농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 소식지 7호가 발간되었습니다.

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Vol.

농림축산식품

8차년도


우리가 물이 되어

강은교 (1945~)

우리가 물이 되어 만난다면 가문 어느 집에선들 좋아하지 않으랴. 우리가 키 큰 나무와 함께 서서 우르르 우르르 비오는 소리로 흐른다면. 흐르고 흘러서 저물녘엔 저 혼자 깊어지는 강물에 누워 죽은 나무 뿌리를 적시기도 한다면. 아아, 아직 처녀인 부끄러운 바다에 닿는다면. 그러나 지금 우리는 불로 만나려 한다. 벌써 숯이 된 뼈 하나가 세상에 불타는 것들을 쓰다듬고 있나니. 만 리 밖에서 기다리는 그대여 저 불 지난 뒤에 흐르는 물로 만나자. 푸시시 푸시시 불 꺼지는 소리로 말하면서 올 때는 인적 그친 넓고 깨끗한 하늘로 오라.


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인사말

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iMAF(농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단) 소개

•사업단 연혁

•포스트게놈 다부처 유전체사업

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

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제23회 농림축산식품과학기술대상 수상

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iGEM / KCCM 소개

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iMAF 수행과제

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생생연구현장(01~21)

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•조기성과 창출

동물 미생물제제

건강기능식품

발효식품

작물 미생물제제

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•연구역량 강화

참조유전체&비교유전체

미생물군집&메타유전체

다중오믹스

유전체정보분석기술

미생물자원 발굴

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•부처공동 연구(Host-Microbe Interaction 분야)

작물 마이크로바이옴

동물 마이크로바이옴

발행일 | 2021년 12월 3일

작물·동물 병원균

발행인 | 김지현

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뉴스클리핑

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사업단 주요 활동

150

최종평가 절차

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알아둡시다

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1단계 과제리스트 및 주요내용

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[참고] iMAF 1단계(2014년~2018년)사업

수행과제

편집인 | 류이현 신상미 강대희 이강진 곽인경 발행처 | 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 주 소 | 서울특별시 서대문구 연세로 50 첨단과학기술연구관 310호 전 화 | 02-2123-7614 팩 스 | 02-2123-8124 홈페이지 | http://www.imaf.or.kr 디자인 | 라온커뮤니케이션 • 여기에 게재된 내용의 일부는 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

iMAF_2021 Vol. 7

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인사말

iMAF 대장정의 마침표, 그리고 새로운 발걸음 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food ; iMAF)은 과학기술정보통신부ㆍ농림축산식품부ㆍ보건복지부ㆍ산업통상자원부ㆍ해양수산부ㆍ농촌진흥청ㆍ산림청 등 7개 부ㆍ청이 참여하는 ‘포스트게놈 다부처 유전체사업’의 일환으로 농식품부에서 추진하는 미생물 유전체 분야의 국가 연구개발 사업단입니다. 우리 사업단은 2014년 8월에 출범하여 2021년 12월까지 지난 8년 동안 ‘조기성과 창출’, ‘연구역량 강화’, 그리고 숙주-미생물 상호작용(Host-Microbe Interaction) 분야의 ‘부처 공동연구’를 핵심 투자 분야로 설정하여 연구를 진행했습니다. 2014년 8월, 첫 과제를 선정한 것이 엊그제 같은데 1단계 4년을 거쳐 2단계 사업의 마지막 4년차도 이제 모두 마무리되어, 총 8년의 사업단 여정도 어느덧 종착역에 와 있습니다. 우리 사업단은 지난 8년간 우수한 연구개발 성과를 가을 대추 만큼이나 많이 거두었습니다. 산업적으로는 김치발효 종균, 유산균 막걸리 등을 개발했습니다. 이는 직접 생산에 적용되어 제품 개선 및 매출로 연결되었습니다. 또한, 총채벌레를 잡는 미생물농약을 개발했습니다. 학술적으로도 많은 우수한 성과가 있었습니다. 식물을 병으로부터 지켜주는 토양 미생물의 발견, 벼의 야생종과 육성 품종 종자 마이크로바이옴 분석, 동물의 장내 미생물군집 정보 데이터베이스 구축, 거세우의 마이크로바이옴 분석 등의 연구결과가 우수한 논문으로 발표되었습니다. 그밖에도 미처 다 열거하지 못한 훌륭한 성과들 모두는 우리 사업단 연구자께서 연구개발에 매진해주신 결실입니다. iMAF 공감! 제7호에서는 우리 사업단 2단계 22개 과제의 4년간의 주요 대표성과와 1단계 18개 과제의 성과를 중점적으로 다뤘습니다. 이번 소식지에 담은 우수한 연구를 해주신 모든 분에게 감사드립니다. 종군 사진기자 유진 스미스(W. Eugene Smith)는 촬영 중 심각한 부상으로 죽음의 고비를 넘기고 나서 ‘The Walk To Paradise Garden’을 찍었습니다. 어린 아들과 딸이 두 손을 맞잡고 멀리 보이는 찬란한 햇빛을

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


아직 길이 어둡더라도 저 멀리 보이는 환한 빛을 향해 나아가야 한다는 것, 한 장의 사진 속에서 그는 그것을 보여주었습니다. 우리는 지금 코로나19로 인해 큰 시련을 겪고 있습니다. 그래서 희망의 빛을 향해 계속해서 걸어 나가는 것, 각자의 꿈을 보듬고 모두의 미래를 향해 나아가는 것이 더욱 중요한 시기입니다. 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단은 이제 8년, 그 짧지 않은 걸음의 마침표를 찍으려 합니다. 사업단에서는 그간 우리가 이룬 우수한 연구개발 성과를 계속 이어나갈 수 있도록 신규 사업 추진을 위해 최선을 다하고 있습니다. 우리 사업단 연구자 모두 The Walk To Paradise Garden - 연구개발의 힘찬 발걸음을 계속하셔서 새로운 국가연구개발사업에서 다시 만나게 될 것을 의심치 않습니다. 내년을 위한 씨앗을 준비하는 마음으로 재도약의 발판을 마련하기 위해 부지런히 노력하겠습니다. 지난 8년간의 연구사업을 성공적으로 이끌어주신 연구책임자와 소속 연구원들의 헌신과 노력에 진심으로 감사드립니다. 더불어 항상 적극 지원해주신 농림축산식품부와 농림식품기술기획평가원 관계자 여러분께도 지면을 통해서나마 감사 인사를 전합니다. 다가오는 2022년은 희망과 기쁨이 가득한 한 해가 되기를 소망합니다.

감사합니다.

사업단장 김 지 현

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

향해 길을 걸어가는 힘찬 발걸음을 담은 사진입니다. 괴로움과 시련 속에서도 삶과 인생은 계속될 것이며


iMAF 소개

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

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

2014. 1

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 출범

2014. 8

산업화 지원 미생물유전체전략연구 7개 과제, 부처공동 연구 2개 과제 착수

2016

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

2017.8

사업추진 방향, 체계, 전략 검토 정비 효율적인 2단계 연구방향 제시

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

2018.4

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

미생물유전체전략연구사업 후속 농식품마이크로바이옴사업 기획

2020.5

2021.9

사업단 후속 및 신규사업 기획연구 추진

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iMAF 소개

포스트게놈 다부처 유전체사업 기초·원천·기반

과학기술정보통신부

※ 유전체 정보분석 공동연구기반 구축 사업

[ 기초·원천 연구, 연구기반 인프라 구축 ]

※ 유전체 미래원천 기술 개발 사업

※ 인간 유전체 이행연구 사업

보건복지부 [ 인간유전체 연구 ]

응용·사업화

농림축산식품부· 농진청·산림청 [ 농생명자원 유전체 연구 ]

산업화 인프라

※ 미래 유전체 연구 인프라 고도화 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

해양수산부

※ 해양생물 유전체 연구 및 활용 사업

[ 해양생물자원 유전체 연구 ]

※ 수산생명자원 유전체 연구

산업통상자원부 [ 산업화 인프라 구축 ]

※ 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


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

GOAL •농식품 미생물산업 육성 기반 마련 및 바이오경제 활성화 VISION

GOAL 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 ●

산업적·경제적 가치가 큰 고부가가치 미생물 제품 개발 및 산업화 – 발효식품(김치, 주류, 발효유, 기타 발효식품) – 건강기능식품(프로바이오틱스 등) – 동물 미생물제제(소화촉진제, 면역증강제 등)

조기성과 창출

– 작물 미생물제제(미생물비료, 미생물농약 등) – 농축산환경개선제

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

– 미생물자원 탐색 및 발굴 – 미생물 군집 및 메타유전체 분석 – 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

연구역량 강화 ●

– 다중오믹스 정보 분석 – 미생물 유전체 정보 분석기술 개발

동식물 마이크로바이옴 기반 숙주-미생물 상호작용 규명 연구 HMI 정보를 활용한 산업화·실용화 지원

Host-Microbe Interaction

– 작물 마이크로바이옴 연구 – 동물 마이크로바이옴 연구

– 동물·작물 병원균 상호작용 연구

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제23회 농림축산식품과학기술대상 수상

과학기술대상 제23회 농림축산식품과학기술대상 수상! 우리 사업단은 제23회 농림축산식품과학기술대상에서 농림축산식품부 장관 표창을 수상했다. 이 상은 농림축산식품 분야의 우수기술 개발과 확산을 통해 농업인 소득증대, 국민의 생활여건 향상 및 농식품 산업 발전에 기여한 연구자를 선정하여 시상하고 있다.

장관표창 : 경북대학교, 신재호 경북대학교 신재호 교수는 친환경 농업미생물제제의 연구 개발을 통한 지역 기업 육성에 기여함을 높이 평가받아 장관 표창을 수상하였다.

주요 실적 - 대표적인 토양 해충인 총채벌레에게 치사 효과를 가지는 백강균을 분리하고 포자 생산능과 치사 효과를 이전 곤충 병원성 진균과 비교 분석 - 이전 곤충 병원성 진균에 비해 총채 벌레에 대한 병원성이 우수하고, 포자 생성농이 10배 이상 우수한 균주 Beauveria bassiana KNU-101을 선정 - 친환경적 해충 방제 수단으로 활용될 수 있는 신규 균주 Beauveria bassiana KNU-101을 국내에서 분리하고 그 기능을 확인 - 기존의 산업화된 국내외의 백강균과의 대조 실험을 통해 KNU-101이 10배 이상 포자 생성능이 우수함을 확인 - 시험 포장에서의 실증을 진행하였고, 입상제형은 66%, 포자의 농도가 높은 과립제형의 경우 80% 이상의 방제가를 확인

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

역대 수상자 2018 근정 포장 전북대학교 김재수 장관 표창 연세대학교 반용선 장관 표창 순천향대학교 윤성환

2019 대통령 표창 ㈜대상 류병희 장관 표창 중앙대학교 강현아

2021 장관 표창 경북대학교 신재호

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iGEM / KCCM 소개

iGEM / KCCM 소개

iGEM

정보자원관리시스템 미생물유전체전략연구사업 정보관리시스템 등록안내

미생물유전체전략연구사업단 미생물 정보 및 자원 관리방법 안내 하나

미생물유전체전략연구사업단

미생물유전체전략연구사업단

정보자원관리시스템

미생물 균주 자원관리

로그인

Bioproject 확인

iGEM.OR.KR은 미생물유전체전략연구사업단의 정보 자원관리시스템(이하 *iGEM)입니다. iGEM으로 업로드된 유전체 데이터는 검증과정을 거쳐 등록완료 후 등록증을 발급하고 있습니다. 등록완료가 된 데이터는 농업생명공학정보센터 (이하 *NABIC)에 자동으로 이관됩니다. iGEM에서 발급된 성과등록증은 연구 과제 정보가 모두 포함 되어있어, 사업단 과제 성과 증빙으로 제출 가능합니다.

Biosample 등록

Experiment 등록

Run 유전체 데이터 업로드

지난 3년(2018~2020년)동안 등록 완료된 성과가 성공적 으로 국가생명연구자원정보센터(KOBIC)에 등록 되었습니다. KOBIC에서는 메타데이터에 대해 영문기입을 우선하고 있습 니다. iGEM 등록시에도 가급적 영문기입을 권장합니다. 다양한 후속연구 및 산업화에 활용할 수 있는 미생물 유전체 성과들은 최장 1년의 공개유예 기간을 거쳐 연구팀간 공유 되어 유전체 연구를 지원하게 될 것입니다.

성과등록증 발급

사업단 유전체데이터 등록을 위한 단계별 안내

iGEM 바로가기

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

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

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


한국미생물 보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, 이하 "KCCM"로 약함)는 1967년 학계화 산업계의 과학자 및 관련 종사자들에 의해 비영리 사단법인체로 발족된 한국종균협회(Korean Federation of Culture Colleftions, 이하 "KFCC"로 약함)의 부설균주기탁 및 보존기관입니다.

미생물유전체전략연구사업단은 사업단 성과로 도출된 미생물 실물자원의 전문적 관리를 위하여 KCCM과 위탁협약하였습니다.

미생물 분양 절차

01

분양신청서 접수

02

재고파악 및 분양

03

수령 한달 이내 생존 확인

전화, 이메일, 팩스

미생물 보관 절차 장기 보존

미생물 균주 자원관리

➊ 등록 양식과 엑셀파일을 다운받아 모두 작성 하여 주십시오(이메일, 팩스 혹은 출력 후 택배에 동봉하여 주십시오).

KCCM에서는 기반 연구 및 HMI 등 연구

➋ 균주는 평판배지 2개를 순수분리된 상태로 택배

성과가 산업화 과제 혹은 후속연구로 이어질

Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

를 통해 보내주십시오.

수 있도록 미생물 균주 실물자원에 대한 공유 체계를 구축하고 그 활용을 책임지고 있습 니다. 이는 사업단 성과로 발생된 균주의 수탁,

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

관리, 분양 으로 사업성과의 선순환 구조의 한 축을 담당합니다. 사업 종료 후에도 확보된 미생물 균주 실물자원이 연구자 및 산업계에 공개 될

균주등록 바로가기

수 있도록 노력을 계속할 것입니다. 이를 위해 서는 사업단 소속의 연구자 분들이 지속적인 성과활용이 필요합니다. 계속적인 균주자원 관리로 실물자원 공유, 협력관계 유지, 정보자원 관리시스템 연계를 통해 미생물 유전체 자원

T E L : +82-2-391-0950, +82-2-396-0950

관리를 지속하겠습니다.

F A X : +82-2-392-2859

실물자원 개별 등록요청 진행

주 소 : 서울시 서대문구 홍제내2가길 45(홍제동) 유림빌딩 3F 한국미생물보존센터 담당자 : 이연희 iMAF_2021 Vol. 7

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iMAF 수행과제

수행과제 ■ 사업단 운영 구분

과제명

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

과제명

연구기관

책임자

주관

유용 미생물 및 유전체 정보를 활용한 양돈장 악취개선 기능성 미생물제제 개발

(주)진바이오텍

강정선

위탁(1)

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

단국대학교

강대경

위탁(2)

악취 저감 미생물 제제의 사양 효능 평가

단국대학교

박재홍

주관

반려견·반려묘 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물제제 개발

(재)농축산용미생물산업육성지원센터

김양선

협동(1)

NGS 기반 반려동물 유용 미생물 유전체 분석

전북대학교

신동현

협동(2)

반려동물용 건강기능성 미생물 제품 개발

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)

박재웅

■ 산업화 지원 미생물유전체 전략 연구 1. 조기성과 창출 구분

동물 미생물 제제

동물 미생물 제제

프로 바이오 틱스 [1]

프로 바이오 틱스 [2]

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


발효 식품 (미강)

발효 식품 (김치)

발효 식품 (주류)

발효 식품 (발효유)

작물 미생물 제제

작물 미생물 제제

과제명

연구기관

책임자

주관

김치 유래 기능성 유산균을 활용한 미강발효제품 개발 및 산업화

조선대학교

최지영

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)

김아진

주관

김치용 프로바이오틱스 개발 및 건강기능 김치 산업화

충북대학교

한남수

협동(1)

김치 프로바이오틱스의 in vivo 건강기능성 규명

세계김치연구소

이세희

협동(2)

오믹스 연구 기반 전통누룩 유래 양조 미생물 자원의 산업화

대상(주)

류병희

주관

반려견·반려묘 장내 마이크로바이옴 기반 면역증강용 미생물제제 개발

한국식품연구원

김재호

협동(1)

전통누룩 유래 고기능성 미생물 자원을 활용한 고부가가치 제품 개발

(주)국순당

신우창

주관

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

연세대학교

윤상선

협동(1)

유전체 기반 발효식품 미생물 기능성 분석 및 면역활성 검사

서울대학교

이주훈

위탁

동물모델 기반 한국 전통 발효식품 유산균의 인지 기능 개선 효능 검증

세종대학교

김형욱

협동(2)

마이크로바이옴기반 장내 환경 개선 효과 검증 및 장내균총과의 상관성 분석

세종대학교

신학동

주관

방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발

인하대학교

김응수

협동(1)

방선균 유래 진균제어 미생물제제 대량 생산 공정 개발

한국생산기술연구원

이도훈

협동(2)

방선균 미생물제제 실용화 연구

(주)에스티알바이오텍

이상종

주관

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

안동대학교

전용호

협동(1)

유용미생물을 활용한 친환경 미생물제제 개발 및 실용화

고려바이오(주)

윤여준

iMAF_2021 Vol. 7

| 13

Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

구분


iMAF 수행과제

수행과제 2. 연구역량 강화 구분

과제명

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 비교유전체 분석

숭실대학교

서정아

협동(2)

농식품 유용 효모 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석 연구

중앙대학교

강현아

주관

농식품 소재 미생물 군집, 메타유전체 및 메타대사체 정보 분석

경희대학교

배진우

위탁

대용량 유전정보로부터 유용 유전자원 발굴 파이프라인 구축 및 유용효소개발

중앙대학교

전체옥

협동(1)

농축산식품 환경별 미생물간 메타대사체-유전체 상관관계 규명을 통한 발효 최적화

건국대학교

이충환

협동(2)

농작물 및 발효식품 환경의 메타유전체 정보 및 시스템 분석

연세대학교

송주연

주관

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

연세대학교

반용선

위탁

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

서울대학교

손호경

세부(2)

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

연세대학교

이동우

위탁

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

건국대학교

윤성호

세부(3)

다중오믹스 플랫폼 기반 농·식 유용 유전자원의 산업적 가치제고화

연세대학교

조현수

분석 기술 개발

주관

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

서울대학교

천종식

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 (원주)

이태권

자유[2]

주관

우리나라 자연발효식품 내 유용 효모 및 초산균 발굴 및 유전체 분석

건국대학교

김동현

자유[3]

주관

오믹스배양기법을 이용한 다기능성 생물방제용 신규 미생물 확보

목원대학교

이효진

자유[4]

주관

장내 마이크로바이옴 기반 식품 기능성 평가 시스템 개발

제주대학교

운노타쯔야

참조 유전체

메타 유전체

다중 오믹스

14 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


구분

작물 마이크로 바이옴

동물 마이크로 바이옴

작물 병원균

동물 병원균

과제명

연구기관

책임자

주관

벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용 기능 연구

서울대학교

이용환

협동(1)

마이크로바이옴 재설계를 통한 작물생산성 증대 기술 개발

한국생명공학연구원

류충민

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(1)

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 Burkholderia의 발병 및 병원성 곰팡이와 상호작용에 의한 복합감염 기작의 규명

서울대학교

유한상

주관

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

중앙대학교

김원용

위탁

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

울산과학기술원

김동혁

iMAF_2021 Vol. 7

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

3. 숙주-미생물 상호작용연구(부처공동)


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

생생연구현장 미생물 유전체 R&D 환경이 급변하고 있습니다. 유전체 연구의 중요성과 활용성이 증대되고 있으며 유전체 기반 기술은 하루가 다르게 급변하고 있습니다. 유전체 연구의 중요성과 활용성이 증대되고 산업적 수요가 급증하면서 세계적으로 주목받고 있습니다. 첨단기술과 접목하여 바이오산업 전반에서 새로운 성장동력을 창출하고 있습니다. 우리 사업단은 세계시장을 목표로 연구의 수월성을 제고하고 글로벌 경쟁력을 확보해 나가기 위해 1단계 및 2단계 8년간 연구과제를 성실히 수행했습니다. 이번 호에서는 2단계 21개 과제 연구팀의 지난 4년간의 주요 성과를 살펴보고 연구수행 종료 후 연구성과의 활용과 기대효과까지 들어보겠습니다.

16 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


조기성과 창출 동물 미생물 제제

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

건강기능식품 (프로바이오틱스)

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

발효식품

• 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

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

• 농식품 미생물 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

미생물 군집 및 메타유전체 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

iMAF_2020 Vol. 7 iMAF_2021

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조기성과 창출

동물 미생물 제제

1

유용 미생물 및 유전체 정보를 활용한 양돈장 악취개선 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 - 개발제품의 적정 포장방법 및 저장안정성 평가 - 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

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


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

iMAF_2021 Vol. 7

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연구목표 사료 내 선발균주의 첨가 및 분무형 미생물제제 살포를 통한 악취저감 평가

연구내용 - 선발 미생물들을 이용한 미생물제제의 첨가수준별 사양평가 - 선발 미생물들을 이용한 분무형 악취저감 살포제 평가 - 악취 저감 효과 규명

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 주관연구기관 : (주)진바이오텍 주관연구기관 연구진은 축산 악취 및 환경 개선을 위한 급여, 분무, 부숙용 제품을 개발하기 위해 지난 4년여 간 관련 연구를 수행하였다. 자연계 및 축분 발효장 시료들로부터 축산 악취 저감 효과가 우수한 80종 이상의 균주를 선발하였다. 이들 균주를 동정하여 사료첨가제로 활용 가능한 후보 균주를 2차 선발한 후 실험을 통해 이들 중 황화수소, 암모니아, 아민 등의 악취 유발 물질을 저감하는 능력이 우수한 Bacillus 및 Lactobacillus 계열 균주 4종을 최종 선발하였다. 최종 선발된 균주를 조합하여 급여용 및 분무용 시제품을 제작하였고 이들이 갖는 효과를 검증하고 타사 경쟁 제품들과 비교하기 위한 사양실험을 농가 및 대학 농장들에서 진행하였다. 또한, 가축 분뇨의 퇴액비화를 촉진할 수 있는 부숙용 제품을 개발하기 위한 실험을 진행중이다. 제품화를 진행하기 위해 급여용 제품은 경구독성평가로 안전성을 검증하였고 분무용 제품은 탈취실험으로 효과를 검증하였다. 이들의 출시를 위한 저장안정성 평가를 진행중이며 적정 포장 방법, 최종 spec, 품질관리 항목을 설정하는 단계에 있다. 21년 9월 현재, 출시 전 급여용 시제품을 판매하여 약 3,600만원의 매출액을 달성하였다.

급여용 제품 (크린바이오프리미엄)

20 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

분무용 제품 (클린케어) 진바이오텍 축산 환경 개선 솔루션 제품화

부숙용 제품 (팜크린-F)


산업미생물학연구실 연구팀은 주관기관에서 예비선발한 균주를 포함한 복합제제 시제품의 효과를 확인하기 위해 돼지의 분변시료를 분석하였다. 악취물질 저감, 생산성 및 강건성 등 효과 평가를 위해 분변시료 내의 유기산(단쇄지방산)의 함량을 측정하였으며, 동시에 유익균(유산균 등)과 악취생성에 관련된 유해균(Eubacterium 속, Clostridium 속 등)들의 장내균총 분포를 바탕으로 시제품의 효과를 평가하였다.

