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『차세대 바이오산업의 혁명으로 다가오는, 마이크로바이옴(microbiome) 핵심기술 개발동향과 향후 전망』은 〈마이크로바이옴 개요 및 NGS 유전체 분석〉, 〈마이크로바이옴 연구와 NGS 유전체 분석 기술〉등을 수록하고 있는 책이다.

차세대 바이오산업의 혁명으로 다가오는,
마이크로바이옴(microbiome) 핵심기술 개발동향과 향후 전망

코로나 펜데믹이 2021년에도 지속되고 있는 가운데, 많은 전문가들은 코로나와 함께하는 삶이 앞으로 지속될 것이라는 뉴노멀을 예상함에 따라 전염병과 질병을 이겨낼 수 있는 면역력에 대한 관심도 높아지면서, 최근 인체와 마이크로바이옴(Microbiome) 사이의 연관성을 밝히려는 연구가 더욱 활발하게 진행되고 있다.

특히 코로나19가 사라지기도 전에 영국발 변이 바이러스가 출현하면서 이 같은 post-Covid19 시대의 등장을 뒷받침하고 있는 가운데, 최근 면역력과 관련이 깊은 장내 미생물(Microbiome)의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

아울러 포스트 코로나 시대에 바이오산업이 미래 성장동력으로 주목받고 있는 가운데, 면역력과 직접적인 연관성이 있는 마이크로바이옴 기술에 세계적인 관심이 집중되면서 첨단기술을 이용한 마이크로바이옴 치료제 개발이 활발하게 진행되고 있다.

또한 전세계인의 새로운 화두가 되고 있는 장내 마이크로바이옴의 불균형(Dysbiosis)은 여러가지 질병에 대한 위험성 증가와 상관관계가 높기 때문에 장내 미생물 상태에 따라 코로나19가 우리 몸에 미치는 영향이 달라질 수 있다는 분석이 나오면서 균형잡힌 장내 미생물의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

특히 전세계 수많은 연구팀들의 연구결과로부터 인체 미생물이 여러 종류의 인간 질병에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 밝혀지고, 인간 질병의 90% 이상이 장내 마이크로바이옴과 연관이 있는 것으로 알려지면서 체내에서 가장 큰 면역기관인 장 면역이 신종 코로나19를 낮추거나 악화하는 요인으로 작용할 수 있다는 의견이 제시되고 있다.

아울러 마이크로바이옴은 사람마다 보유하고 있는 양상이 다른 상황에서 최근 유전체, 대사체 분석 및 AI 접근방법 결합 등의 기술이 발전함에 따라 인간의 미생물 군집(microbiome)에 대한 새로운 연구결과, 인간의 장, 피부, 입 및 질의 미생물군집에서 그동안 알려지지 않는 수백만개의 새로운 유전자가 발견됨으로써 그동안 우리가 파악할 수 없었던 인체와 질병의 상관관계를 포착할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이처럼 마이크로바이옴은 인간을 포함해 동ㆍ식물, 토양, 바다, 대기 등에 공존하는 미생물로 급증하는 새로운 질병, 환경 등과 밀접한 관련이 있다고 밝혀지면서 바이오산업을 중심으로 식량 생산, 에너지, 생태계 서비스 등의 분야에서 마이크로바이옴을 이용한 비즈니스 가치와 전략을 수립하기 위해 전세계적으로 박차를 가하고 있다.

최근에는 대량의 데이터를 수집ㆍ분석할 수 있는 기술이 급속도로 발전하고, 다량의 염기서열을 짧은 시간내에 분석할 수 있는 기술력이 개발되면서 유전체 정보를 둘러싼 국내외 바이오 회사들의 경쟁이 뜨겁게 달아오르고 있다.

유전체는 한 생물체 세포속에 포함된 유전자 전체를 의미하는데, 이러한 유전체 정보가 쌓이면 일정한 패턴이 나오고, 이를 분석함으로써 어떤 질병에 취약한지 예측이 가능하게 되는데, 이러한 시퀀싱 기술은 생물학, 신약개발, 진단, 의료 등에 큰 영향을 주고 있다.

최근 환경 변화와 더불어 미생물 변이에 의한 변종, 신종 미생물이 출현하면서 현재 미생물학계에서는 단일 생물종의 유전체 해독 연구를 넘어 특정 환경에서 수집한 샘플에 함유된 유전체를 분석하기 위해 각 환경의 미생물 군집을 파악하고자 하는 meta-genomics 연구가 활발히 수행되고 있다.

배양법의 한계를 극복하고 자연환경에 존재하는 미생물 군집을 있는 그대로 유전자 수준에서 해독하기 위해 16S rRNA 유전자 염기서열 등 여러 가지 분자생물학적인 실험 방법들이 개발되고 있다.

