Nanopore 메타지노믹스로 본 해양 생태계의 새로운 지도

An unprecedented metagenomic landscape of European and North American coastal samples

https://www.youtube.com/watch?v=I-AGgESS2bg&t=577s

 

아래 내용은 동영상 발표 내용을 요약한 자료입니다.

 

안녕하세요, 저는 Lauren Louie이고 Lawrence Berkeley National Lab의 연구원입니다.
오늘은 유럽과 북미 연안 샘플을 대상으로 수행한 나노포어 메타지노믹스 프로젝트에 대해 말씀드리게 되어 매우 기쁩니다.

 

이 사진은 Northeastern University의 James Lab에서 촬영한 것으로, 저는 하루 동안 34개의 PromethION 플로우셀을 로딩했습니다. 모든 플로우셀이 문제없이 잘 작동했고, 에어버블 없이 모두 정상 상태였습니다. 그 결과 총 5 테라베이스 규모의 나노포어 메타지노믹 시퀀싱 데이터를 얻었습니다. 오늘은 이 지점에 어떻게 도달했는지 설명드리고자 합니다.

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연구 배경

제 연구는 샌프란시스코 하구(San Francisco Estuary)에 관한 것입니다.

이 지역은 샌프란시스코 베이 지역뿐 아니라 캘리포니아 전체에 매우 중요한 자원입니다.

이 하구는 다음을 포함합니다:

• Sacramento–San Joaquin River Delta
• Suisun Bay
• San Pablo Bay
• San Francisco Bay

이 지역은 캘리포니아 식수의 약 2/3를 공급하며, 상업, 레저, 농업에도 매우 중요한 역할을 합니다.

하지만 인구가 많기 때문에

• 도시 유출수
• 농업 유출수
• 하수 처리수

등의 영향으로 인간 활동에 크게 영향을 받습니다.

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문제 상황: 부영양화(Eutrophication)

흥미로운 점은 이 하구가 높은 영양염 농도를 가지고 있음에도 일반적인 부영양화 현상이 크게 나타나지 않는다는 것입니다.

부영양화가 발생하면:

• 조류(algae)가 급증
• 산소 부족(hypoxia) 발생
• 물고기 폐사
• 생태계 붕괴

가 일어날 수 있습니다.

현재 가설 중 하나는 강에서 유입되는 퇴적물로 인해 물이 탁해지고 햇빛이 충분히 투과되지 않아 조류 성장이 억제된다는 것입니다. 하지만 정확한 원인은 아직 완전히 이해되지 않았습니다.

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최근 문제: 유해 조류 번성(Harmful Algal Bloom)

2022년에는 유해 조류 번성이 발생하여 수천 마리의 물고기가 폐사했습니다.

이는 생태계 균형이 무너지고 있음을 의미하며, 이를 이해하고 예방하기 위한 연구가 필요합니다.

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해결 접근: 미생물 연구

이 문제를 해결하기 위해 미생물군(microbiome)을 연구합니다.

미생물은 질소 순환의 중요한 부분을 담당하며, 이들의 활동을 이해하는 것이 핵심입니다.

하지만 많은 미생물은 배양이 어렵기 때문에, 유전체 시퀀싱을 통해 기능을 분석합니다.

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환경 시퀀싱의 어려움

환경 시퀀싱은 매우 어렵습니다.
퍼즐에 비유하면:

• 여러 퍼즐 조각을 한 상자에 넣고
• 그것을 다시 섞은 뒤
• 다시 맞추는 것과 같습니다.

기존 Illumina 기반 메타지노믹스에서는 완전한 유전체를 얻기 어렵습니다.

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Nanopore의 장점

Nanopore의 long read는 더 완전한 유전체를 복원할 수 있게 해줍니다.

실제로 동일 샘플 비교 시:

• Illumina → 단편화된 결과
• Nanopore → 완전한 유전체 확보

또한:

• 바이러스
• 플라스미드

까지 확인 가능해집니다.

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실험 및 데이터

US Geological Survey와 협력하여 샌프란시스코 베이에서 샘플을 수집했습니다.

파일럿 샘플:

• 시퀀싱 깊이: 150 Gb

고품질 데이터를 위해:

• 새로운 DNA 추출 방법 개발
• long-read 특화 bioinformatics 적용

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주요 성과

1. 더 긴 DNA 확보
2. strain-level 구분 가능
3. 모든 contig 분류 가능
4. 완전한 진핵생물 유전체 확보
5. chloroplast, mitochondria 확인
6. giant virus 유전체 확보

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추가 성과

• SAR86, SAR11 같은 해양 미생물 완전 유전체 확보
• 총 5 Tb 데이터 생성

현재 Baltic Sea에서도 추가로 5 Tb 데이터 확보 중이며, 샌프란시스코와 비교 연구 예정입니다.

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마무리

이 연구는 인간 활동의 영향을 받는 해양 생태계를 이해하는 데 중요한 기반을 제공합니다. 마지막으로 연구를 지원해 준 Lawrence Berkeley National Lab과 협력자들에게 감사드립니다.

https://nanoporetech.com/resource-centre/an-unprecedented-metagenomic-landscape-of-european-and-north-american-coastal-samples

 

관련 논문:

https://nanopore.tistory.com/460