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강문영
강문영(Moonyoung Kang) 저자 이메일 보기
KAIST
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  CV updated 2022-01-28 22:05
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Single-cell RNA-sequencing of Nicotiana attenuata corolla cells reveals the biosynthetic pathway of a floral scent

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

많은 분들께는 생소하실 Nicotiana attenuata (야생담배)는 미국 서부와 남부지역의 토착 식물로 생태학 연구의 모델 식물 중 하나입니다. 식물은 다양한 대사물질(metabolite)들을 생성하는데, 그동안 야생담배에 대한 연구는 이 대사물질들이 생태계 내의 여러 생물종과 형성하는 상호작용을 밝히는 것을 중점으로 진행되어 왔습니다. 야생담배는 사막에 사는 식물이라 낮에 꽃을 피우면 뜨거운 태양열에 의해 꽃가루와 꿀이 말라버리기 때문에, 밤에 꽃을 연 뒤 타가수분을 위해 박각시나방을 포함한 여러 수분매개자들을 꽃으로 끌어들입니다. 이런 유인에 중심적인 역할을 하는 것이 벤질아세톤(benzylacetone)이라고 불리는 향기물질이라는 것이 다수 보고된 바 있습니다.

야생담배에서 Benzylacetone은 기능적 측면에서는 가장 잘 연구된 물질 중 하나이지만, 이의 생합성 경로에 대해서는 알려진 것이 상대적으로 적었습니다. 식물이 만들어내는 특정 물질의 합성경로를 밝히기 위해서 지금까지는, 해당 식물의 조직이나 시기별 RNA 시퀀싱을 진행하고 co-expression 분석을 통해 후보 유전자군을 추리거나, 기존 연구들에 의거하여 적합한 모델을 세우고 그에 맞는 homologous gene을 찾는 방법, 또는 관심 물질의 양에 변이가 있는 생태형(ecotype)들을 이용하여 GWAS나 positional cloning등을 하는 방법들이 일반적으로 사용되어 왔습니다. 기존 연구 방법들의 연장선에서, 본 연구는 식물이 생성하는 특정 물질의 생합성 경로를 밝혀내기 위해 사용되던 co-expression 분석에 수 천개의 세포별 전사체 정보를 결합하여, 대사물질을 생산하는 세포의 종류를 밝히고 더 나아가 세포내 특이적으로 발현되는 유전자들을 통해 대사물질의 생합성과 관련된 후보 유전자들을 발굴할 수 있음을 밝힌 첫번째 보고입니다.

본 연구에 사용된 야생담배 dataset에 관한 초기 연구는 현재 논문의 내용과는 거리가 멀었습니다. 분석을 진행하는 과정에서 새로운 발견을 통해 연구가 다른 가지로 뻗어나가 논문을 쓰게 된 경우이기에, 교수님과 실험실 사람들끼리 "서울로 가려다가 길이 좋아 보여서 강릉으로 갔는데 강릉 바다가 예뻤다." 고 농담 삼아 이야기하고 있습니다. 평소 대사체에 관심이 있었기에 야생담배 꽃 단일 세포 시퀀싱 데이터를 분석하는 과정에서 scent metabolism에 관련되어 있을 법한 유전자들과 이들의 발현 패턴이 뜻밖에 눈에 들어오게 되었습니다. Benzylacetone의 알려져 있던 생합성 유전자 하나와 benzylacetone의 전구체를 만들 법한 유전자들이 특정 세포에서 특이적으로 함께 발현되는 것을 확인하였기에, 수천개의 세포별 전사체를 이용해 유전자 간 co-expression을 계산한다면, 생합성 과정의 나머지 유전자를 발견할 수 있을 것이라 추측하였습니다. 이에 생합성에 관련되어 있다고 알려진 유전자를 이용해 모든 유전자에 대해 cell by cell expression correlation을 계산하였을 때, 상관관계가 높은 상위 30위 유전자 리스트 안에 생합성에 함께 작용할 만한 유전자들이 빼곡히 자리잡고 있었고, 분석 결과 이들을 조절할 만한 key regulator들과 transporter들 또한 함께 나타남을 확인하였습니다. 아마 향기 물질을 만드는 과정에 속하는 중간물질들이 solubility가 낮아 세포 하나 안에서 만들어지고 조절될 확률이 높아 이러한 접근 방법이 통하였으리라고 생각합니다. 이번 논문에서는 상위 유전자 중 기능이 알려진 유전자들이 많아 기존 지식을 기반으로 손쉽게 model을 만들 수 있었지만, 본 연구에 사용된 method는 그런 배경 지식이 없이도 특정 물질의 합성과 관련된 유전자 후보들을 추릴 때 충분히 적용할 수 있는 유용한 방식이라 생각합니다.