특히 NGS에 의한 염기서열 분석이 가능해지고 메타게놈의 광범위한 염기서열 해독으로 미생물 유전체 서열 정보를 확보하기 시작하면서 메타제노믹스(metagenomics), 즉 배양이 불가능한 미생물 유전체를 분석하는 분야에 대한 관심이 높아지고 있다.

특히 차세대 염기서열 해독 기술(NGS)의 발전으로 미생물 분석은 큰 변화가 일어나고 있는 가운데, 미생물 구성원간의 연결구조와 그에 영향을 미치는 환경적 요인을 밝히기 위한 마이크로바이옴 연구는 2000년대에 메타게노믹스와 유전자 시퀀싱 기술이 일반화되면서 본격적으로 시작되었다.

염기서열 연구는 소재 확보를 위해 유전체 정보를 이용한 분석에까지 활용하기 시작하였는데, 이러한 미생물 유전체 분석은 악성종양, 감염질환, 장질환과 같은 질병뿐만 아니라 환경, 농축산업 등 다양한 분야에서 활용이 가능한 것으로 알려지고 있다.

마이크로바이옴 관련 연구들이 다양한 미생물 군집의 서열 분석을 통해 데이터를 축적하고, 관련 질환과의 상호관계를 규명하는 방식으로 이뤄지고 있는 가운데, 마이크로바이옴 분석은 검체 수집 방법, 검체 처리 방법, 실험 방법, 데이터 분석 방법 등에 따라 결과가 매우 다르게 나올 수 있고, 식이, 약제 등 외부 영향을 많이 받아 그 구성이 다양하게 변화할 수 있으므로 검체 수집, 처리 등 마이크로바이옴 분석 기술에 대한 표준화가 이루어져야 한다.

이에 IRS글로벌은 마이크로바이옴 관련 분야에 관심이 있는 기관ㆍ업체의 실무담당자들에게 연구개발, 사업전략 수립에 도움이 되기를 바라는 마음으로 조사를 기획하였다. 마이크로바이옴 관련 연구개발 및 사업을 진행하는 관계자들에게 유용한 정보로 활용되어 크게는 국내 바이오산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 자료가 되기를 기대해본다.

Ⅰ. 마이크로바이옴 개요 및 NGS 유전체 분석

1. 마이크로바이옴(Microbiome) 개요
1-1. 마이크로바이옴(Microbiome) 등장 배경 및 개념
1-1-1. 마이크로바이옴(Microbiome) 등장 배경
(1) 마이크로바이옴이 인체 건강에 미치는 영향
(2) 마이크로바이옴의 중요성
1-1-2. 마이크로바이옴 개요 및 역할
(1) 마이크로바이옴(Microbiome) 개요
(2) 마이크로바이옴(Microbiome)의 역할
① 영양분 흡수
② 약물대사 조절
③ 면역체계 조절
④ 감염성 질환 예방
(3) 장내 미생물의 불균형과 코로나 연관성
1-2. 미생물과 건강 및 질병과의 관계
1-2-1. 식습관과 마이크로바이옴
1-2-2. 장내 미생물
(1) 장내 미생물 개요
(2) 장내 미생물 생태계
1-2-3. 장내 미생물과 질병과의 관계
1-2-4. 장내세균
(1) 중간균(기회균)
(2) 유익균
(3) 유해균
1-3. 휴먼 마이크로바이옴(Human Microbiome)
1-3-1. 마이크로바이옴 분류
(1) 인체 마이크로바이옴
(2) 장내 마이크로바이옴
① 박테로이스(Bacteroides) 타입
② 프리보텔라(Prevotella) 타입
③ 루미노코크스(Ruminococcus) 타입
(3) 식물 마이크로바이옴
1-3-2. 휴먼 마이크로바이옴(Human Microbiome) 개요
(1) 프로바이오틱스(probiotics)
(2) 구강유산균
(3) 대변 미생물 이식술(Fecal Microbiota Transplantation, 분변 이식)
① 대변 미생물 이식((FMT)의 개념
② 대변 미생물 이식((FMT) 과정
③ 대변 미생물 이식((FMT)의 안전성
④ 대변 은행(Stool Bank)
1-4. 마이크로바이옴 기반 신약
1-4-1. 기존 의약품의 한계
1-4-2. ‘게임 체인저’로 마이크로바이옴 신약