제2위탁 연구기관 : 단국대학교 사료영양학 연구팀은 선발된 악취저감 미생물들을 복합적으로 사용하여 일련의 돼지 사양실험을 진행하였다. 사양실험들이 종료된 후 체중, 일당증체량, 일당사료섭취량 및 사료효율 등의 생산성 평가, 분변을 활용한 영양소소화율 평가 및 분내 악취물질 분석, 혈액특성 분석 등을 수행하여 선발 악취억제균들과 미생물 제제의 효과를 평가하였다. 사료의 소화촉진, 영양소 흡수율 향상 등 이로운 효과가 있는 생균제는 장내균총을 정상화함에 따라 생산성에 긍정적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 단백질 수준에 따른 선발 균주 첨가 급여 육성돈 사양 평가를 통해 선발균주 제제가 위와 같은 작용 기전에 의해 긍정적인 효과를 나타낸 것으로 예상되며, 사료 내 조단백질의 감소가 있었음에도 불구하고 고단백질 그룹과 많은 차이가 나타나지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 이에 따라 생균제는 생산성 개선에 많은 도움이 될 것으로 사료된다.

대표성과 ● 미생물

유전체사업 목표 - 전략미생물 해독 5건 - 유용유전자원 확보 12건 - 메타유전체 분석 2건 - NABIC 등록 7건

● 사업화지표

성과 - 특허출원 2건: - 급여용-축산 악취 저감용 조성물, 분무용-축산 악취 저감 분무용 조성물 - 제품화 2건: 급여용: 크린바이오프리미엄, 분무용: 클린케어 - 매출액 35.9백만원

● 연구기반지표

성과 - SCI 논문 3건 - 학술발표 6건 - 홍보전시 1건 iMAF_2021 Vol. 7

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제1위탁 연구기관 : 단국대학교


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 유전체 기술기반으로 프로바이오틱스 특성을 지닌 유용미생물을 선발하고, 선발한 유용미생물의 기능성을 검증하여 이들 유용미생물을 이용한 반려견/반려묘의 면역증강용 미생물 제제를 개발하는 연구를 수행중이다. 특히, 4차년도에는 3차년도 기능성 평가를 완료한 유용미생물 대상으로 고양이 면역세포주를 이용하여 in vitro 면역력 증진 기능성 평가하고, 환묘 대상 임상시험을 통하여 in vivo 기능성을 평가 중이다. 22 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제1협동 연구기관 전북대학교

제1협동 연구책임자

신동현 교수 전북대학교 신동현 교수 연구팀

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

연구내용 반려견과 반려묘를 포함한 반려동물 장내 마이크로바이오 기반 면역증강용 미생물 제제 개발을 위한 전주기적 유전체 분석으로 기존의 균주가 아닌 직접 개발한 반려동물 유래의 균주를 사용하기 때문에 발굴된 미생물 균주의 프로바이오틱스 원제로서 사용 가능성을 판별하기 위해서 유용 미생물의 특성과 장내 환경개선 효과를 보는 것이 매우 중요하다고 판단된다. 이를 위해서 저희는 반려동물 프로바이오틱스 제품 개발에 관심이 있는 기업 및 기관과 협력하여 반려동물 유래의 균주를 동정하면 본 연구팀이 균주 유전체 데이터를 해독하고 비교 유전체 분석을 통해 균주 고유의 특성을 확인하고 다양한 조건의 반려동물을 대상으로 미생물 급여 전후 장내 미생물 균총 변화를 관찰하여 산업화를 위해 프로바이오틱스의 기능성에 대한 다양한 연구를 수행 중이다. 제2협동 연구기관 우진비앤지(주)

제2협동 연구책임자

이성호 연구소장 우진비앤지 중앙연구소 연구팀 iMAF_2021 Vol. 7

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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 대량배양공정 체계확립 및 완제품 제형화를 통해 유전체 해독 기반 반려동물 면역증강용 프리미엄 미생물 사료첨가제 개발과 반려동물 질병 처방사료용 사료첨가제 개발 연구를 수행중이다.

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 - 반려견과 반려묘 분변에서 미생물을 분리 동정하여 반려견 고유의 미생물 88종과 반려묘 고유의 미생물 100종 등 총 188종의 미생물 자원 확보 - 확보한 미생물에 대한 내산성, 내담즙성, 항균활성, 항생제내성, 장부착능 등 프로바이오틱스 특성을 분석하여 우수한 프로바이오틱스 특성을 나타내는 14종의 미생물 균주 선발 - 이 가운데 반려견 유래 4종 미생물(Bifidobacterium longum CACC517, Pediococcus

acidilactici CACC537, Lactobacillus plantarum subsp. plantarum CACC558, Lactobacillus paracasei subsp. tolerans CACC566)에 대하여 반려견을 대상으로 임상시험을 수행하여 임상전후 분변내 미생물 균총변화를 확인하고 복합적인 임상지표 수치가 임상전후 뚜렷하게 구분되는 것을 확인 - 반려견 유래 미생물 2종에 대한 제품생산 및 제품에 대한 안전성 및 면역학적 증진효과를 확인하였으며 최종적으로 미생물 사료첨가제 형태의 제품(멍멍정장) 출시 - 반려견에서 유래한 기능적으로 우수하다고 추정되는 미생물 균주 6종(Lactobacillus reutri,

Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium longum, Pediococcus acidilactici, Lactobacillus paracasei, Lactobacillus plantarum ) 에 대해서 신규 유전체를 확보하고, 기존의 데이터와의 비교 유전체 분석을 통하여 균이 가지고 있는 특성 확인 - 반려묘 유래 2종 미생물(Lactobacillus rhamnosus CACC612, Bifidobacterium animalis

subsp. lactis CACC789)에 대하여 고양이 면역세포(Fcwf-4)를 이용하여 in vitro 항염증 관련 유전자의 발현이 낮아지는 것을 확인하였음 - 상기 반려묘 유래 2종 미생물 대상으로 임상시험을 수행하여 임상전후 혈액내 임상지표 수치가 임상전후 및 염증관련 면역인자들이 임상전후 구분되는 것을 확인함 - 임상전후 혈액내 염증관련 면역인자들의 수치 감소 확인

24 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


공정체계확립 및 생산수율 검토를 진행하였다. 멍멍정장의 후속으로 신규 반려견 및 반려묘의 완제품 제형화를 시도하여, 간편하게 급여하기 좋은 스틱포장 형태의 제품으로 개발중에 있으며, 마무리 단계로 신규 제품의 포장지 형태, 디자인 및 함량을 선정하여 시제품 제작과 허가사항에 따른 제품 등록 진행 중 - 추가적으로 기존에 없던 Bifidobacterium animalis subsp. lactis 균주를 보조사료의 범위에 넣기 위해 관계 기관과 사료공정 설정 중에 있다. 또한 기호성, 제품 효능, 효과를 기초로 한 홍보자료 (팸플릿)을 제작 중

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 혈액내 임상지표 변화 확인

● 반려견

유래 프로바이오틱스 기능성 미생물 자원의 제품화

● 반려견

유래 미생물 균주에 대한 신규 유전체 해독 및 비교 유전체 분석

● 정상견/환견에서 ● 반려묘 ●반 려묘

장내 마이크로바이옴 다양성 분석

유래 미생물의 숙주세포 면역세포 활성 및 항염증 기능 확인 유래 프로바이오틱스 기능성 미생물 적용 후 혈액내 임상지표 변화 및 염증관련

물질감소 확인

iMAF_2021 Vol. 7

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 반 려묘 유래 2종 미생물에 대한 배양 조건 최적화와 산업배지조성을 바탕으로 대량배양


조기성과 창출

프로바이오틱스

1

감염 억제 및 장 염증 완화 기능 프로바이오틱스 균주 개발

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 연세대학교

주관연구책임자

윤상선 박사 연세대학교 박테리아 감염 조절 연구팀

연구목표 장내 공생 미생물 혹은 병원성 미생물과 숙주간의 상호작용을 분자 수준에서 명확히 규명하는 것을 중점적으로 연구하고 있다. 장내 공생 미생물의 감염에 관련된 특정 기능성 공생 미생물의 효능을 확인하고 장내 공생 미생물의 변화가 숙주에 미치는 영향에 대해 연구를 진행하고 있다. 또한 호흡기 관련 감염 미생물에 저항성을 나타낼 수 있는 특이적인 물질을 연구하여 이를 분자생물학적, 면역학적 측면 등 다각도에서 연구하여 숙주에 나타나는 영향성을 확인하는 연구도 함께 진행하고 있다.

연구내용 - 마우스의 장내에 우점하고 있는 Bacteroides vulgatus 를 분리, 실험하여 이 균주가 장내 병원성 세균의 감염을 억제하는 효능이 있음을 확인하였으며 작용하는 메커니즘에 대해서 규명함. 26 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


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 인증 받는 것을 목표로 연구하고 있다. 마우스 대장 염증 모델을 이용해 atEc 균주의 염증 완화 능력 및 안정성을 검증하고 있다. 제1협동 연구기관 이화여자대학교

제1협동 연구책임자

박시재 교수 이화여자대학교 생물화학공학연구실

iMAF_2021 Vol. 7

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

- 건강한 사람의 장내에 존재하는 Bifidobacterium longum 이 장내 염증 환경을 완화하는 효능이 있음을 검증함. - 마우스 염증 모델에서의 atE c 균의 염증 완화 효과를 검증함. - 장내 미생물의 불균형, 혹은 장내 염증 환경을 완화하는 미생물 균총을 확인하였으며 이를 염증성 장질환과 같은 질병에서도 작용할 수 있음을 검증함. - 호흡기에 감염을 일으키는 병원성 미생물의 감염을 억제하는 특이적인 물질을 발견하였으며 작용하는 기전을 밝혀냄.


연구목표 및 내용 바이오 기반 케미칼, 폴리머, 연료 생산을 위한 미생물 대사공학 연구를 수행하고 있다. 본 연구팀은 장 질환을 포함하는 다양한 질병의 증상 완화를 위하여 감염 억제 및 염증 완화 기능이 검증된 atE c 균주를 대사공학적으로 개량하여 질환 맞춤형 프로바이오틱스 균주로의 개발을 목표로 한다. 또한, 염증 개선을 위해 염증 완화 기능을 활성화 시키는 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 중에 있다. 제2협동 연구기관 (주)마이크로바이오틱스

제2협동 연구책임자

장원 박사 (주)마이크로바이오틱스 연구팀

연구목표 및 내용 주)마이크로바이오틱스는 연세세브란스병원 진단검사의학과교실과 내과학교실 교수들이 직접 설립한 벤쳐기업이다. 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.

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 1. 마우스 모델에서 Bacteroides vulgatus 의 장내 병원성 세균의 감염 억제 능력을 검증

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


검증하였다. 마우스의 분변에서 B. vulgatus 를 분리하였으며 이를 Germ-free 마우스를 이용한 실험을 진행한 결과 B. vulgatus 균주를 이식한 마우스에서는 콜레라균(Vibrio cholerae) 에 대해 저항성을 나타내는 효능을 확인할 수 있었다. 동시에 대사체 분석을 통해서 B. vulgatus 를 중점적으로 한 장내 미생물 균총의 군집에 따라서 대사체의 생산 패턴의 변화가 존재한다는 사실을 확인하였으며, 이는 Short Chain Fatty Acids(SCFA) 가 정상적으로 분포하는 것이 장내 감염 미생물에 대한 저항성을 유지하는데 매우 중요한 요소임을 확인하였다. 결과적으로는 장내에 존재하는 특이적인 미생물과 그 미생물에 의해서 만들어지는 대사체가 장내 감염을 조절할 수 있다는 사실을 규명하였다. 본 연구 결과는 2019년 9월 14일 Microbiome 저널에 “Commensalderived metabolites govern Vibrio cholerae pathogenesis in host intestine” 의 제목으로 출간되었다.

2. 활성 산소 제거 능력이 탁월한 Bifidobacterium longum 균주 분리 활성 산소가 과도하게 생성되는 것은 장내 염증을 유발하는 것과 밀접한 관련이 있다. 이러한 임상 소견을 통해서 본 연구진은 마이크로바이오틱스 연구진과의 협력 연구를 통해서 활성 산소를 제거하는데 특별한 능력을 보이는 공생 미생물 균주를 분리하고자 하였다. 그 결과로 B. longum 균주를 분리 동정하였으며 이 균주는 활성 산소 분해능력이 뛰어난 것으로 확인되고 있다. 사람의 분변에 존재하는 장내 미생물 균총을 활성 산소가 높은 환경에서 배양하여 분리한 B. longum 균주는 활성 산소 분해능력이 탁월하다는 결과를 바탕으로 하여 마우스 염증 모델을 활용하여 전임상 수준에서 뛰어난 염증 완화 효능을 검증하였으며, 동시에 관련 균주의 유전체 분석도 마무리하였다 관련 내용은 “활성산소 제거능을 갖는 신규한 균주 및 이의 용도” 의 제목으로 특허 출원되었다.

3. 마우스 염증 모델에서의 atE c 균의 효과 검증 본 연구팀은 마우스 대장염증 모델에서의 atE c 균의 염증완화 능력을 검증하였다. 마우스 대장에서 분리한 세균총 중에 활성 산소에 대한 저항성을 지닌 atE c 균주의 염증 완화 능력 검증을 위한 실험을 진행하였다. DSS를 이용한 염증성 장질환 마우스 모델에서 atE c 균주를 투여한 군의 경우 대조군에 비해 마우스의 상태가 양호한 것을 확인할 수 있었다. 대표적인 염증 지표인 DAI score를 비롯한 조직학적 면역 염색, 마우스의 대장 길이의 변화, 마우스의 체중 변화 등을 통해 뚜렷한 염증 완화 효과를 확인할 수 있었다. 더불어 atE c 에 의한 장내 면역반응을 확인한 결과 대장 내에서 염증 유발에 영향을 주는 염증성 사이토카인으로 알려져 있는 IL-1β와 TNF 의 발현이 저하되어 있다는 사실을 확인하였으며 또한 장내 면역에 영향을 주는 Th17 세포와 면역조절 T 세포에 영향을 미치는 사실을 확인 규명하였다. iMAF_2021 Vol. 7

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마우스에 우점하여 존재하는 B. vulgatus 가 장내 병원성 미생물의 감염을 억제한다는 사실을


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 않음. 본 연구에서는 마이크로바이옴 분석 기술을 통해 우수한 유산 균주를 발굴하며 세포시험을 통해 염증 억제력을 포함한 다양한 기능성 평가를 진행함. 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 함. 주관연구기관 중앙대학교

주관연구책임자

김원용 교수 중앙대학교 의과대학 연구팀

연구내용 주관연구기관(중앙대학교 의과대학)과 위탁연구기관(마크로젠)과 함께 유전체 연구기반 스트레스 및 2형 당뇨병 통합 개선 프로바이오틱스 소재 개발 담당 30 |

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제2세부 연구기관 중앙대학교

제2세부 연구책임자

황광우 교수 중앙대학교 약학대학 연구팀

연구내용 스트레스 및 2형 당뇨병 통합 개선 프로바이오틱스 소재의 기능 분석

제1협동 연구기관 (주)롯데푸드

제1협동 연구책임자

박재웅 팀장 (주)롯데푸드 연구팀

연구내용 마이크로바이옴 기술을 이용하여 개발된 스트레스 및 2형 당뇨병 프로바이오틱스에 대한 제품 적용연구 및 실용화 연구 수행

iMAF_2021 Vol. 7

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2

연구결과 및 주요성과

연구결과 정상인 분변시료, 장 점막 회복이 된 궤양성 대장염 환자, 로컬 마켓에서 구매한 전통 발효식품으로부터 각각 단일집락을 무작위로 선별하여 MRS 한천배지에 획선평판법으로 분리 접종 후, 미생물 분자시계인 16S rRNA 유전자를 이용한 염기서열 분석을 통해 식품 허용 미생물 및 GRAS급 프로바이오틱스 소재를 선별 및 발굴함.

대표적 발굴 유산균주명 Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus Lactobacillus

acidophilus plantarum brevis rhamnosus sakei subsp. sakei casei

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

- 발굴한 프로바이오틱스 소재의 생리 화학적 특성 조사와 세포 수준에서의 안전성(MTT) 및 항염증 평가를 수행하였고, 배양 배지 최적화(당 이용성, 탄소원, 질소원, 무기염류 종류별, 농도별 분석), 배양공정 최적화(배양온도, pH, 통기 조건, 시간에 따른 생장성 분석) 및 배양 표준화(배양 scale 별 평균 생장성 및 생균수 측정) 연구를 수행하여 프로바이오틱스의 생장 조건을 확립함. - 프로바이오틱스 소재의 전장 유전체를 확보(Pacbio SMRT sequencing을 활용)하고 기능성 유전자를 발굴하여 세포 및 동물 연구에 적용함. 세포 수준에서 담즙·산성 환경에서의 배양과 소장 상피 세포에서의 부착능 확인을 통해 위장관 내 생존 및 생장 효율 확인하고 스트레스 및 2형 당뇨병에 대한 개선 효과(Cortisol 분비, 당분해 효소 활성, 지방분화 억제)를 확인함. 또한, 이를 동물 연구에 적용하여 당뇨 지표(공복혈당, GTT, ITT 등) 및 면역 조절지표(지방세포 내 염증성 사이토카인 등) 분석을 통해 후보 균주의 스트레스 및 당뇨 질환의 개선 효과를 확인하였음. - 선정된 프로바이오틱스 소재를 대상으로 현장생산용 배지를 확립(RSM 통계법 활용 탄소원, 질소원 및 각 농도, 배양시간 등)하고, 배양공정 scale-up(fermenter 활용 배지 및 배양조건 최적화, 공정개발)을 시행하였으며, 최적화 조건을 적용하여 프로바이오틱스 소재 제품 적용연구(발효유 및 유제품)를 수행함. - 사람 단핵구 세포주를 활용하여 M1(전염증성 반응 매개) 및 M2 대식세포 분화(항염증성 반응 매개) 양상을 연구하였으며 프로바이오틱스 소재가 전신성 염증 상태를 완화한다는 결과를 도출함. - 소장 상피 세포주와 지방 세포주에서 프로바이오틱스 시생산 소재의 스트레스 및 당뇨에 의한 serotonin 분비와 지방분화 억제 조절 효능을 확인하였음. - 또한, 스트레스성 당뇨 질환 마우스 모델에 대해 체중 및 혈당의 조절, 스트레스에 영향을 주는 호르몬인 corticosterone의 조절, 지방조직을 통한 비만 유도성 염증 조절 기능 및 기전을 32 |

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조건을 확립함. - 선정된 프로바이오틱스의 소재화 및 대량생산을 시행하고 현장 수준의 원료 생산과 제품 적용 및 유통 안정성을 평가함. - 제품 적용성 연구를 수행하여 분유 및 성인 영양식 자체 브랜드를 개발하였으며 공정조건별 안정성 검증을 시행하고 제형을 확대 적용(비스킷, 초콜릿 등 일반 식품 제품별 보관 안정성 확보)함. - 인슐린 분비능이 저해된 인슐린종 세포주에 대한 인슐린 분비능 회복 여부를 확인하여 시제품의 만성 전신성 염증반응에 의한 인슐린 분비량 회복 효과를 확인함. - 시제품에 대한 스트레스 및 당뇨 질환 마우스 모델에서의 효능 검증 연구를 수행한 결과, 스트레스 및 2형 당뇨병 질환의 개선 효과를 확인하였음. - 추가로 뇌, 장, 지방조직으로부터 스트레스와 당뇨 지표에 대한 발현량을 분석하여 brain-gut axis의 상관성을 규명할 예정임. - 시제품 소재의 제형별 적용(제과, 과채 음료 등)과 안정성 검증을 시행하고 사균체 혹은 대사산물 소재의 현장생산을 표준화하고 임상 이전 사전 효능 평가를 위한 전임상 플랫폼을 구축함.

대표성과 - 연구과제 수행을 통해 발굴한 균주를 적용하여 제품을 개발하고 출시함. - 연구과제 수행 결과물인 L. plantarum LRCC5310 균주에서 유래된 대사산물인 세포 외 다당류를 분유에 적용하여 제품을 출시하였으며, 출시한 이후 매출액 37억 원을 달성하였음. -성 인용 단백질 보충제 시장에서도 본 연구과제 수행을 통해 발굴한 L. plantarum LRCC5314 균주 소재를 적용하여 필수 영양 성분 섭취에 의한 면역상승 유도뿐만 아니라 L. plantarum LRCC5314 소재의 섭취를 통한 장 건강 개선 및 혈당 상승 조절 효과를 가진 시니어 맞춤형 케어푸드 제품을 출시하였음. - 연구과제 수행을 통해 발굴한 균주들과 효능에 대한 특허를 각각 등록 및 출원하였음.

연구과제 수행을 통해 발굴한 균주를 적용한 제품 출시

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규명하였으며 장내 마이크로바이옴에서 도출한 결과를 바탕으로 brain-gut axis 규명을 위한 실험


조기성과 창출

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

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 조선대학교 김치연구센터

주관연구책임자

최지영 교수 조선대학교 김치연구센터 연구팀

연구목표 기능성 미강발효제품 개발 및 생산 (Lab scale)

연구내용 - 기능성 미강발효제품 개발 - 기능성 미강발효제품의 특성 조사 - 기능성 미강발효제품의 성분 분석 - 기능성 미강발효제품의 저장 안정성 평가

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제1협동 연구기관 경희대학교

제1협동 연구책임자

김해영 교수 경희대학교 식품생화학 연구실

연구목표 유용유전자 발굴 및 확보

연구내용 - 항비만 효과가 있는 W. koreensis 의 유전체 분석 - 항콜레스테롤 효과에 관여하는 유용유전자 발굴

제2협동 연구기관 경상대학교

제2협동 연구책임자

김정환 교수 경상대학교 식품미생물학 연구실

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연구목표 김치 유산균 미강발효물의 대사경로 도출

연구내용 - 대사체 분석기술을 이용한 김치 유산균 미강발효물의 대사경로 도출

제3협동 연구기관 CJ제일제당(주)

제3협동 연구책임자

김아진 박사 CJ제일제당(주) 연구팀

연구목표 미강발효제품의 제품화 및 사업화

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

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 주관연구기관 : 조선대학교 김치연구센터 1) 기능성 미강발효제품 개발 - 동결건조 조건(진공동결건조, -70℃)와 열풍건조 조건(항온항습, 55℃)을 최적화함.

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plantarum EM의 경우 약 pH 3.6-3.9로 나타남. - 미생물학적 특성: 동결건조 후 미강발효물의 생균수는 약 10-1000 CFU/g, 열풍건조 후 미강발효물의 생균수는 약 0-100 CFU/g으로 나타남. - 기 능성 평가: W. koreensis DB1 미강발효물의 경우, TLC와 HPLC를 통해 대부분의 arginine이 ornithine으로 전환됨을 확인하였으며 L. plantarum EM 미강발효물의 경우, 약 40~68%의 콜레스테롤 저하능을 나타남.

3) 기능성 미강발효제품의 성분 분석 - 일반성분: 미강발효물은 약 1.4-4.9%의 수분 함량을 나타냈으며 조회분 함량은 약 8.810.1%로 나타났고 조지방 함량은 16.5-18.3%를 나타냄. - 영양성분: 유기산 분석 결과, W. koreensis DB1 미강발효물은 Lactic acid와 acetic acid 함량이 증가하였으며 L. plantarum EM 미강발효물은 Lactic acid 함량이 증가함. 유리당 분석 결과, 두 시료 모두 발효 후 glucose 함량이 크게 감소함. 유리아미노산 분석 결과, W.

koreensis DB1 미강발효물은 arginine 함량이 감소하고 ornithine과 citruline 함량이 증가하였고 L. plantarum EM 미강발효물은 변화가 나타나지 않음.

4) 기능성 미강발효제품의 저장 안정성 평가 - 4℃와 상온에서 각각 저장 12개월까지 저장하여 미생물학적 특성 분석 결과, 모든 시료에서 유해 균주 및 일반 세균은 검출되지 않았음. 기능성 분석 결과, W. koreensis DB1의 오르니틴 함량은 제조직후와 동일하게 유지되었으며 L. plantarum EM의 콜레스테롤 저하능 또한 제조직후와 유의적 차이가 나타나지 않음.

