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뉴스 생명과학
미생물 네트워크 분석으로 녹조 문제 해결 실마리 찾았다
Bio통신원(한국생명공학연구원)
순수 국내연구진이 녹조 발생 및 사멸과정에서의 미생물 상호작용 네트워크 분석을 통해, 녹조의 발생과 소멸에 대한 상세한 생물학적 메카니즘을 규명하였다. 향후 이를 활용한 신개념의 녹조 제어 기술 개발 및 식수원의 효율적 관리에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
한국생명공학연구원 세포공장연구센터 안치용 박사팀(교신저자: 안치용/오희목 박사, 제1저자: 천성준 박사)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, Water Research (IF 7.913) 12월 7일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Network analysis reveals succession of Microcystis genotypes accompanying distinctive microbial modules with recurrent patterns)
모든 미생물은 서로 간에 매우 복잡하고 다양한 상호작용을 하고 있는데, 녹조발생 과정에서도 이러한 미생물의 상호작용이 기여하고 있음에도, 자세한 과정에 대한 연구가 이루어지지 않았다.
본 연구에서는 녹조의 마이크로바이옴(microbiome) 및 상호작용 네트워크 분석을 통해, 미생물학적 녹조 발생․사멸의 과정에 대해 연구를 수행하였다.
또한 주요 녹조 원인종인 마이크로시스티스(Microcystis)는 유전적 변이가 매우 높은 박테리아로 알려져 있으며, 유전형(genotype)*의 구성도 환경조건에 따라 민감하게 변화하는 것으로 알려져 있었다. 본 연구에서는 마이크로시스티스 유전형별 상호작용 네트워크도 구축함으로써, 보다 상세한 녹조 발생과 사멸 과정에 대해서도 연구를 수행하였다.
* 유전형(genotype) : 동일한 종명(species name)을 갖고 있더라도 모든 유전자 구성을 동일하게 갖고 있지는 않으며, 같은 유전자라도 염기서열에 차이가 있는데, 동종 내에서 이처럼 유전적 구성이 다른 것들을 유전형 또는 strain이라고 부름
네트워크 분석 결과, 미생물은 더욱 밀접한 상호작용하는 구성원들끼리 모듈(module)이라고 하는 단위를 형성하였으며, 대청호의 미생물들은 10개 미만의 주요한 모듈을 형성하였다.
마이크로시스티스가 속한 모듈에 있는 미생물들은 녹조 발생 시기에 맞추어 동시에 증감하는 패턴을 보였으므로, 이 모듈의 미생물들은 녹조의 발생과 사멸에 가장 큰 기여를 하는 것으로 추정되었다.
마이크로시스티스는 수도아나배나(Pseudanabaena)라는 다른 남조류와 매우 강하게 연결되어 있었으며, 마이크로실라시(Microscillaceae), 피렐룰라(Pirellula), 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales) 등의 박테리아와도 밀접한 상호작용을 보였다.
마이크로시스티스 유전형 기반 상호작용 네트워크를 분석한 결과에서는, 계절에 따른 우점* 유전형 및 상호작용 미생물 구성의 변화뿐만 아니라, 독소 종류별 주요 생산 유전형도 판별할 수 있었다.
* 우점 : 생물 군집에서 특정 종이 가장 많은 개체수를 갖고 있어서, 전체의 성격을 결정하고 그 군을 대표하는 것
여름철과 가을철 우점하는 마이크로시스티스 유전형은 달랐으며, 상호작용하는 미생물의 종류도 달랐다. 여름철 우점 마이크로시스티스 유전형이 더 다양하였으며, 네트워크도 복잡했던 반면, 가을철 우점 유전형은 단 2개였으며, 네트워크도 매우 단순했다.
여름철 녹조 사멸에는 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales)라는 기생성 남조류가, 가을철 녹조 사멸에는 스키스토디압토머스(Skistodiaptomus)라는 동물플랑크톤의 기여도가 높은 것으로 나타났다.
여름철 유전형만이 남조류 독소인 마이크로시스틴(microcystin)을 생산하며, 독소 종류별 주요 합성 유전형에서도 차이가 있었다.
