Imaf공감 최종 by microbiome

공감

Vol.

2차년도 1

 포토 & 시

다 당신입니다 시 | 김용택

개나리꽃이 피면 개나리꽃이 피는 대로 살구꽃이 피면은 살구꽃이 피는 대로 비 오면 비 오는 대로 그리워요 보고 싶어요 손잡고 싶어요 다 당신입니다.

02 |

미생물유전체전략연구사업단

공감

CONTENTS Vol. 1 _ 2016

발간사

iMAF 소개

iMAF 수행과제

생생연구현장

•조기성과 창출

•연구역량 강화

메타유전체 / 참조유전체 / 농업생물정보

•부처공동연구

김치 / 주류 / 생물비료 / 사료첨가제

식물병원성 / 동물병원성

포커스 68

2016년 농림식품 R&D 예산 어떻게 짜였나

iMAF 사업 신규과제 공모

2년차 제1회 과제관리 워크샵

한눈에 보는 사업단 발자취

연구비 관리 꿀팁

| 발 간 사 |||||

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

‘iMAF 공감’을 발간하면서... ‘포스트게놈 다부처 유전체사업’의 일환이자 농업유용 미생물의 유전체 해독·분석·활용 기술개발 분 야를 대상으로 한 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업(Strategic Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food, iMAF)이 2014년 8월 출범하여 지금 2년차 사업이 진행 중입니다.

미생물유전체사업은 농식품 유용 미생물 유전체 정보를 자원화하여 실용화·산업화로 연계함으로써 바이오산업의 발전을 견인하고 농림축산식품 분야의 국가경쟁력 강화를 뒷받침하기 위한 R&D사업 입니다. 예비타당성조사 등 기획을 거쳐 조기성과 창출, 연구역량 강화, 부처공동 사업(Host-Microbe Interaction) 등 3개의 집중투자 분야를 선정하여 농식품 유전체연구 분야에 대한 국가 투자사업으로 시 행하고 있습니다. 우리사업은 목표가 특정된 만큼 관리방식과 추진체계에서 일반적인 국가연구개발사업 과 다른 몇 가지 특징이 있습니다. 우선 조기성과 창출, 연구역량 강화, 부처공동연구 등 3개 분야의 통합관리를 위해 연구사업단 방식으로

02 | | 미생물유전체전략연구사업단 02

iMAF News Letter

추진하는 사업입니다. 두 번째로 8년(1단계: 2014~2017, 2단계: 2018~2021)간 총 383억 원이 투자되는 규모가 큰 장기투자사업 입니다. 또한 연구단계별로 성과지표를 제시하고 그에 따라 목표관 리를 하는 연구목표 지향형 과제관리 방식으로 사업이 추진됩니다. 이와 함께 사업의 추진절차가 일반적인 농식품 연구개발사업의 운 영규정이나 관리기준에서 정하고 있는 추진절차와 상충되는 부분이 많기 때문에 별도의 ‘농림축산식품 미생물유전체사업 평가·관리지 침’을 제정하여 관리하고 있습니다.

우리 미생물유전체사업은 실질적인 연구개발을 수행하는 단위과제와 단위과제를 관리하는 총괄과제로 구성되어 있습니다. 사업단장은 사업단의 대표이자 총괄과제 연구책임자로서 사업단의 전략수립, 단위과 제 평가·진도 및 성과관리, 연구수행 지원 등 사업단의 업무를 총괄하여 운영하는 책임을 맡고 있습니다. 이처럼 평가·진도 및 성과관리 등 과제관리의 상당부분을 사업단에 맡긴 것은 사업단 운영의 독립성을 최 대한 보장하기 위한 것입니다. 사업단 운영의 독립성이 연구사업 추진에 효율적이라는 판단이 있기 때문 입니다.

이에 따라 지난해 1차년도 사업을 사업단에서 자체 평가한 결과 연구진도나 성과목표 달성이 적정한 것으 로 평가되었습니다. 물론 농식품 유용 미생물 유전체 정보를 활용한 산업화 및 실용화 촉진이라는 정책목 표를 달성하기 위해서는 조금 더 분발해야 한다는 쓴 소리도 있었습니다. 특히 중간평가가 있는 2차년도 부터는 연구 분야별, 연구기관 및 연구자 간 소통과 협력이 필요하다는 지적도 있습니다. 사업단 운영에 관한 정보를 나누고, 연구자 간 연구 방법, 경험, 성과 등 연구정보를 공유하면서 협력을 강 화하기 위해 우리 사업단에서는 2차년도부터 ‘iMAF 공감’을 매 연차마다 2회 발간합니다. ‘iMAF 공감’에 는 사업단 소개, 과제별 연구현황 및 최근 연구동향, 공지사항 등을 게재합니다. 그리고 iMAF사업에 참여 하는 연구기관, 연구자 그리고 유관기관 등에 배부할 계획입니다. ‘iMAF 공감’은 사업단 구성원 모두가 참여하여 만드는 ‘우리 사업단의 소리샘’입니다. 앞으로 미생물유전 체사업이 성공적으로 마무리되는 그 날까지 연구에 도움이 되는 정보와 연구현장의 생생한 소식을 전하 기 위해 노력하겠습니다. ‘iMAF 공감’이 그 소임을 다할 수 있도록 여러분 모두의 참여와 협조를 부탁드립 니다.

감사합니다.

사업단장

김 지 현

농림축산식품 미생물유전체전략 연구사업단

iMAF 농식품 분야의 미생물유전체정보를 자원화하 여 산업화 · 실용화로 연계함으로써 농림축 산식품산업의 국가경쟁력을 강화하고 바이오 경제 활성화를 견인하기 위한 국가 전략 R&D 사업을 수행

04 | 미생물유전체전략연구사업단

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2010. 11

유전체 연구 범부처 공동기획 추진을 위한 부처 협의 · 교과부, 지경부, 복지부, 농식품부 4개 부처 실무 협의 착수

2011. 2

유전체 연구, BT(생명공학기술) 5개 중점투자 전략분야로 선정(국과위) · 신약개발, 유전체 및 생물정보 연구, 뇌신경 융합 연구, U-health·재생의료 산업화

국가과학기술위원회 주도 ‘유전체 및 생명정보’ R&D 투자 전략(안) 마련 · 국과위 유전체 실무위원회 운영, 전문가 공청회를 통한 의견 수렴

국가과학기술위원회 ‘유전체 정보 분석 연구 투자 전략’확정 · 연구개발 대상생물종으로 “미생물” 분야 포함

2012. 11

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

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

2013. 12

농림축산식품 미생물유전체사업(농식품부) 2014년도 사업비 확보 · 농림축산식품 미생물유전체사업 2014년 사업비 25억 원 확보

2014. 1

농림축산식품 미생물유전체사업 기본/시행계획 수립

2014. 8

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 출범

· 미생물유전체사업 8개년 기본계획 수립 및 1단계(4개년) 시행계획 수립

· 산업화 지원 미생물유전체전략연구 7개 과제, 부처공동연구 2개 과제 착수

포스트게놈 다부처 유전체 사업이란

iMAF_2016 Vol. 1

| 05

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

비전과 목표

중점 연구분야

06 | 미생물유전체전략연구사업단

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

추진 전략

| 07

iMAF_2016 Vol. 1

 iMAF 수행과제 Ⅰ. 사업단 운영 구 분

과 제 명

연구기관

책임자

총괄

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단

연세대학교

김지현

과 제 명

연구기관

책임자

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

대상FNF㈜

류병희

Ⅱ. 산업화 지원 미생물체 전략 연구 •조기성과 창출 구분

김 치

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

이 이

협동(1)

다양한 토성 및 작물별 생물비료 효능 메타분석

대구대학교

정종배

협동(2)

선발 미생물 대량생산을 통한 생물비료 제조 및 산업화

농업과기술

안무헌

주관

유전체공학을 통한 가축 생산성 증진용 항균 활성 / 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

주 류

생 물 비 료

사 료 첨 가 제

08 | 미생물유전체전략연구사업단

iM AF 수행 과제

•연구역량 강화 구 분

메 타 유 전 체

과 제 명

연구기관

책임자

주관

농축산식품 환경 미생물의 메타유전체 정보 분석

경희대학교

배진우

세부

경제동물의 메타유전체 정보 분석

경희대학교

배진우

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

협동(1)

참 조 유 전 체

세부위탁

주류 진핵 미생물 참조유전체 정보 생산

농업생물정보

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

고준수

연구기관

책임자

Ⅲ. 부처공동연구 •Host-Microbe Interaction 구 분 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 기능연구

강원대학교

김경수

벼 침해 주요 공기전반 병원성곰팡이의 집단 다양성 및 발병유전체학 분석

동아대학교

이정관

주관

세포 내 기생 난치성 산업동물 주요 병원균의 핵심 병원성 유전체 분석과 이를 이용한 제어기술 개발

경상대학교

김 석

세부

세포 내 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

㈜인트론바이오테크놀로지

손지수

세부위탁

동 물 병 원 성

iMAF_2016 Vol. 1

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

식 물 병 원 성

과 제 명

| 09

생생연구현장

조기성과 창출

부처공동연구

‘미생물연구’ 농식품 경쟁력 UP! ‘농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단’의 농생명자원 유전 체 연구역량 강화과제들이 가시적인 성과를 보이고 있다. 사업단 은 지난 2014년 8월에 출범한 이후 농식품 분야의 경쟁력을 높이 기 위해 농식품과 관련된 유용 미생물의 유전체 정보를 자원화하 는 연구지원에 집중했다. 특히 산업화에 적합한지를 가늠하기 위한 예비 타당성 조사를 거치는 등 정확한 사전 검토 기획과정을 거치며 집중 투자분야를 선정했다. 선정된 집중 투자분야는 조기성과 창출, 연구역량 강화, 부처공동사업 등 3개 부문으로 나누어졌으며 부문별로 다양 한 품목들이 연구대상으로 선정됐다. 사업과제가 수행되고 있는 연구현장에서 연구자가 직접 전하는 현장 소식을 들어본다.

010 | 미생물유전체전략연구사업단

연구역량 강화

iMAF_2016 Vol. 1

| 011

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

조기성과 창출 |

김치 김치유산균의 유전체분석 및 생물학적 진화(순화) 과정을 통한 김치발효용 스타터균주 개발

연구진 / 연구내용 ✚ 주관 : 중앙대학교 환경미생물학실험실

연구책임자 전체옥 교수

환경미생물학 실험실 연구팀

✚ 협동(1) : 충북대학교 효소·발효공학실험실

연구책임자 한남수 교수

효소·발효공학실험실 연구팀

김치유산균의 유전체 분석을 통한 김치유산균 대사적,

유전체 정보를 바탕으로 한 김치유산균의 기능성

기능적, 발효적, 유전적, 특성 연구와 실험실진화 기술을

(mannitol, bacteriocin, GABA, 다당류, prebiotics, 비타

이용한 김치유산균의 종균개량 연구 및 개량 김치유산균

민 K, B9 생성능, 난소화성 소당류 분해능 등) 연구, 김치

의 환경적응성(fitness) 실험, 유전체 변화 비교분석 연구

유산종균의 안전성을 확보하는 김치 발효 조건 규명 및

수행

발효 기술 개발 연구 수행

012 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 김치

✚ 협동(2) : 대상FNF㈜ 신선연구팀

✚주 관 : 중앙대 김치유산균 유전체 분석 및 종균 개량연구 김치유산균 유전체 분석 및 종균개량 연구를 목표 로 김치발효용 스타터 개발을 위한 유산균 선정, 김치 유산균의 유전체 정보 서열 정보 분석, 김치유산종균의 특성 개량을 위한 반응기 시스템제작, 균주 개량기술을 이용한 김치유산균의 종균 개량 타겟 선정 및 개량 연 구 수행

연구책임자 류병희 팀장

⊙ 김치발효용 스타터 개발을 위한 유산균 선정 및 유 전체 정보 서열 정보 분석 우수 김치 유산종균 산업적 생산을 위한 배양 및 발효

김치 내 우점 및 발효특성을 바탕으로 김치발효용

조건 최적화와 발효 단계별 김치유산종균(starter) 우점율

스타터 개발 및 진화 대상균주로서 만니톨, 비타민

효과 분석, 맛 기호도 증진 기능성 김치제품 개발 및 관

B2, B9 생성 유전자, 박테리오신 생성유전자를 보유

능특성 분석을 통한 김치유산종균을 사용한 표준화된 김

하고 있는 Leuconostoc(Leu.) meseteroides J18을

치 상품화 연구 수행

최종후보로 선정하고 이 균주와 협동(2) 연구팀인 대 상 FNF㈜에서 김치제조과정 중에 스타터로 사용하는 김치유산균주인 Leu. mesenteroides DRC0211의 유

1차년도 주요성과 고품질 표준화된 김치 생산을 위한 우수한 발효능과 기 능성을 가진 김치유산발효종균(starter)을 개발

전체 분석을 완료하였다.

⊙ L eu. mesenteroides J18의 저온발효능 증진 연구 저온에서의 진화여부를 확인하기 위하여 온도와 배

iMAF_2016 Vol. 1

| 013

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

지에 따른 각 세대별 성장속도를 비교한 결과 모균주

정보 분석 및 안정성 특성 분석 연구 수행

에 비해서 계대가 진행될수록 저온에서의 성장속도가

⊙ 김치유산균의 유전체 분석을 통한 3가지 기능성

점차 증가됨을 확인하였다.

규명 ⊙ L eu. mesenteroides J18의 산 저항성 향상

Leu. lactis EFEL005 균주의 경우 프로바이오틱 특

연구

성을 보이는 김치유산균으로 기존의 우유에서 분리한

Leu. mesenteroides J18을 산성조건에서 진화를 유

(KCTC 3528) type strain과 다른 특징을 가지고 있

도하게 되면 김치환경에서 생존율 및 우점도를 향상시

어 유전체 정보서열을(1,688,202bp이며 GC contents

킬 수 있을 뿐만 아니라 위산과 같은 낮은 pH에서 생존

43.43%, Contigs 35, Scaffolds 32) 해독하였다.

율이 높아질 것으로 사료된다. 현재 반응기를 이용하여

Leu. mesenteroides J18의 산저항성 향상을 목표로 실험실 진화기법을 통한 유산균 개량 연구를 수행하고

⊙ Leu. lactis EFEL005 프로바이오틱 특성 EFEL005 균주의 경우 pH 3.0에서 산내성을 보였 으며 이는 LGG균주보다는 다소 낮은 산내성 특성이지

있다.

만, 같은 Leuconostoc 종에 비해서 높은 내산성을 보

✚협 동(1) : 충북대 김치유산균의 기능성 및 안전 성 연구

였다. 또한 EFEL005 균주는 0.3% 담즙산의 함량에서는 GG균주보다는 낮은 내 담즙 산성을 보이지만, 같은

김치유산균 안정성 및 효능연구를 목표로 프로바이오

Leuconostoc 종에 비해서 높은 내 담즙 산성을 보였

틱스 후보군으로 선정된 김치유산균의 유전체 정보 서열

다. <표>에서와 같이 EFEL005 균주는 모든 검정균주

표. Leu. lactis EFEL005의 항균활성 특성 Inhibition(pathogen) Strain

Listeria monocytogenes

O157:H7

E. coli

Yersinia enterocolitica

Bacillus cereus

Leu. lactis KCTC 3528T

+++

Leu. lactis M

+++

Leu. lactis EFEL005

Leu. lactis K8

+++

Leu. lactis KCTC 3773

+, 10-15mm; ++, 16-19mm; +++, 20-23mm; -, no inhibition zone

014 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 김치

들의 생육을 저해하는 활성을 나타냈다.

하였고, 유산균 starter 접종 시스템을 확립하였다. 또 한 맛 및 발효 품질을 고려한 숙성 단계별 우점율 기준

✚협 동(2) : 대상 FNF㈜ 김치유산균의 실증화 및 산업화 연구 김치유산균의 실증화 및 산업화 연구를 목표로 김치 제

을 설계하였다.

2차년도 연구추진

조의 표준화 연구 및 제조 기반 구축을 위해 표준화된 김 치 스팩 개발, 김치 starter 발효 안정화 공정 개발, 김치 starter 접종 및 우점율 향상 제조 공정 구축에 관한 연구

✚ 주관 : 중앙대 김치유산균 유전체 분석 및 종균 개량 연구

수행 김치유산종균의 특성 개량 대상 균주선정, 유전체 정보

⊙ 김치 표준 스펙 개발 김치 제조 공정을 manual화 하고 우수한 김치유산균 starter 적용한 김치의 산업적 생산을 위해 김치의 식품

서열 해독, 기존에 분석된 김치유산균의 유전체 정보와 비교 분석, 김치유산종균 개량을 위한 반응기 운전 최적 화 및 종균개량 연구 수행 중

공전 규격 외 자체 품질규격 을 설정하여 김치 표준화 검 증을 실시하였다.

