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[분자생태학 톺아보기] 5편 - 환경 DNA (Environmental DNA)
생명과학 Pisces (2019-08-06 10:09)

1. 들어가며

PCR, NGS 그리고 크리스퍼. 이들 기술은 이견의 여지 없는 분자생물학의 혁신적인 방법들이다. 분자생태학 분야에서도 최근 각광받는 혁신적인 기술을 하나 꼽아보자면 그것은 바로 eDNA (environmental DNA)일 것이다. 이 마법과도 같은 기술은 등장 이후 빠르게 퍼져나가고 있다.

2. eDNA란 무엇인가?
eDNA란 간단히 말해서 수중, 토양, 그리고 대기 중에 존재하는 생물체에서 유래된 DNA를 말한다 (때로 eDNA를 추출하고 분석하는 기술적 부분을 칭하기도 한다) [1, 2].이것의 첫 시작은 토양과 물에 사는 미생물들을 DNA를 이용해 분리 동정해내던 미생물학자들로부터 시작되었다. 

이 하천에 사는 멸종위기의 담수어류는 저 정도의 물에 존재하는 eDNA만으로도 충분히 알아낼 수 있다

그림 1. 이 하천에 사는 멸종위기의 담수어류는 저 정도의 물에 존재하는 eDNA만으로도 충분히 알아낼 수 있다.

DNA 분자는 세포 내에 존재하는 유전물질, 다시 말해 생물체 내에 존재하는 분자인데 생물체 외에 존재하고 그것을 분석하다니? 어떻게 그것이 가능할까? 생물들은 알게 모르게 DNA 분자를 흩뿌리고 다닌다. 인간만 하더라도 하루 중에도 각질과 머리카락, 땀, 그리고 배설물을 통해 DNA 분자를 수없이 세상에 내놓는다. 인간은 평균적으로 30,000 ~ 40,000개의 피부 세포를 매 시간마다 흩뿌린다고 한다. 이 미량의 DNA 분자들의 양은 그 생물의 밀도에 의존적이며, 또한 분비된 이후 영원하지 않고 점진적으로 분해된다. 이 분해의 속도는 DNA 구조의 변성을 초래하는 효소, 자외선, 온도 등에 의해 결정된다.

DNA가 생물체 외에 존재할 수 있는 것은 그렇다 치고 그것을 어떻게 확인할 수 있는 걸까? 그 ‘어떻게’에 해당되는 방법은 이미 분자생물학의 기초를 아는 사람이라면 누구나 알고 있다. 바로 PCR이다. eDNA가 혁신적인 이유는 아이러니하게도 누구나 아는 PCR 기술 그리고 DNA 분자가 환경에 존재한다는 사실, 이 두가지 간단한 아이디어를 조합하였기 때문이다. 

3. eDNA와의 첫 만남
필자가 처음 이 eDNA를 접했을 때는 두가지 반응이었다. “그거 누구나 다 생각할 수 있는 간단한 아이디어네”가 첫번째였고, 여느 eDNA를 처음 접한 사람들이 그렇듯,  “정말로 물에 떠다니는 물고기의 DNA를 확인할 수 있는가?”가 두번째 반응이자 질문이었다. 

 eDNA 실험 개괄도

그림 2. eDNA 실험 개괄도 @ 전형배

이 두번째 질문에 스스로 답을 해보고 싶었고, 박사과정일 때 예비실험을 할 기회가 생겼다. 간단한 필터링 장치를 통해 물을 여과하고 DNA를 추출해서 약 200 bp 정도의 미토콘드리아 12S rRNA universal 프라이머로 PCR을 실시했다. 긴장된 마음으로 전기영동을 해보니 신기하고 또 놀랍게도 PCR 밴드가 선명하게 떴고, 클로닝을 하고 수십 개의 클론을 따낸 뒤 Sanger 시퀀싱을 통해 온전한 서열들을 얻을 수 있었다. 이 서열정보를 이용해 종을 동정해보니, 재미있게도 물을 채취한 하천에 사는 종들을 확인할 수 있었다. 다른 하천에서 채취한 eDNA에서도 마찬가지의 결과를 확인하였다. 혹시나 실험실이나 다른 환경 시료에 의한 오염이 아닐까 의심했으나, 이 독립적인 두 하천은 서로 다른 고유종들을 갖고 있으면서 같은 날 채수를 하였으니, 만약 오염이 되었다면 서로 다른 하천의 종들이 중복되었을 것이다. 필자가 얻은 결과는 그렇지 않았기 때문에 결과는 신뢰할만하다고 판단했다 [참고자료].

