함으로써 국내외 작물보호제 시장에서

파급 효과

해충저항성 및 농산물, 토양의 화학농약 잔류에 대한 민감한 관행 농가에서는 개발제품과의 경쟁력을 확보함

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

파급 효과

● 새로운 처리 형태의 총채벌레 방제용 미생물농약을 개발함으로써 국내외 작물보호제 시장에서 경쟁력을 확보함 ● 해충저항성 및 농산물, 토양의 화학농약 잔류에 대한 민감한 관행 농가에서는 개발제품과의 교호살포, 단독살포를 통한 저항성 완화 및 단독처리 시 수확 직전에도 잔류가 발생하지 않기 때문에 안전한 농산물 수확이 가능함 ● 총채싹 단독 또는 화학농약과의 혼용에서도 높은 방제효과를 나타내기 때문에 총채벌레가 문제시되는 주요 농업 선진국(미국, 호주, 유럽 등)에 시장성이 높을 것으로 판단됨

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수행과제 ■ 사업단 운영 구 분

과 제 명

연구기관

책임자

총괄

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

연세대학교

김지현

위탁(1)

농림축산식품 미생물 유전체 정보(데이터) 관리 및 시스템 운영

시크제네시스

이승원

위탁(2)

유용 미생물유전체 장기보존을 위한 시스템 구축

(사)한국종균협회

박정민

■ 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

주관

유용 미생물 및 유전체 정보를 활용한 양돈장 악취개선 기능성 미생물제제 개발

연구기관

책임자

(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 미생물제제 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)

마이크로바이움을 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

[2]

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과 제 명

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

(주)국순당

신우창

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

주관

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

매일유업(주)

양진오

협동(1)

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

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 식품 [발효유]

협동(2)

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 가짓과 작물 생육촉진 미생물 제제 개발

협동

유용미생물을 활용한 친환경 미생물 제제 개발 및 실용화

제제 [2]

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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 유용효소 개발

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 데이터베이스 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

오믹스배양기법을 이용한 다기능성 생물방제용 신규 미생물 확보

목원대학교

이효진

자유[3]

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

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

3. 숙주-미생물 상호작용연구(부처공동) 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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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

생생연구현장 미생물 유전체 R&D 환경이 급변하고 있습니다. 유전체 기반 기술은 하루가 다르게 급변하고 있으며 첨단기술과 접목하여 바이산오업 전반에서 새로운 성장동력을 창출하고 있습니다. 글로벌 바이오 기술 강국들은 미래 4차 산업시대의 핵심 분야인 미생물 유전체 및 빅데이터 활용 기술 선점을 위해 집중 투자하고 있으며 기술혁신을 위해 발빠르게 움직이고 있습니다. 우리 사업단 역시 미생물 유전체 기반 연구의 수월성을 제고하고 관련 산업이 도약할 수 있는 발판을 마련하기 위해 3년차 연구를 수행중이며 곧 4년차를 맞이합니다. 이번 호에서는 21개 과제 연구팀의 지난 3년간의 주요 성과를 살펴보고 앞으로 남은 1년간의 연구계획과 최종목표를 들어보겠습니다.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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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 • 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

발효식품

작물 미생물 제제

• 방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발 • 유전체 분석 기반 사과병해 방제 및 가짓과 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 악취 개선 기능성 미생물제제 개발 및 사업화

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 미생물제제 개발

연구내용 - 유전체 분석 기반 선발된 균주 간 시너지 효과를 내는 최적조합 선발 - 최적 조합을 이용한 기능성 사료첨가제 급여용 시제품 제작 - 대량생산을 위한 lab scale 및 pilot scale 발효 조건 확립 및 분무용 제품 개발 - 효능 검증을 위한 현장실험 및 제품 안전성 평가를 통한 품질관리 항목 설정

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제1위탁 연구기관 단국대학교

제1위탁 연구책임자

강대경 교수 단국대학교 산업미생물학연구실

연구목표 유용미생물의 유전체 분석 및 장내균총과 대사체 분석을 통한 기작 연구

연구내용 - 선발균주를 급여한 돼지의 장내균총 및 대사체 분석 - 선발균주 효능 및 기작 규명

제2위탁 연구기관 단국대학교

제2위탁 연구책임자

박재홍 교수 단국대학교 사료영양학연구실

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조기성과 창출 연구목표 선발된 균주들에 대한 육성돈 사양 평가

연구내용 - 선발 미생물들을 이용한 복합 미생물제제의 첨가수준별 사양평가 - 악취 저감 효과 규명

2 연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : (주)진바이오텍 축산악취 저감 효과 및 사료첨가제로서의 기능성이 우수한 균주를 선발하기 위하여 축사 주변 자연계 샘플 및 축분 발효장 샘플을 대상으로 총 80종 이상의 다양한 균주를 선발하였다. 이들 선발균주의 동정을 통하여 사료첨가제로 활용 가능한 후보 균주를 선발하였으며 황화수소(hydrogen sulfide), 암모니아(ammonia) 및 아민(amine)과 같은 악취 유발 물질에 대한 저감 효과 평가를 실시하였다. 실험 결과 악취 저감 능력이 우수한 Bacillus 및 Lactobacillus 계열 총 3종을 선발하였다. 선발된 균주를 활용한 급여용 시제품을 제작하여 사양실험 및 경구독성평가를 수행하였다. 선발 균주에 천연 물질을 더하여 분무용 악취 저감 시제품을 제작하였고 이를 타사 경쟁 제품들과 비교하였다.

분무용 악취 저감 시제품 농도별 첨가에 따른 상대적 악취 유발 물질 수준

제1위탁 연구기관 : 단국대학교 산업미생물학연구실 연구팀은 주관기관에서 예비선발한 악취억제균을 중심으로 기능성 미생물자원을 34 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

다수 확보하였다. Bacillus 및 Lactobacillus 계열 중 일부 균주들의 whole genome sequencing을 진행하여 장관세포 흡착능이 뛰어난 유전체 정보를 확보하였다. 선발균주들을 급여한 돼지들의 분변을 채취한 후 장내 균총 분석을 진행하여 선발균주 급여 돼지들의 균총 변화가 xenobiotic 생분해와 정의 상관관계를 가지는 것을 확인하였다.

제2위탁 연구기관 : 단국대학교 사료영양학 연구팀은 선발된 악취억제균들과 그 시제품을 이용하여 일련의 돼지 사양실험을 진행하였다. 사양실험들이 종료된 후 체중, 일당증체량 및 사양성적 등의 생산성 평가, 분변을 활용한 영양소소화율 평가 및 분내 악취물질 분석, 혈액특성 분석 등을 수행하여 선발 악취억제균들과 미생물 제제의 효과를 평가하였다.

대표성과 ● 미생물 유전체사업 성과 - 전략미생물 해독 5건 - 유용유전자원 확보 5건 - 메타유전체 분석 2건 - NABIC 등록 7건

● 사업화지표 성과 - 특허출원 2건: 급여용-축산 악취 저감용 조성물, 분무용-축산 악취 저감 분무용 조성물 - 제품화 2건: 급여용- 팜크린, 분무용- 팜크린-S

● 연구기반지표 성과 - SCI 논문 3건 - 학술발표 3건 - 홍보전시 1건: 팜크린

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 - 개발제품의 적정 포장방법 및 저장안정성 평가

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조기성과 창출 - 개발 제품의 최종 spec. 결정 및 품질관리 항목 설정 - 현장 적용 실험 – 기능성 사료첨가제 및 기능성 분무형 미생물제제 현장 적용 효과 확인 - 선발균주를 급여한 돼지의 장내균총 및 대사체 분석

4차년도 연구 추진 계획 개발된 급여용 제품은 지대, 분무용 제품은 가스를 배출할 수 있는 특수 용기에 저장하여 적정 포장방법을 평가하고 제품 보증균수의 저장안정성을 확인하기 위한 실험을 1개월 간격으로 실온, 40℃, 60℃에서 총 6개월간 진행할 예정이다. 현장 적용 실험에서는 출하체중, 가스검사, 분뇨 등을 분석하여 제품이 갖는 악취 저감 효과를 규명하고 최종 spec.을 설정하고자 한다. 급여용 및 분무용 제품 각각 2~4곳의 농장 및 대학 실험 장소를 섭외하였으나, COVID-19로 인하여 실제 농장 현장에 적용이 어려울 경우 대안으로 단국대학교 대학 농장에서 추가 실험을 진행할 계획이다. 개발제품을 급여한 돼지의 장내균총 및 대사체를 추가 분석하고 상기 실험에서의 결과들을 종합하여 품질관리 항목을 설정할 예정이다. 또한, 단미사료협회 등의 외부기관에 제품등록 성적서를 발급받아 마케팅 자료로 활용하고자 한다.

4 관련 분야 동향 및 전망 환경부에 따르면 2016년 악취 관련 민원 발생은 2000년대 초 대비 약 10배가량 증가했으며 축산 악취 관련 민원도 계속해서 증가하는 추세를 보이고 있다. 축산 악취 민원의 축종별 구성은 돼지 53%, 소 34%, 닭 11%로 돼지로부터 발생하는 악취 관련 민원은 축산 악취의 민원의 절반을 차지하고 있어 그 심각성이 크다고 할 수 있다. 그러나 현재의 양돈농가 악취 관련 연구는 in vitro, in vivo 실험을 통한 단순 검증에만 치우쳐져 있어 악취 저감에 대한 근본적인 해결을 제시하지 못하고 있는 현실이다. 따라서 유전체 기반 연구를 통해 악취 저감에 효과적인 미생물제제를 개발하고 산업화할 필요성이 대두되고 있다. 유전체 분석을 통한 유용미생물의 특성 확인 및 장내균총과 대사체 분석을 통한 상호기작 연구로 양돈농가의 악취문제를 근본적으로 해결하고 민원 발생 감소를 기대할 수 있을 것으로 보인다.

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조기성과 창출

동물 미생물 제제

2

반려견·반려묘 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물제제 개발

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 (재)농축산용미생물산업육성지원센터

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 장내미생물로부터 프로바이오틱스 특징을 지닌 유용미생물을 발굴하고, 선정된 유용미생물의 안전성, 면역증진 효과 평가, 반려동물 임상시험을 비롯한 유전체 분석을 통해 프로바이오틱스로서의 특징을 이해하고 반려견·반려묘의 면역증강용 미생물 제제를 개발 중이다.

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조기성과 창출 제1협동 연구기관 전북대학교

제1협동 연구책임자

신동현 교수 전북대학교 신동현 교수 연구실

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

연구내용 NGS 기반 오믹스 연구를 통해서 반려견·반려묘 유래 면역증강용 미생물제제 개발 단계별로 필요한 연구지원을 하고 있으며, 반려동물 장내 마이크로바이오 기반 면역증강용 미생물 제제 개발을 위한 전주기적 유전체 정보를 확보하고 분석하여 유용한 정보를 발굴하는 것을 주요 연구 목표로 연구를 수행 중이다. 제2협동 연구기관 우진비앤지(주)

제2협동 연구책임자

이성호 연구소장 우진비앤지 중앙연구소 연구팀

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연구목표 기능성 유용미생물의 고농도 발효공정기법 확립과 사료첨가용 제형화 및 사업화

연구내용 반려동물에서 분리한 유익 미생물 자원을 확보하고 선별된 우수 유익 미생물의 대량배양공정체계확립 및 완제품 제형화를 통해 유전체 해독 기반 반려동물 면역증강용 프리미엄 미생물 사료첨가제 개발과 반려동물 질병 처방사료용 사료첨가제 개발 연구를 수행 중이다.

2 연구결과 및 주요성과 연구결과 반려견과 반려묘 분변에서 미생물을 분리 동정하여 반려견 고유의 미생물 88종과 반려묘 고유의 미생물 100종 등 총 188종의 미생물 자원을 확보하였다. 확보한 미생물에 대한 내산성, 내담즙성, 항균활성, 항생제내성, 장부착능 등 프로바이오틱스 특성을 분석하여 우수한 프로바이오틱스 특성을 나타내는 14종의 미생물 균주를 선발하였다. 반려견 유래 미생물

Lactobacillus reuteri C1 Lactobacillus acidophilus C5 Bifidobacterium gallinarum CACC514 Bifidobacterium longum CACC517 Pediococcus acidilactici CACC537 Lactobacillus plantarum subsp. plantarum CACC558 Lactobacillus paracasei subsp. tolerans CACC566

반려묘 유래 미생물

Lactobacillus rhamnosus CACC612 Bifidobacterium animalis subsp. lactis CACC789 Bifidobacterium pullorum CACC814 Bifidobacterium pullorum CACC845 Bifidobacterium pullorum CACC854 Bifidobacterium animalis subsp. lactis CACC858 Bifidobacterium pullorum CACC863

선발한 미생물 균주에 대한 숙주세포활성 및 항염증반응과의 상관관계를 분석하여 유의미하게 숙주세포를 활성화하고 및 항염증 기능을 나타내는 반려견 유래 미생물 4종과 반려묘에서 유래 미생물 2종을 확인하였다. 또한 숙주세포를 이용한 연구에서 숙주세포 활성화 및 항염증 기능을 나타낸 6종의 미생물 가운데 개에서 유래한 4종 미생물을 이용하여 반려견을 대상으로 임상시험을 수행하여 임상 전후 분변내 미생물 균총변화를 확인하고 복합적인 임상지표 수치가 임상전후 뚜렷하게 구분되는 것을 확인하였다. 선발된 반려견 유래 미생물 유전체와 대사체를 확보한 후, 이들 iMAF_2020 Vol. 6

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조기성과 창출 데이터를 기반으로 반려견 유래 Lactobacillus reutri 와 NCBI 내의 28개의 다른 균주들과의 비교 유전체 연구를 통해 유전체 특성 및 특이 유전자를 발굴하였다. 선발된 반려견 유래 미생물 2종에 대한 제품생산 및 제품에 대한 안전성 및 면역학적 증진효과를 확인하였으며 최종적으로 미생물 사료첨가제 형태의 제품(멍멍정장)을 출시하였다.

대표성과 ● 반려동물 유래 미생물의 유전체 및 대사체 특성 분석 ● 반려견 유래 미생물의 숙주세포 면역세포 활성 및 항염증 기능 확인 ● 반려견 유래 프로바이오틱스 기능성 미생물 적용 후 각종 임상지표 개선효과 확인 ● 반려견 유래 프로바이오틱스 기능성 미생물 자원의 제품화

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 반려동물 유래 유익미생물 자원을 확보하고, 확보한 미생물 자원에 대한 NGS 기반 유전체 분석, 대사체 분석을 통하여 미생물 특성을 분석하고, 반려동물에서 이들 미생물의 프로바이오틱스 기능을 확인하여, 이를 이용한 반려동물 면역증강 및 질병 처방 사료용 미생물 사료첨가제 제품 개발을 최종 성과 목표로 한다.

4차년도 연구 추진 계획 본 과제의 1, 2차년도 연구내용과 관련하여 반려견 유래 프로바이오틱스 발굴 및 이를 이용한 성공적인 미생물 제제 개발성과를 바탕으로 진행 중인 반려묘 유래 프로바이오틱스에 대한 유전체 40 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

분석 및 이들 프로바이오틱스가 고양이에 미치는 효과를 in vitro 와 in vivo 에서 검증하고, 우수한 프로바이오틱스 기능을 나타내는 미생물 균주를 선발하여 대량생산공정체계를 최적화한 후 고양이 전용 미생물 사료 첨가제 제품생산 및 시장 출시를 목표로 하고 있다.

4 관련 분야 동향 및 전망 - 2014년 이후 국내 반려동물 인구는 급격한 상승을 보이고 있으며, 향후 1인 가구, 고령화, 소가구 형태의 사회에서 반려동물 인구는 계속적으로 증가할 것으로 예상된다. 농촌경제연구원의 보고에 따르면 2020년에는 국민 10명당 4명 꼴로 반려동물을 보유할 것으로 예상되며, 반려동물의 인구 증가에 따라 사료 및 약제, 첨가제 등을 포함한 국내 반려동물 관련 시장이 매년 26%씩 급격하게 증가하고 있다.

- 미국 애완동물용품협회(APPA)에 따르면 2016년 애완동물 관련 제품 및 서비스 시장은 전년 대비 4% 증가한 628억 달러에 달할 것으로 예상된다는 보고가 있었고, 이 중 애완동물의 사료 및 간식, 의료용품의 약 53%를 차지할 것으로 예상되며, 국내보다 반려동물 시장의 구축이 빨랐던 해외의 경우 향후 반려동물 구입비보다는 반려동물의 건강 및 치료용 목적의 사료 및 약품의 시장이 지속적으로 성장할 것으로 예상된다.

- 이 와 관련하여 프로바이오틱스를 이용한 정장제, 면역증강제, 비타민 등에 대한 연구 및 제품개발이 이뤄지고 있어 프로바이오틱스 제품에 대한 시장전망 역시 밝다고 예상된다.

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조기성과 창출

프로바이오틱스

1

감염 억제 및 장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 연세대학교

주관연구책임자

윤상선 교수 연세대학교 박테리아 감염 조절 연구실

연구목표 연세대학교 박테리아 감염 조절 실험실에서는 공생세균-병원성세균-숙주간의 상호작용 기작을 분자 수준에서 명확히 규명하고자 특정 기능성 공생세균의 효능을 검증하고 해당 균주의 군집변화가 병원성 세균 감염 및 숙주에 미치는 영향에 대해 중점적으로 연구하고 있다.

연구내용 - 건강한 사람의 분변에서 분리된 Bifidobacterium longum은 염증 완화 효능이 있음을 검증 - 사람 호흡기에 우점하고 있는 Staphylococcus epidermidis 을 분리하여 호흡기 세균 감염을 예방하는 효능 확인 - 면역증강 감염 치료 보조제로서의 개발 가능성 확인 42 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 마우스 장내에 우점하는 Bacteroides vulgatus 가 장내 병원성 세균의 감염 억제 효능 검증 - 한국인의 장내에 우점하고 있는 균주 조합을 활용하여 염증성 장질환 치료제 개발 가능성 확인 분리 및 동정된 상기 균주들은 질환 맞춤형 프로바이틱스 균주 개발 및 바이오 치료 제제 생산을 목표로 연구를 진행하고 있다. 제2세부 연구기관 연세대학교

제2세부 연구책임자

천재희 교수 연세대학교 소화기내과 연구실

연구목표 및 내용 활성산소 저항성 균주인 atypical E. coli (atE c, 비정형 대장균)을 활용하여 질환 맞춤형 프로바이오틱스 균주로 개발하고 기능성 식품 원료로 인증받는 것을 목표로 연구하고 있다. 마우스 대장 염증 모델을 이용해 atE c 균주의 염증 완화 능력 및 안정성을 검증하고 있다. 제1협동 연구기관 이화여자대학교

제1협동 연구책임자

박시재 교수 이화여자대학교 생물화학공학연구실

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조기성과 창출 연구목표 및 내용 바이오 기반 케미컬, 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 atE c 균주를 대사공학적으로 개량하여 질환 맞춤형 프로바이오틱스 균주로의 개발을 목표로 한다. 또한, 염증 개선을 위해 염증 완화 기능을 활성화시키는 부틸산(butyrate) 생합성 경로 예측, 시스템 및 대사 경로 최적화 기술을 개발하는 연구를 진행 중이다. 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 중이다.

제2협동 연구기관 (주)마이크로바이오틱스

제2협동 연구책임자

장원 대표 (주)마이크로바이오틱스 연구팀

연구목표 및 내용 (주)마이크로바이오틱스는 연세세브란스병원 진단검사의학과교실과 내과학교실 교수들이 직접 설립한 벤처기업이다. 본 기업의 주요 연구수행 내용은 국내 건강한 성인의 분변을 은행화하고 있으며, 분변 이식을 통한 치료 제제의 안정한 공급 및 프로바이오틱스용 균주를 개발하고 있다. 본 과제에서는 감염 및 염증을 억제하는 프로바이오틱스 균주의 배양을 표준화하고 항 대장균 효과가 입증된 박테리오파지를 신개념 치료제/건강보조제로 사업화하는 것을 목표로 하고 있다.

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2 연구결과 및 주요성과 연구결과 주관연구기관 : 연세대학교 - 활성산소 제거 능력을 보유한 Bifidobacterium longum 균주 분리 및 in vivo 효능 검증 기능성 스크리닝 기법을 통해 인체 분변 공생미생물 중 유용성 균주를 분리하였다. H2O2가 높은 농도에서 성장하는 B. longum 균주 2종을 최종적으로 선별하여 유전체정보를 분석하였고, 선별된 균주는 DSS-처리 마우스 모델에서 염증성 장질환 개선 효능을 검증하고 있다.

- Butyrate 합성 유전자 스크리닝 및 신규 유전자 자원 발굴 마우스 메타지놈 라이브러리 스크리닝을 통해 butyrate 합성 유전자를 동정하였으며 동정된 신규 유전자를 발현시키는 대장균 균주를 확보하였다. 확보된 균주의 염증완화 효능을 검증하였고 food-grade 미생물 제작을 완료하였다. 건강기능 식품 기능성 원료 등록 추진을 준비 중이다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 - 마우스 대장염증 모델에서의 신규 프로바이오틱스 후보의 염증완화 능력 검증 면역세포 활성 평가를 통한 신규 프로바이오틱스 효능 검증실험을 진행하였다. Butyrate 또는 atE c의 catalase를 생산할 수 있는 E. coli Nissle에 의한 장내 면역반응 및 상피세포의 변화를 분석하였고 cytokine array를 사용하여 세포배양액에 분비된 사이토카인들의 양을 측정하여 대식세포와 프로바이오틱스 공배양을 통해 염증 억제능력을 평가하였다. 유전자 결손 마우스를 이용한 신규 프로바이오틱스 후보 효능 검증실험을 진행하였다. IL-10 KO 마우스를 이용한 프로바이오틱스의 치료효능 검증을 위한 DSS-colitis 마우스 모델을 이용한 유효성 평가, Th1, Th17 세포와 Treg 세포의 면역 활성 및 사이토카인 분비를 확인 및 조직염색으로 장상피세포의 형태적 변화분석을 진행하였다.

제1협동 연구기관 : 이화여자대학교 - 부틸산 생산을 위한 E. coli (전부 이텔릭체로 변경) 호스트 균주의 경쟁대사회로 제거 ● Cre-lox System을 이용한 유전자 딜리션 및 삽입

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조기성과 창출

Cre-lox System을 이용한 유전자 딜리션 및 삽입 전략

Atypical E. coli (이하 atE c) 균주의 경쟁 대사회로 유전자 딜리션과 동시에 부틸산 대사 회로 유전자 삽입 및 부틸산 생산의 경쟁 대사 회로 유전자인 ackA (Acetate), poxB (Acetate),

ldhA (Latctate)의 딜리션과 동시에 부틸산 생산 대사회로 유전자인 crt (3-hydroxybutyryl-CoA dehydratase), ter (trans-enoyl-coenzyme A reductase), hbd (3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase)를 삽입하여 부산물 생산량 감소와 동시에 부틸산 생산량을 증대시켜 atE c Wild Type보다 염증 완화 기능 강화가 기대되는 재조합 atE c 균주를 제작하였다.

Strain

Genotype

atE c07

atypical E. coli ΔpoxB::ter

atE c08

atypical E. coli ΔldhA::hbd

atE c09

atypical E. coli ΔackA::crt ΔldhA::hbd

atE c10

atypical E. coli ΔpoxB::ter ΔldhA::hbd

atE c11

atypical E. coli ΔackA::crt ΔpoxB::ter ΔldhA::hbd

유전자 삽입이 완료된 균주 리스트

마우스에서 재조합 atE c균주를 이용한 장내 부틸산 생산에 이용되는 Butyrate 생산 atE c 균주,

ekatE 생산 E. coli Nissle 균주, atE c Wild Type 균주를 전배양 10mL LB broth에 적절한 항생제와 함께 single colony로 접종 후 16시간 전배양, 100mL LB broth에 적절한 항생제와 함께

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1% 접종 후 OD600 0.4에서 IPTG induction, OD600 1에서 cell 수확, PBS wash 1회 진행 후 다시 PBS 1 mL로 현탁하여 균주를 연세대학교 천재희 실험실로 전달하고 있다. 연세대학교 윤상선 교수와 천재희 교수 연구실의 마우스 tissue와 feces 샘플에서 부틸산 calibration curve 및 데이터 정리를 진행하였다.

제2협동 연구기관 : (주)마이크로바이오틱스 - ROS 제거 능력이 있을 것으로 예상되는 후보 균주 고농도의 H2O2에서 생존할 수 있는 균주를 추가로 확보하고 대장에서 다양한 균주의 효능 예측 및 예후 모델로서의 오가노이드 플랫폼을 개발 완료하였다. 오가노이드 플랫폼을 이용한 H2O2 저항성을 갖는 Bacillus siamensis 주입 후 mRNA-sequencing을 통해 T cell activation, IL-4, IL-10, IL-12 pathway의 활성화를 확인하였다. 대장균 제거용 bacteriophage 2개 후보에 대하여 Larvae를 이용한 독성평가 및 효율성을 검토하였다.

- Capsule을 이용한 분변 이식 방법 정립 장용성 capsule을 이용한 분변 이식 방법을 이용하였다. 붕해시험을 통해 최적의 장용성 capsule을 선정하였고 capsule을 이용한 자사의 분변 이식 기술로 신의료기술 안전성 및 유효성 평가를 완료 하였다. 2019년 8월 29일부터 oral capsule FMT를 시행하였고 현재까지 18건이 진행되었으며 부작용은 보고되지 않았다. 장용성 capsule을 이용한 방법이 정립되면 본 과제에서 개발한 균주 및 bacteriophage를 환자에게 적용하기에 용이할 것이다.

3 앞으로 연구계획 4차년도 연구 추진 계획 단위(주관) : 연세대학교 박테리아 감염 조절 실험실 공생미생물 균주 사업화를 위한 연세의료원지주회사의 자회사를 설립하고 관련 균주의 기술 이전을 추진할 예정이며 DSS-처리 마우스 모델을 지속적으로 활용하여 Butyrate 생산 균주의 염증 완화 효능 검증을 위한 동물실험을 추진할 것이고 건강기능식품 기능성 원료 등록을 할 것이다.

세부(1) : 연세대학교 천재희 염증성 장질환 환자의 면역세포 활성 평가를 위해 정상 대조군 20례, 염증성 장질환 환자 40례의

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조기성과 창출 혈액 및 장조직 수집(임상시료/임상정보)을 목표로 하고 있다. 후보 프로바이오틱스의 효능을 검증하기 위해 환자의 PBMC와 균주를 공배양시킨 후 식세포 분화를 유도하여 사이토카인 및 분화지표를 평가할 예정이다.

협동(1) : 이화여자대학교 생물화학공학연구실 경쟁 대사회로 제거 및 부틸산 생산회로 유전자가 삽입된 atE c균주의 부틸산 생산 확인 부틸산 생산이 확인된 pKM212 atoB-tesB , pKM212 ter-atoB-tesB, pKM212 crt-atoB-

tesB 플라스미드를 확보하고 각 재조합 atE c균주에 transformation 후 부틸산 생산을 확인할 계획이다.

협동(2) : ㈜마이크로바이오틱스 Catalase activity가 있는 균주를 확보하고 고농도의 H2O2에서 생존할 수 있는 균주를 추가 확보하여 그 효능을 검토할 예정이다.

4 관련 분야 동향 및 전망 건강기능식품 시장의 규모가 확대됨에 따라 국내 여러 회사에서 기존 프로바이오틱스 균주를 활용한 제품화 기술이 개발되고 있지만, 주로 유산균을 활용한 식음료에 활용도가 높다. 이에 반해, 유럽이나 일본 등 선진국에서는 프로바이오틱스의 장 건강 개선 효과뿐만 아니라 대사질환과 피부 및 호흡기 질환의 개선, 면역 증강 등 다양한 질병의 치료의 효능을 입증하고 제품화까지 이뤄지고 있다. 현재 다양한 연구들을 통해 1) 로타바이러스성 설사 개선, 2) 유당불내증 경감, 3) 항생제 관련 설사 개선, 4) 유아의 식이성 알러지 증상 완화, 5) 인슐린 저항성 증후군 치료, 6) 비알코올성 지방간 치료, 7) 염증성 장질환 경감 등의 프로바이오틱스 효능이 입증되고 있다. 현재까지의 장내 마이크로바이옴 연구가 메타지노믹스(metagenomics)를 바탕으로 진행되어 왔다면 앞으로는 메타전사체(m e t a t r a n s c r i p t o m e ), 메타단백질체(m e t a p r o t e o m e ), 대사체(metabolome) 등과 같은 정보를 바탕으로 보다 면밀한 분석법을 활용해야 통합적인 장내 미생물-숙주 간의 상호작용에 대한 이해가 가능해질 것이다. 프로바이오틱스의 안정성 확보를 위해 방대한 정보의 습득과 이해는 필히 수반되어야 한다.

