개(Canis lupus familiaris)는 식육목 개과에 속하는 동물로 회색 늑대(Canis lupus)의 아종입니다. 미토콘드리아 DNA 분석 결과 현대의 개와 회색 늑대는 약 10만 년 전에 분화된 것으로 추정하고 있으며, 최근 화석을 이용한 연구에서는 3만 5천 년 전에 분화되었을 것이라고도 합니다. 개과의 늑대, 코요테, 자칼, 개는 서로 자유롭게 교잡할 수 있으며 이들의 잡종 역시 번식력을 유지하기 때문에 개는 "아종" 입니다. 인간이 처음 가축으로 삼으면서 인간과 밀접한 관계를 유지해 왔고, 더 나아가 인간의 소외현상을 개선하고, 공동체 생활의식 향상에도 이바지하면서 "반려견"으로 불리고 있습니다.



현재의 반려견으로 진화하는 과정에서 인간에 의해 계속 "품종 개량"되었습니다. 품종을 공인받기 위해 특정한 특징만을 남기는 과정에서 유전자 병목현상이 있었고, 이로 인해 적절한 유전적 다양성을 확보하지 않으면 유전적으로 취약한 질병을 갖게 되었습니다. 순종 반려견을 선호하는 경향은 근친 교배를 심화시켰고, 유전병이 빈번하게 되었습니다. 대표적인 반려견의 유전병으로 고관절 이형성증(Hip dysplasia), 슬개골 탈구(Patellar Luxation), 퇴행성 골수염(Degenerative Myelopathy), 백내장(Cataract) 등이 있고, 일부는 퇴행성으로 반려견 노년 삶의 질을 크게 떨어뜨리기도 합니다.

(퇴행성 유전질환 가운데 하나인 슬개골 탈구 - 왼쪽 정상)

반려견의 건강 역시 인간과의 삶에 영향을 미치기 때문에 유전병 여부를 사전에 알 수 있다면, 건강 관리, 교배 계획에 참고할 수 있습니다. 특히, 퇴행성 유전 질환의 경우 발병 전 예방하는 조치를 하거나, 발병 초기에 대응하여 증세가 심해지는 것을 방지할 수 있습니다. 이를 위한 반려견 유전자 검사 서비스가 최근 국내외에 소개되기도 했습니다. 직접 고객에게 제공하는(DTC, direct to customer) 인간 유전자 검사 서비스가 각종 규제로 인해 활성화 어려운 것과 비교하여, 반려견 대상은 규제에서 비교적 자유롭다는 장점이 있긴 하지만, 그렇다고 과학적 합리성에 근거하지 않으면 안 되겠지요.

웹에서 검색해 본 국내외 반려견 유전자 검사 서비스 현황입니다.

이들 서비스는 반려견 유전 질환에 대한 검사와 함께 혈통검사, 품종판별 서비스를 제공하기도 합니다. MyDogDNA의 경우에는 "Puppy search engine" 이라는 온라인 서비스를 통해 유전자 검사 결과와 함께 교배 프로그램으로 원하는 형질을 얻을 수 있는 짝을 추천하기도 합니다. 국제적으로 유명한 사료회사 로얄캐닌(Royal Canin)은 혈통정보, 표현형정보, 유전자 검사 결과를 통합하여 맞춤형 사료를 추천하는 고급 서비스를 제공합니다.

이들 서비스는 유전자 검사를 위한 유전좌위(locus)를 어떻게 정했을까요? 생물종별 유전 질환 데이터베이스를 참고했을 것으로 추정됩니다. 인간을 위한 유전 질환 데이터베이스로 OMIM(Online Mendelian Inheritance in Man) 이 있고, 대표적인 NCBI 데이터베이스 가운데 하나입니다. 유사하게 동물을 위한 데이터베이스로 OMIA(Online Mendelian Inheritance in Animal) 가 있습니다. 135여 개의 동물 종에 대한 유전 질환, 연관된 유전자 혹은 유전좌위 정보를 제공하고 있습니다. 예상했던 것처럼 "Dog"의 정보가 가장 많습니다. 반려견에서 원인 유전변이가 알려진 유전형질 혹은 유전 질환은 2018년 8월 현재 243개입니다.

(동물 유전 질환 정보 데이터베이스인 OMIA 홈페이지 http://omia.org)

반려견의 주요한 유전 질환에 대한 새로운 유전좌위를 찾기 위한 전장유전체 연관분석 (GWAS, Genome-wide association analysis) 연구도 활발합니다. 최근 150품종, 4,224개체, 고관절 이형성증을 포함한 7개 복합 질환에 대한 GWAS 연구 결과가 보고되기도 했습니다 (Jessica et al., Complex disease and phenotype mapping in the domestic dog., Nature Communications 2016).

하지만, 아직은 기반 연구가 많이 부족한 상황입니다. 우리와 가장 가까운 생물 종이며, 친구이고, 가족이기도 한 반려견이 유전 질환으로 고생하지 않고, 건강하게 함께 하기 위해서는 더 많은 유전 질환, 종합적인 데이터 분석 연구 등이 필요합니다. GWAS를 비롯한 다양한 연구로 유전 질환과 연관된 유의한 유전변이를 찾아내면 이를 유전자 검사로 확인하여 반려견 유전 질환 여부를 사전에 알 수 있거나, 교배 프로그램에서 관리할 수 있습니다. 퇴행성 유전 질환의 경우 사전에 예방하거나, 초기에 집중 치료함으로 악화되는 것을 막고 반려견 노후 삶 질을 개선할 수 있습니다. 다양한 연구성과로 반려견과 우리의 건강한 삶에 이바지할 수 있기를 희망합니다.

인실리코젠은 반려동물연구사업단에 참여하여 "반려견 퇴행성 조기진단 바이오마커 개발 연구"를 수행하고 있습니다. 본 블로그를 통해 지속적으로 연구 성과를 소개하고자 합니다. 응원 부탁드립니다.

데이터사이언스센터 센터장 김형용

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봄에 피는 유채꽃

싱그러운 봄꽃 구경은 많이 하셨나요? 추운 겨울을 지나고 따듯한 봄에는 정말 많은 꽃이 핍니다. 가장 먼저 피는 진달래부터 벚꽃, 동백꽃, 철쭉 등 정말 다채로운 꽃들이 개화하는 시기여서 많은 사람을 설레게 합니다. 특히 제주도를 비롯한 남부 지방에 광활하게 개화한 유채꽃밭은 관광명소로도 유명합니다.

이미지 출처 : 출사코리아 남지유채꽃 축제 김병영作  http://chulsa.kr/23046174

유채는 관상용뿐만 아니라 카놀라유, 쌈 채소인 가랏나물, 부신백질이양증(ALD) 치료제인 로렌조 오일에 원료 등으로 사용됩니다. 또한, 유채는 생물학계에 큰 파문을 일으킨 식물 중 하나입니다. 유채의 경우 배추와 양배추의 자연 교잡으로 생겨난 식물이며 '종의 합성' 이론을 뒷받침해주는 식물입니다.

이러한 사실을 증명해 낸 것은 '씨 없는 수박'으로 유명한 한국의 육종학자 우장춘 박사님입니다.

우장춘의 삼각형

종의 합성 이론은 '배추속 식물에 관한 게놈 분석'이라는 박사 논문을 통하여 최초로 학계에 발표했습니다. 배추(B. campestris, 염색체 수 n=10)와 양배추(B. oleracea 염색체 수 n=9) 씨앗을 교배해 새로운 식물을 만들어 냈습니다. 새로운 식물의 염색체 수는 19개이고 이는 배추의 염색체 개수 10개와 양배추의 염색체 개수 9개에서 유래된 것입니다. 결국, 이 새로운 식물은 기존의 자연 상에 존재하던 유채(B. napus 염색체 수 n=19)와 같은 식물임을 입증해낸 것입니다.

이뿐만 아니라 배추와 흑겨자(B. nigra 염색체 수 n=8)를 교배하면 갓(B. Juncea 염색체 수 n=18)이 만들어지고 흑겨자와 양배추를 교배하면 에티오피아 겨자(B. carinata)가 만들어지는 것을 밝혀냈는데 이를 우장춘의 삼각형(U's triangle)이라 부릅니다. 그는 이를 통해 속이 같고 종이 다른 식물이 유전적으로 서로 연결돼 있다는 사실을 처음으로 증명한 것입니다.

원 안은 염색체로 녹색은 배추(n=10), 파란색은 양배추(n=9), 빨간색은 흑겨자(n=8)의 염색체이며 n은 염색체 수입니다. 이들 사이에서 에디오피아 겨자(n=17), 갓(n=18), 유채(n=19)를 만들 수 있습니다.