그리하여 eDNA 기술의 잠재성에 대해 실제 체감할 수 있었다. 이런 경험은 비단 필자 뿐만 아니라 eDNA를 처음 시작한 대부분의 사람들이 공감하실 것이다. “설마 될까”라는 회의적 생각을 갖고 실험에 임하고 확신으로 바뀌는 바로 그 경험 말이다 [3].

최근 창간된 eDNA 저널

그림 3. 최근 창간된 eDNA 저널

급히 먹는 밥이 체한다는 옛 말이 무색할 정도로 eDNA는 급속도로 보급되고 연구되고  있다. 이 분야의 연구인력을 모집하는 공고도 압도적으로 많아졌다. 실제로 분자생태 분야의 연구원과 대학원생을 모집하는 공고가 게재되는 웹사이트를 보더라도 eDNA와 관련된 연구를 수행할 인력을 찾는 대학, 기관은 점점 늘어나는 추세이다. 뿐만 아니라 eDNA 주제의 논문들은 매달 수십 여 편이 넘게 출판되고 있고, 올해 들어 eDNA를 위한 독립적인 학술지까지 만들어지기에 이른다. 최근 이웃나라 일본에선 eDNA를 주제로 국내학술대회가 열렸다고 한다. 얼마전에는 캐나다에서 9백만 $의 eDNA projects가 시작되었다는 소식도 들린다 [관련링크].

비단 학계 뿐만 아니라 이제는 대중매체에서도 이 eDNA는 종종 다루어져 대중적으로도 친숙해지고 있다. 과연 eDNA의 어떤 장점이 이처럼 폭발적인 관심을 유발하는 것일까?

4. eDNA의 장점
가. 높은 민감도

 

멸종위기종인 좀수수치는 몸의 크기가 5cm로 작아 기존 조사에서 누락되는 사례가 있었다

그림 4. 멸종위기종인 좀수수치는 몸의 크기가 5cm로 작아 기존 조사에서 누락되는 사례가 있었다 [47].

eDNA가 갖는 가장 큰 장점은 바로 높은 민감성이다. 자연 속에서 생물들을 모니터링할 때 기존의 방법은 채집 후 관찰하거나, 육안으로 관찰하는 방법에 의존한다. 비교적 쉽게 관찰되는 육상의 대형포유류나 조류의 경우를 제외한 대부분의 생물들은 흔히 그 존재 여부가 누락되기 쉽다. 반면 eDNA는 매우 민감하게 그 종의 유무를 판별해낼 수 있다 [4]. 많은 연구에서 종래의 조사방법과 eDNA를 통해 확인한 종 다양성을 비교한 결과들을 제시하는데, eDNA를 통해 확인된 종의 다양성이 높은 경향을 보여주는 것을 볼 수 있다 [5, 6].

나. 조사 시간과 비용의 절감
재래식 모니터링 방법은 상대적으로 많은 시간을 요구한다. 예를 들어 어느 하천의 어류 조사를 간다고 가정했을 때, 충분한 종 다양성을 파악하기 위해서는 담수어류의 경우 조사 지점당 평균적으로 1시간 이상 그물(족대, 투망, 유인어구 등)을 이용한 채집이 요구된다. 반면 eDNA는 조사 지점 당 평균 10분 내외의 시간만을 요구한다. 기존 조사를 한번 할 동안에 6번을 조사할 수 있는 셈이다. 실험 시간을 합산하여도 그 시간은 재래식 방법에 비해 길지 않다. 이 조사 시간을 비용으로 환산하면 eDNA는 분명 비용 면에서도 재래식 방법에 비해 저렴하다. 단순히 산술적으로만 보았을 때, 재래식 방법으로 복수의 인원이 일주일 동안 조사할 양을 eDNA 방법은 하루에 조사가 가능하다. 7일 동안의 여비와 인건비를 하루로 줄일 수 있다. 