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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 염증-스트레스-당뇨병의 상관관계에 관한 연구들이 수행되고 있으나 스트레스-당뇨병의 개선 효과를 가진 프로바이오틱스 발굴 및 기능 검증에 관한 연구는 진행되지 않은 실정이다. 본 연구에서는 마이크로바이옴 분석 기술을 통해 우수한 유산 균주를 발굴하며 세포시험을 통해 염증 억제력을 포함한 다양한 기능성 평가를 진행하였다. 더 나아가 질환 모델 동물 효능실험과 전임상 시험, 대량생산, 최적화, 제형화 과정을 통해 스트레스와 당뇨병을 개선 또는 예방할 수 있는 고기능성 프로바이오틱스 소재를 개발하고 실용화하고자 한다.

주관연구기관 중앙대학교

주관연구책임자

김원용 교수 중앙대학교 의과대학 연구실

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조기성과 창출 연구내용 주관연구기관(중앙대학교 의과대학)과 위탁연구기관(마크로젠)에서는 유전체 연구기반 2형 당뇨병과 스트레스 질환 통합 개선 프로바이오틱스 소재를 개발 담당

제2세부 연구기관 중앙대학교

제2세부 연구책임자

황광우 교수 중앙대학교 약학대학 연구실

연구내용 2형 당뇨병과 스트레스 질환 통합 개선 프로바이오틱스 소재의 기능을 분석

제1협동 연구기관 (주)롯데푸드

제1협동 연구책임자

김윤식 팀장 (주)롯데푸드 연구팀

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연구내용 2형 당뇨병과 스트레스 질환 통합 개선 프로바이오틱스 소재를 실용화

2 연구결과 및 주요성과 - 중앙대학교 병원 윤리위원회의 승인을 받아 2018년 3월부터 정상인 및 궤양성 대장염 환자의 분변 시료를 모으고 임상데이터베이스를 구축하였으며, 장 점막이 회복된 궤양성 대장염 환자의 분변시료로부터 Illumina sequencing을 이용한 미생물 군집을 분석하였다(위탁기관: 마크로젠과 협업).

- API 20E, API20NE, API 50CH, API ZYM 등을 이용하여 발굴 유산균주의 생리화학적 특성을 조사하였다.

- 발굴 유산균주에 대하여 세포 수준에서의 안전성 평가(MTT)를 진행한 결과, 독성이 없는 것으로 확인되었으며 항염증 효능을 가진 것을 확인하였다.

- 현장 생산용 배지 확립을 위해 후보균주에 대한 탄소원 이용성을 조사하였으며 탄소원 free 배지 조사 및 최적화(modified MRS)와 glucose 외 탄소원별 생장성을 측정하였다.

-P acbio SMRT sequencing을 통해 프로바이오틱스 후보균주의 전장유전체를 확보하고 기능성 유전자를 발굴을 위한 분석을 수행하였다.

- 후보균주의 위장관 내 생존 및 생장을 위한 필수 조건으로 장 상피세포에 대한 장 정착능 평가 및 내담즙 내산성 평가를 수행하였다.

- 발굴 후보균주의 항스트레스 효능을 확인하기 위해 스트레스 인자(cortisol) 분비 억제에 대한 기능성 평가를 수행하였다.

- 세포 수준에서 당 분해 효소 활성 저해와 지방분화 억제에 대한 기능성 평가를 수행하여 비만에 대한 후보균주의 항비만 효과를 확인하였다.

- 스 트레스 및 당뇨 질환 마우스 모델을 활용하여 연구를 진행한 결과 스트레스에 따른 고지방식이에 대하여 체중 및 혈당의 변화를 확인하였으며 포도당과 인슐린에 대한 저항성 및 민감성을 확인하였으며, 후보균주 투여에 따라 마우스의 체중 변화와 공복 혈당의 변화를 확인하였다.

- 혈청 및 조직 내 스트레스 인자와 당뇨 관련 인자의 농도를 측정하고 발현량을 비교 분석하였다.

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조기성과 창출 - 배지 및 배양 조건 확보를 위해 RSM을 활용하여 후보균주에 대한 탄소원 및 질소원 등의 농도별 생장성을 평가하여 배지 및 배양조건을 최적화하는 연구를 진행하였다.

- 발효유, 발효음료 외 다양한 제형 사례와 시제품에 적용할 수 있는 기술을 조사하였다.

- 배지 및 배양 조건 등에 대한 최적화 조건을 적용하여 선별균주의 시생산 테스트를 진행하였다.

- 최종 선정된 균주의 시생산 소재에 대하여 스트레스 및 당뇨 질환 마우스 모델에 대한 효능 검증 연구를 수행하였다.

- 세포 수준에서 대식세포의 분화 조건을 확립하고 최종 선정된 균주가 대식세포 분화에 미치는 영향과 비만 유도성 염증 조절 기능 및 기전을 규명했으며, 이를 동물 연구에 적용하여 마우스 복강 내 대식세포에 대한 분화 실험 조건을 확립하였다.

- 최종적으로는 마우스의 복강 대식세포에 선정 균주를 처리하여 M1, M2 분화 양상을 확인하고 도출된 결론을 통해 선정된 균주의 염증반응을 완화하는 특정 메커니즘을 규명하고자 한다.

- 최종 선정 균주를 소재화하고 대량 생산하여 제품 적용성 연구를 수행하였다.

- 다양한 제형으로 확대 적용하기 위한 연구를 진행하고 있으며, 최종적으로는 상품화 및 사업화를 추진할 예정이다.

대표성과 - 정상인 분변시료, 장 점막 회복이 된 궤양성 대장염 환자, 로컬마켓에서 구매한 전통발효식품으로부터 각각 단일집락을 무작위로 선별하여 MRS 한천배지에 획선평판법으로 분리 접종 후, 미생물 분자시계인 16S rRNA 유전자를 이용한 염기서열 분석을 통해 식품 허용 미생물 및 GRAS급 유산균주를 선별 및 발굴하였다.

● 대표적 발굴 유산균주명 Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus

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acidophilus plantarum brevis rhamnosus sakei subsp. sakei casei

Lactobacillus graminis Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris Lactobacillus pentosus Lactobacillus curvatus Lactococcus lactis subsp. lactis Lactococcus raffinolactis

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- 후보 균주에 대하여 세포 수준에서 위장관 내 환경 생장 평가 및 기능성 평가를 진행하였다. 기능성 평가에서 연구목표에 해당하는 비만과 스트레스에 효능을 가진 균주를 동물 연구에 적용하였으며 결과에 따르면 유산균을 투여한 마우스에는 체중 변화와 공복혈당의 변화가 있었으며, 스트레스, 당뇨 관련 지표를 혈액 및 조직에서 확인한 결과 발현량에서도 차이를 보인다.

- 최종 선정된 균주의 시생산 소재를 활용하여 in vivo 수준에서 스트레스-당뇨에 대한 기능성 검증 연구를 수행하고 있다. 1차적으로 선정 균주의 시생산 소재를 투여한 그룹에서 고지방식이에 대한 체중 증가량에 변화를 보이고 있으며, 혈당에서도 차이를 보인다. 추후 연구를 통해 스트레스-당뇨 지표에 대한 분석을 수행하여 기능성 검증을 수행할 예정이다.

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 마이크로바이옴 분석 기술을 이용하여 염증 억제력이 우수한 유산균주를 발굴하고, 스트레스와 당뇨병을 개선 또는 예방할 수 있는 고기능성 프로바이오틱스 소재를 개발하고 실용화하고자 한다.

4차년도 연구 추진 계획 단위 연구기관 : 중앙대학교 의과대학 – 위탁연구기관 : 마크로젠 - 마이크로바이옴 기반 최종 선정된 균주의 유산균 소재 효능 검증

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

제1협동 연구기관 : 롯데푸드 - 고기능성 프로바이오틱스 소재의 제형별 적용(제과, 과채음료 등) 및 안전성 검증

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 도출할 수 있는 시너지 효과를 발휘하고자 한다.

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조기성과 창출 4 관련 분야 동향 및 전망 1. 마이크로바이옴 활용 당뇨병 치료 연구 현황 - 마이크로바이옴과 관련된 미국 시장의 경우, 크론병, 과민성대장증후군, 당뇨 등이 높은 성장을 기록할 것으로 추정된다.

- 글로벌 시장조사업체 GBI 리서치에 따르면 당뇨 치료 시장은 연평균 12.7%의 성장률을 기록하고 있으며 2022년에는 1632억 달러 규모로 커질 것으로 전망된다.

2. 스트레스와 당뇨병 복합 치료 연구 동향 - 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 중개 연구에 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 연구실

연구목표 기능성 유산균의 개발 및 미강발효제품 개발

연구내용 - 유용균주의 특성분석, 유용성, 안전성, 안정성 - 미강발표제품 개발

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조기성과 창출 제2세부 연구기관 조선대학교

제2세부 연구책임자

이재준 교수 조선대학교 단체급식실험실

연구목표 미강발효물의 기능성평가(동물실험)

연구내용 - 균주의 in vitro 효능 검증 - 균주 및 미강의 in vitro 효능 검증 제1협동 연구기관 경희대학교

제1협동 연구책임자

김해영 교수 경희대학교 식품생화학 연구실

연구목표 전략 미생물 유전자 해독, 전략 미생물로부터 유용유전자원 확보

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연구내용 - 전략미생물의 전체 유전자를 해독하여 전략 미생물의 유전체 분석 및 비교 유전체 분석을 수행하고 유전체 분석 결과를 토대로 전략 미생물의 유용 유전자원을 확보 제2협동 연구기관 경상대학교

제2협동 연구책임자

김정환 교수 경상대학교 식품미생물학 연구실

연구목표 김치 유산균을 이용한 미강발효물의 대사체 분석 연구

연구내용 - 대사체 분석 기술인 LC/MS, GC.MS를 이용한 김치 유산균 미강발표물의 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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조기성과 창출 연구목표 기능성 김치 유산균을 활용한 미강발효제품의 산업화·실용화

연구내용 - 발효를 위한 부산물 소재 확보 - Scale-up 발효공정 검토

2 연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 조선대학교 김치연구센터 1. 발효공정의 최적화(미강에서 유산균 증식) - 균주: 항콜레스테롤능을 지닌 Lactobacillus plantarum EM

※ 조기성과 창출을 위하여 기능성 김치 유산균 2종 중 항비만능(오르니틴 생성)을 지닌

Weissella koreensis DB1을 이용한 미강 발효 공정 최적화는 2차년도(2019)에 수행 완료 - 영양원의 최적화: 탄소원, 질소원, 무기질 및 비타민의 종류 및 농도를 최적화 - 발효 초기 pH의 최적화: 최적화된 영양원 조건에서 발효 초기 pH를 최적화 - 발효 온도의 최적화: 최적화된 영양원, 발효 초기 pH 조건에서 발효 온도를 최적화

2. 최적 발효 공정 조건에서 미강 발효 - 균주: 항비만능을 지닌 W. koreensis DB1과 항콜레스테롤능을 지닌 Lb. plantarum EM - 최적화 조건(영양원, pH , 온도)에서 미강 발효

• 미강 첨가량과 미강호화 조건, 각 종균의 초기 균주 접종량, 영양원 및 발효 초기 pH, 발효 온도, 발효 시간 최적화

- 발효 미강 제품의 특성 분석(저장기간에 따른 특성 분석)

• 저장 기간 및 온도: 제조 직후, 3, 6, 9, 12개월/4℃ or 상온 보관

• 미생물학적 특성: 제조 직후 시료에서 약 100 CFU/g의 발효균주가 검출되었으며 이후 시료에서는 검출되지 않았다. 대장균과 대장균군 검출 결과, 모든 시료에서 검출되지 않았다. 일반세균 및 효모, 곰팡이 검출 결과, 모든 시료에서 검출되지 않았다.

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대표성과 No

특허명

출원등록번호

구분

비고

1

김치로부터 분리된 유산균을 이용한 미강 발효물 제조방법 및 그로부터 제조된 미강발효물

10-2020-0112510

출원

-

제2세부 연구기관 : 조선대학교 1. 균주, 미강 및 미강 발효제품이 지방세포 분화에 미치는 영향 - 3차년도에는 Lb. plantarum EM 균주, 균주로 발효시킨 미강 및 미강 추출물의 지방분화 억제효과를 확인하기 위하여 3T3-L1 세포에 처치하여 실험하였다. W. koreensis DB1 균주,

Lb. plantarum EM 균주, 발효미강 및 미강 추출물 모두 무첨가 대비 농도 의존적으로 지방구의 형성과 지방축적이 억제되었다. 이는 PPARγ의 C/EBPα등의 지방세포분화 전사인자들의 발현과 지방합성관련 효소인 FSA와 ACC 발현을 음성적으로 조절하여 억제된 것으로 보여진다. 균주 자체도 지방세포 분화 억제효과가 나타났으며, 발효미강 추출물은 미강 추출물에 비하여 다소 유의하게 지방세포 분화억제효과가 있는 것으로 나타났다.

2. 동물 실험을 통한 균주, 미강 및 미강발효제품의 콜레스테롤 저하효과 및 항비만 효과 - 3차년도에는 Lb. plantarum EM 균주로 발효시킨 미강분말이 고지방-고콜레스테롤식이로 고지혈증 및 비만이 유도된 C57BL/6J 마우스에 미치는 영향을 알아보고자 실시하였다. 이때 2차년도 수행된 W. koreensis DB1 미강발효물을 대조구로 함께 실험하였다. 3차년도 연구 결과 Lb. plantarum EM 균주군 > Lb. plantarum EM 균주로 발효한 5% 발효미강 첨가군 ≒ W. koreensis DB1 균주로 발효한 5% 발효미강 첨가군 ≒ Lb. plantarum EM 균주로 발효한 2.5% 발효미강 첨가군 + W. koreensis DB1 균주로 발효한 2.5% 발효미강 첨가군 ≥ 5% 미강 첨가군 > 고지방-고콜레스테롤 식이군 순으로 콜레스테롤 저하효과 및 항비만효과가 나타났다. 본 실험 결과 Lb. plantarum EM 균주는 W. koreensis DB1 균주에 비하여 콜레스테롤 저하효과와 체중저하 효과가 우수하였으며, W. koreensis DB1 균주 혹은 Lb. plantarum EM 균주로 발효한 발효미강은 미강에 비하여 항비만 및 지질대사 개선효과가 우수하게 나타나 이는 발효를 통한 기능성이 증진된 것으로 확인된다. 발효과정은 미강의 항비만 및 지질대사 개선효과를 증진시키며 발효미강은 기능성 식품으로서 이용가치가 높을 것으로 사료된다.

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조기성과 창출 대표성과 No

논문명

1

Lactobacillus plantarum EM on lipid profile

Effects of cabbage-apple juice fermented by improvement and obesity amelioration in rats

학술지명

등급/IF

비고

Nutrients

SCIE /4.171

2020. 12(4): 1135

제1협동 연구기관 : 경희대학교 1. Lactobacillus plantarum EM의 유전체 분석 - 항콜레스테롤능이 확인된 Lb. plantarum EM에 존재하는 항콜레스테롤 관련 유전자(bsh, bile salt hydrolase)를 확인하였다. Genome상에 존재하는 bsh 유전자를 추출하여 NCBI에 보고된 다른 Lb. plantarum에 존재하는 bsh 유전자와 함께 비교분석 수행하였다. 그 결과 EM은 다른 strain에 비해 많은 수의 유전자를 보유하는 것으로 확인된다. 또한, 유전체 분석으로 Lb. plantarum EM의 genome상에 EPS를 생성하는 pathway가 존재함을 확인하였다.

- Lb. plantarum EM을 포함하여 총 51개의 Lb. plantarum에 대한 비교 유전체 분석 결과 pan-genome size는 6,132개, core-genome은 1,576개, accessory-genome은 3,146개, unique-gneome은 1,410개로 확인된다. 이중에서 Lb. plantarum EM에만 존재하는 unique gene은 83개로 확인된다.

2. Weissella koreensis HJ, W. koreensis DB1의 유전체 분석 - 항비만능이 있다고 알려진 W. koreensis HJ와 DB1에 대해 genome sequencing을 수행하였다. W. koreensis HJ는 1,427,517bp로 GC content는 35.5%, protein 수는 1,400개로 확인된다. 또한, W. koreensis DB1은 1,445,923bp로 GC content는 35.4%, protein 수는 1,404개로 확인된다.

3. Leuconostoc inhae PG7, Leu. gasicomitatum CH3의 유전체 분석 - 저 온에서 생장 가능한 Leu. inhae PG7, Leu. gasicomitatum CH3의 genome sequencing을 수행하였다. Leu. inhae PG7의 경우 genome size는 2,049,228bp로 protein 수는 2,034개로 확인된다. Genome의 RAST subsystem 분류 결과 amino acids and derivatives 관련 유전자 비율이 가장 높다. Leu. gasicomitatum CH3의 경우 genome size는 1,863,940bp로 protein 수는 1,822개로 확인된다. 이중에서 protein metabolism에 관련하는 유전자비율이 가장 높다.

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대표성과 No

논문명

학술지명

등급/IF

비고

1

Novel approaches for the identification of microbial communities in kimchi: MALDI-TOF MS analysis and high-throughput sequencing

Food Microbiology

SCI(E) /4.155

2021.

94:103641

2

Novel real-time PCR assay for Lactobacillus casei group species using comparative genomics

Food Microbiology

SCI(E) /4.155

2020.

90:103485

3

Design of PCR assays to specifically detect and identify 37 Lactobacillus species in a single 96 well plate

BMC Microbiology

SCI(E) /2.989

2020.

20:96

4

Complete genome sequence of Lactobacillus plantarum EM, a putative probiotic strain with the cholesterol-loweing effect and antimicrobial activity

Current Microbiology

SCI(E) /1.746

2020.

77:1871-1882

5

Rapid identification of Staphylococcus species isolated from food samples by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry

Journal of Microbiology and Biotechnology

SCI(E) /1.992

2019.

29(4):548-557

제2협동 연구기관 : 경상대학교 1. 미강 발효물들의 대사체 분석 - 조선대로부터 미강에 항비만능을 지닌 W. koreensis DB1을 접종하여 각각 0, 24 및 48 시간 발효한 시료들을 받아서 대사체 분석을 하였다.

- G C-MS와 LC-MS 사용하여 대사체들을 조사한 결과 발효 전과 발효 후 차이가 큼을 확인하였다. 또한 발효 24시간과 48시간 시료들 간에도 차이가 있음을 확인하였다. 발효후 유산 (lactic acid)이 가장 큰 폭으로 증가하였다. 그리고 기능성 물질인 4-aminobutyric acid(GABA)와 ornithin 생산 증가도 확인하였다. 히트맵 분석을 통해 콜레스테롤 조절, 심혈관질환 조절, 간해독 등 다양한 기능성이 있는 것으로 알려진 비단백질성 아미노산인 ornithine인 경우 미강발효물의 주요물질로 밝혀졌으며 발효에 의해 약 3배 이상 증가하는 것으로 확인되었다. 또한 뇌신경전달물질로 잘 알려진 GABA(4-aminobutanoic acid)의 함량도 발효에 의해 2배 이상 증가되었다.

- CJ로부터는 pilot scale로 발효한 2종 미강 발효물을 받아서 대사체 분석 완료하였으며, 현재 이들 대사체에 대한 세부 분석 중이다.

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조기성과 창출 대표성과 No 1

논문명

학술지명

Properties of β-Galactosidase from Lactobacillus Microbiology and Biotechnology zymae GU240, an Isolate from Kimchi, and Its Gene Cloning Letters

등급/IF

비고

Scopus

2020.9.28. 출간

제3협동 연구기관 : CJ제일제당㈜ 1. 발효를 위한 부산물 소재(미강) 확보 - 자사 햇반 부산물 미강 발생 현황 조사 - 미강별 영양 성분 및 안전성 검증 - 미강 발생 공정 프로세스 확인 : 투입 → 선별 → 집진 → 도정 → 집진 → 저장

2. Scale-up 발효 공정 확립 - 가공 공정 확립을 위한 기질, 발효시간, 가수량, 건조 온도별 발효 특성 테스트 - 생산성 검증을 위한 Mass balance 도출 - 발효 생산 공정도

원료



가수

↓



증자

↓



액상배양/접종

↓



발효

↓

지표

지표

설비

지표

설비

지표

법적 및 자가규격

원료 대비 가수량

혼합기 or 증자기 사용

미생물 제어 (오염균 제거)

상압 or 가압 증자기

생산 균주 배양 및 접종 (생균수 확보)



건조

↓ 설비

지표

액상 발효기

발효를 통한 품질지표 (생균수, pH, 아미노산, 유기산) 확보

↓ 설비

지표

설비

발효기

수분감량 (건조 후 수분 10% 미만)

열풍 건조기 or 동결 건조기

3. 생산성 향상을 위한 공정 최적화 : 건조 공정에 따른 공정 최적화 및 원가 산출 - 발효 후 건조 방법별 원가 비교하여 기존 열풍건조 대비 효율적인 건조 방법 도출 4. 관능 품질 개선을 위한 공정 검토 : 발효에 따른 오르니틴 함량과 관능 품질 상관관계 확인 - 발효가 진행될수록 발효취에 의한 관능 저하 확인 5. 발효미강 생산 및 제품 적용화 - 발효 미강의 영양성분 및 지표성분(아미노산, 유기산 등) 분석

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- CJ제일제당㈜ 내부 안전 Gate(미생물 및 이화학) 통과하여 자사 신규 원료 등록 완료 - CJ유산균발효미강분말제품의 품목제조보고서 등록 - 리턴업 발효효소 베이직 제품 적용 완료(2019년 10월 출시)

6. 다양한 제형 검토 - 과립, 정제(tablet) 제형 적용성 검토 : 프로토타입 제조 및 지표 성분 확인

3 앞으로 연구계획 기관

연구 목표

연구 내용

조선대학교 (제1세부)

기능성 미강발효제품 개발 및 생산(Lab scale)

- 기능성 미강발효제품 개발 - 기능성 미강발효제품의 특성 조사 - 기능성 미강발효제품의 성분분석 - 기능성 미강발효제품의 저장 안정성 평가

경희대학교 (제1협동)

유용유전자 발굴 및 확보

- 항비만 효과에 관여하는 유용유전자 발굴 - 항콜레스테롤 효과에 관여하는 유용유전자 발굴

경상대학교 (제2협동)

김치 유산균 미강발효물의 대사경로 도출

- 대사체 분석 기술을 이용한 김치 유산균 미강발효물의 대사경로 도출

CJ제일제당㈜ (제3협동)

미강발효제품의 제품화 및 산업화

- 발효 컨텐츠 개발 및 홍보 - 제형 다양화 연구 및 제품적용 확대 - 기능성 주원료 활용성 검토

4 관련 분야 동향 및 전망 - 지 놈프로젝트들을 통해 얻어진 유전체 정보들로부터 추정되는 유용 유전자들의 실제 대사과정에서의 역할 검증 목적으로 또 균주들 구별이나 동정을 위한 마커 확보 목적으로 대사체 연구들이 수행되고 있으며 점점 더 중요성이 커질 것이 예상된다.

- 본 연구에서 밝혀진 유전체 분석 결과 및 기능성 유전자로 여러 유산균의 프로바이오틱 관련 유전자를 확인하는 데 활용이 될 것으로 보이며 프로바이오틱능을 보유한 토종 미생물 및 유전자원 선별을 위한 연구개발에 도움이 될 것으로 보인다.

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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 효소발효공학 연구실

연구목표 및 내용 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.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제1협동 연구기관 세계김치연구소

제1협동 연구책임자

이세희 박사 세계김치연구소 연구팀

연구목표 및 내용 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 질환(알콜성 간손상, 인지기능저하)개선 효능을 면역학적 방법, 행동분석 방법 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) 신선연구팀

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조기성과 창출 연구목표 및 내용 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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3차년도 연구개발목표

2 연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 충북대학교 김치용 프로바이오틱스 개발을 위한 기초 연구로 국내 고시형 프로바이오틱스 17종 균주를 김치묘사배지에 접종하여 배양특성을 관찰하고, 김치를 제조하여 GC/MS, NMR을 통한 대사산물 분석, 관능평가를 진행하였다. 결과적으로 김치와 저온에서 잘 성장하고, 김치의 품질에 부정적인 영향을 주지 않는 균주 2종(Lactobacillus reuteri, L. fermentum )을 선발하였다. 그 후, 2개의 종을 중심으로 인체 분변, 발효식품 등의 다양한 환경에서 후보 균주들을 분리하였고, 안전성, 안정성, 기능성 분석을 통해 높은 항염증 활성을 갖는 장 건강 유산균 2종(L. reuteri EFEL6901,

L. fermentum EFEL6800)을 선발하였다. 더 나아가 DSS 투여를 통한 급성 대장염 유도 모델을 설계하여 장 건강 유산균 2종의 투여를 통한 대장염 완화 효과를 확인하였다. L. reuteri EFEL6901 투여 시, 체중 감소와 대장 길이 감소를 억제하였으며, 염증 점수(DAI score)를 유의하게 감소시켰다. 또한 유산균 섭취로 인해 tight junction

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조기성과 창출 protein의 발현양 증가, 단쇄지방산(SCFA)의 농도가 증가하는 것을 관찰하였다. 이들 균주를 종균으로 배추김치, 나박김치를 제조하여 대사체 분석, 관능평가를 진행하였고, 김치 맛에 부정적인 영향을 미치지 않으며 상업용 김치 종균인 Le. mesenteroides DRC1506과 발효 패턴이 유사하기 때문에 김치 종균으로서의 가능성을 확인하였다.

건강 기능성 분석 시스템 구축

후보 프로바이오틱스 선발 과정 68 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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 기능성은 장관 세포의 세로토닌 생성유도 및 생성관련 유전자의 발현을 RNA-seq으로 확인하였다. 그뿐 아니라 장 염증유도 병원균 Clostridiodes difficile 의 성장 억제를 in vitro test를 통해 검증하였다. 알코올성 간손상 동물모델을 확립하였으며, 제2협동((주)대상)에서 선별한 김치유산균의 투여를 통한 동물(C57BL/6)에서의 간 손상 예방효과를 확인하였다. 김치 유산균의 섭취는 알코올성 간 손상으로 인한 간 조직 내 지방축적을 억제하였으며, 혈중 간수치의 농도를 감소시키며, 간에서의 산화적 스트레스를 감소시키는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 간뿐만 아니라 장내 상피세포간 연결(tight junction)과 관련된 유전자(claudin, ZO-1, occludin)의 상대적 발현 수준이 김치 유산균 섭취로 인해 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 Echerichia-Shigella 의 감소를 통한 장내 미생물 균종 조절에 관여함을 확인할 수 있었다.

기능성 프로바이오틱스 후보 균주 검증과정

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조기성과 창출

프로바이오틱스 in vivo 효능 분석

제2협동 연구기관 : 대상(주) 다양한 김치 샘플로부터 500종 이상의 유산균을 분리하였고, 내산성, 내담즙성 우수 균주 18종을 분리하였다. 그중 간기능 개선 효능 유산균을 선별하기 위하여 알코올 분해성 활성(알코올 분해 효소, 알데하이드 분해효소 활성) 및 간세포에서의 염증성 사인토카인(TNF-α, IL-8) 억제능을 확인하였다. 그 결과 최종 2종의 유산균(Lactobacillus plantarum DSR J266, Lactobacillus brevis DSR J301)을 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. 또한 3차년도에는 장, 정신, 간 건강 기능성 균주로 다양한 김치를 제조하여 제품 특성 분석 중에 있다.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

간 기능 개선용 유산균 특허 결과

3 앞으로 연구계획 3차년도에는 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 확립할 것이다. 마지막 4차년도에는 최종 선발된 프로바이오틱 균주의 김치생산 적용을 통해 고부가가치 프로바이오틱스 김치 개발 및 출시를 계획하고 있다.