추후 이 연구는 세종대학교 김현욱 교수(前 : 국립농업과학원 생물소재공학과 연구사) 유채 유전자 분석을 통해 '오메가6 지방산' 생산 유전자가 배추와 양배추에서 유래됐음을 확인한 사례도 있습니다.

연구 결과 유채에는 오메가6 지방산 생산 유전자인 'FAD2 불포화지방산 생산 유전자'가 4개 존재하며, 그중 2개는 배추에서 나머지 2개는 양배추에서 각각 유래됐음이 밝혀낸 것입니다.

이미지 출처 : 충북일보 2013.10.28 유채 '오메가6 지방산' 배추·양배추에서 유래 기사 발췌

유채에서 발견된 4개의 FAD2 유전자의 세포 내의 발현 위치=유채 BnFAD2-1, BnFAD2-2, BnFAD2-4는 소포체에 존재했고, BnFAD2-3은 돌연변이에 기인해 정상적인 발현 위치가 아닌 핵과 엽록체에 존재합니다.


종의 기원을 보충하다

당시까지만 해도 같은 종끼리만 교배가 가능하다는 것이 학계의 정설이었습니다. 하지만 우장춘 박사님은 같은 속에 속한 다른 두 종끼리 교배하면 같은 속에 속한 또 다른 종이 탄생할 수 있다는 사실을 입증했습니다.

다윈의 진화론은 서로 다른 종이 각자 환경에 적응해 개별적으로 진화한다는 내용입니다. 우장춘 박사님의 '종의 합성' 이론은 서로 다른 종이 교배를 통해 새로운 종으로 진화할 수 있다는 가능성을 제시했습니다.

종의 합성은 두 식물이 가진 염색체의 2배체, 즉 2n의 각각의 n이 서로 모여 다른 식물을 이룬다는 것을 보여주는 사례입니다. 즉 배추, 흑겨자, 양배추 등 세 개의 종 사이에 자연적인 교배가 일어나 유채와 같은 새로운 종이 만들어졌을 수 있다는 것을 입증하는 것입니다. 이를 통해 진화론의 '종은 자연도태의 결과로 성립된다'는 내용을 보충하는 것으로 평가받고 있습니다.


마치며

'종의 합성' 이론은 단순한 과학적 이론을 넘어 실생활에서도 많이 사용되고 있습니다. 특히 스웨덴의 경우 양배추와 다른 야채류를 교배해 여러 품종을 개발하였기에 우장춘 박사님을 세계 10대 육종학자로 인정하고 있습니다.

아직까지 해외 과학 교과서에 사실상 유일무이한 이론의 창시자로 실리는 우장춘 박사님이, 국내에선 단지 씨 없는 수박의 개발자로 알려진 것은 그만큼 우리가 그의 업적을 잘 모르고 있는 것이 아닐까요?

아름다운 유채꽃밭을 구경하시면서 유채꽃에 담겨 있는 과학적인 사실도 한번 되돌아봐 주셨으면 하는 취지에서 이 글을 올립니다.

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임상유전체란?

유전체 염기서열 및 오믹스(Omics) 분석을 통해 얻은 정보를 이용하여 환자의 질병 진단과 맞춤 치료에 사용하고자 하는 분야이며, 차세대 염기서열 분석(NGS, Next Generation Sequencing) 기술의 비약적인 발전으로 최근 크게 성장하고 있다.

많은 의료 및 연구 기관들에서 임상유전체 정보를 분석하며 질병의 원인을 이해하고 진단과 치료에 활용하고자 하는 연구들이 활발히 이뤄지고 있다.

작년 3월, 우리나라는 차세대 염기서열 분석 기반의 유전자 패널 검사가 실시되면서 NGS를 통한 임상 유전체 데이터 생산이 급격하게 늘고 있고, 정밀의학 실현을 위하여 임상유전체 분야의 관심과 발달은 전 세계에서 미래 투자 산업으로 뜨겁게 떠오르고 있다.
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임상유전체 분석을 쉽게 하는 방법

최근 NGS 데이터 분석이 대중화되긴 했지만 한정된 연구비 수준에서 NGS 데이터를 생산, 저장하고 분석하는 시스템을 구축하기는 쉽지 않다. 특히 대용량 데이터를 신속, 정확하게 분석하여 의미 있는 결과를 얻어내는 소프트웨어 기술들의 발전은 그 속도가 상대적으로 더딘 편이다.

또한, 일반적으로 대용량 데이터를 다루는 데 있어서 공개된 소프트웨어들은 커맨드라인 형식이 대부분이다 보니 생물정보를 접해보지 않은 연구자들에겐 더욱이 어려운 상황이다.

이러한 환경에서 대용량 임상유전체 분석을 쉽게 진행할 수 있는 솔루션을 소개해보고자 한다.
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- NGS raw 데이터부터 변이 확인까지

일반적으로 NGS 시퀀싱 서비스를 수행하면 1차 분석결과까지 받게 되는 경우가 많다. 하지만 변이 분석은 파라미터를 어떻게 설정하느냐에 따라 결과가 다르고 원하는 영역의 변이 정보를 얻지 못할 경우가 있다.

Biomedical Genomics Workbench는 Human Genome의 NGS 데이터 분석에 특화된 GUI 기반의 소프트웨어이다. Somatic Cancer와 Hereditary disease의 변이 분석에 최적화되어 있으며, 다량의 샘플에 대한 복잡한 분석도 기본적으로 내장된 워크플로우 혹은 커스터마이즈한 워크플로우 제작을 통해 분석 효율성을 극대화할 수 있다.

더불어 다양한 NGS 플랫폼의 데이터 포맷을 지원하기 때문에 쉽게 raw 데이터부터 분석이 가능하고, 1000Genome, ClinVar, HapMap 등 다양한 public database들을 포함한 패키지를 손쉽게 다운로드 받아 사용할 수 있다.

그리고 변이분석 뿐만 아니라 RNA-seq 분석을 통해 발현량 및 발현패턴 분석까지도 수행할 수 있다.

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인공지능이 우리 세상에 들어온다면 어떤 일이 일어날까?

로봇, 인공지능이 일상이 된 미래를 생각하면 “터미네이터(1984)”, “매트릭스(1999)”, “A.I(2001)”, "아이, 로봇(2004)”, “이글 아이(2008)”와 같은 영화들이 먼저 떠오른다. 이러한 영화에서 인공지능은 어떨 땐 인류를 위협하는 무기로, 또 어떨 땐 인공지능에 인간성을 부여하여 자신의 정체성에 고찰로 영화의 스토리를 그려나간다.

영국에서 2015년도에 방영한 드라마에서 휴먼즈(Humans - 2015) 역시 로봇이 정체성과 자아를 찾아 나가는 과정을 그려내는 드라마이다. 그런데 드라마 시즌1의 1, 2편을 보면 우리의 일상에 스며든 로봇의 모습을 보여준다. 로봇은 이미 생활의 깊숙이 들어오면서 아버지의 노동을 대체하고, 보모, 간병인으로서 어머니의 역할을 대체하며, 인간만이 할 수 있다고 생각한 정신 상담사의 역할까지 로봇이 대체하는 모습을 보여준다. 영화에서 로봇의 이러한 모습은 가족으로서의 소외감을 가져오며, 순종적이며 자신의 말을 잘 들어주는 로봇으로부터 남편, 아내에게서도 느낄 수 없던 감정적 위안을 가져온다. 또한, 자녀들은 뭘 하더라도 로봇을 이길 수 없다는 박탈감에 인간으로서의 정체성을 위협받기도 한다. 이러한 로봇들은 일상생활에 인공지능이 스며들었을 때의 우리의 모습을 보는듯하여 터미네이터나 이글 아이 같은 영화처럼 극단적인 상황보다 더욱 현실적이고 무섭게 다가온다.

인공지능. 머지않은 미래

인공지능은 "강한 인공지능" 과 "약한 인공지능"으로 나눈다. 약한 인공지능은 특정 지식에 대한 학습을 하고 이를 기반으로 결정을 내리는 인공지능이다. 약한 인공지능은 인공지능을 개발하는 사람이 몇 가지 기본적인 룰과 데이터를 입력하고 기계에 학습을 시켜 유의미한 결과를 판단하도록 한다. 그러므로 약한 인공지능은 목적에 따라 특정 데이터를 학습 및 판단하도록 개발되었으며 인공지능을 개발한 개발자의 목적에 따라 그 용도가 제한된다.

강한 인공지능은 소개한 영화와 드라마의 로봇들처럼 단순한 전문적 지식을 넘어 독립적인 자아를 가지고 있는 인공지능을 의미한다. 사물을 인지할 수 있는 지각 능력을 갖췄고, 이를 이해하고 생각과 결정을 내린다. 필요에 따라 스스로 데이터를 인지하고 학습하며, 보는 시각에 따라서 감정까지 있는 인공지능을 강한 인공지능이라고 정의한다. 강한 인공지능은 아직 현재 기술로 개발이 불가능하지만 여러 전문가들은 15~40년 뒤에 강한 인공지능 개발이 실질적으로 가능할 것으로 예측하고 있다.

