아태이론물리센터 연구진, 미생물 생태계 지도로 인체의 건강과 질병 탐색
장 내 미생물 생태계, 그 대동여지도가 세상에 나오다
과학 학술지 네이처 커뮤니케이션스 게재
장내 미생물 생태계의 지형도
아태이론물리센터 신진연구그룹(JRG) 프로그램으로 진행된 본 연구는 김판준 교수(現 KAIST 물리학과)의 연구 주도 및 연구진의 적극적 참여로 기작 중심 연구의 수학적 발판을 마련하였다.
복잡계 이론물리 분야 네트워크 분석기법을 활용한 장내 환경의 수학적 분석기법 개발과 미생물 생태계 지도를 구축하였고, 학계는 상기 연구를 통해 인체의 질병 탐색과 건강한 체내 환경 구축 등 생물학과 의학 분야의 관련 융합 연구 결과의 등장을 기대하고 있다.
인체의 건강과 질병 상태의 탐색에 유용할 미생물 생태계의 대동여지도 제작은 물리학과 생물학을 잇는 융합연구의 결실이었다. 포스텍 화학공학과, 미국 일리노이대 식품과학 및 인체영양학과, 미국 메이요 클리닉 외과학교실과 공동으로 진행한 이 연구는 세계 유수의 과학학술지 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 6월 6일자로 게재되었다.
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
논문명 : Global metabolic interaction network of the human gut microbiota for context-specific community-scale analysis
저자 정보 : 김판준 교수 (교신저자, KAIST), 성재윤 교수(제1저자, 미국 메이요 클리닉), 그 외 공저자 6명(전체 저자 8명)
논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
최근 급격히 발전한 미생물 유전체 염기서열 분석기술을 통하여 현대과학은 장내 미생물의 생태계가 인체의 건강 및 질병 상태와 매우 밀접한 연관이 있음을 보여준다. 예컨대 전세계적으로 그 증가 추세가 예사롭지 않은 비만, 당뇨병, 염증성 장 질환, 대장암, 알레르기, 심지어 몇몇 신경계 질환까지 장내 미생물 군집과 밀접하게 관련 있다는 실험 결과들이 지속적으로 보고되고 있다.
이러한 장내 미생물의 역할을 장내 생태계 수준에서 종합적으로 규명하기 위하여 기존에 단편적으로 알려진 미생물 상호작용들을 거대한 생테계 연결망으로 집대성하고 인체의 건강과 질병 상태 탐구를 위한 수학적 발판으로 삼자는 것이 본 연구의 취지였다.
2. 연구 내용
연구진은 4백여 편의 생물학 문헌을 심층 구독하고 복잡계 물리학 이론으로 그 지식을 체계적으로 조합함으로써 대사물질을 매개로 일어나는 장내 미생물 사이의 상호작용 연결망을 대규모로 구축하였다. 이 연결망은 5백여종이 훌쩍 넘는 장내 미생물의 생태계에 대한 대형 지도라고 볼 수 있다.
연구진은 이 대규모 연결망, 즉 장내 미생물의 생태계 지도가 특정한 건강 혹은 질병 상태의 사람이 가진 장내 환경의 분석에 요긴하도록 돕는 수학적 방법론을 체계적으로 개발하였다.
3. 연구 성과
복잡계 물리학에서 쓰이는 네트워크 분석 기법을 적용한 결과, 장내 미생물 사이의 관계가 마치 사람들 사이의 사회연결망처럼 계층적이면서 질서 있는 모습으로 발견되었고 이를 통해 미생물 사이의 연결망 분석을 체계화할 수 있음을 보였다.
장내 미생물 생태계의 대동여지도를 이용한 사례로서 제2형 당뇨병 환자의 장내 환경이 건강한 사람의 경우와 어떻게 다른지 분석하였다. 이를 통하여 건강한 사람과 제2형 당뇨병 환자의 장내 생태계 연결망을 핵심적으로 각각 지탱하는 미생물의 종류와 그 미생물 생태계에서 생산하는 대사물질의 종류를 추론함으로써 인체 건강에 잠재적으로 이롭거나 해로운 물질들 및 그 근간이 되는 장내 환경 특이적 미생물 연결망의 계층 구조를 제시하였다.
김판준 교수는 “이번 연구 결과는 장내 미생물이라는 인류의 건강 개선과 밀접한 주제에 기여했다는 점이 특히 중요하다”고 강조했다. 기존에 단편적으로 알려진 미생물 상호작용들을 거대한 생테계 연결망으로 집대성한 이 연구는 장 건강에 좋은 새로운 프로바이오틱스의 발굴 및 개인 맞춤형 의료시대의 개막에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.
아태이론물리센터 정우성 사무총장은 본 연구 성과가 “정부의 기초과학 지원을 통한 연구기관의 능동적 융합연구 성과로서 기초과학의 중요성과 발전 가능성을 재차 확인하는 값진 노력의 결과”라며 연구진의 성공적 연구를 축하했다.