대표성과 No

논문명

Rice bran fermentation using Lactiplantibacillus 1 plantarum EM as a starter and the potential of the fermented rice bran as a functional food

학술지명

등급/IF

비고

Foods

SCIE 4.350

2021, 10(5), 978

제1협동 연구기관: 경희대학교 1) Lactiplantibacillus plantarum EM의 유전체 분석 -L . plantarum EM의 전장유전체 해독을 수행함. EM은 1개의 chromosome과 8개의 plasmid로 구성되어있고, genome size는 3,618,689 bp, GC content는 44.2%, 3618개의 protein이 존재함.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2) 기능성 미강발효제품의 특성 조사 - 이화학적 특성: 미강발효물의 발효 후 pH는 W. koreensis DB1의 경우 약 pH 5.6-5.7, L.


- 항콜레스테롤능이 확인된 L. plantarum EM의 유전체에 항콜레스테롤 관련 유전자가 존재하는지 in silico 분석으로 확인하였고, 기존에 보고된 L. plantarum 과 비교유전체 분석을 수행함. 그 결과 L. plantarum EM의 게놈에는 다른 L. plantarum 게놈보다 많은 5개의 항콜레스테롤 관련 유전자(bsh, bile salt hydrolase) 5개가 확인됨. 또한, L.

plantarum EM의 게놈상에는 EPS를 생성하는 대사경로가 존재하였음. -L . plantarum EM을 포함하여 51개의 L. plantarum에 대한 비교유전체 분석 결과 6132 pangenome, 1576 core-genome, 3146 accessory-genome, 1410 unique-genome이 확인되었고, 1410개의 unique-genome 중 EM에만 특이적으로 존재하는 unique gene은 83개로 확인됨.

2) Weissella koreensis HJ 및 DB1의 유전체 분석 - 항비만 효과가 확인된 W. koreensis HJ 및 W. koreensis DB1에 대한 전장유전체 해독을 수행함. W. koreensis HJ는 15개의 contig로 구성되어 있으며, genome size는 1,427,157 bp, GC content는 35.6%, protein 수는 1400개로 확인됨. W. koreensis DB1은 1개의 chromosome과 1개의 plasmid로 구성되어 있으며, genome size는 1,502,799 bp, GC content는 35.6%, protein 수는 1417개로 확인됨. - NCBI에 등록된 다른 W. koreensis 와 함께 비교유전체 분석결과 1556 pangenome, 1146 core-genome, 246 accessory-genome, 164 unique-genome이 확인되었고, W. koreensis HJ의 unique gene은 93개, W. koreensis DB1의 unique gene은 8개로 확인됨.

3) Leuconostoc inhae PG7 및 Leuconostoc gasicomitatum CH3의 유전체 분석 - 저온성 유산균인 Leu. gasicomitatum CH3 및 Leu. inhae PG7의 전장유전체를 해독함. -L eu. gasicomitatum CH3의 genome size는 1,863,940 bp, protein 수는 1822개로 확인되었고 전장유전체를 RAST subsystem에 분류한 결과 protein metabolism에 관련하는 유전자비율이 가장 높았음. -L eu. inahe PG7의 genome size는 2,049,228 bp, protein 수는 2034개로 확인됨. 전장유전체를 RAST subsystem에 분류한 결과 amino acids and derivatives 관련 유전자 비율이 가장 높게 확인됨.

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No

논문명

학술지명

등급/IF

비고

1

Analysis of cultivable microbial community during kimchi fermentation using MALDITOF MS

Foods

SCI(E)/ 4.350

2021. 10, 1068

2

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

Food Microbiology

SCI(E)/ 5.516

2021. 94, 103641

제2협동 연구기관: 경상대학교 1) 3차년도 대사체 분석에 따른 대사 경로 도출

그림. 3차년도 미강에 W. koreensis DB1을 접종하여 발효한 발효액의 대사경로도

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

대표성과


2) L b. plantarum EM 균주를 미강에 접종하여 0, 24, 48 시간 발효한 발효액의 열풍건조 시료를 대상으로 대사체 분석 - LC/MS 기반 PLS-DA score plot 상에서 positive mode에서 261개 물질들이 분석. 151개가 유의적 차이를 보였으며 10개 물질이 동정되었다. - GC/MS 기반 PLS-DA score plot 상에서 30개 물질들 중 15개가 유의적 차이를 보임. 14개가 동정되었고 VIP>1.0인 lactic acid, citric acid, sorbitol, gluconic acid, sucrose가 시료들간의 차이에 관여하는 것으로 확인됨. - 발효에 따른 당, 아미노산, 유기산, 지방산들 함량 변화 측정한 결과 glucose, fructose, sucrose, gluconic acid들은 발효에 의해 감소함. 아미노산인 alanine, threonine, glutamic acid 들도 감소함. Malic acid와 citric acid는 발효시간 증가에 따라 감소되나 lactic acid는 증가함. 발효 48시간에 lactic acid는 4배 이상 증가함. 인지질계열 대사물질인 LPCs (14:0, 16:0, 18:1, 18:2) 와 1-(Dimethylamino)-2-propanyl (9Z)-9-octadecenoate, diacetyl obscuraminol들은 발효가 진행될수록 감소되는 경향을 보임.

대표성과 No

논문명

학술지명

Microbiology and Characterization of the Recombinant Biotechnology Glutamate Decarboxylase of Lactobacillus 1 Letters 49(1): brevis G144 Isolated from Galchi Jeotgal, a 9-17. Korean Salted and Fermented Seafood.

등급/IF

비고

Scopus

2021.03.28.

제3협동 연구기관 : CJ제일제당㈜ 1. 제형 다양화 다양한 제형의 확대 적용을 위한 제형 연구 : 액상 제품의 적용성 증대를 위한 초미세분말화를 통한 물 분산성 향상 조건 테스트 진행 (ACM, 기류분쇄기) ▶ 입도분석 - 입도분석기 : Beckman Coulter, LS 13 320 XR - Carrier fluid : EtOH 평균 입도(㎛)

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

기존(Hammer mill)

초미세분말(ACM)

375

85


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

▶ 단백질 음료 적용성 테스트 - 단백질 5%, 초미세미강발효물 5%, 유지 2%, 레시틴 0.1% - 유화 homogenizer 5min 후 물분산성 측정을 위해 한시간 방치

균질 후 o min

균질 후 60 min

 물분산성 매우 우수하여 음료 제형에 적합함을 확인

2. 제품 적용 확대 21년 11월 출시 예정인 리턴업 신제품에 적용을 위한 포뮬레이션 테스트 및 유통기한 테스트 진행 중

3. 발효 컨텐츠 개발 및 홍보 미강발효물의 우수성 및 산업화 관련 언론 기사 홍보 예정(10월내) 4. 유산균 발효 미강분말 CJ 건강 제품 소재 적용 리턴업 발효효소 베이직 제품 적용 후 21년 매출액 : 650백만원(21년 1월~현재)

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조기성과 창출

발효식품(김치) 김치용 프로바이오틱스 개발 및 건강기능 김치 산업화

1

연구목표 및 내용

연구목표 및 내용 본 과제에서는 기능성 발효 균주를 선정하고, 생물학정보기술을 이용한 프로바이오틱스 종균의 특성(발효 적성, 건강기능성, 안전성)을 규명하고, 기능성 및 효능을 검증하여, 발효 종균 생산 공정을 표준화하여 고부가가치 기능성 식품을 개발 및 출시하여 매출액 창출을 연구개발목표로 한다. 이를 통해 프로바이오틱스 특성을 가진 김치유산종균의 기능성 규명 및 안전성에 대한 과학적 정보를 제공하여 김치의 우수성 및 이미지 제고의 기여, 김치 프로바이오틱스 사용한 김치의 고급화는 김치산업의 매출증대로 이어지고 김치의 국제화 및 수출증대에 기여할 뿐만아니라 다양한 식물성 건강발효식품 개발 및 상품화에 기여하고자 한다. 주관연구기관 충북대학교

주관연구책임자

한남수 교수 충북대학교 효소발효공학 실험실

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


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 우래 분리주 등 다양한 유산균 후보 균주를 확보하여 장내에서 안정성을 가지고, 항암, 항염 및 장 잘환 개선 기능을 가지는 우수 균주를 발굴하고, 멀티오믹스 기반 분석을 위한 표적 유전자 선정, 이를 이용해 최종 선정된 프로바이오틱스 균주의 기능성 및 안전성을 규명한다. 또한 선발된 기능성 프로바이오틱 유산균의 김치 환경 적응 및 품질 개선을 위한 김치 적용 기술을 확립하고 더 나아가 비유제품 프로바이오틱 스타터로서 연구하고 있다.

제1협동 연구기관 세계김치연구소

제1협동 연구책임자

이세희 박사 세계김치연구소 연구팀

연구목표 및 내용 김치 프로바이오틱스의 건강 기능성 규명을 최종 목표로 설정하여 연구를 진행하고 있다. 위 목표를 달성하기 위해 프로바이오틱스 균주의 유전체 정보를 기반으로 기능성을 예측하여 in vitro test, 대사체 분석 등의 검증 과정을 거치게 된다. 동물질환(알콜성 간손상, 인지기능저하)모델을 구축하고 김치 프로바이오틱스로 인한 질환개선 효능을 확인하기 위해 면역학적 방법, 행동 분석 방법 등을 이용한다. 또한, 투여한 프로바이오틱스 균주로 인한 동물 장내의 미생물의 균총 변화 확인 및 기능성이 검증된 프로바이오틱스 균주의 안전성을 확인한다.

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연구목표 및 내용


제2협동 연구기관 대상(주)

제2협동 연구책임자

류병희 부장 대상(주) 신선연구팀

연구목표 및 내용 분리한 유산균 중에서 알코올 분해능이 뛰어난 균주를 알코올 및 알데하이드 분해 효소 활성 및 , HepG2 세포를 이용하여 간세포 보호 및 염증성 사이토카인 억제 효능이 있는 유산균 2종을 최종 개발 하였다. 본 과제에서 개발한 프로바이오틱스 균주 장건강, 간건강, 정신건강 균주를 활용하여, 김치발효 종균으로 적용성을 검증하고, 이를 김치 프로바이오틱스 종균으로 사용하고자 한다. 개발된 프로바이틱스 종균을 산업화 하여 건강기능성, 맛 품질, 발효품질이 우수한 김치를 생산하여 김치 매출 및 소비자 건강에 이바지 하고자 한다.

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 주관연구기관 : 충북대학교 김치용 프로바이오틱스 개발을 위한 기초 연구로 국내 고시형 프로바이오틱스 17종 균주를 김치묘사배지에서 배양특성을 관찰하고, 김치를 제조하여 GC/MS, NMR을 통한 대사산물 분석, 관능평가를 진행하여 김치와 저온에서 잘 성장하고, 김치의 품질에 부정적인 영향을 주지 않는 균주 2종 (Limosilactobacillus reuteri, L. fermentum)을 선발하였다. 이 연구결과를 바탕으로 인체 분변, 발효식품 등 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 44 |

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junction protein의 발현양 증가, 단쇄지방산 (SCFA)의 농도가 증가하는 것을 관찰하였다. 이들 균주를 종균으로 배추김치, 나박김치, 백김치를 제조하여 대사체 분석, 관능평가를 진행하였고, 김치 맛에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 상업용 김치 종균인 Le. mesenteroieds DRC1506과 발표 패턴이 유사하기 때문에 김치 종균으로서의 기능성을 확인하였다.

김치용 장건강 프로바이오틱스 후보 균주 발굴 연구 성과

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감소를 억제하였으며, 염증 점수(DAI score)를 유의하게 감소시켰다. 또한 유산균 섭취로 인해 tight


제1협동 연구기관 : 세계김치연구소 1, 2차년도의 연구성과로 선발된 유산균(Lacticaseibacillus paracasei CBA3611)의 기능성을 확인하기 위한 동물실험을 기획하였다. 정신건강도움(인지기능 개선)을 확인하기 위한 프로바이오틱스 균주의 기능성 확인 방법은 다음과 같이 진행되었다. ICR 마우스에 유산균(CBA3611 균주)을 3주간 투여하였고 4주차부터 1주간 scopolamine을 투여하여 인지능 저하를 유발하는 방법으로 실험모델이 확립되었다. 인지능평가는 두 가지 행동실험(Y-maze, fear conditioning test)으로 진행되었다. 실험 결과, 기능성 유산균 CBA3611의 섭취는 인지능 저하를 예방하는 경향을 확인할 수 있었고, 혈액 내 세로토닌의 함량을 유의적으로 높이는 것을 확인하였다. 또한 유산균 투여로 인해 SCFA중 하나인 butylate의 생산이 확인된 미생물(Lachnospiraceae 등)의 증가를 유도하는 방법으로 마우스 장관 내 균총 조절, 개선의 효능이 있음을 확인할 수 있었다.

정신건강 도움(인지기능개선)을 위한 프로바이오틱스 균주 특성 분석

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본 과제에서 개발한 기능성 균주 장건강, 간건강, 정신건강 균주를 활용하여, 김치발효 종균으로 사용 적합성에 대한 소비자 컨셉 조사 결과를 바탕으로 각 김치를 제조하여 소비자 관능 조사를 진행 하였으며 이를 토대로 김치 종균으로 적용하고자 한다. 최종 선발균주, 장건강 프로바이오틱스 종균을 활용하여 대량생산에 적합한 유산균 배양시스템을 확립하고 발효품질 안정화를 위한, 현장 적용검증을 진행하였으며, 김치 제조 후 김치발효품질을 확인함으로써, 김치 종균으로 사용 적합성을 검증 하였다. 컨셉조사 결과를 바탕으로 간건강 후보 균주 발효 특성 및 컨셉에 맞는 김치 (L. brevis DRC301), 정신건강 후보 균주 발효 특성 및 컨셉에 맞는 김치(L. paracasei CBA3611)/ 장건강 후보 균주 발효 특성 및 컨셉에 맞는 김치(L. reureri 14)를 제조하여 품질 특성을 확인하였으며, 최종 장건강

L. reureri 14균주를 김치 산업화에 선발 하였다.

장건강, 정신건강, 간건강 유산균 김치 적용성 검증

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제2협동 연구기관 : 대상(주)


조기성과 창출

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

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 한국식품연구원

주관연구책임자

김재호 본부장 (재)농축산용미생물산업육성지원센터 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 종균화 하고 고부가가치 기능성 제품으로 산업화 한다.

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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 45여년간 전통주의 기본 원료인 누룩과 미생물 연굴를 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 - 선별 유산균의 Probiotics 효과 검증 - Probiotics 검증된 유산균의 종균화 및 제재화 - Probiotics 적용 가능성 시제품(주류/음료) 레시피 개발 iMAF_2021 Vol. 7

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2

연구결과 및 주요성과

연구결과 1. 가장 큰 제품군을 형성하고 있는 것은 Probiotics 재재를 이용한 제품 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 진행중이다. 전통누룩 유래 237개의 균주에서 갈락토오스 이용능력, 내산성, 내담즘산성, 내고온성을 평가하여 가장 기능성이 높은 Saccharomyces cerevisiae 28-7 균주를 선정하였다. 장염증 개선 효과를 확인하고자 마우스를 이용한 동물 실험을 진행하였다.

장내염증 완화효과가 있는 것을 확인했을 뿐만 아니라 다양한 염증지표 개선함을 확인할 수 있었다.

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 알려져있다. 본 연구진은 아플라톡신 안전 규제 및 전통주의 안정성확보를 위하여 전통주발효에 유해한 Asp. flavus 의 생육 및 아플라톡신 생성 억제를 하고 전통주발효에 필요한 Asp. oryzae 의 생육을 방해하지 않는 유산균을 발굴하였다. 유전적 특성을 확인하여 아플라톡신 저해 기작을 확인하는 연구를 진행하고 있다.

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N17-2 (P. pentosaceus)

N41-1 (P. acidilactici)

N33-1 (W. paramesenteroides)

N33-2 N44-1 N44-2 (W. paramesenteroides) (W. paramesenteroides) (W. paramesenteroides)

그림. 곰팡이 생육억제 6종의 유산균

3.숙취해소를 위한 아세트알데하이드 저감화 균주 발굴 및 적응진화를 통한 개량 전통누룩에서 분리한 유산균 중 고기능성 균주를 선발을 위하여 본 연구에서는 숙취 유발 물질 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. 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. 약 200 번의 계대배양을 통해 기존 대비 아세트알데하이드 저항성이 있는 사카로마이세스 세레비지애 균주를 얻을 수 있었으며 실제 아세트알데하이드 분해능 확인 결과 대조군 대비 75.7 % 감소시킨 것을 확인할 수 있었다.

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Control (MRS broth)


아세트알데하이드 함유 배지에서 적응진화시킨 변이주 6 종에 대해서, 아세트알데하이드 20 mM 함유 배지에서의 배양한 후의 아세트알데하이드 분해능을 비교한 그래프

4. 전통누룩 유래 미생물 자원을 통한 기능성 주류 개발 전통누룩의 과학적 해석 및 제조기술 표준화를 마련하기 위하여 지역별의 평균 온도와 습도 데이터를 수집하고 지역환경에 따른 효소 및 미생물학적 특성 등의 차이를 비교 분석하였다. 이를 통해 동일한 원료와 제법으로 제조되더라도 온도 및 습도, 공기 중의 microbiota 차이를 극복하여 지역 환경 기반 맞춤형 전통 누룩 제조 기술의 표준화를 설립하였다. 전통누룩 유래 유용 유산균을 발굴하여 Lactobacillus plantarum KL-4, Lactobacillus

plantarum KM-7, Lactobacillus KSD-KJ-3 등 Probiotics 특성에 적합한 균주들을 확보하여 기능성 주류 맞춤형 유산균 고농도 배양 기술을 연구 하고 있다. 이를 통해 프로바이오틱스 막걸리를 출시하여 맛, 향 및 기호도가 향상된 막걸리를 출시하였다.

유산균이 함유된 프로바이오틱스 막걸리 출시

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효모 대량 배양 기술을 확립하고자하는 연구를 진행하였다. 효모활성이 우수한 술덧을 확인하고 이를 통해 다양한 Pilot scale을 통해 발효능 및 효모수를 분석 후 최적 배양조건을 확립하였다.

Pilot scale 용량별 효모 배양

확립된 조건을 통해 본 연구에서 발굴한 전통 누룩유래 막걸리 효모인 KSD-YC가 주로 발효능을 나타내는 균주인 것을 확인하였다. 이를 통해 국순당 생막걸리를 리뉴얼하여 좋은 평가를 얻어내었다.

KSD-YC 효모 배양을 적용한 시제품 관능 평가 결과

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국내 주류 맞춤형 효모에 대한 연구부재 및 생산업체도 한정되어 있기 때문에 본 연구진은 맞춤형


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 임체적용시험 샘플 제조 및 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

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제1협동 연구기관 서울대학교

제1협동 연구책임자

이주훈 교수 서울대학교 식품마이크로바이옴 연구실

연구목표 인체적용시험 생체 시료 분석을 통한 고기능성(스트레스 완화)과 장내균총 변화 상관성 분석

연구내용 - 국내 전통발효식품에서 분리된 고시형 프로바이오틱스의 in vitro, in vivo 기능성 분석 및 우수 프로바이오틱스 후보군 선발 - 선정된 균주를 스트레스성 질환자에게 섭취 시킨 후 장내균총 조성 변화와 인지 기능 개선 (스트레스 완화) biomarker의 상관관계 분석

제1위탁 연구기관 세종대학교

제1위탁 연구책임자

김형욱 교수 세종대학교 질환 신경생물학 연구실

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연구목표 인지 기능 감소 동물모델(알츠하이머 모델)을 기반으로 기 선별된 국내 전통 발효식품 유래 기능성 미생물의 인지 기능 개선 효능 검증

연구내용 한국 전통발효식품 유래의 in vitro, in vivo 프로바이오틱 효능 분석을 통해 선정된 우수한 기능성 발효식품 미생물 후보군을 활용, 인지 기능 감소 동물모델 (알츠하이머질환 모델)에 대한 증상 개선 효능 검증 연구 수행

제2협동 연구기관 세종대학교

제2협동 연구책임자

신학동 교수 세종대학교 식품미생물학 및 마이크로바이옴 연구실

연구목표 한국인 장내균총 배양시스템 기반의 한국 전통발효식품 유래 기능성 미생물이 한국인 장내 마이크로바이옴에 미치는 특성 및 유익 기능성 평가를 통한 고기능성 균주 개발

연구내용 - 한국인 장내균총 배양시스템 기반의 한국 전통발효식품 유래 기능성 유산균 균주의 한국인 장내 환경 개선 효과 검증 - 마이크로바이옴 기반 질환 동물 모델 내 선별 유산균주의 장내균총 유익 변화 및 면역/인지 관련 기능성(스트레스 완화) 검증

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연구목표 및 내용

고기능성을 지닌 발효식품 유래 미생물(유산균)을 이용한 기능성 제품 개발 및 상품화

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 주관연구기관 : 매일유업(주) 매일유업(주)는 1~3차년까지 2개 협동기관, 1개 위탁기관에서 진행한 기능성 평가 연구 결과를 바탕으로 선별된 유산균주의 인체적용시험을 위하여 삼성서울병원과 연계하여 IRB 심사 승인을 획득함. 아울러 인체적용시험을 위한 유산균 분말스틱 제품 배합비 구축, 생산 공정 설정을 완료하고, 유산균 분말스틱 시제품을 생산하여 삼성서울병원에 공급, 스트레스 완화 인체적용 시험 진행 중에 있음.

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제1협동 연구기관 : 서울대학교 한국 전통발효식품으로부터 분리된 발효 미생물을 활용하여 프로바이오틱 기능성을 평가함. 분리된 미생물에 대하여 내산소성, 내열성과 같은 가공 특성 평가와 위산/담즙산 내성, 장 정착능, 면역조절능을 평가하여 기능성이 우수한 균주 Lactobacillus plantarum 37, 50, 182균주와

Bifidobacterium bifidum 193균주를 선정함. 선정된 균주의 면역조절능 및 장내 정착능과 인지 조절능을 확인하고자 전임상 동물실험을 진행하여 가장 우수한 균주인 L. plantarum 182와 B.

bifidum 193균주를 선발하였음. 선발된 균주에 대해서 유전체 분석 기반의 기능성 유전자 탐색 연구 및 유전체 수준에서의 안전성 평가를 진행하였으며, 항생제 내성 평가, 용혈 활성 평가, 독소생성 평가 및 대사적 특성 평가를 통해 안전성을 입증함. 현재 선정된 균주에 대해서 인체적용시험이 진행 중에 있으며, 인지 기능(스트레스 완화) 및 면역조절과 장내 균총 변화와의 상관관계를 분석하여 인지 개선/면역조절 기능성을 검증하고자 함.

제1위탁 연구기관 : 세종대학교 인지 기능 감소 동물모델(알츠하이머 모델)을 활용하여 기 선별된 기억학습 기능성 유산균주(L.

plantarum 50, B. bifidum 193)의 효능 검증을 수행하고자 함. 사람의 알츠하이머 질환에서 발견된 돌연변이가 도입된 알츠하이머 질환 마우스 모델(5XFAD)을 기반으로, 질환 증상 발현 시점까지(6개월 이상) 사육한 후, 기 선별된 기억학습 기능성 유산균주를 개별 투여 중이며, 알츠하이머 질환의 대표 증상인 기억학습 능력 이상, 과행동 증상, 불안 증상 등을 측정하여 인지 기능 감소 증상 개선 효과 관찰 중에 있음.

제2협동 연구기관 : 세종대학교 마이크로바이옴 기반의 동물모델 내 기 선별된 유산균주의 장내균총 유익 변화 및 인지 기능 개선 관련 기능성 분석을 진행함. 동물모델이 섭취한 유산균주에 따른 장내균총 상대적 풍부도 차이 확인 결과, 유산균주 섭취 기간이 증가할수록 마우스 건강과 밀접한 연관을 지니는 장내미생물인

Akkermansia 의 상대 함량이 증가함을 확인함. 또한, 동물모델에 처리된 유산균주에 따른 기능적 유전자 프로파일 추정을 위해 최신 분석 기법인 PICRUSt2를 도입, 분석을 수행한 결과, control 그룹과 비교하여 유산균주 처리 그룹에서 유익한 기능적 능력이 예측됨. 아울러 질환 동물모델에 처리할 유산균주 확보를 위해 혐기조건 내 기능성 유산균주 배양 방법을 개선, 최적화를 진행함. 개선된 배양 방법은 미생물의 활성을 높이고 동일한 조건에서 성장할 수 있도록 하며, 혐기조건 배양 시 CFU가 동일하게 유지됨을 확인함.