2. 마이크로바이옴 연구와 NGS 유전체 분석 기술
2-1. 유전체학
2-1-1. 유전체 분석 개요
(1) 유전체 개념
(2) 유전자 변이(genetic variation)
(3) 유전정보 분석의 종류
① 전장 유전체 분석(Whole Genome Sequencing, WGS)
② 전장 엑솜 분석(Whole Exome Sequencing, WES)
③ 유전자 패널 분석(Gene Panel)
④ 단일염기다형성 분석(Single Nucleotide Polymorphism, SNP)
2-1-2. 유전체 정보분석
(1) 단일 유전자 검사(Sanger sequencingㆍ생어시퀀싱)
(2) 휴먼게놈프로젝트(Human Genome Project)
(3) 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing)
2-2. 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술
2-2-1. 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술 개요
2-2-2. NGS 장내균총 분석(Gut Microbiota Analysis, GMA)
2-3. 유전체 개인맞춤분석
2-3-1. 개인 유전정보 분석
2-3-2. 유전체 기능 분석(functional genomics)
2-4. 정밀의료(Precision Medicine)
2-4-1. 정밀의료의 개념
2-4-2. 정밀의료(Precision Medicine)의 분야 기술 동향

Ⅱ. 마이크로바이옴 관련 연구 및 기술 개발 동향

1. 주요 분야별 마이크로바이옴 연구개발 동향
1-1. 마이크로바이옴 연구 개발 동향
1-1-1. 16S rRNA(16S ribosomal RNA) 앰플리콘 시퀀싱
1-1-2. 메타게놈 샷건 시퀀싱(shotgun sequencing)
1-1-3. 단세포 분석(Single Cell Analysis, SCA)
1-1-4. 메타 전사체학(Metatranscriptomics)
1-1-5. 메타 프로테오믹스(단백질체학, proteomics)
1-1-6. 메타블로믹스(metabolomics, 대사체학)
1-1-7. 마이크로바이옴 기반 바이오마커(bio-marker)
1-2. 휴먼 마이크로바이옴 연구개발 동향
1-2-1. 장내 미생물과 아토피성 피부염(Atopicdermatitis)
1-2-2. 장내 미생물과 자폐증(autism)
1-2-3. 장내 미생물과 죽상동맥경화증
1-2-4. 장내 미생물과 암(cancer)
1-2-5. 장내 미생물과 알츠하이머와 파킨슨 질환(Alzheimer & Parkinson's disease)
1-2-6. 장내 미생물과 클로스트리디움 디피실 감염성 장염
1-2-7. 장내 미생물과 조현병(Schizophrenia)
1-2-8. 장내 미생물과 불안장애, 우울증(Depression)
1-2-9. 장내 미생물과 다발성 경화증(multiple sclerosis, MS)
1-2-10. 장내 미생물과 당뇨병, 제2형 당뇨(type 2 diabetes)
1-2-11. 장내 미생물과 염증성 장질환(inflammatory bowel disease: IBD)
1-2-12. 장내 미생물과 비만(obesity)
1-2-13. 장내 미생물과 과민성 대장증후군(irritable bowel syndrome: IBS)

2. 국내외 연구개발 진행 동향 및 시장 전망
2-1. 국내 마이크로바이옴 연구 동향
2-2. 국외 연구 동향
2-2-1. 국제인체마이크로바이옴 컨소시엄(IHMC)
2-2-2. 미국 마이크로바이옴 프로젝트
(1) 인체 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Projoect, HMP)
(2) 국가 마이크로바이옴 이니셔티브(National Microbiome Initiative, NMI)
(3) 지구 마이크로바이옴 프로젝트(The Earth Microbiome Project, EMP)
2-2-3. 유럽 인체 장내 메타지노믹스(MetaHIT) 프로젝트
2-2-4. 일본의 휴먼 메타게놈 컨소시움 재팬(HMGJ) 프로젝트
2-3. 미생물군의 이용 및 제어기술의 상황
2-3-1. 미생물군 제어 시장의 규모 예측
(1) 식품과 장내미생물군
(2) 농업용 미생물군
(3) 배수처리와 미생물군
2-3-2. 특허 출원과 논문 발표 동향
(1) 식품과 장내미생물군
① 특허 출원
② 논문 발표
(2) 농업용 미생물군
① 특허 출원
② 논문 발표
(3) 배수처리와 미생물군
① 특허 출원
② 논문 발표
2-3-3. 표준화 동향
2-4. 주요 지역별 정책 추진 동향
2-4-1. 미국의 동향
2-4-2. 유럽의 동향
2-4-3. 아시아의 동향
2-4-4. 일본의 동향