4 관련 분야 동향 및 전망 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

김치프로바이오틱스의 미래

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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 본부장 한국식품연구원 연구팀

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 기반구축 연구를 수행하고 있다.

연구목표 NGS 기반 유전체 기술을 활용하여 전통누룩 유래 고기능성 미생물을 종균화하고 고부가가치 기능성 제품으로 산업화한다. iMAF_2020 Vol. 6

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조기성과 창출 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 연구팀

연구목표 ㈜국순당 연구소는 전통주 업체로 1970년에 설립한 이래 45년간 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.

연구내용 - 지역 특성 기반 맞춤형 누룩의 메타지놈 분석 - 전통누룩 유래 효모 양조 특성 구명 및 추가 선별 - 전통누룩 유래 미생물 유전자원 맞춤형 pool 구축

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- 선별 유산균의 Probiotics 효과 검증 - Probiotics 검증된 유산균의 종균화 및 제재화 - Probiotics 적용 가능성 시제품(주류/음료) 레시피 개발

2 연구결과 및 주요성과 1. 전통누룩에서 발굴한 Probiotics 특성을 갖는 미생물 자원 발굴 건강기능식품 시장에서 홍삼 다음으로 가장 큰 제품군을 형성하고 있는 것은 Probiotics 제제를 이용한 제품이다. 현재 시판에서 많이 사용되는 Probiotics 균주의 경우 유산균(lactica acid bacteria) 이지만, 유산균은 항생제 오남용으로 인한 항생제 내성 문제가 부상하고 있다. 항생제에 저해받지 않으면서 장내에서 Probiotics 기능성을 나타내는 효모균이 최근 정장제로 사용되고 있다. 본 연구진은 유산균 Probiotics 균주를 대체하기 위하여 전통누룩에서 장내활성 능력을 갖는 효모 균주를 전통 누룩에서 발굴 및 기능성을 평가하여 제품화를 목표로 연구를 진행 중이다. 전통누룩 유래 237개의 균주에서 갈락토오스 이용능력, 내산성, 내담즘산성, 내고온성을 평가하여 가장 기능성이 높은 Saccharomyces cerevisiae Bolardii-03 균주를 선정하였다. 장염증 개선 효과를 확인하고자 마우스를 이용한 동물 실험을 진행하였다.

장염증 개선 정도 확인 Cont 정상군, DSS 장내염증 유도군, Bolardii-03 전통누룩유래 효모 투여군, Bi 양성대조군, S. cerevisiae 야생형 효모

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조기성과 창출 DSS(dextran sulfate sodium)를 음수에 섞어 장내 염증이 유발되면 대장 길이당 무게가 증가하기 때문에 무게/길이로 대장염 측정 지표로 사용될 수 있다. 이를 수치화하여 통계분석 결과 정상군 대비 DSS 처리군은 길이 대 무게 비율이 유의적으로 증가하였으나 S. cerevisiae Boulardii03과 비오플 투여군에서는 이러한 증가가 유의적으로 감소하는 결과를 확인하였다. 이를 통해 신규 효모 Probiotics 종균 확보 및 산업화 방안을 마련하고자 하는 연구를 진행 중이다.

2. 누룩곰팡이 독소의 저감화 유산균 발효조건 연구 아플라톡신(aflatoxin, AF)은 독성과 발암성을 갖는 전 세계적으로 인간과 가축에 심각한 공중보건 문제를 발생시키는 곰팡이 2차 대사물질이다. 아플라톡신 생성 곰팡이는 주로 토양에 존재하며 농작물, 특히 옥수수와 땅콩과 같은 곡류와 견과류를 오염시켜 아플라톡신을 생성한다. 이러한 문제의 아플라톡신을 생성하는 곰팡이 균주는 Asp. flavus 로 알려져 있다. 본 연구진은 아플라톡신 안전 규제 및 전통주의 안정성 확보를 위하여 전통주발효에 유해한 Asp. flavus 의 생육 및 아플라톡신 생성 억제를 하고 전통주발효에 필요한 Asp. oryzae 의 생육을 방해하지 않는 유산균을 발굴 및 기능성을 확인하는 연구를 진행 중이다.

아플라톡신 저감화 유산균 발굴 및 개발 모식도

3. 아세트알데하이드 저감화 균주 발굴 및 적응진화를 통한 개량 전통누룩에서 분리한 유산균 중 고기능성 균주를 선발을 위하여 본 연구에서는 숙취 유발 물질

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중에 하나인 아세트알데하이드를 저감화 기능성을 목표로 하여 연구를 진행 중이다. 체내 흡수되는 대부분의 알코올의 경우 간에서 해독되기 때문에 많은 간질환의 원인으로 알려지고 있다. 1차적으로 알코올 대사에 관련하는 위에서는 alchol dehydrogenase(ADH)의 활성이 낮다고 알려져 있으며 대부분 소장에서 알코올 흡수가 일어나게 된다. 소장환경에서 ADH의 경우 높은 알코올 농도에서 활성이 감소한다. 또한 acetaldehyde dehydrogenase(ALDH)의 활성 역시 높은 알코올 농도에서는 저해받는다고 알려져 있다. 특히 아세트알데하이드의 경우 환원력이 강하여 체내에서 독성물질로 작용한다. 아세트알데하이드의 간독성을 저감화하기 위해서 1차적으로 체내에서 흡수되는 곳인 위나 소장에서 아세트알데하이드의 산화를 통해 전환하여 독성을 줄이고자 하는 연구가 많이 이루어졌다. 효모에서 생산되는 글루타치온과 같은 항산화물질을 통해 알코올 대사에 도와주는 메커니즘으로 숙취해소제 제품이 개발되었다. 하지만 궁극적으로는 높은 알코올 조건에서 안정적으로 유지되는 ALDH의 활성이 중요하다. 외부에서 ALDH를 넣어주거나 recombinant ALDH를 생산하는 균주를 넣어 아세트알데하이드를 저감화하려는 시도들이 이루어졌지만 높은 가격과 GMO 이슈로 실제 적용되기 어렵다는 한계점들이 존재하였다. 본 연구에서는 알코올 및 아세트알데하이드가 존재하는 환경인 누룩에서 유산균을 확보하고 아세트알데하이드 분해 활성이 있는 균주를 선정하여 적응진화를 통해서 아세트알데하이드 분해능을 개량하여 고기능성 균주 확보 및 개량을 진행하고 있다.

아세트알데하이드 저감 프로바이오틱스 개발 모식도

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조기성과 창출 3 앞으로 연구계획 본 연구팀은 우리나라 전통누룩을 현대화를 위하여 전통누룩에 존재하는 많은 미생물 자원을 확보하고 유용균주의 기능성 평가, 안정성 평가 및 종균화를 통한 활용확장 연구, 이를 통한 산업화 연구까지 전통누룩을 소재로 기초부터 응용연구까지 진행하고 있다. 본 연구를 통해 생성된 전통누룩 유래 미생물자원의 유전체 데이터, 메타지놈 데이터, 대사체 데이터, 단백질 구조 데이터를 포함한 오믹스 정보를 구축하고 있다. 이러한 오믹스정보를 통해 선발된 전통누룩 유래 효모 및 유산균의 특성 탐색 및 개발 및 고품질 전통주 개발까지 연결되는 연구 파이프라인을 구축하여 고부가가치 우리술 연구를 진행하고 있다.

4 관련 분야 동향 및 전망 제3차 혁신성장전략회의에서 의결한 ‘그린바이오 융합형 신산업 육성방안’에 따르면 마이크로바이옴·대체식품과 메디푸드·종자·동물용의약품·기타 생명소재 등 5대 유망산업을 2030년까지 2배 이상으로 키우기 위한 전략을 수립하였다. 여기에 유용미생물은행 등 빅데이터 인프라가 포함된 만큼 본 연구팀이 진행하고 있는 오믹스 데이터와 연관되어 큰 시너지를 낼 수 있을 것으로 기대된다.

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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 소장 매일유업(주) 중앙연구소

연구목표 고기능성이 규명된 발효식품 유래 미생물(유산균)의 종균화 및 이를 적용한 기능성 제품 개발 및 출시

연구내용 - 고기능성 미생물(유산균)을 활용한 인체적용시험 실시 - 고기능성이 규명된 발효식품 유래 미생물(유산균)의 배양조건 최적화 및 대량생산 공정 구축 - 선별한 유산균을 적용한 제품의 생산 공정, 품질 표준화 규격 설정 및 제품화, 판매를 위한 마케팅 전략 수립 및 손익구조 점검을 통한 제품 출시/판매

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조기성과 창출 제1협동 연구기관 서울대학교

제1협동 연구책임자

이주훈 교수 서울대학교 식품마이크로바이옴 연구실

연구목표 유전체 정보를 기반으로 국내 전통 발효식품 유래 기능성 미생물의 유해인자(독성 유전자, 항생제 내성 유전자) 탐색을 통해 미생물 안전성 평가 및 in vitro 실험을 통한 미생물 안전성 규명

연구내용 - 전 통 발효식품 유래 분리균주의 프로바이오틱스 유전체 분석 결과 기반의 유해인자(독성 유전자, 항생제 내성 유전자) 탐색 및 유전자의 실제 발현 유무 확인 - i n vitro 실험을 통해서 항생제 내성 MIC(minimal inhibitory concentration) 테스트, 용혈 활성, 독소생성, 대사적 특성 분석을 진행하여 선정된 프로바이오틱스의 안전성 규명

제1위탁 연구기관 세종대학교

제1위탁 연구책임자

김형욱 교수 세종대학교 질환 신경생물학 연구실

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연구목표 유전체 정보 기반으로 선별된 국내 전통 발효식품 유래 기능성 미생물을 활용하여 만성 스트레스 동물모델 기반 인지 기능 개선 효능 검증

연구내용 전통 발효식품에서 분리된 균주의 프로바이오틱 효능 분석 결과를 바탕으로 선정된 우수한 기능성 발효식품 미생물 후보군을 활용하여, 만성 스트레스로 유도된 우울/불안 증상 및 인지기능 감소에 대한 개선 효능 검증 연구 수행

제2협동 연구기관 세종대학교

제2협동 연구책임자

신학동 교수 세종대학교 식품미생물학 및 마이크로바이옴 연구실

연구목표 한국인 장내균총 배양시스템 기반, 한국 전통 발효식품 유래 기능성 미생물이 한국인 장내 마이크로바이옴에 미치는 특성 및 유익 기능성 평가를 통한 고기능성 균주 개발

연구내용 - 한국인 장내균총 배양시스템 기반, 한국 전통 발효식품 후보 유산균 균주의 한국인 장내 환경 개선 효과 검증 및 최종 균주 선정 - 마이크로바이옴 기반 동물모델 내 선별 유산균 균주의 장내균총 유익 변화 및 면역/인지 관련 기능성 분석

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조기성과 창출 연구목표 및 내용

2 연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 매일유업(주) 상기 2개 협동기관, 1개 위탁기관에서 진행한 연구 결과를 바탕으로, 삼성서울병원과 연계하여 선정된 기능성 균주를 활용한 스트레스 완화 인체적용시험 진행을 위하여 원활한 임상시험 진행을 위한 임상 연구계획서 작성 및 IRB 심사를 준비 중이며, 기능성 균주를 임상시험 참여자에게 투여하기 위하여 기능성 균주의 생산 공정 설정 작업 중이다.

제1협동 연구기관 : 서울대학교 유전체 분석 기반 선정된 프로바이오틱스의 유해인자(독성 유전자, 항생제 내성 유전자)를 탐색하여

Bifidobacterium bifidum 193에서 rifamycin 항생제 내성 유전자가 있음을 확인하였으나, 이는 내재내성 유전자임을 확인하였다. Lactobacillus plantarum 182에서 확인된 Staphylococcus

aureus 독성 유전자도 PCR 실험을 통해 독성 유전자가 존재하지 않는 것을 확인하여 안전성

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

평가를 진행했다. 또한 선정된 균주 모두 용혈활성에 대한 특징도 없는 것으로 확인되었다. 현재 선정된 균주들의 항생제 MIC, 독소생성 및 대사적 특성을 확인 중이며, 이와 같은 실험을 진행하여 선정된 프로바이오틱스의 안전성을 규명하고자 한다.

제1위탁 연구기관 : 세종대학교 Unpredictable chronic stress 마우스 모델을 기반으로, 기능성 후보 유산균주들의 스트레스 완화 효능을 관찰하고자 하였다. 만성 스트레스에 의한 인지 기능 이상을 보이는 마우스 모델에 기능성 후보 균주 투여 시, B. bifidum 193과 L. plantarum 182가 우울 및 불안 증상 개선 경향을 나타내었고, 만성 스트레스에 의한 인지 기능 이상을 보이는 마우스 모델에 기능성 후보 균주 투여 시, B. bifidum 193과 L. plantarum 50이 학습 능력 감소 증상 개선 경향을 나타내는 결과를 획득하였다.

제2협동 연구기관 : 세종대학교 1-2차년도 연구 결과를 기반으로 선정된 한국 전통 발효식품 유래 후보 유산균 3종을 Unpredictable chronic stress 마우스 모델에 적용하여 장내 균총의 유익한 변화 확인을 진행했다. 처리 균주를 마우스 모델에 매일 투여하여 장내 균총에 미치는 영향을 확인한 결과, 선택한 3종 중

L. plantarum 1종, B. bifidum 1종에 대해 장내 균총에 유의미한 변화를 일으키는 것을 확인하였다.

B. bifidum 처리 그룹에서는 Alloprevotella, Akkermansia, Parasutterella, Ruminococcus의 상대 함량이 증가하였으며, L. plantarum 처리 그룹에서는 Bacteroides, Parabacteroides의 장내 상대함량이 증가함을 확인하였다.

3 앞으로 연구계획 3차년도에 진행된 실험을 통해 최종 선정된 유산균주를 제품화하기 전, 인체적용시험을 통해 기능성을 평가하고, 인지 기능 개선 동물실험을 확대하여 진행하고자 한다.

주관기관 : 매일유업(주) 3차년도에 진행된 실험 결과들을 바탕으로 선정된 기능성 유산균의 시제품(유산균 분말)을 제작하고, 삼성서울병원과 연계하여 인체적용시험을 진행하고자 한다.

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조기성과 창출 제1협동 연구기관 : 서울대학교 시제품의 임상연구를 통한 시제품 섭취 후 변화되는 장내 마이크로바이옴과 인지 개선과의 상관관계를 분석하여 기능성을 확인하고자 한다.

제1위탁 연구기관 : 세종대학교 동물들이 시제품을 섭취 후, 인지 기능 개선을 확인하여 동물모델 기반 효능을 추가적으로 검증하고자 한다.

제2협동 연구기관 : 세종대학교 제1위탁 연구기관(세종대)에서 진행하는 동물모델 연구에서 마이크로바이옴 기반의 동물모델 내 선별 유산균 균주의 장내균총 유익 변화 및 인지 기능 개선 기능성 분석을 진행하고자 한다. 또한, 선정된 유산균 시제품을 섭취하였을 때 장내균총에 미치는 영향을 확인하기 위해, 앞서 구축된 한국형 장내균총 배양시스템에 시제품을 처리하여 마이크로바이옴 변화 및 메타볼로믹스에 기반한 결과를 규명하고자 하며, 기능성 메타지노믹스 예측 모델에 기반하여 인체 장내균총의 유전자 구성성분에 미치는 영향을 분석함으로써 인체 내 대사 및 면역 기능 개선과 관련된 기능성 발현 가능성을 평가하고자 한다.

4 관련 분야 동향 및 전망 ● 장내미생물 균총 분석 연구동향 - 장내균총에 유익한 변화를 유도하여, 면역관련 질병과 대사성증후군뿐만 아니라 심지어 정신질환을 효율적으로 개선하고자 하는 연구가 국제적으로 진행 중이며, 인체에 유익한 장내 미생물의 활성화 혹은 질병 유발 장내 미생물의 활동억제 기능성을 보유한 미생물 소재 연구가 세계적으로 주목받고 있다.

● 프로바이오틱스 기술현황 - 프로바이오틱스를 활용한 정장제, 면역 제품 개발 기술은 이미 상당부분 산업화되어 있지만, 그 효능은 개인마다 차이를 보이는 경우가 있으며 최근 유럽을 중심으로 전반적인 프로바이오틱스 기능성에 대한 규제 강화로 임상연구 필요성이 증가하는 상황이다.

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- 다양한 제형, 코팅기술을 접목하여 높은 생존율을 보이는 프로바이오틱스 생산이 가능한 상황이며 장내 미생물 균총 분석을 통한 개개인 마이크로바이옴 맞춤형 기능성 제품은 개발 초기 단계에 있다.

● 마이크로바이옴 기술현황 - 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.

- 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 세밀화하는 단계이며, 상기 첨단 기술을 활용한 식품소재 및 인체 내 대사과정, 상호작용에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

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조기성과 창출

작물 미생물 제제

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방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 인하대학교

주관연구책임자

김응수 교수 인하대학교 미생물분자생물공학 실험실

연구목표 유전체 재설계를 통한 신규물질 창출

연구내용 - 항진균 활성이 우수한 방선균 균주 4종의 선별 및 유전체 정보 분석 - 우수한 활성을 갖는 생합성 유전자군의 분석 및 생성되는 천연물 특성 규명

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제1협동 연구기관 한국생산기술연구원

제1협동 연구책임자

이도훈 박사 한국생산기술연구원 연구팀

연구목표 사업화·실용화를 위한 배양공정 최적화 및 스케일업

연구내용 - 방선균 배지성분 최적화 - 배양 스케일업 기술 구축 - 생성되는 천연물의 분리정제 시스템 확보 제2협동 연구기관 (주)에스티알바이오텍

제2협동 연구책임자

이상종 대표 (주)에스티알바이오텍 연구팀

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조기성과 창출 연구목표 진균제어능 및 안정성 검증

연구내용 - 개발된 생물농약의 다양한 조건에서 활성도 및 안정화 확립 - 시제품의 활성 확인을 위한 포장실험

연구목표 및 내용

<단위/세부/협동기관 연구개발 최종 목표 및 연구내용>

2 연구결과 및 주요성과 1. 항진균 활성이 우수한 4종의 방선균 균주 선별 및 유전체 분석 ● Fusarium oxysporum & Candida albicans 에 대해 항진균 활성이 있는 방선균 선별 - 한국생명공학연구원(KRIBB)으로부터 방선균 2419종 분양 - 방선균 2419종의 F. oxysporum 과 C. albicans 에 대한 항진균 활성 테스트 완료 (방선균 2419종 중 148종을 선별)

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● 항진균활성이 우수하며 신규성이 있는 방선균 균주 선별 - 16s rRNA sequence 비교 분석을 통한 신규성 검증 - 항진균 활성을 갖는 천연물의 분리정제 및 활성도 비교 분석 - 추가적으로 12종의 식물병원성진균에 대한 항진균활성 확인 ● 선별된 방선균 4종에 대해 NGS기반의 유전체 분석 실시 - whole genome sequencing 실시 - 유전정보분석(anti-SMASH 5.0 프로그램을 이용하여 유전자 분석 실시) - 유전정보분석을 통해 이차대사산물 생합성 유전자 후보군 선별하고 필수 유전자의 knockout을 통한 생합성 유전자임을 증명

2. 선별된 방선균 균주의 배지 최적화 및 배양공정 최적화 수행 ● 선별된 방선균 균주의 포자 형성 조건 확립 - 선별된 방선균 균주의 특성 파악 및 배양 형태학적 특성 분석 - 배지 테스트를 통한 고농도 포자 형성 조건 및 포자 형성 배지 개발 ●50L 발효조 배양조건 최적화(고농도의 균체 확보를 위한 최적화) - 회분식 배양에서 배지농도 조절 - 용존산소 농도에 따른 회분식 배양 조건 확립

3. 친환경 농약을 위한 식물병원성진균 제어능 및 고체형 제제의 안정성 검증 ● 농작물에 대한 친환경 농약 적합성 확인 - 화분수준에서의 포장실험 결과 방제율 50% 이상으로 친환경 농약의 가능성 확인 - 선별된 방선균 균주의 토양적응력 검증을 통해 항진균 활성을 갖는 천연물 생산을 위한 배양보다는 고농도 균체 확보를 위한 배양최적화 진행(경제적인 생산배양) - 약해시험 결과 식물체에는 해가 없음을 확인 ● 다양한 조건에서의 제형화 실시 - 사용하기 편리하고 보관이 용이한 고체형 제제로 제작하기 위해 다양한 조합으로 선별된 방선균 균주의 동결건조 제형화 실시 - 제형화한 시제품의 포장실험을 통해 식물병원성진균 제어능 검증 ● 고체형 제제의 안정성 검증 - 제제의 기간별 CFU측정 진행 중(시제품의 유효기간 선정작업 진행 중) - 제품등록을 위한 독성시험, 유해성 물질분석, 제품 원제의 이화학성 등 농촌진흥청 지정 시험기관에 의뢰하여 수행 iMAF_2020 Vol. 6

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조기성과 창출 대표성과 1. 친환경 항진균 미생물 제제 스크리닝 방선균은 대표적인 토양미생물로 다양한 생리활성물질을 생산하는 산업미생물로서, 본 연구를 통해 강력한 항진균 활성을 가진 방선균을 스크리닝하여 12종 이상의 다양한 식물 감염 진균에 테스트하여 강력한 항진균 활성을 가진 생물농약 후보 균주를 확보하여 두 건을 특허출원하였고 노하우를 기술이전 실시

2. NGS 기반의 미생물 유전체 해독 및 등록 강력한 항진균 활성을 가진 방선균 4종의 전체 유전체를 분석하여 등록을 완료하였으며, 유전체에 코딩된 다양한 천연물 생합성 유전자군들을 분석하여 항진균 생합성 유전자군을 분자수준에서 규명하여 항진균 활성물질의 구조분석 및 생합성 메커니즘 이해에 기여

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3. 실제 농작물을 이용한 화분 및 포장 실험을 통해 약해 증명 잎마름병을 일으킨 토마토를 이용한 약해 실험 결과, 방제율 50% 이상의 진균 억제효과가 있다는 사실을 규명

4. 미생물 배양 기술 및 항진균 물질 정제 배지와 배양 스케일의 최적화를 통해 미생물 제제의 상용화를 위한 균체 확보와 항진균 물질의 정제 기술 확보

3 앞으로 연구계획 4차년도(2021년) 연구내용 구분

기관명

주관연구기관

인하대학교

참여기관

한국생산기술연구원

참여기업

에스티알바이오텍

연구내용 합성 생물학 및 유전체 공학 기반의 이종숙주 발현 및 유도체 개발 사업화-실용화를 위한 배지-배양-스케일업 공정 최적화 시제품의 독성 및 안전성 조사

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조기성과 창출 4 관련 분야 동향 및 전망 국내외 연구개발/산업/시장 등 동향 및 전망 1. 국내 생물농약(일명 천연식물보호제) 등록현황(2012년 12월말 현재)에 따르면, 방선균 기반의 생물 농약으로는 (주)케이아이비씨의 방선균 2종(스트렙토마이세스고시키엔시스더블유와이이324 액제, 스트렙토마이세스콜롬비엔시스더블유와이이20 액제)이 등록되어 사용되고 있다.

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

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

3. 국 내 제품생산 및 시장 현황의 경우 방선균 스트렙토마이세스 속을 이용한 연구 및 제품들이 핵심 생물농약으로 개발되었으며, 대표적인 액제로는 (주)케이아이비씨의 스트렙토마이세스고시키엔시스 더블유와이이324 액제 및 스트렙토 마이세스콜롬비엔시스더블유와이이20 액제가 존재한다. 또한 경상대 연구진은 푸사리운 옥시스포럼(Fusarium oxysporum )을 포함하는 다양한 식물 병원균에 우수한 항진균 활성을 나타내는 스트렙토마이세스 그리시우스(Streptomyces griseus) S4-7' 균주 및 이의 배양액을 유효성분으로 함유하는 식물병 방제용 조성물을 개발하여 특허출원 하였고, 국내의 경우 2000년대, 생물농약 사용비중은 전체 농약시장의 1% 내외 수준이었지만 2010년에는 전체 농약시장의 10%(1,220억 원)를 차지했다. 현재 국내 생물농약은 약 800억 원의 시장을 형성하고 있으며, 친환경농산물 시장규모는 2009년 기준 3조 7,355억 원으로 증가하였고, 2013년에는 5조 955억 원으로 성장했다.

4. 국 외 제품생산 및 시장 현황의 경우 전 세계 생물농약 시장은 2003년 468 million US$, 2005년 672 million US$, 2011년 1,320 million US$로 연평균 약 10%의 성장을 나타냈으며, 2017년 까지 약 3,200 million US$로 연평균 15% 이상 성장하였고 2024년까지 4,000million US$의 시장을 점유할 것으로 예측된다. 2014년 기준 전 세계 작물보호제 시장 규모는 510억 달러로 추산되며 연 평균 3.6%가량 신장되고 있다. 이 중 화학농약 시장은 480억 달러로 매년 3%대의 성장세를 보인 반면 생물농약 시장은 33억 달러 규모로 아직 화학농약에 비해서는 7%가 채 되지 않지만 매년 15% 이상 신장하며 가파른 성장세를 보인다. 이뿐만 아니라 세계 생물농약 시장은

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2005년 전체 농약시장의 약 2.5% 수준에 머물렀지만, 최근 연평균 증가율이 9.9%로 계속해서 고성장세를 기록하고 있다. 전 세계 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 Affirm 등 다양한 방선균 유래 생물농약이 생산 및 판매 중이다.

개발기술의 산업화 방향 및 기대효과 1. 본 연구를 통해 개발하고자 하는 제품은 방선균으로부터 생산되는 heptaene구조의 폴리엔을 이용한 생물농약이다. 본 제품은 화학농약보다 친환경적이며, 기존 토양유래 방선균으로부터 개발되므로 부작용이 적다.

2. 1992년 리우 국제환경회의에서 전 세계 농약의 20%를 생물농약으로 대체하자고 결의하였고, 이후 지속적으로 화학농약에 대한 규제와 생물농약으로 대체 필요성이 증가함에 따라 지속적인 수요가 있을 것으로 예상된다.

3. 궁극적으로는 다양한 제형화 기술과 활성을 높이는 기술을 바탕으로 하여 실험실 스케일에서 사용되는 농약이 아닌 현장에서 사용되기에 적합한 제품을 출시하여 화학농약을 대체 가능한 생물농약으로 등록 및 사업화를 추진할 계획이다.

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조기성과 창출

작물 미생물 제제

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

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 안동대학교

주관연구책임자

전용호 교수 안동대학교 임상식물병리실 연구실

연구목표 NGS 기반 유전체 기술을 활용하여 사과 주요 병해 방제 및 고추의 생육촉진 친환경 미생물제제 개발

연구내용 - 사과 병해 및 고추 생육 촉진 미생물 4종의 특성 구명 - 유용미생물의 유전체 분석을 통한 기능성 및 효능 검증 - 사과탄저병 및 고추탄저병에 대한 포장 실증 시험 - 박과작물 흰가루병에 대한 적용 시험 - 생물적 제제 공정시 표현형 변이에 대한 메커니즘 연구 94 |

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협동연구기관 고려바이오(주)

협동연구책임자

윤여준 팀장 고려바이오(주) 연구팀

연구목표 효과가 검증된 유용미생물을 이용한 미생물제 개발 및 제품화

연구내용 - 유용미생물의 미생물제 최적화 조건 설정 - 제제화 및 시제품 제조 - 제품화를 위한 공인기관 시험 - 시제품의 농가실증시험

2 연구결과 및 주요성과 1. 전략미생물 유전체 해독 및 비교유전체 연구

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조기성과 창출 유용미생물 Bacillus velezensis AK-0와 게놈 유사성이 높은 20개 strains의 게놈 정보를 비교하여 AK-0의 위치 및 특성을 분석하였다.

2. 생물학적 방제 미생물의 표현형 변이기작 연구 유용미생물 Paenibacillus polymyxa E681의 두 가지 타입 및 CP000154 게놈과의 비교유전체 분석을 실시하여, 타입 간 차이를 나타내는 유전자를 확인하였다.

3. 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.

