미생물 네트워크 분석으로 녹조 문제 해결 실마리 찾았다
미생물 네트워크 분석으로 녹조 문제 해결 실마리 찾았다
  • 한국과학경제
  • 승인 2020.01.21 16:24
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마이크로바이옴 빅데이터 분석으로 신개념 녹조제어 기술 개발 기대
마이크로시스티스 현미경 사진
마이크로시스티스 현미경 사진

 

한국과학경제=윤혜민 기자】 순수 국내연구진이 녹조 발생 및 사멸과정에서의 미생물 상호작용 네트워크 분석을 통해, 녹조의 발생과 소멸에 대한 상세한 생물학적 메카니즘을 규명했다. 향후 이를 활용한 신개념의 녹조 제어기술 개발 및 식수원의 효율적 관리에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원 세포공장연구센터 안치용 박사팀이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 환경과학(상위 4%) 및 수자원 분야(상위 1%)의 세계적 저널인 Water Research (IF 7.913) 12월 7일자 온라인 판에 게재되었다.

모든 미생물은 서로 간에 매우 복잡하고 다양한 상호작용을 하고 있는데, 녹조발생 과정에서도 이러한 미생물의 상호작용이 기여하고 있음에도, 자세한 과정에 대한 연구가 이루어지지 않았다.

이 연구에서는 녹조의 마이크로바이옴(microbiome) 및 상호작용 네트워크 분석을 통해, 미생물학적 녹조 발생․사멸의 과정에 대해 연구를 수행했다.

또 주요 녹조 원인종인 마이크로시스티스(Microcystis)는 유전적 변이가 매우 높은 박테리아로 알려져 있으며, 유전형(genotype)의 구성도 환경조건에 따라 민감하게 변화하는 것으로 알려져 있었다.

이 연구에서는 마이크로시스티스 유전형별 상호작용 네트워크도 구축함으로써, 보다 상세한 녹조 발생과 사멸 과정에 대해서도 연구를 수행하였다.

네트워크 분석 결과, 미생물은 더욱 밀접한 상호작용하는 구성원들끼리 모듈(module)이라고 하는 단위를 형성하였으며, 대청호의 미생물들은 10개 미만의 주요한 모듈을 형성하였다.

마이크로시스티스가 속한 모듈에 있는 미생물들은 녹조 발생 시기에 맞추어 동시에 증감하는 패턴을 보였으므로, 이 모듈의 미생물들은 녹조의 발생과 사멸에 가장 큰 기여를 하는 것으로 추정되었다.

마이크로시스티스는 수도아나배나(Pseudanabaena)라는 다른 남조류와 매우 강하게 연결되어 있었으며, 마이크로실라시(Microscillaceae), 피렐룰라(Pirellula), 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales) 등의 박테리아와도 밀접한 상호작용을 보였다.

마이크로시스티스 유전형 기반 상호작용 네트워크를 분석한 결과에서는, 계절에 따른 우점* 유전형 및 상호작용 미생물 구성의 변화뿐만 아니라, 독소 종류별 주요 생산 유전형도 판별할 수 있었다.

여름철과 가을철 우점하는 마이크로시스티스 유전형은 달랐으며, 상호작용하는 미생물의 종류도 달랐다. 여름철 우점 마이크로시스티스 유전형이 더 다양하였으며, 네트워크도 복잡했던 반면, 가을철 우점 유전형은 단 2개였으며, 네트워크도 매우 단순했다.

여름철 녹조 사멸에는 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales)라는 기생성 남조류가, 가을철 녹조 사멸에는 스키스토디압토머스(Skistodiaptomus)라는 동물플랑크톤의 기여도가 높은 것으로 나타났다.

여름철 유전형만이 남조류 독소인 마이크로시스틴(microcystin)을 생산하며, 독소 종류별 주요 합성 유전형에서도 차이가 있었다.

연구책임자인 안치용 박사는 “이번 연구성과는 녹조가 발생, 사멸하는 과정에서 어떤 미생물들과 상호작용하며 중요하게 작용하는지, 구체적인 생물학적 과정을 최초로 밝힌 것”이라며, “최근 널리 연구되는 마이크로바이옴 및 네트워크 분석 기술을 녹조 연구에도 적용시켰다는데 의의가 있으며, 차후 녹조 발생에 도움을 주는 특정 박테리아 군집의 특성을 이용해 이들의 생장을 억제하는 환경조건을 조성하는 등 친환경적인 녹조 제어기술을 개발하는데 기여 할 수 있을 것으로 생각한다”고 밝혔다.

한편 생명연은 녹조 문제의 현재를 진단하고, 이를 바탕으로 지속 가능한 녹조제어 관련 R&D를 지속해오고 있다.

■용어설명

*광수용체 단백질(photoreceptor) : 광합성 등을 수행하기 위해 식물이나 조류가 갖고 있는 단백질로, 빛에 반응해 구조나 활성이 변하는 것이 특징이다. 본 연구에서는 청색 빛에 반응해 복합체를 형성한다고 알려진 애기장대(Arabidopsis thaliana)에 있는 크립토크롬2(Cryptochrome2, CRY2) 단백질을 사용하였다. CRY2 단백질은 청색 빛을 받으면 여러 개가 결합되어 복합체를 형성한다.

*유전형(genotype) : 동일한 종명(species name)을 갖고 있더라도 모든 유전자 구성을 동일하게 갖고 있지는 않으며, 같은 유전자라도 염기서열에 차이가 있는데, 동종 내에서 이처럼 유전적 구성이 다른 것들을 유전형 또는 strain이라고 부름.

*우점 : 생물 군집에서 특정 종이 가장 많은 개체수를 갖고 있어서, 전체의 성격을 결정하고 그 군을 대표하는 것.

 

 


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