[표 목차]
[표 1] 휴먼 마이크로바이옴 치료제 시장 전망
[표 2] 불균형 마이크로바이옴과 질병 및 미생물 군집의 상호작용
[표 3] 몸속의 미생물 종류와 미생물 불균형에 의한 증상들
[표 4] 장내 미생물군집과 질환의 관계
[표 5] 장내 미생물이 건강에 미치는 영향
[표 6] 휴먼 마이크로마이옴 치료제의 질환 영역 및 장내 미생물과 면역과의 상관성
[표 7] 장내 미생물-뇌에 영향을 주는 매커니즘
[표 8] 장내세균의 역할과 균형 잡힌 면역 체계
[표 9] 장내 미생물과 유익균ㆍ유해균의 역할
[표 10] 임상 진행중인 마이크로바이옴 치료제 국내 현황
[표 11] 임상3상 진행중인 마이크로바이옴 치료제 국외 현황
[표 12] Microbiome entrotype
[표 13] 휴먼 마이크로바이오타와 인체와의 소통 및 유산균의 효과
[표 14] 프로바이오틱스 종류 및 효능
[표 15] 식약처가 인정한 프로바이오틱스의 균주 및 프로바이오틱스의 종류와 기능
[표 16] 프로바이오틱스 역할 및 장ㆍ단점
[표 17] 구강의 염증에서 발병할 수 있는 전신 질환과 구강 세균의 이동 경로
[표 18] 대변 미생물 이식 과정
[표 19] 합성의약품과 바이오의약품 신약개발 과정
[표 20] 시퀀싱 기술의 발전사
[표 21] NGS 플랫폼
[표 22] 차세대 염기서열분석(Next Generation Sequencing) 개요
[표 23] 정밀의료의 수집 가능한 정보 종류 및 개요
[표 24] 정밀의료의 데이터 구성
[표 25] 인체 메타게놈 정보생산 기술 요약표
[표 26] 대사체학 연구 응용 분야
[표 27] 바이오마커 특성 및 용도에 따른 종류
[표 28] 휴먼 마이크로바이옴 치료제의 질환 영역
[표 29] 알츠하이머병과 파킨슨병의 유사점과 차이점
[표 30] 장내세균의 뇌 기능 조절 경로 및 다발성경화증 치료 경로
[표 31] 장내 나쁜 세균의 비만 유발 과정과 인간의 신진 대사를 변화시키는 경로
[표 32] 2016년 기준 미생물자원 보유국 상위 10위 현황
[표 33] 마이크로바이옴 분야 사업별 정부R&D투자 현황
[표 34] M

Ⅰ. 마이크로바이옴 개요 및 NGS 유전체 분석

1. 마이크로바이옴(Microbiome) 개요
1-1. 마이크로바이옴(Microbiome) 등장 배경 및 개념
1-1-1. 마이크로바이옴(Microbiome) 등장 배경
(1) 마이크로바이옴이 인체 건강에 미치는 영향
(2) 마이크로바이옴의 중요성
1-1-2. 마이크로바이옴 개요 및 역할
(1) 마이크로바이옴(Microbiome) 개요
(2) 마이크로바이옴(Microbiome)의 역할
① 영양분 흡수
② 약물대사 조절
③ 면역체계 조절
④ 감염성 질환 예방
(3) 장내 미생물의 불균형과 코로나 연관성
1-2. 미생물과 건강 및 질병과의 관계
1-2-1. 식습관과 마이크로바이옴
1-2-2. 장내 미생물
(1) 장내 미생물 개요
(2) 장내 미생물 생태계
1-2-3. 장내 미생물과 질병과의 관계
1-2-4. 장내세균
(1) 중간균(기회균)
(2) 유익균
(3) 유해균
1-3. 휴먼 마이크로바이옴(Human Microbiome)
1-3-1. 마이크로바이옴 분류
(1) 인체 마이크로바이옴
(2) 장내 마이크로바이옴
① 박테로이스(Bacteroides) 타입
② 프리보텔라(Prevotella) 타입
③ 루미노코크스(Ruminococcus) 타입
(3) 식물 마이크로바이옴
1-3-2. 휴먼 마이크로바이옴(Human Microbiome) 개요
(1) 프로바이오틱스(probiotics)
(2) 구강유산균
(3) 대변 미생물 이식술(Fecal Microbiota Transplantation, 분변 이식)
① 대변 미생물 이식((FMT)의 개념
② 대변 미생물 이식((FMT) 과정
③ 대변 미생물 이식((FMT)의 안전성
④ 대변 은행(Stool Bank)
1-4. 마이크로바이옴 기반 신약
1-4-1. 기존 의약품의 한계
1-4-2. ‘게임 체인저’로 마이크로바이옴 신약