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● 특허

No

발명의 명칭

줄원번호

발명자 성명

출원일자

1

면역 조절 능력이 있는 조개젓갈유래 신규한 락토바실러스 플란타럼 182

10-2019-0173899

이주훈

2019.12.24

● 논문

No

논문명

학술지명

주저자명

IF

게재일

1

Microbiome sturdy of initial gut microbiota from newborn infants to children reveals that diet determines its compositional development

Journal of Microbiology and Biotechnology

Hye-Jin Ku

2.351

2020.04.09

Gut Microbes

You-Tae Kim

10.245

In submission

Cysteine-dependent methionine biosynthesis and its 2 regulation mechanism of Bifidobacterium longum

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대표성과


조기성과 창출

작물 미생물 제제

1

방선균 유전체 기반의 농작물 진균 제어용 미생물 제제 개발

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 인하대학교

주관연구책임자

김응수 교수 인하대학교 미생물분자생물공학 실험실

연구목표 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 특성규명

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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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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

연구결과 1. 항진균 활성이 우수한 4종의 방선균 균주 선별 및 유전체 분석 ● 항진균

활성이 있는 방선균 선별 - 한국생명공학연구원(KRIBB)으로부터 방선균 2419종 분양 후 Fusarium oxysporum(대표적인 식물병원성진균)과 Candida albicans (항진균 활성 확인을 위한 범용 진균)에 대해 대한 항진균 활성 테스트 완료 (방선균 2419종 중 148종을 선별) ● 우수하며

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신규성이 있는 방선균 균주 선별

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- 항진균 활성을 갖는 천연물의 분리정제 및 활성 비교분석 - 12종의 식물병원성진균에 대한 추가적인 항진균활성 확인 (Aspergillus niger, Fusarium

oxysporum, Fusarium solani, Fusarium graminearum, Fusarium verticilliodes, Fusarium semitectum, Alternaria alternata, Botrytis cinerea, Phytophthora cactorum, Rhizoctonia cerealis, Colletotrichum gloeosporioides, Curvularia lunata) ● 선별된

방선균 4종에 대한 유전체 분석실시 - whole genome sequencing 실시 - 유전정보분석 (anti-SMASH 5.0 프로그램을 이용하여 유전자 분석 실시) - 유전정보분석을 통해 유용한 이차대사산물 생합성 유전자 후보군 선별하고 필수 유전자의 knock-out을 통한 생합성 유전자 증명 - 선정한 균주 내에 존재하는 유용 생합성유전자군의 분리 및 이종숙주발현

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 ● 대량

배양조건 최적화 (고농도의 균체확보를 위한 최적화) - 회분식 배양에서 배지농도 조절 - 용존산소 농도에 따른 회분식 배양 조건 확립

3. 친환경 유기농제제의 개발을 위한 식물병원성진균 제어능 및 안정성 검증 ● 농작물에

대한 식물병원성진균 제어능 및 식물의 약해 확인 - 고추, 딸기, 토마토에 대한 화분수준의 포장실험 결과 방제율 50%이상으로 가능성 확인 - 선별된 방선균 균주의 토양적응력 검증을 통해 항진균 활성을 갖는 천연물 생산을 위한 배양보다는 고농도 균체 확보를 위한 배양최적화 진행 (경제적인 생산배양) - 약해시험결과 식물체에는 해가 없음이 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

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- 16s rRNA sequence기반의 phylogenetic tree 분석을 통한 신규성 검증


● 고체형

제제의 안정성 검증 - 제제의 기간별 CFU측정 (106 CFU/g 유지, 시제품의 유효기간 선정 작업 진행 중) - 제품등록을 위한 독성시험, 유해성 물질분석, 제품 원제의 이화학성 등 농촌진흥청 지정 시험기관에 의뢰하여 수행 중

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● 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 기술이전함 ● 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 매카니즘 이해에 기여함

● 3.

실제 농작물을 이용한 화분 및 포장 실험을 통해 약해 증명 잎마른병을 일으킨 고추, 딸기, 토마토를 이용한 약해 실험 결과, 방제율 50%이상의 진균 억제효과가 있다는 사실을 규명함

● 4.

미생물 배양 기술 및 항진균 물질 정제 배지와 배양 스케일의 최적화를 통해 미생물 제제의 상용화을 위한 균체확보와 항진균 물질의 정제 기술 확보함

대표성과 1. 기술이전 방선균 기반의 항진균 미생물제제 대량생산 및 실용화 기술 / 기술이전 유형 : 노하우 ●

2. 논문 - Kang, Hahk-Soo, and Eung-Soo Kim. "Recent advances in heterologous expression of natural product biosynthetic gene clusters in Streptomyces hosts." Current Opinion in Biotechnology 69 (2021): 118-127. - Park, Heung-Soon, et al. "Screening and isolation of a novel polyene-producing Streptomyces strain inhibiting phytopathogenic fungi in the soil environment." Frontiers in bioengineering and biotechnology 9 (2021). ●

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

대표성과


조기성과 창출

작물 미생물 제제

2

유전체 분석 기반 사과병해 방제 및 가지과 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 - 유용미생물의 유전체 해독을 통한 미생물의 기능성 유전자 및 항균물질 구명 - 유용미생물의 기능성과 효능 검증 - 고부가가치 기능성 미생물제제 개발

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

연구결과 생물학적 방제는 환경친화적이라는 일반적인 장점외에도 기존 화학약제에 내성균이 발생하는 상황에 대처할 수 있는 매우 유용한 방법이다. 본 연구실에서 분석결과, 상기 그림과 같이 기존 화학약제에 내성을 나타내는 사과탄저병 균주가 다수 출현하고 있으며, 몇몇 약제에 대하여는 내성균주가 우점하고 있어 농가에 피해가 상당하였다. 이에, 본 연구실에서는 내성균주들을 MLST, 생물학적 특성 등으로 분리 동정하고, 이들에 대한 항균활성 및 식물생장촉진 연구를 수행하고 있다. 선발된 유용미생물들은 Whole genome sequencing, 활성물질 분석 등의 심화 연구를 거치게 되며, 제제화 연구, 시제품 제작, 농가실증시험 등의 일련의 제품화과정을 통하여 농민에게 직접 도움이 되는 제품으로 출시되게 된다.

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<탄저병균의 약제별 저항성 분석>

1. 약제 내성균 발생현황 및 분리

약제 저항성균에 대한 항균효과 및 실내검정

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2. 유용미생물 특성분석

약제 저항성균에 대한 항균효과 및 실내검정

3. 유용미생물의 제제화 및 대량생산 최적화, 시제품 제조, 효과 검증 경제성 검토를 위해 고추 탄저병에 대한 경쟁제품군과의 비교평가를 실시하였으며, 유사한 미생물을 유효성분으로 하는 경쟁제품군보다는 탄저킬이 상대적으로 우수한 효과를 보였으며, 최근 다양한 살균효과로 각광받고 있는 황을 유효성분으로 하는 유기농업자재와 비교평가 결과, 동등한 효과를 보여 탄저킬은 미생물을 유효성분으로 하는 유기농업자재임에도 불구하고 충분한 경제성과 사업성이 있음을 확인하였다.

무처리구

탄저킬

세라탄

<미생물제제의 고추탄저병 방제효과>

4. 제품화, 공인기관시험 및 사업화 시제품의 제품화를 위해 공인시험기관에서 주성분분석, 독성시험, 유식물 약해시험, 병원성미생물검사, 잔류농약검사를 진행하여 2개의 시제품을 병해관리용 유기농업자재로 공시하였다(탄저킬, 세라탄). 추가로 2개의 시제품에 대한 공인기관시험을 진행 중이다. iMAF_2021 Vol. 7

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가장 먼저 제품화가 완료된 탄저킬은 출시 첫해인 2020년 약 1천만원, 2021년(8월말 현재) 약 2천만원의 매출실적을 창출하였으며, 소비자가격 기준으로는 약 2배에 상응하는 경제적 성과를 달성하였다.

대표성과 유기농업자재 공시 2건 탄저킬 (공시-2-4-167호), ●

세라탄 (공시-2-4-175호) ●

허 특 바실러스 테퀼엔시스 GYUN-300 및 이의 용도. 출원번호: 10-2021-0030073.

문 논 Characterization of Bacillus velezensis AK-0 as a biocontrol agent against apple bitter rot caused by Colletotrichum gloeosporioides. Kim YS., Lee Y., Cheon W., Park J., Kwon H-T., Balaraju K., Yoon Y. J. Kim JY. Jeon Y. 2021. Scientific Reports. 11: 626.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연구역량 강화

참조유전체 농식품 유용 미생물 참조유전체 해독 및 비교유전체 분석

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 경북대학교

주관연구책임자

신재호 교수 경북대학교 세균 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

공동연구기관 고려대학교

공동연구책임자

이하나 교수 고려대학교 세균 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

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

연구내용 - 농·식품 표준 세균의 참조유전체 확보

• 농업(비료, 농약, 축산 활용) 및 식품(발효, 효소, 건강 활용) 산업에 활용하고 있거나 활용이 가능한 균주를 대상으로 균주 선정

• 참조유전체 정보 고도화를 위한 고품질의 핵산 추출, NGS, 분석 시스템의 지속적 업데이 트를 통한 표준 파이프라인 구축

- 비교유전체 분석을 통한 농·식품 유용 세균 및 유전자원 탐색

• 확보된 표준 세균의 참조유전체를 기반으로 비교유전체 분석 및 농·식품 유용성 근연 균주의 확보

•Phylogenomics 분석을 통한 균주 및 유용 유전자의 진화적 상관성 규명

•Pan-, core-genome 분석을 통한 기능유전자 후보군 발굴 및 고품질 주석화

- 미생물 유전체 통합 DB 구축 및 분석 정보 제공

•산업화 및 실용화를 위한 유용 유전자원 검색 기능 제공

•확보된 표준 유전체의 DB 구축 및 균주 은행 조기 운용

제1협동 연구기관 숭실대학교

제1협동 연구책임자

서정아 교수 숭실대학교 사상성진균 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


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

연구내용

- 농·식품 유용 사상성진균의 고품질 참조유전체 확보 • 우리나라 농·식품 유용 사상성진균에 대한 분리 및 동정, 고품질 참조유전체 해독, 정밀조립, 주석화 방법에 대한 pipeline 확립

•농·식품 유용 사상성진균 10 종 이상의 완전해독 참조유전체 확보 및 NABIC 등록

- 참조유전체를 활용한 근연종 간 비교유전체 분석을 통한 유용 유전자원 확보

•국내외 근연 진균 종의 비교유전체 분석으로 우리나라 자원의 우수성 검증

• 비교유전체 분석으로 농ㅍ식품산업 유용 효소, 유용물질 생합성 관련 유전자원 확보 및 활용 정보 체계화

- 국내 농업 유용 사상성진균 유전체 정보 표준화 및 참조·비교유전체 DB 구축

•국내 고유 사상성진균 고품질 유전체 정보 제공을 위한 DB 구축

•기본 검색 및 유용유전자 분석 가능한 시스템 구축

제2협동 연구기관 중앙대학교

제2협동 연구책임자

강현아 교수 중앙대학교 효모 유전체 및 생물정보 분석 연구팀

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

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

연구목표


연구내용 - 농·식품 유용 효모 참조유전체 정보 생산

•다양한 농업현장 및 전통발효 식품 유래 효모 유전체 분석 대상 선정

•최신 NGS 기법 활용 de novo 유전체 해독, 유전체 구조 정밀 분석 및 물리지도 완성

•완전 해독 참조유전체 서열 및 RNA-Seq 정보 통합 분석 기반 고품질 주석화

- 농·식품 유용 효모 비교유전체 분석 기반 유용 유전자원 발굴

• 참조유전체 기반 근연종들과의 비교유전체 분석을 통한 진화적 유연관계 및 유전적 다양성 규명

•비교유전체 분석을 통한 유용 유전자군 발굴 및 기능적 특성 검증

- 농·식품 유용 토종 효모 유전체 정보 통합 DB 구축 및 정보 체계화

•한국형 농·식품 효모 기반 유용 유전자원 발굴을 위한 참조 및 참조유전체 통합 DB 구축

•국내 최초 농·식품 효모 유전체 비교분석용 Web 기반의 DB 구축 및 운영

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 주관연구기관 : 경북대학교 & 공동연구기관 : 고려대학교 1. 친환경 농업미생물제제 개발을 위한 미생물 분리 및 특성 분석 (장관표창 수상) 토양 해충인 총채벌레에 특이적으로 방제 효과를 가지는 백강균 (Beauveria bassiana KNU101)을 분리하고 포자 생산능과 치사 효과를 이전 곤충 병원성 진균과 비교 분석을 진행함. 기존의 곤충 병원성 진균에 비해 분리균주가 방제 효과가 우수하고, 포자 생성능이 10배 이상 우수하다는 것을 확인함. 본 연구 결과는 2021 농림축산식품부 장관 표창을 수상하였음.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


예방하기 위한 연구가 계속되어 왔음. 본 연구에서는 토양 마이크로바이옴을 이용하여 연작 피해 예측을 판별하는 모델을 개발하였음. 본 연구는 농업 분야에서 인공지능이 활용 가능할 것이라는 가능성을 보여준 연구로, 농업 분야 권위 국제학술지인 Journal of Agriculture and Food Chemistry에 지난 7월 28일 표지 논문으로 발표되었음.

3. 발효식품 유산균 Lactiplantibacillus plantarum 비교 유전체 분석 식품산업에서 활용도가 높은 유산균인 L. plantarum 균주의 다양성에서 기인할 수 있는 안정성 문제를 보다 면밀히 검증하고 또한 산업적 활용 가능성을 높이기 위하여, L. plantarum 전장유전체를 분석함. 이 종은 세 개의 lineage로 분화되어 진화 중인 것을 확인하였으며, 이들 lineage를 구분하는 특징은 bacteriocin의 일종인 plantaricin 생합성 여부였음. 계통 분석 결과, 이 종은 세 개의 lineage로 분화되어 진화 중인 것을 확인하였으며, 이들 lineage를 구분하는 특징은 bacteriocin의 일종인 p l a n t a r i c i n 생합성 여부였음. Pl a n t a r i c i n 은 L .

plantarum 이 장내에서 다른 미생물들을 제어하는 데 중요한 역할을 하므로, lineage A 계통이 lineage B 계통에 비해 장내환경에 더 특화된 균주인 것을 확인함. 해당 연구 결과를 바탕으로 향후 유산균 균주 선정 시 plantaricin합성 능력을 고려하게 될 것으로 기대함. 본 연구 결과는 Scientific Reports에 accept되었으며, 추가 연구 성과로는, Frontiers in Microbiology에“ VicPred: A Vibrio

cholerae genotype prediction tool” 논문을 발표하였음.

제1협동 연구기관 : 숭실대학교 1. 농·식품 유용 사상성진균 참조유전체 해독, 분석 및 유전체 정보 등록 완료 국내 2021년 현재까지 총 10여건 이상의 농·식품 유용 사상성 진균 10종 이상의 완전해독 참조유전체 확보하고 NABIC과 NCBI에 등록하였음. (Aspergillus sp. (3종), Rhizopus sp. (1종), Fusarium sp. (6종)) 전장유전체 분석을 통해 Applied Biological Chemistry에 “Fermentation profiling of rice wine produced by Aspergillus oryzae KSS2 and

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2. 인삼 연작피해 예측 모델 개발 및 토양 미생물 분석 인삼 연작 피해가 오랜 기간 동안 지속되어 오면서, 이를 예측하고


Rhizopus oryzae KJJ39 newly isolated from Korean fermentation starter” 논문을 게재하였음.

2. 참조유전체 기반 비교유전체 분석을 통한 유전자 발굴 및 유전자원 확보 Protease 활성(단백질분해능) 및 Cellulase 활성(섬유소분해능) 우수 균주의 단백질 분해효소와 cellulose 분해효소 등 농·식품산업에서 활용도가 높은 유용 효소 생합성 유전자를 발굴하였음. 또한 산업적 활용가능성이 높은 사상성진균의 유용한 이차대사산물 생성 관련 유전자 클러스터 비교 분석을 통한 유전자원 발굴 및 확보를 진행 중에 있음. 이러한 유용 유전자원을 발굴한 내용을 바탕으로 Frontiers in Microbiology에 “pH Changes Have a Profound Effect on Gene Expression, Hydrolytic Enzyme Production, and Dimorphism in Saccharomycopsis

fibuligera”의 제목으로 논문을 발표하였음.

3. 국내 농업 유용 사상성진균 유전체정보 표준화 및 참조·비교유전체 DB 구축 국내 고유 사상성진균 고품질 유전체 정보 제공을 위한 DB를 구축하고, 기본 검색 및 유용유전자 분석이 가능한 시스템을 구축하였음.

제2협동 연구기관 : 중앙대학교 1. 전통 장류 유래 Hyphopichia 효모의 유전체/전사체 통합분석 기반 신규 내염성 기작 규명 국내 전통 누룩에서 발굴된 Hyphopichia 효모가 갖는 특이하게 높은 내염성 및 내삼투압성을 유전체와 전사체 통합 분석을 수행하여 Hyphopichia 효모는 유전체 구성부터 아미노산 운반체, ATP-binding cassette (ABC) 수송체에 관련된 유전자들이 많이 존재하며 특히 전사체 분석을 branched-chain amino acids 대사가 내염성에 중요한 기능을 수행하고 있음을 새롭게 규명하고 미생물 분야 상위 15%에 해당되는 Environ Microbiol .에 게재함 (Integrated genomic and transcriptomic analysis reveals unique mechanisms for high osmotolerance and halotolerance in Hyphopichia yeast, Environ Microbiol , 2021, 23:3499-3522).

2. 전통 장류 유래 내염성 효모를 활용한 글리세롤 대량생산 기술 글리세롤 생산과 관련된 글리세롤-3-포스페이트 탈수소 효소1(g l y c e r o l p h o s p h a t e dehydrogenase 1,Gpd1)을 세포질에 높은 수준으로 발현하고 세포 내에 글리세롤을 고농도로 축적하는 하이포피키야 부토니 KJJ43 (Hyphopichia burtonii KJJ43) 균주의 특이한 생리적 특징을 이용하여 고농도와 염을 첨가한 조건에서 내삼투압 물질인 글리세롤을 대량생산할 수 있는

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


이의 용도, 국내특허 출원번호 10-2021-0024588, 출원일 2021.02.24.).

3. 유전체 비교 분석을 통한 고기능 효모 종균 활용 기술 표준 균주와는 유전체 구성이 상이하여 신규 균주로서 검증이 된 전통 장류 유래의 호염성 및 향미가 우수한 데바리오마이세스 한세니 KD2 균주가 면역 억제사이토카인 분비능도 뛰어남을 규명하여 향미가 증진된 장류 발효 종균 및 새로운 프로바이오틱 효모로서 개발될 수 있는 가능성에 대해 지적재산권을 확보함 (신규 전통 장류 발효 효모 균주 데바이오마이세스 한세니 KD2 및 이의 용도, 국내특허 등록번호10-2243670, 등록일 2021.04.19.).

4. 토종효모 유전체 DB 구축 및 운영 - 유전체 조립이 완성된 장류효모 균주들을 국내 전통 발효 효모 전용 Yeast Reference Genome DataBase (KYRGD, www.kyrgd.org)에 등록하여 유전체 서열을 검색할 수 있는 BLAST 및 JBrowse의 구축을 완료하고 유전체 서열 탐색을 여러 종에서 통합적으로 검색할 수 있도록 업그레이드하였음. - 전장유전체 조립 결과에서 지놈브라우저(JBrowse)를 활용한 유전체 내의 유전자 위치 탐색과 RNA-Seq data와 연계를 통해 해당 유전자의 전사 발현량을 시각적으로 확인할 수 있으며, 신규 균주의 전장유전체 조립이 완료됨에 따라 지속적인 JBrowse 기능 업데이트와 함께 JAVA를 활용하여 BLAST 결과 서열을 fasta 파일로 추출할 수 있는 옵션을 추가적으로 업데이트하고 있음.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

기술을 개발하고 이에 관한 국내특허 1건을 출원함 (신규한 하이포피키야 부토니 KJJ43 균주 및


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 정보 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 78 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

제1협동 연구기관 건국대학교

제1협동 연구책임자

이충환 교수 건국대학교 기능대사체 연구실

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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

공동연구원

송주연 연구교수

김응빈 교수 연세대학교 송주연 박사 연구팀

연구목표 - 대용량 메타유전체 정보 분석 및 이를 활용한 농식품 환경 내 미생물 자원 탐색 - 메타유전체 정보 분석 기반 핵심 미생물의 기능 분석 및 미생물-작물 상호작용의 이해 - 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

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연구결과 및 주요성과

연구결과 1. 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. 위 연구는 반추동물에 적용된 첫 번째 FMT 사례다. FMT를 이용하여 송아지 설사를 개선할 수 있으며, 나아가 증체효과를 통해서 경제동물의 수익을 극대화 할 수 있는 가능성을 확인한 결과다.

2. 식품 및 농업 미생물 연구 작물 근권의 미생물 환경에서의 미생물-식물, 미생물-미생물의 상호작용을 이해하기 위한 연구를 수행하였다. 토마토 풋마름병 원인 세균과 병저항성 기여 균주의 전사체 정보를 분석하여 미생물간의 상호작용 및 식물 환경에서의 미생물 유전자의 기능을 오믹스 수준에서 유추하였다. 한편, 메타유전체 서열 정보를 기반으로 근권 마이크로바이옴의 기능을 파악하고자 미생물 군집 구조 및 메타유전체 조립 염기서열 데이터를 활용 연구를 수행하였고, 이와 관련하여 토마토 풋마름병 저항성 근권 세균 culture collection을 제작하여 다양한 균주들을 확보하였다. 서열 정보 기반으로 균주들을 선별하고 이를 대상으로 풋마름병 억제 효과를 시험하였다. 그 결과 메타유전체 정보 기반의 식물 유용 미생물의 활용 가능성을 추가로 확인할 수 있었다. 또한, 농식품 주요 소재로서 향토 발효 식품의 메타유전체 분석 결과를 활용하여 미생물 및 기능성 유전자 연구를 진행하였다. 조기젓갈의 미생물 군집 분석 결과를 바탕으로 표적 미생물을 선정, 분리하였으며 해당 미생물의 전 염기서열 해독 및 분석을 완료 후, 유전체 정보를 활용하여 기능성 유전자 서열을 선정, 분석하였으며 해당 단백질 수준의 연구를 진행하였다. 따라서 본 연구에서는 메타유전체 연구 기반의 유용 미생물 자원을 수집하여 환경 내 미생물의 기능적 역할을 파악하고자 하였으며 이는 향후, 마이크로바이옴 정보 기반의 토종 미생물 자원 활용 가능성을 제시하고 미생물 유래 기능성 소재를 발굴하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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3. 메타메타볼로믹스 기법을 활용한 농축산식품 유래 미생물 특성 규명 본 연구팀은 발효에 유용하게 이용되는 Aspergillus oryzae 의 배양 환경(고체&액체)에 따른 in

silico 모델을 기반으로 하여 대사경로를 확인하였다. 그 결과 고체와 액체 배양에 따라 대사체 및 전사체가 차이를 보이는 것을 확인하였고, 특히 고체 배양에서 더 많은 2차 대사체가 생산되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 고체 배양이 산화스트레스를 액체 배양에 비해서 상대적으로 받아서 나타나는 현상이라고 확인하였다. 앞선 현상에 대한 검증을 위해 산화스트레스를 유도 후 변화하는 2차 대사체를 분석 수행하였다. 또한, 앞선 연구를 통해 marker로 선정된 surfactin, oxylipin를

Aspergillus oryzae 와 Bacillus amyloliquefaciens 에 처리하여 각각 물질이 균주와 어떤 interaction을 수행하는지 알아보고자 연구를 수행하고 있다. 그 외에 식품 환경(곡자)에도 위와 동일한 방법으로 연구를 수행하는 중이다.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연구역량 강화

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

1

연구목표 및 내용

본 연구는 1단계 미생물유전체 전략연구사업의 연구로 구축한 대용량 진균 변이균주 라이브러리 및 전장유전체 분석을 통해 선별한 농·식품 유용 세균 및 진균 미생물을 대상으로 하여 유전체, 전사체, 단백체 및 표현형질체 분석을 통합한 다중오믹스 분석방법을 적용하여 유전자 기능 네트워크를 총체적으로 규명하고 이를 제어하는 기술 개발을 목표로 한다. 더 나아가 유전자 기능 네트워크 및 제어기술을 이용하여 농·식품 유용 세균 및 진균 미생물의 유용 유전자원을 발굴하고 데이터베이스, 다중오믹스 분석 기반의 인프라, 가치제고화 플랫폼 기술을 사업단 내 타 연구과제팀과 공유하여 본 사업단의 사업화 및 실용화 조기성과 창출될 기술을 지원하여 연구역량강화에 목표를 둔다.