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배양액 현미경 관찰

7ℓ jar fermenter

250ℓ fermenter

4. 시제품을 이용한 작물별 생장촉진 효과검증 시제품의 병해예방 및 방제 효과 이외 식물생장촉진 효과를 확인하기 위하여 토마토, 고추, 배추, 상추 유묘에 시험을 진행하였다. 시제품 500배 희석액을 1주일 간격으로 3회 관주 처리한 결과, 과채류인 토마토와 고추는 무처리구 대비 지상부생체중 및 초장이 증대되었으며, 엽채류인 배추와 상추는 진행 중이다.

5. 시제품의 농가실증시험 시제품 2종(탄저킬, 세라탄)의 고추 탄저병, 오이흰가루병에 대한 예방 및 방제를 위한 농가처리방법 최적화를 위해 처리구별로 처리주기, 처리횟수, 처리농도, 처리방법을 달리하여 농가실증시험을 진행하였다. 시험결과 시제품의 고추 탄저병에 대한 방제효과와 경제성을 고려할 때, 생육초기 7일 간격 2회 500배 희석 관주처리 + 발생초기 5일 간격 2회 500배 희석 경엽처리를 최적처리방법으로 결정하였다.

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조기성과 창출 ● 고추탄저병 방제 시험

무처리구

탄저킬

세라탄

● 오이 흰가루병 방제 시험

좌:무처리구

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우: 세라탄

무처리구

세라탄

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6. 제품화를 위한 공인기관시험 시제품 1종은 병해관리용 유기농업자재 공시가 완료되었으며(상표명 : 탄저킬 / 공시-2-4-167), 시제품 1종은 공인기관시험이 10월중 완료예정(미생물시험, 약해시험, 안전성시험)이며 올해 11월 유기농업자재 공시 완료 예정이다(상표명 : 세라탄).

7. 제품화 및 사업화를 위한 연구 고추 탄저병에 대한 경쟁제품군과의 비교평가를 실시하였으며, 유사한 미생물을 유효성분으로 하는 경쟁제품군보다는 시제품(탄저킬)이 상대적으로 우수한 효과를 보였으며, 최근 다양한 살균효과로 각광받고 있는 황을 유효성분으로 하는 유기농업자재와 비교평가 결과, 시제품(탄저킬)은 미생물을 유효성분으로 하는 유기농업자재임에도 불구하고 충분한 경쟁력이 있음을 확인하였다.

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조기성과 창출 대표성과 - 유기농업자재 (공시-2-4-167호: 병해관리용 유기농업자재) 출시(상품명: 탄저킬) - Molecular changes associated with spontaneous phenotypic variation of Paenibacillus

polymyxa , a commonly used biocontrol agent, and temperature- dependent control of variation. Scientific Reports (in Press)

3 앞으로 연구계획 1~2년차에 효능이 검증된 유용미생물 중 Bacillus velezensis AK-0 균주는 공시가 완료되어 탄저킬이라는 상표명으로 제품출시를 한 상태이며, Serratia plymuthica GYUN-8 균주는 포장 실증시험이 완료되어 공시 진행 중이며 연말에 제품이 출시될 것이다. 두 개의 제품이 농가현장에 출시되어 농민들의 기대에 부응하는 친환경미생물제로 인정을 받을 것으로 판단된다. 두 제품의 확대적용을 위해 시설재배 작물에 문제되는 병해에 대해 추가 적용을 진행한다. 또한 효능에 대해 연구가 진행된 2개의 균주에 대해 안전성 평가를 통한 공시 착수 및 제품개발을 진행하려고 한다. 특히 4차년도에는 개발된 제품의 상호 보완을 위해 처리를 다양하게 하여 혼용 및 교호살포, 관주 및 경엽 살포 체계를 확립하여 작물별 미생물제제 방제체계를 구축하고자 한다.

4 관련 분야 동향 및 전망 생물학적 방제 시도는 2000년대 전에는 미미하였으나 최근 미국을 비롯한 외국에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 과수의 병 발생은 다른 곡류나 채소에 비해 농약 의존도가 높다. 최근 유기농 사과를 비롯한 무농약 사과의 수요가 많아짐에 따라 생물학적 방제의 필요성이 대두되고 있다. 또한 연용 및 남용으로 인한 약제 저항성균의 출현은 농약 사용에 의존하는 관행의 사과 병 방제에 어려움이 나타나고 있다. 그러므로 미생물제제를 혼용하거나 교차살포 하는 방법으로 기존 병 방제 체계를 개선할 필요가 있다. 우리나라에도 그동안 발생하지 않았던 화상병이 발생하여 일부 과수원이 폐기/폐원하고 있으며 사과 주산지인 경북지역을 위협하고 있는 실정이다. 개화기를 전후하여 농용 항생제를 살포하는 농가가 늘어나고 있다. 농업 현장에서 항생제의 사용은 이미 알려져 있듯이 국제적인 규제 및 항생제 내성균의 출현 등의 제약이 있다. 이런 이유에서 미생물제가 그 대안이라고 할 수 있다. 고추와 오이를 비롯한 시설재배지에서 미생물을 처리함으로써 생장촉진, 병 저항성의

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증대를 불러올 수 있다. PGPR균과 항균활성미생물을 혼합하여 처리함으로써 근권 및 엽권에서의 경쟁력 우점, 병원균의 생장 억제, 생육촉진, 저항성 등이 유도되어 작물의 생육을 돕게 된다. 한편, 현재까지의 생물학적 방제균의 특성연구는 대부분 실험실과 같은 좋은 조건에서 이루어진 경우가 대다수인 반면, 실제 자연환경은 매우 다이내믹하다. 식물생장촉진근권세균이 적용될 자연환경은 다양한 병원균이 혼재해 있는 상황, 때로는 가뭄이나 저온, 고온과 같은 환경스트레스 상황 등이 될 수 있다. 따라서 이러한 상황에서의 특성연구가 필요하며, 이러한 다양한 환경조건이 식물-미생물의 상호관계에 어떠한 영향을 미치는지 확인할 필요가 있다. 궁극적으로 미생물의 변이에 관한 연구, 유용미생물-식물체-병해충 간의 상호작용의 이해 및 이와 더불어 다양한 환경변화, 즉 여러 스트레스 조건하에서의 상호작용을 연구하는 것이 매우 중요하다. 국내의 경우 최근 화두가 되고 있는 모든 농산물에 대한 PLS(Positive List System)의 2019년 전면시행을 통해 친환경농가뿐만 아니라 관행농가에서도 친환경 작물보호제에 대한 관심이 급증하고 있으며 현장에서도 이와 관련된 제품 시장이 확대되고 있다. 국내 미생물농약 시장도 2020년에는 전체 농약시장의 10% 규모인 2,000억 원 정도에 이를 것으로 예상되어 연구에 박차를 가해야 할 것이다.

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연구역량 강화

참조유전체 농식품 미생물 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 경북대학교

주관연구책임자

신재호 교수 경북대학교 세균 유전체 및 생물정보 분석 연구실

공동연구기관 고려대학교

공동연구책임자

이하나 교수 고려대학교 세균 유전체 및 생물정보 분석 연구실

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

연구내용 - 농·식품 유용 세균의 참조유전체 생산 • 농업현장 및 발효식품 유래의 유용 세균뿐만 아니라 수요자가 의뢰한 주요 균주 및 산업 균주를 대상으로 세균 유전체 분석진행 • PacBio RSII와 PacBio Sequel, Sequel II, Illumina, Ion Torrent 등 각종 유전체 해독 장비를 테스트하고 비교함으로써 향후 유전체 분석에 관련한 학술 및 산업체 노하우 획득 기여 • 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 세균 유전체를 통합한 웹기반 DB 구축 •산업화 및 실용화를 위한 유용 유전자 검색 기능 제공

제1협동 연구기관 숭실대학교

제1협동 연구책임자

서정아 교수 숭실대학교 사상성진균 유전체 및 생물정보 분석 연구실

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연구역량 강화 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 연구실

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

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

•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 웹 기반의 DB 구축 및 운영

2 연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 경북대학교 농·식품 유용 참조유전체 분석 대상 세균선정 및 유전체 분석 - 2020년 현재까지 총 100여 건 이상의 농식품 유용 세균의 참조유전체를 완전해독 완료하였으며, 50여 건 이상의 참조유전체(contig 수준) 성과 확보 - 농업현장 및 발효식품 유래의 유용 세균뿐만 아니라 수요자가 의뢰한 주요 균주 및 산업균주를 대상으로 세균 유전체 분석 완료 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 Browse를 개설하고 운용 중이며, 정보 활용을 위한 웹 기반 데이터베이스인 amg.knu.ac.kr의 개설을 4차년도 중반 오픈을 목표로 준비중이다.

참조유전체의 자원화를 위한 분석도구들이 탑재된 데이터베이스 구축

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연구역량 강화 미생물 유전체 분석을 기반으로 한 산업미생물 연구 - 확보한 농식품 유용 미생물의 참조유전체를 기반으로 근연종과의 비교유전체 분석을 실시하고, 농식품 유용 유전자원을 발굴하고 그의 기능적 특성 검증 - 살충성 농업 유용미생물, Beauveria bassiana KNU101을 발굴하고, 11,319천 원 + 매출 3%의 기술이전을 진행, 현재 ㈜이지에서 ‘총채프리’ 제품으로 판매 중이다.

- 기주 특이성이 있는 살충성 농업 유용미생물, Bacillus thuringiensis KNU25, KNU26를 발굴, 기존의 Beauveria bassiana KNU101과 함께 친환경 미생물 살충제 포트폴리오를 구축하였으며, 기술이전을 협의 중이다.

제1협동 연구기관 : 숭실대학교 전통 발효식품 유래 진균 자원 중 유용물질 생성능이 우수한 균주 선발 - 1협동기관에서 보유하고 있는 1,100개 이상의 발효식품 유래 진균 중 유용효소(protease) 활성능이 높은 Aspergillus niger 균주를 대상 그룹으로 선정하였다. ATCC, NRRL, CBS 등 미생물 보존기관으로부터 표준 균주 및 상용화 균주를 분양하여 효소 활성능(a-Amylase, glucoamylase, protease, cellulase) 및 2차 대사산물 생성능(citric acid, oxalic acid)의 평가 수행 중이다. 농·식품 유용 사상성진균 참조유전체 분석 대상 균주 선정, 유전체 해독 및 분석 - 국내 전통발효식품 유래의 protease 활성(단백질 분해능) 균주로 확인된 Aspergillus niger 2 균주를 PacBio sequel 방법으로 해독 후 분석 수행 중이다.

제2협동 연구기관 : 중앙대학교 전통 효모 유전체 및 오믹스 분석 정보 기반 농식품 유용유전자 발굴 및 활용 기술 - 신규 유전자(전분분해 효소, 단백질 분해 및 향미 관련 대사산물 생합성 효소)의 기능 검증 연구를 수행하여 여러 아세테이트 에스테르 성분들의 생합성에 관여하여 주류의 향을 증가시키는 기능을 지닌 신규 유전자 발굴하고 이를 활용하는 기술에 관한 지적재산권 확보(국내특허 등록 102090790, 등록일 2020년 3월 12일). 유전체 비교 분석을 통한 고기능 효모 종균 활용 기술 - 표준 균주와는 유전체 구성이 상이하여 신규 균주로서 검증이 된 전통 장류 유래의 호염성 및

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향미가 우수한 데바리오마이세스 한세니 KD2 균주가 면역 억제사이토카인 분비능도 뛰어남을 규명하여 향미가 증진된 장류 발효 종균 및 새로운 프로바이오틱 효모로서 개발될 수 있는 가능성을 제시하고 지식재산권 확보(국내특허 출원 10-2019-0040101)

3 앞으로 연구계획 4차년도 연구 추진 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

제1협동 연구기관: 숭실대학교 - 표준균주의 참조유전체 기반으로 근연균주 간 비교유전체 분석 기반 마련 사람의 장내 환경에서 유래한 세균 36종 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 - 전통장류/식품산업 현장 유래 효모 참조유전체 완성(3종 이상) •염색체 수준 조립(5종) → NABIC 등록 5종 •Telomere 서열 포함 완장 유전체 조립(3종) → GenBank 등록 - 신규 유용유전자 기능 분석(10건 이상) 및 활용 원천기술 개발 •신규 유용 향미 유전자의 생합성 기능 및 발현 위치 검증, qRT-PCR 기반 발현 양상 분석 •신규 목질계 분해 효소 유전자 발굴 및 기능 검증 - 효모 유전체 정보 공유 및 검색 기능 DB 구축 •JAVA 활용 여러 균주를 동시에 검색할 수 있는 옵션 개발 •전통 발효식품 유래 효모 유전체 추가 확장

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연구역량 강화 4 관련 분야 동향 및 전망 미생물 참조 유전체의 가치와 microbiome 연구 전망 - 대규모 참조유전체 데이터베이스 구축과 마이크로바이옴 프로젝트는 현재 대부분 정부 및 기관 주도로 이루어지고 있으나, 마이크로바이옴 연구가 글로벌 트렌드로 떠오르며 메타유전체 및 참조유전체 정보의 자원화가 가능해 지면서 민간 차원의 데이터베이스 구축에 대한 투자도 증대될 것으로 예상된다.

- 바이오 관련 기업들은 물론 인공지능(AI) 기술을 활용한 빅데이터 분석에 특화된 기업체들도 마이크로바이옴 연구에 관심을 보이고 있으며, 이 경우 특히 마이크로바이옴 정보의 데이터베이스화 및 분석 기술 진보에 자본을 투자할 것으로 전망된다.

- 다수의 대형 마이크로바이옴 프로젝트들이 참조유전체 정보 분석 및 미생물 실물자원을 확보하는 마이크로바이옴 뱅킹을 병행하며 수행되고 있으며, 복잡한 전 메타유전체 분석 기술도 마이크로바이옴 참조유전체 정보 축적과 서열정보에서 독립된 유전체 정보를 조립하는 MAG(metagenome assembly genome) 기술의 발전으로 향상되고 있다.

- 체계적인 마이크로바이옴 프로젝트 운용으로 strain-수준의 유용 미생물 정보 도출과 실물자원 확보가 가능해짐으로써 미생물 질환치료제와 친환경 농업을 위한 합성마이크로바이옴 제제 개발 등, 마이크로바이옴 연구들의 실용화 가능성이 크게 증대되고 있다.

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연구역량 강화

메타유전체 농식품 소재 미생물 군집, 메타유전체 및 메타대사체 정보 분석

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 경희대학교

주관연구책임자

배진우 교수 경희대학교 미생물생태학 연구실

연구목표 - 경제동물 장내 미생물 및 농식품 환경 미생물의 메타유전체 및 메타볼롬 분석, 미생물 자원 발굴 및 유전자원 데이터베이스 구축 - 전통발효식품의 발효과정에 따른 세균 및 바이러스 군집변화 비교분석

연구내용 - 메타유전체/메타볼롬 분석을 통해 얻은 정보를 바탕으로 경제동물의 유용미생물 후보 발굴 - 식품의 발효과정에 따른 세균 및 바이러스 군집 다양성과 변화 비교분석 - 대변무리이식(fecal microbiota transplantation)을 통한 송아지 설사 완화 연구 iMAF_2020 Vol. 6

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연구역량 강화 위탁연구기관 중앙대학교

위탁연구책임자

전체옥 교수 중앙대학교 환경미생물학 연구실

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

연구내용 - 생물정보학적 분석방법을 이용하여 대용량 유전자 발굴(high throughput gene mining) 파이프라인을 구축하고 구축된 파이프라인을 이용하여 고성능·고효율의 유용 효소를 발굴 - 숙주 시스템에서의 효소 발현 조건과 효소 활성 최적화 및 개발 효소의 대량 생산 및 산업 적용 기술 개발 제1협동 연구기관 건국대학교

제1협동 연구책임자

이충환 교수 건국대학교 기능대사체 연구실

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연구목표 - 메타메타볼로믹스 기반 농축산식품 분야 미생물 자원의 대사체 분석을 통한 기능성 대사산물 발굴 및 유용 미생물 자원 탐색 - 메타대사체-유전체 상관관계 분석을 통한 통합 대사 경로 규명

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 - 메타대사체-유전체 통합 해석 연구를 통한 미생물 상호작용의 신호 전달 핵심 인자 발굴 및 대사경로 확립 제2협동 연구기관 연세대학교

제2협동 연구책임자

공동연구책임자

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 - 미생물 연구개발 네트워크를 활용한 메타유전체 연구 협력 및 정보 분석 지원

연구내용 - 메타유전체 분석 기반의 핵심 미생물 군집 및 개별 균주의 환경 내 역할 분석 - 새로운 분석 대상 향토 발효음식 선정과 표본 수집 및 선정 향토 발효음식의 마이크로바이옴 분석 - 사업단 내외 연구 네트워크를 활용한 연구 협력 및 분석 연구 지원 iMAF_2020 Vol. 6

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연구역량 강화 2 연구결과 및 주요성과 1. 전통발효식품의 발효과정에 따른 세균 군집변화 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. 본 연구에서는 발효 단계별 세균 및 바이러스 군집 분석을 위한 시료로서, 전통발효식품인 배추김치를 선정하고 메타지노믹스 기법을 이용하여 세균의 군집을 분석하였고, 이 결과는 추후 바이러스 군집과의 상호관계 규명과 식품의 발효과정에 미치는 영향을 평가하기 위한 자료가 될 것이다.

2. 대변무리이식을 통한 송아지 설사 완화 연구 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 규명하였다. 또한 건강한 송아지의 분변을 채집하여 설사 증세 송아지에게 이식시켜 줌으로써 설사 증세 완화 효과를 제시하였다. 이 과정에서 분변 공여 송아지의 선별조건을 확립하여 효과적인 대변무리이식을 위한 기초지식을 획득하였다.

3. 식품 및 농업 미생물 연구 미생물-식물, 미생물-미생물의 상호작용을 이해하기 위해 microbial community 또는 metagenome-assembled genome(MAG) 데이터를 활용한 근권 마이크로바이옴 분석을 수행 중이다. 작물 근권 핵심 미생물을 수집하고, 토마토 풋마름병 저항성 근권 세균 culture collection을 제작하였으며, 병저항성 기여 균주와 식물 병원성 균주의 전사체 분석을 수행하여 미생물-기주 상호작용에 관여할 것으로 예상되는 유전자들을 분석하였다. 향토발효식품 메타유전체 분석을 통해 조기젓갈에서 분리, 배양한 우점 세균 종들에 대해 유전체를 분석하는 한편, 기능성 유전자 발굴 연구를 진행 중이다.

4. 메타메타볼로믹스 기법을 활용한 농축산식품 유래 미생물 특성 규명 본 연구팀은 fungi와 bacteria의 상호작용 해석 연구를 위하여, 농축산식품 분야 유용 미생물자원인 Aspergillus oryzae 와 Bacillus amyloliquefaciens 의 co-culture의

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marker로 선정된 surfactin, oxylipin 등의 대사체와 미생물 간의 상관관계 분석 및 기능 규명 연구를 수행하였으며, 앞선 결과를 바탕으로 식품환경(곡자) 내에서 연구를 수행 중이다. 또한,

Aspergillus oryzae 의 배양 환경(고체 & 액체)별 metabolome 및 transcriptome 분석을 기반으로 하여 in silico 모델 확립 및 대사경로 네트워크 구축 및 기작 규명 연구를 수행 중이다.

5. 대용량 유전자 발굴(high throughput gene mining) 파이프라인 구축 단백질 데이터베이스(NCBI, Uniprot) 및 다양한 환경 내 메타지놈(metagenome) 내 단백질 데이터를 통합하고 이를 바탕으로 유용 단백질을 발굴하기 위한 생물정보학적 파이프라인을 구축하였다. 구축된 파이프라인을 통해 발굴 대상 단백질 사이의 유사도, 도메인정보, 효소활성부위 서열 정보, 미생물 및 환경에 대한 정보를 통합적으로 얻을 수 있다. 본 파이프라인을 이용하여 고기능성·고효율의 효소단백질 탐색을 효과적으로 수행할 수 있다.

3 앞으로 연구계획 1. 메타오믹스 기반 농식품 소재 마이크로바이옴 연구 - 메 타지노믹스 기반 식품의 발효과정에 따른 세균 및 바이러스 군집의 다양성과 변화를 비교분석하여 세균과 바이러스의 상호관계를 규명하고 식품의 발효과정에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

- 성체 거세한우의 육질향상 및 송아지 설사 개선 후보 미생물을 분리/동정하여 banking 기술에 활용될 수 있도록 기초자료를 확보하고 거세한우의 육질향상에 기여하는 후보 미생물을 분리/ 동정하여 지식재산권을 확보할 계획이다.

2. 식품 및 농업 미생물 연구 - 오믹스 데이터를 기반으로 작물-미생물 상호작용을 이해하며 식물 병저항성과 관련된 미생물의 기능적 역할을 파악하여 메타유전체 정보 및 오믹스를 활용한 유용 미생물 연구 기반을 다질 계획이다. 전통 발효식품 메타유전체 분석 및 미생물 자원의 지속적인 수집을 통해 미생물 유래 기능성 소재를 발굴하여 토종 미생물 자원의 활용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 사업단의 연구개발 네트워크 기반의 연구 협력을 통한 여러 농식품 환경에서의

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연구역량 강화 마이크로바이옴 기능 분석 및 메타유전체를 활용한 효율적인 유용 미생물 자원 발굴 연구에 기여하고자 한다.

3. 메타메타볼로믹 기법을 활용한 농축산식품 유래 미생물 특성 규명 - 메타메타볼로믹스 기법을 활용한 환경변화(산화스트레스, CO2 조절)에 따른 농축산식품 유래 미생물의 대사 메커니즘 및 발효 대사 유용물질을 규명하고자 한다. 통합적인 메타오믹스 기반으로 대사경로 구축을 통해 해석 시스템 확립을 통해 환경변화에 따른 핵심 대사를 예측하고자 한다. 또한, 메타메타볼롬 해석을 통해서 밝혀낸 미생물들의 co-culture의 marker로 선정된 대사체와 미생물의 상호작용 분석을 식품환경(곡자) 내에서 진행하여 기능성 대사물질 미생물 상호작용 대사 네트워크를 확립하고, 농축산식품 자원의 메타오믹스 기반 총체적 상관관계 규명을 통해 지표 물질 규명 및 발효 최적화를 진행하고자 한다.

4. 유전자 발현 숙주 시스템에서의 발현 조건 최적화 및 최적 효소 활성 분석 - 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 계획이다.

- 고성능·고효율을 갖는 개발 효소의 산업적 이용을 위하여 숙주의 배양 조건 및 숙주로부터의 효소 생산과정 최적화를 통해 대량 생산이 가능한 조건과 기술을 확립하고자 한다.

4 관련 분야 동향 및 전망 - 인체 건강을 위한 의학적 연구 분야에서는 물론이고, 작물 생육, 환경적 스트레스 및 질병 극복, 고부가가치 미생물 자원 발굴, 안전한 먹거리 등을 목표로 다양한 미생물학적 연구 적용 분야에서 이루어지고 있다. 글로벌 기업들의 마이크로바이옴에 대한 관심과 제품 개발로 시장 규모 또한 더욱 성장할 것으로 전망되고 있으며, 마이크로바이옴을 통한 기후변화, 질병 등 인류가 겪고 있는 여러가지 난제들을 해결하기 위한 중요한 단서들을 제공할 것으로 기대된다.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 농축산식품 분야 미생물 자원의 메타메타볼롬(메타대사체-유전체) 분석 연구를 통한 환경 조건 및 발효 관련 지표물질, 핵심대사 발굴 및 분석기술 시스템 구축을 통하여 농축산식품 내 고부가가치 미생물 자원 소재 개발 및 발효 최적화를 도모하고자 한다.

- 최근 국외에서는 대용량의 효소에서 유용 효소를 빠르게 스크리닝하는 고속 다중 스크리닝법 (High-Throughput screening; HTS)의 자동화를 통하여 유용 효소의 발굴이 늘어나는 추세에 있지만 세계 산업용 효소 시장의 80% 이상을 Novozymes사(덴마크), Dufont사(미국), DSM(네덜란드)가 독과점 점유하고 있다. 국내 효소 시장의 규모는 매년 성장하는 추세를 보이고 있지만, 국내 산업용 효소 중 약 95%는 다국적 기업으로부터 생산된 것을 수입하여 이용하고 있으며, 국내 효소 이용 산업에서 수입 효소에 대한 의존도가 상당히 높은 실정이다.

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연구역량 강화

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

1 연구목표 및 내용 본 연구진은 1단계 미생물유전체전략연구사업의 연구에서 진행된 연구 결과를 바탕으로 구축된 대용량 기능유전체 진균 변이균주 라이브러리와, 전장유전체 분석 결과를 통해 선별된 농·식품 유용 미생물로 생각되는 세균 및 진균을 대상으로 유전체, 전사체, 단백체 및 표현형질체를 포함한 다중오믹스 분석을 활용하여 유전자 기능 네트워크 맵을 통합적으로 규명하고 제어하는 기술을 개발하고자 한다. 이를 통해 농·식품 유용미생물 유래의 유용 유전자원을 발굴하고, 가치제고화는 물론 도출될 데이터베이스, 다중오믹스 분석 인프라 및 가치 제고화 플랫폼 기술을 사업단 내의 타 과제팀과 공유하여 기술의 사업화와 실용화를 통해 본 사업단의 연구역량 강화에 기여하고자 한다.

주관연구기관 연세대학교

주관연구책임자

반용선 교수 연세대학교 미생물생명공학 연구실

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연구목표 및 내용 연세대학교(제1세부, 단위과제책임) 반용선 교수 연구팀에서는 농·식품 유용 주요 미생물 중에서 뇌수막염을 일으키는 동물 병원성 진균 크립토코쿠스 네오포만스(Cryptococcus neoformans)에 대한 연구를 진행하고 있다. 이번 연구에서는 1단계 연구를 통해 구축한 뇌수막염진균(C.

neoformans)의 인산화효소/탈인산화효소/전사인자 유전자 결손변이체 라이브러리를 활용하여 다중오믹스 기능유전체 분석을 진행하여 통합적인 신호전달 네트워크를 규명하고, 농축산식품 분야에 활용 가능한 유용 유전자를 발굴하여 관련 소재를 개발하는 것을 목표로 한다.

제1위탁 연구기관 서울대학교

제1위탁 연구책임자

손호경 교수 서울대학교 식물병생리학 연구실

연구목표 및 내용 서울대학교(제1위탁) 손호경 교수 연구팀에서는 농·식품 유용 주요 미생물 중에서 식물 병원성 진균인 붉은곰팡이(Fusarium graminearum )에 대한 연구를 진행 중이다. 손호경 교수 연구팀은 1단계 연구를 통하여 식물 병원성 모델 진균에서 병원성과 스트레스반응을 조절하는 유전자를 다량 발굴하였고, 이번 연구에서는 발굴된 유전자를 활용하여 식물 병원성 핵심 유전자의 기능분석과 단백질 상호작용체 연구를 진행함으로써 식물 병원성 진균의 스트레스 반응과 병원성을 조절하는 통합적인 신호전달 네트워크를 규명하고자 한다.

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연구역량 강화 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. 1단계 연구에서 확보할 수 있었던 농·식품 유용 세균에 대한 전장유전체 분석 자료를 바탕으로 핵심 유용 미생물을 발굴하였으며, 이에 대한 다중오믹스 분석 및 유전자 기능 네트워크 분석, 유용 유전자원 발굴을 진행하고 있다. 발굴한 유전자원을 활용하여 미생물의 적응진화기작을 규명하고, 고온성 플랫폼 균주로 활용이 가능할 것으로 생각되는 후보 미생물의 내열성 결정인자 및 천연 희귀당 생산 및 전환을 위한 필수 유전자 등 산업적으로 적용 가능한 핵심적인 유용유전자 및 조절 네트워크를 발굴하는 것을 목표로 한다.

제2위탁 연구기관 건국대학교

제2위탁 연구책임자

윤성호 교수 건국대학교 시스템생물학 연구실

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

연구목표 및 내용 건국대학교(제2위탁) 윤성호 교수 연구팀에서는 제2세부에서 선정한 유용 세균을 대상으로 하여 다중오믹스 분석, 미생물 세포 공정 및 대사회로 재설계를 통해 균주 개선 및 단백질 생산에 관한 연구를 진행하고 있다. 1단계 사업에서 확보할 수 있었던 농·식품 유용 세균의 전장유전체 정보와 다중오믹스 데이터베이스를 기반으로 하여 초고속 미생물 스크리닝 플랫폼 기술의 산업화와 대사네트워크 맵 구축 및 미생물의 최적화된 배양조건 확립을 위한 연구를 진행하고 있다.