다. 조사 과정의 안전

현장 조사는 안전을 장담할 수 없다

그림 5. 현장 조사는 안전을 장담할 수 없다.

또한 직접 사람이 채집 조사하는 과정은 적지 않은 위험성이 상존하고 있다. 자연에는 많은 위험요인들이 산재해 있다. 강바닥에 있는 유리, 낚시바늘, 녹슨 철근은 말할 것도 없고, 장마철이나 하천이 범람했을 때는 목숨이 위태로울 수 있다. 혹자는 이런 위험성을 과소평가하지만, 그간 야외 조사 과정에서 다치고 심지어 생명을 잃은 사례도 잊혀질 만 하면 반복되고 있기에 결코 가벼운 문제는 아니다. 그에 반해 하천 가장자리에서 물을 채수하는 일은 상대적으로 안전하다. 요즘에는 아예 드론을 이용해 사람이 물에 들어가지도 않고 채수하는 장치도 개발되었고, 베낭형으로 물가에서 간편하게 채수하는 장치도 판매중에 있다 [링크 https://www.smith-root.com/edna]. 

라. 비파괴적 조사 및 환경 교란의 최소화
생물을 조사할 때 대부분은 잡아서 조사를 해야하기 때문에 그 생물에게 위협이 되는 것이 사실이다. 하천에 서식하는 수중생물들 채집하기 위해 강에 들어가 자갈과 수초를 헤집는 행위는 생물에게 아무 생각없이 던진 조약돌에 맞은 개구리가 죽는 것처럼 치명적인 위협이 될 수 있다. 실제로 채집과정에서 수중 환경이 교란되고 생물들이 죽는 것은 불가피하다. 반면 eDNA는 물에 들어가지 않기 때문에 그런 문제를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 

마. 종 동정의 높은 재현성과 정확성
지난 4편 DNA 바코딩의 장점에서도 언급했다시피 염기서열을 이용한 종동정은 누구나 보편적으로 동정할 수 있고 또 재현성이 높고 오류의 가능성이 적다 [7]. eDNA는 기본적으로 바코딩 방식을 이용하기 때문에 종동정에 있어서 같은 장점을 가지며, 재래식 방법의 오동정을 벗어날 수 있고, 숙련도와 관계없는 정확성과 일관성을 담보할 수 있다. 

더 큰 장점은 동정이 가능한 분류군의 범위가 확장될 수 있다는 것이다. 일반적으로 종 동정의 훈련을 받아온 사람들 대부분은 특정한 분류군에 그 숙련도가 국한된다. 이를테면, 물고기의 동정에 능숙한 사람이 수서곤충의 동정까지 능숙한 경우는 극히 소수에 불과하다. 참고로 한국에 서식하는 민물고기만해도 200종이 넘는다. 하지만, eDNA에서 얻어진 결과로 바코딩을 수행한다면 미생물부터 포유류에 이르는 광범위한 분류군의 생물이 무엇이 있는지 누구나 손쉽게 알아내는 것이 가능해진다.

바. 외래종과 질병의 확산 방지
야외에서 생물종을 조사하는 것은 잠재적인 외래종과 질병 확산의 경로가 될 수 있다. 대부분의 재래식 조사는 짧은 기간 동안 여러 지역을 조사하기 때문에 어느 특정 환경에 존재하는 병원체가 조사 장비에 묻어서 다른 곳으로 이입될 위험성이 있다. eDNA 기술은 조사 장비가 환경에 노출되는 면적을 최소화할 수 있다. 양동이로 물을 떠서 채수하는 경우 양동이만 세척 후 건조하면 된다 (실제로 eDNA 연구자가 이용하는 방법이다.). 만약 재래식 방법을 이용하면 조사자의 장화, 장갑, 그물, 때에 따라선 보트까지 세척해야 하는 번거로움이 생길 수 있다. 실제로 해외에서는 이런 문제를 방지하기 위해 모든 조사장비를 세척해야 하는 규정이 강제되는 경우도 있다.

