​ 지난 22일은 지구의 날이었습니다. 지구는 광활한 바다에서 미세한 미생물 세계에 이르기까지 수많은 상호 연결된 부분으로 구성되어 있음을 기억하는 것이 중요합니다. 작은 크기에도 불구하고 미생물은 우리 세계를 형성하는 데 큰 역할을 합니다. 구름 형성에서 식량 생산, 의약품, 그리고 잠재적으로 인간 행동에 이르기까지 모든 것에 영향을 줍니다. 

  Michigan Technological University의 한 연구팀은 우리 시대의 가장 큰 환경 및 인도주의적 문제인 플라스틱 폐기물과 식량 불안정 해결에 도움이 될 만한 박테리아를 찾고 있습니다. 

  미생물에 의한 플라스틱 직접 분해는 플라스틱 폴리머가 분해되는 데 많은 에너지가 필요하기 때문에 종종 느리고 비효율적인 과정입니다. 그러나 플라스틱 분해를 위한 화학적 방법은 플라스틱을 미생물이 처리하고 바이오매스로 보다 완벽하게 전환할 수 있는 중간 화합물로 빠르게 분해할 수 있습니다. 

  Michigan 대학의 Techtmann박사 연구 그룹은 플라스틱을 푸드로 전환하기 위한 화학적 및 생물학적 공정을 개발하고 있습니다. 이 시스템에는 두 가지 화학 공정과 플라스틱 기반 투입물에서 성장할 수 있는 박테리아 군집을 사용하여 올레핀 플라스틱(HDPE, LDPE, PP) 및 에스테르 기반 플라스틱(PET)을 바이오매스로 전환하는 것이 포함됩니다. 이 과정에서 배양된 박테리아 바이오매스는 미생물 세포로 회수되어 영양 효모 또는 스피루리나와 유사한 방식으로 식품 또는 식품 보조제(예: 단세포 단백질)로 사용될 수 있습니다. 연구 초기에 Techtmann 연구팀은 시스템 내 바이오매스의 성장 효율을 최적화하고 증가시키기 위해 개발한 플라스틱 분해 미생물 군집 내에서 고유한 종과 균주를 확실하게 구분하고 특성을 확인할 수 있는 방법이 필요하다는 것을 깨달았습니다.

Kickstarting progress with PacBio long-read metagenomics

연구팀은 플라스틱을 소화하고 다른 물질로 전환하는 데 사용되는 미생물 군집에 대해 short read 데이터만 가지고 있어 군집 구성과 군집의 기능적 능력에 대해 완전히 이해하지 못한 상태였습니다. 2021년 PacBio SMRT grant를 통해 PacBio long-read metagenomics을 활용하여 이러한 정보 격차를 메우고 공정 설계를 발전시키기 위해 실험 미생물 군집 내에서 발견된 균주에 대한 메타게놈 조립 게놈(MAG)을 성공적으로 캡처하고 완성할 수 있었습니다. 

Figure 1. A comparison of quality metrics for metagenome assembled genomes (MAGs) recovery between short-read sequencing and PacBio long-read sequencing performed on two communities of plastic degrading microorganisms. Image credit: Techtmann Lab. 

HiFi MAG를 활용하여 보다 효과적으로 유전자를 식별하고 기능을 규명함으로써 플라스틱 해체에서 특정 대사 기능을 수행하는 유기체를 이해하는 데 도움이 되었으며 군집 내 상호작용 등의 세부 사항을 파악할 수 있었습니다.  

Figure 2. Metagenome assemble genome (MAG) completeness and contamination scores along with taxonomic assignments for the major HDPE and PET degrading species in the Techtmann groups experimental microbial consortia. Image credit: Techtmann Lab. 

이제 PacBio HiFi metagenomics를 활용하여 미생물 군집 구조에 대한 보다 명확한 그림에 접근이 가능해졌습니다. Techtmann 박사의 연구팀은 플라스틱 폐기물에서 바이오매스 생산과정을 보다 세분화하는 것에 목표를 두고 최적화 방법에 초점을 맞추고 있습니다. 화학 분석과 whole animal screening, 독소 및 알레르기를 일으키는 물질의 생성과 관련된 유전자의 인실리코 스크리닝을 통해 미생물 바이오매스의 안전성과 영양 성분을 검사하기 위한 파이프라인을 계획하기 시작했습니다. 연구팀은  화학 및 생물학적 과정을  결합하여  전 세계 사람들이 기아와 싸우는 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 저비용 건강 보조 식품을 생성하는 동시에 플라스틱 폐기물을 줄여 더 깨끗한 환경을 만들 수 있기를 희망합니다.

염기서열 분석 기술은 미생물 연구의 잠재력을 최대한 실현하는 데 필요한 read 길이와 정확도가, 그 어느 때보다 전 세계의 더 많은 연구팀들이 더 빠르고 적은 비용으로  접근할 수 있는 새로운 시대로 접어들고 있습니다. 그럼에도 불구하고 우리의 일상 생활에서 미생물의 존재는 여전히 심오하고 많이 알려지지 않았습니다. 

metagenomics에서 HiFi 염기서열 분석은 완전히 새로운 발견의 길을 개척하고 탐구할 수 있을 뿐만 아니라 인류가 속해 있는 생태계와 보다 지속 가능하게 상호 작용할 수 있는 방법에 대한 중요한 의미와 함께 기존 과제를 재검토할 수 있도록 합니다.

HiFi Reads Offer the Benefits of Short Reads and Long Reads in One Easy-to-Use Technology

HiFi read는 모든 변이 유형을 감지할 수 있는 높은 정확도 (> 99.9 %)와 가장 복잡한 유전체와 전체 전사체를 assemble하는데 필요한 충분히 긴 길이(최대 25kb)를 제공합니다.