강한 인공지능은 아직 개발되지 않았지만 약한 인공지능은 이미 수많은 개발이 이루어지고 활용되고 있다. 구글이 발표한 알파고는 난공불락의 섬이던 바둑을 점령하였고 자율 주행 자동차는 부분적으로나마 구현되어 테스트 중이며 몇몇 회사는 인공지능이 면접을 일부 대체하기 시작하였다.
약한 인공지능은 생각보다 실생활에도 많이 적용되어 있다. 자동차 자율운전의 1단계인 선택적 기능 제어는 이미 크루즈 기능으로 최근 차량에 탑재되었고 시리, 알렉스와 같은 음성인식 시스템은 언어의 수많은 억양을 학습하여 이를 단어로 인식할 뿐만 아니라 구글 번역 기능은 인공지능을 통해 훨씬 더 매끄럽고 자연스럽게 문장을 번역해준다. 또한, 페이스북은 우리가 올린 사진을 분석하여 촬영된 사람들에 대해 태그를 자동으로 달아주며, 유튜브, 구글 광고, 아마존에서는 우리가 자주 보고 흥미 있어 하는 주제를 토대로 맞춤형 동영상, 광고, 상품을 추천해준다.

인공지능은 이미 실생활에서 우리에게 좀 더 높은 질의 삶을 가져다주고 있으며 전문가들은 앞으로 인공지능으로 인해 발전할 미래 산업 가치는 무궁무진하다고 이야기한다. 하지만 인공지능이 우리의 장밋빛 미래만을 보장할까? 앞서 언급한 영화나 드라마에서처럼 인공지능이 양날이 검이 될 수 있다고 반박하는 전문가들도 많다.
이런 인공지능의 미래가치와 위험성에 대한 논쟁은 작년 7월 일론 머스크와 마크 저커버그가 트위터에서 벌인 논쟁 이후 본격화되었다.

• 관련 기사 : ‘AI 위협론자’ 머스크 vs ‘AI 낙관론자’ 주커버그

  http://www.sisapress.com/journal/article/170598

인공지능은 문명 최대의 위협

테슬라의 CEO 일론 머스크는 과거부터 수차례 인공지능의 위험성을 경고하며 도입 이전에 선 규제부터 이루어져야 한다고 주장하였다.
테슬라는 FLI(자동작동 무기) 공동 질의서를 통해 인공지능이 탑재가 이루어진 자동 무기가 장착되면 큰 규모의 전쟁이 일어날 것이며, 전쟁 진행 과정도 사람이 인지하기 어려울 정도로 빨리 진행될 것이라 경고하였으며 이러한 인공지능 무기가 테러리스트들에게 넘어갔을 때 어떤 일이 일어날 수 있을지 주의해야 한다며 무기에 인공지능을 탑재하는 것은 판도라의 상자를 여는 행위가 될 수 있다고 경고하였다. 또한, 자율자동차에 대해서도 만약 자율자동차가 해킹될 경우 어떤 일이 일어나게 될지를 경고하며 인공지능의 도입 이전에 위험성을 인지하고 선 규제를 먼저 만들어야 한다고 주장하였다.

Wold Wide Web(WWW)의 창시자 중 한 명인 텀 버너스 리는 "기업용 인공지능이 회사의 수익을 위한 의사 결정을 하는 데 있어 기업의 공정성이 과연 유지될 수 있을까? 우리는 어떻게 받아들여야 하는가?" 라며 인공지능 도입의 위험성을 경고하였으며 (고)스티븐 호킹 교수, 빌 게이츠, 스티브 워즈니악 등 세계적 인사들 역시 인공지능이 강한 인공지능의 단계를 넘어선 "초인공지능" 단계에 접어들 경우 우리는 오히려 인공지능에 의해 지배받을 것이라고 경고하였다.

• 관련기사 : 스티븐 호킹 "AI 때문에 인류 멸종할 수도" 또 'AI 경고'

  http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/12/14/2017121401129.html

즉, 이들은 모두 사회가 인공지능에 지나치게 의존하게 될 경우, 인공지능이 여러 가지의 요인으로 우리가 예상할 수 없는 범위의 동작을 수행한다면 이미 되돌리기에는 늦을 것이라고 한목소리로 경고하고 있다.

인공지능의 미래 가치

위와 같은 여러 경고에도 불구하고 인공지능이 앞으로 우리에게 가져다줄 가치는 무궁무진하다. 글로벌 시장 조사 기관인 트랙티카 에서는 인공지능이 산업 전반에 걸쳐 영향을 미칠 것으로 예상하였으며 그 시장 규모는 2025년 기준 약 800억에 달할 것으로 예측하고 있다.

많은 전문가가 산업 전반에 인공지능을 도입함으로써 상당량의 노동력과 인건비 절감을 가져 올 것으로 예측한다. 이는 이미 아르바이트 수를 줄이고 무인 주문기가 속속 도입되고 있는 식당만 보더라도 확인할 수 있다.

또한, 인공지능을 이용하여 인건비 이외에도 수많은 자원을 효율적으로 아낄 수 있다. 예를 들어 버스, 철도, 배, 항공 등의 대중교통에서 현재 이용객들을 분석하여 시간별 대중교통 이용량을 예측하고 효율적으로 배분한다거나, 현재의 노선을 효율적으로 재배치한다면 많은 자원의 소모를 줄일 수 있다.

개개인의 입장에서도 인공지능을 이용하여 간편하게 통역하고 자율 운전으로 편하게 이동할 수 있게 되며 각종 산업 분야에서 개인별 맞춤 서비스를 통해 좀 더 나은 서비스를 보장받을 수 있다. 인공지능의 도입을 통해 수많은 장점을 얻을 수 있는데 이를 포기할 이유가 전혀 없다는 것이다.



인공지능의 숙제

앞에서 언급하였듯이 인공지능의 발전은 우리에게 많은 위협이 될 수 있다. 약한 인공지능이더라도 인공지능을 적용하는 분야에 따라 책임자가 없는 살상 무기가 될 수 있으며, 소통과 공감, 윤리적 감정이 배제된 의사결정이 이루어질 수 있다. 그리고 강한 인공지능을 넘어선 초인공지능의 단계에 접어들면 인공지능의 감정과 판단에 의해 우리의 삶이 위협받을 수 있다.
하지만 그럼에도 불구하고 현재 이미 많은 분야에서 약한 인공지능이 적용되었으며, 이로 인해 경제적 가치뿐만 아니라 개인의 삶 역시 급속도로 상승하고 있다. 인공지능이 우리 삶에 가져다줄 혜택을 버릴 수는 없는 것이다.

최근에는 이러한 인공지능의 혜택과 위험의 양면성에서 적절한 발전과 규제의 협의점을 찾기 위한 움직임들이 보이고 있다. 대표적으로 전 세계적 인공지능 산업 및 학계 전문가 17명이 인공지능 100년 연구를 목적으로한 AI100 연구단을 만들어 인공지능의 미래를 연구한다. 이들은 인공지능의 위험성으로 인해 인공지능의 잠재적 능력이 훼손되지 않도록 인공지능의 장점에 대해 토론하고 분석하며 연구한다.

(출처 : http://www.hani.co.kr/arti/economy/it/761039.html)

이외에도 인공지능의 규제에 관한 수많은 연구와 논의가 이루어지고 있으며, 이는 단순한 전문가 그룹을 넘어서 각 국가의 정책의 단계까지 논의되고 있다.

• 관련기사 : 英 의회 "AI의 사회·윤리·법률적 문제 발견, 규제 필요"
  http://www.ciokorea.com/news/31563

이미 인공지능이란 주사위가 던져졌다. 어느 정도 인공지능이 궤도에 오르기 전에는 위에서 언급한 각종 문제점을 정확하게 예측할 수는 없으나 지금 글을 쓰고 동안에도 인공지능은 발전하고 있으며, 이를 발전시키는 연구자들과 위험성을 경고하는 전문가간의 실랑이는 계속될 것이다. 인공지능의 활용과 규제 사이에서 적절한 합의점을 찾는 문제는 앞으로 계속 풀어나가야 할 숙제이다.

작성자 : 데이터사이언스센터 권대건 주임개발자

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표현형학(Phenomics)

표현형학(Phenomics)은 Phenotype(표현형)과 Omics(오믹스)의 합성어입니다. 표현형은 좁은 의미에서 키, 몸무게, 색깔과 같이 우리의 눈으로 관찰할 수 있는 것부터 혈액 속의 포도당 세포 속 단백질의 농도와 같은 유전자(genetic)와 환경(environmental)적 요소에 의해 결정되는 모든 형질을 의미합니다. 오믹스는 유전, 환경, 표현형과 같은 요인에 대해 가능한 모든 요소를 들여다보는 접근 방식입니다. 이 두 가지가 결합한 표현형학은 생물을 가능한 모든 각도에서 들여다봄으로써 단편적인 인과관계에서 벗어나 생명 현상 전반의 시스템을 규명하고자 하는 새로운 연구 패러다임입니다.