2. 마이크로바이옴 연구와 NGS 유전체 분석 기술
2-1. 유전체학
2-1-1. 유전체 분석 개요
(1) 유전체 개념
(2) 유전자 변이(genetic variation)
(3) 유전정보 분석의 종류
① 전장 유전체 분석(Whole Genome Sequencing, WGS)
② 전장 엑솜 분석(Whole Exome Sequencing, WES)
③ 유전자 패널 분석(Gene Panel)
④ 단일염기다형성 분석(Single Nucleotide Polymorphism, SNP)
2-1-2. 유전체 정보분석
(1) 단일 유전자 검사(Sanger sequencingㆍ생어시퀀싱)
(2) 휴먼게놈프로젝트(Human Genome Project)
(3) 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing)
2-2. 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술
2-2-1. 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술 개요
2-2-2. NGS 장내균총 분석(Gut Microbiota Analysis, GMA)
2-3. 유전체 개인맞춤분석
2-3-1. 개인 유전정보 분석
2-3-2. 유전체 기능 분석(functional genomics)
2-4. 정밀의료(Precision Medicine)
2-4-1. 정밀의료의 개념
2-4-2ajor international microbiome projects
[표 35] 마이크로바이옴 이니셔티브 3대 목표
[표 36] 표준화된 Metadata template의 예
[표 37] 장내미생물군과 관련된 식품 시장규모 전망
[표 38] 농약 시장규모 전망
[표 39] 농업용 미생물군 시장을 형성하는 주요 기업
[표 40] 하수ㆍ배수 관련 시장규모 전망
[표 41] MBR 관련 세계시장 전망
[표 42] MBR 관련 주요 기업
[표 43] 식품과 장내미생물군에 관한 특허 출원 수 랭킹
[표 44] 식품과 장내미생물군에 관한 논문 발표 수 국가별 랭킹
[표 45] 농업용 미생물군에 관한 특허 출원 수 랭킹
[표 46] 농업용 미생물군에 관한 논문 발표 수 국가별 랭킹
[표 47] 배수처리와 미생물군에 관한 특허 출원 수 랭킹
[표 48] 배수처리와 미생물군에 관한 논문 발표 수 국가별 랭킹
[표 49] 관련된 주요 국제 표준
[표 50] 관련 법령 등
[표 51] 장내미생물군 관련 연구 프로젝트 예
[표 52] 농업용 미생물군 관련 연구 프로젝트 예
[표 53] 배수처리와 미생물군 관련 연구 프로젝트 예

[그림 목차]
[그림 1] 휴먼 마이크로바이옴 프로젝트
[그림 2] 미생물 군집 이니셔티브(initiative)의 잠재적인 영향
[그림 3] 미생물 또는 식물 호르몬이 인체 건강에 미치는 영향
[그림 4] 장내 미생물 관련 요소
[그림 5] 제프리 고든의 마이크로바이옴 이식 실험
[그림 6] 신체 다양한 부위의 피부에 존재하는 미생물 군집 구조의 차이
[그림 7] 인간 장내의 주요 미생물 분포
[그림 8] 장내 미생물 시스템
[그림 9] 영양과 장내 미생물숲의 균형의 중요성과 장내 미생물 불균형
[그림 10] microbiota-gut-brain axis와 신호를 전달하는 매개체
[그림 11] 장점막조직의 정교한 방어시스템
[그림 12] SCFA
[그림 13] 장내 공생 미생물에 의해 조절되는 선천성 면역 및 대사조절 관련 세포의 종류
[그림 14] 두뇌-장 관계(Brian-Gut Axis)
[그림 15] 불균형 장내 미생물에 의한 장 누수가 코로나19를 중증으로 이르게 하는 기전
[그림 16] 폐 미생물 군집과 그 역할
[그림 17] 장내세균의 역할과 다른 신체기관과의 상호작용
[그림 18] 미생물 분류
[그림 19] 장내세균이 우리 몸속에서 하는 일
[그림 20] 인체내 미생물
[그림 21] 장신경계(enteric nervous system)
[그림 22] 장내 미생물과 인체간의 상호 영향
[그림 23] 생애주기에 따른 장내균총 변화
[그림 24] 유익균과 유해균
[그림 25] 장내세균
[그림 26] 다양한 항생제가 장내세균의 다양성에 미치는 영향
[그림 27] 피토바이옴(Phytobiome)
[그림 28] 대변모양에 따라 건강상태 알아보기
[그림 29] 대변이식 치료 원리
[그림 30] 대변이식술
[그림 31] 대변 ​​은행을 이용한 분변 미생물군 이식 단계
[그림 32] 글로벌 마이크로바이옴 시장 전망
[그림 33] 마이크로바이옴의 활용 분야 매핑
[그림 34] 개발 단계별 마이크로바이옴 치료제 파이프라인 수(2018)
[그림 35] 장내 미생물로 보는 질병 위험도
[그림 36] 유전체 의학
[그림 37] DNA의 구조적 변이(structural variation)의 형태
[그림 38] DNA의 염기서열 변화
[그림 39] 질병의 인간 유전변이와 장내 마이크로바이옴
[그림 40] 유전자의 구성
[그림 41] 전장유전체 분석(WGS)과 엑솜시퀀싱(WES)
[그림 42] 전장 엑솜 분석(Whole Exome Sequencing) 파이프라인의 개요
[그림 43] 맞춤형 유전자 패널(Target gene panel) 시퀀싱
[그림 44] 단일 염기 다형성 분석(SNP)
[그림 45] DNA를 추출하는 기술
[그림 46] Sanger sequencing 기본원리
[그림 47] 인간게놈프로젝트
[그림 48] 분자유전학
[그림 49] 인간게놈프로젝트(Human Genome Project) 진행 과정
[그림 50] NGS 기반의 기술을 이용하여 분석 가능한 내용들
[그림 51] 기존 방식 대 차세대 염기서열 분석(NGS) 방식의 비교
[그림 52] 차세대 DNA 시퀀싱
[그림 53] metagenomics
[그림 54] 표적 염기서열 분석(targeted NGS)의 과정과 필요 시간
[그림 55] NGS 장내 균총 분석
. 정밀의료(Precision Medicine)의 분야 기술 동향