사. 생산된 데이터의 다재다능한 응용
eDNA로 얻어진 결과는 비단 특정 종의 유무 뿐만 아니라 그 종의 밀도를 추정하는데 활용될 수 있다. 그 뿐만 아니라 그 지역에 사는 군집, 다시 말해 DNA를 갖는 바이러스와 박테리아부터 집채만한 고래에 이르기까지 다양한 생물상을 규명할 수 있다. 그리고 얻어진 염기서열 정보는 분자데이터를 활용하는 계통학적 (phylogenetic) 분석과 집단유전학적 분석에 이용될 수 있다. 이 모든게 단 한 컵의 물을 떠서 가능한 것이다. 

5. eDNA의 추출 방법 및 분석 전략

eDNA 필터링

그림 6. eDNA 필터링

이렇게 다재다능하고 유용한 eDNA는 어떻게 분리해낼 수 있을까? eDNA를 추출하기에 가장 적절한 환경 시료는 바로 물이다. 물은 효과적인 용매이고, 자외선이 침투하기 어렵기 때문에 DNA의 분해가 더디다는 장점이 있다. 물 속에 녹아있는 DNA 분자를 추출하기 위해서는 두 말 할 것 없이 물을 필터링해야 한다. 필터링하는 물의 양은 적게는 수십 ml에서 많게는 몇 L정도로 이루어지며, 평균적으로 1L의 물을 필터에 통과시킨다 [8]. 필터의 규격은 0.2 ~ 0.5 마이크로미터 정도의 필터를 이용한다. 또한 물을 필터링하기 위해서는 펌프가 필요한데 가급적 현장에서 구동할 수 있도록 한다. 그 이유는 물을 채수해서 연구실로 이동해서 필터링 했을 때에는 DNA의 변성이 초래될 수 있기 때문이다. 이 과정에서 중요한 점은 사용되는 모든 기구가 기존의 다른 DNA에 의해 오염되지 않아야 한다는 점이다. 필터링이 끝난 필터는 분리되어 DNA lysis 용액에 담가 본격적인 DNA 추출 과정을 시작하게 되는데, 이때 필터에 부착된 용출시키기 위한 처리를 거치게 된다. 이렇게 추출된 eDNA는 다양한 분석 전략에 이용될 수 있다 [9]. 대표적인 eDNA 분석 전략은 크게 세 가지로 요약할 수 있다.

가. 특정한 종의 유무 탐지

이상적인 종 특이적 마커. 오직 해당 종만을 선택적으로 증폭하거나 해당 종만의 특이적인 밴드패턴이 나타나야 한

그림 7. 이상적인 종 특이적 마커. 오직 해당 종만을 선택적으로 증폭하거나 해당 종만의 특이적인 밴드패턴이 나타나야 한다.

그 첫번째는 바로 특정 종의 유무를 탐지하는 것이다. 이 특정종은 경제적으로 중요한 종, 보호가 필요한 멸종위기종, 초기 탐지가 필요한 외래종 등 더 주목 받는 종들이 그 대상이 될 수 있다. 특정종의 탐지를 위해서는 종 특이적 마커(species-specific marker)의 개발, 다시 말해 특정한 종만 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머의 개발이 선행되어야 한다 [10]. 종 특이적 마커는 대상종만 선택적으로 증폭하거나 대상종에서 특이적인 PCR 밴드패턴을 보여주어야 한다. 또한 종 특이적 프라이머는 600 ~ 200 bp 정도로 증폭할 수 있어야 한다. 이 방법은 여러 종을 동시에 분석할 수 없는 대신 한 종에 초점을 맞추기 때문에 적절한 프라이머의 개발만 선행되었다면 분석 비용을 절감할 수 있다 [11]. 만약 PCR 결과만으로 종의 유무를 판별할 수 있다면, 굳이 시간과 비용이 요구되는 시퀀싱 과정을 거치지 않아도 되니 분석 비용은 오직 ‘채수 + DNA 추출 + PCR 및 전기영동’ 비용만으로 해결 할 수 있다. 또한 이 모든 과정에 소요되는 시간은 채수 시간을 제외하면 반나절이면 가능하다. 이러한 장점 때문에 그 동안 멸종위기종, 외래종, 경제성 있는 종들을 위한 프라이머의 개발이 활발히 진행되어 왔다 [10, 12, 13, 14].

