미생물 DNA 바코드

Microbial DNA barcoding
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미생물 DNA 바코딩은 미생물의 혼합물을 특징 짓기 위해 DNA 메타바코딩을 사용하는 것이다. DNA 메타코딩은 보편적인 유전자 표지를 사용하여 유기체의 혼합물의 DNA를 식별하는 DNA 바코드 방식이다.[1]

역사

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DNA 바코드
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DNA 바코드 • 메타바코드
by taxa
기타

미생물 집단을 평가하기 위해 메타바코드를 사용하는 것은 오랜 역사를 가지고 있다. 1972년, Carl Woese, Mitchell Sogin, Stephen Sogin은 처음에 5S rRNA 유전자를 사용하여 박테리아 내의 여러 가족을 발견하려고 시도했다.[2] 불과 몇 년 후, 세 개의 영역을 가진 새로운 생명의 트리가 다시 Woese와 동료들에 의해 제안되었는데, Woese는 처음으로 리보솜 RNA(SSU rRNA) 유전자의 작은 서브 유닛을 사용하여 박테리아, 고고학, 진핵생물을 구별했다.[3] 이 접근법에서 SSU rRNA 유전자는 원핵생물(16S rRNA)과 진핵생물(18S rRNA) 모두를 위해 가장 자주 사용되는 유전자 표지가 되도록 했다. 염기서열 분석을 위해 DNA 조각을 복제하는 지루한 과정은 염기서열 기술의 꾸준한 향상으로 인해 구속되었다. 2000년대 초 HTS(High-Throughput-Sequencing)가 개발되고, 현대 생물정보학 및 클러스터 알고리즘을 사용하여 이 방대한 데이터를 처리할 수 있게 되면서 미생물 생물을 조사하는 것이 훨씬 쉬워졌다.

유전자 표식기

유전적 다양성은 종마다 다르다. 따라서 게놈의 표준 부분으로부터 짧은 DNA 서열을 회복함으로써 구별되는 종을 식별하는 것이 가능하다. 이 짧은 시퀀스는 바코드 시퀀스로 정의된다. 게놈의 특정 부분이 바코드로 기능하도록 하는 요건은 서로 다른 두 종 사이의 높은 변화여야 하지만, 개별 종을 더 쉽게 구별할 수 있도록 같은 종에 속하는 두 개인 사이의 유전자에 큰 차이가 없어야 한다.[4][5] 박테리아와 고고학 둘 다 16S rRNA/rDNA 유전자가 사용된다. 모든 원핵생물에서 흔히 볼 수 있는 하우스키핑 유전자로 원핵생물 다양성을 평가하기 위한 표준 바코드로 사용된다. 양성자의 경우 해당 18S rRNA/rDNA 유전자가 사용된다.[6] 다른 종류의 곰팡이를 구별하기 위해 리보솜씨스트론의 ITS(Internal Transcorrated Spacer) 영역이 사용된다.[7]

이점

주로 박테리아, 곰팡이, 단세포 진핵생물로 이루어져 있다는 것을 알고 있지만, 미생물 세계의 기존 다양성은 아직 완전히 풀리지 않고 있다.[4] 미생물 진핵생물의 분류학적으로 식별하려면 매우 숙련된 전문지식이 필요하며, 작은 크기의 유기체, 조각난 개인, 숨겨진 다양성, 암호화된 종으로 인해 종종 어렵다.[8][9] 게다가, 원핵생물들은 너무 작고 형태학적으로 구분할 수 없기 때문에, 현미경과 같은 전통적인 방법을 사용하여 분류학적으로 할당될 수 없다. 따라서 DNA 메타코딩의 활용을 통해 짧은 HTS(High Processional Sequence, HTS)에서 파생된 유전자 파편을 참조 시퀀스 데이터베이스(예: NCBI)에 매칭함으로써 분류학적 전문지식이 없는 유기체를 식별할 수 있다.[10] 이와 같이 언급된 품질은 DNA 바코드를 비용 효율적이고 신뢰할 수 있으며 시간이 덜 걸리는 방식으로 만들어 대규모 환경 평가에 대한 증가하는 요구를 충족시킨다.