Ⅱ. 마이크로바이옴 관련 연구 및 기술 개발 동향

1. 주요 분야별 마이크로바이옴 연구개발 동향
1-1. 마이크로바이옴 연구 개발 동향
1-1-1. 16S rRNA(16S ribosomal RNA) 앰플리콘 시퀀싱
1-1-2. 메타게놈 샷건 시퀀싱(shotgun sequencing)
1-1-3. 단세포 분석(Single Cell Analysis, SCA)
1-1-4. 메타 전사체학(Metatranscriptomics)
1-1-5. 메타 프로테오믹스(단백질체학, proteomics)
1-1-6. 메타블로믹스(metabolomics, 대사체학)
1-1-7. 마이크로바이옴 기반 바이오마커(bio-marker)
1-2. 휴먼 마이크로바이옴 연구개발 동향
1-2-1. 장내 미생물과 아토피성 피부염(Atopicdermatitis)
1-2-2. 장내 미생물과 자폐증(autism)
1-2-3. 장내 미생물과 죽상동맥경화증
1-2-4. 장내 미생물과 암(cancer)
1-2-5. 장내 미생물과 알츠하이머와 파킨슨 질환(Alzheimer & Parkinson's disease)
1-2-6. 장내 미생물과 클로스트리디움 디피실 감염성 장염
1-2-7. 장내 미생물과 조현병(Schizophrenia)
1-2-8. 장내 미생물과 불안장애, 우울증(Depression)
1-2-9. 장내 미생물과 다발성 경화증(multiple sclerosis, MS)
1-2-10. 장내 미생물과 당뇨병, 제2형 당뇨(type 2 diabetes)
1-2-11. 장내 미생물과 염증성 장질환(inflammatory bowel disease: IBD)
1-2-12. 장내 미생물과 비만(obesity)
1-2-13. 장내 미생물과 과민성 대장증후군(irritable bowel syndrome: IBS)