⊙ 김치유산균의 발효 안 정화 제조공정 설계 유산균 starter의 활성이 최적일 때의 배양 온도 및 시간을 설정하였고 이에 따 른 관리 기준을 확립하였다. 또한 유산균 starter 적용 제품의 숙성 발효 pattern을 모니터링 하여 제품 숙성 에 대한 품질 점검을 완료하였다.

⊙ 김치유산종균의 특성 개량 대상 균주 선정 Leu. mesenteroides J18을 개량 균주로 선정 하였으 며, 차후 선정된 진화대상 유산균의 산저항성 시험, 바

⊙ 균주 접종 시스템 개발 및 우점율 향상 균주보관, 배양 및 활성 system 구축을 위해 유산균 starter의 활성이 최적화되도록 김치 접종 단계를 설정

이오제닉 아민 생성능 시험, 만니톨 생성능 시험, 발효 능 시험 등을 바탕으로 기능성, 안정성, 발효특성을 조 사할 예정이다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 015

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

⊙ 유전체 정보 서열 해독

산성 증진실험이 완료되면 내산성을 모균주와 비교분석

NGS(next generation sequencing)을 이용한 최

하여 내산성 증가여부 확인 및 적응실험(fitness test)을

종 선정 유산균의 유전체 연구를 위해 참여기업인 대

실시할 예정이다. 또한 저산적응성이 증진된 균주의 유

상 FNF㈜에서 김치제조의 스타터균주로 현재 개

전체 분석을 통해 저산조건에서의 환경적응성 변화 기

발 진행 중인 Leu. mesenteroides DRC1506 균주

작을 연구할 것이다.

의 genome 서열을 완전 해독하였다. 또한 김치유산 균과 대사적 특성 차이 분석을 위해 젓갈에서 분리된

Leu. mesenteroides J18의 저온진화연구는 8℃에서

Tetragenococcus sp. H2 유전체 서열분석을 완료한

모균주(0세대)부터 300세대까지 계대 배양한 후, 그 이

상태이다.

후부터는 6℃에서 500세대까지 계대배양진행을 완료 하였으며, 현재 모균주(wild type)와 진화균주(evolved

⊙ 기존에 분석된 김치유산균의 유전체정보와 비

type) 간 저온적응성 비교분석중이다. 환경적응성 테스

교분석

트(fitness test) 후 선정된 균주들의 genomic DNA를

기존에 분석된 김치유산균과 Leu. mesenteroides

추출하여 현재 유전체 서열 의뢰 중이며, 차후 저온적응

DRC1506 균주 사이의 김치 발효 관련 gene 및 이와 관

성이 증진된 균주의 유전체 분석을 통해 저온진화 메커

련된 pathway 기작을 비교분석함으로써 김치유산균의

니즘 연구를 수행할 예정이다.

대사적, 기능적, 발효적, 유전적 특성에 대해 연구 중이 며, 향후에는 젓갈에서 분리된 Tetragenococcus sp. H2 와 김치유산균과의 대사적 특성 차이 분석을 진행할

✚협 동(1) : 충북대 김치유산균의 기능성 및 안정 성 연구

예정이다. 김치유산균 기능성 및 안전성을 목표로 후보 유산균의

⊙ 김 치유산종균 개량을 위한 반응기 운전 최적 화 및 종균개량 연구 김치유산균의 내산성 증진 을 위한 실험으로 저산환경 에서 김치환경에서 생존율 및 우점도를 향상시킬 수 있 도록 반응기(fermentor)를 이용한 진화연구를 수행 중 에 있다. 반응기를 통한 내

016 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 김치

면역활성 분석과 프로바이오틱스 특성 연구 수행 중

17% 정도 감소하였으나(OVA 그룹: 5799 ± 308ng/㎖, OVA/LC61 그룹: 4864 ± 368ng/㎖, P = 0.046), OVA

⊙ Leu. citreum EFEL2061 균주의 OVA 감작 마

특이적 IgE의 양은 변하지 않았다.

우스의 항원제시세포 활성에 대한 영향 투여량에 비례하여 IL-12, TNF-α 및 IL-6의 분비

⊙ 김치 유산균의 프로바이오틱스 특성 분석

를 증가시키는 것을 확인하였다. EFEL2061 균주는 그

참여기업인 대상FNF㈜에서 김치제조의 스타터

람음성균의 구성성분인 LPS과 비교하여 TNF-α 또는

균주로 현재 개발 진행 중인 Leu. mesenteroides

IL-6의 분비를 비슷한 수준으로 유도한 반면, IL-12의

DRC1506 균주의 프로바이오틱스 특성을 분석할 예정

분비를 뚜렷하게 증가시켰다. EFEL2061로 하여 2015

이다. 김치유산균 기능성 및 안전성을 목표로 후보 유

년 05월 26일자로 국립농업과학원 농업유전자원센터에

산균의 면역활성 분석과 프로바이오틱스 특성 연구를

기탁하였다(기탁번호 KACC92070P).

수행중이다.

⊙ EFEL2061균주가 활성화된 비장세포의 IFN-γ,

✚협 동(2) : 대상FNF㈜ 김치유산균의 실증화 및 산업화 연구

IL-4의 레벨에 미치는 영향 EFEL2061 균주가 활성화된 비장세포의 IL-4의 레벨 에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. CD3 항체만 처리

김치유산균 스타터 최적 농도 설정, 발효 단계별 유산

한 세포에 비해, CD3 항체와 rIL-4를 같이 처리한 세

균 starter 우점율 효과 분석, 유통 simulation을 통한 김

포에서 IL-4의 양이 50% 증가하였다. 한편, LC61 균

치 숙성 패턴 분석 및 발효 안정화 연구 수행 중

주를 처리한 경우, IL-4의 양에 크게 영향을 미치지 않 았다.

⊙ E F E L 2 0 6 1 균 주 가 OVA에 감작된 마우스 에서 IgE 레벨에 미치 는 영향 혈청 내 총 IgE의 레벨이 증가한 것으로 보아 OVA 감 작이 성공적으로 Th2 반응을 일으켰음을 알 수 있었다. EFEL2061 균주를 처리한 경우, 혈청 내 총 IgE의 양이

⊙ 김치유산균 스타터 최적 농도 설정 유산균 starter의 최적의 우점율 공정 설계를 위해 적

iMAF_2016 Vol. 1

| 017

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

용 농도별 우점율 분석, 미생물 및 이화학적 특성 분석

높아지고 있고 발효식품 산업분야에서 그 중요도가 높

을 진행하고 있다. 현재 10℃ 유통 모니터링을 통한 우

아지고 있다. 김치의 세계화와 산업화를 위해서는 전통

점율과 이화학(pH, 산도) 분석을 통한 발효 패턴 등을

발효 김치의 제조공정과 관련기술이 표준화 되어야하

확인중이다. 향후 배추김치 외 별미김치 1종에서 유산

며, 고품질의 표준화된 김치를 생산하기 위해서는 우수

균 starter 적용 연구를 진행할 예정이며, 이를 위해 제

한 발효능과 기능성을 가진 김치유산발효종균(starter)

품 적용 농도 및 숙성 단계별 품질 표준화와 별미김치에

을 개발이 필수적이다.

맞는 유산균 starter 적용 공정 확립 및 우점율 분석을 진행할 것이다.

현재 식품에 사용하는 종균의 유전공학적 개량 (genetically modification)은 GMO(genetically modified organism) 사용의 안정성이 검증되지 않은

⊙ 발효 단계별 유산균 starter 우점율 효과 분석

상황에서, 김치유산균의 자연적인 변화(진화)을 유도하

이화학 분석, 맛 기기분석을 통해 김치 발효기간 중

는 non-GMO 종균화 전략은 보다 안전한 식품의 섭

적숙기, 과숙기 때의 품질을 분석하고 절별 김치 유산균

취를 추구하는 현대인에게도 거부감이 없으며 김치가

starter 우점율을 모니터링할 예정이다.

건강식품이라는 시장과 소비자의 요구를 동시에 충족시 키면서 자연스럽게 받아들여질 수 있는 방안으로 여겨

⊙ 유통 simulation을 통한 김치 숙성 패턴 분석 및 발효 안정화 연구

진다. 미국의 Lenski의 연구팀에서는 실험적 진화 연구를

김치 유통 simulation과 각 온도별 김치 발효

이용하여 E. coli 의 유전적 변화를 관찰한 결과 미생

pattern 분석 및 품질 안정화에 관한 연구를 진행할 예

물이 매우 빠른 시간 안에 환경에 적응함을 보여 주었

정이다. 이를 위해 5, 10, 15℃ 유통 모니터링을 통한

고 이러한 연구결과를 바탕으로 실험실 진화(adaptive

우점율과 이화학(pH, 산도) 분석을 통한 발효 패턴을

laboratory evolution)를 이용한 종균 개발이 이루어

확인할 예정이다. 또한 설정된 품질 규격 적합성 확인을

질 수 있음을 제시하였다(Blount et al., 2008. PNAS;

위해 미생물 분석, 이화학적(pH, 산도, 염)분석, 유통

Barrick et al., 2009, Nature).

안정성 등을 확인할 것이다.

네덜란드의 Bechmann 연구팀은 Lactobacillus(Lb.)

lactis 를 실험실 진화를 통하여 젖산 발효능과 성장능 이 우수한 균주를 얻을 수 있어 실험실적 진화(시스템

관련 연구동향

생물학적 진화기법)가 균주 개량에 매우 유용한 방법 임을 제시하였다(Bechmann et al., 2012. Genome

⊙ 해외 연구동향

Research).

김치는 김치 고유의 맛뿐만 아니라 발효산물의 건강

최근에는 미생물 균주의 환경적응성을 높이는 연구

에 증진효과에 관한 인식고조로 최근 세계적인 관심이

이외에 미생물의 대사 경로를 변경시키는 systematic

018 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 김치

evolutionary engineering을 사용한 균주개량이 이

또한 사용하고 있는 김치유산종균의 발효적, 기능적,

루어지고 있는데, 한 예로 프랑스의 Dequin 연구팀

유전적 특성 등이 규명되지 않은 상황에서 김치유산종

은 대사과정을 조절하는 실험실 진화기법을 이용하여

균의 안전성 또한 검증되지 못하고 있다.

발효향이 우수한 새로운 포도주 발효종균 효모를 개  발하였음을 보고하였다(Cadiere et al., 2012. Food

의 성공을 위해 접종한 김치 유산균이 김치 환경에서의

Microbiol.). 이외에도 외국의 경우 진화기법을 이용하

잘 적응하도록 김치 유산균의 개량연구가 반드시 필요

여 고품질 발효제품을 생산하기 위한 종균개량연구가

할 것으로 보인다.

활발하게 수행되고 있다. 이러한 연구동향을 살펴보았을 때, 우수 김치유산균 을 non-GMO 종균화 전략의 핵심인 실험실 진화(시스

따라서 종균 유산균을 사용한 김치의 항시적인 발효

이와 더불어 김치의 품질 향상 및 좀 더 넓은 시장 개 척을 위해 김치의 풍미 및 기능적 특성을 증가시키기 위 한 연구도 중요할 것으로 판단된다.

템 생물학적 진화기법)를 통하여 발효환경에 맞도록 순

김치유산균의 유전체 연구는 김치유산균의 발효적,

화(domestication)시킴은 물론 김치유산균의 대사과정

기능적, 유전적 특성 등의 규명을 통하여 김치발효 특성

을 변화시키고 개량하여 표준화된 고품질의 김치를 생

을 이해하는 중요한 단서를 제공할 것으로 사료된다.

산하기 위한 우수한 발효능과 기능성을 가진 발효종균

이렇게 김치의 발효특성(미생물 군집 및 발효산물) 및

(starter) 개발이 성공적으로 이루어질 수 있을 것으로

김치 고유의 맛, 김치의 건강에 증진 효과가 김치유산균

판단된다.

의 발효과정에 의해 기인됨에도 불구하고 현재 국내 김 치 유산균의 유전체 연구 및 유전체의 기능적인 연구는

⊙ 국내 연구동향

거의 전무한 실정이다.

김치는 김치원료에서 유래되는 유산균에 의한 자연발

김치유산균의 기능적, 발효적 특성을 좀 더 심도 있게

효에 의존함으로서 동일한 제조법을 사용하더라도 김치

통합적으로 이해하기 위해서는 김치유산균 및 개량된

원료 조성, 원료의 재배시기, 원료산지에 따라 미생물

김치유산종균의 전사체, 대사체와의 연계 연구 및 안전

천이가 다르게 나타나고 형성되는 맛과 풍미가 다르게

성 연구도 반드시 병행되어야 할 것으로 보인다.

나타날 수 있다.

향후에는 김치에서 분리한 우수 김치유산균의 유전체

현재 국내에서 고표준화된 품질 김치를 생산하기 위

연구를 통해 김치유산균의 생리적, 발효적, 유전전적 특

해서 김치에서 분리한 유산균(Leu. mesenteroides,

성을 이해하고 선별된 김치유산균을 김치환경에 맞도록

Leu. citreum, Lb. plantarum, Lb. sakei 등)을 김치

적응시키고 대사과정을 조절하 여 우수한 발효능과 기

유산종균으로 사용하고 있으나, 접종한 김치유산종균이

능성을 가진 김치유산균 발효종균(starter) 개발에 관한

김치 환경(낮은 pH, 저온, 원료에서 유래한 유산균과의

연구가 활발히 이루어질 것으로 판단되며, 이는 발효식

경쟁 실패, 소금 농도 등)에 적응하지 못해 김치발효가

품 분야에서 국가 경쟁력을 상승시켜 김치의 세계화와

항상 성공을 거두지는 못하는 상황이다.

산업화에 기여할 것으로 기대된다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 019

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

조기성과 창출 |

주류 전통 누룩 유래 자생 미생물 자원의 유용성 연구

연구진 / 연구내용 ✚ 주관 : 한국식품연구원 우리술연구팀

주관연구책임자 김재호

한국식품연구원 우리술연구팀

✚ 협동 : ㈜국순당 연구소

협동연구책임자 신우창

㈜국순당 연구팀

우리술연구팀은 우리나라의 전통주 연구를 통하여 국

전통주 업체인 국순당에서 1970년에 설립한 이래 45여

내 주류 산업을 대표 성장산업으로 육성하고, 우리술의

년간 전통주의 기본 원료인 누룩과 미생물 연구를 중점

세계적 명품화를 위한 다양한 연구를 수행

으로 수행

양조미생물 대사체(fermentative microbial

최근에는 분자 및 세포생물학 연구를 통해 전통주의

metabolites) 분석 및 응용, 발효 신기술 개발, 주류 유

항염, 항암, 피부개선 등의 기능성 연구도 수행했고, 현

통 안전성을 위한 첨단 기술 개발, 양조인력 양성, 우리

재는 막걸리와 전통주를 과학적으로 연구해 효능 및 발

술 품질인증 및 컨설팅 등의 다목적 기능과 산업체와의

효기전을 밝혀내고 전통주의 레시피를 계량적으로 정립

네트워킹을 통한 공공 중심센터로서의 역할을 수행하고

하는 일을 수행하고 있다.

있다. 중점 연구 분야로는 우리술의 양조미생물 발굴 및

이러한 연구를 통해 3단 발효법과 냉장숙성 공법을

대사체 연구, 우리술의 품질 고급화를 위한 발효제어 기

도입, 막걸리 고유의 맛과 신선함이 최대한 유지되도록

술, 숙성기술 및 유통기술 개발과 우리술의 건강 기능성

개발한 바 있다. 그리고 2008년부터 자체적으로 전통주

및 생리활성기전 연구 등 이다.

복원작업을 통해 창포주, 이화주, 자주, 송절주, 동정

020 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 주류

춘, 청감주, 사시통음주 등 총 80여 종을 차례로 복원하 여 24품목 출시했다.

⊙ 막걸리 산업 활성화를 위한 양조 미생물 분양 및 관련 기술 개발 연구 우리나라의 양조산업체의 규모는 타 산업 대비 규모

✚ 주요 연구내용

가 매우 영세하기 때문에 양조 기술 개발(발효제 및 발 효 조건, 유통기한 등) 연구 지원에의 한계가 산업 발전

⊙전 통누룩 기반 전통주의 오믹스 연구를 통한 우 리 전통주의 세계화 기반 구축

의 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 이를 해소하고자 현재까지 한국식품연구원 우리술연

고문헌 기록을 토대로 전통누룩을 복원하여 전통누

구팀에서 개발된 우수 양조용 효모 및 누룩을 산업체에

룩의 유전체와 대사체 등의 오믹스 연구와 전통누룩 기

분양하고, 이 중에서 최우수 양조 미생물을 선별하여 이

반 전통주의 건강 기능성 및 생리활성기전 연구의 상관

의 대량생산을 위한 공정기술 개발 및 발효제어 시스템

관계 분석을 통한 전통누룩 및 전통주의 유효성분 탐색

확립을 위한 기술개발 연구를 수행하고 있다.