연구책임자인 안치용 박사는 “동 연구성과는 녹조가 발생, 사멸하는 과정에서 어떤 미생물들과 상호작용하며 중요하게 작용하는지, 구체적인 생물학적 과정을 최초로 밝힌 것”이라며,
“최근 널리 연구되는 마이크로바이옴 및 네트워크 분석 기술을 녹조 연구에도 적용시켰다는데 의의가 있으며, 차후 녹조 발생에 도움을 주는 특정 박테리아 군집의 특성을 이용하여 이들의 생장을 억제하는 환경조건을 조성하는 등 친환경적인 녹조 제어기술을 개발하는데 기여 할 수 있을 것으로 생각한다.” 고 밝혔다.
한편 생명연은 녹조 문제의 현재를 진단하고, 이를 바탕으로 지속 가능한 녹조제어 관련 R&D를 지속해오고 있다. 특히 2019년 8월에 ‘녹조의 과학적 해결 : 환경친화적 녹조제어 및 자원화’를 주제로 개최한 바이오 이슈 컨퍼런스를 기점으로 하여, 녹조 현상에 대해 실증적인 과학적 해법을 모색하는 등 안전한 물 확보 및 녹조 자원화를 위한 연구와, 기후/환경 변화 대응기술 개발을 위한 노력을 지속하고 있다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 녹조 발생은 국내에만 국한된 환경문제가 아닌, 중국, 미국, 유럽 등 전 세계에서 공통적으로 겪고 있으며, 냄새물질 유발, 독소 합성, 물고기 폐사 등의 2차적인 문제를 야기시킨다.
○ 녹조는 대부분 남조류(cyanobacteria)에 의해 발생하며, 특히 마이크로시스티스(Microcystis)가 가장 대표적인 원인종이다. 부영양화된 수계에서 여름철 수온이 상승하면 녹조가 발생한다는 사실은 매우 오래전부터 알려졌으나, 미생물학적으로 다른 박테리아, 미세조류, 동물플랑크톤 등과 어떤 상호작용을 통해 이들의 번성이 더욱 유발되는지에 대한 연구는 최근까지 별로 이루어지지 않았다.
○ 그러나 차세대염기서열분석(next-generation sequencing) 비용이 급감하고, 이에 따라 마이크로바이옴(microbiome) 연구가 다양한 분야에서 활발해지면서, 관련 분석기법도 다양하게 개발되었다. 녹조 발생 및 사멸 과정에서 마이크로시스티스가 어떤 미생물들과 어떤 관계를 맺으면서 진행되는지 상세한 과정을 알게 된다면, 기존과 차별화된 새로운 관점의 녹조 제어 기술 개발에 활용될 수 있을 것이다.
○ 마이크로시스티스는 특히 유전형(genotype)의 변이가 매우 심한 미생물로 알려져 있으며, 수십 년에 걸쳐 유전형 구성이 변화한다는 연구결과뿐만 아니라, 계절변화에 따라 우점 유전형이 변화한다는 연구결과도 있었다. 본 연구에서는 대청호의 마이크로시스티스 유전형의 구성변화와 이러한 변화는 미생물과의 상호작용 네트워크에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 했다.
□ 연구내용
○ 연구팀은 대청호를 대상으로 녹조가 자주 발생하는 세 정점(추소, 회남, 장계)에 대하여 6월부터 10월초까지 매주 시료 채취를 하고 수질 및 미생물 군집분석을 수행하였다.
○ 세 정점 모두에서 7 - 8월에 걸쳐 마이크로시스티스에 의한 녹조가 발생했으며, 9월에는 이보다 약한 녹조가 잠시 발생 후 소멸했다. 여름철 녹조 시기의 우점 마이크로시스티스 유전형은 세 정점에서 동일하였으며, 가을철 약한 녹조 시기에는 다른 유전형이 우점하였는데, 이 또한 세 정점 모두 동일한 패턴을 보여주었다.
○ 진핵생물의 군집 변화는 세 정점에서 공통점 없이 특이적으로 변화한 반면, 원핵생물 즉 박테리아의 군집 변화는 녹조 발생 이전에는 차이가 있었으나, 녹조 발생 시기부터 사멸 이후까지는 어느 정도 유사한 양상을 보여주었다.