미국의 하버드대 의대의 Kohane 박사는 “과학은 측정 가능한 것으로부터 정보를 얻으며, 새로운 것을 측정할 수 있을 때 큰 도약이 이루어진다.”라고 말한 바 있습니다. <그림1>에서 볼 수 있듯 왼쪽 그래프의 경우 변수 x와 y간의 관계가 없어 보이지만 표현형 2의 관점에서 봤을 때 우리는 y가 x의 값에 비례한다는 새로운 정보를 얻을 수 있습니다. 이렇듯 표현형의 가짓수가 늘어날수록 우리는 새로운 관계를 도출할 가능성도 늘어나게 됩니다.

<그림 1> 표현형 추가에 따른 새로운 관계 정보 도출

Phenomics 연구 분야

표현형학은 기초과학, 의약, 육종과 같은 연구 및 산업 전반에서 활용되고 있습니다. 이들 모두 전통적인 시점의 한계 때문에 표현형질의 계측기술이 발달하면서 탄생하였습니다. 현대인이 겪는 암, 당뇨병 같은 질병부터 가축이나 농작물에서 사료 효율, 생장률, 내병성과 같은 경제 형질까지 표현형을 결정짓는데 수많은 환경적 요소와 유전자가 관여합니다. 이러한 복잡한 관계를 이해하기 위해서는 요소 간 상호관계로 만들어지는 네트워크(network), 즉, 시스템을 이해해야 합니다.

식량자원에서의 표현형학
식량자원에 대한 품종개량 및 육종은 농경사회의 등장과 그 역사를 나란히 합니다. 식량은 언제나 인류의 생존과 직결되었고 환경변화는 식량 수급에 지대한 영향을 미쳐 왔습니다. 환경으로부터 받는 스트레스를 극복하고 생산효율을 높이기 위해 우수한 경제 형질을 갖는 품종개발은 끊임없이 이어지고 있습니다. 이를 위해 가축 작물 육종에 대하여, 새로운 경제 형질을 찾고 기존의 표현형을 세분화, 정량화하고자 하는 표현형학 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

질병에서의 표현형학
21세기에 들어 유전자, 표현형 판독기술(genotyping, phenotyping)은 병렬처리(parallel processing)를 통해 그 비용을 감소시킴으로써 우리가 방대한 생체 데이터를 확보하도록 이끌었습니다. 지엽적 관점에서의 진료가 아닌 다각도에서 이루어지는 오믹스 접근방식은 환자의 유전자, 환경, 그리고 표현형에 따라 동일한 질병을 세분화하고 적절한 치료법을 적용하는 개인 맞춤의학(precision medicine)이라는 새로운 분야를 낳았습니다. 질병 여부의 판단에 사용된 표현형의 수가 적을수록 우리는 그 외 질병과 연관된 요인에서 오는 오차를 감수해야 합니다. 표현형학은 이러한 오차를 줄이고 궁극적으로 맞춤의학에 이르기 위한 접근방식으로 자리 잡고 있습니다.







표현형학 그리고 멀티오믹스

앞서 표현형은 유전자, 환경에 의해 결정됨을 언급한 바 있습니다. 이들 요소 간 인과관계를 규명하기 위해 그 특성에 따라 아래와 같이 분류할 수 있습니다.

멀티오믹스

• Genome (유전체)
• Transcriptome (전사체 : 유전자)
• Proteome (단백체 : 단백질)
• Epigenome (후성유전체 : 메틸화, 아세틸화 등)
• Microbiome (미생물체 : 세균)
• Metabolome (대사체 : 포도당, 콜레스테롤 등)

표현형학을 포함한 멀티오믹스 연구에서는 요소 간 가역적 관계를 가정합니다. 이는 생물의 복잡한 생리기작에 전통적인 연구방식보다 더 부합하다는 장점이 있습니다. 하지만 차원의 수가 많아져 경우의 수와 거짓 긍정(false positive)의 절대량도 늘어나게 됩니다. 따라서 사람의 눈과 손으로는 다루기 어려우므로 때문에 컴퓨터를 이용하는 생물정보학(Bioinformatics)은 더는 선택사항이 아니게 되었습니다.

표현형학 연구를 위한 범국가적 협력

표현형학 연구의 핵심은 표현형 계측 방법의 정규화(standardization)입니다. 측정값의 단위, 장비, 측정 시기뿐만 아니라 온도, 습도, 미생물과 같은 실험장소의 환경은 표현형학 연구결과의 재현성(robustness)에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 한 기관이나 국가가 아닌 국제적 협력이 필요합니다. 그 대표적인 사례가 International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC)입니다.

• International Mouse Phenotyping Consortium(IMPC)

마우스 유전체는 인간유전체 초안이 나온 이듬해인 2002년에 공개되었습니다. 인간 연구를 위해 사용되는 실험동물 중 약 59%에 이르는 압도적인 비중을 차지한다는 사실이 마우스 연구의 중요성을 설명해줍니다. IMPC는 2011년 출범하여 현재 11개 나라의 19개 기관에서 진행 중인 표현형학 연구의 대표적인 사례입니다.

• Korea Mouse Phenotyping Consortium(KMPC)

한국은 IMPC의 소속 국가로서 2013년 컨소시엄에 참여하기 시작하였습니다. 이듬해인 2014년 서울대학교 수의과대학 성제경 교수를 단장으로하는 (재)국가마우스표현형분석 사업단(KMPC)이 출범하였습니다. 유전자 조작 마우스(Genetically modified mouse, GEM) 생산부터 대사, 운동, 노화, 감염 표현형 분석 전반에 걸친 인프라 구축이 활발히 진행중입니다.

2002년 마우스 유전체 초안이 발표된 직후, 국제사회는 2만여 개의 밝혀진 모든 마우스 유전자 기능을 밝히는 시도를 해오고 있습니다. IMPC는 마우스 유전자들 하나하나가 결손된 마우스의 배아(embryo)부터 성체에 이르기까지 시기 별로 표현형 측정항목을 정규화하였습니다. 최근에는 이러한 표현형 계측 정보를 활용하여 360개에 이르는 사람의 질병과 연관된 유전자를 규명한 바 있습니다. 마우스 Phenotyping의 정확성을 높이기 위한 컨소시엄 내부적인 검증이 끊임없이 이루어지고 있습니다.

마치며

표현형학은 생명현상이라는 시스템의 정점에 있습니다. 표현형학을 통해 우리는 단순히 질병의 치료나 경제적 이익뿐만 아니라 생명현상을 바라보는 시각을 넓힘으로써 생물학 발전에 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것입니다.

<참고자료>

• Disease model discovery from 3,328 gene knockouts by The International Mouse Phenotyping Consortium. NATURE GENETICS, 2017
• The details of disease. NATURE, 2015
• System approaches to study root hairs as a single cell plant model: current status and future perspectives. Frontiers in Plant Science, 2015
• Phenomics workshop, 2011

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생체 나이(Bio-age)

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오바마 전 미국 대통령 정부 시절 브레인 이니셔티브(인간 뇌지도), 암 정복 이니셔티브 등 다양한 과학 프로젝트를 진행해 왔다. 그러던 2016년 5월 13일 마지막 과학 프로젝트로 미생물에 대해 연구를 추진한다는 계획을 발표하였다. 2년간 1억 2,100만 달러(약 1,400억 원)가 투입된 마지막 과학 프로젝트명은 ‘국가 마이크로바이옴(Microbiome) 이니셔티브’로 인체 내 미생물, 즉 ‘마이크로바이옴’의 유전 지도 작성과 역할 규명을 목표로 하였다. 또한, 미국 외에도 중국, 캐나다 등에서 자국민의 인체 마이크로바이옴 프로젝트인 ‘중국인 인체 마이크로바이옴 프로젝트’, ‘캐나다인 인체 마이크로바이옴 이니셔티브’를 추진하고 있다.

<그림 1. The National Microbiome Initiative> (출처 : The Human Microbiome, Supercomputers, and the Advancement of Medicine, Dr.Larry Smarr)

이처럼 각 국가에서 막대한 인력과 예산을 투입하여 대형 프로젝트를 진행할 정도로 전 세계적으로 인체 마이크로바이옴의 중요성이 매우 대두되고 있다. 과연 마이크로바이옴이 무엇이며, 어떠한 요인들이 인체 내 마이크로바이옴에 영향을 미치는지 알아보고자 한다.