및 세계화를 위한 과학화 기반 구축 연구를 수행 중에 있다.

⊙증 류주의 숙성기술 개발을 통한 품질 고급화

1차년도 주요 성과 및 2차년도 연구추진

수입산 숙성 증류주 시장에 밀려 협소해진 우리 증류 주 시장의 부흥을 위하여 숙성 기술 및 발효제어 기술

✚ 주관 : 한국식품연구원

개발 연구가 요구되고 있다. 증류주는 숙성 과정을 거치면서 더욱 높은 부가가치

⊙ 전통누룩의 복원과 현대화

를 가지게 되며, 특히 우리나라 고유의 용기를 활용하여

누룩(Nuruk)이란 전분을 원료로 한 술을 만드는데

숙성 중 알코올 함량 및 향기성분(GC/MS 분석), 숙성

필요한 발효제(fermenter)로 일반적으로 곡물을 쪄서

도 분석(NMR 분석), 관능특성 분석을 통하여 고품질의

곰팡이를 번식시킨 것을 의미한다. 술의 발효에 주원료

우리 고유의 장기숙성 증류주를 개발을 위한 기반 연구

로 사용되는 전분은 당화(saccharification)과정을 통해

를 수행하고 있다.

효모가 이용 가능한 포도당으로 전환되는데, 이때 발효 원으로 누룩이 사용되며 발효의 중요한 원료가 된다. 전

iMAF_2016 Vol. 1

| 021

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

통적으로 누룩은 밀과 보리 쌀, 조 등의 곡물을 이용하

중국은 밀을 재료로 한 성형누룩이, 상대습도가 높은 일

여 만들어지며 술의 주원료가 되는 전분 중심의 곡물이

본은 쌀을 재료로 한 흩임누룩이 발전한 반면, 우리나라

면 모두 가능하다.

는 중국과 일본의 누룩을 두루 아우르는 밀과 쌀을 이용

이러한 누룩은 한국에서 ‘곡자(麯子)’라고 표현되며 야

한 두 가지 형태의 누룩이 모두 발전하였다.

생의 곰팡이, 효모, 젖산균 등의 미생물이 자연적으로

이처럼 누룩은 각 나라마다 독특한 기후의 영향으로

접종되어 증식된 것을 말한다. 한국 전통주의 양조법은

모양과 제조법, 발효기간에 따른 많은 차이를 보이는데

이 누룩을 사용하여 전분의 당화와 발효를 동시에 일으

이는 지리적 환경과 기후에 적응하는 과학적 원리로 증

키는 것으로 살균된 배지에 특정 곰팡이를 인공적으로

명된다. 중국이 성형누룩, 일본이 흩임누룩으로 발전한

접종한 일본의 코지(koji)와 구별된다.

가운데 한국은 매우 다양한 재료와 모양의 누룩이 발전

즉 누룩과 코지의 차이는 전분분해효소를 분비하는

해왔다. 산간지역의 넓고 얇은 누룩부터 평야지역의 두

곰팡이 외에 효모나 젖산균의 유무로 구별된다고 할 수

껍고 작은 누룩, 제주지역의 작고 얇은누룩 등 한국의

있다. 따라서 입국을 이용하여 술을 제조할 때 반드시

지역마다 누룩의 넓이와 두께가 다른 것은 습도와 일조

효모와 젖산을 첨가해 주어야하는 이유가 여기에 있으

량의 영향이 가장 크다.

며 우리나라 고유의 양조방식과는 분명한 차이가 있다. 동양에서 누룩이 처음 만들어진 것은 기원전 5세기경 으로 전해오고 있다. 한국에서 누룩을 처음 사용한 시

이처럼 한국 누룩의 특성은 그 다양함에서 찾을 수 있 는데 최근 개량식 누룩의 증가로 다양한 제조방법을 따 르는 전통누룩이 사라지고 있다.

기는 삼국시대 이전인 것으로 추측되며, 1123년경 한국

따라서 우리술연구팀에서는 “제민요술(齊民要術)”과

의 술에 누룩을 사용했다는 기록이 남아있다. 한편 한국

“본초강목(本草綱目)” 등의 누룩을 포함하여 산림경제

고려시대의 ‘한림별곡(翰林別曲)’에 특수한 누룩으로 제

(山林經濟), 임원십육지(林園十六志), 규곤시의방 등 한

조한 술이 등장하여, 이 시기에 이미 한국에서는 다양한

국 고문헌에 수록된 전통누룩의 제조법을 현대화하여

형태의 누룩이 만들어졌음을 추측할 수 있다.

전통누룩의 특성을 과학적으로 규명하고자 46종의 전

이후 한국 조선 중기 이후의 음식관련 문헌인 규곤시

통누룩을 복원하였다.

의방(閨壼是議方, 1670)에 각각의 누룩이름과 제조방법

본 연구 수행은 고문헌의 누룩제조기록을 현대화 기

이 상세하게 기록되어 다양한 전통누룩이 제조되었음을

술에 의해 최초로 복원했다는데 그 의미가 매우 높으며,

알 수 있다.

아울러 복원된 누룩의 미생물을 자원화하고 특성을 분

술의 발효에 관여하는 누룩의 역할은 모두 동일하지 만 전통적으로 우리나라는 여러 가지 종류의 누룩이 발

석한 결과는 누룩을 기반으로 한 한국의 전통주 연구에 크게 활용될 것이다.

달해 왔다. 예를 들어 누룩은 크게 일정한 크기와 모양 을 갖는 성형누룩과 곡물을 뭉치지 않고 수분을 주어 그 대로 발효하는 흩임누룩이 있는데, 건조한 지역이 많은

022 | 미생물유전체전략연구사업단

⊙ 전통누룩의 복원 및 우수 양조미생물 분리 최근 생물다양성협약과 나고야의정서 발효로 유전자

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 주류

원의 경제적 가치가 향상되고 있는 가운데 생물자원의

(glucoamylase 10,200 SP, protease 5,560 PU,

70% 가량을 외국에 의존하는 우리나라의 자국 미생물

48시간 배양 기준) 등 산업적으로 전통주를 제조하

확보 및 자급화가 시급히 요구되고 있다. 국내 수입되

는데 유용한 특성을 가지는 미생물이다. 균주의 형태

는 미생물 종균은 연간 1,123억원에 달하며 이 중 주류

학적인 특성(black colony, dark sporangiophore

를 포함한 발효미생물과 효소, 유산균 등의 수입규모는

and stolen, rare rhizoid on PDA)에서는 Rhizopus

약 494억원에 달한다. 특히 국내에서 사용되는 99.5%

oryzae 의 조건을 벗어나지는 않는다.

의 효모는 수입종균으로 토착 미생물의 발굴과 확보가 무엇보다 중요하다.

하지만 이 균주의 ribosomal DNA의 ITS 염기서열 분석에 의하면 Rhizopus oryzae 및 Rizopus delemar

본 연구에서는 전통누룩 60종에서 자생미생물

와 같은 cluster 군집을 가지기 때문에 구분이 어렵다.

을 분리하여 이들의 양조특성을 분석하였다. 분

이는 과거 분류학 논문들 중 먼저 발표된 논문의 선명명

리한 균주의 morphology 특성 및 18S rRNA

의 규칙에 따르면 Rhizopus delemar 로 분리될 수도 있

gene sequence 결과 곰팡이는 Aspergillus 136

다. 정확한 균주의 종명은 본 연구에서 수행된 유전체

종, Penicillium 38종, Mucor 20종, Rhizomucor

분석 결과를 토대로 향 후 Rhizopus 종의 재분류를 수

18종, Rhizopus 5종, Syncephalastrum 3종,

행한 후 명명될 것이다.

Emericella 2종, Biscogniauxia 2종, Amylomyces 1종, Aureobasidium 1종, Bjerkandera 1종,

✚ 협동 : ㈜국순당 연구소

Galactomyces 1종, Hyphopichia 1종, Xylaria 1종 등 230 종이 분리되었고, 효모는 Saccharomyces 250종,

⊙ 양조 특성 및 관능 분석을 통한 우수누룩 선별

Wickerhamomyces 66종, Saccharomycopsis 28종,

협동 연구팀인 ㈜국순당 연구소에서는 한국식품연구

Pichia 14종, Clavispora 7종, Kluyveromyces 5종,

원 우리술 연구팀에서 복원한 누룩들로 전통주 담금을

Cryptococcus 5종, Meyerozyma 2종, Ogataea 2종,

진행하였다. 다양한 문헌에 나오는 방법들을 표준화하

Candida 1종, Filobasidiella 1종 등 381종을 분리하였

여 밑술 담금과 덧술 담금을 하는 중양법으로 최적화 및

다. 분리된 미생물은 유용균주의 자원화를 목적으로 양

반복 재현 담금을 수 백 회 진행하였다.

조특성 및 생리기능, 기타 균주특성 분석을 수행 중에 있다.

그리고 이화학 분석을 통한 발효 적성 및 전통주 전 문 패널들의 관능 시험을 통해 전통주들의 선호도를 지 표화하여 1차적으로 1차년도에 28종의 누룩들이 선별되

⊙유 용 미생물 자원의 산업화

었다. 현재 2차년도 연구는 1차년도에 선별된 누룩들 중

Rhizopus oryzae KSD-815 곰팡이는 국순당

시제품 개발을 위한 우수 누룩을 선정하는 연구를 진행

에서 분리하여 사용되고 있는 누룩의 종균(특허 등

중에 있고, 이를 위한 기준 설정 및 기존 시판누룩대비

록 10-0781053호)이며, 당화력이 매우 높은 특징

우월성 및 차별성을 검증하고 있다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 023

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

⊙ 누룩 원료별 담금주의 맛과 향의 관능 상관관계 규명

사 등을 통한 상품성 검증으로 수행될 예정이다. 또한 선별 누룩 및 발효과정의 유전체 및 대사체 분석

1차년도 연구를 진행하며, 복원된 누룩들의 주/부원

결과로 양조 미생물 천이 현상과 발효대사물이 관능특

료에 따라 맛과 향이 차별화되는 특징이 있는 것을 알

성과 어떤 상관성이 있는지 체계적인 해석을 확립할 계

수 있었다. 이러한 특징들은 훈련된 전통주 전문패널들

획이다.

이 12가지 맛과 향의 강도를 척도로 수치화하였다. 누룩 에 사용된 원부재료의 종류에 따라 주질이 특징지어지 는 것으로 나타났는데, 이것이 원부재료의 직접적인 영

관련 연구동향

향인지, 원부재료의 다양성에 따른 미생물 군집의 다양 성 차이에서 오는 것인지는 현재 2차년도 연구에서 진 행 중에 있다.

⊙ 국내 양조미생물의 유전체 분석 관련 연구 주류관련 미생물의 오믹스, 특히 유전체학 연구의 필

이는 동일 제법으로 원료별 차이를 둔 누룩들의 경시

요성이 대두되고 있는 가운데, 현재까지의 관련 연구는

적 발효 시료들의 메타게놈 및 대사체 분석 데이터를 통

대부분 주질을 향상시키거나 생산성을 높이는 특정 미

하여 밝혀질 것으로 사료된다.

생물의 발굴에 초점이 맞추어져 있다. 최근 10년간 출판된 논문을 중심으로 연구 동향을 분

⊙ 시 제 품 개 발 및 상품성 검증 현재 진행 중 인 최종 우수 누 룩 선별로 조기성 과 시제품 개발을 2차년도 목표로 두고 있다. 이는 주류 제조공정의 표준화(원료처리/ 최적발효조건/공 정최적화 등)를 통해 시제품을 개 발하고 유통 안정 성 및 소비자 조

024 | 미생물유전체전략연구사업단

그림1. 최근 10년간 연도별 주류 미생물 유전체 관련 연구동향 분석

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 주류

석해본 결과, 실제 주류(전통주 외의 다양한 주류 포함)

인 발효에 사용되는 S. cerevisiae strain만 해도 수 백

에 사용될 수 있는 미생물의 유전체를 분석하는 연구 보

종 이상이 존재하는 것으로 알려져 있다. S. cerevisiae

고는 최근 3~4년 사이에 이르러서나 수행되고 있음을

은 진핵세포 최초로 전체 유전체의 염기서열이 밝혀진

확인할 수 있다.

만큼 비교적 많은 연구가 진행되어 있다.

⊙국 외 양조미생물의 유전체 분석 관련 연구

⊙ 국내 양조미생물 유전체 연구의 필요성

최근 가장 활발히 진행되고 있는 주류미생물 연구분

우리나라는 현재 대부분 외국에서 개발 및 개량된 미

야는 대부분 에탄올 발효에 관여하는 Saccharomyces

생물 종균을 수입하여 사용하고 있으며, 그 중 식품 및

의 생육이나 발효능을 조절하는 연구이다. 특히 주목해

주류 제조에 필요한 효모종균, 효소제, 유산균 등의 수

야할 부분은 아쉽게도 이러한 연구의 대부분이 일본이

입 비용은 약 4,400만불(한국무역협회, 2010)에 달하고

나 중국에서 수행되었으며, 그 결과를 특허로 보유하고

있다.

있다는 점이다.

ABS 나고야의정서가 발효됨에 따라 세계적으로 생물 종의 주권이 강

그림2. Genetic relationship of S. cerevisiae strains

화되고 있는 현 재의 시점에서 우리나라 토종 미생물의 통합 적이고 총체적 인 연구를 통하 여 미생물 자원 의 자국화가 시 급하다고 할 수 있을 것이다. 이러한 때에

일본은 전체 출원의 65%, 중국은 25%를 차지하고 있

우리나라 전통주 또는 전통누룩 유래 미생물의 복합적

을 정도로 다수의 주류 미생물 관련 특허를 보유하고 있

인 분석 결과가 더욱 더 요구되고 있음은 말할 것도 없

는 반면 우리나라는 보유하고 있는 특허가 매우 적어 관

으며, 이를 통하여 확보된 첨단 과학적 분석은 차후 우

련 연구가 필요함을 강하게 시사하고 있다.

리 고유의 전통주의 부흥기의 도래와 더불어 유용 미생

대표적인 양조미생물의 유전체 연구로는 와인을 꼽을 수 있으며 대부분 S. cerevisiae 에 집중되어 있으며, 와

물과 전통문화의 자원화에 크게 기여할 수 있을 것이 다.

iMAF_2016 Vol. 1

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Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

조기성과 창출 |

생물비료 미생물 유전체, 기능분석 및 토성, 작물 맞춤형 생물비료 개발

연구진 / 연구내용 ✚ 주관 : 충북대학교 식물영양·비료학 연구실

연구책임자 사동민 교수

식물영양·비료학 연구실

⊙연 구내용 : 미생물 유전자원을 이용한 생물비료

✚ 세부 : 충북대학교 특용식물학과 식물생명공학 연구실

연구책임자 이 이 교수

식물생명공학 연구실 연구팀

⊙ 연구내용 : 전략 미생물 5종 유전체 분석

개발

- 전략 미생물 5종 선정 및 de novo sequencing

- 유 용 미생물 유전자원의 분리 및 식물생장촉진

- 전략 미생물 유전체 assembly 및 annotation

효능 확인 - 보유 우수 미생물 유전자원의 기능 분석 및 2차 선발 -2 차 선발 미생물 유전자원의 식물생장촉진 효과 및

- 전략 미생물 유전체 유전자 비교 분석 및 비교 유전 체 분석 파이프라인 구축 - 전략 미생물 유전체의 비교유전체 분석 및 종간비 교를 통한 전략 미생물 특이적 유전자 분석

공생관계 확인 - 분리 미생물의 유전적 구조 및 다양성 분석

✚ 협동(1) : 대구대학교 식품환경안전학과

- 2차 선발 미생물 유전자원 생물비료의 육묘 시비 효과 확인

⊙ 연구내용 : 다양한 토성 및 작물별 생물비료 효

- 분리 미생물 유전자원의 식물생장촉진 효과 확인

능 메타 분석

- 제형별 생물비료 사용 메뉴얼 작성

- 다양한 생물비료 시비효과 최적 토양 pH 조건 확립

026 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 생물비료

- 선발 미생물 유전자원의 대량배양 기술 확립 - 생물비료 기능향상 및 보존기한 증대 기술 개발 - 제형화 생물비료 제조 및 활용기술 개발 - 생물비료의 현장 활용기술 보급 및 산업화

연구책임자 정종배 교수

식품환경안전학과 연구팀

-생 물비료별 시비효과 최적 토양 물리·화학적 특성

1차년도 주요 성과 ✚ 주관 : 미생물 유전자원을 이용한 생물비료 개발

분석 - 작물 특성별 생물비료 효과 최적화 조건 분석 - 시비방법에 따른 생물비료 효과 최적화 조건 분석

유용 미생물 유전자원을 분리하기 위해 충북 오창 의 충청북도농업기술원 시험포장지에서 채취한 토양 으로부터 총 38종의 균주를 분리하였다. 분리된 미

✚ 협동(2) : ㈜농업과 기술

생물 유전자원은 16S rRNA 염기서열 분석한 결과, 20개의 균주가 Pseudomonas 속에 속하는 것으로 확

⊙연 구내용 : 선발 미생물 대량 생산을 통한 생물 비료 제조 및 산업화

인되었고, 7개의 균주가 Flavobacterium 속, 6개의 균주가 Arthrobacter 속, 3개의 균주가 Massilia 속,

Pedobacter 와 Flavimonas 속에 속하는 균주가 이에 속하는 것을 확인되었다. 분리된 균주의 생화학적 특성을 분석한 결과, Gram positive 균주는 4개, Gram negative 균주는 34개, catalase 효소 활성 균주는 35개, oxidase 활성은 28 개, urease와 nitrate reductase 활성 균주는 각각 1 개, 15개의 균주가 확인되었다. 분리한 미생물 유전자 연구책임자 안무헌 대표

㈜농업과 기술 연구팀

원의 식물생장촉진 특성을 분석하기 위해 38종 미생

iMAF_2016 Vol. 1

| 027

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

물 유전자원의 IAA 생산능, ACC deaminase 활성,

보였고, 양분흡수의 경우, N uptake는 pH < 6.5에서

salicylic acid 생산능, 인산가용화능, siderophore 생

유의성 있는 효과크기를 보였으며, P와 K uptake는 각

산능을 각각 측정하였다. 또한 식물영양·비료학 연

각 pH > 7.4와 pH < 6.5에서 높은 효과크기를 확인하

구실에서 보유하고 있는 미생물 유전자원 중 식물생

였다.

