생물다양성은 세계 각국이 앞다투어 연구하는 분야다. 그 중에서도 미소진핵생물 (microbial eukaryote 또는 protists)의 다양성 연구는 지구 전체 생물다양성을 이해하기 위해 중요하다. 진핵생물 (eukaryote)은 단세포성 플랑크톤에서부터 고래나 대형 켈프류 등 매우 다양한 생물을 포함한다. 우리가 흔히 볼 수 있는 식물이나 동물의 다양성은 진핵생물 다양성의 일부분에 지나지 않는다.
스스로 움직일 수 있는 미소진핵생물은 대개 초미소 (pico-size; 10-12 m) 이하의 작은 생물이다. 그러나 이들은 생태계에서 주요 생산자, 피식자 또는 포식자이기도 하며, 광합성(자가영양성) 기능과 포식성(종속영양성), 또는 주변상황에 따라 두 가지 영양상태를 바꿔가며 살아갈 수 있는 적응력을 가진 생물이다. 대양을 포함한 생태계 모든 서식처에서 번성하며 지구생물권 전체에 막대한 영향을 준다. 미소진핵생물의 유전체는 크기가 0.33Mb(Bigelowiella nucleomorph)에서부터 인간유전체(2,850Mb)의 230배가 넘는 670,000Mb (Amoeba sp.)에 이르기까지 다양하다. 
최근 해양생물다양성의 현재와 미래에 대한 중요한 논문이 발표되었다. 해양학 및 생물학과 관련된 전 세계의 대학, 연구소 등 96개 기관 120여명의 공동연구진(WoRMS, World Register of Marine Species)은 현재까지 알려진 모든 해양생물관련 자료를 통합하여 생물그룹별 종 수를 분석하였다. 그 결과 현재 알려진 진핵성 해양생물은 약 226,000종이며 알려지지 않은 741,000종을 현재와 유사한 속도(2,000신종/년)로 발견한다면, 금세기 말 약 1백만 종의 해양생물 종목록을 확보 할 수 있을 것으로 예측하였다. 앞으로 더 많은 신종이 발견될 생물군은 녹조류(~1,200종), 홍조류(~14,000종), Ciliophora(~19,174종), 돌말류(~50,000종), Chrysophyceae(~1,000종), Radiozoa(~1,040종), Foraminifera(~1,500종) 등으로 대부분 단세포성 조류이다. 현재 생물다양성 연구의 한계점은 지구상에 존재하는 다양한 생물의 실체를 명확히 파악(기제 및 동정)하는데 많은 시간이 필요하며 그 기능(유전체 수준) 연구에는 더 많은 시간이 소요된다는 점이다. 

KIOST의 연구사업 
돌말류(=규조류, diatoms)는 수水생태계 주요 구성원 중 하나로 광합성 미소진핵생물 (조류)에 속한다. 이들은 광합성을 통한 에너지, 탄소, 질소 및 규소 등 생물권 전체의 물질순환에 기여하는데, 돌말류의 광합성량은 해양생태계 생산량의 약 40%를 차지하며 이는 지구전체 생태계 생산량의 20~25%에 해당한다. 특히, 돌말류는 세포외피가 규산질세포벽(frustule)인데, 이로 인해 세포가 죽으면 가라앉아 규조토 (diatomite)를 형성하고 대양 규소순환의 주요역할을 한다. 돌말류는 가장 잘 번성한 미세조류로 현재까지 약 13,500종이 알려져 있다. 
유전적 다양성은 생물다양성을 대표하는 특징 중 하나로, 돌말류의 다양성과 유전체는 함께 연구해야 한다. 돌말류는 다양한 종수에 비해 분자연구는 매우 미비한 실정이다. 예를 들어, Bacillariophyceae강에는 2,416개의 18S rRNA 자료가 등록되어 있으나, 종수는 302종으로 전체 Bacillariophyceae강의 3% 정도만이 알려져 있다. 다행히 최근에는 새로운 분자마커가 개발되었으며, 특히 미토콘드리아 cox1 유전자는 모든 생물이 공유하는 분자마커로써 유용성이 알려져 있다. 
KIOST는 한국연구재단(2014.5-2017.4) 및 해양수산부(2014.10~2021)의 지원으로 우리나라에 분포하는 돌말류의 다양성 및 유전체 연구를 수행하고 있다. 돌말류 다양성 분야에서는 서해연안 및 갯벌에 우점하는 주요 종을 대상으로 미토콘드리아 유전체(mtDNA)를 분석하고 있다(그림 2). 본 연구에서는 태안 근소만과 시화호의 현장조사 및 야외채집을 하고 있으며, 갯벌 표층 우점 돌말류를 현미경을 이용한 단세포분리법을 통하여 단일 배양주로 확보하고 있다. 돌말류 대표종의 mtDNA 지도를 완성하여 주요 계통군의 유연관계를 규명하고, mtDNA의 진화적 특성을 이해하며, 생태계 모니터링을 위한 미토콘드리아 생태분자마커개발의 기반을 마련하고자 한다.