제3세부 연구기관 연세대학교

제3세부 연구책임자

조현수 교수 연세대학교 구조 생물학 연구실

연구목표 및 내용 연세대학교(제3세부) 조현수 교수 연구팀에서는 단백질의 구조 분석을 활용하여 단백질의 기능적인 특성을 밝혀내는 연구를 진행 중이다. 1단계 사업을 통해 발굴한 항진균제 표적 단백질의 구조 규명을 통하여 동식물 병원성 진균제어 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있고, 농·식품 유용 세균의 다중오믹스 분석을 통해 발굴된 유용 단백질의 구조를 규명하는 연구를 진행하고 있다. 또한 다중오믹스 플랫폼 기술을 통하여 사업단 내의 타 과제에서 발굴된 유용 유전자원의 가치제고화 및 원천 기술을 제공하는 것을 목표로 한다.

2 연구결과 및 주요성과 연구결과 본 연구는 1단계 미생물유전체전략연구사업의 연구를 통해 구축한 대용량 진균 변이균주 iMAF_2020 Vol. 6

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연구역량 강화 라이브러리와 전장유전체 분석을 기반으로 선별된 농·식품 유용 진균 및 세균을 대상으로 하여 다중오믹스 분석을 통한 통합적인 유전자 기능 네트워크 맵 규명을 위해 총 3개의 세부과제와 2개의 위탁과제를 구성하여 아래와 같이 과제별 연구 목표 및 내용을 수행하고 있다.

주관연구기관 : 연세대학교 동물병원성 진균 Cryptococcus neoformans 의 뇌 감염에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 전사인자 중 하나인 Hob1의 숙주 모방 환경에서의 전사체 비교분석과 ChIP(chromatine immunoprecipitation) assay를 통해 하위신호전달인자를 발굴하고 있다. 더 나아가 진균 병원성 조절 유용 유전자인 전사인자 Hap2의 하위신호전달인자 발굴을 위해 ChIP assay를 수행하였다. 또한 단백체 분석 기술을 사용하여 항진균제의 유력한 타깃 후보인 Cka1이 이루는 CK2 복합체의 단백질간 상호 작용을 규명하였다. 또한 식물병원성 진균인 Fusarium graminearum 에서 유성분화와 병원성을 조절하는 것으로 알려진 WD40 유전자를 동물 병원성 진균인

C. neoformans 에서 상동유전자 동정을 사용하여 발굴하였으며, 해당 유전자의 기능 연구를 위하여 8개의 유전자에 대한 결손변이체를 제작하였으며 현재 형질 변환을 관찰하고 있다. 발굴된 주요 인산화/탈인산화효소 및 전사인자 관련 유용 유전자의 타 주요 동식물 병원성 진균에서의 기능 분석을 위하여, 동물 병원성 진균인 Candida auris내의 cAMP 신호전달체계의 역할을 규명하기 위해 CRISPR-Cas9 시스템을 활용하여 결손변이체를 제작하였다. 제작된 결손변이체를 대상으로 한 표현형질 변화를 확인하였으며, 현재 유전자가 회복된 균주를 제작하여 결손변이체의 형질 변환을 복원하는 실험을 진행 중이다. 또한 동물병원성 유용 진균 유전자 조절물질 스크리닝을 인산화효소 저해제 라이브러리를 사용하여 진행하였으며, 이를 통해 진균의 병원성을 조절하는 물질의 타깃 단백질을 발굴하는 실험을 진행하고 있다. 특히 1단계 사업에서 구축한 유질성 호모 Cryptococcus curvatus 의 유전체 정보 및 유전자 조작 기술을 활용하여 바이오매스 유용 생산 진균을 개발하기 위해 Triacylglycerol(TAG) 합성 및 분해에 관련된 것으로 예측되는 유전자의 과발현 균주를 제작하였으며, TAG생산능력과 배출량을 측정하였다.

제1위탁 연구기관 : 서울대학교 식물병원성 모델 진균에서 발견한 핵심 유전자를 활용하여 다중오믹스 기반 기능유전학 연구를 진행하고 있다. 주요 식물 병원성 진균인 F. graminearum에서의 단백질 상호작용체 연구를 위해 주요 WD40 유전자 결손변이체 17주 중 4주에 대한 유전적 복원을 완료하였으며, 총 13주에 대한 형질 복원을 완료하였다. 이 식물 병원성 진균의 후속 단백질체 연구를 위해 면역침강법을 사용하여

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2개의 WD40단백질인 FgWD043, FgWD101에 대한 Western blot 분석을 완료하였으며, 과발현체를 제작 중에 있다. 더 나아가 붉은곰팡이의 병원성 및 유성생식발달에 중요한 전사인자인 Fpo1에 대한 다중오믹스 연구를 통한 기능유전학적인 연구를 수행하였으며, 주요 동물병원성 진균인

C. neoformans 에서 밝혀진 병원성 관련 핵심 탈인산화효소 중 식물병원성 모델 진균인 붉은곰팡이에서 연구되지 않았던 8개의 유전자를 발굴하였고, 결손변이체를 제작하는 실험을 진행 중이다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 유전자 조작 및 유전체 편집기술을 활용하여 고온성 바실러스 플랫폼 세포 개발을 진행하고 있다. 또한 초고온성 바이오매스 분해균주의 유전자 조작 기술 구축을 위해 RM system 분석을 진행하였으며, 6종의 MTase를 확보하여 대장균 PAM host 및 vector 제작을 완료하였다. 그리고 1단계 연구를 통해 확보할 수 있었던 비교유전체 분석을 활용하여 영양요구성 플랫폼 호스트 개발을 완료하였으며, 이를 이용한 희귀당 전환효소의 라이브러리 플랫폼 호스트를 이용한 4종의 돌연변이체를 확보하여 균주의 타가토스 영양요구성 기작연구를 완료하였다. 또한 다중오믹스 분석을 통해 난분해성 protein biomass 분해 균주의 분해기작을 분석하였다. 이를 통해 선별할 수 있었던 폐단백질 분해 가수분해효소 유용유전자 M38 beta aspartyl peptidase의 효소 기능을 규명할 수 있었다.

제2위탁 연구기관 : 건국대학교 본 연구에서 확보된 전사체 데이터를 활용하여 고온, 삼투압, pH, 재조합 단백질 과발현 조건하에서 대장균의 유전자 조절 네트워크를 규명하였으며, 전사체 데이터 및 시스템 모델링을 통해 대장균 내에서의 스트레스 저항성과 관련된 대사작용과 이를 조절하는 조절인자인 capsule cluster gene 2종을 발굴할 수 있었다. 또한 전사체 데이터 프로파일링을 통해 주요 동물병원성 진균인

C. neoformans 의 유전자조절 네트워크를 구성하고 분석하는 방법을 정립하였다.

제3세부 연구기관 : 연세대학교 1단계 사업을 통해 발굴한 항진균제 표적 단백질의 규조 규명을 진행하고, 이를 활용하여 동식물 병원성 진균제어 기술을 개발하는 연구를 진행하고 있다. X-ray회절법을 사용하여 동물병원성 모델 진균 C. neoformans 의 탈인산화효소 Yvh1의 구조를 규명하였으며, Homo sapience 유래의 DUSP12를 Cα를 기준으로 하여 전체 구조를 비교하는 실험을 진행하였다. 그리고 F. islandicum AW-1 유래의 isulinase family protein M16 단백질의 결정화 스크리닝을 위해 AW-1을 이용하여

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연구역량 강화 깃털 단백질의 분해 산물을 질량분석기를 사용하여 아미노산 서열을 분석하였고, M16 kerainase가 분해할 것으로 예상되는 14가지 후보를 스크리닝한 후 가장 빈번하게 나타나는 4가지의 펩타이드를 선정하였다. 선정된 4가지의 펩타이드를 이용하여 M16 단백질과의 펩타이드 복합체 결정을 제작하였다. 또한 S.cerevisiae 유래 O-mannosyltransferase인 PMT1/PMT2 단백질과 inhibitor 복합체 분석을 위해 SF9 세포에서 발현 조건을 스크리닝하여 막단백질 복합체인 PMT1/PMT2를 최소한의 정제 단계를 통해 분리하기 위해서 발현 및 정제 실험을 진행하였다.

대표성과 1. 논문성과 • New approaches towards the discovery and evaluation of bioactive peptides from natural resources / 2020.01.02 / Critical reviews in environmental science and technology(IF=8.302), 환경학분야 상위 4.53% • The Novel bZIP transcription factor Fpo1 negatively regulates perithecial development by modulating carbon metabolism in the asomycete fungus F usa r iu m

graminearum / 2020.02.25 / Environmental Microbiology(IF=4.933), 미생물학분야 상위 19.63% • Identification of keratinases from Fervidobacterium islandicum AW-1 using dynamic gene expression profiling / 2020.03.01 / Microbial biotechnology(IF=5.328), 생명공학분야 상위 13.46% • Characterization of the CCAAT-binding transcription factor complex in the plant pathogenic fungus F u sa r iu m g ra m i nea r u m / 2020.03.17 / Scientific Reports(IF=3.998), 다학제분야 상위 23.94% • Fungal kinases and transcription factors regulating brain infection in Cryptococcus

neoformans / 2020.03.23 / Nature Communications(IF=12.121), 다학제분야 상위 8.45% • Genome-wide functional analysis of phosphatases in the pathogenic fungus

Cryptococcus neoformans / 2020.08.24 / Nature Communications(IF=12.121), 다학제분야 상위 8.45%

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2. 특허성과 • 진균 감염 치료 및 예방을 위한 신규 포스파타아제 및 이들의 용도 / 출원번호: 10-20200055355 / 출원일자: 2020.05.08.

• 신규 화합물 및 이를 포함하는 진균감염 치료용 약학적 조성물 / 등록번호: 10-2109168 / 등록일자: 2020.05.04

3. 홍보성과 • 곰팡이는 어떻게 뇌로 갔을까? / 한국연구재단 국민체감형 연구성과 / 등록일자: 2020.03.31.

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 본 2단계 사업에서는 1단계 사업에서 구축한 대용량 기능유전체 진균 변이균주 라이브러리와 전장유전체 분석을 통해 선별할 수 있었던 농·식품 유용 세균 및 진균을 대상으로 한 다중오믹스 분석 연구를 수행하여 통한 통합적인 유전자 기능 네트워크 맵 규명 및 제어기술을 개발하고자 한다. 이를 활용하여 유용미생물 유래의 유용 유전자원 발굴과 가치 제고화, 더 나아가 도출될 DB, 다중오믹스 분석 인프라, 가치 제고화 플랫폼 기술 등을 사업단 내의 타과제 팀과 공유 및 지원하여 본 사업단의 연구역량 강화에 기여하고자 한다.

4차년도 연구 추진 계획 연세대학교(제1세부)와 서울대학교(제1위탁) 발굴된 주요 인산화/탈인산화효소 및 전사인자 관련 유용유전자의 타 주요 동식물 병원성 진균에서의 기능분석과 다중오믹스 연구를 진행할 예정이다. 동식물 병원성 진균에서 생성한 변이균주를 활용하여 다중오믹스를 진행하고, 이를 통해 병원성 진균의 병원성과 스트레스 반응성을 조절하는 공통적인 신호전달 네트워크를 발굴할 것이다. 특히 제3세부와의 연계를 통해 동식물 병원성 진균 유용유전자를 표적하는 활성물질 스크리닝 시스템을 활용하여 구조기반의 약물 스크리닝과 저해물질 발굴을 진행할 예정이다. 또한 1단계 연구를 통해서 구축했던 유질성 효모

C. curvatus의 유전체 정보와 유전자 조작기술을 활용하여 TAG생산 및 배출 능력이 유리한 변이균주를 선정한 후에 산업적으로 적용 가능한 활용방법 개발을 진행할 예정이다.

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연구역량 강화 연세대학교(제2세부)와 건국대학교(제2위탁) 1단계 사업에서 확보한 농·식품 유용 세균의 전장유전체 정보를 활용해 플랫폼 균주를 이용한 유용 유전자원 검증과 조절 및 생산기술을 개발하는 연구를 진행할 예정이다. 고온성 바실러스 플랫폼 도입 후보 유전자원을 선정하여 이에 대한 영양원과 온도에 따른 유전체 수준의 표현형을 확인할 예정이며, 내열성 후보 유전자원의 결손변이체를 제작하여 형질 변환을 확인할 예정이다. 특히 다중오믹스 네트워크 맵을 기반으로 한 플랫폼호스트의 타가토스 자화 유전자를 규명하고 해당 효소 맞춤형 플랫폼 호스트를 개발, 적용하여 유용유전자원으로 사용할 수 있는 단백질의 기능 확인과 개량된 성능 평가를 동시에 하려는 연구를 진행하고 있다. 또한 확보된 다중오믹스 데이터를 활용하여 바이오리파이너리 또는 유용단백질의 대량 생산할 수 있는 숙주균을 개발하는 연구를 진행할 예정이다.

연세대학교(제3세부) 1세부 연구진이 발굴한 동물 병원성 모델 진균의 인산화효소/탈인산화효소/전사인자 통합 신호전달 네트워크 분석을 통해 발굴한 핵심 병원성 유용 유전자의 다중오믹스 분석을 진행할 예정이다. 또한 미생물 유래의 당 이성질체화 효소의 재조합 단백질의 발현과 정제를 최적화하여 단백질을 확보하여 효소 활성을 측정할 예정이다. 그러한 구조를 통해 효소의 화학적 작용 기전을 원자 수준에서 제시할 예정이며, 연구된 작용기전을 바탕으로 돌연변이체를 제작하여 활성 증감 변화를 수치화하는 연구를 진행할 예정이다. 또한 1단계 성과를 바탕으로 농·식품 유용 세균의 다중오믹스 분석을 통해 발굴된 유용 단백질과 항진균제 표적 단백질의 구조를 규명하여 상동 단백질과의 공통점 및 차이점을 구조적으로 제시할 것이다. 이러한 다중오믹스 플랫폼 기술을 사업단 내 타 과제에서 발굴된 유용 유전자원의 가치 제고화 및 원천기술을 제공할 수 있을 것이다.

4 관련 분야 동향 및 전망 바이오 신기술은 끊임없이 타 분야 기술들과 융합을 하여 새로운 기술을 만들어내고 있다. 이로 인해 미래에는 바이오경제시대로 진입하여 바이오가 삶의 모든 영역에서 큰 비중을 차지할 것으로 보인다. 바이오 기술은 인류가 미래에 직면하게 될 다양한 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 특히 질병, 환경, 농업, 식량 등 인류 난제를 해결을 하는 열쇠가 될 것이며, 고부가가치

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경제적 이윤 또한 창출할 수 있는 핵심 생물 소재의 연구를 통해 사회에도 큰 기여를 할 것이다. 특히 다중오믹스 기반 유전자 기능 네트워크 맵을 구축하여 다양한 미생물로 인해 얻는 질병 또는 농식품 관련 문제들을 해결하는 근본적인 해결책을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 표준화된 참조유전체 정보를 제공하여 유용 유전자원 및 미생물 유래 바이오 소재를 발굴하고자 한다. 이로 인해 농식품 유용 미생물 자원의 건강 기능성을 발굴하여 신개념 질병치료제를 생산할 수 있을 것으로 본다. 특히 장내 미생물이 인체에 끼치는 영향에 관한 연구가 늘어날수록 이에 관련된 장내 면역 항상성 유도를 통한 바이오 신약 또는 항체를 기반으로 한 치료 또는 식품 보조제를 개발, 차세대 치료제 및 질병의 진단과 예방에 큰 효과가 있을 것으로 생각된다. 또한 이 모든 연구 결과로 인해 유용 미생물 및 유전자원의 다중오믹스 분석 플랫폼을 제공하여 사회의 모든 방면에 기여할 것이라고 기대한다.

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연구역량 강화

유전체정보분석기술개발 농림축산식품 분야를 위한 메타유전체의 통합분석을 위한 데이터베이스 및 소프트웨어 개발

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 서울대학교

주관연구책임자

천종식 교수 서울대학교 진화생물정보학 연구실

연구목표 유전체 정보의 규모가 증가함에 따라 정확하고 신속한 분석법이 필요하다. 본 연구의 목표는 최대한의 reference genome data와 microbiome metagenomic data를 통합하여 coverage가 높은 non-redundant gene catalog를 구축하여 대규모 빅데이터 분석이 가능한 파이프라인을 구축하는 것을 목표로 하고 있다.

연구내용 미생물 종의 비교 유전체 및 Pan/core genome, genomic island database 구축과 phylogenomics 파이프라인 구축, 대규모 microbiome 16S 및 shotgun database와 Gene catalog database 구축을 목표로 연구한다.

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위탁연구기관 서울대학교

위탁연구책임자

윤성로 교수 서울대학교 데이터사이언스 & 인공지능 연구실

연구목표 및 내용 정보이론 기반의 분석 알고리즘 및 군집화/분류 알고리즘 고안, 딥러닝 기반 오류 정정 기술을 활용, 분석 정밀도를 고도화하여 최종적으로는 microbiome 네트워크 분석 파이프라인을 구축하는 것이 목표이다.

2 연구결과 및 주요성과 연구결과 1. 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. 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 못지않게 Cytolytic Bt toxin을 가진 유전체도 다수 존재함을 밝혔다.

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연구역량 강화 2. 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 target 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. 또한 쥐 microbiome data로부터 농축산 microbiome data로 확장하여, 개발된 파이프라인으로 16S rRNA 유전자 기반의 농축산 microbiome data가 어떤 세균 종 구성으로 되어 있는지 분석하여 결과를 모아 데이터베이스를 구축하였다.

3. 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 되고있는 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 분석하였다. 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.

4. p an/core-genome database 구축 및 마이크로바이옴의 gene catalogue database 구축 우선 Lactobacillus 등 주요 분류군에 대하여 각 분류군에 속하는 양질의 genome들을 모은 후

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이들을 기반으로 pan genome 및 core genome 데이터베이스를 구축하였다. 이들 데이터베이스를 reference로 하여 open-reference 방식을 채택하여 shotgun metagenome의 각 read들을 클러스터링하고, 그 결과를 바탕으로 non-redundant한 gene catalogue database를 구축하였다. 이와 같은 대용량의 gene catalogue 데이터베이스의 구축으로 향후 새로 확보되는 농축산 메타유전체 데이터에 대해 놓치거나 잘못 분류되는 정보 없이 보다 정확한 분석이 가능할 것으로 여겨진다.

5. 농축산 microbiome data로부터 mycobiome profile의 확보 유전체로부터 진균의 core-genome을 확보하는 파이프라인을 기반으로, microbiome 데이터 가운데 진균이 차지하는 subset인 mycobiome의 profile을 확보하였다. 농축산 주요 종의 mycobiome profile을 바탕으로 여러 분석을 수행하여 생물학적인 의미를 탐구하고, microbiome data의 구성요소로서 mycobiome이 가지는 지위를 확인할 수 있는 의미 있는 자료가 될 것이다.

6. 정보이론 및 딥러닝 기반 메타지놈 분석 기확보 기술 한계점 파악 및 개선 방향 설정 마이크로바이옴 서열 군집화는 sequence-to-sequence 접근방법보다 sequence-to-model 접근방법이 성능, 수행속도, 확장성 측면에서 강점을 가진다. sequence-to-model 접근을 위해서는 군집에 대한 정교한 모델링이 필요하며, 본 과제에서는 정보이론 기반의 알고리즘을 개발하였다. 각 메타지놈 그룹의 서열들을 정보이론 기반으로 분석 및 모델을 구축하고, 새로운 서열이 들어오면 각 모델과 비교함으로써 성능, 수행속도, 확장성 측면에서 개선이 가능할 것으로 기대된다.

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연구역량 강화 대표성과 - 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 - AnomiGAN: Generative adversarial networks for anonymizing private medical data BAE, Ho; JUNG, Dahuin; YOON, Sungroh. - arXiv preprint arXiv: 1901.11313, 2019.

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 농식품 유용 미생물 종의 비교 유전체 및 Pan/core genome, genomic island database 구축과 phylogenomics 파이프라인 구축, 대규모 microbiome 16S 및 shotgun database와 Gene catalog database 구축을 목표로 연구한다. 또한, 마이크로바이옴의 서열 군집/분류 알고리즘을 개발하여 본 연구의 목표인 대용량의 유전체 정보를 단시간에 분석하여 데이터베이스를 활용 가능하도록 연구할 예정이다.

4차년도 연구 추진 계획 4차년도에는 개발된 파이프라인에 머신러닝을 적용하여 효율적으로 바이오마커를 발굴하고 이를 데이터베이스로 만들어 파이프라인을 고도화할 계획이다. 기존 파이프라인에 메타전사체, 메타단백체, 메타대사체를 포함한 통합 오믹스 분석이 가능하도록 파이프라인을 확장하고 축적된 다층적 데이터들을 통합적으로 분석하여 알려진 연관성뿐 아니라 간접적인 연관성까지 추천할 수 있는 분석 방법을 개발할 것이다. 개발된 분석 파이프라인 및 결과를 웹서비스를 통해 제공하고 연구자들은 이를 통해 기존의 기본적인 메타유전체 분석 결과뿐 아니라 축적된 빅데이터를 반영한 분석을 통해 새로운 인사이트를 얻을 것으로 기대된다. 또한, 유전체데이터에서 sequence가 이루는 구조가 해당 서열의 특성에 많은 영향을 미친다는 점을 고려해 비지도 사전학습 알고리즘을 개발하고 검증을 위하여 data set을 확보하고 비교 가능한 유전체 비지도 사전학습 알고리즘의 선행연구를 파악할 계획이다.

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4 관련 분야 동향 및 전망 유전체 정보에 대한 데이터베이스 구축이 해당 산업에서 결정적인 역할을 하고 있다. 또한, 해외에서는 물론 국내에서도 여러 산업에서 해당 분야에 대한 많은 관심을 가지고 있다. 본 과제에서 수행하는 내용을 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

1 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 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 통해 식물의 내건성을 향상시키는 핵심

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

2 연구결과 및 주요성과 1. 자성 나노입자 제작 및 기능성 미생물 분리 기술 개발 염화철 이온과 수산화 이온의 합성으로 만들어진 자성 나노입자에 Po l y (a l l y l a m i n e hydrochloride)를 코팅하여 미생물 분리에 적합한 자성 나노입자를 제작하였다. 이를 활용해 토양 시료 내의 미생물 군집 중 페놀을 기질로 사용하는 미생물 군집을 분리하는 데 성공하였다. 분리한 군집의 실제 페놀 분해 효율을 평가한 결과, 분리한 페놀 분해 군집은 48시간 이내에 300mg/L의 페놀을 분해하였고 비분해 군집과 비교하면 31% 정도 높은 페놀 분해 효율을 보였다.

2. Ramanome 분석 파이프라인 구축 및 가뭄 환경에서의 라만 특이성 분석 국내 라만 제작업체 NanoBase와 협업하여 미생물 검측 및 분리용 라만 분광현미경을 제작하였다. 라만 스펙트럼 분석을 위해 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.

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

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연구역량 강화 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. Pulse laser 활용 미생물 탈착 기술 개발 및 환경 시료 적용 가능성 확인 본 연구진은 라만 레이저 활용이 가능한 슬라이드 글라스와 미생물 포집 Chip을 제작하였다. 슬라이드 글라스는 Quartz 슬라이드를 기본으로 하여 Pulse laser 사용 시 미생물을 보호하며 산화될 수 있는 Indium Tin Oxide(ITO)로 코팅하였으며 미생물 포집 Chip은 PDMS 재질로 30개의 미생물 포집 Well에 Lysis buffer 주입 후 미생물을 포집할 수 있도록 제작하였다.

E.coli 시료를 건조시킨 ITO 코팅 슬라이드 글라스와 본 연구진이 제작한 미생물 포집 Chip을 고정시키고 Single cell의 위치를 확인하여 미생물 포집 Chip의 Well에 Pulse laser로 균주를 탈착시켰다. 실제로 미생물이 Well에 탈착되었는지 확인하기 위해 분리된 Single cell의 유전자를 MDA를 이용하여 증폭시킨 후 PCR을 통해 균주의 존재 여부를 확인하였다.

Pure culture뿐 아니라 환경 시료에도 적용이 가능한지 확인하기 위해 ITO 코팅 슬라이드 글라스에 Cryosection한 콩과작물의 뿌리 혹을 고정시켜 뿌리 혹 내부의 균주를 탈착하여 Well을

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동일하게 MDA를 이용하여 유전자를 증폭시킨 후 균주의 존재 여부를 확인하였다.

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

5. 가뭄 조건에서 식물-미생물 공생 균주의 단일세포 유전체 분석 식물에 안정동위원소로 표지된 이산화탄소(13CO2) 처리가 가능하도록 유체 이동이 제한적인 챔버(260×200×360mm, 18L)를 제작하여 콩과작물과의 공생 균주 선별 실험에 활용하였다. 챔버에

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CO2를 주입하여 콩과작물을 재배하면 당류가

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C동위원소로 치환되고

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C로 치환된

당류를 기질로 하여 성장한 공생미생물 또한 동위원소로 표지될 것이라 예상하여 실험을 진행하였다. 4주간 식물 생장상에서 배양한 콩을 챔버에 옮겨 12시간 동안

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CO2를 주입 후

생장상에서 3일간 재배양하였다. 콩의 근권 토양에서 추출한 근권 미생물 중 페닐알라닌 피크가 967cm-1로 변환된 공생균주는 수집된 스펙트럼으로부터 약 5~20%의 균주가 동위원소로 표지된 것을 확인하였다.

4주간 식물 생장상에서 재배한 콩을 일주일 동안 물을 공급하지 않아 가뭄조건을 유지하고 가뭄 조건에서 12시간 동안 13CO2를 주입 후 3일간 식물 생장상에서 재배양하였다. 동위원소로 표지된 공생균주를 Pulse laser를 이용하여 확보했으며, 확보된 공생 균주의 유전체 분석을 수행하는 중이다. 분리된 공생 균주를 16S rRNA와 protein-coding marker gene을 이용해서 intra 혹은 inter phylum 수준의 계통분석을 수행하여 알려진 참조 유전체 혹은 메타지놈과 비교분석을 수행하여 유전체 분석을 통해 내건성 식물생장촉진 유전자와 가뭄에서의 생장유지 관련 기능성 유전자를 선별할 예정이다.

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연구역량 강화

안정동위원소 가스(13CO2) 활용 공생 균주 동위원소 표지 실험

3 앞으로 연구계획 식물 내건성 향상 미생물의 신규 메커니즘 규명 및 적용성 평가 분리된 공생 균주의 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 가뭄조건에서 식물재배실험을 수행하여 생장촉진 활성을 확인할 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.

4 관련 분야 동향 및 전망 ● 라만분광법을 활용한 기능성 미생물 분리 기술 동향 국내에서 라만분광법은 식품 내 일부 병원균을 검측하는 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

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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 검측뿐 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 기술로서 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 극복될 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

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오믹스배양기법을 이용한 다기능성 생물방제용 신규 미생물 확보

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 목원대학교

주관연구책임자

이효진 박사 목원대학교 미생물생태자원연구실

연구목표 - 신규 농용미생물 유전자원의 다양성 확보 - 신규 농용미생물 유용자원 탐색을 위한 culturomics 배양기술 개발 - 유기농업자재(작물생육용자재)에 활용 가능한 신규 미생물유전자원 발굴 및 유전정보 분석

연구내용 - 벼 재배 논토양 생태계 내 세균군집의 다양성 및 핵심세균군집 구조 분석 - RT-PCR 분석을 통한 미생물 유전자원(자색광합성세균, 질소고정세균, 길항미생물)의 정량 평가 - 컬처로믹스기법을 이용한 미생물 유전자원 배양기술 설계 및 다양성 확보 138 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 농·생명산업에 활용 가능한 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 발굴 - 신규 다기능성 미생물 유전자원의 전장유전체(WGS) 분석 및 다상분류법에 의거한 분류·동정

2 연구결과 및 주요성과 1. 메타지노믹스분석법을 이용한 논토양 생태계 내 핵심세균군집 구조 분석 본 연구는 20년 이상 장기 관리한 벼 재배 논토양(산화, 환원토)을 대상으로 차세대 염기서열 분석법인 Pyrosequencing 방법을 이용하여 논토양 내 세균군집의 다양성 및 핵심 세균군집구조를 밝히고자 하였다. 벼 재배 시험포장의 논토양은 비료를 처리하지 않은 무처리(UF), 유기질비료를 처리한 시험구(OM) 그리고 화학비료를 처리한 시험구(CF, CSF, CSO) 총 5개 시험구로, 논토양 표층의 산화토와 환원토로 구분하여 시료를 채취하였다. 16S rRNA 유전자 메타지놈 분석을 기반으로 논토양 내 세균군집의 계통학적 다양성을 해석한 결과, 총 70개의 계통군으로, Proteobacteria(34.2~44.7%), Chloroflexi(5.8~19.5%), Acidobacteria (7.3~14.5%), Bacteriodetes (3.6~12%) 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 핵심 세균군집은 논토양 내에서 탄소·질소물질 순환, 유기물질분해, 토양정화, 식물생장촉진, 길항작용 과 같은 논토양 생태계에 중요한 역할을 하는 OUT로 구성되었다.