<그림 2. Microbiome관련 워드 클라우드> (출처 : Nutritionforum)

마이크로바이옴(Microbiome)

마이크로바이옴의 정의는 다음과 같다.

마이크로바이옴(Microbiome)은 특정 환경에 존재하고 있는 미생물들과 이들의 유전정보 전체를 말하는 것으로, 단일 생명체의 유전정보 전체를 뜻하는 게놈(Genome)들의 집합체를 뜻한다. 따라서 인체 마이크로바이옴(Human Microbiome)은 인간 몸체 안팎에 서식하고 있는 미생물들과 그들의 유전정보 전체를 말한다.

인체 내에서 우리와 함께 공존하고 있는 미생물의 수는 인간의 세포 수보다 10배 정도 많은 100조 개에 이른다고 한다. 이러한 미생물들의 유전자 총합은 인간 유전자의 100배 이상으로 알려져 있다. 이러한 미생물과의 공존은 생명의 탄생과 함께 시작된다. 주로 어머니의 피부와 몸속의 미생물들이 배 속의 태아에게 전달되고, 태어난 후 신생아에게 수유를 통해서 늘어나기도 한다. 이후 성장하는 과정에서 장기와 피부 등 서식 부위에 따라 미생물의 종류가 달라지고 서로 다른 특성을 가진다.

인체 여러 부위 중 인간의 장내에 가장 많은 수의 미생물이 서식하고 있으며, 매우 높은 다양성을 띠고 있다. 이러한 이유로 장내 미생물을 일반적으로 마이크로바이옴이라 지칭하며, 그 수와 다양성이 매우 커서 인간의 세컨드 게놈(Second genome)이라고 지칭하기도 한다. 최근 연구결과에 따르면 이러한 장내 미생물(이하 마이크로바이옴)은 생체대사 조절 및 소화 능력 등의 장 질환뿐만 아니라 다양한 질병에도 영향을 미치는 등 인체에 미치는 영향이 매우 크다고 보고된 바 있다. 특히, 현대인들의 관심사인 비만과 관련된 다양한 대사질환이나 면역 질환, 알레르기나 아토피 등에도 관련이 있으며, 비염, 장염, 심장병 등과도 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 우울증 등의 정신 질환과 노화 등 다양한 질병과 인간 건강에 큰 영향을 미친다고 보고되고 있다.


마이크로바이옴 구성에 영향을 미치는 요인

1. 식사습관

개인별로 마이크로바이옴의 구성은 매우 다양하며, 이는 유전자와 환경에 의해 결정된다. 일례로 쌍둥이의 마이크로바이옴을 비교해본 결과 일치율은 50% 미만 정도로 보고된 바 있다. 마이크로바이옴의 유사성은 쌍둥이가 가장 높게 나타나며, 다음으로는 어머니와 자식, 그리고 타인의 순서이다. 또한, 국가별로 일본인, 중국인, 미국인과 비교해 보았을 때 한국인 간 마이크로바이옴의 차이가 적은 것으로 나타남에 따라 식사습관에 따라 마이크로바이옴의 구성이 다르게 나타나는 것으로 보인다고 한다.

마이크로바이옴의 구성에 따라 Bacteroides, Prevotella, 그리고 Rumminococcus가 주종인 세 가지의 장 유형(enterotype : 사람의 소화기 내에서 세균 생태계를 바탕으로 한 유기체의 분류)으로 분류된다. 이렇게 장 유형이 구분되는 이유는 오랜 시간 동안 이어진 식사습관과 매우 밀접한 연관을 가진다. Bacteroides 장 유형은 단백질과 동물성 지방 섭취가 많은 사람에게서 많이 나타났으며, 섬유질 섭취가 많은 사람에게서는 Prevotella가 주종인 장 유형이 나타났다. 또한, 유럽과 아프리카 시골 지역 어린이의 마이크로바이옴을 비교한 연구에서 섬유소와 다당류를 가수분해하는 유전자를 가진 Prevotella와 Xylanibacter가 아프리카 어린이에게서 많이 발견되었고, 이뿐만 아니라 아프리카 어린이가 유럽 어린이보다 대변 내 생물 다양성이 높으며 단쇄지방산과 대장암 예방 효과가 있는 butyric acid의 농도가 높고, 대장균, Shigella, Salmonella가 적게 발견되었다고 보고되었다. 이는 단순 당 함량이 높고 고단백, 고지방의 서구식 식사로 인해 마이크로바이옴의 균질화(homogenization)가 이루어진 것으로 추정되고 있다.

현대인의 경우 식습관이 점차 서구화됨에 따라 육식이 늘어나고 채식이 줄면서 섬유소의 섭취가 줄어, 이로 인해 섬유소를 분해하는 마이크로바이옴 군집이 줄어든 것으로 보인다. 마이크로바이옴의 다양성을 잃어감에 따라 공생관계의 인간에게도 매우 큰 영향을 미친다. 2016년 1월 미국 스탠퍼드대 연구진은 네이처에 발표한 논문을 통해 '식사습관의 변화로 마이크로바이옴의 구성에 변화가 있으면, 그 영향이 후손에게도 이어지고, 식사습관의 변화를 통해 회복하기 매우 어렵다'고 언급한 바 있다. 이처럼 생물 다양성이 높은 마이크로바이옴의 구성을 위해서는 올바른 식사습관이 매우 중요한 것으로 보인다.


2. 항생제
항생제는 오랜 기간 인간에게 매우 유용한 세균감염 치료제로써 사용되어 왔으나, 최근 항생제 내성뿐만 아니라 마이크로바이옴 구성에도 매우 큰 영향을 미치는 등의 문제점이 대두되고 있다. 항생제의 경우 일반적으로 특정 타깃을 대상으로 투여하지만 대부분의 항생제가 광범위하게 작용할 수 있다. 항생제의 복용으로 인해 직접적으로는 마이크로바이옴의 다양성을 감소시키고, 간접적으로는 군집 구조를 파괴하여 미생물 종간의 상호작용과 영양분 대사 경로의 상호보완 시스템을 교란시켜 장내 환경에 광범위한 이상을 발생시킨다. 이러한 항생제에 의한 마이크로바이옴 군집의 불균형으로 면역 시스템에 영향을 미칠 수 있으며, 장 관련 질환과 다양한 면역 관련 장애가 발생할 확률을 높인다. 항생제 복용을 중단하였다 하더라도 수개월 동안 장내 환경에 영향을 미치며, 완벽하게 원 상태로 회복은 어려워 신중한 항생제 처방과 올바른 항생제의 복용이 매우 중요하다.


이렇듯 인간의 건강과 마이크로바이옴의 관계는 오랫동안 여러 연구들을 통해 입증됐으며, 마이크로바이옴의 다양성을 유지하는 것이 인간의 건강을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 이유로 전 세계적으로 마이크로바이옴 연구를 통해 질병 치료 및 예방을 하고자 돈과 시간, 인력을 아끼지 않고 있다. 이러한 세계적인 흐름에 맞춰 한국인에게 특화된 마이크로바이옴에 대한 지속적인 연구가 필요하며, 마이크로바이옴의 다양성에 영향을 미치는 식사습관과 항생제에 대한 관심이 필요할 것이다.


<참고문헌>

• 인체 마이크로바이옴 연구개발 동향, 2017, 곽민정, 김지현, 한국보건산업진흥원
• 장내 미생물총과 인간의 질병, 2013, 고재성
• 장내 미생물과 항생제 관련 장 질환, 2016, 윤미영, 윤상선, 한국분자세포생물학회

• 오바마의 ’미생물‘ 사랑.. 미생물 활용한 약은 ’블루유션‘, 2016, 김민수, ChosunBiz

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항생제 내성은 단순히 세균이 항생제에 내성이 생겨 효과가 없어지는 문제로 끝나지 않습니다. 평범한 수술이나 화학요법 등은 모두 항생제에 의존적이기 때문입니다. 내성균이 광범위하게 퍼지면 우리가 당연하게 사용하던 현대 의약품은 대부분 쓸모가 없어지게 되며, 최악의 경우 페니실린을 발견한 1928년 이전으로 의학 수준이 퇴보할 수 있습니다. 인류는 작은 상처 또는 감염만으로도 생명을 잃을 수 있습니다.

<그림1. 항생제 이전 시대의 수술, 그림 출처 : BBC, newsbeat>

1928년 최초의 항생제 페니실린(Penicillin)을 발견한 알렉산더 플레밍은 이러한 항생제 내성 문제를 예견했었습니다.

“The time may come when penicillin can be bought by anyone in the shops. Then there is the danger that the ignorant man may easily under dose himself and by exposing his microbes to non-lethal quantities of the drug make them resistant."
"누구든지 가게에서 페니실린을 살 수 있는 날이 올 것이다. 그렇게 된다면 무지한 사람들이 쉽게 약을 복용하는 위험한 상황이 발생할 것이다. 몸 안에 있는 세균이 약물에 노출됨으로써 그 세균이 내성을 갖게 될 것이다." 