장촉진 효능이 우수한 뿌리혹 생성균 6종, 질소고정균 16종, 황산화균 2종, 인산가용화균 1종, 호염성 미생물 13종, 배추좀나방 내장에서 분리한 식물생장촉진 미생물

✚협 동(2) : 선발 미생물 대량생산을 통한 생물비 료 제조 및 산업화

10종, 메탄올 자화세균 11종을 2차 선발하였다. 선발 미생물 유전자원의 대량배양 기술 확립을 위해

✚ 세부 : 전략 미생물 5종 유전체 분석

에너지원원을 선발한 결과, 탄소원은 CBMB20 균주가 AMS 배지보다 YMEP 배지에서 균주의 생장이 증가하

선정된 유용 미생물인 Bacillus methylotrophicus (CBMB205), Methylobacterium phyllosphaerae

였으며, 특히 glucose를 50.0g 첨가한 YMEP 배지에서 균주의 생장이 매우 증가하는 것을 확인하였다.

(CBMB27), Pandoraea thiooxydans (ATSB16),

질소원의 경우는 yeast extract를 10.0g 첨가한

Dyella thiooxydans (ATSB10)의 4종 균들을 대상

YMEP 배지에서 CBMB20 균주의 생장이 가장 증가하

으로 차세대 유전체 해독 기술(next generation

는 것을 확인하였으며, CBMB27의 경우에는 다른 배지

sequencing, NGS)를 수행하여 미생물 유전체 해독을

에 비해 YMEP 배지에서 균주의 생장이 가장 높은 것으

완료하였다.

로 확인되었다.

✚협 동(1) : 다양한 토성 및 작물별 생물비료 효능 메타분석 다양한 생물비료 시비효과 최적 토양 pH 조건 확립을

2차년도 연구추진 ✚ 주관 : 미생물 유전자원을 이용한 생물비료 개발

위해 메타분석을 이용하여 Bacillus 생물비료 시비효율 극대화 토양 pH 조건을 분석한 결과, total biomass는

분리한 미생물 유전자원 중에서 우수 미생물 유전자원

pH < 6.5에서 가장 높은 효과크기를 보였으며, 양분흡

을 선발하고, 선발한 미생물 유전자원의 식물생장촉진 효

수의 경우, N, P, K 모두 pH > 7.4에서 가장 높은 효과

능 확인 및 GFP tagging을 이용하여 식물과의 공생관계

크기를 보이는 것을 확인할 수 있었고, Pseudomonas

확인 및 토양과 작물 내 생존율을 확인

경우는 시비효율 극대화 토양 pH 조건을 분석한 결과, total biomass는 pH < 6.5에서 가장 높은 효과크기를

028 | 미생물유전체전략연구사업단

⊙ 선발 미생물 유전자원의 식물생장촉진 효능 확인

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 생물비료

선발 미생물 유전자원의 저온 내성 및 생장 범위를 측

는 연구 수행

정하기 위해 최소배지에서 72시간 동안 배양한 후, 평 판배지에 접종하여 5℃에서 40℃까지 5℃ 간격으로 나

⊙M ethylobacterium phyllosphaerae CBMB27

누어 각각 일주일 동안 배양하였다. 총 38종의 균주 중

의 유전체 시퀀싱

에서 32개 균주의 생장범위는 5~35℃이고, 2개의 균주

총 78,123 reads가 생산되었으며, 어셈블리를 진행

는 5~30℃의 생장범위를 보였으며, 25℃ 미만의 생장

하였다. 12개의 rRNA와 57개의 tRNA를 갖고 있으며,

범위에서는 6개의 균주를 확인하였다. 배양 온도에 따

총 6137개의 유전자를 갖고 있다고 추측되었으며, 이중

른 선발 미생물의 상대적인 생장속도 측정을 위해, 균주

3,837개는 NCBI 등의 데이터베이스에 따라 그 기능을

를 접종한 후 5℃와 25℃에서 균주 각각의 colony 생성

추정할 수 있었으나, 2,300개는 unknown function의

일수를 측정 중에 있다.

유전자로 분류하였다.

⊙ GFP tagging을 이용한 식물과의 공생관계 확인

⊙ P andoraea thiooxydans ATSB16의 유전체 시

및 토양과 작물 내 생존율 확인

퀀싱

선발된 식물생장촉진미생물을 GFP 형질전환 하기 위

총 84,873 reads가 생산되었으며, 어셈블리를 진행

하여 triparental mating 기법을 이용하여 형질전환 한

하였다. 5개의 rRNA와 49개의 tRNA를 갖고 있으며,

다. 형질전환 후 GFP 삽입 여부를 확인하기 위하여 개

총 4,453개의 유전자를 갖고 있다고 추측 되었으며, 이

체별 PCR 검증한다. Flow cytometry system(FACS)

중 2,854개는 NCBI 등의 데이터베이스에 따라 그 기능

을 이용하여 형질전환 식물생장촉진 미생물의 GFP 활

을 추정할 수 있었으나, 1,544개는 unknown function

성 측정하고, SEM(Scanning electron microscopy)과

의 유전자로 분류하였다.

CLSM을 이용하여 형질전환 미생물의 토양 및 작물 내 서식 및 생존율의 경시적 변화를 확인한다.

⊙B acillus methylotrophicus CBMB205의 유전 체 비교

✚ 세부 : 전략 미생물 5종 유전체 분석

B. amyloliquefaciens (PRJNA53535), B. atrophaeus (PRJNA202761) 등을 포함한 9가지 균주

3종 균주들의 어셈블리를 완성하고 유전체 분석을 통

들과 유전체 비교를 진행 중에 있다.

해 각 균주가 특이적으로 갖고 있는 유전자를 알아보고 자 한다. 더 나아가 식물들에게 영향을 미치는 유전자를 선별하고, 이 유전자의 특성을 파악하여 균주의 특성을

✚협 동(1) : 다양한 토성 및 작물별 생물비료 효능 메타분석

파악할 예정이며, 각 균주가 갖는 특이적 서열을 발견하 고 이를 이용한 마커를 개발하여 각 균의 특성을 파악하

메타분석을 이용하여 생물비료 효율 증대를 위한 최적

iMAF_2016 Vol. 1

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Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

pH 조건을 확립한 것을 바탕으로 다양한 생물비료별 시

가제의 최적 처리농도를 결정하기 위한 분석을 수행

비효율을 극대화할 수 있는 토양 유기물 함량, 토성, 토양 양분량에 대한 메타분석을 수행

⊙ 생물비료 기능향상 및 보존기한 증대 기술 개발 생물비료 저장 수명 향상에 적합한 첨가제를 선발하

⊙다 양한 생물비료별 시비효율 극대화 토양 유기

기 위해 chitosan(키토산)을 이용한 첨가제에서 미생

물 함량 조사

물 유전자원의 생장 및 활성을 측정한 결과, CHOI 배

메타분석을 이용하여 총 92여개의 논문을 통해 유

지에서 chitosan 용액 농도(0, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.5,

기물 함량에 따른 Bacillus 생물비료의 접종이 작물의

2.0, 3.0%)에 따른 균주의 개체수는 1.5% 농도에서 개

total biomass, shoot and root biomass, 양분흡수

체수가 9.56 log10 CFU mL-1로 나타났으나, 2% 이상

(N, P, K)에 미치는 효과 분석한 결과, total biomass,

의 농도에서는 개체수가 감소하는 것을 확인하였다.

shoot and root biomass를 측정한 결과, 유기물 함량

다양한 pH의 1.5% chitosan 용액을 첨가한 CHOI

이 1.2% 이하에서 높은 효과크기(effect size)를 보였으

배지에서 균주의 개체수를 측정한 결과, pH 5.5~

며, 양분흡수의 경우 또한 유기물 함량이 1.2% 이하에

6.0에서 균주의 개체수가 높은 것을 확인하였으며, pH

서 높은 효과크기를 보이는 것을 확인하였다.

5.5에서 가장 높은 개체수(8.99 log10 CFU mL-1)를 확

메타분석을 이용하여 유기물 함량에 따른 Bacillus 생

인하였다. 0.2% chitosan 용액을 첨가한 chitosanase

물비료별(B. megaterium , B. subtilis , B. polymyxa ,

detection agar(CDA)에서 미생물 유전자원(CBMB20)

mixed species, other species) 접종이 작물의 생육

의 chitosanase 생산능을 측정한 결과, CBMB20 유전

에 미치는 효과 분석한 결과, B. subtilis 균주는 유기

자원은 chitosanase 생산능을 가지지 않는 것을 확인

물 함량이 1.2% 이상에서 높은 효과크기를 보였으나,

하였다.

B. megaterium 와 B. polymyxa 균주 처리구와 다 른 균주와의 혼합 처리구(mixed species), 이외 다른

Bacillus 균주 접종 처리구(other species)에서는 유기

관련 연구동향

물 함량이 1.2% 이하에서 높은 효과크기를 보이는 것을 확인하였다.

⊙ 국내 연구동향 친환경 농산물에 대한 국민적 수요가 증대됨에 따라

✚협 동(2) : 선발 미생물 대량생산을 통한 생물비 료 제조 및 산업화

미생물제제와 같은 친환경 농자재의 중요성 또한 증가 하고 있다. 이러한 추세로 친환경 농산물 시장규모는 계 속 증가할 것이며, 2012년 한국농어촌경제연구원에서

대량배양을 위한 최적 배지 및 배양조건을 바탕으로 균

조사한 ‘국내외 친환경 농산물 생산실태와 시장전망’에

주의 저장 수명 향상에 적합한 첨가제 선발 및 선발한 첨

따르면 유기농 농산물 시장은 2015년까지 17,536억 원

030 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 생물비료

으로, 무농약 농산물 시장은 51,709억 원으로 성장할

Rhizobium 등의 균주를 이용하여 토양개량, 병해충방

것으로 전망하고 있다. 국내 생물비료 시장은 약 253억

제, 물질분해합성, 양분흡수, 작물생육촉진 및 제초기

원 규모로 예상되며 친환경 농업의 확산에 따라 생물비

능으로 사용되고 있다(표 2).

료 생산량은 5.5%의 성장률로 2016년에는 297억 원 규

우리나라는 2001년을 ‘생명공학의 해’로 선언한 이후

모로 성장할 것으로 추정되고 있다(표 1).

B-KOREA를 건설하기 위해 연간 50억 원을 지원하고

국립농업과학원 조사에 따르면 국내 생물비료 생산

100명이 참여하는 국가유전체 센터를 통해 인간/동·식

업체는 135개, 수입 업체는 22여개 업체로 조사되었고,

물/미생물 유전체 및 생물정보학 연구에 관한 정보 및

2014년 현재 농촌진흥청에 등록된 미생물제제는 83개

인력을 통합·관리하겠다는 계획을 발표했다.

의 업체에서 138개 제품이 등록되어 있으며, 작물생육

그러나 유전체 연구의 경우 집중적인 연구비 투자가

용자재 22개, 토양개량 및 작물생육용자재 114개, 토

요구되기 때문에 전반적으로 미생물 유전체에 대한 연구

양개량용자제 2개가 등록되어 있다. 현재 국내에서 시

가 미흡한 실정이며 분석하고 있는 미생물 균주도 이미

판중인 생물비료는 주로 Baciilus , Pseudomonas ,

외국에서 분석이 완료된 균주이기 때문에 국내 생명공 학 및 제약 산업에서 빠른 시일 내에 효과

표1. 국내 생물비료 시장 현황 및 전망

(단위 : 억원)

시장규모 2012

2013

2014

2015

2016

성장률 CAGR (%)*

240

253

267

281

297

5.5

*CAGR (compound annual growth rate, 연평균성장률)

<2013년 중소기업청>

토양개량

병해충방제

물질분해합성

양분흡수

작물생육촉진 제초

물 유전자원의 확보와 미생물 유전체에 대 한 연구가 절실하다. 또한 미생물과 식물 간 상호작용의 기작을 연구하는 연구수단 으로 미생물 유전체 염기서열 해석과 유전 체간 유전정보 비교, 기능 유전체 분석 등

표2. 국내 주요 생물비료의 주요 기능 및 관련 미생물 기능

를 거둘 수 있는 경쟁력 있는 새로운 미생

작용기작

관련 미생물

토양입단화

Azotobactor, Bacillus, Clostridium, Trichoderma

중금속 불활성화

Rhizobium

항생물질분비

Bacillus, Pseudomonas, Trichoderma, 균근균

의 유전체학적 연구방법이 필요하다.

⊙ 국외 연구동향 BCC Research에서 전 세계 미생물

살충성단백질생성

Streptomyces, Xanthomonas

제품 시장을 조사한 결과, 2012년 미생

유기물분해합성

Bacillus, Clostridium,Pseudomonas, Streptomyces

물 및 미생물제품 시장은 1,170억 달러

난분해성유기물분해

Thermus

수준이었으며, 2013년에는 1,340억 달

인용해작용

Aspergillus, Bacillus, Streptomyces

대기질소고정

Azospirillum, Rhizobium

착화합물생성

Pseudomonas, 광합성 세균

호르몬분비

Fusarium

잡초병원성균의 대사

Dendryphiella, Epicoccosorus

러로 12.6% 증가하였으며, 2018년에는 1,790억 달러로 5년간의 연평균 성장률 (CAGR)이 6%에 이를 것으로 전망된다. 이 중에서 세계 미생물비료 시장은

iMAF_2016 Vol. 1

| 031

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

표3. 세계 미생물비료 시장 규모

(단위 : 백만달러)

있으며, 현재 VA균근균 자재가 지정되어

Segment

2010

2011

2016

CAGR (%)

Bacterial fertilizers

920

980

1,165

3.5

중국의 경우 2012년 친환경비료의 매출

Fungal products

180

210

315

8.4

액은 전체 비료 매출액의 7%인 595억 위

Total

1,100

1,190

1,480

4.5

있다.

안에 불과하였으나, 친환경비료에 대한 관심이 증가하고 있고 생물비료 산업에

2011년 기준 12억 달러 수준이었으나, 연평균성장률이

대해 현재 중국 정부가 적극적으로 지원을 하고 있어 전

4.5%인 것을 고려하면 2016년에는 약 15억 달러에 달

략적 지원사업으로 인해 2015년 매출액은 900억 위안,

할 것으로 전망된다(표 3).

2020년에는 1,400억 위안으로 향후 5~10년 이내에 친

전 세계적으로 화학비료를 대체할 수 있는 생물비

환경비료의 비중이 15%를 차지할 것으로 전망된다.

료 개발에 중요성을 두고 있으며, 주요 미생물제제로

말레이시아는 생물비료 및 유기질뵤 시장은 미미한

는 Azospirrilum sp., Azoarcus sp., Azotobactor

수준이나 녹비와 야자 퇴비 등 유기질 비료를 생산하고

sp., Bacillus sp., Burkholderia sp., Cyanobacteria

친환경 농업에 대한 관심이 증가함에 따라 근류균, 내생

sp., Herbaspirrilum sp., Rhizobium sp. 등을 이용

균근과 같은 미생물비료 연구가 진행되고 있다.