2. 국내외 연구개발 진행 동향 및 시장 전망
2-1. 국내 마이크로바이옴 연구 동향
2-2. 국외 연구 동향
2-2-1. 국제인체마이크로바이옴 컨소시엄(IHMC)
2-2-2. 미국 마이크로바이옴 프로젝트
(1) 인체 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Projoect, HMP)
(2) 국가 마이크로바이옴 이니셔티브(National Microbiome Initiative, NMI)
(3) 지구 마이크로바이옴 프로젝트(The Earth Microbiome Project, EMP)
2-2-3. 유럽 인체 장내 메타지노믹스(MetaHIT) 프로젝트
2-2-4. 일본의 휴먼 메타게놈 컨소시움 재팬(HMGJ) 프로젝트
2-3. 미생물군의 이용 및 제어기술의 상황
2-3-1. 미생물군 제어 시장의 규모 예측
(1) 식품과 장내미생물군
(2) 농업용 미생물군
(3) 배수처리와 미생물군
2-3-2. 특허 출원과 논문 발표 동향
(1) 식품과 장내미생물군
① 특허 출원
② 논문 발표
(2) 농업용 미생물군
① 특허 출원
② 논문 발표
(3) 배수처리와 미생물군
① 특허 출원
② 논문 발표
2-3-3. 표준화 동향
2-4. 주요 지역별 정책 추진 동향
2-4-1. 미국의 동향
2-4-2. 유럽의 동향
2-4-3. 아시아의 동향
2-4-4. 일본의 동향 과정
[그림 56] single gene-16SrDNA sequence based aproaches
[그림 57] 개인 유전정보 분석
[그림 58] 유전체 분석을 통한 질병 세부지도 개념도
[그림 59] 만성질환 연관 유전변이 발굴 및 기능 검증
[그림 60] 정밀의학 패러다임
[그림 61] 정밀 의료의 개요
[그림 62] 약물 상호작용 예측 방법론 딥디디아이(DeepDDI) 모식도
[그림 63] 16 rRNA gene 분석
[그림 64] 16S rRNA 유전자 서열 분석의 방식
[그림 65] shotgun sequencing
[그림 66] 메타게노믹스의 유전자 정량화 개요
[그림 67] 메타 게노믹스를 통한 장내 마이크로바이옴 분석
[그림 68] 메타게놈 시퀀싱을 위한 방법 및 기술
[그림 69] 단일 세포 RNA 시퀀싱 실험과 분석법 개요
[그림 70] 단세포 분석 단계
[그림 71] 메타 유전체학
[그림 72] DNA 마이크로어레이 과정
[그림 73] 메타프로테오믹스(metaproteomics) 개요
[그림 74] Metaproteomics workflow
[그림 75] 메타볼로미스(Metabolomics) 개요
[그림 76] Metabolomics workflow 
[그림 77] 바이오마커(bio-marker) 연구의 패러다임
[그림 78] 일반적인 신약개발 과정과 마이크로바이옴 관련 신약 개발 과정의 차이
[그림 79] 신약개발 과정에서 바이오마커의 활용
[그림 80] NGS 시퀀싱을 활용한 휴먼 마이크로바이옴 군집분석 모식도
[그림 81] 장내 미생물과 면역의 상관성
[그림 82] 전두엽 피질과 소뇌에서 자폐증과 연관된 넌코딩 RNA
[그림 83] 임신중 바이러스 감염에 의한 자폐 유발 과정
[그림 84] 장내 미생물 대사 물질 트리메틸아민(TMA)과 죽상동맥경화증
[그림 85] LDL 모형
[그림 86] 면역 요법
[그림 87] 암 면역요법에서 장내 미생물의 역할
[그림 88] 암 치료 결과에 미생물이 미치는 영향
[그림 89] microbiota-gut-brain축 개념
[그림 90] 알츠하이머병 발병
[그림 91] 장내 미생물로 인한 향상된 운동장애 증상
[그림 92] C. difficile 감염성 장염 치료를 위한 FMT
[그림 93] 장내세균이 뇌기능 및 정신건강에 영향을 끼치는 과정에 대한 모식도
[그림 94] 장-뇌 축과 우울증
[그림 95] 유산균의 우울증 억제 기능
[그림 96] 다발성 경화증의 주요 증상
[그림 97] 당뇨병 예방 및 관리의 생물학적 과정
[그림 98] 염증성 장질환의 발병 요인
[그림 99] 마이크로바이옴과 비만
[그림 100] 장내 미생물과 숙주 사이의 상호 작용
[그림 101] 비만체형과 마른체형의 장내 미생물 분포
[그림 102] 과민성 장 증후군의 병태 생리학
[그림 103] 장과 뇌의 상호작용에 의한 질환
[그림 104] 미생물 분류
[그림 105] HPM 연대표
[그림 106] NIH Human Microbiome Project
[그림 107] MetaHIT 프로젝트 요약
[그림 108] 식품과 장내미생물군에 관한 특허 출원 수 추이
[그림 109] 식품과 장내미생물군에 관한 원저 논문수 추이
[그림 110] 농업용 미생물군에 관한 특허 출원 수 추이
[그림 111] 농업용 미생물군에 관한 원저 논문 수 추이
[그림 112] 배수처리와 미생물군에 관한 특허 출원 수 추이
[그림 113] 배수처리와 미생물군에 관한 원저 논문 수 추이

차세대 바이오산업의 혁명으로 다가오는,
마이크로바이옴(microbiome) 핵심기술 개발동향과 향후 전망

코로나 펜데믹이 2021년에도 지속되고 있는 가운데, 많은 전문가들은 코로나와 함께하는 삶이 앞으로 지속될 것이라는 뉴노멀을 예상함에 따라 전염병과 질병을 이겨낼 수 있는 면역력에 대한 관심도 높아지면서, 최근 인체와 마이크로바이옴(Microbiome) 사이의 연관성을 밝히려는 연구가 더욱 활발하게 진행되고 있다.

특히 코로나19가 사라지기도 전에 영국발 변이 바이러스가 출현하면서 이 같은 post-Covid19 시대의 등장을 뒷받침하고 있는 가운데, 최근 면역력과 관련이 깊은 장내 미생물(Microbiome)의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

아울러 포스트 코로나 시대에 바이오산업이 미래 성장동력으로 주목받고 있는 가운데, 면역력과 직접적인 연관성이 있는 마이크로바이옴 기술에 세계적인 관심이 집중되면서 첨단기술을 이용한 마이크로바이옴 치료제 개발이 활발하게 진행되고 있다.

또한 전세계인의 새로운 화두가 되고 있는 장내 마이크로바이옴의 불균형(Dysbiosis)은 여러가지 질병에 대한 위험성 증가와 상관관계가 높기 때문에 장내 미생물 상태에 따라 코로나19가 우리 몸에 미치는 영향이 달라질 수 있다는 분석이 나오면서 균형잡힌 장내 미생물의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

특히 전세계 수많은 연구팀들의 연구결과로부터 인체 미생물이 여러 종류의 인간 질병에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 밝혀지고, 인간 질병의 90% 이상이 장내 마이크로바이옴과 연관이 있는 것으로 알려지면서 체내에서 가장 큰 면역기관인 장 면역이 신종 코로나19를 낮추거나 악화하는 요인으로 작용할 수 있다는 의견이 제시되고 있다.