나. 메타바코딩

eDNA 메타바코딩의 응용

그림 8. eDNA 메타바코딩의 응용 [출처 : 48]

eDNA는 비단 특정 지역에 서식하는 특정 종의 유무를 확인하는데 그치지 않고,  생물종들의 집합인 박테리아부터 척추동물에 이르는 포괄적인 군집의 다양성을 규명할 수도 있다 [15, 45]. 모든 종에서 존재하는 특정한 서열을 증폭한 뒤 그 서열들을 NGS를 이용해 시퀀싱하고 그 다수의 종들의 염기서열 조각들을 BLAST를 활용해 종을 동정하여 그 환경에 존재하는 생물상을 규명할 수 있게 되는 것이다. 이런 방법을 eDNA 메타바코딩이라 한다 [16]. 메타바코딩의 성패를 좌우하는 관건은 그 환경에 서식하는 모든 종들로부터 유래한 eDNA를 증폭할 수 있는 유니버설 프라이머 (universal primer)의 유무이다 [17]. 만약 특정한 일부 종들만 증폭할 수 있는 primer라면, 전체적인 군집의 특성을 보여주는 것은 불가능할 것이다. 유니버설 프라이머는 PCR과 시퀀싱 과정을 위해 200 bp 내외를 증폭하도록 디자인하는 것이 효과적이다. eDNA는 대부분 짧게 분해되어 있기 때문에 가급적 짧은 서열을 증폭하는 것이 효율적이고, 메타바코딩을 위해 필연적인 NGS는 대개 200bp 내외 짧은 서열을 읽는데 최적화 되어 있기 때문이다 [18]. 예를 들어 경골어류의 경우 Masaki Miya 박사가 미토콘드리아의 12S rRNA를 200 bp 정도를 증폭할 수 있도록 디자인한 MiFish 프라이머가 활용되고 있다 [19, 20, 21] (참고링크 : http://mitofish.aori.u-tokyo.ac.jp/mifish). 비단 물고기 뿐만 아니라 다양한 분류군을 대상으로 eDNA 메타바코딩이 연구되고 있다 [17, 22].

다. 종의 밀도 추정
당초 eDNA는 생물종의 존재 유무를 판별하기 위해 개발되었다. 그러나 여기에 그치지 않고 최근에는 생물의 밀도를 추정하기 위한 시도가 활발히 이루어지고 있다 [23 - 27]. 단위 시간 당 생물이 배출하는 DNA의 양은 생물의 밀도 그리고 그 생물의 크기(생물량)에 의존적일 수 있기 때문에 특정한 종에서 유래된 DNA의 양을 측정함으로써 그 생태계에서 해당 종이 점유하고 있는 정도를 비교할 수 있게 되는 것이다. 실제로 일부 연구에서 이런 가능성을 보여주고 있다. 하지만, 환경에 존재하는 eDNA의 양에 영향을 미치는 변수가 너무 많기 때문에 각 변수들을 고려한 모델이 개발되지 않는 한, eDNA를 이용한 집단의 밀도 측정은 불완전할 것이다. 앞으로 실증적인 연구가 더욱 누적되어야 이 부분이 해결될 수 있을 것이다.

6. eDNA의 다양한 응용 사례
이처럼 eDNA 기술은 다양한 장점을 갖고 있고 다양한 분석법을 통해 분석될 수 있다. 그렇다면 실제로 eDNA를 응용한 연구는 무엇이 있을까? 여기서는 eDNA를 응용한 다양한 연구를 소개해보고자 한다. 

