[LabStory] 성균관대학교 윤환수 교수님 편

2024년에도 Lab Story는 계속됩니다! 쭈욱~ 

 

공기를 정화하고 쾌적한 환경을 위해서 식물을 키우시는 분이 많은데요, 벤자민고무나무 같은 공기 정화 식물들은 특정 유해 물질을 흡수하고 산소를 방출하며 공기 중의 습도를 조절하는 등의 역할을 합니다. 보통 이러한 식물들을 흙에 뿌리를 내리고 파릇파릇한 잎사귀를 가지고 있죠. 

산소 생산을 위해서 식물들은 광합성이라는 생물학적인 과정을 거치는데요, 광합성은 식물이 태양으로부터 에너지를 흡수하여 이산화탄소와 물을 사용하여 산소를 생산하는 과정입니다. 이산화탄소를 흡수하여 산소를 방출함으로써 대기 중의 산소 농도를 높이며 유해 물질을 정화하는 데 도움을 줍니다.

 

대다수의 사람들은 육지에 있는 식물들이 광합성을 수행한다는 것은 잘 알지만, 바닷속의 조류(藻類, algae)도 광합성에 기여하며 녹색 지구의 숨은 공로자라는 것을 모르고 있습니다. 
진화유전체학 및 조류 연구의 권위자이신 성균관대 생명과학과 윤환수 교수님을 만나 조류의 세계에 대하여 듣고 왔습니다!

 

Introducing the Professor

Q. 안녕하세요. 윤환수 교수님! 교수님과 진화유전체학 연구실에 관해서 설명 부탁 드릴게요. 

성균관대학교 생명과학과 윤환수 교수님

 

안녕하세요.
성균관대학교 생명과학과 윤환수 교수입니다.
미국 아이오와대학 박사후연구원, 미국 비글로해양과학연구소 책임연구원을 거쳐 2011년부터 성균관대 생명과학과 교수로 재직하고 있습니다. 
저는 현재 진화유전체학 연구실에서 해양식물의 유전체 연구를 중점적으로 하고 있어요. 특히, 극한 환경에서의 조류 진화, 그리고 홍조류(김, 우뭇가사리)와 갈조류(미역, 다시마, 톳)의 유전체 진화, 내공생을 통한 색소체의 진화, 광합성의 기원 등에 관심을 두고 연구하고 있습니다. 유전체 혹은 유전자는 오랜 진화 과정을 거치면서 많은 정보를 저장합니다. 이러한 빅데이터를 분석하기 위해 우리는 생물정보학적(bioinformatics) 연구 방법을 활용하고 있습니다.

 

유전체(genome)란 특정 종 또는 개체가 가지고 있는 모든 유전 정보를 나타냅니다. 유전체 분석 연구는 주요한 유전적 특징을 파악하고, 다른 종과의 비교 분석을 통해 진화적 역사를 추론하거나, 또한 질병 연구에 많이 활용되고 있습니다. 전 세계적으로 유전체를 기반으로 한 연구가 활발히 진행되고 있는데요, 하지만 해양식물의 유전체 분석 분야는 아직 초기 단계라고 봅니다.

 

수심에 따라 서식 환경이 다른 해조류 (출처: 해양수산부 블로그)

지구상에는 다양한 해양식물이 존재하고 생태계 안에서 1차 생산자로써 중요한 역할을 하고 있음에도 불구하고 여태껏 해양식물에 관한 연구는 개별 유전자 수준에서만 이루어져 왔습니다. 유전체 분석 연구는 굉장히 미비하여 최근에서야 시작되었습니다. 저는 경제적, 생태적, 학문적 가치가 높은 미역, 톳, 김 등 해양 갈조류와 홍조류를 대상으로 한 유전체 연구에 집중하여 진화적 기원을 밝히고 이를 어떻게 활용할 것인가에 대한 연구를 하고 있습니다.