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연구역량 강화 2. RT-PCR 분석을 통한 미생물 유전자원(자색광합성세균, 질소고정세균)의 정량 평가 논 토 양 내 전 체 세 균 군 집 ( 1 6 S r R N A g e n e ) 과 식 물 생 육 촉 진 관 련 세 균 군 집 으 로 자색광합성세균(pufLM gene) 그리고 질소고정세균(nifH gene)의 분포율은 RT-PCR 분석을 이용하여 정량적으로 평가하였다. 논토양 산화토와 환원토 내 전체세균군집은 0.3~2.0×1010copies/g·soil로 분포하였으며, 자색광합성세균 0.3~2.0×108copies/g·soil, 그리고 질소고정세균 0.3~7.3×108copies/g·soil로 분포하였다. 이상의 결과로, 논토양 내 식물생육촉진 관련 세균군집은 전체세균군집 중 약 10 8copies/g·soil 이상의 분포율을 나타냈다.

3. 컬처로믹스기법을 이용한 미생물 유전자원 배양기술 설계 및 다양성 확보 작물생육용자재(PGPR)로 활용 가능한 자색광합성세균, 질소고정세균 그리고 길항미생물 유전자원을 확보하기 위해 토양시료 분산처리법, 토양시료 접종법, 배양조건(광조건, 호기, 미호기, 혐기), 배양온도(28~30℃), 배양기간(1~2주), 배양배지(15종류) 등을 고려한 컬처로믹스배양법을 이용하였다. 컬처로믹스배양법을 통해 분리된 자색광합성세균(PPB) 500균주(4과 20속), 질소고정세균(NFB) 507균주(25과 43속) 그리고 길항미생물(AAB) 110균주(4과 5속)를 확보하였다. 확보된 미생물 유전자원 1,117균주 중 식물생육촉진능(IAA 생성, 인산가용화효소, nitrogenase 효소, sidrophore 생성) 및 항균활성능(벼 잎집무늬마름병원균, 토마토 시듦병원균)을 갖는 다기능성(식물생육촉진, 항균활성) 식물생육촉진 미생물 유전자원 229균주를 발굴하였다. 다기능성 식물생육촉진 미생물 229균주의 16S rRNA 유전자 염기서열을 해석한 결과, Acetobacteraceae, Hyphomicrobiaceae, Bradyrhizobiaceae, Chitinophagaceae,

Porphyrobacter, Roseomonas, Sandaracinobacter, Sandarakinorhabdus, Microvirga, Elioraea, Paracoccus, Ochrobactrum, Dongia, Pleomorphomonas, Bradyrhizobium, Rhizobium, Sphingomonas, Paraburkholderia, Niveibacterium, Kinneretia, Pelomonas, Ideonella, Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus, Lysobacter, Microbacterium, Nocardioides, Mycolicibacterium, Arthrobacter, Terrabacter, Ag romyces, Segeticoccus, Cellulomonas, Streptomyces, Kitasatospora, Micromonospora 속으로 총 37속의 다양한 계통군을 포함하였다.

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4. 농·생명산업에 활용 가능한 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 발굴 식물생육촉진 미생물 유전자원 229균주 중 유묘활력지수(seedling vigor index) 그리고 항균활성능(antibiotics, lipopeptide biosynthesis, enzyme activity)을 통해 다기능성 PGPR 우수 미생물 유전자원 144균주를 발굴하였다. 이들 균주를 대상으로 오이유식물체의 뿌리발달 양상을 검토한 결과, 유묘활력지수값(SVI)과 발근력이 무처리구 대비 60% 이상 우수한 효과를 나타낸 Porphyrobacter sp. COR-2 균주가 다기능성 식물생육촉진 최우수 균주로 선발되어 유기농업자재(작물생육용자재)의 미생물 소재로 활용 가능할 것으로 평가되었다. 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 85균주는 16S rRNA 유전자 염기서열을 기반으로 98.8% 미만의 상동성을 나타내는 신규 미생물로, 3속 29종의 계통군으로 확인되었다. 신규 미생물 유전자원 중 자색광합성세균 Elioreae rosea PF-30 균주를 포함한 8균주는 다상분류법에 의거하여 분류·동정하였으며, 국제미생물분류학회지(IJSEM)와 Archive microbiology에 게재하였다.

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연구역량 강화

5. 신 규 다기능성 미생물 유전자원의 전장유전체(WGS) 분석 및 다상분류법에 의거한 분류·동정 - 다기능성 식물생육촉진 자색광합성세균 Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 전장유전체 해독 광합성세균 Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 전장유전체 분석을 통해 다기능성 (식물생육 촉진, 항균활성) 유전자를 해독한 결과, 식물생육촉진능에 관여하는 인산가용화효소, 옥신생성, 질소고정, siderophore 그리고 항균활성 유전자들을 포함하고 있었으며, 근연종인 P.

colymbi TPW-24T 균주와 비교·검토한 결과, 옥신생합성(auxin biosynthesis) 대사경로와 연관된 트립토판 합성효소인 trpA 및 trpB 유전자를 보유하고 있으며, 질소고정화와 관련된 전자전달계에서 작용하는 플라보단백질인 fixB와 질소고정화 단백질인 FixH, FixG, 및 FixS, 그리고 질소동화 조절단백질인 cpdR 등을 포함하고 있는 것으로 나타났다.

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- 신규 자색광합성세균 Sandarakinihabdus 속 MO-4T, NP-34 그리고 NM-18T 균주의 분류·동정 A Gram-stain-negative, motile or non-motile, rods-shaped, facultatively aerobic designated strains MO-4T, NP-34 and NM-18T were isolated from rice paddy soil.

Phylogenetic analyses based on 16S rRNA gene sequences indicated that the three strains belong to the genus Sandarakinorhabdus with sequence similarity of 98.6 to 97.6%. The 16S rRNA gene sequence similarity between strains MO-4T and NP-34 showed 99.2%, and between strains MO-4T and NM-18T showed 97.3%. The average nucleotide identity and digital DNA–DNA hybridization values between strains MO-4T and NM-18T and type strains of related species of the genus Sandarakinorhabdus were 82.0–85.7% and 23.0–27.2%, respectively. On the basis of polyphasic analyses from this study, strains MO-4T and NM-18T represents a novel species of the genus

Sandarakinorhabdus , for which the names Sandarakinorhabdus rubra sp. nov. (type strain MO-4T=KACC 21378T=NBRC 114106T), Sandarakinorhabdus oryzae sp. nov. (type strain NM-18T=KACC 21379T=NBRC 113957T) are proposed.

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연구역량 강화

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 신규 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원을 이용한 유기농업자재(작물생육용자재) 활용

연구내용 ● 오믹스배양기술을 기반으로 신규 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원(자색광합성세균, 질소고정세균, 길항미생물)의 대량배양법 구축 - 신규 다기능성 미생물 유전자원 기초배지 & 탄소원, 질소원, 무기염 선정 - 배양조건(온도, pH, 교반속도, 산소농도) 선정 - Lab scale(500㎖, 1000㎖, 5000㎖) & 대량배양(10ℓ, 50ℓ, 100ℓ)

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● 신규 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원의 작물생육효과검정(pot 시험, 육교시험) - 시험작물 선정 - 처리농도에 따른 작물생육효과검정 - 처리방법(엽면, 관주)에 따른 작물생육효과검정 - 단독 & 복합처리에 따른 작물생육효과검정 - 생육양상 달관조사 및 뿌리발달 양상 조사 - 보급농가에서의 만족도 평가

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연구역량 강화

자유주제

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장내 마이크로바이옴 기반 식품 기능성 평가 시스템 개발

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 제주대학교

주관연구책임자

운노타쯔야 교수 제주대학교 미생물군유전체연구실

연구목표 및 내용 - 2 차년도에서 모집한 97명의 피험자로부터 20명 내외의 피험자를 선별하여 건강기능식품 (김치,청국장) 및 비 건강식품(육류, 밀가루)을 GID-FF로 처리하여, 개인별 장내미생물 차이에 따른 microbiota shift 및 SCFAs 발생량 비교분석 - Metabolic pathway 예측 가능한 PICRUSt2와 KEEG mapping을 이용한 SCFAs 생성경로 예측 - Mouse분변을 이용한 in vitro 와 in vivo 상에서의 장내미생물생태 변화를 비교 -청 국장을 이용하여 Mouse분변과 GID-FF를 진행 후, Mouse에게 청국장을 섭취하도록 하여 in

vitro 와 in vivo 상에서의 장내미생물생태를 비교

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2 연구결과 및 주요성과 In vitro GID-FF을 이용한 차세대 건강기능식품평가시스템 구축 본 연구는 In vitro GID-FF 실험조건 확립을 위해 탄소원과 반응 시간에 따라 변화하는 SCFAs 함량(Result 1.)을 측정하고, 분변 반응 산물 내 시간별로 청국장에 의해 변화하는 장내미생물 생태도 확인하였다(Result 2.). 또한 In vitro 상에서 피험자별로 청국장에 의해 변화하는 SCFAs 함량을 측정하고(Result 3.), 분변 반응 산물내 피험자별로 청국장에 의해 변화하는 장내미생물 생태를 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 2h 이후로는 장내미생물 생태가 청국장에 의해 변화가 아닌 In

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연구역량 강화 vitro 상에서의 세균배양으로 판단되어 Fermentation 시간을 최대 2h으로 설정하여 In vitro GID-FF 실험조건 확립을 위한 실험을 진행하였다. 피험자에 따라 청국장에 반응하는 차이가 다양하다는 것을 관찰 할 수 있었으며, 피험자가 직접 청국장을 섭취하지 않아도 섭취한 것과 유사하게 FF 과정에서 주요 SCFA를 증가시킬 수 있을 것이라 판단할 수 있다. 본 실험 결과에서 Butyrate와 청국장에 의해 증가 혹은 감소한 장내미생물과의 상관관계는 찾지 못하였지만 그 외의 Acetate와 Propanoate 물질은 Picrust 결과와 연결지어 생성경로를 예측하였으며, 각각의 피험자에 따라 청국장에 의해 생성되는 SCFAs(Acetate, Propanoate, Butyrate)양 및 증가 혹은 감소하는 장내미생물들이 다양하다는 것을 확인하였다.

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대표성과

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 장내미생물에대한 건강기능식품의 효과(In vitro GID-FF) 실현, Metagenomics를 이용한 분석을 통해 건강기능식품의 효능을 예측 가능하게 하는 시스템 개발

4차년도 연구 추진 계획 본 연구의 4차년도에서는 검증된 In vitro 식품 기능성 평가시스템인 ‘차세대 건강기능식품 평가시스템’을 이용하여 다양한 식품과 선발된 피험자들의 분변샘플을 이용하여 장내미생물 생태를 비교할 계획이다. 또한 메타유전체 및 메타전사체 분석을 통해 주요 SCFAs가 생성되는 경로를

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연구역량 강화 예측하여 식품에 따른 생성경로의 특징을 알아낼 예정이다. 또한 청국장을 섭취한 쥐의 분변과 쥐의 분변을 이용한 청국장 처리 GID-FF 산물의 장내미생물 생태의 차이를 확인하고, 생성된 SCFAs함량도 측정, 비교할 예정이다. 이로 In vitro GID-FF을 토대로 한 건강기능식품평가 시스템을 구축할 것이다.

4 관련 분야 동향 및 전망 국내 기술 수준 및 시장 현환 - 2015년을 기준으로, 국내 건강기능식품 업체 수는 487개사(전년대비 9.9% 증가)이며, 건강기능 식품 제품 수와 업체당 평균 매출액(37억 4000만 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.

- 2017년도 과학기술연감에 따르면 차세대 바이오 분야는 국민의 삶과 밀접하게 연관된 감염병 국제연구, 다제내성세균(슈퍼박테리아)의 진단, 치료, 오믹스, 한국인의 호발성질환 관련 유전체연구 등 차세대 미래 유망 분야를 발굴하기 위한 기초·원천 중장기 핵심 원천기술 확보를 추진하고 있다. 이를 바탕으로 개인 장내 미생물 환경을 분석해 부족한 분면 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 밝혀지고 있으며, 인체 마이크로바이옴 참조 유전체(Reference

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Genome) 데이터베이스를 구축하고, 이를 통해 3가지 연구분야(염증성 장질환, 당뇨병, 신생아 마이크로바이옴)를 중점으로 군집내 마이크로바이옴 기능을 규명하고 있다.

- 글로벌 마이크로바이옴 시장전망은 2022년 5억 달러부터 2025년 9억 달러까지 연평균 21%씩 성장할 것이라고 예측하였다.

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부처공동 연구

작물 마이크로바이옴 벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용 기능 연구

1 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 플랫폼 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 152 |

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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 메타지놈 기반의 마이크로바이오타 연구와 같은 샘플을 혐기배양기 내에서 배지를 이용하여 분리한 세균과 비교 분석하였다. 벼 근권에 존재하는 혐기세균 중에 주된 세균종을 분리하여 벼나 고추 같은 작물에 처리하여 작물의 생장촉진과 면역유도 검정을 실시하였다. 더불어 선발된 미생물의 휘발성물질을 작물의 근권에 처리함으로써 세균 이차대사산물을 이용한 농업 적용 시험을 실시하고 있다. iMAF_2020 Vol. 6

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부처공동 연구 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.

2 연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 서울대학교

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벼 종자 마이크로바이오타 구조 분석 및 벼와의 진화적 관계 구명 1차년도 과제에서는 경작 전 논 토양 내 세균, 진균, 고균 마이크로바이오타에 대한 구조 구명과 이들에 대한 토양인자와 경작방법 등의 영향을 조사하였으며, 2차년도 과제에서는 벼와 상호작용을 하는 잎, 줄기, 뿌리 내권의 마이크로바이오타와 근권, 비근권 토양, 종자 내 마이크로바이오타가 지역적 차이 및 벼의 생장 및 발달에 따라 어떻게 변화하는지에 대한 군집 역학 측면에서의 연구를 진행하였다. 3차년도에는 종자 마이크로바이오타에 집중하여 국내 26개 육성 품종 및 계통, 벼와 계통학적으로 연관된 야생종 및 야생근연종 17종의 종자 세균 및 진균 마이크로바이오타를 확인하고 이들의 진화적 관계를 구명하였다. 그 결과, 벼의 진화 과정인 종 분화와 가사화(domestication)가 세균 및 진균 군집의 구조적 차이에 관여하였음을 보았으며, 이들이 진화생태학적 관계(eco-evolutionary relationship)을 보임을 확인하였다. 또한, 야생종 및 근연종과 육성품종 사이에서의 핵심 마이크로바이오타를 구명하고 이를 배양학적 방법을 이용하여 분리하였다. 현재 분리된 Methylobacterium sp., Sarocladium sp., Moesziomyces sp. 등의 균주에 대하여 미생물학적 특성을 조사하고 있다. 이를 통하여 야생종 및 근연종에서 육성 품종까지 보존된 미생물과 이들로 구성된 합성미생물상(Synthetic community)이 벼의 생장과 병 발생에 어떠한 영향을 주는지 밝히고자 하고 있다.

Methylobacterium sp.

Moesziomyces sp.

Fusarisum sp.

Sarocladium sp.

랜덤 포레스트를 이용한 벼 가사화에 의한 종자 내 세균 및 진균 마이크로바이오타의 변화 확인 및 배양학적 방법을 통해 분리된 핵심 마이크로바이오타 세균 및 진균 균주

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부처공동 연구 제1협동 연구기관 : 한국생명공학연구원 벼 근권 마이크로바이옴의 재구성에 의한 병 방제 기전 연구 1차년도에는 본 연구기관에서 확보하고 있는 혐기챔버를 이용하여 논 토양 및 벼의 근권, 근면, 내권에 존재하는 80여 종의 혐기성 미생물을 분리 및 확보하였다. 또한 2차년도에는 논 토양에서 분리한 80종의 혐기성 미생물을 벼의 근권에 처리 후 흰잎마름병원균인 Xanthomoans oryzae pv.oryzae 를 벼의 잎에 접종 시 유도 저항성의 효과를 나타내는 4종류의 혐기성 세균을 선발하였고 혐기균의 이차대사산물을 벼의 근권에 처리 시 흰잎마름병원균에 대한 유도저항성을 나타냄을 확인하였다. 3차년도에는 유도저항성 효과를 나타내는 혐기성 미생물과 식물간의 상호작용을 확인하기 위하여 4종의 혐기균을 벼의 근권에 처리 후 병 접종 시 식물의 면역 관련 유전자 중 살리실산과 에틸렌 생합성 및 신호전달과 관련된 유전자들의 발현이 대조구에 비하여 빠르게 증가함을 확인하였으며 나아가 dual RNA-sequencing 방법을 이용하여 식물-미생물의 유전자 발현 변화의 확인을 통한 프로바이오틱 미생물 투여에 의한 식물의 반응 기전을 연구하고 있다. 이와 더불어 농촌진흥청의 실험 포장에서 혐기성 미생물을 처리하여 재배한 벼의 백립중 측정 시 대조구에 비해 무게가 증가하는 것으로 프로바이오틱 미생물 투여에 의한 작물의 생산성 증대 효과를 확인하였다.

벼의 근권에 혐기성 미생물 처리 후 흰잎마름병원균 접종 시 시간대별 병 저항성 관련 유전자의 발현 확인 및 혐기성 미생물을 벼의 근권에 처리 시 벼의 백립중

제2협동 연구기관 : 영남대학교 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 분리하여 항균작용을 포함한 이들의 특성을 조사하고 있다.

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벼도열병 발생과 관련되어 있는 마이크로바이옴의 변화를 알기 위해서 벼에 벼도열병 접종 전 및 후에도 이러한 배양 가능한 미생물들의 분리 작업을 수행하였으며, Mi-Seq을 이용한 군집 profiling 작업도 수행하였다. 이를 통해서 병 접종 전후의 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

이와 더불어 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 수행하였다.

내생미생물 간의 correlation matrix(hierarchical clustering 적용 후) (왼쪽 그림) 및 이에 기반한 미생물 간의 네트워크(오른쪽 그림)

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부처공동 연구 3 앞으로 연구계획 주관연구기관 : 서울대학교 3차년도에 확보된 세균 및 진균균주를 활용하여 이들이 벼의 생장 및 벼 도열병균의 감염에 대하여 어떠한 영향을 주는지 구명하며, 무생물학적 스트레스(고온, 건조 등)에 대해서 벼의 적합도를 높일 수 있는 기능을 하는지 분석할 계획이다. 이들을 통해 협동연구기관에서 벼 근권 및 뿌리 내권에서 확보한 균주들과 함께 기후 변화에 따른 환경 변화와 병원체에 의한 영향 속에서 벼의 농업 생산성 향상에 기여할 수 있는지를 확인할 수 있을 것으로 기대한다.

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

제2협동 연구기관 : 영남대학교 병 발생과 관련되어 있는 미생물 군집의 네트워크 구조에 대한 상세한 분석 및 병 발생과 관련된 배양 가능한 미생물들의 합성미생물 상을 이용하여, 이들의 병 발생 과정에 기여하는 역할을 규명하고자 한다. 이를 위해서 Microbial fraction이나 합성미생물상 접종 시에 벼의 전사체나 후성유전체 변화를 모니터링하여 미생물 군집 변화에 의한 벼의 방어 반응이나 생리적인 변화들을 밝혀내고자 한다.

4 관련 분야 동향 및 전망 작물 마이크로바이옴에 대한 연구는 작물이 생장하는 토양, 작물의 근권(rhizosphere) 및 엽권(phyllosphere), 작물 내 내권(endosphere)을 비롯하여 종자와 종자가 발아함으로써 생성되는 종자 주변 토양(spermosphere)과 과수의 경우 과실(fructosphere)의 마이크로바이옴에 대한 구조 및 기능 분석이 이루어지고 있다. 특히, 작물의 유전체 분석과 마이크로바이옴을 연결하는 전장유전체 연관 분석(Genome-wide association study, GWAS)이 함께 이루어지면서

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마이크로바이옴 형성에 관여하는 기주 인자를 구명하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 군집 역학(community dynamics) 측면에서 시간에 따른 마이크로바이옴의 변화를 추적하는 연구(longitudinal study)가 진행되고 있으나, 아직 마이크로바이옴의 시간별 구조 변화에 한정되어 있으며, 메타전사체나 단백질체를 이용한 기능 측면의 변화는 아직 이루어지지 않았다. 식물병리학적 측면에서 병원성 미생물에 의한 식물 표현형의 변화에서 마이크로바이옴이 표현형의 한 축으로 주목을 받고 있다. 감수성과 저항성 품종에서 식물의 방어 기전이 병원균에 의해 억제되었을 때, 마이크로바이옴이 어떻게 반응하는지 봄으로써 식물병과 연관 있는 마이크로바이옴을 구명하고, 이들이 작물의 어떤 변화와 연관되어 있는지도 확인되고 있다. 이러한 마이크로바이옴의 식물 표현형과의 연관성과 관련된 연구를 앞서 언급하였던 전장유전체 연관 분석에 빗대어 마이크로바이옴 연관 분석(microbiome 또는 microbiome genome-wide association study, MWAS 또는 mGWAS)이라 표현하기도 한다. 이러한 미생물 생태학적 측면에서의 연구와 작물과 병원균 사이에서의 상호작용에 마이크로바이옴이 어디에 관여하고 무엇에 의해 영향을 받는지 연구함에 따라 작물의 생산성에 직간접적으로 관여하는 미생물 후보를 발굴하고 활용할 가능성이 높아지고 있다. 또한, 마이크로바이옴 형성에 영향을 주는 기주 인자를 찾아냄으로써 추후 유전체 편집 기술(genome editing)과의 접목을 통하여 작물 생산성에 도움을 주는 마이크로바이옴을 식물 자체에서 유도할 수 있도록 하는 등의 방식으로 농업에 활용할 수 있을 것으로 전망한다.

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부처공동 연구

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

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 강원대학교

주관연구책임자

오연수 교수 강원대학교 수의과대학 병리학교실

연구목표 산업동물을 대표하는 돼지와 소, 반려동물을 대표하는 개의 장내에 존재하는 마이크로바이옴을 분석, 장내 동물-미생물, 미생물-미생물 상호작용을 시스템 수준에서 이해함으로써 동물의 건강관리 방안, 지속 가능한 축산생태계의 보존 및 가축생산의 새로운 전략의 토대를 마련한다.

연구내용 - 경제·반려동물 장내 마이크로바이옴 연구 기반 확립 • 선정 동물의 장내 우점종 미생물의 분포양상, 식이와 스트레스, 질환에 따른 종 변화 추적, 장 관계와 미생물 군집의 상호 영향력 분석 등 • 난배양성 미생물 배양 및 유전체 해독 관련 기반 기술 구축 160 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 메타오믹스 기법을 적용한 동물-미생물 및 미생물-미생물 상호작용 분석 • 작물 근권 미생물 군집의 상호작용 및 마이크로바이옴 핵심 미생물 발굴 • 오믹스 기법을 통한 유용 미생물의 환경 스트레스 저항성, 동물 면역 및 영양대사 관련 상호작용 시스템 규명 • 유익 미생물의 이차대사산물 분석을 통한 동물-미생물 상호작용 분석 - 경제·반려동물 장내 마이크로바이옴의 현장 적용 및 유용유전자 활용 기반 마련 • 유용 미생물의 선발 및 동물 장내 마이크로바이옴의 엔지니어링 • 동물 마이크로바이옴으로부터 유용 미생물 자원 확보 • 동물 장내 마이크로바이옴의 재구성 및 프로바이오틱스 후보군 발굴 공동연구기관 경상대학교

공동연구책임자

유도현 교수 경상대학교 수의과대학 내과학교실

공동연구기관 전북대학교

공동연구책임자

박진호 교수 전북대학교 수의과대학 내과학교실

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부처공동 연구 협동연구기관 세계김치연구소

협동연구책임자

최학종 본부장 세계김치연구소 미생물기능성연구원

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

2 연구결과 및 주요성과 1. 분변 미생물군집 분석 - 감염 원인에 따른 장내 미생물 균총 변화를 비교하기 위하여 로타 바이러스(Rotavirus) 또는 코로나 바이러스(BCoV) 감염 설사증 한우 송아지 4마리씩과 정상송아지 7마리의 분변을 비교하여 분석하였음. 총 864,232리드수를 획득하였으며(마리당 평균 57,6158리드), 시퀀스가 획득된 수에 따른 OTUs 수의 증가비율을 보여주는 rarefaction curve를 확인한 결과, 분석에 필요한 충분한 수의 OTUs 수를 확보

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2. Alpha diversity - 장 내 미생물총의 종의 다양성 및 분포를 확인하기 위하여 alpha-diversity 분석을 수행하였다[그림 1(A)]. 그 결과, 정상송아지와 바이러스 감염에 따른 설사송아지의 richness 및 evenness 지수에는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 감염 원인에 따라 비교하였을 때, 코로나 바이러스 감염에 따른 NPShannon 및 Shannon 지수 증가 및 Simpson 지수 감소에 따라 다양성이 증가하며, 이는 로타바이러스 감염 설사 송아지와 유의적인 차이를 보인다.

(A)

(B)

그림 1. 정상 송아지와 바이러스 감염(로타바이러스 또는 코로나바이러스)에 의하여 설사가 유발된 송아지의 미생물군집 다양성 분석. (A) Richness 지수(Ace, Chao1, JackKnife) 및 Evenness 지수(NPShannon, Shannon, Simpson) (B) UPGMA 계층구조분석 및 PCoA 분석

3. Community Membership and Structure - 장내미생물군집의 종 다양성을 비교분석하여 유사도 관계를 확인하기 위하여 UPGMA을 통한 계층구조 clustering과 주요좌표분석법을 통한 beta-diversity 분석을 수행하였다[그림 1(B)]. iMAF_2020 Vol. 6

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부처공동 연구 Clustering을 통해 정상송아지와 바이러스 감염에 따른 설사증 한우송아지 군의 미생물군집의 차가 뚜렷이 구분되는 형태를 보인다. 이는 주요좌표분석법인 PCoA 분석결과와도 일치하게 나타난다.

4. Taxonomic composition 분석 - 정상송아지와 바이러스 감염에 따른 설사송아지의 미생물 군집 변화를 Phylum 수준에서 로타바이러스 감염에 의한 설사송아지는 Firmicutes 감소 및 Proteobacteria 증가를 보이면서 정상송아지와 코로나바이러스 감염에 의한 설사송아지와 유의적 차이를 보인다[그림 2(A-B)].

- Class 수준에서 로타바이러스 감염에 따라 Gammaproteobacteria, Actinobacteria의 증가를 보이며, 코로나바이러스 감염에 따라 Clostridia 증가 및 Bacilli의 감소를 보이면서 감염원에 따라 큰 차이를 보인다[그림2 (C)]. 이러한 차이는 Order 수준에서 로타바이러스 감염에 따라 Enterobacteriales 증가를 보이며, 코로나바이러스 감염에 따라 Clostridiales 증가 및 Lactobacillales 감소로 나타난다[그림3 (D)]. 한우송아지의 바이러스 감염시 Family의 Lactobacillaceae 및 Genus의 Lactobacillus 의 상대빈도가 감소하였다[그림3 (E-F)].