한 제제로 토양 미생물의 종류 대비 이용효율이 5% 미

인도는 Azotobactor (곡류, 유류종자, 채소),

만인 실정으로 우수 균주의 지속적인 탐색이 수행되어

Mycorrhizae(이식용 식물), 인산가용화균 및 근류균

야 한다. Grand view research에서 2012년에 조사한

(두과작물) 등 생물비료 연구가 활발히 진행 중에 있다.

자료에 의하면 세계적으로 판매되고 있는 생물비료 제

베트남과 태국 또한 생물비료 개발에 관한 연구가 활

품은 질소고정 생물비료(77.4%), 인산가용화 생물비료

발히 진행 중에 있는데 베트남은 생물비료에 대한 연구

(14.6%)의 형태로 나타났다.

가 1982년부터 수행되고 있으며, 10개 이상의 연구기관

세계 각국의 생물비료 현황을 살펴보면, 먼저 미국

및 대학에서 두과작물용 근류균제 생산기술, 비두과 작

의 경우 친환경 비료를 사용하는 농업인들이 늘고 있으

물용 질소고정 접종제, 농업 및 임업 혼합용 생물비료

며, 대량생산 및 대규모 농장, 협동조합, 전진농업기술

개발 등과 같은 연구가 진행 중에 있다.

에 중점을 두어 생물비료 수요 증가 및 북미 시장 범위

태국은 작물생산성 증대, 생산비 절감, 품질향상, 지속

가 확장됨에 따라 2018년 생물비료 시장 수익은 약 2억

농업개발, 유기농업개발과 관련된 생물공학 연구 분야에

560만 달러로 전망되고 있다.

서 생물비료가 중요한 부분을 차지하고 있으며 근류균,

일본은 recycling에 의한 유기질, 베토·토양개량제 비료시장이 활성화되어 있으며, 생물비료에 대한 연구

질소고정균, 아졸라, 남조류 및 Mycorrhizae 등을 이용 한 생물비료 개발 연구가 활발히 진행 중에 있다.

가 활발히 진행되고 있고 토양미생물제제를 지력증진법

해외 미생물 유전체 연구기관과 투자 현황을 살펴보

에 의한 토양개량자재로서 품질표시를 규정하도록 하고

면 미국은 에너지성(DOE), ONR, NIDCR, DARPA,

032 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 생물비료

NSF, NIAID, OBER, USDA, 국립보건원(NIH)으로 가

는 유전체를 분석하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

장 다양하며, 한 해의 국가 총 연구개발투자비의 21.5% 에 해당하는 178억 달러를 NHGRI와 NCI 등 16개 기관 을 지휘하고 있는 NIH에 투입한 바 있다.

⊙ 향후전망 현재 시판 중인 미생물제제의 경우 효과 대비 높은 가

유럽연합의 경우 European & Canadian Consortium

격, 품질 및 효능의 불확실성, 보관 및 저장기간에 따

에서 공동으로 지원하고, 독일의 Ministry of Lower

른 효과 감소, 사용방법과 과정에 대한 변수 및 정보부

Saxony, BYK Gulden, BMBF, FASF, 네덜란드 NWO,

족 등으로 인한 농가의 불신을 초래하고 이에 따른 미생

벨기에 Region Wallonne, 스웨덴 SSF 등에서도 미생물

물제제 연구개발 및 제품생산에 있어 미생물 신소재 개

유전체 연구를 적극 지원하고 있다. 그 밖에 브라질에서

발 기술이 필요한 실정이다. 또한 다양한 서식지에 분

는 FAPESP에서, 아시아는 일본 NITE과 중국 CNCBD,

포하는 미생물에 대한 다양성 연구 및 자원 확보가 필요

Chinese Ministry of Public Health 등에서 국가적으로

하며, 단백질 및 유전체에 기반한 미생물에 대한 다양한

미생물 유전체 연구를 지원하고 있다.

특성 평가가 필요하다.

국외에서는 이미 미생물 유전체 분석에 대한 연구가

이를 해결하기 위해서는 저비용의 미생물제제를 보급

활발히 진행되고 있다. 미생물 군집의 분석은 형태학적

할 수 있는 경제적인 미생물제제 개발 기술을 확립하고

으로 확인하거나 수를 측정하기 어려울 뿐만 아니라 분

새로운 미생물 선발 및 효능, 효과에 대한 명확한 메커

류군의 대부분이 명확한 특징을 보이지 않기 때문에 유

니즘을 분석할 수 있는 연구가 필요하며, 특허 출원 및

전체 분석 기술과 같은 분자 시퀀스 데이터를 이용한다.

품질 인증을 통해 미생물제제의 안정성과 효능 입증을

미생물 DNA의 유전체 분석은 다양한 식물과 토양 샘플

통해 농가의 신뢰를 회복해야 한다.

로부터 미생물 군집의 DNA를 추출하여, 차세대 염기서

이러한 관점에서 유전체 기반 미생물 자원 염기서열

열 분석(next generation sequencing, NGS) 기술을

분석 및 DB 구축 확대를 추진하기 위해 특허 미생물을

이용하여 다양한 환경에 서식하는 세균 및 미생물의 유

포함하는 농업용 유용 미생물자원(식물병 방제 미생물,

전체를 분석하는데 주로 사용되고 있으며, 최근에는 식

식물생장촉진 미생물, 미생물비료 등)의 유전체 연구는

물과 토양에서 분리한 식물생장촉진 미생물의 유전체

미생물의 유전체 구조 및 작용기작을 규명하는데 유용

분석 연구에도 이용되어 식물과 미생물의 상호 메카니

한 분석 방법이라고 할 수 있다.

즘에 관여하는 유전적 특성을 확인하는데 매우 중요한 역할을 하고 있다.

유전체 연구를 통해 우수한 신규 미생물자원을 확보 한다면 다양한 환경에 적합한 생물비료를 개발하고 생

최근에는 indole-3-acetic acid(IAA) 생합성,

물비료의 성능 및 안전성을 입증하여 친환경적인 작물

acetoin 합성, siderophore 생산과 같이 식물의 생장

생산기술의 확립함으로써 작물의 생산성을 증대시키고

촉진에 관여하는 유전체뿐만 아니라 이차 대사과정에서

나아가 농가의 신뢰를 회복할 수 있을 것으로 기대된

non-ribosomal의 합성 및 식물의 환경적응에 관여하

다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 033

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

조기성과 창출 |

사료첨가제 유전체공학을 통한 가축 생산성 증진용 항균활성 / 안전성 우수 사료첨가 생균제의 개발 및 생산 최적화 연구

생물연구실은 서울대학교 실험목장 과 함께 고기능·고품질 유가공 제 품 생산 기술 개발, 미생물의 분리 동정 및 기능성 연구를 통한 프로 바이오틱스 기능성 식품 개발, 미생 물 발효를 통한 발효 식품 산업화 연구, 항균활성 우수 균주를 이용한 구강 내 건강 개선 연구 등 다양한 주제의 연구를 수행 ‘유전체공학을 통한 가축 생산 성 증진용 항균활성/안정성 우

✚ 주관 : 서울대학교 유가공학 및 낙농미생물 연구실

수 사료첨가 생균제의 개발 및 생산 최적화 연구’ 의 총 괄 책임을 맡고 있는 허철성 교수팀의 과제 연구 목표는

⊙연 구진 및 연구내용 서울대학교 국제농업기술대학원의 유가공학 및 낙농미

‘사료첨가제용 미생물 최적 생산시스템 개발’과 ‘제품 내 미생물의 안정성 최적화’ 기술을 개발하는 것이다. 협동 (1) 연구팀으로부터 항균활성이 우수한 균주를 제공받 아, 실험실 단위에서 검증한 최적 조건 및 공정 실험 노 하우를 협동(2) 연구팀에 제공하는 등 공동연구진과 긴 밀한 협조를 하는 한편 정기적으로 협의회를 개최하여 연구 내용의 방향과 사업화 성과 달성을 위한 노력을 기 울이고 있다.

왼쪽부터 연구책임자 허철성 교수, 홍도선 연구원, 김승일 연구원, 이수노 연구원, 여소영 연구원, 이혜원 연구원

034 | 미생물유전체전략연구사업단

⊙ 1차년도 연구추진 1차년도 연구를 수행하면서 달성한 성과는 미생물 생

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 사료첨가제

산 배지 1건 개발, 미생물 growth factor 3종 확보, 학

동결건조 방법은 미생물을 효과적으로 장기 보존할

술 발표 1건이 있다. 미생물 생산 배지는 제 2협동에서

수 있는 방법으로, 동결건조 과정 및 동결보호제의 종

제공한 배지조성을 기반으로 탄소, 질소원 및 growth

류에 따라 미생물의 대사활성 및 생존성에 영향을 미친

factor에 대한 최적 조건을 반응표면분석법(RSM,

다. 따라서 산업적으로 미생물의 분말 안정성을 확보하

Response surface methodology)으로 도출하였고, 이

기 위하여, 연구진들은 기존에 알려진 다양한 동결보호

는 상업적으로 판매되는 통상적 배지인 MRS(de Man-

제(cryoprotective additives, CPAs)를 초기 선발하고,

Rogosa-Sharp) 대비 생산성이 더 우수한 것으로 관찰

실험 미생물에 적합한 보호제 선발을 위해 다양한 기법

되었다. 또한 천연물 소재들을 활용하여, 미생물의 생장

들을 도입하여 검증해나가는 과정에 있다.

을 증가시키는 소재를 선발하고, 최적 배합비를 반응표 면분석법을 통해 도출하였다. 사료첨가제로 사용가능한 미생물의 기능성 및 그에

✚협 동(1) : 강원대학교 동물생명과학대학의 미생 물 디자인 연구실

기반한 선발과정은 제 1, 2협동 연구팀에서 제공되었 고, 산업화를 위해 배양 증진의 기술 개발은 제 1세부가

⊙ 연구진 및 연구내용

진행하여 달성한 결과이다. 이러한 결과는 최근 특허로

기존 미생물 균주 육종 및 유전체 분석, 항균활성/안정

출원(출원 번호: 10-2016-0003458)이 완료되었고, 특

성이 우수한 신규 미생물 균주 확보 및 유전체 분석, 사양

허 등록 과정이 진행 중에 있다.

실험 및 가축의 장내 미생물 지도 확립 및 기능성 미생물 의 분리와 같은 3가지 연구로 크게 나누어 수행 중

⊙2 차년도 연구추진 2차년도 연구내용으로는, 미생물의 생산성 향상을 위

강원대학교 동물생명과학대학의 미생물 디자인 연

한 공정최적화 조건을 확립하고, 미생물 생존율 증진

구실 소속의 연구팀은 과제 책임자인 김은배 교수와

동결보호제 3종을 개발하는 것으로 현재 수행 중에 있

1명의 테크니션과 5명의 학/석/박사 과정 학생 등 7명

다. 1차년도 결과로 확보된 미생물 최적화 생산 배지

으로 구성되어 있으며 ‘안정성/기능성 확보된 사료첨

조성을 기반으로 bioreactor에서 continuous batch

가 미생물 자원 및 유전체 확보’라는 과제 목표 달성을

culture로 생산을 수행하고 중화제별 생존율을 측정하

위해 연구를 수행하고 있다. 연구팀은 wet lab과 dry

여 배양 최적 조건을 잡는 연구를 준비 중에 있다.

lab의 기능을 모두 수행할 수 있도록 구성되어, 미생물

iMAF_2016 Vol. 1

| 035

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

유전체 분석, 항균활성/안정성이 우수한 신규 미생물 균 주 확보 및 유전체 분석, 사양실험 및 가축의 장내미생 물 지도 확립 및 기능성 미생물의 분리와 같은 3가지 연 구로 크게 나누어 수행 중이다. 기존 미생물 균주 육종 및 유전체 분석의 경우 본 단위과제의 제 2협동과제를 수행 중인 CTC바이오에서 사용하고 있는 생균제 균주 (Lactobacillu reuteri )를 활용하여 안정성이 증진된 균 주를 확보하기 위한 연구를 진행 중이다. UV mutation 왼쪽 위 시계방향으로 연구책임자 김은배 교수, 전영실 연구원, 한건구 연구원, 이준영 연구원, 정우빈 연구원, 박종빈 연구원, 진귀득 연구원

과 같은 돌연변이 유도 기법과 함께 안정성 테스트를 반 복적으로 수행하여 무작위적 돌연변이가 안정성 증진을

sampling부터 분리동정, 기능성 평가와 함께 유전체 및 미생물 군집 분석도 함께 수행하고 있다.

유도할 수 있도록 실험을 진행하고 있다. 항균활성/안정성이 우수한 신규 미생물 균주 확 보 및 유전체 분석 분야의 경우 현재 3종의 박테리아

⊙ 1 차년도 연구추진

(Lactobacillus salivarius, Lactobacillus reuteri,

1차년도 연구를 수행하면서 달성한 성과는 전략미

Enterococcus faecium )에 초점을 맞추어 연구를 수

생물 해독 및 NCBI 등록 10건, NABIC 등록 5건, 메

행 중이다. 현재 축산업계에 큰 피해를 입히고 있는 병

타지놈 분석 1건, 학술발표 4건이 있다. NCBI에 등록

원균들에 대한 항균활성 능력을 평가하였으며, 이 결과

된 유전체는 한국 전통 음식에서 분리한 Enterococcus

를 바탕으로 항균활성 우수 및 저조 균주를 모두 선발하

faecium 10균주로 분리 host에 따른 유전체 차이를

였다. 선발된 균주들은 유전체 분석을 위하여 genome

비교분석하고 있으며, NABIC에 등록된 유전체 5건

sequencing을 실시할 예정이다. 사양실험 및 가축의 장

은 Lactobacillus plantarum 2균주 및 Salmonella

내미생물 지도 확립 및 기능성 미생물의 분리 분야에서

enterica 3균주의 유전체 서열을 분석하였다

는 1차년도에 산란계를 대상으로 한 실험 기법 정립 및

(Salmonella enterica 유전체 분석의 경우 같은 사업단

돼지 장내미생물 지도 확보를 완료하였으며, 현재 송아

내의 손지수 박사 연구팀(Intron Biotechnology)과의

지 장내미생물 지도 확보를 위해 연구를 진행 중이다.

협업으로 달성한 성과임). 또한 4건의 국제 및 국내 학 술발표를 달성하였으며, 최근에는 논문 1편이 Current

✚ 협동(2) : ㈜CTC바이오

Microbiology 저널(SCI)에 online publish 되었다.

⊙ 연구진 및 연구내용 ⊙2 차년도 연구추진 진행 중인 연구 내용으로는 기존 미생물 균주 육종 및

036 | 미생물유전체전략연구사업단

신규균주와 개선균주 평가, 대량생산 조건 확립, 시제 품 생산 및 제품화를 수행

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 사료첨가제

㈜CTC바이오 연구소 소속의 10명(책임급 2명, 연구원 급 8명)으로 구성되어 있는 연구팀은 ‘사료첨가 미생물

공정개발 및 가축생산현장에서 효율적으로 사용하기 위 한 제품화를 수행하고 있다.

대량생산 조건 확립 및 시제품 생산’이라는 과제 목표를 달성하기 위해 주관기관인 서울대와 제 1협동기관인 강 원대 연구팀과 유기적인 협력연구를 진행하고 있다.

관련 연구동향 ⊙ 생균제 연구 개요 2011년 7월 동물사료첨가용 항생제 사용이 전면 금지 되었다. 항생제는 그동안 축산분야에서 가축 질병 예방 과 생산성 증진을 위해 오랜 기간 사용해왔다. 항생제 사용이 전면 금지되면서, 축산 농가는 항생제 대체 소재 를 요구하고 있다. 이러한 대안으로 생각되는 소재 중 에 유산균을 포함한 생균제(probiotics)가 각광을 받고

㈜CTC바이오 연구진

있다. 가축 질병을 해결하기 위해서, 농장 방역을 철저 히 하고 가축을 사랑으로 돌보는 기본적인 방법 이외에

⊙ 1 차년도 연구추진

도, 가축의 면역력을 높임으로써 감염성 질병에 대비하

1차년도에는 내산성과 내담즙성이 우수하지만 보관안

는 방법도 있다. 이러한 방법으로 다양한 사료 첨가제들

정성이 개선되어야 할 루테리유산균(L. reuteri) 을 2차

이 사용되고 있으며, 이 중에서도 유산균과 같은 생균제

년도 개선균주로 선정하였고 항균력이 탁월한 신규균주

가 주목을 받고 있다.

2종(L. salivarius )을 생균제로서 상용화 가능한 대량생 산조건을 확립하였다. 향후 사료첨가용 미생물 시제품 2건과 제품화 1건을 계획하고 있다.

