남극 해양 물질의 순환과정 규명-메타유전체기술로 기후변화와 탄소분해 미생물 관계 확인

남극 해양 물질의 순환과정 규명-메타유전체기술로 기후변화와 탄소분해 미생물 관계 확인

등록일 2019.02.28

 

 

 

남극 해양 물질의 순환과정 규명
- 메타유전체기술로 기후변화와 탄소분해 미생물 관계 확인 -
 

□ 지구 탄소순환 이해의 단초가 될 남극 해양의 탄소순환 원리가 확인됐다. 이성근 교수(충북대학교) 연구팀이 남극해역 식물플랑크톤의 번성‧소멸과 탄소 순환에 관여하는 미생물 군집의 종류를 밝히고 관련 기작을 규명했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 해양 식물플랑크톤은 광합성으로 대기 중 이산화탄소를 고정(흡수)하여 온실가스 농도를 낮추는 중요한 역할을 한다. 식물 플랑크톤이 1차 생산한 유기물은 해양 표층에서 미생물에 의해 분해되어 대기 중 이산화탄소로 방출되거나 심해저로 운반되어 대기와 격리된다.

 ㅇ 일반적으로 해양은 식물플랑크톤에 의해 1차 생산된 유기물이 심해로 격리되는 비율이 높지만 남극 해양은 이들 유기물 대부분이 미생물에 의해 분해되어 다시 이산화탄소로 방출되는 특징을 보인다.

 ㅇ 또한 남극 해양은 여름철 기온 변화로 식물플랑크톤의 종류와 활성이 급변하고, 이에 따라 탄소를 분해하는 미생물 군집도 변화한다. 이러한 현상은 남극 해양에 존재하는 미생물에 의한 것으로 추정됐지만 남극 해양의 저온미생물은 배양이 어려워 원인 규명이 쉽지 않았다.

□ 연구팀은 기존의 미생물 배양방법 대신 해양 미생물 군집 전체에서 DNA를 추출하여 각각의 미생물 유전체를 재구성하는 메타유전체기술로 서남극 해역의 탄소순환에 관여하는 핵심 미생물의 유전체를 재구성했다.

□ 연구팀은 미생물 유전자 발현체를 분석하여 식물플랑크톤 번성 시기에 따라 관여하는 핵심 미생물의 종류가 달라짐을 밝혔다. 이들 미생물 군집의 변화는 여름철 식물플랑크톤에 의해 생성되는 유기물 종류의 변화에 따른 것임을 확인하여 남극해역 미생물과 이들이 관여하는 탄소순환 원리를 규명할 수 있었다. 

□ 이성근 교수는 “식물플랑크톤이 번성하고 소멸하는 과정에서 생산된 유기물의 분해에 관련된 미생물의 유전체 및 대사경로를 밝혀 지구의 탄소 순환을 이해하는 기반을 마련하였다”라고 연구 의의를 설명하며 “남극 해양생태계에서 식물플랑크톤이 고정한 탄소를 심해로 격리하는 기술개발 등 새로운 가능성 창출에 기여할 수 있을 것이다”라고 기대를 밝혔다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기초연구실)과 극지연구소의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 미생물분야 국제학술지 ‘마이크로바이옴(Microbiome)’에 2월 21일 게재되었다.

<참고자료> : 1. 주요내용 설명2. 그림 설명3. 연구 이야기

? 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Genomic and metatranscriptomic analyses of carbon remineralization in an Antarctic polynya
저  자
이성근 교수(교신저자, 충북대학교), 김소정 박사(제1저자, 한국지질자원연구원), 김종걸 박사(제1저자, 충북대학교)