주관연구기관 연세대학교

주관연구책임자

반용선 교수 연세대학교 미생물생명공학 연구실

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연구목표 및 내용 연세대학교(제1세부, 단위과제책임) 반용선 교수 연구팀은 동물 병원성 진균 모델인 크립토코쿠스 네오포만스(Cryptococcus neoformans)에 대하여 1단계 연구를 통해 구축한 전체 인산화효소, 탈인산화효소, 전사인자에 대한 대용량 유전자 결손변이체 라이브러리를 이용하여 전사체, 단백체, 대사체 및 표현형질체 분석을 포함하는 다중오믹스 분석을 통해 전체적인 신호전달네트워크를 밝힘을 목표로 한다. 제1위탁 연구기관 서울대학교

제1위탁 연구책임자

손호경 교수 서울대학교 식물병생리학 연구실

연구목표 및 내용 서울대학교(제1위탁) 손호경 교수 연구팀은 농·식품의 주요 모델 진균인 붉은곰팡이(Fusarium graminearum )의 유용 유전자원을 발굴하고 이들의 진균 내에서의 역할을 분석함을 목표로 한다. 1단계 연구에서 발굴한 유용 유전자원을 이용하여 주요 병원성 진균의 핵심유전자의 기능분석과 단백질 상호작용체를 규명하여 병원성 조절의 신호전달 네트워크를 규명하고자 한다. 제2세부 연구기관 연세대학교

제2세부 연구책임자

이동우 교수 연세대학교 식품생명공학 연구실

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연세대학교(제2세부) 이동우 교수 연구팀은 다중오믹스를 기반으로 하여 농·식품 유용세균의 유전자 기능네트워크 분석 및 유용유전자원 발굴을 목표로 한다. 1단계 연구에서 확보한 농·식품 유용 세균의 전장분석체 분석자료를 바탕으로 내열성 후보유전인자를 도입한 고온성 플랫폼 균주 개발 및 유용유전자원 도입을 통한 산업화 가능성을 확인하고자 한다. 또한, 세포 성장기반 단백질 기능 주석화를 통한 희귀당 생산 유용유전자원을 발굴하기 위한 연구를 진행하고 있다. 제2위탁 연구기관 건국대학교

제2위탁 연구책임자

윤성호 교수 건국대학교 시스템생물학 연구실

연구목표 및 내용 건국대학교(제2위탁) 윤성호 교수 연구팀은 제2세부에서 선별한 유용 세균을 대상으로 다중오믹스 분석 기반 미생물의 대사회로 재설계를 통한 대용량 초고속 스크리닝 플랫폼을 개발하고자 한다. 1단계 연구에서 확보한 농·식품 유용 세균의 유전체 정보 및 다중오믹스 데이터베이스를 바탕으로 대사 네트워크 맵 구축과 미생물 배양조건 최적화 연구를 목표로 한다. 제3세부 연구기관 연세대학교

제3세부 연구책임자

조현수 교수 연세대학교 구조 생물학 연구실

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

연구목표 및 내용


연구목표 및 내용 연세대학교(제3세부) 조현수 교수 연구팀은 단백질 구조분석 기반 산업적 가치제고화를 위한 활성 억제 및 증진 돌연변이체 개발과 구조 플랫폼을 제공함을 목표로 한다. 당 대체 화합물 수득 향상을 위한 효소 구조 및 기전 규명과 제1세부에서 발굴한 모델 진균의 핵심 병원성 유용유전자의 다중오믹스 분석에 관한 연구를 진행하고 있다.

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 구축한 진균 대용량 변이균주 라이브러리 및 전장유전체 분석을 기반으로 선별한 농·식품 유용 미생물을 대상으로 다중오믹스 분석을 이용하여 통합적 유전자 기능 네트워크 규명을 목적으로 하며 총 3개의 세부과제와 2개의 위탁과제로 구성되어 있다. 각 과제별로 아래와 같이 연구목표 및 내용을 수행하였다.

주관연구기관 : 연세대학교 동물 병원성 진균인 C. neoformans 의 인산화효소, 탈인산화효소 및 전사인자와 같은 핵심 신호전달인자와 이들이 조절하는 유전자의 기능분석 연구를 수행하고 있다. 연구목표를 통해 구축한 대용량 결손변이체 라이브러리를 사람의 혈관-뇌 장벽을 모사한 생체칩에 적용하여 동물 병원성 진균의 혈뇌장벽 통과 및 신경친화성(neurotropism)을 실시간으로 관찰했을 뿐 아니라 이를 조절하는 유전자를 발굴할 수 있었다. 이러한 연구로 뇌 감염질환을 일으키는 곰팡이의 병 발생기작을 밝혀냈으며 관련된 조절 네트워크 및 관련 유전자를 약물개발 등에 유용한 유전자로 제시하여 Nature Biomedical Engineering(IF=25.671, 의생명공학 분야 전체 1위)에 게재하였다. 병원성을 조절하는 유전자가 발현시키는 단백질의 복잡한 기능을 발굴하기 위해 단백질-단백질 상호작용에 관여하는 단백질 중 가장 많이 존재하는 도메인인 WD40의 기능을 분석하는 연구도 진행했다. 제 2세부와의 공동연구를 통해 동물 병원성 진균 C. neoformans 와 식물 병원성 진균 F.

graminearum 에서 이종상동유전자(orthologous gene) 상관관계 분석을 진행했고, 제 1세부에서는 C. neoformans 에서 WD40 도메인을 포함한 132개의 유전자를 발굴해 현재까지 28개의 유전자에 대한 결손변이체를 확보하고 각종 스트레스에 대한 표현형을 분석했다. 병원성 조절 메커니즘에 대해서도 심층적인 분석이 진행되고 있어 C. neoformans 의 병원성 인자로 잘

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


밝히고 있다. 혈청이 함유된 배지 등 특정 조건에서 진균의 캡슐 생산을 유도할 수 있는데, 이를 조절하는 전체적인 신호전달 네트워크를 밝히기 위한 연구를 진행하고 있다. 신호전달체계에서 핵심적인 역할을 하는 주요 MAPK(Mitogen-Activated Protein Kinase)의 이중 및 삼중 결손변이체를 제작하여 고온 및 세포벽 스트레스 반응을 조절하는 진균의 조절기작을 발굴하고, 진균의 다양한 세포 생리활성을 조절하는 KEOPS 복합체 기능 또한 밝혀냈다. 다중오믹스 분석 기술을 활용하여 진균의 병원성에 중요한 역할을 하는 전사인자, 인산화효소, 탈인산화효소의 기능도 발굴하였는데, Zfc2 전사인자의 유전자 결손변이체의 전사체 분석, Cka1 인산화효소가 구성하는 casein kinase 2 복합체 단백체 및 전사체 분석, 제 3세부와의 공동연구를 통해 Yvh1 탈인산화효소 단백질이 가진 도메인 각각의 역할을 분석했다[Journal of Microbiology, 2021]. 현재 앞선 연구에서 진균의 생존과 병원성에 매우 중요한 역할을 한다고 밝힌 인산화효소, 탈인산화효소, 전사인자와 같은 다양한 유용 유전자들의 정확한 세포 내 기능을 밝히고 이를 저해할 수 있는 곰팡이 특이적 조절 방법에 대해 연구하고 있다. 본 연구진은 가장 빈번한 기회감염증을 일으키는 인체 정상균총 중 하나인 칸디다 알비칸스(Ca nd ida a lbica ns )와 최근 전 세계적으로 환자 수가 증가하고 있는 칸디다 오리스(Candida auris )의 병원성 조절 유전자와 관련 기능도 밝혀냈다. 병원성 진균인 C.

albicans 의 전사체 및 대사체 분석을 통하여 Yeast casein kinase YCK2 의 유전자 기능을 밝힌 논문을 게재했다[Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2021]. 신종 병원성 진균인 C.

auris 는 기존 약물에 대한 저항성이 문제되고 있는데, cAMP 신호전달경로가 진화적으로 보존되어 있으며 스트레스 반응과 약물 저항성, 동물 병원성 등을 조절한다는 것을 확인했다[mBio under revision]. 이 외에도 유질성 효모인 크립토코쿠스 커바투스(Cryptococcus curvatus)를 이용한 바이오매스 유용 생산 진균 개발을 위하여 유전체 정보 및 유전자 조작기술을 활용하여 트라이아실글리세롤(triacylglycerol, TAG) 과생산을 목적하는 연구를 수행하기 위해 FACS 분석 및 단수체성(haploidy)를 확인을 통해 배수성 관찰을 진행한 바 있다.

제1위탁 연구기관 : 서울대학교 식물병원성 진균의 신호전달 관련 핵심유전자를 발굴하고 다중오믹스를 기반으로 한 기능유전체학 연구를 수행하고 있다. 주요 식물 병원성 진균인 붉은곰팡이를 대상으로 면역침강법을 이용하여 단백질 상호작용체 연구를 수행하기 위한 3개의 WD40 단백질을 과발현시키는 과발현체를 제작하였다. 이중 Fgwd101-Gfp 과발현체를 이용하여 affinity purification mass spectrometry(AP-

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

알려진 캡슐 생성능과 숙주 온도에 대한 저항성, 진균 세포벽 온전성에 관여하는 유전자의 기능을


MS)를 통해 상호작용에 관련된 단백질군을 탐색하였다. 또한, 붉은곰팡이의 병원성에 중요한 역할을 하는 단백질 당화과정에 관여할 것으로 예상되는 GDA1 과 YND1 유전자에 대한 기능 연구를 수행한 바 있다. Intron Iariat를 debranching하는데 관여할 것으로 예상되는 DBR1 결손변이체를 대상으로 mRNA sequencing 및 circular RNA sequencing을 수행 후 분석 중에 있다.

제2세부 연구기관 : 연세대학교 유전자 맵 기반 유전자 조작을 통하여 고온성 플랫폼 균주 개발을 위해 연구를 수행하고 있다. PAM host 및 vector의 고도화를 진행하고 있으며 4종의 제한효소 유전자를 제거하고 외래 methylase를 도입하여 DNA methylation을 유도하고 수율을 2배이상 증가시켰으며, 전사체를 고려한 고발현 프로모터 2종을 도입하고 vector를 제작하였다. 또한, 고온성 플랫폼 균주인 지오바실러스(Geobacillus)에 대해 열안정성 reporter gene과 selection marker, Ts ori를 포함하는 genetic tool kit을 구축하고 고온성 플랫폼 균주의 형질전환 조건 최적화를 진행하였다. 한편, 다중오믹스 분석을 기반으로 하여 천연 희귀 당의 생산, 전환 및 이화능을 지닌 유용유전자원을 발굴하였고, 기능 규명을 위해 대용량 초고속 스크리닝 플랫폼 세포를 개발하고 기존 야생형 대비 효능이 10% 이상 증가한 돌연변이 3종을 발굴하였다. 단백질 가수분해효소인 M38, S8 peptidase의 대장균 도입 및 특성분석을 진행하였으며 in vivo 상 기능을 검증하였다. 난분해성 바이오매스 분해에 관련된 유전자원 발굴 및 기능성 펩타이드를 활용을 위하여 LC-MS/MS 기반의 keratin 분해 패턴분석을 진행한 바 있으며 secretome protein의 데이터베이스를 구축하여 연구를 수행하고 있다.

제2위탁 연구기관 : 건국대학교 대장균의 오믹스 및 시스템네트워크 연구를 수행 중이다. 대장균 BL21(DE3) 캡슐 유전자 클러스터의 발현이 고온 등의 여러 환경 스트레스 조건에서 생장에 유용함을 규명하였다. 캡슐 유전자 클러스터와 여러 재조합 단백질의 co-expression을 통해 유용물질 대량생산 연구를 진행 중이다. 프로바이오틱스 균주인 대장균 Nissle 1917(EcN)의 대사 네트워크 모델(iDK1463)을 개발하였고, 이를 이용하여 EcN의 장 내 대사과정을 분석하였다. 다양한 조건에서의 EcN의 transcriptome을 분석하고 transcriptome map을 구축 중이다. 또한, 장내 microbiome에서의 미생물 community 대사네트워크 모델링 및 시뮬레이션 연구를 진행하고 있다.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


1단계 사업을 통하여 발굴한 표적 단백질의 구조 규명에 관한 연구를 수행하고 있다. X-ray 회절법을 사용하여 C. neoformans 의 병원성 관련 탈인산화효소 Yvh1의 구조분석을 수행하여 상기의 1세부와 함께 논문에 게제한 바 있다. 또한, 슈도모나스 플루오레센스(Pseudomonas

fluorescens ) 유래의 Type I secretion system (T1SS)인 TliDEF 단백질 복합체의 발현 및 negative staining 실험을 수행하였다. 또한 TliDEF 단백질 복합체에 대하여 Cryo-EM 스크리닝을 수행하였고, Cryo-EM 데이터를 수집하고 processing을 진행 중에 있다.

대표성과 논문성과 ●F ungal brain infection modelled in a human-neurovascular-unit-on-a-chip with a functional blood-brain / 2021.06.14. / Nature Biomedical Engineering (IF=25.671, 의생명공학 분야 상위 0.01%, 분야 전체 1위) ●T ranscriptomic

and Metabolomic Analysis Revealed Roles of Yck2 in Carbon Metabolism

and Morphogenesis of Candida albicans / 21.03.16 / Frontiers in Cellular and Infection Microbiology (IF=5.293, 미생물학 분야 상위 24.1%) ●Z inc-binding

domain mediates pleiotropic functions of Yvh1 in Cryptococcus

neoformans / 21.07.01 / Journal of Microbiology (IF=3.422, 미생물학 분야 상위 52.5%) ●F unctional

characterization of primordial protein repair enzyme M38 metallo-peptidase

from Fervidobacterium islandicum AW-1 / 20.12.17 / Frontiers in molecular biosciences (IF=5.246 생화학 분야 상위 27.3%) ●T he

sulfur formation system mediating extracellular cysteine-cystine recycling in

Fervidobacterium islandicum AW-1 is associated with keratin degradation / 21.03.15 / Microbial Biotechnology (IF=5.813 생명공학분야 상위 13.8%) ●D evelopment

of a genome-scale metabolic model and phenome analysis of the

probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 / 21.02.20 / International Journal of Molecular Sciences (IF=5.923, 생화학분야 상위 22.6%)

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제3세부 연구기관 : 연세대학교


특허성과 (특허출원) ●크 립토코커스 네오포르만스의 체온에 대한 내열성을 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용 한 항진균제 스크리닝 방법 / 10-2021-0042530 / 21.04.01. ●크 립토코커스

네오포르만스의 멜라닌 생산을 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용한 항진균제

스크리닝 방법 / 10-2021-0042531 / 21.04.01 ●크 립토코커스

네오포르만스의 다당류 캡슐 생산을 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용한

항진균제 스크리닝 방법 / 10-2021-0042532 / 21.04.01 ●크 립토코커스

네오포르만스의 혈액뇌장벽 통과를 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용한

항진균제 스크리닝 방법 / 10-2021-0042533 / 21.04.01 ●크 립토코커스

네오포르만스의 DNA 손상 반응을 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용한 항진균제

스크리닝 방법 / 10-2021-0042534 / 21.04.01 ●크 립토코커스

네오포르만스의 세포막 안정성을 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용한 항진균제

스크리닝 방법 / 10-2021-0042535 / 21.04.01 ●크 립토코커스

네오포르만스의 O-만노실화를 조절하는 포스파타아제 및 이를 이용한 항진균제

스크리닝 방법 / 10-2021-0042536 / 21.04.01 ●희 귀당

비대사성 균주의 희귀당 자화능 결정 유전자군 제공방법 / 10-2021-0070803 / 21.06.01

●프 룩토오스

대사 유전체가 돌연변이된 균주 / 10-2021-0076939 / 21.06.14

●프 룩토오스/타가토오스

에피머화 효소가 돌연변이된 균주 / 10-2021-0076938 / 21.06.14

홍보성과 ●필 요한 물질만 선택적으로 투과시키는 혈뇌장벽 본뜬 칩 개발 / 연합뉴스 언론 보도 / 21.06.15 ●혈 뇌장벽 ●인 공

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모사 인공 칩 개발...뇌염 유발 유전자 규명 / YTN 사이언스 언론 보도 / 21.06.15

혈뇌장벽 칩 개발…뇌수막염 유발 곰팡이 기전 확인 / JTBC 언론보도 / 2021.06.15

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연구역량 강화

유전체정보분석기술개발 농림축산식품 분야를 위한 메타유전체의 통합분석을 위한 데이터베이스 및 소프트웨어 개발

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연구목표 및 내용 주관연구기관 서울대학교

주관연구책임자

천종식 교수 서울대학교 진화생물정보학 연구실

연구목표 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 big data 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. iMAF_2021 Vol. 7

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위탁연구기관 서울대학교

위탁연구책임자

윤성로 교수 서울대학교 데이터사이언스 & 인공지능 연구실

연구목표 및 내용 Information theory 및 deep learning을 기반으로 하여 metagenome을 분석하는 알고리즘을 연구, 개발하는 것을 목표로 한다.

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연구결과 및 주요성과

연구결과 Microbiome data의 gene catalogue 데이터베이스 구축 장내 미생물이 그 host에 미치는 영향을 연구하기 위해서는 그들이 발현하는 유전자는 어떤 것들이 있으며 그 기능은 무엇인지 알아야 한다. 이를 위해 여러 host에 대하여 각각 microbiome 샘플을 모아 gene catalogue를 만드는 작업은 진행되어 왔으나 host들 간의 유전자와 그 기능의 구성을 비교하는 연구는 부족했다. 본 연구실에서는 인간을 비롯해 돼지, 쥐, 개 등 여러 host들로부터 총 1,320개의 샘플을 통합하여 하나의 gene catalogue를 구축하였다. 또한 이 과정에서 메타지놈 샘플에서 예측한 유전자 서열을 바로 clustering하지 않고 20만 여 개의 high-quality reference genome들로 만든 pan-genome 데이터베이스에 검색하는 과정을 추가함으로써 메타지놈 서열들이 갖는 오류를 최소화하였다. 약 2억 8천만 개의 유전자 서열을 clustering하여 4천만 여 개의 유전자 cluster를 얻었으며, 이들 각각의 기능을 알아보기 위해 EggNOG 데이터베이스에 cluster 별 대표 유전자를 검색하였다.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


Average amino acid identity (AAI)는 유전체 서열 간의 유사도를 수치화한 overall genome relatedness indices (OGRIs)의 일종으로, 두 유전체를 구성하는 amino acid 서열 사이의 평균적 일치도를 계산한 수치다. 대표적 OGRI 중 하나인 average nucleotide identity (ANI)는 원핵생물의 종을 동정하는데 중요한 척도로 활용되지만 그 이상의 분류 단계에서는 정확도가 떨어지기 때문에 AAI를 주로 사용하고 있다. 그러나 AAI를 계산하는 알고리즘이 BLAST를 기반으로 하고 있기 때문에 대규모의 계산을 하기엔 적절치 않을 뿐 아니라 쉽게 사용할 수 있는 프로그램이 없어 연구자들로부터 접근성이 떨어진다는 단점이 있었다. 본 연구실에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 BLAST 대신 MMSeqs2를 활용하여 대규모 계산에 용이하게 속도가 개선되었고, 분류학 연구에 주로 쓰이는 UPGMA dendrogram을 만들어내는 clustering 모듈이 추가되어 이후 분석도 쉽게 할 수 있도록 하는 파이프라인인 EzAAI를 개발하였다. 아래의 workflow를 따라 수행되는 본 파이프라인은 http://leb.snu.ac.kr/ezaai 에서 다운로드할 수 있으며, 공개 이후 꾸준한 이용자 수를 확보하고 있다.

개선된 Bacteria core gene set인 UBCG2 제작 UBCG2는 기존에 박테리아의 core gene들을 선별하여 phylogenomic 분석을 할 수 있던 UBCG를 개선하였다. 여러 개체들의 genome을 비교하여 진화적으로 공유하는 여러 공통유전자 서열 데이터로부터 phylogenomic tree를 infer하고 그 tree를 바탕으로 종들간의 진화관계를 확인할 수 있다. 각 유전자들에 대해 Multiple Sequence Alignment를 수행한 후에 각 core gene들에 대한 alignment를 하나로 concatenate하고 이를 통해 GSI값도 계산하고 phylogenomic tree를 통해 진화적 관계를 유추할 수 있도록 하였다. 기존의 UBCG gene set 외에 추가적으로 다른 gene들을 후보 유전자에 넣어서 선별하였다. 또한, 박테리아 전체 종에서 한 종에 한 strain씩 선별하여 균형적으로 genome sample들을 이용했다는 점에서 특정 종들에서만 편중되지 않고 전체 종에 균형적으로 존재하는 유전자들이 선별될 수 있도록 하였다. 81개의 유전자가 최종적으로 선별되었고 개선된 UBCG2를 통해서 phylogenmic 분야에서 진화적 관계를 분석하는데 도움이 될 것이다.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

Average amino acid identity (AAI) 계산도구 EzAAI 개발


정보이론 기반 메타지놈 분석 기확보 기술 한계점 개선 기존의 Sequence-to-Sequence 기반의 한계점을 극복하기 위하여, 각 군집에 대해 모델을 구축하는 Sequence-to-model 기반의 방법론을 개발하였다. Model building 단계에서는 가변적인 k-th order Markov 모델과 Universal Probability를 도입하여 각 군집의 Context tree를 구축하며, Classification 단계에서는 새로운 Sequence를 각 군집의 Context Tree와 비교하여 최적의 군집을 선택한다. 모든 Sequence가 아닌 군집에 대한 model과 비교를 진행하기 때문에, 기존 방법론보다 robust하고 속도도 향상되었다.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


서열이 이루는 구조가 해당 서열의 특성에 많은 영향을 미친다는 유전체 데이터 특성에 맞도록, 정답이 없는 대량의 유전체 데이터를 활용할 수 있는 비지도 사전 학습 딥러닝 알고리즘을 개발하였다. 실험적 검증을 위하여 비지도 데이터 및 후속 분석을 위한 데이터를 확보하고, 선행연구들과의 비교를 진행하였으며, 선행연구들 대비 성능 향상을 확인하였다.