(A)

(B)

(C)

그림 2. 정상송아지와 코로나바이러스 감염에 의하여 설사가 유발된 송아지의 주요 Taxonomic composition 분석. (A) 분변 내 Phylum 및 Class 수준에서의 개체별 및 평균 미생물군집 분포, (B) Phylum, (C) Class, (D) Order, (E) Family, (F) Genus 수준에서의 미생물군집 분석 164 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

(D)

(E)

(F)

그림 3. 정상송아지와 코로나바이러스 감염에 의하여 설사가 유발된 송아지의 주요 Taxonomic composition 분석. (A) 분변 내 Phylum 및 Class 수준에서의 개체별 및 평균 미생물군집 분포, (B) Phylum, (C) Class, (D) Order, (E) Family, (F) Genus 수준에서의 미생물군집 분석

5. LEfSe 분석 - LEfSe 분석을 기반으로 하여 cladogram을 나타낸 결과, 바이러스 감염원에 따라서 장내 미생물과의 연관성이 달라짐을 보여준다[그림4 (A)]. 특히 정상송아지와 로타바이러스 감염에 의한 설사송아지는 Phylum 수준에서 Firmicutes와 Proteobacteria의 분포변화를 통해 차이를 나타내는 반면, 코로나바이러스 감염에 의한 설사 송아지는 Class 수준에서 Clostridia와 Bacilli의 차이를 보인다[그림4 (B-C)].

- 설 사증세를 보이는 송아지는 Lactobacillus 의 감소를 보이며, 이는 로타바이러스와 코로나바이러스 감염시 공통적으로 나타난다. 특히 정상송아지의 Species 수준에서 확인하였을 때 Lactobacillus gasseri group, L. amylovorus group, L. panis group, L, rodentium,

L. helveticus group, L. vaginalis가 설사송아지에서 감소함을 확인하였다[그림4 (D)]. iMAF_2020 Vol. 6

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부처공동 연구 (A)

(B)

(C)

(D)

그림 4. 정상송아지와 코로나바이러스 감염에 의하여 설사가 유발된 송아지의 주요 Taxonomic composition 분석(Species 수준). Species 수준에서 cladogram(A) 분석 및 LDA 수치(B) 분석

- 정 상송아지의 LDA 2.0 이상의 수치를 가지는 7종의 Lactobacillus 의 상대빈도를 확인하였다[그림5 (A)]. 6종의 Lactobacillus 는 설사증세에 따라 감소하는 경향을 보였으나,

L. faecis 는 코로나바이러스 감염시에만 증가하는 현상을 보였다. 또한, 통계적 유의성은 보이지 않지만 L. reuteri의 경우 상대 빈도 10% 이상을 보이는 것으로 확인되어 정상송아지의 장내 환경에 다수 존재함을 확인하였다[그림5 (B)].

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

(A)

(B)

그림 5. 정상 송아지와 코로나바이러스 감염에 의하여 설사가 유발된 송아지의 Lactobacillus의 상대빈도

- 이 런 결과를 통해 볼 때 로타바이러스 또는 코로나바이러스로 인한 설사증세로 인하여 바이러스 감염원에 따라 미생물 군집 구조의 구조적 차이를 보임을 확인하였으며, 공통적으로 감소하는 Lactobacillus 의 경우 한우송아지의 건강상태와 연관성이 있을 것으로 추정하였다. 건강한 한우송아지의 장내 환경 유지를 위하여 유용 미생물을 선정하고 이를 확보함으로써 설사증 예방을 위한 후보미생물 발굴이 필요 할 것으로 사료된다.

6. Microbiota 분석을 통한 설사증 개선을 위한 유용 미생물 후보균 확보 1. Microbiota 분석을 통한 장내 유용 미생물 후보군 선정 - 정상송아지와 설사송아지의 장내 미생물 군집 분석을 통해 장내 유용 미생물 후보군으로

Lactobacillus 를 선정하였으며, 이를 분리하였다.

- 다양한 종류의 Lactobacillus 를 분리하기 위하여 정상송아지에서 상대빈도가 10% 이상인

Lactobacillus gasseri group, L. amylovorus group, L. reuteri group을 주요 분리대상으로 선정하였으며, 균 분리를 위하여 배양 조건을 확인하였다(표1). 표 1. Lactobacillus 배양조건 Species

Medium

Lactobacillus amylovorus Lactobacilli MRS Agar/Broth Lactobacilli MRS Agar/Broth Lactobacillus gasseri Lactobacilli MRS Agar/Broth Lactobacillus reuteri

Growth Conditions 37℃, 5% CO2 37℃, Aerorobic 37℃, Aerorobic

비교 ATCC 33620 DSM 20243 ATCC 23272 iMAF_2020 Vol. 6

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부처공동 연구 - 설사증세가 없는 한우송아지 5마리(일령 30일 이내)의 분변을 채취하여 당일 배양을 진행 하였으며, MRS agar plate에서 3번 이상의 순수분리를 통해 단일 콜로니를 채취하였다(표2). 표 2. 분변 시료 정보 번호

Name

어미번호

성별

위치

분변상태

비고

1

14029

1106 1402 9

수

B 오 중간

노1

8.19 생 (4일령)

2

8919

0602 8919 0

암

B왼3

검1

8. 6 생 (17일령)

3

5139

5139

A오1

노1

8.19 생 (4일령)

4

1394

1394

A왼3

갈1

8.14 생 (9일령)

5

7409

3216 9508 4

A오2

노1

8.11 생 (12일령)

수

- 호기적 조건에서 다양한 장내 미생물을 분리하기 위해 37℃ 인큐베이터에서 CO2 조건을 gas pack, 5% CO2 인큐베이터 또는 CO2 없이 배양하여 미생물을 확보하였다.

- 분리된 미생물은 colony PCR을 통해 분리된 미생물은 colony PCR을 통해 1차적으로 Lactobacillus (Kwon 등 2004)를 1차 확인하였으며1) (그림6), 이를 16s rRNA sequencing 을 통해 염기서열을 확인하였다.

그림 6. colony PCR을 통한 Lactobacillus 확인. A: L. amylovorus, G: L. gasseri, R: L. reuteri

- 호 기적 상태에서 CO 2 조건 차이를 통해 다양한 미생물을 분리하였으며, L. reuteri, L. johnsonii, L. amylovorus, L. oris, L. vaginalis, L. mucosae, L. salivarius, L. faecis 와 같은 8종의 Lactobacillus 를 확보하였다(표 3). L. faecis 의 경우 코로나 바이러 스 감염에 따라 증가하기 때문에 장내 유용미생물 후보군으로 제외하였다.

1) Kwon HS, Yang EH, Yeon SW, Kang BH, Kim TY. Rapid identification of probiotic Lactobacillus species by multiplex PCR using species-specific primers based on the region extending from 16S rRNA through 23S rRNA. FEMS Microbiol Lett. 2004 Oct 15;239(2):267-75

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표 3. 분리된 Lactobacillus 리스트 No 1 2 3 4 5 6 7 8

Genus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus 합계

Species oris mucosae salivarius faecis vaginalis amylovorus reuteri johnsonii

수량 1 1 1 2 3 7 16 64 99

- 주요 분리대상으로 선정하였던 L. gasseri는 1차적으로 colony PCR2)을 통해 확인되었지만, 실제 16s rRNA sequencing로 최종확인하였을 때 L. johnsonii 로 확인되었다.

- 현재 Microbiota 분석 시 사용되는 MTP Taxonomy 상에서 Lactobacillus 의 경우 대다수 group으로 표기되고 있다. Lactobacillus gasseri group에는 L. johnsonii가 포함되어 있 는 것으로 확인되어 정상송아지에 존재하는 Lactobacillus gasseri group의 다수는 L.

johnsonii인 것으로 추정된다(표 4).

- 또한 주 분리대상이었던 L. amylovorus 도 확보하였다. 정상송아지와 설사송아지 분석 시 사용되었던 데이터베이스가 현재 버전이 업그레이드됨에 따라 각각 확인되었던 L.

amylovorus 와 L. helveticus 가 Lactobacillus helveticus group으로 통합되어 표기되고 있으나 정상송아지에 존재하는 Lactobacillus helveticus group은 L. amylovorus 일 것으로 추정된다(표 4). 표 4. MTP Taxonomy 상에 Lactobacillus group의 세부 리스트 Lactobacillus gasseri group

Lactobacillus reuteri group

Lactobacillus helveticus group

Lactobacillus gasseri Lactobacillus johnsonii Lactobacillus taiwanensis Lactobacillus hominis CP006809_s

Lactobacillus reuteri Lactobacillus oris Lactobacillus panis Lactobacillus frumenti Lactobacillus antri

Lactobacillus helveticus Lactobacillus crispatus Lactobacillus acidophilus Lactobacillus amylovorus Lactobacillus gallinarum Lactobacillus kitasatonis Lactobacillus ultunensis

2) Matsuda K, Tsuji H, Asahara T, Matsumoto K, Takada T, Nomoto K. Establishment of an analytical system for the human fecal microbiota, based on reverse transcription-quantitative PCR targeting of multicopy rRNA molecules. Appl Environ Microbiol 2009;75: 1961-1969. iMAF_2020 Vol. 6

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부처공동 연구 - 이 런 결과를 통해 Microbiota 분석으로 한우송아지의 장내 유용 미생물 후보군으로

Lactobacillus 를 선정하였으며, 7종의 Lactobacillus 를 분리배양하는 데 성공하였다.

- 또한 실제 축산농가의 한우송아지에게 공급하기 위하여 미생물의 생장특성, 안정성 분석 (항생제 감수성 검사, 용혈검사 등), 전장유전체 분석을 통한 추가적 분석이 요구된다.

3 앞으로 연구계획 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

1 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 병원형별 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 iMAF_2020 Vol. 6

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부처공동 연구 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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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

2 연구결과 및 주요성과 주관연구기관 : 순천향대학교 ● F. fujikuroi 의 병원형별 병 발생 특이 유전자 집단의 기능규명 - B 14 균주의 푸모니신 생합성 유전자군 내 존재하는 전사인자(FUM21 )의 프로모터와 루시퍼레이즈 유전자를 융합한 후 형질전환 방법으로 B14 균주의 유전체에 도입했으며, 해당 유전체 부위에 삽입된 형질전환체를 선발하여 저질소 액체배지에서 특이적인 루시퍼레이즈의 활성을 확인하였다. ● 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 생성량이 B20의 두 배가량 높았다.

- 반면, YMA 배지 위에서는 두 균주 모두 대형과 소형 분생포자를 생성하였으나, B20에 비해 B14의 대형포자 생성량이 두 배가량 낮았을 뿐 아니라 생성 시기도 하루 이상 지연되었다.

- 병원형별 야생균주 집단(각 5 균주씩)에서 포자생성량의 변이는 없었으나 2종의 키다리병원형 야생균주에서 대형분생포자의 생성비가 높았다.

● 전사체 분석을 통한 F. fujikuroi 의 포자와 균사 형성과정 중 유전자 발현 양상 비교

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부처공동 연구 ● Fusarium 병원균의 발생 생태 활용 병 발생 제어 기술의 탐색 - 비 병원성 Fusarium 종을 활용한 병 발생 제어 가능성

제1협동 연구기관 : 강원대학교 ● C. scovillei 의 포자생성 양상 비교 - 광조건 및 공기 공급, pH, 탄소원 및 질소원에 따른 포자생성 비교 ● 고추 품종별 C. scovillei 의 포자생성 양상 연구 - 대 장정 품종의 포자 수가 다른 나머지 품종에 비해 약 45~59% 적은 수의 포자를 생성하였으며, 이 결과는 고추 품종에 따라 고추탄저병원균의 포자 생성에 차이를 나타낼 수 있는 것이 확인되었다. ●고추 품종별 C. scovillei 의 감염 및 발병 특성 연구 - C. scovillei는 부착기를 이용해 고추 과실에 침투하여 병을 발생시킬 수 있음을 확인하였다. ● 포자 특이 유전자집단 중 주요 조절인자에 대한 유전자 기능 분석 및 포자생성 메커니즘 연구 - 포자 특이 유전자에 대한 기능유전학적 분석 ● 고추 과실 감염 특성 규명 및 발병 관련 유전자 선발 - 형광 단백질 형질전환체 및 돌연변이체를 이용한 고추 과실 감염 특성 연구

제2협동 연구기관 : 부산대학교 ●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. gladioli 에 줄어드는 것을 확인하였다. ● 다양한 Burkholderia 세균과 병원성 Colletotrichum 사이 상호 작용 연구 - 병원성 Burkholderia 균주와 Colletotrichum 균주 사이 대치 배양 in vitro assay

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 기주-병원균 상호작용 관련 기능유전체 연구를 통한 다중 공기전염 벼, 고추 병원균의 병 발생 기작의 규명과 이를 활용한 병 발생 제어 전략 기반 구축

4차년도 연구 추진 계획 주관연구기관 : 순천향대학교 벼 Fusarium 곰팡이의 발병 기작 및 생태를 활용한 병 발생 제어 전략의 구축

제1협동 연구기관: 강원대학교 고추탄저병균(C. scovillei)의 공기전반 및 발병 종합적 이해 및 제어전략 연구

제2협동 연구기관: 부산대학교 병원균 사이 상호 작용에 중요한 기능을 하는 유전자 발굴 및 기능 연구

4 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

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

1 연구목표 및 내용 주관연구기관 서울대학교

주관연구책임자

유한상 교수 서울대학교 수의과대학 전염병학교실

연구목표 소 만성 소모성 질병인 요네병의 원인체, Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP)에 대한 비교유전체학 및 기능유전체학적 정보를 기반으로 병원성·신규 유전자원을 발굴하고 이를 진단 또는 예방기법에 활용할 수 있는 기초를 제공하는 것이 본 연구과제의 최종 목표이다.

연구내용 - 병원성·신규 유전자원 발굴을 위하여 host-pathogen interactome 분석을 수행 - 숙주의 면역반응 및 세포 수준에서의 대사변화 등 감염 초기 방어기전을 규명 176 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- MAP의 숙주세포 내 생존기전 등 병원성 기전을 규명 - 과정에서 발굴된 감염 초기 발현이 변화된 신규 및 병원성 유전자들은 결손변이주 제작 등을 통해 그 특성을 규명 - 진단기법 개발 및 백신주개발 등에 활용 가능성을 조사 - 감염 초기 잠복기를 효율적으로 진단할 수 있는 진단기법 개발을 위한 바이오마커를 발굴 - 감염 초기 연관 바이오마커를 발굴하기 위해 목적동물에서의 감염 시기별 혈청을 이용하여 miRNA 분석을 수행 - m iRNA 분석을 통해 잠복기 또는 준임상형에 특이적으로 발현되는 miRNA를 발굴하여 진단 바이오마커로서의 활용 가능성을 조사 -각 miRNA들의 발현 특성을 분석하여 잠복감염 및 준임상형 감염에서의 면역 조절 메커니즘을 규명

공동연구기관 경상대학교

공동연구책임자

신미경 교수 경상대학교 의과대학 미생물학교실

연구내용 - 주관연구기관과 연계하여 기존에 알려진 또는 본 연구를 통해 신규 발굴된 병원성 유전자의 결손변이주 제작 및 변이주의 유전, 면역학적 특성을 분석 - 병원성유전자 결손변이주의 백신효능 평가를 통해 백신 후보물질을 발굴 - 목적동물(자연감염우)의 혈액 유래 단백질을 분석하여 잠복감염 및 준임상형 감염우 특이적인 바이오마커를 발굴하여 진단기법 개발 응용

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부처공동 연구 위탁연구기관 울산과학기술원

위탁연구책임자

김동혁 교수 울산과학기술원 시스템생물학 연구실

연구내용 - 비교유전체기법을 활용하여 MAP의 신규·병원성 유전자를 발굴 - 이를 위해 국내 분리 MAP 균주의 유전체 정보를 완성하고 pan-genome 기법을 활용하여 세계적으로 보고된 MAP 분리주들과의 비교유전체학 분석 수행 - 이 과정에서 국내 분리주의 특이적인 유전자를 발굴하고 이를 검출키트 개발 응용 - MAP 표준균주 및 국내 분리주의 전사단위(trancriptional unit)를 발굴하고 병원성 유전자를 분석 - AP 감염우/감염동거우/비감염우의 분변으로부터 미생물 균총 분포를 조사하여 감염 특이적인 미생물균총 변화를 규명 - 감염 시기별 진단 바이오마커로서의 활용 가능성을 조사

2 연구결과 및 주요성과 Host-pathogen interactome 분석 감염 초기 숙주와 병원체의 상호작용을 분석하기 위하여 in vitro epithelial passage 모델을 고안하였다. 감염 초기에 상피세포가 MAP 감염에 대한 면역반응에 있어 중요한 역할을 한다고

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알려져 있기 때문에 상피세포에 1차적으로 MAP를 감염시키고(epithelial process) 감염된 MAP를 면역세포에 재감염시켜 그 반응을 RNA-seq 기법을 활용하여 관찰하였다. 목적동물 유래 peripheral blood mononuclear cells(PBMC)에 MAP를 감염시킨 후 RNA-seq을 수행하였다.

DEG 분석을 수행한 결과 감염 전반에 걸쳐 Th17 세포들이 주로 활성화되는 것으로 나타났으며 Th1 관련 pathway는 감염 후 24시간에는 활성화되었으나 72시간에는 억제되는 양상을 보였다. 특히, 감염 후 120시간에서 Th17 활성화 관련 유전자들이 직접 감염시킨 그룹에서는 대조군과 차이를 보이지 않은 데 반해 epithelial process를 거친 MAP를 감염시킨 그룹에서는 계속 상향조절되어 있는 것을 관찰하였다. MAP 감염에 대한 PBMC들의 공통적인 반응은 면역세포의 표면수용체의 발현 억제와 LXR/RXR activation 관련 유전자들의 감소였다. 하향조절된 표면수용체는 TLR, MHC class molecules, Fcγreceptor 등을 포함하는 것으로 T cell mediated immune response를 억제하는 기전으로 보인다. LXR receptor는 macrophage의 cholesterol 대사를 조절하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 MAP는 cholesterol efflux 관련 유전자를 감소시켜 생존하는 기전을 가지고 있는 것으로 생각된다.

Host-pathogen interactome 분석의 두 번째 단계로 MAP의 면역세포 감염 시 transcriptome 분석을 수행하였다. Bovine MDM, human THP-1, mouse RAW264.7 등 여러 숙주로부터 유래된 면역세포에 MAP 표준주를 감염시킨 후 감염 초기 샘플에서 total RNA를 추출하여 dual RNA-seq 분석기법으로 host와 MAP의 global transcriptome을 분석한다. 현재 시퀀싱분석 중이며 MAP의 dual RNA-seq 분석 데이터는 전 세계적으로도 희소한 정보인 만큼 해당 연구 분야를 선도할 수 있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.

MAP 감염 특이 바이오마커 발굴 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 조기진단할 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 항체 이외에도 다양한 정보를 나타낼 수 있는 성분들을 다수 포함하고 있다. 그중 본 연구에서 관심을 가지고 있는 성분은 혈청 단백질과

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부처공동 연구 miRNA이다. 따라서 본 연구에서는 MAP 감염 단계에 따라 proteomics를 통해 개체의 혈액 성분을 비교하고, 유의적인 성분 목록을 작성하고자 하였으며 miRNA-seq을 수행하여 감염 단계별 특이적인 miRNA를 발굴하고자 하였다. 비감염군 개체와 MAP 감염된 개체를 감염단계에 따라 구분하여 총 4그룹으로 확정하였다. 혈액을 채취하여 혈청을 수거하였고, 그룹에 해당되는 임상개체들의 혈청을 각각 섞어 분석에 이용하였다. 각 그룹의 혈청을 2-DE를 수행하여 spot 분석을 수행하였으며 image analysis를 통해 유의적인 spot을 선정하였다. 해당 spots은 MALDITOF/MS 분석을 통해 동정하여 유의미한 단백질 list를 작성하였다. 현재 본 연구를 통해 지속적으로 확보한 야외감염우의 감염 단계별 혈청을 이용하여 발굴된 바이오마커의 유효성을 평가 중에 있다. 또한 miRNA-seq 결과를 분석중에 있으며 감염 단계별 특이적인 miRNA list를 작성 중에 있다. miRNA는 면역반응의 조절에도 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있기 때문에 단계별 특이적인 miRNA의 역할을 규명함으로써 요네병의 준임상형 또는 잠복감염에서의 면역조절 메커니즘을 규명할 수 있을 것으로 기대된다.

MAP 균주의 비교유전체학 분석 비교유전체학 분석을 통한 분리주들의 특성 분석은 MAP 균주의 병원성/신규 유전자 발굴을 위해 중요한 접근법 중 하나이다. 본 연구 이전에 국내에서 분리된 MAP 균주들에 대한 전장유전체정보는 전무한 실정이었으며, 5개의 국내분리주에 대하여 whole genome sequence를 분석하여 데이터베이스에 등록하였다. 비교유전체분석을 통해 MAP 균주의 유전적 다양성 및 국내 분리 MAP 균주의 유전적 특성이 분석되었다. MAP 표준주와 국내분리주들의 genomic alignment를 통해 국내분리주들이 가지고 있는 특성이 분석되었고 해당 과정에서 다수의 tandem repeats, large sequence gap들이 발견되었다. 해당 발견은 MAP의 해상도 높은 분자역학적 분석기법 발굴에 있어서 중요한 발견이라고 할 수 있다. 국내분리주들 및 전장유전체 정보가 알려진 40개의 MAP 균주들로부터 기능유전체학적 분석이 수행되었다. 국내분리주의 complete genome과 public database에 있는 35개의 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,

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기존의 역학적인 분석을 통해 알려진 바와 같이 S-type, B-type, C-type으로 구분되는 경향을 나타냈다. 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. 따라서 본 연구에서 수행한 pangenome 분석 결과는 유전적 다양성에 따른 병원성의 차이를 예측할 수 있는 기초자료가 될 수 있다.

대표성과 1. 상피세포 처리에 따른 MAP 감염에 대한 면역반응 변화 규명 본 연구에서 사용된 in vitro epithelial passage model을 통해 상피세포 처리를 받은 MAP는 PBMC 감염 시 Th17 관련 사이토카인 유전자를 지속적으로 상향조절한다는 사실을 관찰하였다. 이에 반해 상피세포 처리를 받지 않은 MAP에 감염된 PBMC에서는 감염 후 120시간에서 대조군과 큰 차이가 발견되지 않았다. 이 같은 사실은 IL-17a cytokine ELISA를 통해서도 확인되었다. 결과적으로 MAP는 숙주에 감염된 후 Th17 mediated immune response를 활성화하는 것으로 판단되며 지속적인 Th17 관련 유전자들의 상향조절은 선천면역반응을 넘어선 Th17 T helper cell들의 분화와도 관련이 있을 것으로 추측할 수 있다. 이는 MAP의 최초 감염 시 상피세포의 역할 규명의 실마리를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

상피세포 처리를 받은 MAP와 그렇지 않은 MAP 감염에 따른 PBMC의 Th17 발현 양상

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부처공동 연구 2. 요네병균의 서브타입 판별용 바이오마커 개발 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 반복서열(GTG)이 S-type에는 세 번 반복되고 C-type에서는 네 번, B-type에서는 다섯 번 반복되는 것을 확인하였다. 기존에 발굴된 SSR가 시퀀싱을 기반으로 한 분자역학적 분석에 사용되고 있으나 해당 SSR는 본 연구에서 최초로 발견되었으며 이 하나의 SSR를 이용하여 S-, B-, C-type을 구분할 수 있기 때문에 가치가 있는 마커이다. 타입 구분을 위한 분석기법은 realtime PCR를 기반으로 한 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.

Real-time PCR를 이용한 MAP의 molecular typing 기법

3 앞으로 연구계획 최종성과목표 유전체 기반 분석 결과들을 활용하여 신규·병원성 유전자를 발굴하고 해당 유전자들을 새로운 진단기법 및 백신 개발의 기초자료로 활용한다.

4차년도 연구 추진 계획 현재까지 수행된 연구결과를 확장하여 병원성 관련 및 신규 유전자를 발굴한다. 발굴한 유전자의 병원성 및 특성을 분석하여 백신후보주 개발 및 진단마커 개발 등을 수행한다. 또한 목적동물에서의

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miRNA 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. 발굴된 신규·병원성 유전자들은 변이주 제작을 통해 기능을 확인하고 병원성에 대한 평가를 수행한다.

4 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 1종뿐이며, 이마저도 낮은 백신효과와 진단 시 교차반응 등으로 인해 전 세계적으로 사용이 권장되고 있지 않다. 그러나 이와 같은 문제는 교차반응을 줄일 수 있는 새로운 진단법 개발, 새로운 아이디어를 활용한 백신 개발 등으로 극복할 수 있다. 효율적인 예방기법의 개발은 MAP가 어떻게 숙주의 면역기전을 회피하는지, 또한 숙주가 MAP의 침입 시 어떤 반응을 보이는지에 대해서 획득면역뿐만 아니라 선천면역 수준에서 어떤 반응을 보이는지 등 숙주병원체 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 host-pathogen interactome 분석에 연구의 초점을 맞추고 있다.

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뉴스클리핑 NEWS Clipping 2020 Vol.6 | 6차년도

01 서울대 이용환 교수 석좌교수 선정 서울대는 탁월한 학문적 업적을 세운 과학자와

노태원 물리천문학부 교수는 금속산화물(세라믹)의

공학자, 경제학자 등 8명을 9월 1일자로 신규

물리현상을 연구해 온 물리학자로 이 분야 국내

석좌교수로 선정했다고 31일 밝혔다.

연구 토대를 세운 것은 물론, 국제학계를 선도한 공을 인정받았다. 특히 새로운 박막 증착 기기를

이번에 선정되는 석좌교수는 이공계 분야 6명과

국내 개발하고 지속적으로 연구해 이 분야 발전에

인문, 사회 분야 2명이다. 이 가운데 4명은

공헌했다.

2017년 9월 선정된 뒤 이번에 재선정됐다. 먼저 마이크로RNA 연구의 개척자로 이 유전물질의

정덕균 전기정보공학부 교수는 고속 디지털

생성원리와 생물학적 기능, 작동 원리를 밝힌

회로 설계 분야 전문가로 고화질 화상을 손상

김빛내리 생명과학부 교수가 선정됐다. 김

없이 디지털로 전송하는 원천기술을 개발했다.

교수는 그 외에도 RNA 연구를 통해 줄기세포와

또 이 기술을 디지털 비주얼 인터페이스(DVI)와

암세포 유전자 조절을 연구했으며 최근에는

고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI)에 적용해

신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19,

세계 산업 표준으로 인정받았다.

코로나19)을 일으키는 사스코로나바이러스2(SARS-CoV-2)의 고해상도 전사체 지도를

새롭게 올해 석좌교수로 선정된 전문가도 4명

처음 밝히기도 했다. 전사체는 바이러스나

포함됐다. 반도체 전문가 황철성 재료공학부

생명체가 단백질을 만들기 전에 생성하는 중간

교수는 반도체 소자와 공정 분야 연구를

단계 유전물질로, 이를 지도화하면 바이러스의

주도했으며 서울대 반도체공동연구소장을

행태를 보다 자세히 파악할 수 있다.

역임하며 산업계 협력과 정부 정책 자문에도 힘썼다. 624편의 과학기술인용색인(SCI) 논문을

현택환 화학생물공학부 교수는 나노 소재 합성

발표하고 100여 명의 석박사를 양성해 반도체

전문가로 세계적 학술지에 400편 이상의 논문을

분야 연구와 교육 양쪽에 큰 공을 세웠다.

발표하며 이 분야 최고의 학자로 꼽히고 있다. 이 가운데 124편의 논문이 124회 이상 인용되며

이용환 농생명공학부 교수는

h 지수가 124를 기록하고 있다. 총 논문

벼 도열병의 발생 메커니즘을

인용횟수는 5만8000회를 넘는다. 특히

밝혀 식물 병을 효율적으로

나노입자를 균일하게 대량생산하는 승온법은

방제하는 기술을 개발했다.

표준 나노입자 합성법으로 널리 쓰이고 있다.

