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바이오/의료 부틸산 생산 기능을 가진 신 세균군(C세균군)을 인간의 장내 플로라에서 발견

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-02-16 19:04:00
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출처 : https://www.waseda.jp/top/news/69510

 

아직 해명되지 않은 인간의 장내 플로라 분석이 발전할 것으로 기대된다.

 

[발표의 포인트]

 

메타게놈 데이터를 통한 세균군의 추정에 있어, 기계학습 알고리즘(잠재적 디리클레 배분법)에 의한 새로운 분석 방법을 개발

 

최근 건강 유지에 도움을 준다고 하는 부틸산 생산 기능을 갖긴 새로운 세균군(C세균군)을, 인간의 장내 플로라에서 발견

 

국가별 세균군을 비교한 결과, 일본인에게는 C세균군의 양이 많지 않음이 판명됨

 

와세다대학(도쿄도 신주쿠구 : 총장 다나카 아이지) 대학원 첨단 이공학 연구과 후기 박사 과정을 밟고 있는 호소다 시온, 같은 대학 이공학술원의 하마다 미치아키 교수 등의 연구 팀은 해당 대학 이공학술원의 핫토리 마사히라 교수(연구 당시), 도쿄대학(도쿄도 분쿄구 : 총장 고노카미 마코토) 대학원 정보 이공학계 연구과의 후쿠나가 츠카사 교수, 그리고 산종연ㆍ와세다대학 생체 시스템 빅데이터 분석 오픈 이노베이션 연구실(CBBD-OIL; 도쿄도 신주쿠구 : 소장 다케야마 하루코)의 니시지마 스루구 연구원(연구 당시)와의 공동 연구를 통해, 기계학습을 사용하여 3가지 형으로 분류한 인간의 장내 플로러에서, 각각의 형에서 공통되는 세균군을 특정 지었다. 또한 그 세균군을 구성하는 세균이 부틸산을 생산하는 기능을 가지고 있음을 발견했다. 그에 더해 C세균군이라는 이름의 새로운 세균군은 일본인에게는 많지 않다는 사실이 판명되었다. 이 연구 성과를 바탕으로, 신 세균군의 존재량과 질환의 관련 조사를 분석함으로써 인간의 장내 플로라 연구를 더욱 발전시키고, 세균 간 상호작용의 메커니즘을 해명할 수 있을 것으로 기대된다.

 

해당 연구 성과는 2020년 6월 24일(수) 오전 1시(CEST : 일본 시간 6월 24일 오전 8시)에 Springer Nature 그룹의 BioMed Central사가 발간하는 오픈 액세스 과학지 ‘Microbiome’에 공개되었다.

 

 

<지금까지의 연구를 통해 알아낸 것(과학사적ㆍ역사적 배경 등)>

 

최근 차세대 시퀀서 기술이 발전함에 따라 환경 속의 세균을 조사하는 메타게놈 분석이 가능해졌다. 그로 인해 인간의 장내 플로라를 조사하는 연구가 발전되었다. 인간의 장내 플로라 데이터 분석이 진행됨에 따라, 여기에는 3가지 형이 존재한다는 사실을 알게 되었다. 이러한 형은 엔테로타입이라 불린다. 엔테로타입은 인간의 장내 플로라 연구에서는 널리 사용되며, 식생활 등과의 관계를 해명하는 데 도움을 주었다. 하지만 엔테로타입에 의한 층별 분석에서는 세균군(assemblage)을 고려할 수 없었다. 그림1에서는 다수의 세균군B의 영향으로 소수의 세균군A와 C를 고려하지 못하고 개인2와 개인3을 같은 클러스터β로 분류하는 모습을 나타내고 있다.

 

<그림1> 세균군과 클러스터링의 이미지. 원은 각각에 존재하는 세균군A, B, C를 나타내며, 원의 크기는 세균군의 존재량을 나타낸다. 클러스터링에서는 세균군을 간과하여 같은 클러스터로 분류한다.