⊙ 국내 생균제 연구동향 국내 생균제 시장은 인체용과 가축용으로 크게 나눌 수 있다. 그 중에서 가축용으로 사용되는 미생물에는

⊙ 2차년도 연구추진

표 와 같은 종(species)이 있다. 이들 생균제들은 사료

미생물 균주를 산업적으로 이용하기 위해서는 대량

에 첨가하는 보조사료로서 포장지에는 주요 균주의 명

생산공정을 최적화함으로써, 경제적·기술적 허들을 넘

칭과 생균수 최소량을 표시하게 되어 있다. 생균수는 최

어 경쟁력 있는 사료첨가용 미생물 생산이 필요하다. 제

소 106 CFU/g 이상이 있어야 한다. 단위는 CFU/g 또

1협동 연구팀에서 개발된 균주를 활용하여 수입대체 가

는 PFU/g(박테리오파지)으로 표시한다. 유효성분별 함

능한 대량생산시스템을 구축하고 미생물 제조공정과 유

량 표시 방법으로는 생균제, 유익곰팡이, 효모제에 대하

통과정에서 문제가 되고 있는 안정성을 극복하기 위한

여 ○○×10n CFU/㎏라고 표기한다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 037

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

표. 국내에서 시판 가능한 미생물 구 분 유익균

Lactobacillus

포함되는 미생물 락토바실러스 락티스, 락토바실러스 루테리, 락토바실러스 불가리쿠스, 락토바실러스 브레비스, 락토바실러스 살리바리우스, 락토바실러스 애시도필러스, 락토바실러스 카제이, 락토바실러스커바투스, 락토바실러스 크리스파투스, 락토바실러스 파라카제, 락토바실러스 퍼멘텀, 락토바실러스 페롤렌스, 락토바실러스 프란타럼, 락토바실러스 헬베티쿠스

유익균 Bacillus

바실러스 렌투스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스,바실러스 세레우스(도요이에 한함), 바실러스 코아글란스, 바실러스 클라우즈, 바실러스 폴리프멘티쿠스, 바실러스 푸밀루스

유익균 Bifidobacterium

비피도박테리움 통검, 비피도박테리움 비피덤, 비피도박테리움 서모필럼, 비피도박테리움 인판티스

유익균 기타

로돕슈도모나스 캡슐레이타, 모나스커스 퍼퓨리어스, 엔테로코커스 락티스, 엔테로코커스 써모필러스, 엔테로코커스 훼시엄, 클로스트리듐 브티리컴, 페디오코커스 세레비지아, 페디오코커스 애시디락티시, 페디오코커스 펜토사세우스

유익곰팡이

아스퍼질러스 나이거, 아스퍼질러스 오리제

유익효모

맥주효모, 양조효모, 잔토필로마이세스 덴드로하우스, 제빵효모, 조사건조효모, 토룰라효모, 피키아 파리노사, 효모배양물

박테리오파지 Bacteriophage

살모넬라 갈리나룸 박테리오파지, 살모넬라 엔터라이티디스 박테리오파지, 살모넬라 티피뮤리움 박테리오파지, 클로스트리디움 퍼프린젠스 박테리오파지

2007년 국내 생균제 시장 규모는 약 1조 2천억 정도

이나 암 예방 및 치료 분야에서 생균제의 유익한 효과

이고, 그 중에서 유산균 음료가 1조 1천억 원, 의약품이

또는 역할이 점차 과학적으로 검증되어가고 있으며, 앞

약 500~600억 원, 건강기능식품이 100억 원대를 차지

으로 이러한 시장이 생균제 시장에서 중요하게 부각될

하고 있다. 2010년에는, 국내 사료첨가용 생균제 시장

것으로 판단된다. 돼지 연구 논문 중에서, 항생제에 대

규모가 약 500억 원으로 추정되었다(농림축산식품부,

한 연구는 주춤한 반면, 생균제와 박테리오파지에 대한

보도자료 2010.06.16). 국내 사료용 생균제 업체에는

연구는 증가하고 있는 추세에 있으며, 시퀀싱 기술의 발

㈜CTC바이오, ㈜진바이오텍과 같은 대규모 업체와 다

달로 metagenome이나 microbiota 연구가 최근들어

수의 중·소규모 업체가 있으며, 이외에도 농협과 지자

증가 추세에 있다.

체에서 생균제를 생산하여 농가에 보급하고 있다.

2005~2014년 “pig AND probiotic” 키워드로 검색 된 356편의 논문을 대상으로 키워드 분석을 실시한 결

⊙ 해외 생균제 연구 동향

과, ‘piglet’(자돈) 및 ‘wean’(이유)와 관련된 논문이 각

Probiotic 연구 논문 편수는 90년 이후로 증가세에

각 181편(50.84%)과 이었고, 94편(26.4%)인데 반해,

있으며, 주로 돼지보다는 사람 관련 연구가 훨씬 많이

‘adult’(성체)와 관련된 논문은 겨우 7편(1.97%)에 불과

되고 있다. 2012~2014년 사이에 출판된 probiotic 연

하였다. 따라서, 양돈 생균제 연구 분야에서는 주로 이

구 논문은 4,771편인데, 이중에서 2.9%가 돼지 관련 연

유시기를 전후에 있는 자돈에 대한 연구가 주로 이루어

구이며, 56.5%가 사람 관련 연구이다. 따라서, 뇌 건강

지고 있음을 알 수 있다. 또한 ‘pathogen’(병원균)에 대

038 | 미생물유전체전략연구사업단

생생연구현장 2016

조기성과 창출 _ 사료첨가제

한 연구 논문이 99편(27.81%), ‘antimicrobial’(항균성)

미생물의 유전적 특성을 파악하는 연구가 증가세에 있

관련 연구 논문이 80편(22.47%)로 돼지 생균제 연구에

다. 2012년부터 2014년까지 연구된 probiotic 연구 논

서 병원성 미생물 제어가 중요한 테마로 연구되고 있음

문 중에서 약 9.2%(440편)에 해당되는 연구가 유전체

을 알 수 있다.

관련 연구였다. 이와 더불어, NCBI에 등록된 미생물

356편의 돼지 생균제 연구 논문에서 언급된 주요 미

Complete Genome과 Draft Genome의 수도 점차 증

생물 그룹 중에서 Lactobacillus 는 164편(46.07%),

가세에 있다. 유전체 연구를 통해 앞으로 유용한 특성과

Escherichia 는 90편(25.28%), Enterococcus 는

연관성이 있는 유전자를 확보한다면, 우수한 미생물을

51편(14.33%), Bifidobacterium 은 42%(11.8%),

신속하게 검출할 수 있을 것으로 판단된다.

Salmonella 는 37편(10.39%), virus는 27편(7.58%), Lactococcus 는 8편(2.25%), Streptococcus 는 8편

⊙ 향후 전망

(2.25%), Listeria 는 6편(1.69%)의 연구 논문에서 다

앞서 분석된 연구동향 분석 결과를 보면, 여전히 양돈

루고 있다. 실제로 축산분야에서 Lactobacillus 가 많

농가에서는 자돈 관리의 중요성이 높다. 특히 대장균,

이 사용되고 Enterococcus 와 Bifidobacterium 이 적

살모넬라, 바이러스와 같은 감염성 질병에 노출된 자돈

게 사용되는 것과 비슷한 경향이 있다. Escherichia

을 얼마나 잘 관리하느냐에 따라, 양돈 농장의 생산성

중에는 Escherichia coli Nissle1917(15편, 4.21%)이

과 수익에 큰 영향을 미친다. 주목할 점은 E. faecium

포함되며 이들을 제외하더라도, 병원성 Escherichia

과 L. plantarum, L. rhamnosus, L. reuteri, L.

에 대한 연구가 양돈분야에서 상당히 중요하게 취급되

salivarius 가 양돈 분야에서 많은 관심을 받고 있다는

는 것으로 판단된다. 박테리아의 경우 종(species) 수

점이다.

준에서 주로 연구가 많이 되고 있는 미생물도 조사를

이들은 사료공정서에도 등록되어 있는 생균제 미생물

하였다. Prokaryotic Nomenclature Up-to-Date

로서, 향후 이러한 종을 이용한 생균제를 양돈분야에서

에 포함된 Prokaryote 13,734 종에 대하여 조사한 결

활용하는 연구가 앞으로도 활발히 진행될 것으로 본다.

과, 356편의 논문 중에 96종의 Prokaryote들이 발견

단순히 체중을 늘려 생산성을 높이는 연구를 떠나, 이제

되었고, 이 중에서 연구가 많이 진행된 종에는 E. coli,

는 동물 복지에도 관심을 가질 필요가 있다. 장 내 미생

Enterococcus faecium, Lactobacillus plantarum,

물이 brain에 영향을 준다는 논문들이 최근 많이 발표

Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus reuteri,

되고 있고, 특히 생균제와 brain과의 관계를 규명하는

Lactobacillus salivarius 등이 있다.

연구들이 점점 늘어나고 있는 추세이므로, 앞으로는 가

probiotic 분야에서 유전체 연구가 활발히 진행되고

축의 스트레스를 저감할 수 있는 생균제 개발을 통해 농

있다. 최근에 sequencing 기술이 발전함에 따라, 단

가 생산성 증진과 축산물 품질 개선이 가능할 것으로 보

순히 미생물의 동정이나 특성 파악을 떠나, 우수한 균

인다. 향후, 유전체 연구가 이러한 다양한 접근 방법에

과 그렇지 않은 균의 유전체적 차이점을 규명함으로써,

효율적인 도구로서 활용될 것으로 전망된다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 039

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

연구역량 강화 |

메타유전체 농축산식품 환경 미생물의 메타유전체 정보 분석

✚ 주관 : 경제동물의 메타유전체 정보분석

최근에는 next generation sequencing 시스템 을 이용한 대용량 환경 유전자 분석(메타지노믹스;

⊙연 구진 : 경희대학교 미생물생태학연구실

metagenomics)의 적용과 더불어 실험동물모델을 이용 한 host-gut microbiota interaction 이해를 목적으로 연구 중이다.

⊙ 1차년도 연구추진 1차년도에는 메타지놈 분석 1건, NABIC 등록 1건 (NN-1817), 인력양성 3건(박사취득 1명, 학사취득 2명), 학술 발표 3건, 논문게재 2건을 주요 성과로 등록 연구책임자 배진우 교수

미생물생태학연구실 연구팀

하였다. - 메타지놈 분석: Honey bee fungal community 분석

⊙연 구내용

- 논 문게재1: Complete genome sequence of

대용량 염기서열 분석 기법을 기반으로, 경제 동물인

Haloarcula sp. CBA1115 isolated from non-

꿀벌과 한우를 대상으로 장내 미생물 군집 분석을 수행

purified solar salts. Marine Genomics. 2015.4.4.

하여, host의 fitness에 따른 장내 미생물 군집 변화에 기

IF 1.792.

인한 host-gut microbe interaction을 예측하는 연구를 수행

- 논문게재2: Genomic and phenotypic analyses of

Carnobacterium jeotgali strain MS3T, a lactate producing candidate biopreservative bacterium

미생물생태학연구실은 동물 및 인간의 장내 등 지구 상에 존재하는 다양한 미생물의 환경과학적 응용, 생태

isolated from salt-fermented shrimp. FEMS Microbiology Letters. 2015.4.13. IF 2.121.

및 분류를 주제로 연구하고 있다. 이와 더불어 지구상의

- 학 술발표1: Arthrobacter echini sp. nov.,

미생물 자원을 보다 다양하게 확보하기 위해 특정 환경

isolated from the Purple Sea Urchin(Heliocidaris

에서 신규 미생물을 분리하고, 분리된 신규 미생물에 대

crassispina )

한 분류학적 연구(명명/동정/분류)를 수행하고 있다.

040 | 미생물유전체전략연구사업단

- 학술발표2: Bizionia fulviae sp. nov., a novel

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 메타유전체

bacterium isolated from the gut of an egg cockle

Fulvia mutica

름은 가축의 미생물의 군집 조성에 관여하는 숙주 요인

- 학 술발표3: A novel betaproteobacterium,

Comamonas piscis

경제 동물 위장관 내 미생물 군집 연구의 세계적 흐

CN1T,

Isolated from the gut of

a Korean rockfish Sebastes schlegelii

(예: 면역, 유전, 호르몬 등), 환경적 요인(예: 식이 및 사양 조건) 및 미생물 간 상호작용 등을 근본적으로 이 해하는 단계로 볼 수 있다. 국내 축산업에서 소와 돼지 등의 경제 동물은 비육 전

⊙2 차년도 연구추진

거세를 하는 경우가 많은데 고기에서 비릿한 수컷의 냄

과제의 주제인 꿀벌의 유용 미생물 후보를 발굴하기

새를 없애고 육질을 부드럽게 하며 근내 지방량(마블링)

위해 첫 번째로 꿀벌의 장내 미생물 군집 분석을 대용량

증가에 도움이 되기에 거세를 하는 것으로 여겨지지만

염기서열 분석방법인 pyrosequencing을 통해 박테리

아직 관련된 정확한 메커니즘이 밝혀진 바 없다.

아 및 진균의 구성미생물을 확인하였다.

최근 설치류 모델을 이용하여 발표된 연구에 따르면

두 set은 꿀벌 군집 내 꿀벌의 역할인 nurse bee와

male 개체를 거세하였을 경우 웅성호르몬(androgen)

forager에 따라 군집의 차이를 보였다. 사회적 역할 및

분비 감소에 따른 장내미생물 군집 조성 변화가 숙주의

활동 반경에 따라 장내 미생물 군집이 바뀌는 것을 예측

대사 작용에 영향을 주는 것으로 보고되었다.

할 수 있었다. 두 번째 시도로 꿀벌 장에서 정착해 살고

이는 경제 동물에서 수컷의 거세를 통해 남성 호르몬

있는 것으로 알려진 장내 미생물을 타겟하여 다양한 배

분비량을 감소시켜 diet induced obesity에 대한 감수

지 조건(TSA+blood 5%, Columbia agar+blood 5%,

성을 높임으로써 가축의 단위 사료 대비 증체량을 증가

BHIA+0.1mg/ml Thiamine hydrochloride, BHIA,

시키는 효과를 기대할 수 있게 하는 연구 결과이므로 거

Mannitol agar, Acetic acid medium, MRSA, LBA)

세 동물과 비 거세 동물의 호르몬 분비량 차이와 장내미

과 장의 부위(foregut, midgut, hindgut)에서 분리를

생물 군집 조성 사이에 관찰되는 상관관계 연구가 수반

시도하였다.

될 경우 경제 동물의 숙주-미생물 간 상호작용을 이해

꿀벌의 장내에 정착해 있는 것으로 알려진 장내미

하는데 도움을 줄 것이다.

생물 8종 중 6종을 획득하였고, 이 분리균주들은 향

이를 규명하기 위해 본 연구팀은 충남 아산, 둔포(한

후 꿀벌에 단일 접종하여 꿀벌 숙주에 대한 분리균주의

우 및 젖소)와 경북 의성(한우)에서 거세 수소, 비 거세

fitness effect를 확인하고자 한다.

수소 및 암소를 대상으로 분변 및 혈청 샘플링을 진행

iMAF_2016 Vol. 1

| 041

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

하였으며 채집된 분변 샘플에서 박테리아 유전체를 추

품에서의 주요한 환경의 대사 및 특성을 이해하고 더 나

출하여 대용량염기서열분석 기반 유전체 분석과 더불어

아가 농식품 산업에 활용 가능한 유용성을 분석하는 한

혈청의 웅성호르몬량과의 상관관계 분석을 수행 중에

편, 미생물 유전자 구성 제어 및 기능성 유전자 발굴에

있다.

활용하고자 한다. 본 연구 수행을 위한 과제 참여자들은, 과제 책임자를

✚ 협동 : 농식품 유용미생물의 메타유전체 정보 및 대사네트워크 분석

비롯하여 미생물학, 유전체학, 생태학, 생물정보학 등 관련 분야의 박사급 연구원들 및 전문 연구원들로 구성 되어 있다. 미생물 유전체 및 메타유전체 분석과 관련

⊙연 구진 : 연세대학교 송주연 교수팀

하여 송주연 교수, 곽민정 박사가 연구를 수행 중이고, 생물정보학적 연구 기술 개발과 관련하여 양성우 박사 가 전 메타유전체 분석 및 파이프라인 구축 업무를 맡고 있다.

⊙ 1차년도 연구추진 1차년도 연구에서는 전 메타유전체 분석 대상으로서 농식품과 관련된 주요 소재 및 환경을 선정하고 분석 기 반 마련을 목표로 하였으며, 따라서 특정 환경의 메타유 연세대학교 송주연 교수 연구팀

전체 추출, 전 메타유전체 서열 해독 및 분석을 일차적 으로 수행하였다.