 

Q. 특별히 홍조류/갈조류 연구를 중점적으로 하시게 된 계기가 있을까요?

윤환수 교수님 연구실의 해조류 그림 

 

학창 시절부터 생물 시간을 제일 좋아했는데요, 제 마음을 설레게 하는 공부를 하고 싶어서 충남대학교 생물학과에 진학했습니다. 그때 저의 은사님이 조류를 연구하셨는데요, 당시 교수님 실험실에 대학원생이 한 명(현재 제주대 생물학과 김명숙 교수) 뿐이었습니다. 그래서 채집 여행을 갈 때 보조원이 필요하다 보니 제가 지원하게 되었습니다. 학부생 4년 내내 무거운 짐을 들고 채집도 하며 공부도 하게 되었어요. 힘들었지만 채집과 연구에 점차 매력을 느끼게 되었고 그러다 보니 자연스럽게 대학원에 진학해 석사·박사 과정을 밟으며 홍조류를 연구하게 되었습니다. 교수가 되어 학생 시절 은사님과 우뭇가사리(홍조류)의 관한 연구도 진행하였었는데요, 아주 뜻깊었어요.

 

 

Introducing the Lab

Q. 다른 연구실과의 차별성과 조류 연구의 중요성에 대해서 말씀해 주신다면요?

성균관대학교 진화유전체학 연구실

 

우리 연구실의 특징은 wet-lab과 dry-lab이 공존한다는 것인데요. 아름다운 바다, 강 등으로 나가 직접 해조류를 채집하고 채집한 생물 종을 가지고 직접 연구를 수행합니다. 더불어 분자생물학적 실험 방법을 익히고, 생물정보학 분석을 배우기 위해 기본적인 프로그래밍 기술을 배웁니다. 
우리 연구실의 가치는 연구의 독창성과 희소성에 있다고 말씀드리고 싶은데요. 미세조류와 해조류의 진화에 관한 연구는 국내뿐만 아니라 세계적으로도 많지 않으며, 특히 홍조류의 진화와 엽록체의 내공생에 관한 연구는 세계적으로 우리 실험실이 리드하고 있습니다.

 

진화유전체학 연구실 해양식물배양실

 

모든 연구자에게는 본인의 연구 분야가 가장 중요하겠지만, 조류 연구가 특히 중요한 이유는 우리가 사는 지구의 환경과 생태계에 기여하고 있기 때문이에요. 정확한 추정치는 학자마다 다르지만, 지구의 산소는 바다에서 절반 이상이 생성됩니다. 그 핵심이 광합성을 하는 진핵생물인 조류 (홍조류, 갈조류 등)입니다. 하지만 사람들은 조류가 육지의 식물만큼이나 광합성에 기여하고 있다는 사실을 잘 모르는 것 같아요. 예를 들면 해양 식물 플랑크톤의 총질량은 육상식물의 1%도 안 되지만 매년 흡수하는 이산화탄소의 양은 450~500억 톤으로 520억 톤인 육상식물과 큰 차이가 없어요. 녹색 지구의 숨은 공로자인 조류를 연구해 세상에 알리는 것은 제 연구의 궁극적이 목적이고, 이를 조금씩 이루어 갈 때 큰 보람을 느끼는 이유입니다. 앞으로 조류의 효율적인 광합성 메커니즘이 밝혀지면 인류가 마주한 에너지 환경 문제를 해결하는 데에도 큰 도움이 되리라 생각해요.

 

Q. 교수님의 연구실을 한마디로 표현하신다면?

유전체 분석을 통해 광합성 생물의 진화역사를 추론하는 연구실

 

Q. 미역국이나 김 좋아하시나요?

미역국, 김 모두 좋아합니다. 생미역, 생다시마를 살짝 데쳐 초장에 찍어 먹는 것도 아주 좋아합니다. 최근에는 다양한 해조류가 포함된 해조류 샐러드 제품이 시판되고 있는데, 홍조류 풀가사리 종류의 꼬들꼬들한 식감을 좋아합니다. 미역, 감태, 톳, 개꼬시래기 등 우리 식탁에 올라오는 해조류의 유전체 서열을 우리 실험실에서 해독하였는데, 그래서인지 해조류 반찬은 모두 좋아합니다.