○ 세 정점에 대해 상호작용 네트워크를 분석할 결과, 모듈(module) 단위로 묶인 네트워크 구성을 보여 주였으며, 모듈별 미생물의 변화 양상은 녹조 발생 시기에 따라 극명하게 나뉘었다. 녹조 발생 시기 직전에 번성하는 미생물 모듈이 있는가 하면, 녹조 발생과 동일한 생장 패턴을 보이는 모듈, 녹조 사멸 시기 번성하는 미생물 모듈, 녹조 발생과 반대로 변하는 모듈 등으로 나뉘었다.
○ 두 정점 이상에서 반복적으로 관찰되는 상호작용만을 모아 분석한 결과, 마이크로시스티스는 수도아나배나(Pseudanabaena)라는 다른 남조류와 밀접한 상호작용을 하고 있었으며, 마이크로실라시(Microscillaceae), 피렐룰라(Pirellula), 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales) 등과도 밀접한 상호작용을 보였다.
○ 네트워크 구성을 마이크로시스티스 유전형으로 다시 한 번 세분하여 구성하면, 여름철 유전형과 가을철 유전형으로 크게 나눌 수 있었다. 여름철 유전형들의 네트워크가 더욱 풍성하고 복잡한 반면, 가을철 유전형들의 네트워크는 매우 단순하였다.
○ 네트워크의 연결망을 통해, 마이크로시스틴(microcystin)이라는 독소는 여름철 우점 유전형에 의해 합성되며, 독소의 종류별로 어떤 유전형이 주로 생산하는지 비교가 가능하였다. 또한 여름철 녹조의 사멸은 기생성 남조류인 Vampirovibrionales가 관여되어 있으며, 가을철 녹조의 사멸은 동물플랑크톤인 Skistodiaptomus가 기여하고 있음을 알게 되었다.
○ 즉, 본 연구의 성과는, 마이크로시스티스 유전형의 관점에서 어떤 미생물과의 상호작용을 바탕으로 녹조가 발생하고 사멸하는지, 계절별 차이는 어떻게 되는지, 독소 종류별 생산 능력은 어떻게 연관되어 있는지를 규명한 것이다. 그 결과 이전에는 알 수 없었던 자세하고 복잡한 미생물간 상호작용이 녹조 발생과정에서 어떻게 일어나고 있는지 최초로 제시하고 있다.
□ 연구성과의 의미
▶ 녹조 발생․사멸의 미생물학적 상호작용 과정 규명
○ 최근 장내 미생물 마이크로바이옴이 건강과 직접 연결되어 있다는 보고가 잇따르고 있는데, 녹조의 마이크로바이옴은 어떻게 구성되어 있으며, 어떻게 변화하는지, 어떻게 상호 연결되어 있는지 구체적으로 밝혔다는데 일차적인 의미가 있다. 또한 마이크로시스티스 내에서도 유전형에 따라 이러한 양상에 차이가 있으며, 크게 계절에 따라 이러한 차이가 유발됨을 알게 되었다.
○ 여름철 녹조의 사멸에 Vampirovibrionales라는 또 다른 남조류가 관여할 가능성을 최초로 제시하였으며, 가을철 녹조의 사멸은 동물플랑크톤에 의해 일어나는 등 계절에 따라, 우점 유전자형의 구성에 따라 발생, 사멸 과정의 과정이 달라질 수 있음을 보였다는데 의미가 있다.