가. 육상동물 다양성 규명
비단 물에 서식하는 생물들 뿐만 아니라 숲 속에 사는 대형육상동물들을 모니터링하는데 eDNA분석법은 활용될 수 있다. 어떻게 그것이 가능했을까? 공기 중에 떠다니는 eDNA를 포집해서 추출하기라도 한걸까? 공기중에 떠다니는 eDNA는 극미량으로서 이를 추출하는 것은 현재로서 쉽지 않다. 그렇기 때문에 육상동물을 eDNA를 통해 모니터링한다는 것은 큰 난관으로 여겨져 와다. 해답은 역시나 물에 있었다. 동물들은 식수를 필요로 하고 그 식수를 마시기 위해 입을 담그게 된다. 어떤 연구자들은 대형육상동물들이 물을 마시기 위해 찾는 샘에서 eDNA를 추출하여 분석하였는데, 그 결과는 꽤나 성공적이었다. 숲에 실제로 서식하는 것이 확인된 육상동물 대부분을 eDNA를 통해 확인할 수 있었다. (필자 역시 축사와 인접한 하천에서 eDNA를 분석했을 때 소의 eDNA를 확인한 바 있다. 또한 숲 속에 서식하는 육지거머리의 소화관에 존재하는 혈액을 통해 대형육상동물들을 모니터링한 사례도 있다. 물론 이는 DNA는 환경 시료에서 추출된 것이 아니므로, 엄밀히 eDNA 연구라 보기는 어려울 듯 하다. 
 
나. 심해에 사는 생물들의 다양성 규명
eDNA가 가장 활발하게 연구되어온 환경 시료는 민물이며 그 영역은 점차 광활한 환경인 해양으로 확장되어 나가고 있다. 해양에서도 특히 심해의 생물상을 조사하는 것은 그 접근성이 매우 제한적이고 많은 비용과 시간 그리고 위험을 담보해야 한다. 하지만, 심해의 물을 채수하는 것은 상대적으로 다른 방법들에 비해 안전하고 또 용이하다. 최근에는 심해의 물을 채수한 뒤 필터링하여 추출한 eDNA를 이용해 심해의 생물상을 규명하기 위한 시도가 이루어지고 있다 [28]. 이와 비슷하게 극지와 같이 접근성이 떨어지는 위험한 환경에 서식하는 생물들을 모니터링하는데 eDNA는 유용하게 활용될 수 있다 [29].

다. 위협적인 생물종의 탐지
비록 초기 단계의 연구이긴 하나 백상아리나 독성을 갖는 동물과 같은 인간의 생명에 위협을 줄 수 있는 종을 탐지하는데에도 eDNA 기술이 적용되기 시작하고 있다 [30]. 

라. 외래종의 초기 탐지

최근 야생에서 확인된 붉은가재와 같은 외래종들의 초기 탐지에 eDNA가 활용될 수 있다

그림 9. 최근 야생에서 확인된 붉은가재와 같은 외래종들의 초기 탐지에 eDNA가 활용될 수 있다.

외래종은 완전히 정착하기 전 이입 초기 단계에서 제어될 수 있음이 여러 선행 연구에서 밝혀졌다. 그래서 초기 탐지(early detection)를 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 제한적인 인력과 예산으로 물밀듯이 쏟아져 들어오는 외래종을 일일이 초기에 탐지한다는 것은 현실적으로 불가능에 가깝다. 특히 물 속에 사는 외래종들은 엄연히 서식하고 있음에도 불구하고 낮은 초기의 밀도로 인해 조사 과정에서 누락되는 사례가 종종 발생해왔다. eDNA는 이러한 경우를 해결해줄 수 있으며, 그 민감성 덕분에 실제로 초기 탐지에 유용함이 밝혀졌다 [31 - 33]. 

최근에는 eDNA를 통해 아직 외래종이 침투되지 않은 지역들을 발굴하려는 시도가 이루어지고 있다 [34]. 외래종은 일단 이입 초기 타이밍을 놓치고, 정착하면 제거하는 것이 거의 불가능에 가깝다. 실제로 이미 정착한 외래종을 야생에서 절멸시킨 사례는 거의 찾아볼 수 없다. 따라서 외래종 유입을 예방하기 위한 전략을 수립하는 것이 무엇보다 중요하며, 아직 외래종이 아직 유입되지 않은 청정 지역들을 파악하는게 그 무엇보다 중요하다. 재래식 조사방법만으로는 외래종이 유입되지 않은 지역을 찾는 것은 많은 불확실성을 갖고 있기에 eDNA 방법이 그에 대한 좋은 방법론을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

마. 멸종위기종의 모니터링

eDNA를 통해 멸종위기종인 한강납줄개의 서식 여부를 확인할 수 있

그림 10. eDNA를 통해 멸종위기종인 한강납줄개의 서식 여부를 확인할 수 있다. 