- 알렉산더 플레밍, 1945년 노벨상 수상 강연 중

플레밍의 경고대로 우리는 내성균과 싸우고 있습니다. 항생제를 한 번도 사용하지 않은 아이들에게서 항생제 내성균이 발견되고 있으며, 여러 항생제에도 죽지 않는 다제내성균이 출현하고 있습니다. 다제내성균이란 세균이 여러 항생제에 내성을 나타내는 세균을 의미하며, 슈퍼박테리아(super bacteria)라고 불립니다. 이러한 다제내성균을 극복하기 위해서 보다 강력한 항생제의 개발과 항생제 오남용을 줄이는 노력이 필요합니다. 하지만 평균 10년이라는 개발소요시간과 8,000억에 이르는 투자비용은 신약개발을 주저하게 하고 있으며, 항생제 오남용에 대해서도 단순히 환자의 항생제 사용량을 줄인다고 해결될 문제가 아닙니다. 따라서 다양한 차원에서의 다제내성균에 대한 실태 파악 및 관리가 필요한 실정입니다.

사실 항생제는 사람뿐만 아니라 공중보건, 농축수산, 식품, 환경 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 동물들의 내성균은 배설물을 통해 토양과 하천 그리고 공기 중으로 유입됩니다. 또 일부는 식품에 포함되어 최종적으로는 사람에게 전파됩니다. 앞서 언급한 바와 같이 결국 항생제를 먹지 않아도 내성균이 발생하는 아이러니한 상황이 벌어집니다. 이 때문에 항생제 내성 문제 해결을 위해서는 다양한 분야의 주체가 참여해야 합니다. 그동안 여러 주체들이 항생제 내성의 위험성을 인지하고 개별적으로 문제를 다루어 왔으나 다양한 분야 전문가와 관계부처 담당자들이 모여 정례적으로 논의하는 자리가 부족했으며, 현장에서 제기된 의견이 정책으로 연계되지 못하는 경향도 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 관계전문가와 정책담당자가 참여하는 ‘제1차 항생제 내성 포럼’(One-health, 항생제, 내성균 3가지 분과로 운영)이 열렸습니다. 다양한 부처의 전문가의 전문적 지식에 기반을 둔 정책 제안 및 자문을 통해 항생제 내성 해결을 위해 노력하고 있습니다.

현대사회에서는 반려동물, 식품대량생산, 해외여행 증가, 기후변화 등으로 각 질병에 대해 개별적 대응이 무의미하며, 사람, 동식물, 환경의 건강은 서로 상호작용하는 하나의 공동체로서 인식되고 있습니다. 이처럼 항생제 내성균은 다양한 경로에서 발생할 수 있으며, 사람, 동식물, 환경의 건강을 불가분의 관계라고 인식하고 접근해야 합니다. 이러한 접근 방법을 바로 ‘원 헬스(One-Health)’라고 합니다. 원 헬스라는 개념은 이미 OIE(국제수역사무국)에서 2000년 초반에 고안되었습니다. 이후 세계보건기구(WHO)를 비롯한 국제기구들과 각국 정부에서는 항생제 내성문제 해결을 위해 원 헬스를 채택하고 있습니다.

항생제 내성균에 대처하기 위해서는 일차적으로 항생제 내성현황에 대한 조사가 필요하며, 이를 기반으로 의학적 측면과 더불어 원 헬스적인 측면에서 사람, 동물, 환경의 영향력에 관해 포괄적이고 구체적인 대책마련이 필요합니다. 미국의 질병통제센터(CDC)나 영국의 보건부(Department of Health)에서는 항생제 내성현황에 대한 연구를 기반으로 포괄적인 원 헬스 측면의 정책을 내세워 항생제 내성연구에서 상당한 효과를 보고 있습니다. 또 미국, 영국뿐만 아니라 EU, 일본, 중국, 스위스 등 많은 국가와 기관들이 Global National Action Plan의 원 헬스 정책을 내놓고 국가적인 차원에서 이를 관리하고 있습니다.

우리 정부도 원 헬스 기치 아래 내성균과의 전쟁을 선포하였습니다. 지난 2016년 보건복지부가 국가 항생제 내성관리 대책(2016-2020)을 농림축산식품부, 해양수산부, 환경부 등 관계부처 합동으로 발표한 것이 그 시작이었습니다. 항생제 오남용을 줄이고 내성균 전파를 차단한다는 비전을 제시하였으며, 인체와 비인체로 구분지어 각 분야에 사용되는 항생제 사용률 감소 목표를 구체적으로 발표하였습니다. 각 부처별로 집중 관리해야 할 병원체가 나누어지기 때문에 내성균에 대한 통합적 감시를 할 수 있습니다. 이를 토대로 다양한 감염 경로를 파악하여 부처별 연계활동 및 비교·통계·분석 활동이 가능해진다면, 나아가 국가적 관리대책 수립이 가능할 것으로 보입니다.

국가 항생제 내성관리를 위해 가장 먼저 국가 항생제 내성 현황에 대한 조사체계를 마련하였습니다. 서울·부산 등 6개 권역을 대상으로 항생제 내성균 감시 결과(2016년 5월 ~ 2017년 4월)를 세계보건기구(WHO)와 공유하였습니다. 2017년부터는 Kor-GLASS 통합데이터베이스를 구축하여 8개 권역으로 확대해 수집된 모든 데이터는 운영·관리하고 있습니다. 이 시스템을 통해 수집 항생제 내성균 및 정보의 체계적인 관리가 가능하며, 내성균주 고유의 감수성, 생리학적, 유전적 특성을 보존할 수 있습니다. 또한, 수만 건에 이르는 데이터를 통해 여러 가지 통계 정보를 산출할 수 있어 항생제 내성균 정보를 제공한 수집기관의 개별 통계 자료는 물론이고 기간별, 균종별, 검체별로 내성률에 대해 의미 있는 결과를 산출·제공할 수 있습니다. Kor-GLASS 통합데이터베이스의 국가항생제 내성에 대한 내성결과는 원 헬스적인 측면에서의 대책마련에 큰 도움이 될 것으로 보입니다.

Kor-GLASS 통합데이터베이스는 항생제 내성 정보를 수집할 때에도 용이합니다. 전산화된 시스템을 통해 데이터 수집에 대한 비용을 크게 줄였으며, 항생제 내성 관련 정보를 표준화하여 수집 데이터의 오류를 최소화하는 이점을 가집니다. 체계적인 내성균 정보는 새로운 항생제 내성균 출현을 감시하고 확산을 억제할 수 있는 중요한 자료입니다. 수집한 항생제 내성균의 출처를 확인하여 확산 경로도 추적할 수 있기 때문입니다. 나아가 내성균 연구의 시초가 마련될 수 있습니다.

많은 전문가들이 항생제 내성 문제는 원 헬스적 접근이 필요하다고 말합니다. 원 헬스를 실현하기 위해서는 사람, 동물, 환경이 만나는 지점을 찾아야 합니다. 바로 Kor-GLASS 통합데이터베이스가 원 헬스의 교차점이자 시작인 것입니다. 항생제 내성균으로 인한 문제를 다각적으로 접근함으로써 내성균을 제어할 수 있습니다.

앞으로 Kor-GLASS를 비롯한 각 부처(보건복지부, 해양수산부, 농림축산 식품부, 환경부 등)에서 관리하는 항생제 정보 시스템은 One-Health 기치 아래 통합될 것입니다. 단순히 데이터의 통합만을 의미하는 것이 아니라 각 분야의 전문가들이 정보를 교환하고 소통하여 정책으로 연계될 수 있는 장을 말합니다. 이를 위해서는 산·학·연 전문가들이 해당 분야에서 항생제 내성 문제에 집중함과 동시에 타 분야와 커뮤니케이션을 해야 합니다. Kor-GLASS 통합데이터베이스가 그 시작점이 될 것으로 기대하고 있습니다.

2014년 영국 경도상 위원회는 인류 최대 난제로 1천만 파운드(약 172억 원, 노벨상금의 11배)의 상금을 내걸고 항생제 내성을 극복할 해결책을 찾는다고 했습니다. 경도상이란 1700년대 영국 의회가 당시 난제였던 바다에서 경도를 측정하는 법을 개발하는 데에 수여한 상입니다. 현대에는 바다에서의 경도 측정이 쉬운 만큼, 언젠가는 항생제 내성도 원 헬스와 Kor-GLASS를 통해 극복될 것입니다.