⊙연 구내용

농식품적으로 중요하거나 의미있는 환경을 선정하고

농식품 분야의 중요한 환경 및 농식품적으로 활용 가치

관련 시료를 확보하기 위하여 사업단 내 과제를 수행하

가 높은 환경을 대상으로 환경 내 미생물 군집 구조 분석

고 있는 전문 연구팀들과의 연구 협력을 추진하여 전통

및 전 메타유전체 서열 분석을 수행

발효 식품인 누룩 및 경제 동물인 한우의 장내 환경을 전 메타유전체 분석 대상으로 선정하였다.

송주연 교수팀은 차세대 염기서열 분석기(NGS)를 활

확보된 메타유전체 시료들의 DNA 추출 시험을 통

용하여 농식품 환경 내 미생물 전 메타유전체 서열을 해

해 환경 특성에 따른 추출 방법을 선정한 후, Illumina

독하고 분석함으로써 특정 환경 내 미생물 유전자 구성

sequencing platform을 이용하여 전 메타유전체를 해

을 파악하고 미생물 군집 및 유전자 분포에 따른 대사

독하고, 대용량 염기서열들을 생산하였다. 전 메타유전

경로를 분석을 진행 중이다.

체 염기서열 분석을 위해 서열 조립, 군집 구조 분석,

따라서 이러한 전 메타유전체 서열 분석을 통해 농식

042 | 미생물유전체전략연구사업단

대사 분석을 위한 프로그램 및 데이터베이스를 수집 및

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 메타유전체

시험 후, 이를 기반으로 선정된 시료 및 농식품 원료에

으로 보인다.

따른 세균 및 진균 미생물 군집을 파악하거나, 해독된

본 과제에서는 전년도에 수행한 연구 결과들을 토대

전 메타유전체의 염기서열 조립 및 예측 유전자들을 확

로 메타유전체 분석 시료들을 추가 확보하여 전 메타유

보하는 한편 대사 경로 분석을 수행하였다.

전체 비교 분석을 진행 중에 있다. 전 메타유전체의 분

1차년도 연구 수행을 통해 농식품 관련 주요 환경의

석 방법 및 파이프라인을 정립하는 한편, 시료별 미생물

전 메타유전체 분석을 위한 선행 결과 확보 및 전 메타

유전자 구성 분석 및 오믹스 데이터를 활용하여 대사네

유전체 분석을 위한 기반이 준비되었다.

트워크 분석을 수행함으로써 농식품 환경에서 일어나는 미생물 상호작용 및 대사를 이해하고 미생물 유래의 유

⊙2 차년도 연구추진

전자 자원 발굴을 모색하고자 한다.

전 메타유전체 분석을 위해서는 실험적으로 DNA 추 출 방법이 효율적이어야 하며 이후 대용량 염기서열 해 독 결과 생산, 서열 조립, 정보 추출, 의미 분석 등이 뒤

✚세 부위탁 : 질량분석기기 기반 농업유용미생물 의 메타볼롬 해석

따르게 된다. 최근 NGS에 의해 초고속 염기서열 해독은 가능해졌

⊙ 연구진 : 건국대학교 기능대사체연구실

으나, 짧은 길이의 read들로부터 나온 대용량 염기서열 들의 조립, 재구성 및 분석은 여전히 생물정보학적 기술 로 해결되어야 할 과제로 남아있다. 특히, 다양한 미생물들로 구성된 메타유전체 분석은 데이터의 규모 및 복잡성으로 인해 효율적인 분석 알고 리즘 및 프로그램의 개발이 필요하며 이를 활용할 수 있는 전략이 필요하다. 기존의 Human Microbiome Project, MetaHit, Terragenome 등 국제 consortium

연구책임자 이충환 교수

기능대사체 연구실 연구팀

및 메타유전체 기반의 프로젝트들을 통해 많은 연구 결 과들이 발표되었으나, 환경적 다양성을 포괄할 수 있는 전 메타유전체 분석 기술은 개발 초기 단계에 있다.

⊙ 연구내용 기능대사체 연구실은 LC-MS, UPLC-Q-tof,

식품, 경제동물, 작물, 생육환경 등 농식품 분야

GC-tof-MS를 기반으로 세포 내의 대사물질을 총체

의 환경들을 대상으로 하는 전 메타유전체 분석을 위

적으로 분석 연구하는 생물학의 한 분야인 대사체학

해 sequence assembly, marker gene analysis,

(Metabolomics)에 대해 연구를 하고 있다.

binning 등 현재까지 개발된 분석 기술들을 활용하여

특히 천연물 및 미생물을 이용한 복합 발효물(식품)

효율적인 분석 전략 및 기반을 수립하는 것이 필요할 것

의 대사과정 속에서 생합성되어 생산되는 유기화합물인

iMAF_2016 Vol. 1

| 043

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

2차 대사산물을 대상으로 대사체학 기법을 통해 대사산

용(Bacillus subtillis ) 발효 식품 청국장에서의 마늘 첨

물의 다양성을 확인하고 전체를 이해하고자 하며, 이러

가에 따른 차이를 구분하는 대사산물의 함량 비교 및 항

한 천연물 및 미생물을 이용한 복합 발효물(식품)을 생

산화능 물질 동정 수행 중에 있다.

체에 적용하여 생체내에서의 활성을 내인성대사체로 결 론을 도출하는 연구를 하고 있는 중이다.

대사체학 분야에서는 아직까지 질량분석기기에 기초 한 연구들이 대다수로 진행되고 있으며, 이 중에서 미 생물에 대한 연구는 아직까지 기초연구단계로서 미비

⊙ 1 차년도 연구추진

한 실정이다. 미생물 대사체 연구의 국가별 연구동향을

- 학술발표 2건 : 2015년도 (사)한국응용생명화학회

살펴보면 미국과 영국 등 유럽 국가들을 중심으로 연구

국제학술대회 및 제 104차 정기총회 에서 다음과 같

가 활발히 이루어지고 있으며, 최근 우리나라와 일본 등

은 주제로 학술발표를 수행하였다.

아시아 국가들도 미생물 대사체 분야에 많은 투자를 기

1) Metabolite profiling of three types of garlic

울이고 있으나, 국내의 경우 발효에 대한 역사적, 사회

added cheonggukjang(fermented soybean paste)

적, 과학적 관심에도 불구하고 발효대사체 해석에 대한

and their correlation with bioactivities

연구는 특히 미비한 실정으로 질량분석기기를 기반으로

2) MS-based metabolomic analysis of industrial gochujang (Korean fermented red pepper paste)

한 농업유용미생물의 메타볼롬 해석에 대한 연구의 다 양성이 필요하다.

containing different kinds of raw material

⊙ 2차년도 연구추진

✚협 동위탁 : 메타유전체 및 메타볼롬 종합 정보 분석을 위한 네트워크 파이프라인 구성

최근에는 대사체 연구기법(메타볼로믹스)과 유전체 연구기법(지노믹스)을 혼합하여 오믹스 연구 기법으로

⊙연 구진 : 중앙대학교 시스템미생물생태학 연구실

기능성 식물인 고추의 시기별 변화하는 대사체와 이에 관여하는 트랜스크립톰을 연계하여 연구를 진행하였으 며, 이를 기반으로 기초 및 산업응용분야에 중요한 역할 을 하는 발효미생물 분야에서 미생물의 대사경로 규명 (발효미생물과 환경의 상호작용)을 위하여 오믹스 연구 를 수행하고 있다. 향후 연구로는 [질량분석기기 기반 농업유용미생물의 메타볼롬 해석]으로 미생물 이용(Aspergillus oryzae ) 발효 식품인 쌀과 현미 고추장의 공정별을 구분하는 이 차 대사산물 동정 및 대사산물의 함량 비교와 미생물 이

044 | 미생물유전체전략연구사업단

연구책임자 설우준 교수

시스템미생물생태학 연구실

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 메타유전체

⊙연 구내용

록)을 구축하였다.

시스템미생물생태학 연구실은 중앙대학교 생명공학

또한 경제동물(한우, 한돈, 가금류)이나 주류의 미생

대학 소속으로 지구상에서 가장 작은 생명체인 미생물

물 메타 유전체의 환경, 숙주와의 관계를 추후 연구하기

(Bacteria, Archaea, Fungi)의 생태학을 중점으로 연

위하여 각 분야의 각 분야의 전문가들의 자문을 얻어 메

구하고 있다. 본 연구실에 서는 메타유전체를 기반으

타 데이터 프레임을 구축하였다.

로 한 미생물 생태학의 기초이론, 한 세기(century) 동안 토론 주제인 “Everything is everywhere,

⊙ 2차년도 연구추진

but the environment selects.”와 같은 미생물의

제주도 비자림(천연기념물 374호) 의 비자나무 상층

biogeography, 미생물의 다양성(biodiversity) 등을 포

부토양에서 분리된 보라색을 띠는 박테리아 Massilia

함하여 미생물 생태학을 기반으로 하는 환경보존 및 농

sp. NR 4-1으로부터 고부가 물질(violacein)을 추출,

축산 식품 관련 미생물의 산업화 주제에 대하여 광범위

정제 후 HPLC를 통하여 violacein임을 확인 하였다.

하게 연구하고 있다.

violacein은 antibacterial, antiviral, antitumoral 등 여러가지 활성을 지닌 화학물질로서 현재 연구가 활

⊙ 1차년도 연구추진

발히 진행 중인 고부가 가치 물질이다. Violacein은 주

시스템미생물생태학 연구실에서는 제1협동과제인

로 Chromobacterium violaceum (Dur a n and Menck,

NGS 기반 메타유전체 빅데이터 분석기반 확보 및 분석

2001), Janthionobacterium lividum (Pantanella

파이프라인 구축의 위탁과제로서 메타유전체-미생물

et al., 2007) 등에서 만들어진다고 알려져 있으며,

커뮤니티 분석-메타대사체-메타데이터의 통합적 분석

Massilia sp.는 현재까지 1종만이 보고되어있다. 본 연

파이프라인을 구축하고자 한다. 이를 위하여 사업단 내

구실에서는 토종인 Massilia sp. NR 4-1을 이용하여

메타유전체 대상샘플(한우 등 총괄 사업단 내 모든 샘플

violacein을 합성하는 Massilia sp.의 whole genome

포함)에 대한 표준 메타데이타 목록 및 데이터 취득방법

sequencing을 수행하였다.

등을 설정하고 있다.

PacBio RS II C6 platform을 이용하여 6,361,416

1차년도 연구 미생물의 군집의 메타유전체와 환경

bp의 complete genome을 얻었고, violacein pathway

인자 및 메타볼롬의 네트워크 구조를 이해하기 위

에 필요한 vioA, vioB, vioC, vioD, vioE 다섯개의 유

한 기초작업으로 메타데이터 목록 확보를 수행하였

전자가 모두 존재한다는 것도 알 수 있었다. Massilia

다. Genomic Standard Consortium(GSC)의 MIxS

는 식물 근권을 구성하는 중요 박테리아로 근권 미생물

standard 프레임 워크와 TerraGenome 같은 거대 메

군집 변화에 영향을 주며 이는 식물생장에 영향을 줄 것

타 유전체 분석 Project에서 제안하는 메타 데이터 작성

으로 예상하고 있다. 토종 Massilia sp. NR 4-1이 식

목록을 기반으로 농림축산식품과 관련된 한국형 메타유

물의 생장에 어떠한 영향을 미치며 이때 violacein의 역

전체 샘플의 환경 및 기타사항의 메타 데이터 프레임(목

할 및 기능에 대한 연구가 진행 중이다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 045

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

또한 경제동물 중 한우 장내 미생물 메타지놈 분석을

꿀벌 장내 미생물의 군집 분석 및 장내 미생물 분리 및

진행 중에 PacBio RSⅡ C6와 Illumina MiSeq를 이용

동정, 미생물 지놈 분석, 꿀벌 장내 미생물 접종 연구

하여 얻은 sequences를 사용하여 한우 장내 대표 메타

등 다양한 방법으로 장내 미생물 연구를 시도하고 있으

유전체 조립을 수행하고 있다. 이는 샘플을 장단점이 서

며, 독일의 Elke Genersch나 미국의 Jay Evans연구팀

로 다른 시퀀서를 이용하여 assembly 과정에서 어려움

에서는 virus의 pathogenesis를 집중적으로 연구하고

이 있었던 기존의 방법의 단점을 보완하여 보다 많은 양

있다.

의 정보를 얻어낼 수 있는 메타유전체의 조립을 발전시 킨 방법이다.

여기에 프랑스의 INRA(Institut National de la Recherche Agronomique)에서 honey bee larvae 연

2015년 9월 미국에서 개최된 “Multi-omics for

구의 in vitro 방법 연구가 진행되면서 그 동안 대부분

Microbiomes Conference” 등에서 메타 유전체 분석

in vivo 로만 진행되었던 꿀벌 장내 미생물의 연구가 in

뿐만 아니라 다양한 오믹스 방법을 이용한 마이크로 바

vitro 로 진행할 수 있는 시스템이 점차 구축되고 있는

이옴에 종합적 이해를 향후 10년의 목표로 지향하고 있

현황이다.

다. 모든 결과를 종합적으로 이해할 수 있는 방법론이 최근에 들어 제안 되고 있다.

최근 Nancy Moran 연구팀은 장내 미생물 중 하나인

Frischella perrara 접종을 통해 장내 미생물이 꿀벌의 gut scab phenotype 변화를 유도하는 등 in vitro 연 구방법을 적용하여 꿀벌-미생물 상호작용 연구를 체계

관련 연구동향

적으로 진행 중에 있다. 해외에서 대용량염기서열분석 방법은 소, 돼지, 닭

⊙ 장내 미생물 연구 동향

등의 경제 동물의 위장관 내 미생물 군집 연구에 활

꿀벌의 군집붕괴현상(colony collapse disorder)이

발히 적용되고 있다. 반추 동물의 장관 내 미생물 군

전세계적으로 보고되고 있고, 꿀벌의 건강과 군집붕괴

집 연구는 반추위 미생물 군집 연구와 비교하여 상대

현상 원인을 찾는 연구가 전세계적으로 활발히 일어나

적으로 보고된 논문 수가 많지 않으며 마이크로어레이

고 있는 바, 장내 미생물이 꿀벌의 건강에 미치는 영향

(microarray) 기술을 기반으로 맹장(cecum) 및 결장

에 대한 연구가 조명되고 있다.

(colon)의 미생물 군집이 보고된 바 있다. 2013년에 이

국내에서도 꿀벌의 장내 미생물과 병원균 연구가 진

르러 NGS 기술이 적용되어 Brazilian Nelore steer의

행되고는 있지만 농진청의 원향연 박사 연구팀이 한봉

십이지장(duodenum), 공장(jejunum), 회장(ileum),

과 양봉의 미생물군집을 pyrosequencing으로 비교분

맹장(cecum), 결장(colon), 및 분변(feces)에 존재하는

석한 연구와 그 밖에 꿀벌 병원체의 탐지 연구 정도로

미생물 군집이 규명되었으며, 반추 동물의 장관 내 미생

제한되어 있다.

물 군집은 반추위의 미생물 군집과 상당한 차이를 나타

하지만 국외의 경우, 미국의 Nancy Moran 연구팀은

046 | 미생물유전체전략연구사업단

내는 것으로 보고되었다.

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 메타유전체

하지만 상기 연구의 경우 한 개체의 Brazilian Nelore

하지만 최근 한국식품연구원 임성일 박사팀이 한우의

steer를 대상으로 샘플링이 이뤄졌으므로 반추 동물

증체량 증가를 목적으로 쌀의 부산물인 미강을 원료로

의 장관 내 미생물 군집과 그들의 역할을 포괄적으

미생물을 발효시켜 급여함으로써 한우의 생육을 촉진하

로 이해하기 위해 관련된 후속 연구가 수반되어야 한

여 주목을 받고 있다.

다. 또한, 박테리아의 크리스퍼(Clustered Regularly

개발한 복합미생물 생균제를 급여한 실험군이 생균제

Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR)

를 섭취하지 않은 일반사료 섭취군과 비교하여 사육기

는 박테리오파지 지놈 시퀀스의 일부분이 박테리아의

간이 4개월가량 단축됨이 보고되었으며, 이는 장기적으

지놈 안에 잘 정돈된 형태로 삽입되어 있는 부분이며 박

로 사료비 절감효과에 따른 축산농가의 경제적 어려움

테리오파지의 감염을 피하기 위한 박테리아의 적응면역

을 해소할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 것으로 기대

(acquired immunity)의 한 형태로 알려져 있다.

된다.