생물다양성의 감소와 생물종의 멸종이 대두되는 현 시점에서 eDNA는 매우 중요한 의미를 지닌다. 낮은 밀도를 갖는 종들은 그 희소성으로 인해 임의의 샘플링으로 확인할 가능성이 대단히 낮아지게 되고 실제로 멸종위기종이 모니터링 과정에서 누락되는 경우는 빈번하고 이는 많은 사회적 비용을 초래한다. 하지만, eDNA는 적은 양만으로도 그 종의 유무를 확인하는게 가능하다는 것이 여러 사례들을 통해 입증되었다 [12, 25, 35, 36]. 필자 역시 멸종위기종이 서식하는 것으로 알려진 하천에서 단 50ml의 물을 필터링했음에도 불구하고 해당 멸종위기종이 서식하는 것을 확인할 수 있었다. 이 방법이 정착된다면 앞으로 멸종위기종을 확인하지 못해 발생되는 문제점을 미연에 방지할 수 있을 것이다.

바. 집단 크기(규모) 측정
자연계에 존재하는 생물의 집단의 규모를 파악하는 것은 생물의 보존과 이용에 있어서 매우 중요한 의미를 지닌다. 인간의 중요한 먹거리로 이용되는 물고기의 자원량의 변동을 측정하는 것은 산업적으로 중요하거니와 시간에 따른 집단 규모의 증감 패턴을 측정하는 것은 해당 생물종의 보전전략 수립을 위한 기초자료를 제공할 수 있다 [23 – 27]. 

사. 산란 활동의 추정
생물의 산란기를 추정하기 위해 기존에는 생물을 시기별로 포획하여 생식소를 분리하고 그 생식소의 조직학적 검사를 통해 산란기를 규명해왔다. eDNA는 보다 쉬운 방법으로 산란기를 알아낼 수 있다. 이것이 가능한 이유는 DNA를 품고 있는 알과 정자 그리고 분비물의 양이 산란기에 증가되고, 수컷들 사이의 경쟁, 암컷과 수컷 사이의 번식 행동 과정에서도 DNA가 배출될 가능성이 증가되기 때문이다. 최근의 연구들은 실제로 산란기를 알아내는데 eDNA 접근법이 활용될 수 있음을 보여주고 있다 [36].

아. 생물의 이주 패턴 추적
생물들의 이주 패턴을 분석하는데도 eDNA는 활용되고 있다. 미국해양대기청(NOAA)과 몬테레이만수족관연구소 (Monterey Bay Aquarium Research Institute, MBARI)는 회유하는 연어과 어류를 추적하기 위해 태양열로 작동하는 eDNA 탐지기(Environmental Sample Processors (ESPs)) 를 활용하고 있다 [관련링크] .

7. eDNA의 한계와 앞으로의 전망
이렇게 다재다능한 eDNA이지만, 극복되어야 할 한계도 엄연히 존재한다.

가. False positives
eDNA의 가장 큰 한계는 존재하지 않는 종을 마치 존재하는 것처럼 보여줄 수 있다는 점이다 [37 - 39]. 가장 대표적인 원인은 이미 그 환경에서 살고 있지 않은 생물이 과거에 분비한 DNA가 우연히 검출되는 것이다. 또한, 워낙 민감도가 높다보니 오염에 의해 오류가 발생될 수 있다. 이런 경우를 방지하기 위해서는 채수 할 때 최대한 침전물을 피하는 것과 오염을 사전에 차단할 수 있는 방안을 강구해야 할 것이다.