 

About the Project

Q. 가장 기억에 남는 연구가 있다면, 어떤 연구일까요? 이 연구를 통해서 무엇을 느끼셨나요?

가장 기억에 남는 연구는 홍조류 광합성 연구(해양 홍조식물의 색소복합체 유전자 발굴 및 광수용체 연구)에요. 광합성은 식물과 조류가 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 과정으로 이산화탄소의 탄소가 물과 반응해 포도당으로 고정되고, 그 부산물로 산소가 발생해요. 광합성은 지구에서 생물이 살아가는 데 가장 기본이 되는 중요한 반응이라고 할 수 있습니다. 저는 해양식물의 광합성 방식이 육상식물과 왜 다르고 그렇게 진화한 이유가 무엇인지에 관한 연구를 진행했습니다. 
이를 연구하기 위해 해양 단세포성 홍조류인 피떡말(Porphyridium purpureum)의 유전체를 해독했습니다. 이번 연구에서는 나노포어 롱 리드 시퀀싱(Nanopore long-read sequencing)을 이용하였는데요, 기존 분석법보다 더 긴 단위로 유전자를 해독할 수 있어서 게놈 구조의 변화를 파노라마처럼 보고 비교하여 고품질의 유전체를 완성했습니다.

 

피떡말 (Porphyridium purpureum) (출처: 성균관대학교)

 

그 결과, 엽록소 a/b를 중심으로 광수용체에서 빛을 흡수하여 광합성을 수행하는 녹색식물과 달리 홍조류는 피코시아닌, 피코에리트린, 알로피코시아닌 등의 색소로 구성된 피코빌리솜(phycobilisome)이란 특이적인 색소복합체에서 빛을 흡수해 광합성을 수행한다는 사실을 밝혀내게 되었습니다. 피코빌리솜의 다양한 구조는 색소단백질을 서로 연결해 주는 연결단백질(linker protein)에 의해 결정된다는 것을 밝혀 냈습니다. 이를 통해 홍조류의 피코빌리솜이 육상에 있는 식물보다 훨씬 넓은 파장대의 빛을 흡수할 수 있고, 빛이 희박한 깊은 물속에서도 광합성을 수행할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이러한 연구 내용을 다룬 논문 “Expansion of phycobilisome linker gene families in mesophilic red algae”는 Nature Communication에 출판되었고, 현재 후속 연구를 수행하고 있습니다.

 

피코빌리솜 색소복합체 진화 시나리오 (출처: 성균관대학교)

 

또 다른 대표적인 연구 활동으로는 극한 환경에 적응한 남색홍조류의 진화 과정 및 유전체 연구가 있습니다. 남색홍조류는 화산이나 온천 등 고온(45~60도) 및 강산성(pH 0~4)의 중금속이 많은 환경에서 발견되는 유일한 진핵생물입니다. 우리 연구팀은 남색홍조류가 극한 환경에서 어떻게 적응하는지를 알아보기 위해 남색홍조류 3종의 유전체를 염색체 수준으로 해독했고, 생물정보학적 유전체 비교분석을 통하여 유전자의 유무, 변이 정도, 중금속 환경에서의 적응력을 분석했습니다.

 

이 연구를 통해 남색홍조류의 유전체 내에 수많은 박테리아 기원의 유전자가 있음을 발견했고, 생물정보학적 분석을 통해 남색홍조류가 박테리아로부터 비소나 수은과 같은 중금속을 해독하는 유전자를 획득했고, 이후 아종 말 체 유전자 중복(subtelomeric gene duplication)으로 유전자의 수를 늘려 극한 환경에 적응한 것을 밝혔습니다. 본 연구 성과는 Nature Communication에 2023년 1월 게재되었습니다.