대표성과 ●K im,

Dongwook, Sein Park, and Jongsik Chun. "Introducing EzAAI: A pipeline for high

throughput calculations of prokaryotic average amino acid identity." Journal of Microbiology 59.5 (2021): 476-480. ●M in,

Seonwoo, et al. "Protein transfer learning improves identification of heat shock

protein families." Plos one 16.5 (2021): e0251865.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

딥러닝 기반 메타지놈 분석 알고리즘 개발


연구역량 강화

자유주제

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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 미생물을 검측 및 분리할 예정이며, 분리된 단일세포 유전체의 비교 분석을 통해 신규 내건성 향상 메커니즘을 규명하고자 한다. 96 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연구결과 및 주요성과

연구결과 1. 자성 나노입자 제작 및 기능성 미생물 분리 기술 개발 염화철 이온과 수산화 이온의 합성으로 만들어진 자성 나노입자에 Poly(allylamine hydrochloride)를 코팅하여 미생물 분리에 적합한 자성 나노입자를 제작하였다. 이를 활용해 토양 시료 내의 미생물 군집 중 페놀을 기질로 사용하는 미생물 군집을 분리하는데 성공하였다. 분리한 군집의 실제 페놀 분해 효율을 평가한 결과, 분리한 페놀 분해 군집은 48시간 이내에 300 mg/L의 페놀을 분해하였고 비분해 군집과 비교하면 약 31%정도 높은 페놀 분해 효율을 보였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 한국미생물생명공학회, ASME, ISME에서 개최한 각 3개의 학술대회에서 포스터 발표를 하였다.

2. Ramanome 분석 파이프라인 구축 및 가뭄 환경에서의 라만 특이성 분석 국내 라만 제작 업체 NanoBase와 협업하여 미생물 검측 및 분리용 라만 분광현미경을 제작하였다. 라만 분광현미경은 분광기와 초점, Grating 등에 따라 라만 스펙트럼의 특성이 민감하게 변화하므로 라만 분광현미경에 적합한 스펙트럼 분석 파이프라인 구축이 필요하다. 따라서 본 연구진은 R 프로그램으로 스펙트럼을 전처리하고 고품질의 대표 Ramanome을 확보할 수 있는 파이프라인을 구축하였다. 전처리된 라만 스펙트럼을 활용해 총 10종의 표준 질소고정 균주의 라만 스펙트럼(Raman shift 4001800 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 균주 3종과

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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 민감성 균주의 가뭄 스트레스로 인한 스펙트럼 차이>

4. Pulse laser 활용 미생물 탈착 기술 개발 및 환경 시료 적용 가능성 확인 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 탈착 시켰다. 실제로 미생물이 Well에 탈착 되었는지 확인하기 위해 분리된 Single cell의 유전자를 MDA를 이용하여 증폭시킨 후 PCR을 통해 균주의 존재 여부를 확인하였다. Pure culture 뿐 아니라 환경 시료에도 적용이 가능한지 확인하기 위해 ITO 코팅 슬라이드 글라스에 Cryosection한 콩과작물의 뿌리혹을 고정시켜 뿌리 혹 내부의 균주를 탈착하여 Well을 동일하게 MDA를 이용하여 유전자를 증폭시킨 후 균주의 존재 여부를 확인하였다.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

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

5. 가뭄 조건에서 식물-미생물 공생 균주의 단일세포 유전체 분석 챔버에

13

CO2를 주입하여 콩과작물을 재배하면 당류가

13

C동위원소로 치환되고

13

C로 치환된

당류를 기질로 성장한 공생미생물 또한 동위원소로 표지되어 미생물의 페닐알라닌 피크가 967 cm로 변화되는 것을 확인하였다. 4주간 식물 생장상에서 재배한 콩을 일주일동안 물을 공급하지 않아 가뭄조건을 유지하고 가뭄 조건에서 12시간 동안

13

CO2를 주입 후 3일간 식물 생장상에서 재배양

하였다. 동위원소로 표지된 공생균주를 Pulse laser를 이용하여 확보했으며, 확보된 공생 균주의 유전체 분석을 수행하였다. 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 선별하였다.

<13CO2로 표지된 미생물의 라만스펙트럼 차이>

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6. 가뭄조건의 토양 가뭄 내성 균주의 라만 특이성과 토양 기능성 유전자와의 상관관계 비교 Metagenome 분석을 통해, 이전 실험에서 Sorting한 가뭄 내성 균주의 내성 관련 기능성 물질(IAA, Cytokinin, Trehalose, Proline, Ethylene, Glycine betaine)과 관련된 토양 내 gene abundance와 토양의 CD ratio간의 상관관계를 비교했다. 그 결과, Tryptophan synthase와 Isopentenyl-diphosphate delta-isomerase 관련 유전자가 토양의 가뭄 내성능력을 나타내는 CD ratio와 유의하게 높은 양의 상관관계가 있음을 확인했다.

대표성과 콩과 작물의 내건성 향상 미생물의 유전체 10건, 농경지 토양 시료의 메타유전체 5건 분석 및 등록을 완료하여 토양 마이크로바이옴의 가뭄 내성 특성을 분석하였다. 콩과작물의 내건성 향상 미생물 자원에 대한 특허 2건을 출원 후 현재 1건의 등록이 완료된 상태이며 JCR 기준 상위 10% 1편, 25% 2편을 포함한 4편의 관련 논문을 게재 완료하였다.

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연구역량 강화

자유주제

2

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 - 컬처로믹스기법을 이용한 미생물 유전자원 배양기술 설계 및 다양성 확보 - 농·생명산업에 활용 가능한 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 발굴 - 신규 다기능성 미생물 유전자원의 전장유전체(WGS) 해독 및 다상분류법에 의거한 분류·동정 iMAF_2021 Vol. 7

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2

연구결과 및 주요성과

연구결과 1. 메타지노믹스분석법을 이용한 논토양 생태계 내 핵심세균군집 구조 분석 본 연구는 20년 이상 장기 관리한 벼 재배 논토양(산화, 환원토)을 대상으로 최신분자기법인 illumina sequencing 분석을 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, CFO) 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 2를 이용하여 벤다이어그램으로 해석한 결과, 총 214-233개로 Proteobcateia (Sphingomonadaceae, Reyranellaceae, Xanthobacteraceae,

Nitrosomonadaceae, Sutterellaceae, Reyranellaceae), Desulfobacterota (Desulfobaccaceae, Geobacter), Bacteroidota (Microscillaceae), Chloroflexi (Anaerolineaceae), Acidobacteriota (Subgroup_7), Verrucomicrobiota (Pedosphaeraceae), Myxococcota (Anaeromyxobacter) 그리고 Nitrospirota (Thermodesulfovibrionia) 등의 계통군이 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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작물생육용자재(PGPR)로 활용 가능한 자색광합성세균, 질소고정세균 그리고 길항미생물 유전자원을 확보하기 위해 토양시료 분산처리법, 토양시료 접종법(pouring, spreading, enrichment culture), 배양조건(광조건, 호기, 미호기, 혐기), 배양온도(28-30℃), 배양기간(1-3주), 배양배지(15종류) 등을 고려한 컬처로믹스배양법을 이용하였다. ●자 색광합성세균(PPB)의

다양성 확보 컬처로믹스배양법을 통해 분리된 자색세균을 대상으로 pufLM gene PCR 증폭과 색소분석을 통해 자색광합성세균 500균주를 확보하였다. 이들 500균주를 대상으로 16S rRNA 유전자 염기서열을 해석한 결과, Porphyrobacter, Roseomonas 속을 포함한 14과 20속의 다양한 계통군으로 확인되었다. ●질 소고정세균(NFB)의

다양성 확보 컬처로믹스배양법을 통해 분리된 토양세균을 대상으로 nif H gene PCR 증폭을 통해 질소고정세균 507균주를 확보하였다. 이들 507균주를 대상으로 16S rRNA 유전자 염기서열을 해석한 결과, Pleomorphomonas, Bradyrhizobium 속을 포함한 25과 43속의 다양한 계통군으로 확인되었다. ●길 항미생물(AAB)의

다양성 확보 컬처로믹스배양법을 통해 분리된 토양세균을 대상으로 토양전염병원균(Rhizoctonia solani, Fusaeium oxysporum, Didymella bryoniae)에 대한 항균력을 검정한 결과, 길항미생물 110균주를 확보하였다. 이들 110균주를 대상으로 16S rRNA 유전자 염기서열을 해석한 결과,

Streptomyces, Micromonospora 속을 포함한 4과 5속의 다양한 계통군으로 확인되었다.

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2. 컬처로믹스기법을 이용한 미생물 유전자원 다양성 확보


3. 농·생명산업에 활용 가능한 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 발굴 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 286균주 중 유묘활력지수(seedling vigor index) 그리고 항균활성능(antibiotics, lipopeptide biosynthesis, enzyme activity)을 통해 다기능성 PGPR 우수 미생물 유전자원 201균주를 발굴하였다. ●식 물생육촉진

미생물(PGPR) 유전자원 발굴 식물생육촉진 미생물 125균주를 대상으로 오이유식물체의 뿌리발달 양상을 검토한 결과, 유묘활력지수값(SVI)과 발근력이 무처리구 대비 60% 이상 우수한 효과를 나타낸 Porphyrobacter sp. COR-2 균주를 다기능성 식물생육촉진 최우수 균주로 선발되어 유기농업자재(작물생육용자재)의 미생물 소재로 활용 가능할 것으로 평가되었다. ●길 항미생물(AAB)

유전자원 발굴 토양전염병원균(Rhizoctonia solani, Fusaeium oxysporum, Didymella bryoniae)에 대한 항균활성능을 검정한 결과, 76균주가 토양전염병원균의 균사생장을 55%이상 억제하는 것으로 확인되었다. 이들 균주를 대상으로 벼 잎집무늬마름병원균(Rhizoctonia solani)에 대한 방제효과를 통해 이병포기율과 수직진전도를 측정한 결과, 길항미생물을 처리하지 않은 대조구에 비해 약 66,7%의 이병포기율, 13.4%의 수직진전도를 나타낸 Streptomyces sp. ORI2-27 균주를 길항미생물 최우수 균주로 선발되어 유기농업자재(병해충관리용)의 미생물 소재로 활용 가능할 것으로 평가되었다.

4 신규 다기능성 미생물 유전자원의 전장유전체(WGS) 분석 및 분류·동정 ●다 상분류법에

의거한 신규 미생물 분류·동정 다기능성 식물생육촉진 미생물 유전자원 중 85균주는 16S rRNA 유전자 염기서열을 기반으로

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자색광합성세균 Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 전장유전체 해독 식물생육촉진 자색광합성세균 Porphyrobacter sp. COR-2 균주의 전장유전체 분석을 통해 다기능성(식물생육촉진, 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. ●식 물생육촉진

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98.8%미만의 상동성을 나타내는 신규 미생물로, 3속 29종의 계통군에 속하는 것으로 확인되었다. 신규 미생물 유전자원 중 자색광합성세균 Elioreae rosea PF-30 균주를 포함한 10균주는 다상분류법에 의거하여 분류·동정하였으며, 국제미생물분류학회지(IJSEM)와 Archive microbiology에 게재하였다.


대표성과 ●특 허

식물생육촉진이 우수한 신규한 광합성세균 포르피로박터 sp. COR-2 균주 및 이를 포함하는 조성물

●논 문

신속 (2속 2종) - Segeticoccus rhizosphaerae - Agriterribacter humi 신종

(7종) - Elioraea rosea - Sphingomonas segetis - Agromyces humi - Cellulomonas citrea - Lysobacter telluris - Sandarakinorhabdus rubra - Sandarakinorhabdus oryzae

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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 - Gut Microbiome 기반 in vitro 건강기능식품평가 시스템 구축

소화효소를 이용하여 소화과정을 모방하는 in vitro Gastrointestinal Digestion tract와 그 산물을 장내미생물과 반응시키는 Fecal fermentation (in vitro GID-FF)를 이용, 기능성 식품별로 상이하게 나타나는 장내미생물 생태 변화를 관찰 및 GC를 이용한 Short chain fatty acid 정량분석

- 2차년도에서 모집한 97명의 피험자로부터 생태 특징별 10명 피험자를 선별하여 건강기능식품 (6종의 Dietary fiber) GID-FF로 처리하여, 개인별 장내미생물차이에 따른 microbiota shift및 SCFAs 발생량 비교분석 iMAF_2021 Vol. 7

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연구결과 및 주요성과

연구결과

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 SCFAs함량을 측정하고(Result 3.), 분변 반응 산물내 피험자 별로 청국장에 의해 변화하는 장내미생물 생태를 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 2h 이후로는 장내미생물생태가 청국장에 의해 변화가 아닌 in

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 FF과정에서 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 Picrust결과와 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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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

또한 당해연도에는 기존의 in vitro feca l fermentation 방법을 보완함으로써 보다 정확한 분석이 가능해졌다. Result 5.에 장내미생물 배양 배지와 시간에 대한 연구결과를 나타내었다. 이를 통해 in vitro fecal fermentation 시 나타나는 혐기성미생물 보존에 대한 문제가 완화됨을 확인하였고, 보다 적은량의 분변시료(40mg)로도 SCFA추출 및 정량분석까지 실시 할 수 있도록 하였다.

<Result.5 .Comparison of gut microbiota shift affected by different media; PBS,BCM, and NBCM based on taxonomy at the genus level. S1~3 : 3 donors.>

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대표성과 ●지 식재산권

(특허출원 및 저작권 등록)

●논 문

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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 platform 구축 - 벼 경작기 동안 근권을 포함한 마이크로바이옴의 시간적·공간적 변화 추적을 통한 특정 미생물의 군집화 양상 예측 시스템 구축 - 벼 종자 내 미생물 군집의 구성과 기능 분석 및 유용미생물 발굴을 통한 종자 마이크로바이옴의 생태학적 이해 - 기후변화와 병해충에 의한 벼 마이크로바이옴의 구조적·기능적 변화 분석 및 환경 스트레스 대응 마이크로바이옴의 활용방안 제시 iMAF_2021 Vol. 7

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연구내용 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 미생물-미생물간의 상호작용 연구 - 유용 미생물의 선발 및 작물 근권 마이크로바이옴의 엔지니어링과 합성 미생물상 제작 및 평가

연구내용 혐기 배양 시설을 이용하여 논 토양 내에 많이 존재 하는 혐기 미생물을 분리 및 확보하여 벼의 근권에 처리 시 생장 촉진 및 병 저항성을 나타내는 유용 미생물의 선발을 진행하였다. 선발 된 유용미생물 및 유용미생물의 이차대사산물 분석을 통한 식물-미생물의 상호작용 연구와 작물 근권 마이크로바이옴의 엔지니어링 및 합성 미생물상의 제작을 통하여 작물 생산성 증대기술을 개발하고 있다.

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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 이용 가능성 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 식물병의 발생과 관련된 미생물 군집의 변화를 분석하고, 이를 네트워크 분석 및 물질 분석을 통해 시스템 수준에서 마이크로바이옴 기능을 파악하고 활용하고자 하는 연구를 수행하였다.

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 주관연구기관 : 서울대학교 1차년도 과제에서는 경작 전 논 토양 내 세균, 진균, 고균 마이크로바이오타에 대한 구조 구명과

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제2협동 연구기관 영남대학교


이들에 대한 토양인자와 경작방법 등의 영향을 생태학적 관점에서 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. 4차년도에는 3차년도의 연구수행을 통해 구명한 세균 및 진균 핵심 마이크로바이오타를 배양학적 방법을 이용하여 분리하여 이들의 유전체학적 특성을 조사하고 있다. Methylobacterium sp., Sarocladium sp.,

Moesziomyces sp., Shingomonas sp., Curtobacterium sp. 등의 균주에 대하여 이를 수행하여 총 8종의 핵심 세균 및 진균의 유전체를 확보하였으며, 이들의 공통된 유전체학적 요인을 분석하고 있다.

Methylobacterium sp. 그림 1. 배양학적 방법을 통해 분리된 핵심 마이크로바이오타에 해당하는 Methylobacterium sp.와 유전체 annotation 결과

대표성과 ●K im,

H., Lee, K. K., Jeon, J., Harris, W. A. and Lee, Y.-H. (2020) Domestication of Oryza

species eco-evolutionarily shapes bacterial and fungal communities in rice seed.

Microbiome, 8, 20. ●K im,

H., Jeon, J., Lee, K. K. and Lee, Y.-H. (2021) Compositional shift of bacterial,

archaeal, and fungal communities is dependent on trophic lifestyles in rice paddy soil.

Frontiers in Microbiology, 12, 719486.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


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 Xanthomonas 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 dual RNA-sequencing 방법을 이용하여 식물-미생물의 유전자 발현 변화의 확인을 통한 프로바이오틱 미생물 투여에 의한 식물의 반응 기전을 연구하였다. 이와 더불어 농촌진흥청의 실험 포장에서 혐기성 미생물을 처리하여 재배한 벼의 백립중 측정 시 대조구에 비하여 무게가 증가함으로 프로바이오틱 미생물 투여에 의한 작물의 생산성 증대 효과를 확인하였다. 4차년도에는 온실 조건에서 유용 미생물의 선발 및 작물 근권 마이크로바이옴의 엔지니어링을 목표로 벼에 유도저항성을 나타내는 혐기성 세균 및 유익균의 이차대사산물을 벼의 근권에 처리 후 벼 흰잎마름병원균 접종 시 유도저항성을 나타냄을 확인 하였다. 또한 혐기성 세균 및 이차대산물을 벼의 근권에 처리 후 시간 별 근권과 엽권의 마이크로바이옴의 변화를 확인함으로 유익균에 의한 마이크로바이옴 엔지니어링을 시도하였다. 이를 바탕으로 선발 된 혐기균을 벼와 같은 외떡잎 식물인 밀과 보리에 적용 시 생장 촉진 효과를 나타냄을 확인하였다.

그림 2. Clostridium spp. 4종에 의한 벼 흰잎마름병균에 대한 유도저항성 및 생장촉진 효과 분석

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제1협동 연구기관 : 한국생명공학연구원


- 1차년도에 진행한 전국 5개 지역의 논 토양에서 분리한 혐기성 세균을 벼의 근권에 처리 후 벼 흰잎마름병원균 처리 시 유도저항성을 나타내는 Clostridium spp. 4종을 스크리닝을 통하여 선발하였다. - 선발 된 혐기성 세균을 벼의 근권에 처리 후 필드조건에서 식물의 생장 촉진 효과 확인 시 벼의 백립중 및 분얼수가 대조구 대비 유의미하게 증가됨을 확인하였다.

제2협동 연구기관 : 영남대학교 벼도열병 발생과 관련되어 있는 마이크로바이옴의 변화를 알기 위해서 벼에 벼도열병 접종 전 및 후에도 이러한 배양 가능한 미생물들의 분리 작업을 수행을 하였으며, Mi-Seq을 이용한 군집 profiling 작업도 수행을 하였다. 이를 통해서 병 접종 전 후의 미생물 군집에서 그 abundance가 변화하는 미생물들을 특정할 수 있었으며 (그림 3A) 이들 중 일부를 배양하여 그 기능에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해서 벼도열병균 접종은 벼의 내권(endosphere)보다는 근권(rhizosphere) 미생물 군집 구조에 상당한 변화를 가져오는 것을 알 수 있었고 이러한 변화는 미생물들의 co-occurrence network상에서도 확인할 수 있었으며 이를 통해서 단순히 미생물들의 빈도 뿐만 아니라 기능에 있어서도 상당한 변화가 일어난다는 것을 추정할 수 있었다 (그림 3B). 그러나 이러한 미생물상의 변화가 가지는 기능적 의미를 연구하기 위해서 필요한, differential abundance를 보이는 미생물들의 분리가 어려웠기 때문에, 이에 대한 대안으로, microbial fraction을 사용하여, 미생물 군집의 변화만으로 병 발생의 양상이 달라지는 지를 확인하였다 (그림 3C). 이러한 분석을 통해서 미생물 군집의 변화가 병 발생에 따른 수동적인 변화가 아니라 병 발생 과정에서 식물과 미생물들간의 상호작용에 의해서 달라지는 능동적인 과정이라는 것을 알 수 있었고, 미생물 군집을 통해서 병 발생의 정도를 예측하는 것도 가능하다는 것을 추론할 수 있었다. 이와 더불어 병 발생 전후의 근권에서 발견되는 물질들에 대한 분석을 현재 진행 중이며, 이를 통해서 식물의 병 발생에 있어서 중요한 미생물 유래의 물질에 대한 연구도 가능할 것으로 사료된다 (그림 3D).

그림 3. 미생물 군집 분석 (A), 네트워크 분석 (B) 및 microbial fraction 실험 (C), 그리고 물질 분석 (D)

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부처공동 연구

동물 마이크로바이옴 돼지, 소, 개의 장내 마이크로바이옴 분석 및 핵심 장내 미생물 발굴을 통한 건강관리전략 모색

1

연구목표 및 내용 주관연구기관 강원대학교

주관연구책임자

오연수 교수 강원대학교 수의과대학 수의병리학교실

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

연구내용 - 돼지, 소, 개의 환경(식이, 스트레스, 질환 등)에 따른 장내미생물군집 분석 - 돼지, 소, 개의 장내미생물 배양/분리 및 라이브러리 구축 - 핵심미생물의 발굴 및 정보 해독 iMAF_2021 Vol. 7

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- 핵심미생물의 유전체, 전사체, 대사체 기반 특성 분석 - 돼지, 소, 개의 환경-장내 미생물군집 간, 돼지, 소, 개의 환경-핵심미생물의 이차대사산물간의 상관관계 구명 - 유익균 장내 미생물 공생화에 따른 가축 질병제어 기전 구명 및 활용 연구 - 농장 유래 미생물 공생화 기전 구명 및 최적화 조건설정 - 기능성 미생물 제제 후보균 선발 - 가축 유용미생물의 현장 모니터링 활용 기술 모색

공동연구기관 경상대학교

공동연구책임자

유도현 교수 경상대학교 수의과대학 내과학교실

공동연구기관 전북대학교

공동연구책임자

박진호 교수 전북대학교 수의과대학 내과학교실

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


협동연구책임자

최학종 본부장 세계김치연구소 미생물기능성연구원

연구목표 소, 돼지, 개 등 경제·반려동물의 장내에 존재하는 마이크로바이옴 내 동물-미생물, 미생물미생물 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

연구결과 한우송아지의 설사 증세 유무 및 일령 차이에 따른 장내미생물군집 변화 - 한우송아지 분변 시료 25종{정상 14종, 설사 11종(rotavirus, coccidium, corona virus)}에 대하여 quality filtering 후, 총 695,375 sequence reads를 확보하였으며, 송아지 당 평균적으로 30,234 sequence reads를 확보함. (범위 21,164~42,818)

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

협동연구기관 세계김치연구소


그림 1. 한우송아지 분변의 rarefaction curve

1) 일령별 설사 증세 유무에 따른 장내미생물군집 변화 - 한우송아지의 일령 및 설사 유무에 따른 α-diversity 분석 결과, richness 지수인 Ace, Chao-1, JackKnife에서는 차이를 보이지 않았으나, evenness 지수인 Simpson과 Shannon에서는 2130일령의 Normal 군과 1-10일령의 Diarrhea 군의 Simson 지수와 Shannon 지수가 유의적으로 차이가 나타남.

그림 2. 한우송아지 분변의 일령 및 설사 유무에 따른 α-Diversity 분석

- Taxonomic composition 분석을 통해 군 간의 relative abundance를 비교 분석한 결과, 한우송아지의 일령 및 설사 유무에 따라 phylum 수준에서의 군 간의 유의적인 차이는 보이지 않았음.

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


2) 설사 증세 유무에 따른 장내미생물군집 변화 - 설사증세 유무에 따라 정상송아지(Normal)와 질병송아지(Diarrhea)로 구분하여 재분석함. -한 우송아지의 설사 증세 유무에 따른 α-diversity 분석 결과, richness 지수인 ACE, Chao1, Jackknife에서 설사 증상으로 인하여 감소하는 경향을 보였지만 유의적인 차이를 보이지 않았음. Evenness 지수에서는 설사증상에 따라 Simpson 지수의 증가 및 Shannon 지수의 감소가 나타남.

그림 4 한우송아지 설사 증세 유무에 따른 α-Diversity 분석

- Taxonomic composition 분석을 통해 phylum 수준에서 군 간의 relative abundance를 비교 분석한 결과, Proteobacteria 증가 및 Bacteroidetes, Actinobacteria 감소를 보임.

