심해 등 극한 환경에서 살아가는 생물과 그 안에 함께 있는 마이크로바이옴이 생산하는 다양한 물질을 확보하는 기술

그간 인류가 접근하기 힘들었던 극한 환경 속 생물로부터 화학다양성 확보를 통해 발굴한 새로운 천연물질은 신개념 항생제 등 신약 및 혁신 바이오소재 개발에 활용

향후 5년 : 생물 유래 대사물질 분석기술 확보 및 생물 유래 천연물 10만개 이상 발굴

향후 10년 : 건강하고 안전한 삶을 위한 신규 항생제, 감염병 치료제 등 개발

1) 메타게놈 활용 기술 - 생물 유래 다양한 천연물의 생합성 대사회로를 구성하는 유전자들을 빠르게 발굴하는 기술 - 해양 생물 유래의 천연물은 신규성은 높으나, 극소량 밖에 확보할 수 없어 기능을 확인하기 어려운 문제와 해양 미생물의 99%는 배양이 불가능하여 전통적인 배양에 의존하는 천연물 발굴 한계를 극복할 수 있는 기술 2) 합성생물학 기술 - 생물의 유전체(genome)와 전사체(transcriptome), 대사체(metabolome) 등 오믹스 빅데이터를 확보하여 DB를 구축하고, 이를 통해 해양 생물이 만드는 수많은 천연물의 생합성 대사회로를 설계하고 제작하는 기술 3) 초고속 대용량 대사체 분석 기술 - 생물과 공생 미생물의 대사체를 다양한 조건에서 초고속, 대용량으로 분석할 수 있는 기술 - 초병렬적 LC-MS 등 장비를 통해 생물 시스템 전체 대사체를 단시간에 프로파일링하여 새로운 화학적 구조의 천연물을 확보할 수 있는 기술

생물과 그 속에 사는 마이크로바이오타의 효율적인 배양 방법, 생물의 메타게놈 확보, 초고속 대용량 대사체 분석 기술 개발 필요

미국 위스콘신대 팀 부니(Tim S. Bugni) 교수 연구팀은 우렁쉥이(sea squirt)의 마이크로바이오타에서 새로운 항진균성 물질을 개발하고 다제내성 진균에 효과적으로 작용하여 신규 항진균제 개발 가능성 제시(Zhang et al., Science 370, 974-978, 2020) - 해양 생물의 화학다양성을 조사를 위하여 2012∼2016년까지 4년간 미국 플로리다 키스(Florida Keys)에서 확보한 무척추 해양 동물에 공생하는 방선균 1,482종이 만들어 내는 천연물을 LC-MS로 분석 - 우렁쉥이 속에 사는 방선균(Micromonospora sp.)가 만들어 내는 turbinmicin의 화학적 구조가 기존과 상이함을 확인하고, 이 물질의 활성을 연구하여 새로운 기작의 신규 항진균제 개발 가능성 제시 미국 유타대 에릭 슈미트(Eric W. Schmidt) 교수 연구팀은 파푸아 뉴기니 동쪽 바다 속 산호초에서 피낭동물인 Didemnum molle의 공생 미생물에서 에이즈 치료에 효과를 보이는 펩타이드를 발견 (Smith et al., Nature Chemical Biology, 14, 179-185, 2018) - Didemnum molle의 마이크로바이오타 메타게놈 분석을 통해 새로운 구조의 펩타이드(divamide)를 확인한 후 공생 미생물인 Prochloron didemni가 이를 합성함을 규명 - 합성생물학 기술을 이용하여 해당 펩타이드를 생산하는 전체 대사회로를 제작하여 추가 연구를 위한 충분한 양을 확보한 후 에이즈 바이러스 억제 효과를 확인

세계 최초로 돌기해삼 표준 유전체 해독 성공 - 우리나라의 해양산업에서 중요한 돌기해삼의 유전체를 해독하여 고부가가치 바이오소재 개발 가능성 제시 양식 넙치의 기생충 제어에 효과가 있는 해양 와편모류 발견 - 인간의 100배에 달하는 유전자 정보를 갖고 있는 와편모류 발견하고, 양식 넙치의 기생충 사멸 효과를 확인 해조류 추출 물질로 기도협착증 예장 의료기기 개발 - 해양 갈조류인 감태에 함유된 플로로탄닌(phlorotannin)을 이용하여 기도의 관이 좁아지는 증상을 억제하는 기능을 확인하여 의료용 소재로의 개발 가능성 제시 상처 치료와 흉터 억제가 동시에 가능한 의료접착제 개발 - 홍합의 접착 단백질과 인체 조직에서 추출한 자연치유 성분을 결합하여 의료용 접착제를 개발하고 상용화 진행 중 국내 해양 생물 유래 화학다양성 확보는 아직 미진한 상태이나 지난 10여년 간 꾸준한 투자로 해양 미생물 유래 천연물과 신약 소재 개발 연구가 지속

1969년 캐리비언 해면인 Cryptotheca crypta로 분리된 해양 천연물인 Cytarabine이 항암제로 개발된 이후로 Cone snail에서 유래한 진통제 ziconotide, 해양해면 유래 항암제 eribulin mesylate 등 여러 약물이 시판되고 있거나 신약허가 및 임상시험 진행 중 - 현재 임상에서 사용 중인 해양생물 유래 의약품은 10여 종에 불과하나, 이들 중 6종이 최근 20년 이내에 개발된 약물로써 비교적 짧은 해양 천연물 연구 역사에도 불구하고 우수한 의약품들이 개발

인간이 만들어낸 화학다양성이 초래하는 케모포비아, 환경오염, 기후변화 등의 위협과 전 세계적인 감염병 문제를 수백만 년에 걸쳐 발생한 자연 진화의 산물인 화학다양성을 통해 극복 기대

우리나라 고유의 토착 생물자원 발굴 및 활용 필요생물 유래 천연물 연구를 통해 확인된 신규 생리활성 천연물의 산업화를 위해 활성 천연물의 대량 확보를 위한 합성생물학 연구 필요

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