화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀,

디지털 가상세포로 개인맞춤형 프로바이오틱스 설계 기술 개발

- 개인별 식이습관, 마이크로바이옴 조성에 따른 최적의 균주 배합 예측 가능

화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀이 디지털 기술을 활용해 개인맞춤형 마이크로바이옴 기반의 차세대 프로바이오틱스 디자인 기술을 처음으로 공개했다. 연구팀은 디지털 트윈 가상세포 모델과 오믹스/마이크로바이옴을 비롯한 빅데이터를 통합적으로 활용해 다양한 프로바이오틱스 균주를 컴퓨터로 분석·평가한 후 최종적으로 개인별 맞춤형 균주를 선정할 수 있는 설계 기술을 개발하였다.

'디지털 트윈 가상세포 모델'은 실제 세포의 유전체 정보로부터 수학적으로 디지털화한 소위 '세포 네비게이터' 혹은 '세포 아바타'이다. 이를 활용하면 여러 환경 조건에서 실제 세포 상태를 모사하고, 세포의 변화 양상을 예측할 수 있다.

근래 장내건강에 도움을 주는 프로바이오틱스는 국내뿐만 아니라 전 세계에서도 많은 인기를 얻고 있는 건강기능식품이다. 살아 있는 프로바이오틱스는 개인별 식이습관, 장내미생물(마이크로바이옴) 조성, 프리바이오틱스 등 다양한 요인에 영향을 받으며 상피세포 및 장내미생물과의 상호작용을 통해 건강 기능성을 갖는다.

하지만, 관련 메커니즘이 복잡하여 지금까지는 주로 연구가 경험적으로 진행되어 왔으며, 이는 많은 시간과 인력, 비용이 필요할 뿐만 아니라 관련 지식이 부족하여 개인맞춤형 프로바이오틱스 개발에는 많은 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복하기 위해 이동엽 교수 연구팀은 디지털 가상세포을 활용하여 다양한 식이조건에서 여러 균주들의 생장, 군락화 능력, 건강 기능성 물질(포스트바이오틱스) 생산과 장내미생물과의 상호작용 등을 컴퓨터에서 미리 평가하여 개인에게 최적화된 균주를 선정하는 새로운 접근법을 제시하였다. 연구팀은 배양 실험, 동물 실험, 균주 공동배양(co-culture) 실험을 통해 예측 결과와 실험 결과가 매우 유사함을 확인하였고, 개발한 설계기술을 성공적으로 검증하였다.

이동엽 교수는 "현재는 단일 균주에서 다양한 복합 균주의 조합과 배합을 선정하는 연구로 확대하는 단계"라며 "이번 연구를 기반으로 건강기능식품뿐만 아니라, 바이오 화장품 및 마이크로바이옴기반 생균치료제(Live Biotherapeutic Products) 신약 개발에도 프로바이오틱스를 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 농기평의 고부가가치 식품기술개발사업, 그리고 연구개발특구진흥재단의 화이트바이오 혁신 클러스터 사업의 지원으로 이루어졌으며 싱가포르 국립연구소 A*STAR와 공동으로 진행되었다. 이번 연구 결과는 과학분야 국제학술지 Cell Reports에 12월 6일 온라인 게재되었다.

▲ 개인맞춤형 프리/프로/포스트바이오틱스 설계를 위한 디지털 전환기술 및 활용

※ 논문명: Systematic evaluation of genome-wide metabolic landscapes in lactic acid bacteria reveals diet-induced and strain-specific probiotic idiosyncrasies

※ 저널: Cell Reports

※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111735