 

<이번 연구에서 새롭게 실현하려 했던 점, 밝혀낸 점>

 

해당 연구에서는 세균군을 특정하고, 센균군과 엔테로타입의 관계를 앎으로써 새로운 인간의 장내 플로라의 구조를 해명하고자 하였다. 여러 국가의 성인 피험자의 장내 플로라 데이터를 통해 세균군을 특정 지었다. 결과적으로, 각 엔테로타입에 대응하는 세균군 3가지와 더불어 모든 유형에서 나타나는 하나의 세균군이 발견되었다. 해당 연구 그룹은 이 세균군을 Clostridium속의 세균이 지배적이라는 사실을 들어, C세균군(C-assemblage)라 명명하였다. 이 C세균군은 부틸산 생산균이라 불리는 세균으로 구성되어 있었다. (그림2) 이들은 부틸산이 항염증 작용을 가지고 있음을 시사하고 있으므로 건강과 관련되어 있다고 생각하여 주목하고 있는 균이다. 더욱이 이 C세균군은 일본인의 장내에는 많이 않음이 밝혀졌다. (그림3)

 

<그림2>각 세균군의 구성비. 세로축이 세균군, 가로축이 세균의 분류속을 나타낸다. 각 셀의 색의 농도 및 수치는 하나의 세균군에 대한 또 다른 세균의 구성비를 나타내는 것이며, 오른쪽의 색깔 막대의 수치를 참고하여 표시하였다. 또한 각 세균군에서 각각 구성비가 큰 3가지 세균만 표시하였다. Clostridium속, Eubacterium속은 부틸산 생산균을 포함하는 분류속이다.

 

<그림3>국가별 세균군의 구성비. 세로축이 국가, 가로축이 세균군을 나타낸다. 각 셀의 색의 농도 및 수치는 국가의 개인의 어떤 세균군의 구성비의 평균을 나타낸 것이며, 오른쪽 색깔 막대의 수치를 참고하여 표시하였다. 일본인에게는 C세균군(C-assemblage)의 존재량이 많지 않다.

 

<그것을 위해 새롭게 개발한 방법>

 

해당 연구 그룹은 잠재적 디리클레 배분법(LDA, latent Dirichlet allocation)이라는 기계학습 알고리즘을 통해 메타게놈 데이터로부터 세균군을 특정하는 방법을 개발한다.

 

<연구의 파급 효과 및 사회적 영향>

 

최근 분변이식으로 인한 염증성대장질환의 치료가 도입되는 등, 인간의 장내 플로라 연구가 더욱 발전될 것으로 기대되고 있다. 해당 연구의 결과를 바탕으로, 앞으로의 인간 장내 플로라 연구에 있어 C세균군을 고려한 분석이 이루어질 것으로 생각된다.

 

<앞으로의 과제>

 

이번에 발견한 C세균군에 대한 앞으로의 전망은 다음의 2가지이다. 하나는 C세균군을 사용한 분석이다. 아직 밝혀지지 않은 부분이 많은 인간 장내 플로라를 이해하기 위해 C세균군의 존재량과 질환의 관련성을 조사하는 등 앞으로의 연구를 통해 밝혀진 구조를 사용한 분석이 중요할 것으로 보인다. 다른 하나는 C세균군을 이해하기 위한 분석이다. 예를 들어, C세균군이 구성되는 메커니즘 등을 해명하기 위한 연구가 이에 해당한다. C세균군이 엔테로타입과 상관없이 존재하기 때문에 C세균군의 기능은 인간에게 꼭 필요한 것일 수 있다. C세균군이 구성되는 메커니즘이 해명되면, 장기적으로는 장내 플로라를 이용한 치료법을 개발할 수 있을지도 모른다.

 

<용어 설명>

※1 산종연ㆍ와세다대학 생체 시스템 빅데이터 분석 오픈 이노베이션 연구실(CBBD-OIL)

◆2016년 7월에 와세다대학과 산업기술 종합연구소(이하, 산종연)가 공동으로 설립한 조직. 산종연의 오픈 이노베이션 연구실(OIL)은 산종연의 제4기 중장기 계획(2015년~2019년)에서 거론한 ‘중개’를 추진하기 위한 새로운 연구조직의 형태로서, CBBD-OIL은 그 제4호 안건이다. 또한 CBBD-OIL은 산종연이 사립대학과 함께 설립한 최초의 조직이다.

 

※2 장내 플로라

◆장내에 사는 세균 전체를 가리키는 호칭.

 

※3 메타게놈 분석

◆환경에서 얻은 시료로부터 DNA를 추출하여 게놈 정보를 얻는 분석 방법.

 

※4 엔테로타입

◆클러스터링에 의해 얻어진 인간의 장내 플로라의 유형

 

※5 클러스터링

◆비슷한 몇몇 데이터의 클래스를 나누어 분류하는 데이터 분석 방법

 

※6 부틸산 생산균

◆대사에 의해 부틸산을 생산하는 균.

 

※7 잠재적 디리클레 배분법(LDA, latent Dirichlet allocation)

◆자연언어 처리 분야에서 제안하는 문장 생성을 위한 기계학습 방법.

 
 
 

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