또 병리학과 유전체학, 생물정보학을 결합해 인체

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병원균을 포함한 진행 미생물 연구에 새로운

생활사 분야에서 30여 년간 활동해 왔다. 60여 편의

패러다임을 제시했다.

저서와 100여 편의 글을 발표하며 한국사에서 주목 받지 못하던 부분을 보완하는 작업을 꾸준히

사회과학 분야에서는 수학 및 통계 기법을

진행해 온 공을 인정받았다.

경제이론과 결합해 경제자료를 과학적으로 분석하는 계량경제학 분야 전문가인 황윤재

서울대 석좌교수는 재직 중 전임교원 가운데

경제학부 교수가 선정됐다. 황 교수는 자료 본질적

노벨상을 받거나 이에 준하는 학술상을 수상한

특성을 보다 객관적으로 추론하는 비모수적 추론

사람, 인류사회 발전을 위한 업적이 뛰어나

관련 방법론을 개발해 경제학 등 다양한 분야에

국제기구의 상을 수상한 사람, 각 분야 전문가로

응용하도록 했다. 또 ‘확률적 지배관계 추론법’을

탁월한 학문적 업적을 국내외에서 인정받은

개발해 데이터 기반 정책평가의 핵심 수단으로

사람 등의 기준을 거쳐 선정된다. 서울대는

평가받으며 소득 불평등이나 고령화, 청년빈곤 등

2022년까지 전임교원 정원의 1% 수준인 20명

사회경제적 문제의 분석에 활용되고 있다.

내외까지 석좌교수를 선정할 예정이다.

인문 분야 송기호 국사학과 교수는 발해사와

02

[동아사이언스, 2020년 8월 31일 보도]

농기평, 곰팡이 감염증 조절 31가지 효소 대량 발굴 연세대 반용선 교수 연구팀 주관, 항진균제 원천기술 제공 및 약물 개발 기대

농림식품기술기획평가원(원장 오병석, 이하

때문에, 이를 제어하는 것은 농식품 자원의

농기평)은 “농식품 R&D 과제 지원을 통해 곰팡이

생산성과 먹거리의 안전성을 높이는 데 중요하다.

감염증 조절 탈인산화효소를 대량으로 발굴하는 데 성공하여, 향후 새로운 방식의 곰팡이 감염증

탈인산화효소는 곰팡이의 생체 기능을 조절하고

치료제 개발에 원천기술로 활용될 것으로

세포의 생장과 스트레스 반응 등에 관여하는

기대된다”라고 밝혔다.

신호전달 인자이나, 동물 병원성 곰팡이에서 유전자수준의 탈인산화효소 연구는 부족한

탈인산화효소(phosphatase, 포스파타아제)는

상황이다.

단백질, 핵산, 당과 같은 생분자(biomolecules)에 붙어 있는 인산기(phosphate group)를 떼어내는

이에 농림축산식품부와 농기평은 포스트게놈

효소를 말한다.

다부처 유전체사업을 통해 2018년부터 ‘농·식품 유용 미생물의 다중오믹스 기반 유용 유전자원

감염성 곰팡이는 농가에서 키우는 동물에 감염되어

발굴 및 가치제고화 기술 개발’에 대한 연구를

피부감염증이나 뇌수막염과 같은 질환을 유발하기

지원하였다.

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

있으나, 반대 작용을 하는 탈인산화효소를

개발’로 주관연구기관은 연세대학교 산학협력단이

특이적으로 억제가 가능하다. 대표적인

맡았다.

탈인산화효소 저해제 중 하나인 FK506

제어하여도 곰팡이 병독성 인자를 효과적이면서

(Tacrolimus)는 현재 임상적으로 가장 많이 이번 연구를 주관한 연세대학교 반용선 교수

사용하고 있는 면역억제제 중 하나다”라고 이번

연구팀은 “뇌수막염 유발 병원성 곰팡이인

연구의 중요성을 설명했다.

크립토코쿠스 네오포만스(C r y p t o c o c c u s neoformans)를 모델로 활용하여 병원성 곰팡이

해당 연구팀은 “향후 병원성 곰팡이의 감염증

내의 탈인산화효소 유전자 114개를 발굴하고,

발병 신호전달체계에 대한 통합적 접근을 통하여

이들에 대한 통합적 기능분석과 대용량

관련 유전자의 기능을 명확하게 밝히고, 더

동물실험을 통하여 곰팡이성 뇌수막염을

나아가 전 세계적으로 연 15조원 규모의

일으키는 데 중요한 탈인산화효소 31개를 대량

항진균제 시장에 국내 기술로 진입할 수 있는

발굴하는 데 성공하였다”라고 밝혔다.

원천기술을 제공할 것으로 기대한다”라고 말했다.

크립토코쿠스 네오포만스(C r y p t o c o c c u s

또한, “최근 농·축산업 분야에서 제한된 수의

neoformans)는 동물에게 감염증을 일으키는

항진균제를 사용할 수밖에 없어 항진균제 저항성

주요 연구모델 곰팡이로, 피부감염증이나

균주가 빈번하게 출현하고 있는 실정이므로,

뇌수막염과 같은 곰팡이성 질환을 유발한다.

새로운 작용 기전을 지닌 항진균제를 개발할 수 있도록 본 연구를 이어나가 곰팡이 제어 및

연구팀은 “31개의 탈인산화효소들이 코립토코쿠스의

방제기술 발전에 기여하겠다”라고 덧붙였다.

온도저항성, 병독성 멜라닌과의 캡슐 생성, 다양한 스트레스 조건에 대한 반응 등에 관여하는 것을

이번 연구는 다학제적 과학 분야의 세계적

밝혔으며, 이 중 Xpp1, Ssu72, Siw14 및 Sit4

학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Na t u r e

탈인산화효소가 크립토코쿠스의 뇌감염 과정에서

c o m m u n i c a t i o n s )에 2020년 8월 24일

중요한 뇌-혈관장벽 부착과 통과에 관여함을

게재되었다.

알아냈다”라고 밝혔다. 농기평 오병석 원장은 “동물 감염성 질환에 대한 멜라닌은 자연계에서 흔히 발견되는 흑갈색의

관심이 증가하고 있는 상황에서, 이번 연구가

폴리페놀(polyphenol) 중합체 색소로 열, 자외선

병원성 곰팡이를 효과적으로 저해할 수 있는

및 화학물질에 대한 내성과 항산화 활성을

새로운 약물 개발로 이어진다면, 농식품 분야의

지닌다.

생산성 증대와 안전한 먹거리 제공에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

또한 “최근 인산화효소를 제어하는 방식으로 곰팡이성 감염증을 치료하는 방식이 각광받고 186 |

[뉴스웨이, 2020년 8월 25일 보도]

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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03

농기평, 신품종 종자 개발 가능성 제시 벼의 야생종과 육성 품종 종자 마이크로바이옴 분석

야생종의 유용한 마이크로바이옴을 활용한

특히 품종의 기원이 되는 야생형 종으로부터

신품종의 개발 가능성이 제시돼 기대를 모으고

유용한 마이크로바이옴을 도입해 새로운 품종을

있다.

만들고자 하는 시도가 활발히 이뤄지고 있다.

식물에는 인간의 장내 미생물처럼 뿌리 주변과

마이크로바이옴 관련 연구는 기존에 식물 뿌리

식물 안에 다양한 미생물이 존재한다. 이처럼

주변으로 이뤄졌다. 뿌리 주변의 환경 요인에

식물을 둘러싼 미생물 군집 및 유전체 정보를

많은 영향을 받아 식물과 마이크로바이옴 간의

식물 마이크로바이옴이라 한다.

상관관계를 유추하는 데는 한계가 있었다.

식물과 상호작용을 하는 마이크로바이옴은

농림축산식품부(장관 김현수)와 농림식품

식물의 생장 촉진과 병원성 미생물에 대한 저항성

기술기획평가원(원장 오병석, 이하 농기평)은

부여 등 식물의 생리적 활성 및 발달에 중요하다.

식물과 마이크로바이옴의 직접적인 상관관계를

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규명하기 위해 농식품 연구개발 과제로

세균이라는 것과 △벼의 진화에 세균류

2018년부터 ‘벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용

마이크로바이옴이 큰 영향을 미치는 것으로

기능 연구(서울대학교 이용환 교수)’를 지원했다.

나타났다. 이 결과는 식물의 진화 과정에 마이크로바이옴이 영향을 준다는 상관관계를 세계 최초로 밝혀 마이크로바이옴 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 마이크로바이옴(Microbiome; 2018 JCR IF=10.465)에 2월 14일자로 게재됐다. 서울대학교 이용환 교수 연구팀은 “야생종과 육성품종에 공통으로 존재하는 마이크로바이옴이 모계 유전으로 다음 세대로 전파될 수 있음을

연구를 주관한 서울대 이용환 연구팀은 “이번

확인함으로써 마이크로바이옴 기반의 육종 기술

연구는 기존에 뿌리 주변 마이크로바이옴을

개발 가능성을 보여줬으며, 이를 위해 배양

분석한 연구들과 달리 종자 껍질 안에 있는

가능한 핵심 마이크로바이옴 미생물의 균주를

마이크로바이옴을 대상으로 연구를 진행했으며,

확보했다”고 덧붙였다.

기존 교배 방식이 유전 형질에만 집중했다면 본 연구는 그동안 주목되지 않았던 마이크로바이옴에

연구팀은 “해당 마이크로바이옴은 스프레이

초점을 맞춰 연구를 진행했다”라고 말했다.

형식이나 종자 코팅 등의 방식으로 식물에 접종할 수 있으며, 마이크로바이옴이 식물에 붙어 있도록

연구는 식물 중에서도 전 세계 인구의 절반

잡아주는 역할을 하는 유전 형질을 통해 신품종

이상이 주식으로 이용하는 벼를 분석했으며, 연구

개발이 가능하다는 것을 확인했다”고 설명했다.

결과, ‘벼의 진화에 종자의 유전자 외에도 세균이나 곰팡이 같은 마이크로바이옴이 큰

농기평 오병석 원장은 “이번 연구는 식물의

영향을 미친다’는 결과를 세계 최초로 확인했다고

진화과정과 식물 마이크로바이옴의 구조와

밝혔다.

기능에 대한 상관관계를 최초로 밝힌 데 큰 의의가 있으며, 야생종의 유용한 마이크로바이옴을

이를 분석하면서 연구진은 △자연 교배된

활용한 신품종의 개발 가능성을 제시함으로써

종자(야생종)와 육종의 과정을 거친 육성 품종의

지속가능한 농생명산업 발전에 기여할 것으로

벼를 비교 분석했고 △벼 종에 따른 종자의

기대된다”라고 말했다.

마이크로바이옴(세균 및 곰팡이) 군집과 벼 진화와의 영향을 분석했다. 그 결과 △야생종

[보건뉴스, 2020년 3월 18일 보도]

벼의 핵심 미생물은 곰팡이지만, 육성 품종에서는 188 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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04 우리나라에서 발견된 과수 화상병균의 유전체 해독 연세대는 농림축산검역본부 및 단국대와

유전변이를 분석해 한국 균주는 크리스퍼 I 그룹에

공동으로 우리나라에서 발생한 과수화상병의

해당돼 핵심 유전자 세트를 이용한 유전체

원인균인 '어위니아 아밀로보라'의 유전체 서열을

계통분석을 수행해 미국 캐나다 멕시코 유럽

완전 해독하고 정보를 분석해 전문 국제학술지에

등지에서 분리된 Widely Prevalent 클레이드의

발표했다고 28일 밝혔다.

한 유형에 속한다는 것을 발견했다. 과수의 ‘흑사병’ 또는 ‘코로나’라고도 불리는 화상병은

농림식품부에서 농림식품기술기획평가원을 통해

우리나라에서는 2015년 경기도 안성의 배

지원하는 농림축산식품 미생물유전체전략연구

과수원에서 처음으로 발견됐는데 이는

사업단은 검역본부 식물검역부 단국대와의

동아시아에서 첫 사례이며 뾰족한 방제 대책이

공동연구를 통해 경기도 안성시 충남 천안시 충북

없어 발견 즉시 소각 또는 매몰해야 한다.

제천시에서 2015년에 분리된 화상병 균주 5종의 유전체 전체 염기서열을 완전 해독해 공개하고

화상병은 1780년 뉴욕 허드슨 밸리의 사과 배

다른 화상병 균주와 유전체 정보를 상세 비교

퀸스에서 처음 발병이 보고된 이후 북미에서

분석한 결과를 미국식물병리학회(APS)에서

뉴질랜드 유럽 중앙아시아 등 세계의 여러

출판하는 저명 식물병 연구 국제학술지인 Plant

지역으로 퍼져나가고 있다. 화상병균과 비슷한

Disease에 온라인 게재했다.

‘어위니아 파이리폴리애’ 세균이 일으키는 유사한 병징의 가지검은마름병은 일본과 우리나라에서

연구진은 국내에서 분리된 화상병균의 유전체가

발생한다.

북미에서 발견되는 종류 중의 한 유전형과 매우 가까운 관계인 것을 밝혀내고, 국내에서 발생하고

올해는 화상병이 한반도 내륙지방에 대발생해

있는 화상병은 단 한 번 유입된 병원균이 확산돼

충주 제천 등 충청과 경기 강원뿐만 아니라 전북

초래됐을 것으로 결론지었다. 해독된 화상병균의

익산까지 퍼졌고 경북의 사과 주산지와 나주 진주

유전체는 북미 유럽 등에서 분리된 다른

등 배 주산지까지 위협받고 있는 상황이다. 한국

화상병균과 마찬가지로 약 380만 염기쌍으로

균주의 유전체 해독 및 분석을 주도한 연세대

이뤄진 염색체와 2만8,000 염기쌍의

송주연 연구교수는 “확보된 우리나라 화상병균의

플라스미드로 구성돼 있으며 분석된 균주 수가

유전체 정보는 향후

적어서 단정하기는 어렵지만 검역병원균인

유전학 및 역학 연구에

화상병균의 국내 유입 시점도 첫 발생한

기초 자료로 제공될 수

2015년보다 몇 년 앞서 일어난 것으로 보고 있다.

있으며 화상병 예찰 및 신속 진단방제를 위한

연구진은 세계 각지의 다양한 숙주에서 분리된

기술 개발에도 활용될 수

균주와 유전체 서열을 비교해 찾아낸 다양한

있을 것”이라고 했다.

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김지현 교수는 “농가의

산업화로 연계해 바이오산업의 발전을 견인하고

피해와 커다란 경제적

국가경쟁력 강화를 뒷받침하기 위해 포스트게놈

손실을 야기해 사회적

다부처 유전체사업의 일환으로 2014년부터

현안으로

대두된

농식품부에서 추진하고 있는 사업이다. 사업단은

화상병의 진단과 방제를

현재 추진 중인 2단계 사업에서 농축식품

위한

정보를

마이크로바이옴 연구개발의 초석을 닦고 있으며

제공함으로써 세계로

화상병 예방 및 치료기술의 조속한 개발을

수출되는 우리나라 대표

위해서도 마이크로바이옴 연구가 중요한 기반이

기본

과일인 사과 배의 안전한 생산과 과수 농가의

될 것으로 기대하고 있다.

어려움 극복에 도움이 되기를 바란다”고 밝혔다. 향후 계획에 대해 “국내 화상병균의 유전자 변이

농식품부에서 농기평을 통해 지원하는

여부 확인 및 국외 화상병균의 유입 등을

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업과

모니터링하기 위한 지속적인 화상병균의 유전체

수출전략기술개발사업 농생명산업기술개발사업

정보 분석이 필요하다”라고 설명했다.

그리고 검역본부의 식물검역검사 및 수출촉진 사업으로 수행됐다.

미생물유전체전략연구사업단은 농식품 분야의 유용 미생물과 유전체 정보를 자원화하고 실용화/

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[베리타스알파, 2020년 9월 28일 보도]

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05 반용선·정은지 교수팀, 곰팡이의 뇌 감염조절 유전자 대량 발굴 연세대학교 생명공학과

이 중 Hob1이라는 전사조절인자는 이러한 뇌

반용선·정은지 교수

감염과정에 핵심적인 유전자의 발현뿐 아니라

연구팀이 뇌 감염질환

기존에 알려진 뇌 감염 관련 인자들의 유전자

유발 곰팡이(진균)의 뇌

발현을 조절하는 상위 조절자로 드러났다.

감염조절 유전자를

연구팀은 뇌 감염을 조절하는 상위 유전자

대규모로 발견하고,

Hob1이 뇌 감염질환을 유발하지 않는 다른

감염기작과 관련된

곰팡이에서는 특별한 기능이 없는 것을 확인하여

기능을 규명해 연간 15조원에 이르는 항진균제

Hob1이 곰팡이의 뇌 감염과정에 필요한 핵심

및 진균성 뇌 감염질환 치료제 개발 시장에

유전자임을 밝혀냈다.

진입할 수 있는 새로운 가능성을 열었다. 또한 뇌 감염질환 유발 곰팡이의 이러한 핵심 전 세계적으로 곰팡이로 인한 질병으로 사망하는

유전자가 저해됐을 때 뇌-혈관장벽 세포로의

사람은 연간 150만~200만 명에 이른다. 특히

부착, 통과와 뇌 감염 정도가 감소하고 동물

최근에는 곰팡이가 치매를 비롯한 각종

감염모델의 생존일수가 증가했다. Hob1과 같은

뇌질환과도 연관성이 있다는 연구결과가 속속

뇌 감염조절 핵심 유전자 타깃하는 저해제를

보고되고 있으나, 이러한 곰팡이가 어떻게

개발한다면 향후 새로운 차원의 항진균제 개발로

뇌혈관장벽을 통과해 질병을 일으키는지에

이어질 수 있다.

대해서는 아직 명확히 밝혀진 바가 없다. 그 중 크립토코쿠스증은 전 세계적으로 연간 20만 명

뇌 감염질환 유발 곰팡이는 우리 주변에 다양하게

이상 감염되고 18만 명이 사망하는 주요

존재하며 호흡기를 통해 감염될 수 있다. 주로

곰팡이성 감염질환으로, 그 치료제 시장은 연간

면역력이 저하된 환자(에이즈, 장기이식 및 암

6조~7조원에 이르는 것으로 알려져 있다.

환자 등)나 노인들에게 주로 발병하는 질병으로 알려져 있지만 면역이 정상인 사람에게 감염된

연구팀은 ㈜앰틱스바이오와 공동연구를 통해 뇌 감염질환 유발 곰팡이인 크립토코쿠스 네오포만스를 모델시스템으로 활용하여 곰팡이의 뇌-혈관장벽 통과 및 뇌 감염조절 인자를 대규모로 발견하는 성과를 거뒀다. 병원성 곰팡이의 유전자 중 뇌-혈관장벽을 이루는 세포 표면에 부착하거나 통과에 관여하는 유전자, 뇌 안에서 곰팡이가 생존하는 데 중요한 유전자를 분류해냈다.

예도 있다. 그럼에도 이를 효과적으로 예방하거나 신장 및 간 독성과 같은 부작용 없이 치료할 수 있는 항진균제 약물은 아직 개발되지 못했다. 특히 곰팡이 균이 혈액까지 침투한 이후에는 혈관과 뇌 사이에 있는 뇌-혈관장벽을 자유롭게 통과해 뇌 수막과 뇌를 감염시키는데, 이러한 뇌-혈관장벽은 상당히 작은 크기의 약물도 통과하기 어렵다. 이에 기존의 항진균제 약물을

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뇌 안으로 전달하여 곰팡이 질환을 치료하는 것은

각종 뇌 질환 치료에 가장 큰 이슈인데,

한계가 있다.

뇌수막염균의 뇌-혈관장벽 통과 조절 인자를 반대로 이용하면 뇌-혈관장벽 통과 약물전달시스템

현재 연구팀은 공동연구기관인 ㈜앰틱스바이오와

개발에 활용할 수 있어 획기적이고 응용 범위가

합작하여 뇌 감염조절 유전자 용도에 대한 특허를

넓은 약물전달시스템으로 산업적 가치가 클

출원하는 등 국내 원천기술 확보에 박차를 가하고

것”이라고 추후 활용 방향을 제시했다.

있다. 이를 통해 연간 15조원이 넘는 글로벌 항진균제 시장에 국내 산업계가 진출할 수 있는

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는

교두보를 마련할 계획이다.

기초연구지원사업과 농림축산식품부가 추진하는 미생물유전체전략연구사업단의 지원으로

반용선 교수는 “이번 연구로 밝혀진 뇌 감염질환

진행됐으며, 세계적인 생명과학분야 권위지

유발 곰팡이의 뇌 감염조절 인자를 저해하는

Nature Communications 3월 23일자에 게재됐다.

새로운 항진균 약물의 개발이 가능할 것으로 생각된다”고 전했다. 공동연구자인 정은지 교수는

[교수신문, 2020년 3월 23일 보도]

“현재는 뇌로 약물을 원활하게 전달하는 것이

06 토마토 마이크로바이옴 연구팀, 한광호 농업연구상 수상 연세대학교 농림축산식품 미생물유전체전략연구

조교수) 및 동아대 공현기 박사(국립농업과학원

사업단(단장 김지현)에 참여하고 있는 송주연

농업연구사), 최기혁 연구교수 등 5명이다.

박사(시스템생물학과)를 비롯한 ‘토마토

연구진은 토마토 뿌리 근처 토양의 메타유전체

마이크로바이옴(microbiome, 미생물체) 연구팀’이

(metagenome) 분석과 미생물 분리 및 식물검정을

지난달 31일 제6회 한광호 농업상(기념사업회

통해 토마토 마이크로바이옴과 식물병 사이의

이사장 한태원) 시상식에서 농업연구상을

관련성을 입증했다.

수상했다. 이는 병저항성과 관련된 식물 마이크로바이옴의 한광호 농업상은 우리나라 농업발전에 큰 기여를

구조와 기능을 처음으로 확인한 것일 뿐만

한 농업인과 학자들을 선발하고 격려함으로써

아니라, 병저항성 식물이 병원균에 대항하기 위해

농업인의 자긍심을 고취시키고자 제정한 농업계

토양미생물을 이용한다는 것을 최초로 증명한

최고 권위의 상으로, 8개월간의 엄격하고 공정한

것으로서 식물바이옴(phytobiome) 연구의

심사를 통해 수상자를 선정한다.

신기원을 개척한 것이라 할 수 있다.

수상자는 연세대 송주연 연구교수, 곽민정

유인촌 심사위원장(전 문화체육관광부 장관)은

박사((주)천랩 선임연구원), 권순경 박사(경상대

선정 배경에 대해 “기후 변화로 인해 농작물이

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엄청난 피해를 받는 상황에서 이 연구논문의

표지소개 아티클논문으로 게재돼 학문적 우수성을

가치를 다시 보게 됐고 실제 농가에서 농산업

입증한 바 있으며, 연세대 연구팀에서 유전정보

기술로 활용할 수 있는 발판을 마련했다는 것에

분석을, 동아대 연구팀에서는 식물실험을 주로

감동받았다”고 평했다.

담당했다.

한편 이 연구는 수상자들을 공동제1저자로 네이처

[폴리뉴스, 2020년 2월 12일 보도]

바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)에

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2020 사업단 주요 활동 2019.12.10.

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2019 엠바이옴(mBiome) 컨퍼런스

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균주선정위원회

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2020 사업단 주요 활동 2020.2.12.

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후속사업 기획

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2020.2.12.

농식품부-농기평-사업단 업무회의

2020.4.24.

후속사업 기획 중간점검

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연구비 관리 꿀팁 연구비 집행할 때, 꼭 기억합시다.

2020년 주요 개정사항!

연구비 관리 시스템 변경 각 부처별 개별시스템에서 통합관리시스템으로 변경 변경전

변경후

연구개발비 전산종합관리시스템 http://rndfund.ipet.re.kr/

연구개발비 통합관리시스템 http://www.gaia.go.kr/

연구비 지급방식 및 집행방식 변경 지급 방식

연구기관 유형

집행 방식

일괄지급

대학, 출연(연), 특정(연), 테크노파크, 병원 등 비영리법인, 정부(지자체), 공기업 및 외국 소재의 기관

집행 후 5일 이내

건별지급

기업(대기업, 중견기업, 중소기업, 개인사업자) 및 학회, 협회, 병원 등 비영리법인 중 연구비 관리 전담 부서가 없는 기관

연구비 사용내역 입력 후 진행

연구비 세목의 분리 및 통합 - 연구장비·재료비 → 연구시설 장비비와 연구재료비로 분리

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변경전

변경후

연구장비·재료비

연구시설·장비비 연구재료비

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 연구활동비, 연구과제추진비를 연구활동비로 통합 ※ 회의비, 식대, 사무용품비, 연구환경 유지를 위한 기기·비품의 구입·유지비 및 비영리 법인의 연구실 운영에 필요한 소액의 소모성 경비는 직접비의 5% 이하로 계산한 경우 정산 면제

변경전

변경후

연구활동비 연구과제추진비

연구활동비

이월 사용기준 및 승인 범위 변경 변경전

변경후

직접비 20% 이내 이월가능 500만원 초과 시 전문기관 승인

별도의 승인절차 없이 차년도 이월 가능

간접비 회수기준 마련 - 직접비 집행률이 50% 미만인 경우 직접비 집행률에 맞춰 간접비를 회수 •연구시설 및 장비를 연구기관 또는 공동 활용시설 단위로 통합 관리 예정(추후 확정 안내)

연구수당 최대지급률 추가 및 관리강화 - 개인별 연구수당의 최대지급률은 해당과제 연구수당 총지급액의 70% 초과 불가 - 연구수당 집행률이 직접비 집행률의 20% 초과 시 환수 연구수당 지급액 × (연구수당 집행비율 - 직접비 집행비율* - 20/100) * 전년도 이월금 중 직접비 사용금액 및 해당연도 협약금액 중 직접비 사용금액(연구수당 집행액 제외)을 해당연도 협약금액 중 직접비 총액으로 나눈 값의 비율

참여기업 부담금 납부 기한 확대 - 기업부담금(현금)은 협약 전 납부에서 협약기간 종료 3개월 전까지 납부

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연구비 관리 꿀팁 직접비 내 인건비 항목 추가신설 - 비영리기관 연구부서의 연구행정인력에게 인건비 지급 가능

학생인건비통합관리지정기관의 학생인건비 계상기준 명확화 - (학생연구원) 학사·석사·박사 학위과정(휴학생 및 수료생 포함)에 재학 중에 있는 참여 연구원

영수증서(카드매출전표) 보관방식 - 증명자료 중 영수증서는 「전자문서 및 전자거래 기본법」 등 관련 법령에 따라 전자적 형태로 보존하는 것을 원칙으로 하되, 연구연구기관에 정산시스템이 구축되지 않은 경우 등 부득이한 사유가 있을 때에는 종이문서로 보존

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

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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알아둡시다 과제관리 일정 연월

협약/평가/연구비관리

과제/성과관리

사업단 운영

2020.11

사업단 자체중간평가 실시

연구성과 입력

12

연차실적계획서 수정보완

3차년도 성과 최종 입력

2021. 1

4차년도 연구개시 연구비 정산서류 제출

2

연구비 이월신청 마감

3

연구비 정산결과 제출

2020 엠바이옴 컨퍼런스

(예정) 사업단 과제워크샵

4 5 진도점검

(예정) 사업단 과제워크샵

연구성과 입력

(예정) 2021 엠바이옴 컨퍼런스

6 7 8 9 10 11 12

최종평가 준비

4차년도 성과 최종 입력

연 락 처 과제관리

사업관리실

061-338-9771

S-R&D

상담 콜센터

1566-0369

연구행정

사무국

02-2123-8125

정보·자원 관리

사무국

02-2123-8126

농림수산식품기술기획평가원(iPET)

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(iMAF)

iMAF_2020 Vol. 6

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1단계 (2014년~2018년) 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

김 치

과 제 명

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

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

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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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1단계 (2014년~2018년) 사업 수행과제 2. 연구역량 강화 2014년 협약: 연구기간 4년 구 분

메 타 유 전 체

참 조 유 전 체

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

세부위탁 농 업 생 물 정 보

과 제 명

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

204 |

과 제 명

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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2020. 11. 6. 오후 5:37

Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

과 제 명

연구기관

책임자

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

식 물 병 원 균

동 물 병 원 균

2016년 협약: 연구기간 2년 구 분

공 생 미 생 물

동 식 물 병 원 균

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