아울러 마이크로바이옴은 사람마다 보유하고 있는 양상이 다른 상황에서 최근 유전체, 대사체 분석 및 AI 접근방법 결합 등의 기술이 발전함에 따라 인간의 미생물 군집(microbiome)에 대한 새로운 연구결과, 인간의 장, 피부, 입 및 질의 미생물군집에서 그동안 알려지지 않는 수백만개의 새로운 유전자가 발견됨으로써 그동안 우리가 파악할 수 없었던 인체와 질병의 상관관계를 포착할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이처럼 마이크로바이옴은 인간을 포함해 동ㆍ식물, 토양, 바다, 대기 등에 공존하는 미생물로 급증하는 새로운 질병, 환경 등과 밀접한 관련이 있다고 밝혀지면서 바이오산업을 중심으로 식량 생산, 에너지, 생태계 서비스 등의 분야에서 마이크로바이옴을 이용한 비즈니스 가치와 전략을 수립하기 위해 전세계적으로 박차를 가하고 있다.

최근에는 대량의 데이터를 수집ㆍ분석할 수 있는 기술이 급속도로 발전하고, 다량의 염기서열을 짧은 시간내에 분석할 수 있는 기술력이 개발되면서 유전체 정보를 둘러싼 국내외 바이오 회사들의 경쟁이 뜨겁게 달아오르고 있다.

유전체는 한 생물체 세포속에 포함된 유전자 전체를 의미하는데, 이러한 유전체 정보가 쌓이면 일정한 패턴이 나오고, 이를 분석함으로써 어떤 질병에 취약한지 예측이 가능하게 되는데, 이러한 시퀀싱 기술은 생물학, 신약개발, 진단, 의료 등에 큰 영향을 주고 있다.

최근 환경 변화와 더불어 미생물 변이에 의한 변종, 신종 미생물이 출현하면서 현재 미생물학계에서는 단일 생물종의 유전체 해독 연구를 넘어 특정 환경에서 수집한 샘플에 함유된 유전체를 분석하기 위해 각 환경의 미생물 군집을 파악하고자 하는 meta-genomics 연구가 활발히 수행되고 있다.

배양법의 한계를 극복하고 자연환경에 존재하는 미생물 군집을 있는 그대로 유전자 수준에서 해독하기 위해 16S rRNA 유전자 염기서열 등 여러 가지 분자생물학적인 실험 방법들이 개발되고 있다.

특히 NGS에 의한 염기서열 분석이 가능해지고 메타게놈의 광범위한 염기서열 해독으로 미생물 유전체 서열 정보를 확보하기 시작하면서 메타제노믹스(metagenomics), 즉 배양이 불가능한 미생물 유전체를 분석하는 분야에 대한 관심이 높아지고 있다.

특히 차세대 염기서열 해독 기술(NGS)의 발전으로 미생물 분석은 큰 변화가 일어나고 있는 가운데, 미생물 구성원간의 연결구조와 그에 영향을 미치는 환경적 요인을 밝히기 위한 마이크로바이옴 연구는 2000년대에 메타게노믹스와 유전자 시퀀싱 기술이 일반화되면서 본격적으로 시작되었다.

염기서열 연구는 소재 확보를 위해 유전체 정보를 이용한 분석에까지 활용하기 시작하였는데, 이러한 미생물 유전체 분석은 악성종양, 감염질환, 장질환과?같은?질병뿐만 아니라 환경, 농축산업 등 다양한 분야에서 활용이 가능한 것으로 알려지고 있다.

마이크로바이옴 관련 연구들이 다양한 미생물 군집의 서열 분석을 통해 데이터를 축적하고, 관련 질환과의 상호관계를 규명하는 방식으로 이뤄지고 있는 가운데, 마이크로바이옴 분석은 검체 수집 방법, 검체 처리 방법, 실험 방법, 데이터 분석 방법 등에 따라 결과가 매우 다르게 나올 수 있고, 식이, 약제 등 외부 영향을 많이 받아 그 구성이 다양하게 변화할 수 있으므로 검체 수집, 처리 등 마이크로바이옴 분석 기술에 대한 표준화가 이루어져야 한다.

이에 IRS글로벌은 마이크로바이옴 관련 분야에 관심이 있는 기관ㆍ업체의 실무담당자들에게 연구개발, 사업전략 수립에 도움이 되기를 바라는 마음으로 조사를 기획하였다. 마이크로바이옴 관련 연구개발 및 사업을 진행하는 관계자들에게 유용한 정보로 활용되어 크게는 국내 바이오산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 자료가 되기를 기대해본다.

2021년 2월 18일

www.irsglobal.com