□ 연구의 주요내용
 1. 연구의 필요성
  ○ 긴 남극의 겨울이 끝나고 짧은 여름(약 2개월)이 되면 바다를 덮고 있던 해빙이 녹으면서 비로소 해양이 태양 빛에 노출이 된다. 따라서, 겨우내 축적된 풍부한 영얌염을 이용하여 식물플랑크톤의 폭발적인 성장이 일어난다.
  ○ 이때 지구상의 다른 바다에서는 보기 드물 정도로 높은 광합성이 일어나 대기의 이산화탄소를 고정하게 된다.
  ○ 하지만, 서남극해의 아문젠해역에서는, 짧은 여름이 끝날 무렵에 플랑크톤이 사라지면서, 고정되었던 대부분의 탄소는 다시 대기로 방출된다는 것이 최근 연구에서 밝혀지고 있다.
  ○ 일반 해양에서는 광합성으로 고정된 상당부분의 탄소가 심해로 흘러 들어가 대기로부터 탄소 격리현상이 일어나고, 온난화 감소에 기여하는 것을 고려하면, 서남극해에서의 이러한 현상은 흥미로운 발견이라 할 수 있다. 이러한 과정은 남극의 해양에 존재하는 미지의 미생물에 의해 발생하고 있다.
  ○ 이 연구는 2010년부터 2014년 까지 쇄빙선(아라온호)를 이용한 3회에 걸친 서남극해 아문젠 해역을 탐사하면서, 식물플랑크톤의 광합성 작용에 의해 고정된 탄소를 대기로 방출하는데 기여하는 미생물의 종류와 관련 메커니즘을 밝히고자 하였다.
 2. 연구내용 
  ○ 해빙 아래 남극 해양의 저온미생물은 대부분 배양이 되지 않기 때문에 해양 마이크로바이옴(미생물군집) 전체에서 DNA를 추출하여 각각의 미생물 유전체를 재구성하는 첨단 기법을 이용하였다. 남극의 해양에서만 서식하는 특이적인 미생물의 종류와 대사경로를 추정할 수 있었다.
  ○ 또한, 해양환경에서의 직접적인 미생물 대사활성을 분석하기 위하여, 핵심 미생물의 유전체에 존재하는 유전자 발현 산물인 전사체를 해수에서 확보하여 분석하였다.
  ○ 연구결과에 의하면 두 가지 대표적인 미생물 군이 식물플랑크톤이 고정한 탄소의 분해에 관여하는 것으로 밝혀졌다.
  ○ 첫 번째 미생물은 식물플랑크톤의 구조를 이루는 생체고분자(Biopolymer: 다당류 등.,)를 먹이로 하는 폴라리박터(Polaribacter) 라는 미생물이며, 이들이 식물플랑크톤의 성장이 시작되는 초기 여름에 거의 대부분의 미생물을 차지한다. 따라서, 생체고분자 물질을 분해하는 유전자의 활성이 매우 높게 발현이 된다.
  ○ 반면에, 두 번째 그룹의 미생물은 여름의 후반부에 보이며, 각종 저분자 물질을 먹이로 하는 ‘Ant4D3‘라는 그룹의 특이한 미생물군이 우점하게 된다. 따라서, 각종 저분자물질들을 분해하는 유전자의 활성이 매우 높게 나타나게 된다.
  ○ 이러한 미생물들은 지구상의 다른 해역에서는 관찰되지 않는 남극의 해역에 특이적인 미생물로 여겨지며, 두 그룹의 미생물 천이 과정은 매년 여름에 규칙적으로 반복되고 있다는 것을 알게 되었다.
  ○ 서남극해에서 발견된 이러한 미생물과 미생물군집의 변환과정이 남극의 다른 해역에서도 유사하게 나타는지 알기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 만약 남극의 해양에 광범위하게 나타나는 현상이라면, 남극의 기후변화(온난화)와 탄소순환과의 상관관계를 이해하는데 매우 중요한 결과라 할 수 있다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 남극은 급격한 기후 변화를 겪고 있으며, 온난화에 따른 식물플랑크톤의 1차생산성(광합성)의 영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 이러한 변화가 미생물생태계에 의한 탄소순환에 미치는 영향에 대해서는 거의 연구가 되어 있지 않다.
  ○ 남극의 다양한 해역에서 발생하는 기후변화가 식물플랑크톤 종류와 활성을 결정하고, 이는 광합성으로 만들어지는 탄소의 종류와 량의 변화를 가져오게 된다. 따라서, 탄소유기물의 직접적인 분해에 관여하는 미생물군집 및 그 활성의 변화를 유발하게 된다. 따라서, 미생물군집의 종류와 활성은 이산화탄소의 고정과 방출 사이의 고리 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
  ○ 이 연구를 통하여 밝혀진 서남극해에서의 미생물의 종류와 역할이 다른 남극해역에도 일어나는 현상이라면, 남극 해양 전체에서의 기후변화와 미생물에 의한 탄소순환과의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 기여를 할 수 있을 것이라 생각된다.
  ○ 이 연구 결과는 남극 해양생태계에서 식물플랑크톤이 고정한 탄소의 심해 격리를 위한 예측과 기술 개발 연구에 기여할 수 있다.

? 그림 설명

(그림1) 남극 해양에서의 미생물 시료 채취
국산 쇄빙선인 아라온호에 장착된 로제트 시료채취기(Rosette sampler)를 이용하여 해수를 채취함. 채취된 해수로부터 DNA 및 RNA를 추출하여 미생물 유전체를 재구성하고, 유전자 발현을 분석하는 데 이용함. 

(그림2) 남극 해양 생태계의 탄소순환 모식도
남극의 짧은 여름 시기에 식물 플랑크톤에 의한 탄소 고정이 집중적으로 발생하지만, 대부분의 탄소가 심해저로 격리되지 못하고 미생물에 의해 다시 대기로 순환됨. 여름의 전반기와 후반기에 각각 다른 미생물 군이 나타나며, 이는 탄소기질의 종류의 차이를 반영함.