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• 끝나지 않는 싸움 II : 항생제 내성 방지를 위한 노력

• 끝나지 않는 싸움 Ⅰ : 항생제 VS 슈퍼박테리아

참고문헌

• 항생제 내성균 감시 강화방안 논의(질병관리본부, 보도참고자료)

• 국가항생제 내성 관리대책 국가정책조정회의

• 항생제 내성균 감시를 위한 One-Health 개념의 대응방안 연구 온나라 정책연구

• One-Health CDC

• "허술한 연구실이 만든 마법의 약" TheScienceTimes 기사

• "슈퍼박테리아 몰려오는데... 한국 항생제는 걸음마 수준" MK증권 기사

• "항생제 내성균, 원헬스 접근으로 포괄적 관리 필요" 정신의학신문 기사

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예부터 가을은 천고마비(天高馬肥)라 하여 높고 청명한 하늘과 풍성함이 가득한 계절의 대명사였으나 요즘은 미세먼지 같은 대기오염으로 인해 기대했던 만큼 높고 맑은 하늘을 찾아보기 힘들어졌다. 과거 빈곤을 벗어나기 위해 산업화가 주된 목표였던 한국은 대기오염 같은 환경오염에 대한 문제의식도 없었고 관심도 적었던 탓에, 기껏해야 봄에만 찾아오는 중국발 황사에 잠시 괴로워만 할 뿐 우리가 신경 써야 할 문제가 아닌 이웃 나라의 문제로만 치부하곤 했었다. 그러나 이제는 계절에 상관없이 찾아오는 황사와 미세먼지 가득한 날이 연중 계속되면서 대기오염의 심각성을 나라 전체가 걱정하고, 국민의 건강과 안전을 지키기 위한 현실적인 대안이 필요하다는 목소리가 커지고 있으며 세계적으로도 변화하는 환경을 연구하고 보존하기 위한 노력에 아낌없는 투자가 필요한 시대가 되었다.

2. 생물다양성과 유엔(UN)환경계획

현재 전 세계는 오존층 파괴, 기후온난화, 난개발에 의한 서식지 파괴, 남획과 천적의 영향에 따른 생물종 감소 등 생태계 파괴에 대한 지구 환경문제가 대두되면서 이런 문제 해결을 위한 방안으로 생물다양성을 보존해야 한다는 인식이 커지고 이를 위한 노력의 움직임이 진행 중이다. 이런 이유는 생물다양성이 인류와 직접적으로 관련된 식량안정과 의약품 생산, 대기와 수질 등 우리가 살고 있는 환경에 지대한 영향을 미치고 있음이 밝혀지면서 인간 이외의 다른 생명에 대한 존엄성을 인정하고 생물다양성의 유지가 절대적으로 필요하다는 의식이 커졌기 때문이다.

생물다양성이란 지구상의 생물종(species)의 다양성, 생물이 서식하는 생태계의 다양성, 생물이 지닌 유전자(gene)의 다양성을 모두 총칭하는 의미이다.

CBD의 목표는 생물다양성을 보전하고, 생물다양성의 구성요소를 지속가능하게 이용하며, 유전자원의 이용으로부터 발생하는 이익을 공정하고 공평하게 공유하는 것이다. CBD 실천전략 마련의 필요성이 강하게 제기되는 가운데, 2010년 나고야에서 열린 제10차 CBD 당사국총회에서 5개의 전략목표와 이에 따른 20개의 세부목표가 설정되었다. 특히, 유전자원 접근 및 이익공유(ABS: Access to genetic resources and Benefit-Sharing)의 구체적 이행을 위한 보충협정서가 채택되는데, 이것이 바로 나고야 의정서(Nagoya Protocol on ABS)이다.

나고야의정서의 의의는 크게 3가지로 나눈다.

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유전자검사

유전자검사는 일반적으로 개인식별, 특정 질환, 또는 질환 상태의 원인을 검출하기 위해 DNA, RNA, 염색체 그리고 대사물질을 분석하는 것을 말한다. 인간 유전체 지도가 완성되어 많은 유전자에 대한 이해와 유전자-질환과의 연관성이 빠르게 규명되면서 유전자검사를 통해 진단 및 예측이 가능하게 되었다.
유전자 검사는 질병 진단, 미래 예측 그리고 유전이라는 특수하고 민감한 특성이 있기 때문에 유전자 검사 결과 오류는 매우 엄격하게 관리되어야 할 필요성이 대두되었다. 이에 따라 2005년 생명윤리 및 안전에 관한 법률을 제정하여 검사와 기관에 대한 체계적인 관리가 시작되었다.
유전자검사는 의료기관에서 의뢰한 검체를 통해 관련 유전자의 발현, 변이 등을 유전자검사기관에서 진행하게 된다. 그러나 『생명윤리 및 안전에 관한 법률 제50조제1항』에서 제한하는 내용은 검사할 수 없다. 또한, 비의료기관의 유전자검시기관은 단독으로 질환 예방, 진단 및 치료 관련 유전자검사는 시행할 수 없다. (보건복지부장관이 필요하다고 인정하는 경우는 예외)
제50조제1항: 유전자검사기관은 과학적 증명이 불확실하여 검사대상자를 오도(誤導)할 우려가 있는 신체 외관이나 성격에 관한 유전자검사 또는 그 밖에 국가위원회의 심의를 거쳐 대통령령으로 정하는 유전자검사를 하여서는 아니 된다. 


DTC 유전자검사

2015년 12월 생명윤리 및 안전에 관한 법률 제50조제3항이 개정되면서 2016년 6월 30일부터 의료기관의 의뢰 없이도 비의료기관인 유전자검사기관(업체)에서 유전자검사를 직접 실시할 수 있게 되었다(의료기관이 아닌 유전자검사기관이 직접 실시할 수 있는 유전자검사 항목에 관한 규정; 보건복지부고시 제2016-97호). 이로써 개인이 직접 본인의 유전자검사를 비의료기관의 유전가검사기관에 의뢰할 수 있게 되었으며, 이를 DTC(direct-to-customer) 유전자검사라고 한다. (국외에서는 PGS(Personal Genetic Service)라고도 한다.)
제50조제3항: 의료기관이 아닌 유전자검사기관에서는 다음 각 호를 제외한 경우에는 질병의 예방, 진단 및 치료와 관련한 유전자검사를 할 수 없다.
1. 의료기관의 의뢰를 받은 경우
2. 질병의 예방과 관련된 유전자검사로 보건복지부장관이 필요하다고 인정하는 경우 

DTC 유전자검사는 생활습관 개선 및 질환 예방이 가능한 검사와 과학적 근거가 확보된 검사자 위해성이 적은 검사로 한정되며, 검사 가능한 유전자검사 항목은 이를 규정하는 고시에 나온 12개 검사항목, 46개 유전자이다. 그중 9~12번 유전자검사 항목은 고시 시행일로부터 2년 후 그 적정성을 평가한다.
『훈령·예규 등의 발령 및 관리에 관한 규정』(대통령훈령 제334호)에 따라 이 고시 발령 후의 법령이나 현실여건의 변화 등을 검토하여 이 고시의 폐지, 개정 등의 조치를 하여야 하는 기한은 2019년 6월 30일까지로 한다.


그림1. DTC 유전자검사 항목

법률 규제의 완화는 국내 비의료기관로부터 다양한 DTC 서비스 상품들을 개발하는 계기가 되었다. 이러한 국내 시장의 움직임은 전세계적 니즈 및 시장 방향성을 고려한다면 필연적 선택이라 할 수 있다. 2016년 크리던스리서치에 의하면 전세계 DTC 시장규모는 매년 25%가량 증가하여 2022년에는 4000억 원 이상이 될 것으로 전망했다.


(출처 : 한경헬스 2017.07)


유전자검사기관

일반 유전자검사기관과 DTC 유전자검사기관은 시설, 인력 등에서 큰 차이는 없으며, 해당 검사 범위에 따른 적절한 시설, 장비, 인력 등을 갖춰 신고하면 된다. 시설, 장비에 대한 사항은 최소한의 내용을 제외하고 법률로써 규정ㆍ제재하고 있는 부분은 없으나, 매년 현장 및 정확도 평가를 통해 기관으로써 적정한지 평가받으며, 결과는 공개된다.

등록
현재 유전자검사기관 등록은 신고제이다. 『보건복지부령 시행규칙 제46조제1항』으로 정한 시설 및 인력 등을 갖추고 검사 유전자에 대한 사업계획서를 작성하여 신고하면 된다. 신고시 유전자검사에 대한 과학적 근거를 평가받게 되며, 기존에 평가가 통과된 유전자검사가 가능한 유전자와 검사방법인 경우는 보험코드가 부여되어 있으므로 상대적으로 쉽게 신고가 가능하다. 그러나 검사 유전자가 보험코드가 없는 경우는 신의료기술로의 적정성을 인정받을 수 있는지를 먼저 확인해야 한다. DTC 유전자의 경우 보험코드가 없으므로 고시번호를 기재하여 제출하면 된다. 현재 우편으로는 신고 접수를 받지 않으며 인터넷으로만 가능하다.