 

남색홍조류의 극한 환경 적응 시스템 (출처: 성균관대학교)

 

Q. 연구하면서 어려운 점이 있다면요?

아무래도 육상식물에 비해서 전 세계적으로 해양식물 유전체 연구가 활발히 이뤄지지 않는 점이 아쉬워요. 연구에 대한 지원도 부족하고 전문가도 부족합니다. 육상식물이나 동물에 적용한 최신 기술과 방법을 해조류에 적용하면 흥미로운 결과도 얻을 수 있고, 경제적 유용가치가 높은 물질도 추출 및 생산하여 산업에 기여할 수 있으리라 생각합니다. 최근에는 해조류 양식을 통해 탄소를 고정하여 대기 중 이산화탄소를 낮추는 탄소저감 연구가 전 세계의 관심을 받고 있는데, 더 많은 연구자가 해조류 연구를 하면 좋겠습니다.

 

Q. 조류(algae) 진화유전체학 연구실에 관심 있는 학생들이 참고하면 좋은 논문 추천 부탁드려요!

1. Seok-Wan Choi, Louis Graf, Ji Won Choi, Jihoon Jo, Ga Hun Boo, Hiroshi Kawai, Chang Geun Choi, Shuhai Xiao, Andrew H. Knoll, Robert A. Andersen, and Hwan Su Yoon*. 2024. Ordovician origin and subsequent diversification of the brown algae. Current Biology 34(4):740-754
2. JunMo Lee, Ji Hyun Yang, Andreas P.M. Weber, Debashish Bhattacharya, Woe-Yeon Kim and Hwan Su Yoon*. 2024.  Diurnal Rhythms in the Red Seaweed Gracilariopsis chorda are characterized by unique regulatory networks of carbon metabolism. Molecular Biology and Evolution 41(2): msae012. https://doi.org/10.1093/molbev/msae012
3. Yongsung Lee, Chung Hyun Cho, Chanyoung Noh, Ji Hyun Yang, Seung In Park, Yu Min Lee, John A. West, Debashish Bhattacharya, Hwan Su Yoon*. 2023. Origin of minicircular mitochondrial genomes in red algae. Nature Communications 14:3363. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39084-2
4. Chung Hyun Cho, Seung In Park, Tzu-Yen Huang, Yongsung Lee, Claudia Ciniglia, Hari Chandana Yadavalli, Seong Wook Yang, Debashish Bhattacharya & Hwan Su Yoon*. 2023. Genome-wide signatures of adaptation to extreme environments in red algae. Nature Communications 14, 10. https://doi.org/10.1038/s41467-022-35566-x
5. Louis Graf, Younhee Shin, Ji Hyun Yang, Ji Won Choi, Il Ki Hwang, Wendy Nelson, Debashish Bhattacharya, Frédérique Viard and Hwan Su Yoon*. 2021. A genome-wide investigation of the effect of farming and human-mediated introduction on the ubiquitous seaweed Undaria pinnatifida. Nature Ecology and Evolution 5: 360-368. https://doi.org/10.1038/s41559-020-01378-9.
6. Duckhyun Lhee, JunMo Lee, Khaoula Ettahi, Chung Hyun Cho, Ji-San Ha, Ya-Fan Chan, Udi Zelzion, Timothy G Stephens, Dana C Price, Arwa Gabr, Eva C M Nowack, Debashish Bhattacharya*, Hwan Su Yoon*. 2021. Amoeba genome reveals dominant host contribution to plastid endosymbiosis. Molecular Biology and Evolution 38: 344-357. https://doi.org/10.1093/molbev/msaa206.
7. JunMo Lee, Dongseok Kim, Debashish Bhattacharya, Hwan Su Yoon*. 2019. Expansion of phycobilisome linker gene families in mesophilic red algae. Nature Communications 10:4823. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12779-1

 

Q. 혹시 연구 시 사용하시는 소프트웨어가 있으신가요? 

성균관대 진화유전체학 연구실 전경

 