▶ 유전형별 마이크로시스틴 독소 합성능력 차이를 현장샘플에서 규명
○ 녹조 발생의 주요 이슈는 마이크로시스틴이라는 독소인데, 유전형에 따라 이러한 독소 합성 능력과 주요 합성 독소 종류에 차이가 있음을 밝힘으로써, 향후 독소 관리 측면에서도 활용가치가 클 것으로 예상된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 녹조 발생과 사멸과정에서의 미생물간 상호작용 네트워크를 마이크로시스티스 유전형 수준까지 규명
2. 마이크로시스티스 유전형의 독소 생산능력, 계절에 따른 천이, 사멸의 생물학적 과정의 차이 등을 밝힘
어디에 쓸 수 있나
1. 새로운 생물학적 녹조제어 기술의 개발
2. 특히 수계별, 계절별 주요 마이크로시스티스 유전형 특성에 따라 맞춤형 제어기술 개발로 효율성 극대화 가능
실용화까지 필요한 시간은
현장에서 실제 발행하는 상황에 대한 상관분석 기반 결과이므로, 인과관계를 얼마나 빨리 밝히는지, 구체적인 상호작용 과정을 실험적으로 얼마나 빨리 규명하는지에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것
실용화를 위한 과제는
앞서 언급한 것처럼, 인과관계의 명확한 규명과 상호작용 과정의 구체적인 내용을 실험적으로 입증하는 것
연구를 시작한 계기는
환경미생물 연구에서 단순한 미생물 군집분석 연구는 많이 수행되었으나, 보다 깊이있는 분석을 위해서는 상호작용 네트워크 분석이 필요하다고 생각하였으며, 특히 마이크로시스티스의 유전형 구성에 대한 분석이 새로운 시각을 보여줄 수 있을 것이라는 예상에 따라 시작함
에피소드가 있다면
네트워크 분석이라는 것을 처음 해 보는 상황이라, 중간에 막히는 부분이 많았으며, 그때마나 다른 전공분야의 네트워크 전문가들을 찾아다니며, 또는 학회에서 만난 외국 전문가에게 조언을 구하는 등 어려움이 많았음.
꼭 이루고 싶은 목표는
연구결과를 바탕으로, 미생물 군집을 인위적으로 조절함으로써 녹조의 발생을 조절할 수 있는 새로운 제어기술을 개발하는 것
신진연구자를 위한 한마디
새로운 연구를 위해 새로운 기술을 공부하고 익히는데 많은 시간과 노력을 투자하는 것이 쉽지는 않겠지만, 나중에 더 많은 결실을 가져다 줄 수 있으며, 이러한 경험을 통해 나중에 또 다른 분야의 연구를 할 때도 자신감을 갖게 되므로, 두려움 없이 도전했으면.
그림 1. 대청호의 녹조 발생에 따른 남조류 종조성 및 마이크로시스티스 유전형 구성의 변화.
(A) 전체 박테리아 중 남조류의 종조성 변화. 마이크로시스티스가 가장 꾸준히 우점하고 있음.
(B) 마이크로시스티스의 유전형 구성의 변화. 7 - 8 월에 걸쳐 ASV001 유전형이 우점하였으나, 9월의 짧고 약한 녹조 시기에는 ASV002 유전형이 우점함.
그림 2. 대청호의 박테리아 군집(A-D)과 진핵생물 군집(E-H)의 변화.
녹조 발생 직전 번성하는 박테리아(A) 및 진핵생물(E) 모듈의 군집 구조.
녹조 비발생 시기에 번성하는 박테리아(B) 및 진핵생물(F) 모듈의 군집 구조.
녹조 발생 직후에 번성하는 박테리아(C) 및 진핵생물(G) 모듈의 군집 구조.
녹조 발생 시기에 번성하는 박테리아(D) 및 진핵생물(H) 모듈의 군집 구조.
박테리아 군집은 녹조 발생 직전 세 정점에서 차이가 많지만, 녹조 발생과 사멸 과정에서 유사해지는 반면, 진핵생물은 모든 단계에서 세 정점의 유사점이 매우 낮았음.
그림 3. 대청호 남조류의 상호작용 네트워크(A)와 마이크로시스티스 유전형의 상호작용 네트워크(B)의 구조.
(A) 남조류와 직접 상호작용하는 미생물만 선별한 네트워크 구조. 마이크로시스티스가 중심에 있으며, 수도아나배나와 매우 밀접하게 연결됨.
(B) 마이크로시스티스의 유전형의 상호작용 네트워크. 여름철 네트워크에 다수의 유전형이 발견되며, 독소와의 연결 집중됨. 반면, 가을철 네트워크에는 2개의 유전형만 발견됨.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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