3) 한우의 월령 차이에 따른 장내미생물군집 변화 - 소의 월령 차이에 따른 장내미생물군집 변화를 확인하기 위하여 30일 이후의 소를 대상으로 1개월령(Month 1), 2개월령(Month 2), 7개월령(Month 7), 36개월령(Month 36)에 해당하는

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

그림 3. 한우송아지 일령 및 설사 유무에 따른 phylum 수준에서의 (A) 개체별, (B) 일령 및 설사증 유무에 따른 Taxonomic composition 분석


분변을 수집하여 장내 미생물 군집 변화를 확인함. 시료 48종에 대하여 quality filtering 후, 총 2,592,856 sequence reads를 확보하였으며, 평균적으로 54,018 sequence reads를 확보함(범위 26,521~88,846). - 송 아지의 월령 차이에 따른 α-diversity 분석 결과, richness 지수인 Ace, Chao-1, JackKnife에서 1개월령 이후 유의적으로 증가함을 확인함. 또한 evenness 지수인 Simpson과 Shannon에서도 1개월령 이후의 유의적인 차이가 나타남. β-diversity 분석을 통한 군간 장내미생물군집 분석을 실시한 결과, 월령의 증가에 따라 PC1 축을 중심으로 1개월령, 2개월령, 7개월령이 분포 차이를 보임.

그림 5. 한우의 월령 차이에 따른 α-diversity 및 β-diversity 분석

4) 컬쳐로믹스 접근을 통한 장내미생물 후보균 배양기술개발 - 장 등(2018)의 연구에 따르면 로타바이러스에 감염된 한우송아지의 경우 장내 Lactobacillus, Subdoligranulum, Blautia, Bacteroides 의 분포가 크게 바뀌며, species 수준에서 Lactobacillus amylovorus group 및 Lactobacillus gasseri group이 건강한 송아지에서 높은 상대 빈도를 나타낸다고 보고되었으며, 분석 결과에서는 설사증세 유무에 따라

Lactobacillus intestinalis 만이 증가되는 것으로 나타났으나, 월령별 한우송아지의 성장에 따른 장내 미생물 군집 변화를 통해 1개월령의 송아지에서 Lactobacillus 계통의 분포가 높은 것을 확인함. 이를 통해 한우송아지의 성장 발달 및 건강 상태 개선을 위해 Lactobacillus 가 유익한 영향을 줄 것으로 예상하여, Lactobacillus 미생물을 분리함.

5) 특이 장내미생물 확보 및 특성분석 - 호기적 상태에서 CO2 조건 차이를 통해 다양한 미생물을 분리하였으며, Lactobacillus reuteri, Lactobacillus johnsonii, Lactobacillus amylovorus, Lactobacillus oris,

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7종의 Lactobacillus 를 확보하였음. 이 중 건강한 한우송아지에서 많은 비율을 차지하는

Lactobacillus reuteri, Lactobacillus johnsonii, Lactobacillus amylovorus 3균주에 대해 전장유전체 분석과 항생제내성(antibiotic susceptibility test), hemolysis, urease activity 및 gelatin 분해능에 대한 특성을 분석함. 항생제내성 테스트 결과는 표2와 같으며, hemolysis, urease activity, gelatin 분해에 대해서 모두 음성으로 확인되었음.

6) 가축 유용미생물의 현장 모니터링 활용 기술 모색 - 현재 한우송아지 건강관리 증진을 위한 기능성 미생물 제제 후보균주 3균주(Lactobacillus reuteri, Lactobacillus johnsonii, Lactobacillus amylovorus )를 선발하였으며, 한국미생물보존센터에 국제특허균주 기탁을 완료함. - 유용미생물의 현장 적용을 위해 균주의 대량 배양을 수행하여 배양 및 제제화 조건을 확립함. - 현장 적용을 위한 모니터링 활용 기술 모색을 위해 제제화된 유용미생물을 어린 한우송아지에 적용함으로써 질병예방 효과를 관찰하고 있음.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

Lactobacillus vaginalis, Lactobacillus mucosae, Lactobacillus salivarius 와 같은


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 - F. fujikuroi의 병 발생 관련 유전자 조절체계 규명 - F. fujikuroi의 fumonisin 생성 억제 미생물 추출물 탐색

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

제1협동 연구기관 강원대학교

제1협동 연구책임자

김경수 교수 강원대학교 식물병균학 연구실

연구목표 및 내용 고추탄저병균 Colletotrichum scovillei는 자낭균류에 속하는 식물병원성 곰팡이로, 전 세계적으로 고추 생산에 있어 가장 심각한 병해이다. 하지만 고추탄저병의 병 발달에 대한 분자생물학적 연구는 아직까지 전무한 실정이다. 본 연구에서는 C. scovillei 의 whole genome에서부터 624개의 transcription factor를 선발하여 식물병원성 진균들의 전사체와 비교 분석하였고, 그 중에서 진핵생물의 발달에 관여한다고 알려진 10개의 homeobox (HOX) transcription factor를 선발하여 기능을 분석하였다. 그 결과 CsHOX1은 기주식물의 방어기작을 억제하는 병원성 인자인 것으로 밝혀졌고, CsHOX2부터 CsHOX7은 분생포자 생성 및 부착기 생성에 중요한 역할을 하는 transcription factor인 것으로 밝혀졌다. 특히 병원성 인자인 CsHOX1의 기능은 식물병원성 곰팡이에서 최초로 밝혀낸 것으로 고추탄저병의 병 발달을 이해하는데 큰 도움이 되는 발견이다. 제2협동 연구기관 부산대학교

제2협동 연구책임자

서영수 교수 부산대학교 시스템 식물 미생물 연구실

연구목표 벼, 고추 병원성 Burkholderia 세균의 병 발생 및 Fusarium 곰팡이와 상호작용, 복합감염 관련 기작의 규명 iMAF_2021 Vol. 7

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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

연구결과 주관연구기관 : 순천향대학교 RNAi에 의한 gene silencing 방법을 활용한 병원성 후보 유전자의 기능 분석 - 줄기마름(stunting)을 유발하는 F. fujikuroi B14 균주의 식물세포벽 분해효소 유전자의 염서열을 2~4개(FFB14_07329, 12098, 12518, 15114 / FFB14_10648, 10649, 15010 / FFB14_04559, 12237)씩 약 200~400bp 크기로 PCR 증폭하여 연결한 후, RNAi pathway 유도를 위한 vector(pSilent-Dual 1, pSD1)와 결합시킨 construct를 제작하였음. - 제작한 vector를 F. fujikuroi B14에 형질전환하였고, 각 조합에서 서로 다른 돌연변이체를 최소 5개씩 확보하였음. Luciferase assay를 활용한 곰팡이독소 생성 제어 여부 검정 - FUM21 promoter와 Luciferase gene이 결합된 construct를 형질전환시킨 F. fujikuroi B14 균주(FLFUM21)를 YES 배지에 배양할 때 각각의 미생물 추출물을 1µl씩 첨가하여, 6일 배양 후 액체 질소로 균사를 갈아 Luciferase activity를 측정함으로써 fumonisin 생성이 감소하는지를 확인함. - BN 배지에서 MeOH로 추출한 미생물 추출물을 120종 탐색하였으며, Luciferase activity가 유의미한 수준으로 감소된 9종을 선발함. - 선발한 9종 미생물 추출물을 serial dilution(원액, 1/10배, 1/100배)하여 Luciferase activity 측정하였을 때, 유의미한 수준으로 감소된 3종을 선발함.

제1협동 연구기관: 강원대학교 고추탄저병균은 무수히 많은 포자를 단시간에 생성하여 공기전반으로 병을 확산시킨다. 따라서 공기전반에 의한 탄저병균의 병 확산 및 발병에 대한 지식 축적은 새로운 개념의 방제전략을 개발하는데 있어 매우 중요하다. 포자생성 억제 및 촉진 조직으로부터 고추탄저병균의 total RNA를 추출하여 RNA-seq 분석을 진행하였다. 분석결과를 통해 포자 생성 특이 유전자 CsHOX2, CsHOX7, CsPMK1, CsCAP1을 선발하였다. 각각의 유전자 결실돌연변이체를 생성하여 표현형을 확인해 본

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


제2협동 연구기관 : 부산대학교 유용 미생물 Paraburkholderia sp. P39 균주와 병원성 Fusarium fujikuroi 곰팡이 사이 상호작용 연구 - 식물 병원성 Burkholderia 와 다르게, 유용 미생물 Paraburkholderia sp. P39에서 F. fujikuroi 를 억제하고, 식물 기주인 벼 줄기에 동시 감염을 통해 Paraburkholderia sp. P39와 F. fujikuroi 간 상호작용 연구를 수행. 다양한 Burkholderia 세균과 병원성 Colletotrichum 곰팡이 균주 사이의 상호 작용 연구 - 유용 미생물 Paraburkholderi a sp. P39 균주와 병원성 Colletotrichum 곰팡이 균주 사이의 상호 작용 연구 수행. -유 용 Paraburkholderia sp. P39 균주가 생산하는 2차 대사산물에 의한 병원성 Colletotrichum 곰팡이 생육 억제 및 상호작용에 관한 연구 수행.

대표성과 SCI급 국제학술지인 mbio의 2021년 8월호에 논문을 게재했다. mbio의 영향력지수(journal impact factor)는 7.867로, 150개의 미생물 분야 저널 중 10위에 해당하는 세계적인 권위의 학술지이다. 발표한 논문 제목은 ‘Homeobox Transcription Factors Are Required for Fungal Development and the Suppression of Host Defense Mechanisms in the Colletotrichum scovillei Pepper Pathosystem’ 으로 고추탄저병균의 HOX transcription의 기능을 분석하여, 고추탄저병의 병 발생(균사생장, 포자생성, 부착기 생성) 메커니즘을 밝혀내었다.

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

결과, CsHOX2과 CsCAP1 결실돌연변이체는 포자를 거의 생성하지 못하였고, CsHOX7과 CsPMK1 결실돌연변이체는 포자생성율이 줄어들었다. 추가적으로 CsHOX2, CsHOX7, CsPMK1, CsCAP1 결실돌연변이체들은 모두 고추탄저병균이 고추 과실을 침입할 때 형성하는 부착기의 형성도 거의 하지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 선발한 유전자들은 고추탄저병균의 포자 생성과 부착기 생성에 중요한 유전자라는 것을 확인하였다. CsHOX7 결실돌연변이체에 cAMP와 CaCl2를 처리하자 부착기 생성이 복구되었는데 이는 CsHOX7 유전자가 신호전달과 관련된 유전자임을 의미한다. HOX는 homeobox의 약자로 곰팡이의 전사체를 조절하는 transcription factor이다. CsHOX2와 CsHOX7이 고추탄저병균의 포자 생성 및 병원성에 중요한 역할을 하는 유전자임을 확인하였으므로, 추가적으로 CsHOX1의 유전자 결실돌연변이체를 생성하여 표현형을 확인하였다. CsHOX1 결실돌연변이체는 포자 생성에는 wild-type과 차이가 없었으나, 식물체에 포자를 접종했을 때 wild-type에 비해 식물체의 저항성 기작이 크게 활성화되어 병을 거의 일으키지 못하였다. 따라서 CsHOX1은 고추탄저병균의 병 발달에 중요한 유전자라는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 본 연구는 세계 최초로 식물병원성 곰팡이의 homeobox transcription factor의 기능을 밝혀낸 것이며, 현재는 연구결과를 활용하여 고추탄저병균의 병 발생 제어 전략 기반을 구축하는 연구를 진행하고 있다.


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 -S ingle cell RNA-seq 분석기법을 활용한 대식세포의 감염 초기 반응을 분석하고 MAP의 대식세포 감염에 따른 감염 초기 유전체 발현 변화 분석을 통해 MAP 감염 초기 병원성/신규 유전자를 도출하여 진단기법 개발 및 백신주개발 등에 활용 - 감염 초기 잠복기를 효율적으로 진단할 수 있는 진단 기법 개발을 위한 바이오마커를 발굴 128 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


공동연구기관 경상대학교

공동연구책임자

신미경 교수 경상대학교 의과대학 미생물학교실

연구목표 및 내용 주관연구기관과 연계하여 기존에 알려진 또는 본 연구를 통해 신규 발굴된 병원성 유전자의 결손변이주 제작 및 변이주의 유전, 면역학적 특성을 분석한다. 병원성유전자 결손변이주의 백신효능 평가를 통해 백신 후보물질을 발굴한다. 또한 목적동물(자연감염우)의 혈액 유래 단백질을 분석하여 잠복감염 및 준임상형 감염우 특이적인 바이오마커를 발굴하여 진단기법 개발에 응용한다. 위탁연구기관 울산과학기술원

위탁연구책임자

김동혁 교수 울산과학기술원 시스템생물학 연구실

연구목표 및 내용 M ycobacterium avium subsp. paratuberculosis (이하 MAP) 감염우의 장내균총 특성을 파악하는 연구를 진행하고 있다. iMAF_2021 Vol. 7

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

하고자 하며 이를 위해 목적 동물에서의 감염 시기별 혈청을 이용하여 miRNA 분석 수행 - m iRNA 분석을 통해 잠복기 또는 준임상형에 특이적으로 발현되는 miRNA를 발굴하여 진단 바이오마커로서의 활용 가능성 조사 - 각 miRNA들의 발현 특성을 분석하여 잠복감염 및 준임상형 감염에서의 면역 조절 메커니즘 규명


이를 위해 MAP 양성 농장 내 감염우 및 동거우, 그리고 음성 농장 내 미감염우로부터 다수의 분변 샘플을 획득한 후, 16S rRNA 시퀀싱 기술을 활용하여 대량의 시퀀싱 데이터를 확보하였다. 다양한 지표를 활용하여 MAP 감염이 소 장내균총에 미치는 영향을 분석하였고, 특히 다양성 지표 (diversity indices)를 활용한 거시적 관점과 특정 미생물의 상대적 풍부도 (relative abundance)를 파악하는 미시적 관점에서의 분석을 함께 진행하였다. 또한 파악된 미생물의 분포를 기반으로 메타게놈의 특성 역시 예측하여 MAP 감염 시 장 내 미생물 대사의 발현 변화를 추측하고자 한다. 최종적으로는 MAP 감염 판별에 사용할 수 있을 신규 미생물학적 바이오마커를 제시한다.

2

연구결과 및 주요성과

연구결과 요네병 감염초기 host-pathogen interactome 분석 MAP의 대식세포 감염에 따른 감염 초기 유전체 발현 변화 분석을 위해 Human THP-1 cell 및 MAP K-10의 감염 후 total RNA로부터 dual RNA-seq을 진행하였으며 MAP K-10의 host responsive mRNA 발현패턴 분석 및 해당 유전자들의 VFDB, KEGG, COG database 분석을 통한 병원성 관련 유전자 목록을 작성하였다. Host-induced bacterial stress responses로는 Two component system, Sigma factors 및 Iron metabolism이 관련됨을 확인하였으며 주요 virulence-related genes으로 secretion system에 관여하는 Esx-3 (M. tuberculosis ) 유전자가 증가한 것을 확인하였다. 또한 Human monocytic cell line인 THP-1의 PMA 처리에 따른 분화과정을 Single cell RNA-seq 기법을 통해 분석하고 MAP 감염에 따른 각 세포 cluster들의 DEG 분석 수행하였다. Classically differentiated macrophage cluster 특이적인 MAP 감염에 대한 주요 반응 확인하였으며, MAP 감염에 대한 반응성 확인 및 THP-1으로부터 분화한 새로운 type의 cell을 확인하였다.

그림 1. 전사체분석을 통한 요네병 면역세포 감염 초기 상호작용 분석

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모든 mycobacteria 감염에 있어서 활성 감염과 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 조기 색출하고 제어하기 위해 잠복감염 개체를 조기진단 할 수 있고 감염 단계별 진단할 수 있는 바이오마커를 다양한 분석을 통해 도출할 필요가 있다. 최근 들어 microRNA가 잠재적인 질병의 예후 및 진단의 바이오마커로 각광을 받고 있으며, 특히 혈액 같은 쉽고 비침습적인 방법으로 채취할 수 있는 샘플을 사용할 수 있다. 본 연구에서는 비감염군 개체와 MAP 감염된 개체를 감염 단계에 따라 구분하여 총 4 그룹으로 지정하였으며, miRNA-sequencing을 수행하여 감염 단계별 특이적인 miRNA를 발굴하였다. 감염이 진행됨에 따라 차등 발현되는 miRNA의 발현도 및 특이 miRNA의 개수가 증가하였으며, clustering 분석을 통하여 그룹 간 DE-miRNAs의 상관관계를 확인하였다. miRNA는 세포 내 병원체에 대한 면역 반응에 관여하는 것으로 알려져 있기에 유의미하게 발현된 DE-miRNAs에 대하여 네트워크 분석을 진행함으로써 MAP 감염 진행시 나타나는 면역반응을 확인하였다. 또한 후보 miRNAs에 대하여 validation 실험을 진행하여 모든 감염 단계에서 유의미하게 발현이 확인된 miRNAs를 후보 바이오마커로서 선택하여 활용할 예정이다.

그림 2. MAP 감염단계별 miRNA 발현 및 양상

신규 병원성 유전자를 이용한 돌연변이 주 제작 MAP의 대식세포 감염에 따른 감염 초기 유전체 발현 변화분석으로 발굴된 MAP의 신규 핵심 병원 성 인자를 분석하기 위해 특정 유전자에 대한 변이주를 제작, 비교 분석함으로써 병원성 유전자의 특성을 규명하는 것이 필요하다. 이에 CRISPR-Cas9 기법을 활용하여 돌연변이 주 제작기법을 구

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

혈청 microRNA 분석 기반 바이오마커 발굴


축하였고, 11종의 병원성 유전자를 선정하여 돌연변이 주 제작을 완료하였다. 제작된 돌연변이주를 CRISPRi의 유도물질인 anhydrotetracycline이 첨가된 7H10 agar와 첨가되지 않은 7H10 agar에 각 각 접종하여 배양한 결과 mmpL3 억제 돌연변이주는 CRISRPi를 활성화시켰을 때 증식이 억제되었 다. 따라서 mmpL3는 MAP균의 증식에 필수적인 유전자로 생각된다. 반면 Enoyl-CoA hydratase, mdh, fumarate dehydrogenase, GroEL1, MAP1981c, mmpL4는 거의 차이가 없었다. 또한 isocitrate lyase와 pknG는 CRISRPi를 활성화시켰을 때 증식이 다소 증가한 것으로 보이나 정량적으로 측정한 것은 아니라 추후 확인이 필요할 것으로 생각된다. 이러한 CRISPRi 기술을 기반으로 한 돌연변이 주 제작은 균의 병원성 및 생리적 기능의 규명에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 여겨진다.

그림 3. CRISPRi system에 의한 돌연변이주 성장 변화 확인

요네병 감염우 장내균총 분석기반 미생물학적 바이오마커 탐색 본 연구는 복수의 국내 농장에 서식하는 소 52두(감염우: 22, 동거우: 10, 미감염우: 20)의 분변 샘플을 확보하는데 성공하였고, 이를 활용한 16S rRNA 시퀀싱 및 생물정보학적 분석을 통해 장내균총 특성을 파악하였다. 농장 간 환경 차이가 장내균총에 미치는 영향을 배제하기 위해, 양성 농장 내 감염우와 동거우만을 활용한 장내균총 분석을 먼저 진행하였다. 알파 다양성 지표 결과를 보았을 때 MAP감염은 종의 풍부도를 주로 감소시킨다는 것을 확인하였으며, 또한 unweighted UniFrac과 같은 베타 다양성 지표 결과를 통해 장내 혼란을 야기하여 감염개체 간 장내균총의 편차가 유의적으로 커지게 되는 현상을 확인하였다. 또한, 감염우, 동거우, 미감염우 특이적으로 분포가 변화한 미생물을 LefSe 분석(유의성 기준: LDA score >2.0, p-value<0.05)을 이용하여 비교해본 결과, 다양한 분류체계 수준에서 감염 여부에 따라 특이적으로 구성 비율이 변화하는 미생물들을 확인하였다. 특히, 대표적인 장내 병원균인 Clostridium difficile 등 MAP감염 시 유의적으로 증가하는 미생물의 종류가 확인 되었다. 단일 미생물의 분포 이외에도, Clostiridia 와

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사용할 수 있을 것으로 예상되는 복수의 미생물 분포 정보를 활용한 지표들을 파악하고 있다. 또한, MAP 특이적 qPCR 결과를 활용하여 개체별 장 내 MAP의 함량과 상관관계를 보이는 미생물들을 다수 발굴하였다.

그림 4. 요네병 감염에 따른 장내균총 분석

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Bacteroidia 의 비율 혹은 Clostiridales 와 Bacteroidales 의 비율 등 MAP 감염의 척도로써


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NEWS CLIPPING

뉴스클리핑

2021 Vol.7 I 7차년도 뉴스클리핑

뉴시스, 2021년 1월 13일 보도

전용호 안동대 교수팀, 사과 탄저병 방제 미생물 유전체 규명

전용호 교수팀은 이번 연구에서 사용된 AK-0 균주를 고려바이오㈜에 기술이전해 '탄저킬' 액제를 성공적으로 런칭했다.

전용호 안동대학교 식물의학과 교수 연구팀이 탄저병 방제에 효과적인 유용 미생물을 개발했다. 동 균주

국내 사과 탄저병을 일으키는 병원균은 이미 변이가

유전체도 세계 처음으로 규명했다.

발생해 화학농약에 내성을 가진 균주가 출현했고, 기존 농약으로는 방제가 어려운 실정이다.

안동대에 따르면 유용 미생물 바실러스 벨레젠시스 (Bacillus velezensis) AK-0는 사과 탄저병을 비롯해

연구팀이 런칭한 탄저킬은 유용미생물인 AK-0

고추 탄저병, 인삼 뿌리썩음병을 효율적으 로

균주가 탄저병균의 포자발아, 균사생장 및 부착기

방제하며, 식물 생육촉진 효과도 뛰어난 것으로

형성을 완전히 억제함으로써 탄저병이 발생하지

확인됐다.

못하게 한다.

연구팀은 동 균주의 전체 유전체인 400여만 개의

화학약제에 내성이 있는 탄저병균주도 효과적인

염기와 3795개의 유전자를 밝혀냈다.

방제가 입증돼 내성균주 방제에도 새로운 대안으로 주목받고 있다.

항균활성에 관련된 2차 대사 산물에 대한 연구를 통해 보다 우수한 미생물 살균제를 개발할 수 있는

전 교수는 "이 생물농약의 개발은 친환경 농산물

토대를 마련했다.

생산을 위한 제품으로 미생물을 이용한 저항성 탄저병균 관리에 새로운 대안이 될 것"이라며,

이번 연구는 농림식품기술기획평가원의 포스트게놈

"추가적인 글로벌 시장을 공략할 수 있는 우수 균주

유전체사업의 지원을 받아 미생물제제 전문 기업인

발굴과 살균 메커니즘의 심도있는 연구를 통해

고려바이오㈜와 공동으로 이뤄졌다.

연구개발 제품의 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

세계적 학 술지인 네이처 자 매지 사 이언티픽 리포트(Scientific Report) 최신 온라인판에도 게재됐다.

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경희대 배진우 교수 연구팀, 마이크로 바이옴 기반 한우 육질 및 증체량 조절과 폐사율 결정 매커니즘 규명 그동안 밝혀지지 않았던 반추동물에서 수컷 거세에 의해 근육 내 지방이 축적되는 현상에 대한 자세한 매커니즘이 밝혀져 주목된다. 농림식품기술기획평가원(원장 오병석)은 농식품 R&D 과제 지원을 통해 ‘한우의 장내 마이크로바이옴이 육질과 증체량을 조절하고, 설사 치료에 효과적이라는 사실을 입증했다고 21일 밝혔다. 각종 질병으로부터 경제동물을 보호하고 농가의 소득을 향상시키기 위한 노력의 일환으로 질병 저항성 및 생산성 향상에 기여하기 위해 현재 장내미생물 군집 조절 연구가 활발히 진행되고 있다.