CLC Genomics Workbench와 Geneious 등의 프로그램은 Graphical User Interface (GUI) 플랫폼으로 실험실에 처음 들어오는 학생들이 쉽게 생물정보분석에 접근할 수 있어서 사용하고 있습니다. 이러한 GUI 기반 프로그램으로 어느 정도 생물정보분석에 익숙해지고 나면 biopython을 이용하여 각자의 스크립트를 작성하여 유전체를 조립하고 유전자 기능을 추정하여 개인 맞춤형 생물정보빅데이터를 분석하고 있습니다. 파이썬은 생물정보학에 익숙하지 않아도 유전자와 유전체 분석에 쉽게 접근할 수 있는 유용한 툴이니 꼭 배워 두기를 권합니다.

 

Q. 인실리코젠과는 어떻게 인연을 맺게 되셨나요?

인실리코젠 최남우 사장님과 윤환수 교수님 

 

인실리코젠과 인연은 제가 2011년 미국에서 한국으로 돌아온 이후 유전체데이터를 분석하는 전문가를 찾는 중에서 시작되었습니다. 귀국 후 얼마 되지 않아 최남우 사장님으로부터 세미나 초청이 있었는데, 성균관대 후문에는 택시가 많지만 정문에는 택시 잡기가 어려운 것을 알지 못하여 세미나에 늦었던 기억이 있습니다. 지금처럼 카카오택시가 없었던 오래전의 일입니다. 인실리코젠과 공동연구는 2011년 8월부터 시작하였습니다. 한국해양연구원 주관 홍조류 우뭇가사리 유전체 해독을 목표로 하였으나, 우뭇가사리가 점액질이 너무 많고 박테리아 오염이 심해서 고품질 유전체 완성은 하지 못했던 아픈 기억이 있습니다. 하지만 이 연구는 홍조류 개꼬시래기로 종을 교체하여 완성할 수 있었고, 연구 결과는 분자진화 분야 최고 저널인 Molecular Biology and Evolution에 진정홍조류 두 번째의 유전체로 출판하였습니다. 2014년 시작한 해양수산부 다부처유전체사업을 통해 여러 해양식물 유전체를 해독하였는데, 미역 유전체는 2021년 Nature Ecology and Evolution에 출판하였고, 7종의 다시마류 (감태, 곰피, 대황, 넓미역, 끈말, 쇠미역, 구멍쇠미역) 유전체는 현재 투고를 준비하고 있습니다. 오랜 공동 연구의 결실이 최근에 훌륭한 논문으로 출판되고 있어 매우 기쁘게 생각하고 있으며, 학연 협력의 좋은 모델이라고 자랑하고 싶습니다.

 

Q. 마지막으로 한 말씀 부탁드립니다!

해양식물배양실에서 환하게 웃고 계신 윤환수 교수님 

 

연구원은 자연이 가지고 있는 비밀을 창의적으로 풀어나가는 사람이라고 생각해요. 이 비밀은 단번에 풀리는 것이 아니라 지칠 때도 있지만, 끈기와 열정을 가지고 끊임없이 도전하면 결국에 자연의 섭리를 이해하게 되고, 그로 인한 성취감은 무엇과도 비교할 수 없다고 생각합니다. 연구원을 꿈꾸고 도전하는 학생들에게 무한한 응원을 보내며 최신의 분석 기술을 이용하여 해양 생물의 진화 역사를 연구하는 일에 관심이 있다면 언제든지 진화유전체학 연구실의 문에 노크를 해 주시기 바랍니다!

 

 

 

 

 

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Reference

• https://www.lecturernews.com/news/articleView.html?idxno=116387
• https://webzine.skku.edu/skkuzine/section/culture03.do?articleNo=105228&pager.offset=0&pagerLimit=10

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인실리코젠의 디지털 마케터가 전하는 생물정보 이야기

EDITOR

Digital Marketer

FLEX Dept.