미생물은 생명공학 산업에서 널리 이용되고 있는 핵심소재로 고부가가치 자원
토양 속 미생물 다양성(마이크로바이옴) 연구는 어떤 의미가 있나요?
미생물은 지구 전체 생물종 다양성의 50% 이상을 차지하며, 전체 생물체량의 약 60%를 차지하고 있다. 미생물은 유전적 다양성과 함께 기능적 다양성을 통해서 지구 생태계의 핵심적인 위치를 차지하고 있을 뿐 아니라 인류에게는 없어서는 안 될 엄청난 경제적 가치를 제공하고 있다. 미생물은 고부가가치 자원으로서 현재 생명공학 산업에서 이용되고 있는 핵심소재 중의 하나로서 세계 각국은 고부가가치 신기능 미생물의 분리, 탐색을 위해 미생물 종 자원 확보에 심혈을 기울이고 있을 뿐만 아니라 국제간 경쟁도 치열해지고 있다.
토양은 미생물자원의 보고로 토양 1g 당 세균 104~106종이 존재할 것으로 추정되고 있다. 그러나 과학기술이 빠른 속도로 발전하고 있음에도 불구하고 지구상에 존재할 것으로 예상되는 전체 미생물 종의 약 1% 미만만이 발견된 것으로 추정된다. 생물자원의 발굴‧확보 이전에 국내에 서식하는 미생물의 현황파악은 국가생물자원의 다양성을 높이기 위해 주요한 근거가 된다. 최근 43개국 160개 연구소 500여 명의 연구원으로 구성된 국제 연구컨소시엄인 '지구 마이크로바이옴 프로젝트'(Earth Microbiome Project·EMP)는 약 30만종의 미생물에 각각 일종의 '신분증'을 부여하고, 이를 데이터베이스(DB)로 만들어 국제학술지 '네이처'(Nature)에 보고했다(2017.11).
국립생물자원관과 박수제 제주대 교수팀이 광물찌꺼기 적재장 토양에 서식하는 세균 1,791종의 유전자 정보를 최근 확보했다.
국립생물자원관은 자생생물 조사‧발굴사업의 하나인 ‘폐광미 지역 서식 원핵생물의 다양성 조사 및 미발굴종 탐색’ 사업을 수행하여, 자생 세균의 서식 정보를 올해 9월 국제학술지 ‘미생물과 환경(Microbes and Environments)’에 투고했다. 폐광미(광물찌꺼기)란 광산개발과정에서 금, 은 등 유용광물 회수를 위한 일련의 과정에서 발생되는 찌꺼기로 비소, 납 등과 같은 중금속이 함유되어 있으며, 폐광미를 적재한 후 토양을 상부에 덮는 등 지정장소에서 관리된다. 이번에 밝혀진 세균 서식 정보는 경기 화성, 경북 봉화, 대구 달성에 위치한 광물찌꺼기 적재장의 비소, 구리, 납 등 중금속 오염이 심한 극한 환경의 토양에서 확보된 것이다.
연구진이 채취한 토양에 대해 차세대 염기서열(유전자) 분석법(NGS)으로 세균의 다양성을 조사한 결과, 지점별로 152종에서 1,791종까지 ‘미생물 종 다양성(마이크로바이옴)’을 확인했다. 마이크로바이옴(microbiome)은 환경에 공생하며 살아가고 있는 미생물 군집과 그들의 유전 정보를 의미하며, DNA 염기서열 분석기술의 발달과 세계적으로 축적되는 빅데이터에 의해 빠르게 발전하고 있는 분야이다.
확인 종들의 약 80%는 유전자로만 확인되는 미지의 세균들로, 여러 생물들 중 세균이 신종 발굴의 가능성이 매우 높은 것으로 확인됐다. 특히 광물찌꺼기 토양에선 일반 토양에서 발견하기 힘든 속(屬)들인 렙토스필럼(Leptospirillum, 최대 48%), 엑시디티오바실러스(Acidithiobacillus, 최대 22%), 엑시디페로박터(Acidiferrobacter, 최대 9%) 등의 구성 비율이 높게 나타났다. 렙토스필럼과 엑시디페로박터 속은 철을 산화하는 능력이, 엑시디티오바실러스 속은 황을 산화하는 능력이 있어 황철석 등으로부터 철 등의 유용금속을 분리하는 생물채광에 이용될 수 있는 세균이다. 이들 미생물은 폐광물에서 추가로 채광을 할 수 있게 해주며, 채광할 때 필요한 약 800℃의 온도를 30℃까지 낮출 수 있기 때문에, 에너지 비용을 아낄 수 있다.
생물채광이란 미생물이 서식하며, 산화 및 환원 반응으로부터 에너지를 공급받고, 광물로부터 경제적으로 가치 있는 금속을 배출시키는 능력을 이용한 채광법을 말한다. 연구진은 대기 환경 개선에 활용하거나 신소재 생산에 이용 가능한 세균들도 확인했다. 소수이긴 하나 대기질 개선, 바이오 화합물 생산에 이용 가능성이 있는 엑시디필리엄(Acidiphilium, 최대 0.9%), 쿠프리아비두스(Cupriavidus, 최대 1.6%) 속도 나타났다. 엑시디필리엄은 황을 에너지원으로 이용하여 황산의 형성을 억제하기 때문에 온실가스인 이산화탄소를 줄이는데 도움을 준다. 황산은 암석을 녹여 대기에 이산화탄소를 방출하게 만든다.
쿠프리아비두스는 이산화탄소를 대사과정에 이용하여 생분해성 플라스틱의 제조에 사용가능한 생분해성 고분자를 생산하는 것으로 알려져 있다. 생분해성 고분자란 생물의 대사과정에 의해 분해되는 화합물로 연구진은 이번에 확인한 세균 정보가 향후 유용 미생물의 탐사 및 발굴의 자료로 활용될 수 있도록 산‧학‧연 등 연구자들에게 제공할 계획이다. 미생물은 생명공학 산업에서 널리 이용되고 있는 핵심소재로 고부가가치 자원으로 나고야의정서 대응 및 국가 생물자원의 가치 증진을 위해 유용 미생물자원을 지속적으로 발굴해 나갈 필요가 있다.
새로운 자생 생물자원을 발굴하고 잠재적인 가치를 밝혀내는 일은 국립생물자원관의 가장 큰 임무로서 우리나라 토양에 서식하고 있는 세균의 마이크로바이옴 정보는 특정 미생물 및 이의 전략적 발굴을 위한 기초자료 또는 지역별 세균의 서식 특성 연구에 이용된다. 지속적으로 축적되는 국내 서식 미생물의 마이크로바이옴 정보 및 발굴되는 미생물자원들은 산‧학‧연 등 관련 연구자들이 활용할 수 있도록 제공할 계획이어서 관련 산업의 활성화에 많은 도움이 될 것이다.