반추동물의 경우 반추위와 소장에서의 미생물 발효를 통해 에너지의 상당 부분을 확보하는 특성이 있어 한우를 이용한 반추동물 미생물유전체 연구의 필요성이 꾸준히 요구돼 왔다. 연구를 주관한 경희대학교 연구팀은 한우 수컷의 거세를 통한 웅성호르몬(테스토스테론)의 감소가 소장 내 미생물군집을 특이적으로 변화시킬 수 있음을 밝혔다. 특히, 소장 내에서 아 직까지 기능이 명확히 밝혀지지 않은 Peptostreptococcaceae과에 속하는 미생물과 체내 분지쇄아미노산(Branched-chain amino acids, BCAAs)사이에 양의 상관관계를 통한 조절이 ‘마블링’이라 일컫는 근육 내 지방 축적에 기여함을 확인했다. 이러한 근 육 내 지방축적은 1993년 축 산물 등급제가 적용되면서 사실상 쇠고기 육질 등급이 축산 농가들의 소득을 결정하는 중요한 성적표가 되어왔다. 또한 고급육 생산을 위해 수컷 송아지를 어린 사육 단계에서 거세시킴으로써 상위 육질 등급 출현율이 월등하게 증가하기도 했다. 연구팀은 "건강한 송아지의 분변을 설사 송아지의 경구로 주입하 는 대변무리이식요법을 이용해 인위적으로 송아지의 장내미생물 군집을 조절할 수 있고, 송아지 설사를 효과적으로 치료할 수 있음을 확인했다"며, "대변무리이식을 받은 송아지의 경우 전해질 및 항생제 투여 송아지들과 비교해 95%에 이르는 설사 완치율이 확인됐다"고 설명했다. 이어, "30개월에 걸친 장기간의 모니터링으로 대변무리이식요법 이후 송아지 장내미생물 군집 유지를 통해 체중 증가 효과를 확인, 체중 증가

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전업농신문, 2021년 1월 21일 보도


뉴스클리핑

효과와 관련해 혈청 내 분지쇄아미노산(BCAAs)의 축적이 반복적으로 확인됐다"고 밝혔다. 주관 연구책임자인 경희대 배진우 교수는 "이번 연구를 통해 건강한 송아지 분변을 선별하기 위한 기준을 마련하고, 마블링 축적 및 대변무리이식 기술을 통해서 항생제를 대체할 수 있는 친환경 기술을 확립해 설사 빈도를 줄임으로써 축산 농가의 생산성 증대에 기여할 것"이라고 말했다.

전업농신문, 2021년 1월 21일 보도

경북대 신재호 교수팀 주관, 머신러닝 활용 정확도 높은 인삼재배 연작 여부 판별 기술개발

이번 연구결과는 분자생물학 및 미생물 분야에서 권위 있는 학술지 중 하나인 EMBO Reports (IF2019=7.497)에 2020년 11월 23일 자와 자연과학을 다루는 다분야 학술지 중 가장 권위 있는 Nature Communications(IF2019=12.121)에 2021년 1월 8일자에 각각 게재됐다. 농림축산식품부와 농기평은 포스트게놈 다부처 유전체사업을 통해 지난 2018년부터 ‘농식품 소재 미생물 군집, 메타유전체 및 메타대사체 정보 분석’에 대한 연구를 지원하고 있다.

머신러닝 기법을 활용해 인삼을 재배한 적이 있는지 없는지를 판별할 수 있는 기술이 경북대 응 용 생명과학부 신재호 교수 연수팀에 의해 개발됐다. 인삼재배 농민들의 재배지 물색에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 신재호 교수팀이 개발한 분석법을 적용하면 과거 경작기록이나 토양 성분 분석을 하지 않고도 미생물 분석만으로 약 91%의 확률로 연작피해 여부를 예측할 수 있다. 신 교수팀은 인삼뿌리썩음병이 발생한 토양샘플 130여점을 차세대 유전자분석 기술을 이용해 샘플 당 10만점 이상의 미생물 정보를 확보했다. 이렇게 획득한 1,300만개의 빅데이터를 ‘서포트 벡터 머신’ 기반의 머신러닝(기계학습)으로 판별하는 모델을 제작하는데 성공했다. 인삼을 심기 전에 미리 인삼 뿌리썩음병이 발생할지 알 수 있게 된 것이다. 인삼은 같은 씨앗을 뿌려도 재배지에 따라 유효 성분이 크게 달라질 정도로 토양의 영향을 많이 받는 작물이다. 한국산이 중국이나 미국산에 비해 유효성분이 월등한 것은 이 같은 토양 영향으로

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세계일보, 2021년 4월 7일 보고

인삼뿌리썩음병은 대표적인 인삼연작피해다. 연작지에 심으면 십중팔구는 인삼농사를 실패하게 된다. 이 때문에 인삼재배농민들은 초작지를 찾아 다니지만, 재배 여부를 확인할 과학적 방법이 없이 지주의 말만 믿고 임차했다가 낭패를 보는 일이 종종 발생한다.

이 균주는 유산균과 같이 정장작용이 뛰어난 프로바이오틱 효모로 알려져 있다. 보울라디 효모는 체온과 유사한 37도 부근에서 활발한 생육활동을 보이며, 위산과 같은 산성 환경에서 잘 견디기 때문에 식후 섭취해도 많은 양의 균이 살아있는 상태로 장에 도달할 수 있다.

신재호 교수는 “지금까지 과학적으로 인삼 초작지 를 판별하는 것은 거의 불가능했고, 오로지 땅 주인 의 말만 믿을 수밖에 없어 분쟁이 잦았다”며 “토양 미생물을 분석하는 인공지능 알고리즘으로 91%의 정확도로 초작지를 판별해낼 수 있게 됐으며, 더 많은 비용을 투입해야 하지만 더 많은 샘플을 얻는 다면 정확도를 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

일반적으로 효모는 구성성분의 약 4분의 1이 장내 미생물의 먹이로 사용될 수 있는 베타글루칸을 비롯해 다양한 다당 성분으로 이뤄져 있어 보울라디 효모 미생물을 단독으로 섭취해도 프로바이오틱스 기능과 프리바이오틱스 효과를 동시에 누릴 수 있다.

이번 연구결과는 국제학술지인 농업 및 식품 화학 저널 7월 28일자 표지논문으로 발표됐다.

전통누룩 효모 개발로 막걸리의 국산화 전기마련 한국 전통주인 막걸리를 발효시키기 위해서는 효모가 필요하다. 하지만 100% 국산 쌀로 제조된 막걸리라도 수입산 제빵효모를 사용하는 경우가 많았다. 한국식품연구원은 전통누룩에서 프로바이오틱스 기능이 있는 효모를 분리했으며, 이를 막걸리 제조 에 활용한 결과 기능성과 향미가 뛰어난 제품이 개발 됐다고 밝혔다. 식품연구원에 따르면 전통식품연구단 이장은 박사팀은 전통누룩인 공병곡으로부터 사카로마이 세스 보울라디 효모 균주를 분리하는 데 성공했다.

연구진은 전통누룩으로부터 분리, 선발한 균주가 장내에 도달·정착하고 생존할 수 있는 능력이 2배 이상 뛰어나며 장내 염증 개선 효과가 우수하다는 사실을 밝혀냈다. 또한 사카로마이세스속 효모가 가진 16∼17%의 알코올 생성력을 그대로 유지하고, 양조 시 뛰어난

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알려진다. 게다가 인삼은 한번 심으면 4~6년간 그 땅의 영양분을 흡수하고, 이로 인한 병해충 발생 가능성도 높아진다. 예전엔 한번 수확 후 10년 이상 같은 땅에 심을 수 없다고 할 정도로 연작 피해가 극심하다. 이를 줄이기 위해 열소독, 훈증소독, 오존수소독 등 다양한 기술이 개발됐지만, 한 번도 심지 않은 ‘초작지’에는 미치지 못한다. 경북농업 기술원 풍기인삼연구소 손형락 연구사는 “요즘은 연작피해를 최소화할 수 있는 다양한 기법이 개발돼 인삼 수확 후 논은 4년, 밭은 6년 정도 지나면 다시 재배할 수 있게 됐다”며 “하지만 초작지에는 미치지 못한다”고 설명했다. 땅속 해충이나 유해균을 죽 이기 위해 논에는 모를 심고, 한여름에 비닐을 덮는 열소독, 토양소독제로 하는 훈증소독에다 녹비식물 을 심어 지력을 보강하는 등의 방법으로 병해충 발생 가능성을 최소화하지만 초작지보다는 더 많이 발병 한다는 의미다.


뉴스클리핑

향미특성을 보여 장내 건강 기능성이 부여된 발효주 제조에 종균으로 사용할 수 있다고 밝혔다. 이번 연구 는 농 림축 산식 품 부 의 전략미생 물 유전체사업 일환이다. 식품연구원은 지난 7년간 조선 시대 고문헌 19점에 수록된 현대화된 누룩 40여 종과 수집된 전통누룩으로부터 양조용 미생물을 분리하는 연구를 수행해 왔다.

대학저널, 2021년 9월 13일 보도

응용생명과학부 신재호 교수, 제24회 농림축산식품 과학기술대상 장관상 수상

김재호 식품연구원 기획본부장은 “기존 수입산 제빵효모를 사용하던 국내 주류산업에서, 국내 전통누룩 유래 균주를 발효종균으로 사용하게 됨으로써 우리나라 양조효모의 국산화 초석을 마련할 것”이라고 말했다. 이번 성과는 ‘프로바이오틱 활성을 갖는 사카로 마이세스 세레비지애 보울라디-03 신균주 및 이의 용도’로 특허 출원됐다. 또 효모를 생균 형태로 섭취 가능한 막걸리 제조에 발효종균으로 사용할 수 있도록 용도를 개발해 서울장수(주)에 기술이전 됐다.

경북대 응용생명과학부 신재호 교수가 친환경 농업을 위한 유용미생물의 개발과 보급에 이바지한 공로를 인정받아 9월 8일 농림식품기술기획평가원에서 열린 ‘제24회 농림축산식품 과학기술대상’에서 농림축산식품부 장관상을 수상했다. 신재호 교수는 농림축산식품 미생물유전체전략 연구사업을 수행하며 친환경 농업미생물제제를 개발해 친환경 지역기업에 기술이전했다. 신 교수가 개발한 농업미생물제제는 대량생산이 가능하고, 기존 관수·살포 시스템은 물론 드론을 이용한 살포 도 가 능해 우리나라 친환경농자재 분야 기술력을 한 단계 끌어올렸다는 평가를 받았다. 신재호 교수는 “농업환경 평가에 머신러닝을 도입하고 스마트폰으로 촬영한 작물 영상으로 비료의 결핍을 판단하는 연구를 수행하는 등 농업 분야에서 새로운 연구를 시도하고 있다.”라며 “앞으로도 학문의 영역을 따지지 않고 사람과 환경에 도움이 되는 연구를 지속하겠다.”라고 밝혔다.

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한편, 신재호 교수는 현재 경북대 생물소재특성화 대학원 사업단장, BK21데이터기반 농업생산혁신 기술개발 인력양성교육연구단 사업부단장, 교육부 차세대시퀀싱핵심연구지원센터 소장 등을 맡고 있다.

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사업단 주요 활동

2021 사업단 주요활동 2020.10.7 I 후속사업 공청회

2020.12.11. I 2020 mBiome 국제 컨퍼런스

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

군산새만금컨벤션센터

연세대학교


연세대학교

2021.3.19. I 우수성과 기술가치평가

연세대학교

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2020.12.11. I 2020 mBiome 국제 컨퍼런스


사업단 주요 활동

2021 사업단 주요활동 2021.3.19. I 우수성과 기술가치평가

2021.8.3. I 현장점검

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

연세대학교

한국식품연구원/조선대학교


충북대학교/경북대학교

2021.8.5. I 현장점검

서울대학교

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2021.8.4. I 현장점검


사업단 주요 활동

2021 사업단 주요활동 2021.8.5. I 현장점검

2021.8.10. I 현장점검

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

서울대학교

안동대학교/연세대학교 미래캠퍼스


순천향대학교/목원대학교

2021.8.12. I 현장점검

중앙대학교

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2021.8.11. I 현장점검


사업단 주요 활동

2021 사업단 주요활동 2021.8.12. I 현장점검

재단법인 농축산용미생물산업육성지원센터

2021.8.17 I 현장점검

진바이오텍

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


강원대학교/인하대학교

2021.8.19. I 현장점검

매일유업

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2021.8.18. I 현장점검


사업단 주요 활동

2021 사업단 주요활동 2021.8.22. I 현장점검

제주대학교

2021.9.2. I 현장점검

경희대학교

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농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


연세대학교

2021.9.2. I 특별초청강연

연세대학교

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Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2021.9.24. I 현장점검


최종평가 절차 / 알아둡시다

최종평가 절차 최종평가 절차

참고 최종보고서(초안) 제출

주관연구개발기관 ●

농기평

주관연구기관은 협약종료 후 60일 이내 최종보고서 제출 농기평

평가단 구성

공개발표평가

5-7인으로 구성하되 산 학 연 분배, 이해관계자 배제 ●

- 평가위원후보단에서 기술분류에 따라 5-7배수의 예비후보단 구성(단, 지정공모과제는 과제활용담당관 1인 및 선정평가에 참여한 평가위원 포함)

농기평 ●

주관연구책임자의 구두발표에 의한 공개발표평가 실시 농기평

평가결과 통보

주관연구개발기관

최종보고서 수정 보완 및 최종보고서 배포 요청 ●

- 평가결과 "우수" 과제는 신규과제 선정평가시 가점 부여

주관연구개발기관

이의신청

이의신청처리위원회 구성 ● 운영 미 수 용

● 평가결과 미흡(60점 미만) 이하인 과제는 주관연구개발 기관에서 10일 이내 이의신청 가능

농기평 ●

5인 이상으로 구성하되, 이해관계자 배제 - 이의신청 사유를 검토하여 수용여부 판단

수 용

공개발표 재평가

농기평 ●

이의신청 과제에 대해 공개발표 재평가 실시 농기평

결과 통보

주관연구개발기관

● 이의신청 미수용 과제 및 재평가결과 50점 미만 과제는 참여제한 및 연구비환수 등 후속조치

주관연구개발기관

농기평

최종보고서 배포

● 주관연구개발기관은 발간등록번호가 기재된 최종보고서를 관계기관에 배포하고, 농기평은 홈페이지에 공개

성과활용 및 환류

주관연구개발기관 ●

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농기평

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

농기평

농식품부

기술이전 등 산업적 활용 홍보 연도별 시행계획 수립, 지정과제 기획 등에 환류 ●


과제관리 일정 년월

최종평가

2021.12

과제/성과/연구비관리

사업단 운영

연구성과 입력

2021 제 6회 엠바이옴 국제 컨퍼런스

2022. 1 2022. 2

최종보고서 제출

2022. 3

최종평가(예정)

연구비 정산 결과 제출

연락처 과제관리

사업관리실

061-338-9771

통합이지바로

상담 콜센터

1833-2785

연구행정

사무국

02-2123-8125

정보·자원 관리

사무국

02-2123-8126

농림수산식품기술기획평가원(iPET)

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단(iMAF)

iMAF_2021 Vol. 7

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알아둡시다


1단계 과제리스트 및 주요내용

1단계 과제리스트 및 주요내용 1단계 성과목표 달성현황 체계적 사업관리, 연구교류 및 최신 동향 등의 정보 공유를 통해 효과적인 연구수행을 지원하고 연구성과 창출을 독려함으로써 1단계 성과목표 대비 실적 100% 초과 달성 • (유전체 정보 생산 성과) 유전체 정보 생산 291건, 유전체 정보 등록(NABIC/KOBIC) 277건, 미생물 유용 유전 자원 확보 228건 •(경제적 성과) 신제품 생산 9건, 총 매출액 1,486억원, 시제품 생산 5건, 제품 개선 3건, 기술이전 8건 •(과학기술적 성과) SCI급 논문 166편 발표, 지식재산권 출원·등록 77건

성과목표

전략 미생물 해독

유용 유전자원 확보

참조 (표준) 유전체 해독

메타 유전체 분석

유전체 분석기술 개발

NABIC 등록

병원성 병원성 미생물 사업화 미생물 진단마커 ㆍ실용화 정보완성 개발

SCI 논문

지식 재산권 출원 ·등록

최종목표

22

10

90

14

5

25

3

1

3

50

-

실적

120

228

112

58

13

276

8

9

17

166

77

달성률(%)

545

2,280

124

414

260

1,104

266

900

566

332

■ 1단계 수행과제 주요내용 구분

연구기관

책임자명

중앙대학교

전체옥

주요내용

● 김치에서 분리한 김치유산균의 유전체 분석으로 우수 발효능 및 기능성을 가진 우수한 발효종균용 김치유산균 발굴 김치 미생물

충북대학교

한남수

(주)대상

류병희

한국식품연구원

김재호

● 전통누룩 및 기타 누룩(자가제조, 상업용)의 유전체 분석으로 우수누룩 확보 및 품질요인 규명

(주)국순당

신우창

● 우수균주의 종균화 및 유용 유전자원을 발굴하고, 해당 양조 미생물 자원의 산업화 추진

● 김치유산균의 유전체 및 대사체 분석을 통해 김치유산균의 발효능, 기능성 및 안전성을 검증하고, 실증연구를 통해 고기능성 및 고품질의 표준화된 김치개발

주류 미생물

152 |

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


사동민

충북대학교

이이

● 식물의 생육주기와 유형에 따라 생물비료의 최적 접종 조건 확립 및 이를 토대로 미생물 유전자원 기반의 생물비료 개발

대구대학교

정종배

● 또한, 생물비료 대량배양 조건을 최적화하고 제형화 개발을 위해 선발 생물비료에 경제성을 가지는 산업용 배지 최적화

(주)흙살림

최관호

서울대학교

허철성

강원대학교

김은배

생물비료

사료첨가제

● 항균활성/안정성 확보된 사료첨가 미생물 자원의 유전체 확보, 대량 생산 조건 확립 및 시제품 생산

(주)씨티씨바이오

박양순

경희대학교

배진우

연세대학교

송주연

건국대학교

이충환

중앙대학교

설우준

중앙대학교

강현아

숭실대학교

서정아

㈜테라젠이텍스

홍창표

(주)천랩

천종식

● 원핵생물의 유전체 및 전사체 분석을 위해 생물정보학 활용 통합분석시스템 및 데이터베이스 구축

(주)테라젠이텍스

홍창표

● 또한, 진핵생물의 유전정보 분석을 위한 참조 유전체 조립 파이프라인, 유전체 발굴 시스템 개발 및 통합분석 시스템 개발

순천향대학교

윤성환

강원대학교

김경수

동아대학교

이정관

경상대학교

김석

중앙대학교

이강석

(주)인트론바이오테크놀로지

손지수

메타유전체

참조유전체

● 유전체 공학을 통한 가축 생산성 증진용 항균활성/안정성 우수 사료첨가 생균제의 개발 및 생산 최적화 연구

● 첨단 생명공학기법(메타유전체/메타볼롬)을 이용한 경제동물의 장내 미생물체 정보 대량 분석 및 유용 미생물 후보 발굴 ● 또한 농식품 환경에서 활용가치가 높은 미생물에 대한 메타유전체 서열 분석 데이터로부터 산업상 활용 가능한 기능성 유전자 발굴

● 한국 전통주류 효모 및 당화곰팡이 균주의 참조유전체 및 오믹스 분석 연구

농업생물정보

식물병원균

동물병원균

● 벼와 고추재배 지역 내 주요 공기전반 병원성 곰팡이의 신규 유전체와 발병 전사체 분석을 진행하고 주요 유전자의 기능 연구 ● 또한, In silico AFLP-PCR 등을 활용한 병원성 곰팡이의 진단 마커 개발 ● 경제동물 주요 기생성 세균(브루셀라, 살모넬라)의 세포 및 동물 감염 시 발현되는 병원성 유전자의 발현양상 규명, 또한 감염 시 발현되는 인자와 질병간의 상관관계 및 숙주 제어기전 규명 ● 고면역원성 기생성 세균 유발 병원균 제어 단백질 백신 소재 원천기술 개발

iMAF_2021 Vol. 7

| 153

Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

충북대학교


구분

연구기관

책임자명

주요내용

1단계 과제리스트 및 주요내용

● 콜레스테롤 저하 효능과 추가 기능성 발굴을 위한 동물실험 및 효능 검증을 위한 인체적용시험 및 개별인정형 획득 프로바이오틱스

(주)에이투젠

강지희 ● 유용유전자원의 전체 유전체 분석 및 유용 유전자원 분석 등을 진행하고, 이를 토대로 제품개발 및 사업화 추진

프로바이오틱스

(주)종근당바이오

최인석

한국식품연구원

임상동

한동대학교

빌헤름홀잡펠

(주)팜한농

신택수

● 유용유전자원의 대량배양 및 생산 제조공정을 개발하고, 이를 활용한 미생물농약(유기농업자재) 등록 및 현장적용기술개발

전북대학교

김재수

● 유전체 정보분석을 통한 총채벌레 방제 활성이 높은 유용유전자원 발굴 및 검증

서울대학교

박병철

(주)씨티씨바이오

최대건

건국대학교

이충환

● 농식품에 대한 meta-metabol 통합해석 연구를 통해 미생물 자원 탐색 및 식품 내 발효대사체 규명

이화여자대학교

김영석

● 농식품 미생물 및 발효식품별 기능대사체 In-house DB 구축 및 확장

연세대학교

반용선

● 농·식품 유용 미생물의 다중오믹스 기반 유전자 기능 네트워크 맵 구축

연세대학교

조현수

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

경북대학교

이동우

● 농·식품 유용 미생물 및 유전자의 가치제고화 플랫폼 기술 구축

중앙대학교

설우준

단국대학교

권지안

한국과학기술원

윤석환

● 항비만 젖산균주 선발, 기능성 확인 및 최적 배양조건 설정 - In vitro/In vivo 모델 활용한 항비만 기능성 균주 라이브러리 구축 및 항비만 기능성 확인 - 제조공정 확립 및 대용량 탱크 scale up 적용 완료(배양, 코팅 및 동결건조 조건)

미생물농약

면역증강제

● 만·급성 설사증상의 발병기전을 기존의 통합 해석 방식에서 탈피한 맞춤형 전략개발로 경제동물용 만·급성 설사증상 조절 면역증강제 제품화 - 만성 설사증에는 항균·항바이러스 효능을 가진 생균제로, 급성 설사증에는 박테리오파지로 접근

기능대사체

기능유전체

공생미생물

● 식물 삼출물과 공생미생물의 상호작용 분석 ● 군집 유전체 분석으로 신규 공생미생물 자원 탐색 및 발굴

부산대학교

154 |

● 공생미생물 유전체 분석 및 유용 생물자원 확보

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

이재훈

● 삼출물-근권 미생물 상호작용 유래 식물 면역, DNRA 반응 및 환경 스트레스 저항성 분석


박동기

● 발아대두 동충하초 유래 생리활성 물질 발굴 및 생리활성물질의 생산공정 표준화

가천대학교

박태식

● 생리활성 소재의 간세포 지방 축적 저해, 대식세포 활성화 억제 및 성상세포 활성화 억제에 대한 in vitro 활성 분석

인천대학교

최재혁

● 발아대두 동충하초 유래 바이오소재의 기능성 분석 및 안전성 평가를 통한 제형화 연구 및 시제품 개발

부산대학교

서영수

● 동·식물 공통 병원균(Burkholderia) 사용 전사체 분석, 비교유전체 분석을 통한 특성 유전인자 규명 및 병원성 균주의 제어기술 개발

동•식물 병원균

● 숙주-변이 공생균의 상호작용에 따른 신규 특정 유전자의 발현 분석 부산대학교

이복률

● 병원성 균주의 병 전염경로와 병 발생 기작 규명

iMAF_2021 Vol. 7

| 155

Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

유용버섯

(주)세포활성연구소


iMAF 1단계 (2014~2018년) 사업 수행

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

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

156 |

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


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

최대건

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

iMAF_2021 Vol. 7

| 157

Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2016년 협약: 연구기간 2년


2. 연구역량 강화 iMAF 1단계 (2014~2018년) 사업 수행

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

158 |

과 제 명

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단


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

iMAF_2021 Vol. 7

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