? 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

이번 연구는 2010년부터 극지연구소와 공동연구를 통해 서남극해 아문젠 해역의 미생물 군집을 연구하면서 시작하게 되었다. 이곳 아문젠 해역은 일차생산성이 전세계에서 가장 높은 지역이지만, 광합성으로 고정된 탄소가 미생물의 관여로 대부분 분해되어 다시 대기로 환원되는 독특한 환경임을 확인하였다. 극지방 냉온성 미생물은 분리가 어렵기 때문에, 최신 기법인 메타지놈 및 전사체 분석을 통해 이곳 환경에서 탄소순환에 기여하는 미생물의 메커니즘을 밝히고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

1. 해수에서 메타지놈 및 전사체 분석을 위해서는 대용량 (수백리터)의 해수를 필터작업을 통해 미생물을 포집해야 한다.
2. 포집된 필터에서 DNA 와 RNA를 뽑아서 시컨싱을 진행한다.
3. 시컨싱 후, 다양한 분석 소프트웨어를 통해 미생물의 유전체를 재구성하고, 발현체를 분석한다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이번 연구의 핵심은 바로 시료채취이다. 접근성이 다른 해양 지역에 비해 매우 어렵고, 남극의 여름시기에 맞춰서 들어가야 하기 때문에 탐사일정을 잡는 것이 매우 어려웠다. 또한, 식물플랑크톤의 번성시기와 소멸시기를 맞춰서 시료 채취하기는 상당히 어려운 부분이었지만, 3번의 남극 탐험을 통해 각각의 시료를 채취할 수 있게 되었다. 이로써, 얻기 힘든 귀중한 샘플을 얻을 수 있게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

대부분 남극 해역의 연구는 접근성이 어려워 많은 연구가 되지 못하고 있다. 또한, 남극의 미생물은 저(냉)온미생물로 배양이 매우 어려운 특성을 가지고 있다. 아라온호를 이용하여 다 년간 시료를 확보할 수 있었던 부분과, 배양이 되지 않아도 미생물 특성을 연구 할 수 있는 유전체 재구성 기술을 이용하였기 때문에 가능하였다. 아래에 설명을 하였지만, 남극의 2월은 겨울이 시작되기 때문에, 2월에 일어나는 식물플랑크톤 소멸시기를 연구하는 것은 거의 불가능에 가깝다. 이번 연구는 최초로 여름시기에 발생한 식물플랑크톤의 번성과 소멸시기를 연구함으로써, 전체 여름시기에 일어나는 남극 해양 생태계의 미생물 군집의 변화과정을 밝혀냈다는데 큰 의의를 두고 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

지구 온실가스와 매우 연관성이 높은 식물플랑크톤에 의한 광합성과 유기물분해 미생물과의 관계는 매우 중요한 글로벌 연구 분야이다. 대부분 일반 해양에서 연구된 바와 같이, 지구 온난화로 인해 극지방의 식물플랑크톤에 의한 광합성도 증가된다고 보고되고 있다. 즉, 극지방 해양 생태계의 탄소순환(격리)을 연구함으로써, 앞으로 맞이하게 될 기후변화에 효과적으로 대처할 수 있을 것으로 생각된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

현재 분자생물학적 기법을 통해 밝혀진 남극 해양에 우점하는 핵심미생물들은 실험실에서 배양이 되지 않는 미생물들이다. 실험실에서의 배양에 성공하여 좀 더 심도 있는 연구를 할 계획이다.
또한, 이번 연구를 위해 개발된 유전체 재구성 기술을 활용해서, 다른 극지방의 해양 및 육상 생태계의 배양이 되지 않은 미생물의 다양한 기능을 밝히는 연구를 수행하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구에 매우 중요한 시료인, 식물플랑크톤 소멸시기의 샘플을 얻기란 매우 힘들었다. 식물플랑크톤 소멸시기(2월)에는 녹았던 바다가 다시 결빙이 일어나 겨울로 접어드는 시기이다. 해빙이 생기기 시작하는 시기이기 때문에, 탐사선이 무사히 벗어나 귀환하는 것이 어려워 어떤 나라도 이러한 시기에는 탐사를 하지 않기 때문이다. 우연찮게, 쇄빙선(아라온호)이 갑작스레 러시아 조난 어선 구조 작업을 진행하게 됨으로써, 계획된 일정보다 늦게 남극 탐사가 진행되었다. 이로 인하여, 식물플랑크톤 소멸시기의 샘플을 얻는데 성공할 수 있었다. 구조작업을 통해 우리나라의 위상을 전 세계에 알림과 동시에 좋은 연구 결과를 얻게 되는 계기가 되었다.