유전자검사 동의서 및 검체 보관
검사자의 개인정보보호를 위하여 비의료기관의 경우에는 개인의 식별정보가 삭제된 상태의 동의서 사본을 받아 일정 기간 동안 보관해야만 한다. 개인정보는 어떠한 조합을 통해서라도 개인을 특정화할 수 없도록 해야 한다.
검체의 분실이나 뒤바뀜을 방지하기 위해 최소 2가지 이상의 확인자(검체번호, 처방번호, 작업번호 등)을 사용해야 한다.
유전자검사 동의서와 결과는 최소 10년간 보관하며, 검체는 유전자검사가 완료되는 즉시 폐기하는 것을 원칙으로 한다.


DTC 유전자검사기관 : 미국 vs 한국

한국과 미국의 DTC 유전자검사는 규제 방법에서 다르다 하겠다. 한국은 법령으로 정해진 유전자만 검사가 가능한 Positive 규제인 반면, 미국은 규제된 검사만 제외하고는 검사가 가능한 Negative 규제이다.

(가나다 순으로 배열)

미국

1. 23andMe
www.23andme.com 2006년 미국 캘리포니아 실리콘밸리에 설립된 23andMe는 의사를 거치지 않고 직접 유전자검사를 할 수 있도록 하는 DTC 서비스를 선보여 FDA의 승인을 받은 첫 번째 회사이다.

2013년까지 각종 질병 위험도 분석, 약물 민감도, 보인자 검사, 계통분석 등 250여 가지의 유전자검사를 제공했으며, 웹사이트에서 분석 키트를 검사자가 직접 구매하여 타액을 수집하여 우편으로 보내 분석을 의뢰하는 방법을 차용했다. 또한, 유전정보를 연구 목적으로 사용하도록 약 60만 명의 자발적인 정보 사용동의를 받음으로써 엄청난 양의 데이터를 축적했다. (현재 약 120만 명의 데이터) 2013년 11월 FDA가 질병, 약물 관련 분석의 정확도 및 오남용 가능성에 대한 의문을 제기함으로 인해 판매중지를 받았으나 소비자의 검사 결과 이해도를 높이는 상세 설명 등의 활동을 통해 2015년 Bloom's syndrom 검사(보인자 검사)에 대한 FDA의 승인을 받음으로 인해 최초로 DTC 허가를 받은 기업이 되었다.
2017년 4월 FDA로 파킨슨병, 알츠하이머를 포함한 총 10가지 질병에 관한 DTC(보인자 검사) 판매허가를 받았다.

2. Color Genomics
www.color.com

유전으로 발생하는 암과 고콜레스테롤증에 대한 DTC 유전자검사 서비스를 진행하고 있다. 타액을 통해 30개 유전자로 유전암을, 3개 유전자로 Familial Hypercholesterolemia를 검사하고 그 결과를 기반으로 의사가 무료 상담을 제공한다. 여성관련 질환이 중점적이다.

3. Mapmygenome India
mapmygenome.in/international
신체 능력과 체형, 피부, 헤어 등에 대한 DTC 유전자검사인 Genomepatri 서비스를 제공한다.

4. Habit 
habit.com

2016년 창립된 Habit은 혈액과 타액 샘플로 혈당, 콜레스테롤, 중성지방, 영양 관련 유전자검사를 통한 유전형 결과와 반응성에 대한 표현형 결과들을 통합 분석하고 식품-영양 DB를 기반으로 식단을 제조ㆍ배달하고 앱을 통해 행동을 코칭하는 개인 맞춤 서비스를 제공하고 있다.

국내

1.녹십자지놈
m.genedoctor.co.kr
진닥터(GeneDoctor)는 구강상피세포샘플 채취와 설문을 통해 진행되는 서비스로, 유전형질과 표현형질 정보를 통한 건강, 피부, 모방유형별 개인 맞춤 건강가이드를 제공하고 있다.

2. DNA Link
dtc.dnagps.co.kr
2016년 타액샘플을 통한 DTC 유전자검사 서비스인 백지인(White.S; 뷰티), 연지인(Pink.L; 헬스&뷰티), 홍지인(Red.O; 헬스)라는 명칭의 DNAGPS Color 시리즈를 출시했다. (현재 myDNA 시리즈(myDNA 뷰티, myDNA 헬스)로 명칭 변경)
DNA Link는 라이나 생명과의 제휴를 통해 특정 암보험 상품에 가입한 신규 고객을 대상으로 유전체분석 서비스를 제공하고 있으며, 국내 영업력 확대를 위해 판매법인 케어링크를 설립하여 DTC 유전자검사 서비스를 다각적으로 공급하고 있다.

3. 랩지노믹스 
www.withgene.co.kr
구강상피세포를 통한 DTC 유전자검사 서비스인 위드진(WithGENE) 서비스는 건강, 피부, 모발로 나눠 결과를 제공하고 있다.
2016년 전문병원을 통해 진행되는 유전형질과 표현형질 정보 통합분석을 통한 맞춤 운동법과 식습관 개선을 제안하는 제노팩 다이어트(GenoPAC Diet) 서비스(www.genopac.co.kr/web/home.php)를 출시하고, 고도화를 위해 미국 유력 웰니스 플랫폼 전문기업과 긴밀한 협력관계를 구축하고 있다.

4. 마크로젠
www.sharp3.co.kr
비만, 탈모, 피부 관련 DTC 유전자검사 서비스인 Sharp3는 타액 샘플을 통해 선택한 서비스 타입의 유전자검사를 진행하고 독자적으로 보유한 한국인 빅데이터에 기반을 둔 결과를 고객에게 제공한다.
마크로젠은 2016년 10월 LG생활건강과의 합작법인 젠스토리 설립을 공시한 후, 2017년 초 문을 열었다. 젠스토리는 피부노화, 모발 등 뷰티 분야에서 소비자들이 유전자정보를 통한 생활습관 개선ㆍ관리, 맞춤형 화장품 제공 등을 목표로 하고 있다.

5. 이원다이애그노믹스 
www.gene2.me
미국 일루미나가 주도하는 ‘GSA’ 컨소시엄에 23andMe와 같이 속해 있는 이원다이애그노믹스는 국내 최초 DTC 유전자검사 서비스인 진투미를 출시하여 온라인 및 제휴 약국에서 판매하고 있으며 국외에서도 해당 서비스를 신청할 수 있다. 2016년 제노힐, 루이앤레이와 개인 맞춤형 화장품의 개발, 제조 등을 위한 업무협약을 맺었으며, 2017년 9월 한국콜마홀딩스가 EDGC의 지분을 인수하며 본격적인 맞춤형 영양제, 화장품 등을 제공하기 위한 개발을 시작했다.

6. 제노플랜
www.genoplan.com/kr
타액 샘플을 통해 모발 관련 유전자를 제외한 10개 DTC 유전자검사의 결과를 홈페이지와 앱을 통해 제공하고 있다. Genoplan Fit이라는 다이어트 관리 서비스를 일본을 경유하여 서비스하고 있으며, 고운세상코스메틱과 협업하여 피부관리 방향 및 Dr.G 화장품을 매칭해주는 마이스킨멘토 서비스를 제공하고 있다.(www.myskinmentor.co.kr)

7. 한국유전자정보연구원
www.imoigen.com
2017년 1월 한국유전자정보센터에서 사명을 변경한 한국유전자정보연구원이 출시한 DTC 유전자검사 서비스인 아이모아젠 Health care와 Beauty Care는 DTC 검사항목을 나이, 성별 등으로 분류한 7가지의 패키지 서비스로 구강상피세포를 통해 12종의 DTC 유전자검사 결과를 제공한다.

8. 휴먼패스
www.humanpass.co.kr/new/subpage.php?p=ma3
유전자 체질 검사 서비스로 탈모 유전자 검사 ALOPEXIT, 피부 유전자 검사 AGEXIT, 체형ㆍ대사 유전자 검사 OBEXIT, 혈당 유전자 검사 DIABEXIT를 제공하고 있다.

Reference
1. 국가법련정보센터 www.law.go.kr/
2. 질병관리본부 cdc.go.kr/CDC/
3. 한국유전자검사평가원 www.kigte.org/
4. 유전자검사기관 현황분석, 2008, 서울대학교 산학협력단
5. www.yoonsupchoi.com/2017/04/10/23andme-disease-risk-fda/
6. www.kormedi.com/news/article/1219617_2892.html
7. health.hankyung.com/article/2017071943521
8. 국내 개인 의뢰 유전자 검사 동향, 2017. 김지훈
9. blog.marketresearch.com/9-leading-companies-in-direct-to-consumer-genetic-testing

작성자 : R&D센터 데이터랩

 하윤희 주임 연구원

Posted by 人Co