해양 마이크로비옴 내 생합성 유전자 클러스터 발굴

Abstract

해양 마이크로비옴은 질소 및 영양분 등의 에너지 순환 과정에 중요한 역할을 하며, 미생물이 만들어내는 대사 물질은 인간의 환경과 건강에 중요한 영향을 미친다고 알려져 있다. 특히 이차대사과정 중에 생성되는 이차대사물질은 항생제와 항암물질로서의 중요한 역할을 하기 때문에 많은 연구가 이루어져왔다. 생합성 유전자 클러스터(Biosynthetic Gene Clusters, BGCs)는 특정 유전체 내에서 두 개 또는 그 이상의 유전자들이 물리적으로 묶여있어 이차대사물질을 만들어내는 생합성 경로를 암호화한다. 이는 모듈이라는 메커니즘에 의해 작용기의 전달 및 추가에 따라 화합물의 사슬이 연장되며 합성이 진행되기 때문에 정확한 도메인 및 클러스터 동정이 중요하다. 특정 환경에서의 포괄적인 조사로서 마이크로비옴 내 다양한 생합성 유전자 클러스터의 유전체 정보를 얻어야하고 이에 대한 분석이 이루어져야한다. 이제까지 대부분의 연구들은 배양된 미생물로부터 생합성 유전자 클러스터를 동정하는데 초점을 맞춰왔다. 시퀀싱 되지 않은 특정 환경 내 풍부한 미생물의 새로운 생합성 유전자 클러스터에 대해 자세하게 연구할 필요가 있다. 최근 십년 동안, 고성능 시퀀싱 기술을 통해 수천 개의 미생물 유전체 정보를 마이크로비옴으로부터 배양을 하지 않고 얻어낼 수 있었다. 본 연구에서는 해양 마이크로비옴 내 modular type I PKS 그리고 NRPS 생합성 유전자 클러스터에 초점을 맞추었다. 참조유전체로부터 클러스터 간, 클러스터 내의 중심 도메인 시퀀스 유사도를 추정하였는데 modular typeⅠPKS 클러스터 KS 도메인의 경우 같은 종, 같은 클러스터 내 도메인 유사도는 약 70%로 도메인 보존이 높은 반면에, NRPS 클러스터 C 도메인의 경우 같은 종, 같은 클러스터 내 도메인 유사도가 약 45%로 비교적 낮았다. 이를 기반으로 12개의 해양 마이크로비옴 시퀀싱 데이터로부터 생합성 유전자 클러스터 유전자 패밀리와 상동성을 보이는 컨티그를 모으는 접근 방법을 적용하였다. 동정된 생합성 유전자 클러스터와 단백질 시퀀스는 참조 유전체와 비교하여 계통분류학적 분석 및 미생물 다양성 조사 그리고 생합성 유전자 클러스터의 분포도를 통해 단일 유전체에 기반한 연구의 한계를 극복하는데 도움을 줄 수 있다.