나. eDNA 정량 시 영향을 미치는 변수의 보정
단순히 종의 유무만을 판단하는 경우는 괜찮지만, 정량적으로 얼마나 개체가 그 서식지에서 풍부한지 여부를 판단하기 위해서는 eDNA 양에 영향을 주는 다양한 변수들을 고려해야 한다. 예를 들어 A 지점에서는 수온이 대단히 높고 직사일광이 내리쬐고, B 지점은 수온이 대단히 낮고 그늘이 져 있고 생물의 풍부도가 동일하다 한다면, 전자의 DNA 양이 과소평가 될 가능성이 다소 높을 수 있다. 그리고 생활사 단계별로 분비하는 eDNA의 양은 다르기 때문에 [40]. 이 점도 고려되어야 한다. 하천의 경우 흐르기 때문에 흐르는 것에 따른 효과 역시 고려되어야 할 것이다 [41, 46]. 이런 수많은 변수들을 보정해주기 위해 각 변수들의 효과를 알기 위한 광범위한 연구가 이루어져야 할 것이다.

다. eRNA
일부 연구자들은 false positives를 극복하기 위해 DNA에 비해 불안정한 구조적 특징으로 인해 메타바코딩에 활용되지 않아왔던 environmental RNA (eRNA)에 주목하기 시작했다 [42]. DNA는 그 구조가 상대적으로 오래 지속되기 때문에 현재 존재하는 것이 아닌 과거에 존재했던 DNA 조각이 탐지될 가능성이 존재한다 [43]. 이렇게 되면 사라진 종을 마치 존재하는 것처럼 보여줄 수 있다. 실제로 수중 침전물에 존재하는 DNA는 꽤 오래전에 존재했던 종들의 DNA를 보유하고 있기도 하다. 이 점을 응용한 aDNA (ancient DNA) 연구가 이루어지기도 한다 (물론 꽤 오랫동안 보존된 aRNA역시 존재한다). DNA와 달리 RNA는 환경에 풍부하게 존재하지만 금새 분해되기 때문에 환경 시료에서 검출된 RNA 조각은 현재 존재하는 종들의 정보만을 보여줄 것으로 기대해볼 수 있다. 현재 이 연구는 이제 막 시작되는 단계에 있다.

라. 실시간 분석 기술의 개발
eDNA는 유용한 방법이지만, 현장과 실험실에서의 이원화된 분석 과정이 요구된다. 만약 eDNA를 현장에서 검출하고 종을 동정할 수 있는 수준까지 즉각 확인할 수 있다면, 의심의 여지없이 기존의 조사 방법은 종말을 고할 것이다. 현재 일부 연구자들과 개발자들은 이러한 단말기를 개발하기 위한 연구를 진행중에 있다.  향후 수면에 떠있는 드론형 탐지기를 이용한 실시간 감시체계를 구축하기 위한 시도가 이루어지고 있으며 [44], 머지않은 장래에 보편적으로 적용될 것으로 기대된다. 

8. 맺음말
미래를 예측하는 것은 우스꽝스럽고 또 위험하지만, 굳이 예측을 해야한다면, 필자는 eDNA 기술이 야생동식물 조사 풍경의 변화를 가져다 줄 것을 조심스럽게 예측해본다. 그만큼 분자생태학자들에게 날개를 달아줄 혁신이 아닌가 한다. 그런 점에서 eDNA라는 새로운 레시피를 각자의 연구에 적용하는 사람이 한 명이라도 더 늘어나고 그것을 위해 이 글이 조금이나마 기여하길 희망한다. 

9. 참고자료

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참고로 eDNA 실험에 대해서는 다음의 문서들이 도움이 될 것이다.
eDNA 실험 관련 가이드
eDNA 가이드북

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Pisces (필명) (Concordia University)
분자생태학을 전공하고 현재 박사후 연구원으로 “인위적 교란에 따른 담수어류의 진화"를 집단유전체의 방법론으로 연구하고 있다. 과학자는 지식의 발견과 더불어 지식의 확산이라는 소명을 갖고, 분자생태학에 대한 이해를 증진시키고 저변을 확대하고자 연재를 시작하게...
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  댓글 1
회원작성글 동루트  (2019-08-14 20:31)
좋은 글 감사합니다.
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