동물에서는 단일세포 수준의 전사체 분석이 예전만큼 새롭지 않고 관련 논문들이 쏟아져 나온 지 꽤 되었지만, 제가 처음 실험 셋업을 시작할 때까지만 해도 식물 쪽 저널에 발표된 단일세포 전사체 논문은 하나밖에 없었습니다. 아마 제가 겪었던 것처럼, 동물세포를 중심으로 만들어진 라이브러리 형성 프로토콜의 실험적 문제들을 해결하여 식물 세포에 적용하는데 시간이 소요되어 당시에는 데이터들의 생산이 늦어진 것이 아닐까 추측하고 있습니다. 어찌 실험 조건을 맞추어 데이터 생산에는 성공하였지만, 생산된 데이터 분석을 하는 와중 식물 모델의 단일세포 전사체 논문들이 하나 둘씩 게재가 되기 시작하여, 식물에서도 시퀀싱 방법 자체의 새로움만으로는 논문을 작성하기 힘든 상황이 조성되었습니다. 처음 연구를 시작할 때와 달리 이제는 경쟁적으로 달려야만 논문을 낼 수 있겠다는 생각에 마음이 급해지면서도, 공저자 친구들과 함께 진행한 실험과 데이터들이 model에 맞게 들어맞아 신기해하면서 연구를 진행했습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구는 카이스트 생명과학과 생태학 연구실에서 진행되었습니다. 김상규 교수님이 지도하시는 생태학 연구실(https://sites.google.com/view/kimlab/home)에서는 기본적으로는 생태 현상을 이해하는 것을 목적으로 연구 과정에서 여러 계층의 연구방법들을 사용하고 있습니다. 2017년 가을에 실험실이 생겨 아직 5년이 채 되지 않았지만 기본적인 전사체 분석에서부터 genome editing, metabolite 분석, 분자생물학, 넓게는 곤충 행동 실험에 이르기까지 생태, 생물학적 툴셋들이 갖추어져 가고 있고, 능력 있는 박사님들과 학생들이 모여 각자의 분야를 연구하고 있습니다. 함께 이야기할 때는 실험실이 떠나갈 듯 즐거워하다가도 일하기 시작하면 금방 눈빛들이 달라져 본인의 일들에 집중하고, 기본적으로 서로를 도와주려는 자세를 가지고 있는 것이 저희 실험실의 큰 장점이라 생각합니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

처음부터 꼭 과학자가 되어야지 하는 다짐을 가지고 대학생활을 시작한 것은 아니었습니다. 그럼에도 이 길을 선택하게 된 이유는 돌이켜보면 실력이 부족할 때에도 실험하는 것이 재미있었고, 실험이 잘 풀리지 않을 때면 짜증이 나면서도 문제가 무엇인지 고민하고 해결해가는 과정이 재미있었기 때문이었던 것 같습니다. 그 과정에서 또 재미있는 결과를 얻으면 다음 실험으로는 이건 어떨까 저건 어떨까 고민해보고 파생되는 새로운 가설을 만들어 보는 과정들이 즐거워 대학원 생활을 지속하고 있습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

저도 아직 학위를 밟는 학생이라 선뜻 무언가를 조언하기에 조심스럽지만, 대학원에 진학하기 전에 학위 과정에서 내가 얻고자 하는 것이 무엇인지, 대학원 과정이 나 자신에게 어떤 의미일지 충분히 고민해본 뒤 진학한다면 긴 호흡의 대학원 과정을 좀 더 생산적이고 무탈하게 보낼 수 있지 않을까 생각합니다. 또한 계속해서 공부를 통해 부족한 부분을 채우고는 있지만 연구는 결국 내 지식과 관점의 한계 아래에서 진행되는 것 같습니다. 학부시절 어느 교수님이 수업시간에 "원수는 외나무 다리에서 만난다" 며 만나지 않으리라 생각했던 그 과목을 언젠가는 피할 수 없는 막다른 곳에서 만나게 되니 어느 과목이든 척을 지지 말라고 하셨는데, 그 말씀이 정말 맞다는 것을 느끼는 중입니다. 제 경우에는 졸업 전에는 들어봐야지 하며 큰 생각없이 수강신청했던 생태학을 주제로 한 실험실에 진학하여 연구를 진행하고 있고, 배우면 도움이 되겠지 정도로 생각했던 타과 전공 유기화학이 본 연구의 가설을 만드는데 큰 도움이 되었으며, 필요할거라고 생각했지만 무서워서 수강하지 못했던 전산 분석 과목들을 결국 외나무 다리 위에서 만나야만 했습니다. 그런 의미에서 과목을 편식하지 않고 감당할 수 있는 선에서 다양한 분야들을 접하는 것이, 과정은 고달프더라도 결국 후배 분들의 학위 과정의 큰 자산이 되리라 생각합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

개체의 표현형이란 결국 직접적으로는 대사체들의 종류와 양이 결정하는 것 아닐까? 하는 단순한 생각으로 대사체 분석을 할 수 있는 실험실에 진학을 했었는데, 일단은 남은 학위과정동안 식물의 다른 대사물질들의 missing link를 메워보고 싶습니다. 특정 종이나 genome 정보의 유무에 국한되지 않고 뭐든 관심있는 물질이 있으면 연구 가능한 사람이 되는 것이 목표입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

본 연구가 진행되면서 처음 생각과는 다르게 연구가 진행되어갔음에도 믿어주시고 지도해주신 김상규 교수님께 가장 감사드립니다. 또한 본 연구를 진행하면서 공저자이자 좋은 동료인 최유리, 김현진 뿐 아니라 여러 분들께 도움을 받았습니다. 대사체 분석에 대해 아무것도 모르던 시절 저를 가르쳐주셨던 이지숙 박사님과 충북대 주용성 교수님, 그리고 단백질 실험에 대해 친절하게 알려주셨던 임산해 선생님께 감사의 인사를 드립니다. 또한 단일세포 실험을 진행하기 위해서는 여러 기기들이 필요한데 이를 사용하게 허락해주시고 도와주신 정인경 교수님, 박성완 선생님, 서버환경이라는 것에 대해 하나도 모르던 시절 질문들에 답해주고 연구과정을 함께 고민해준 김무영에게 고마움을 전합니다.

덧붙여 생물학 연구라는 것이 진행되는 과정은, 앞선 분들이 제공해주신 직접적인 도움에 더하여 같은 공간을 사용하여 연구하는 동료들의 간접적인 배려가 없이는 참 힘든 일일 것이라 느낍니다. 함께 연구를 진행하고 있는 저희 실험실 구성원들에게 마지막으로 감사 인사를 전합니다.

#plant #single-cell RNA sequencing #metabolite
Category: Plant Science, Ecology
등록일 2022-02-10
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