◇용어 설명
1. Nature Communications 誌
세계적 권위의 학술지인 네이쳐(Nature)에서 발행하는 전문 학술지.
2. 제2형 당뇨병
당뇨병은 췌장에서 인슐린의 분비가 절대적 또는 상대적으로 부족하거나 조직세포에 대한 인슐린의 효과가 감소함으로써 고혈당과 이로 인한 대사장애가 장기간 지속되는 병이다. 종류는 크게 제1형 당뇨병(인슐린 의존성 당뇨병)과 제2형 당뇨병으로 나뉜다. 제1형 당뇨병은 췌장의 인슐린 분비세포가 파괴되어 발생하는 당뇨병으로 치료를 위해서는 부족해진 인슐린을 몸속으로 투여해 주어야만하기 때문에 인슐린 의존성 당뇨병이라고도 부르며 소아에서 주로 발생한다. 제2형 당뇨병(인슐린 비의존성 당뇨병)은 신체 세포들이 인슐린에 대한 반응성이 떨어져서 발생하는 경우가 대부분이며 일반적으로 말하는 당뇨병은 바로 제2형 당뇨병을 의미한다. 제2형 당뇨병은 운동이나 식이요법, 기타 약물요법 등으로 관리가 가능하기 때문에 인슐린 비의존성 당뇨병이라고도 부르지만 시간이 지나면서 췌장기능이 감소되면 결국에는 인슐린 주사요법이 필요한 경우도 많이 있다.
3. 프로바이오틱스
프로바이오틱스는 인체에 유익한 세균으로 오랫동안 식품산업에서 사용되어져 왔다. 요구르트와 같은 발효 유제품의 신맛을 제공할 뿐만 아니라, 식품의 pH를 낮추어 부식방지제로서 작용한다. 가장 흔한 형태는 발효된 유제품과 프로바이오틱스 첨가 식품이며, Kefir(우유 발효 음료), 요구르트, Sauerkraut (발효된 독일식 김치), 한국김치 등의 유산균도 프로바이오틱스의 건강효과와 유사한 것으로 나타났다. 콜레스테롤 및 혈압을 낮추고 면역기능 개선, 감염예방, 무기물의 흡수개량, 스트레스로 인한 유해한 세균의 성장 억제, 과민성대장증후군과 결장염 개선 등의 역할을 한다.
◇그림 설명
그림의 동그란 원들은 장내 미생물 종과 인체 세포 및 대사물질들에 해당하며 미생물 혹은 인체 세포가 대사물질을 흡수하거나 배출하면 그 사이를 화살표로 연결한다. 기능적으로 같은 분류에 속하는 미생물들은 같은 색깔로 나타냈다.
◇김판준 교수(교신저자) 이력사항
1. 인적사항
소속: KAIST 물리학과
2. 학력
1997 - 2001 KAIST 물리학과 학사
2001 - 2003 KAIST 물리학과 석사
2003 - 2008 KAIST 물리학과 박사
2008 - 2011 Postdoctoral Research Associate, Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign
3. 경력사항
2011-2016 POSTECH 물리학과 겸직교수
2011-2016 아시아태평양 이론물리센터 신진연구그룹 그룹장/교수
2017-현재 KAIST BK21플러스사업단 물리학과 연구교수
4. 전문 분야 정보
통계물리학(Statistical physics)
복잡계(Complex systems)
시스템 생물학(Systems biology)
데이터 과학(Data science)
(재)아시아태평양 이론물리센터 일반현황
1. 설립 경위
1994.11 제13차 아시아 과학협력기구(ASCA) 총회(마닐라)에서 한국 유치 인준
1996.11 APEC각료회의에서 우리 정부의 지원 의지로 한국에 유치
1997. 4 재단법인 등록(과기부)
2. 설립 목적
아태지역 이론물리분야 발전을 위한 공동연구 및 학술교류 증진
3. 회원국(16개국)
한국, 일본, 중국, 대만, 베트남, 태국, 말레이시아, 싱가포르, 필리핀, 호주, 몽골, 라오스, 인도, 우즈베키스탄, 카자흐스탄, 캐나다
4. 조직 현황
이사회: 이사장(남궁원) 및 감사 등 17인
평의원회: 16개 회원국 대표 23인(이사회 위임사항 심의, 자문)
과학위원회: 세계적 석학 10인(학술프로그램 자문)
5. 주요 사업
국제공동연구를 통한 신진연구자 연구역량 강화 지원: 젊은 과학자 국제교류 방문연구/연수사업, 신진연구그룹, 방문학자 초청 활용
아태지역 이론물리 커뮤니티 선도 및 허브 구축 지원: 중점연구과제, 국제학술대회 및 워크숍 · 회원국 학술활동 지원 · 협정기관 국제공동 학회 · 석학 강연 등의 학술활동 프로그램, 웹저널, Physics Outreach Program
논문 웹사이트: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms15393
웹사이트: http://www.apctp.org
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