적용들

많은 연구가 Woese et al.의 첫 사용법을 따랐고, 현재 다양한 용도를 다루고 있다. 생물학적 또는 생태학적 연구에서만 메타코딩이 사용되는 것은 아니다. 또한 의학 및 인간 생물학에서는 박테리아 바코드가 사용된다. 예를 들어 정상 및 비만 쌍둥이의[11] 인체 내장의 미세 생물체와 박테리아 식민지화 또는 신생아, 소아 및 성인 내장의 박테리아 구성 비교 연구를 위해 사용된다.[12] 또한 바코딩은 강과 개울의[13] 생물역학 및 초원 복구에 중요한 역할을 한다.[14] 보존 기생충학, 환경 기생충학, 고생물학 등은 질병 조사와 관리에 유용한 도구로서 바코딩에 의존한다.[15]

시아노박테리아

시아노박테리아는 광합성 원핵생물의 집단이다. 다른 원핵생물들과 마찬가지로 DNA 서열을 이용한 시아노박테리아 분류법은 대부분 16S 리보솜 유전자 내의 유사성에 기초한다.[16] 따라서 시아노박테리아 식별에 가장 많이 사용되는 바코드는 16S rDNA 마커다. 원핵생물 내에서 종을 정의하기는 어렵지만, 16S 마커를 사용하여 개별 운영 분류 단위(OTU)를 결정할 수 있다. 어떤 경우에, 이러한 OTU는 전통적으로 정의된 종과도 연결될 수 있으며 따라서 진화 관계의 신뢰할 수 있는 표현으로 간주될 수 있다.[17]

현미경으로 본 돌리코스페르무움속으로부터 시아노박테리아.

그러나 시아노박테리아 전체 공동체의 분류 구조나 생물다양성을 분석할 때(DNA 메타코딩 참조), 시아노박테리아 전용 표지를 사용하는 것이 더 유익하다. 범용 16S 박테리아 프라이머는 환경 샘플에서 시아노박테리아 rDNA를 분리하는 데 성공했지만, 많은 박테리아 시퀀스를 회복하기도 한다.[18][19] 시아노박테리아[20] 특정 또는 피토 특정 16S 마커의 사용은 일반적으로 시아노박테리아에만 초점을 맞추는 데 사용된다.[21] 그러한 프라이머 몇 세트는 환경 샘플의 바코드나 메타코딩에 대한 테스트를 거쳐 좋은 결과를 얻었으며, 대부분의 비포토사이신성 유기체 또는 비-시아노박테리아 유기체를 선별했다.[22][21][23][24]

데이터베이스에서 사용할 수 있는 시아노박테리아 유전체의 수가 증가하고 있다.[25] Besides 16S marker, phylogenetic studies could therefore include also more variable sequences, such as sequences of protein-coding genes (gyrB, rpoC, rpoD,[26] rbcL, hetR,[27] psbA,[28][29] rnpB,[30] nifH,[31] nifD[32]), internal transcribed spacer of ribosomal RNA genes (16S-23S rRNA-ITS)[33][25] or phycocyanin intergenic spacer (PC-IGS).[33] 그러나 nifD와 nifH는 질소고정 시아노박테리아 균주의 식별에만 사용할 수 있다.

시아노박테리아의 DNA 바코드는 다양한 생태학, 진화학, 분류학 연구에 적용될 수 있다. 시아노박테리아 다양성과 공동체 구조 평가,[34] 생태학적으로나 경제적으로 중요한 물체에서[35] 유해한 시아노박테리아 확인, 해양 무척추동물에서 시아노박테리아 공생물의 평가 등이 대표적이다.[24] 시아노박테리아 발생을 위한 일상적인 모니터링 프로그램의 일부일 뿐 아니라, 수채류에서 잠재적으로 독성이 있는 종을 조기 발견하는 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이것은 해로운 종들이 꽃을 피우기 시작하기 전에 발견하는 데 도움을 줄 수 있고 따라서 우리의 물 관리 전략을 개선할 수 있을 것이다. 환경 DNA에 기초한 종 식별은 현미경을 이용한 전통적인 식별이 어렵기 때문에 시아노박테리아에 특히 유용할 수 있다. 종 구분의 기초가 되는 그들의 형태학적 특성은 성장 조건에 따라 다양하다.[20][36] 현미경으로 식별하는 것 또한 시간이 많이 걸리기 때문에 상대적으로 비용이 많이 든다. 분자법은 표본 내 시아노박테리아 세포의 농도가 기존 식별법보다 훨씬 낮은 것을 검출할 수 있다.

참조 데이터베이스

참조 데이터베이스는 종이나 함수에 할당되는 DNA 시퀀스의 모음입니다. 그것은 분자가 얻은 유기체의 배열들을 기존의 분류법과 연결시키는 데 사용될 수 있다. NCBI 플랫폼과 같은 일반 데이터베이스는 전체 게놈 또는 모든 유기체의 특정 표식 유전자와 같은 모든 종류의 시퀀스를 포함한다. 또한 서로 다른 유기체 그룹의 시퀀스만 저장되는 플랫폼도 있다. 예를 들어 곰팡이 시퀀스 전용 UNITE 데이터베이스[37] 또는 프로토리스트 리보솜 시퀀스 전용 PR2 데이터베이스.[38] 일부 데이터베이스는 커리큘럼이 되어 있어 커리큘럼되지 않은 데이터베이스를 참조로 사용하는 것보다 정확도가 높은 분류학적 할당이 가능하다.

참고 항목

참조

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