최근 연구에서 홀스테인 종의 반추위에서 분리된 박

상기 연구 결과를 바탕으로 고품질 한우 생산을 위해

테리아 14종의 유전체 정보를 분석한 결과 대부분의 박

복합미생물 생균제를 구성하는 각각의 단일미생물이 한

테리아 유전체에서 크리스퍼 관련 시퀀스가 발견되었는

우의 증체량에 미치는 영향을 규명하고, 차세대 염기서

데, 이는 반추위 내에서 박테리아와 박테리오파지가 함

열 분석법으로 축적된 데이터와 미생물의 광범위한 분

께 공진화(co-evolution)하고 있는 증거이므로 박테리

리/동정 기술을 교접하여 숙주의 증체량의 증가 및 감

오파지 군집-박테리아 군집-반추동물 개체의 생리적

소와 연관성을 가지는 미생물을 기능적 측면에서 이해

특성 간 형성되는 3자 관계에 대해 종합적으로 이해할

하려는 후속 연구가 수반되어야 할 것이다.

수 있는 관련 연구가 주목을 받 을 것이다.

⊙ 반추동물 미생물 연구동향 반추 동물 미생물 연구 분야 에서 국내 연구자 그룹에 의해 체계적으로 위장관 내 미생물 군집을 연구하는 분야는 아직 활발하지 않으며, 수행된 대다 수의 연구가 반추 동물의 소화 기관에서 균주를 분리/동정하 여 보고하는 수준에서 머물고 있다.

iMAF_2016 Vol. 1

| 047

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

연구역량 강화 |

참조유전체 농업 유용 진핵 미생물의 참조 유전체 및 오믹스 정보 분석 연구

연구진 / 연구내용 이 과제는 “농용 진핵 미생물의 참조유전체 및 오믹스 정보 분석을 통한 유용 유전자 발굴과 활용기술 개발을 통한 산업화 지원”을 최종 목표로 하고 있으며, 전통 주 류 효모 유전체 및 오믹스 분석 연구를 수행하는 1세부 과제와 전통 주류 사상성 곰팡이 유전체 및 오믹스 분석 연구를 수행하는 1협동 과제로 구성되어 있다. 제 1세부 과제 주관연구팀으로 중앙대학교 생명과학

주관: 중앙대 강현아 교수 연구팀

과 분자시스템 생물학 연구실(책임자: 강현아 교수)과 위탁연구팀으로 테라젠이텍스 바이오(책임자: 홍창표 박사), 제 1협동 주관연구팀으로는 숭실대학교 의생명 시스템 학부 진균학 연구실연구(책임자: 서정아 교수), 공동연구팀으로 이화여자대학교 식품공학과 향미화학 연구실(책임자: 김영석 교수)이 참여하고 있다.

✚ 주관 : 중앙대학교 분자시스템생물학 연구실

세부위탁 : ㈜테라젠이텍스 연구팀

주관과제 책임자인 중앙대학교 강현아 교수의 분자시

체, 단백질체 및 당질체(Glycomics)와 같은 다양한 오

스템생물학(Molecular Systems Biology; MSB) 연구

믹스 분석을 기반으로 생명 현상을 시스템 차원에서 이

실은 본 과제에 참여하고 있는 추진호 박사, 이동욱 석

해하고 이를 활용하는 기술 개발 연구를 지향하고 있다.

사과정 학생외에도 현재 이동직 박사, 문혜연, 오혜지

고등 진핵 생명체 연구의 모델 시스템으로 또한 유용

연구원, 박사과정 유수진, Luu van Trinh, 석사과정

한 산업적 균주로서 활용되고 있는 다양한 효모들을 대

탁은정, 정승연을 포함하여 총 10명이 참여하고 있다.

상으로 확보한 오믹스 정보들을 통합하여 인실리코(in

중앙대 MSB연구실은 효모를 대상으로 유전체, 전사

048 | 미생물유전체전략연구사업단

silico ) 효모 모델을 구축하고 차세대 단백질 의약품 및

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 참조유전체

고부가가치 대사산물을 생산하는 효모 숙주 개발을 궁 극적인 목적으로 연구를 수행하고 있다. 최근에는 인체 감염성 효모까지 그동안 축적한 오믹 스 분석 연구 기반 및 경험을 확장 적용하여 새로운 개 념의 항진균제 및 치료제 개발에 유용한 정보를 확보하 기 위한 기초 연구도 함께 진행하고 있다.

✚ 세부 위탁 : ㈜테라젠이텍스 ㈜테라젠이텍스의 홍창표 박사 연구팀은 본 과제에 직접 참여하고 있는 이길원 박사, 박신기, 박예지 연 구원 등 4명이 참여하고 있다. ㈜테라젠이텍스 바이오 연구소는 최첨단 게놈 해독 기술 및 생명정보 분석 기

숭실대 서정아 교수 연구팀

술을 이용하여 진단과 신약개발을 추진하는 유전체분 석 전문팀으로 최근에 한국인 특이적 위암(2013년), 호 랑이(2013년), 고래(2014년) 등의 유전체 연구 결과들 을 Genome Research, Nature, Nature Genetics, Science 등 우수한 저널에 발표하였고, 그 연구 경험들 을 토대로 다양한 해양동물, 작물, 버섯, 미생물 등의 유전체를 분석하고 있다. 이화여대 김영석 교수 연구팀

✚ 협동 : 숭실대학교 서정아 교수 연구팀 석사과정 Emily Anne Carroll를 포함하여 학부과정 권 협동과제 주관연구책임자인 숭실대학교 서정아 교수

유진, 신민철, 조윤주, 노승혜, 허능강 등 8명이 참여하

의 연구팀은 이 과제에 참여하고 있는 연구원 김민주,

고 있다. 서정아 교수 연구팀의 진균학 연구실은 사상성

iMAF_2016 Vol. 1

| 049

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

곰팡이 연구의 노하우가 축

그림1. 누룩 효모 KJJ81와 KPH12의 유전체 구성 및 시퀀스 비교

적되어 있는 연구팀으로 국 내 전통주 표준화 및 고급화 를 위하여 전통주 당화 사상 성 곰팡이 유전체 정보를 확 보하고 유용 유전자를 발굴 하여 이를 산업화에 활용하 는 기술 개발을 목표로 하고 있다. 협동과제 공동연구 책 임자인

Sequence coverage and similarity between KPH12 and KJJ81 genomes Comparison

Genome coverage(%)

KPH12 vs. KJJ81A

Sequence Similarity(%) 99.11

KPH12 vs. KJJ81B

88.64

KJJ81A vs. KJJ81B

89.04

이화여자대학

교 김영석 교수의 향미화학연구실은 과제 주 수행자

정보를 확보하기 위해 우리나라 전통주 막걸리 양조를

인 석사과정 정지혜, 이나겸 외 연구교수 2명, 연구원

위한 누룩에서 분리 동정된 효모 2종(KJJ81, KPH12)

1명, 박사과정 1명, 석사과정 12명 등 19명이 참여

을 대상으로 대표적인 long-read next generation

하고 있다. 향미화학 연구실은 연구실 내 GC-MS

sequencing(NGS) 방법인 Illumina 사의 TSLR 시퀀싱

3기종, GC-TOF/MS 1 종을 보유하고 있으며, 이를 이

과 Pacific Biosciences 사의 SMRT 시퀀싱을 병행하

용하여 flavor chemistry 및 metabolomics에 관한 연

여 36 Mb 및 18 Mb 크기를 지닌 유전체의 시퀀싱 어셈

구를 주로 수행하고 있다.

블리를 염색체 수준으로 완료하였다.

특히 GC-MS에는 multi purpose sampler(MPS)를

매우 흥미롭게도 누룩 효모 KJJ81는 KPH12와 매우

부착하여 dynamic head space(DHS), headspace(HS),

유사한 효모종과의 하이브리드(interspecies hybrid)로

solid phase micro extraction(SPME), stir bar

서, 이들은 각각 14개, 7개의 염색체를 지니며 하이브리

sorptive extraction(SBSE) 등 다양한 방법으로 휘발성

드 균주인 KJJ81의 경우 각 A, B subgenome은 3번과

성분을 추출할 수 있으며, 자동화된 시스템으로 분석 가

5번 염색체 간의 translocation을 제외하고 거의 완벽

능한 연구 역량을 가지고 있다.

한 synteny를 보이는 7쌍의 염색체 구조를 가지는 것으 로 분석되었다(그림 1). 또한 누룩 효모 KJJ8와 KPH12 유전체의 단백질 코

1차년도 연구추진

딩 유전자를 예측한 결과 각각 12,340, 6,230개의 유 전자가 annotation 되었으며 RNA-Seq 분석을 통해

⊙누 룩 효모 2종에 대한 고품질 참조 유전체 구축 국내 전통주 당화 및 발효에 관여하는 효모의 유전체

050 | 미생물유전체전략연구사업단

98% 이상 발현이 확인한 매우 높은 수준의 참조 유전체 데이터를 구축하였다(표 1).

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 참조유전체

의 누룩유래 곰팡이 유

표1. 누룩 효모 KJJ8와 KPH12 유전체 annotation KPH12 No. of genes

전자원을 확보하였다(그

KHH81 Percentage(%)

No. of genes

Percentage(%)

12,340

림 2). 또한 각 균주마다

Predicted genes

6,230

Annotated

5,570

89.41

11,074

89.74

SwissPROT

4,804

77.11

9,554

77.42

InterPro

5,304

85.14

10,539

85.41

접목한 체계적인 보존방

NCBI NR

5,265

84.51

10,462

84.78

법으로 데이터베이스화

3,996

64.14

7,927

64.23

가 진행 중이다.

KOG

5,273

84.64

10,492

85.02

또한 다양한 환경조

Unannotated

660

10.59

1,266

10.26

건에서 생산된 누룩

고유의 바코드 정보를 입력하여 최신 IT기술을

시료를 수집하여 미

⊙누 룩 진핵 미생물(사상성 진균, 효모)의 유전자

생물 군집 분석, 지역별 누룩시료의 발효 미생물의 분

원 수집 및 대사체 분석

포도 분석을 수행하고 확보한 누룩유래 단일 사상

누룩 시료로부터 전통주 당화·발효 미생물(사상성 진

성 곰팡이 및 효모 균주들에 대한 alpha-amylase,

균, 효모)의 유전자원을 수집하고, 이를 분자 생물학적,

glucoamylase, acid protease등 당화, 발효와 관련 있

형태학적, 생리학적 방법으로 동정하였으며 서울대 등

는 효소 역가를 일부에 대하여 분석하여 우리나라에서

으로부터 확보한 누룩균주를 포함하여 총 600여개 이상

발견되는 가장 흔한 효모 균류는 Saccharomycopsis sp.와 Wickerhamomyces sp.이며, 사상성 진균류로는

그림2. 누룩 유래 효모 및 곰팡이 균주 확보 지역 및 동정 요약

Aspergillus sp., Lichtheimia sp., Penicillium sp. 등이 분 석되었다. 이들은 누룩을 생산 하는 산업계의 환경이나 조건에 따라 분리되는 빈도나 종류가 상이한 것으로 분석 되었다. 또한 분리 동정된 효모 2종 과 곰팡이 1종에 대하여 휘발 성 및 비휘발성 대사체 분석 법을 확립하였다. 이중 휘발 성 대사체 분석으로 특수 성

iMAF_2016 Vol. 1

| 051

Initiative for Microbiomes in Agriculture and Food

분으로 코팅되어 있는 stir bar를 시료에 넣고 일정 시

based extraction을 통해 염색체가 끊어지지 않도록 추

간 동안 일정한 rpm으로 회전시켜 시료 속에 있는 휘

출한 후 특정 제한효소를 처리하여 형광 표지된 염색체

발성 성분들을 흡착시켜 분석하는 stir bar sorptive

절편들의 특징적인 패턴을 고체 매트릭스에서 분석하는

extraction(SBSE)법을 시험하였고, 곰팡이는 ethylene

기술이다.

glycol-silicone(EG-silicone) coated stir bar를, 효

최근 Bionano 사는 제한효소 기반의 optical

모는 polydimethyl siloxane(PDMS) coated stir bar

mapping 기술보다 한 단계 진보된 기술로서 nicking

를 이용하여 대사체 분석법을 확 립하였다. 비휘발성 대사체는 fast

그림3. Irys System(Bionano Inc.)의 optical mapping workflow

(GigaScience 2014, 3;34)

filtration 추출법으로 전 처리 한 후 시료를 유도체화시켜 GCTOF/MS를 이용하여 대사체 분석 법을 확립하였다.

2차년도 연구추진 ⊙ 염 색 체 수 준 의 d e n o v o assembly를 위한 physical mapping 분석 NGS 시퀀싱 데이터만으로 반복 서열이 많이 존재하는 진핵생물체 의 유전체 경우 contig 조립이 불 가능하거나 부정확하다는 문제점 이 있으며, 이를 해결하기 위해 염 색체 수준에서의 assembly 검증 및 구조 분석을 위한 다양한 physical mapping 기술이 발달하고 있다. 염색체 수준의 구조 분석을 위한 대 표적인 기술로 주목을 받는 optical mapping의 경우 agarose plug

052 | 미생물유전체전략연구사업단

그림4. Irys system을 이용한 KPH12의 유전체 physical mapping. 1~7은 NGS 시퀀싱 데이터 기반으로 조립된 염색체 번호, 원형 번호는 Irys 데이터를 기반으로 조립된 contig 번호

생생연구현장 2016

연구역량 강화 _ 참조유전체

endonuclease을 처리하여 형광표지된 염색체 가닥을

달함에 따라서 주로 원핵미생물을 대상으로 수행되었

nano 수준의 채널에 통과시키는 방식인 nanochannel-

던 유전체 분석 연구가 최근 2000년 후반부터는 점차

based genome mapping technology을 개발하였다(그

로 진핵 미생물 대상으로 확대되어 가고 있다. 지금까

림 3).

지 보고된 효모 및 사상성 곰팡이의 유전체 분석의 대

1세부 연구팀에서는 Illumina 사의 TSLR와 Pacific

부분은 1세대 short-gun 시퀀싱 또는 2세대 short-

biosciences 사의 SMRT의 long-read 시퀀싱 데이터

read NGS 시퀀싱 분석 기술을 사용하여 수행되었으며,

를 기반으로 염색체 수준으로 조립한 결과와 Bionano

long-read 기반의 3세대 기반으로 시퀀싱하여 보고된

사의 Irys system을 이용한 nanochannel-based

진핵 미생물 종은 아직은 소수 종에 불과하다.

physical mapping 기법으로 조립된 contig 결과를 비

국내 유전체 연구에서 진핵 미생물에 대한 유전체 연구

교 분석한 결과, KPH12의 유전체가 정확하게 7개의

는 아직도 매우 미비한 실정이며, 특히 long-read 기반

염색체로 조립되었음을 검증하였으며 더 나아가 NGS

의 3세대 시퀀싱기술로 유전체를 분석한 연구는 원핵 미

sequencing만으로는 정확하게 예측이 되지 않았던 반

생물에 한정되어 있다. 국내외 유전체 연구 현황을 종합

복서열로 존재하는 rDNA cluster 부분에 대한 위치 및

분석해 볼 때 효모 종은 대부분 10~20Mb 내외에서 최

카피 수에 대한 정보를 확보하였다(그림 4).

대 40Mb 정도의 유전체를 가지지만 사상성 곰팡이들은 대부분 30Mb 이상의 유전체를 가지며 식물의 병원균은

⊙ 단일 균주 기반으로 제작된 막걸리의 유기산 함 량 분석

100Mb가 넘는 유전체를 지닌 것으로 보고되어 있다. 이와 같이 효모와 곰팡이의 경우 원핵 미생물과 고등

최근 1협동 연구팀에서는 참조유전체 시퀀싱을 완

진핵 생물체에 비해 중간 크기의 유전체를 지니고 있지

료한 효모 2종을 포함하여 당화력, 단백질 분해 능

만, 진핵생물 유전체가 지니는 다양한 반복서열의 존재,

력이 우수한 균주 8개의 균주(Aspergillus oryzae,

genome duplication, polyploid 등의 복합적인 구조적

Lichtheimia ramosa 등)를 선정하여 막걸리를 제조하

특징으로 인해 short-read NGS 기반의 시퀀싱만을 통

여 관능조사를 실시하고 이화여대 연구팀에서 유기산,

해서는 염색체 수준의 참조 유전체 조립이 어렵고 비효

에탄올 함량 등을 측정하였으며 그 결과 각 균주가 단일

율적임이 지적되고 있다.

균주로도 당화능을 충분히 발휘하여 막걸리 제조가 가 능한 것으로 분석되었다.

따라서 향후 진핵 미생물 대상의 고품질 참조 유전체 구축 연구에서는 최신의 long-read NGS 시퀀싱 분석 기술 및 physical mapping 분석 기술 등 다양한 유전 체 분석 기술을 병행하는 접근 방식이 보다 신속하고 정