세계의 유전체 연구-미세조류 다양성 및 단일세포 유전학 
유전체자료를 이용한 연구는 생명현상을 이해하고 유용정보를 찾는데 매우 중요하다. 다양한 생물의 유전체정보를 계통진화학적 방법에 기반한 체계적 비교분석으로 접근하는 것이 최선이지만, 현재 진핵생물 유전체자료는 일부 생물군으로 한정되어 있다. 인간이나 주요 곡물 등 대표적인 대형생물과 균류 및 일부 병원성 생물의 자료가 거의 대부분이다.
이는 현재 우리가 알고 있는 생물다양성의 대부분(>96%)이 다세포성 생물이며, 그 중 산업적(의학 및 식품 등) 유용성이 높은 생물의 유전체연구에 집중해 왔기 때문이다. 특히 미소조류의 유전체는 매우 국한적이어서, 진핵생물 전체의 다양성을 반영하는 유전체 수준에서의 체계적인 비교분석이 불가능하다. 현재까지 연구대상이었던 극소수 단세포성 미소조류는 모두 배양이 가능한 광합성 종으로 생물다양성을 대표하기에 역부족이다.
진정한 생물다양성을 최대한 반영하며 생물의 기능생태적 다양성을 이해하기 위해서는 새로운 접근방법이 필요하였다. 이러한 요구에 대한 대안이 TARA Ocean Expedition과 MMETSP(Marine Microbial Eukaryote Tranxss-scriptome Sequencing Project)이다. TARA Ocean Expedition(2009~2012)에서는 프랑스를 중심으로 유럽-북미 36개국 공동연구팀이 지중해-북대서양-동태평양-남대서양-서인도양을 가로지르며 27,000개 대양시료를 채집하였다. MMETSP는 전세계 주요 culture collections의 진핵미세조류 전사체 650개 분석을 목표로 시작하였으며, 현재 678개 전사체 분석이 진행 중이다(iMicrobe-MMETSP). 
이러한 시도에 기반한 협력연구를 실현 가능하게 할 수 있는 기술이 최신의 단세포유전체(Single Cell Genomics, SCG) 분석이다. SCG는 생물의 고유한 특성을 이용하여 각각의 한 개의 세포로 분리하는 단계로 시작해 유전체증폭(WGS, whole genome amplification)을 거쳐 NGS를 적용한다. SCG의 강점은 배양단계를 거치지 않은 생태계 현상 그대로를 분석할 수 있다는 점이다(Bigelow-SCGC). 따라서 광합성 미세조류뿐만 아니라, 현재까지 잘 알려지지 않은 종속영양성 단세포 조류의 다양성, 생태 및 유전체 연구가 가능하다.

KIOST 연구사업에 미치는 영향 
야외채집을 통해 확보한 시료는 현장에서 즉시 분리해서 유전체를 분석함으로써 다른 생물과의 상호작용, 먹이사슬관계 및 특정 생태기능의 발현 정도 등 생태계에서 일어나는 생태구성원 본연의 생명활동을 연구할 수 있다. 또한 새로운 종의 발견은 새로운 기능의 발견으로 간주할 수 있다.
현재 KIOST는 다양성 정보가 전무한 갯벌 돌말류의 다양성과 유전체를 동시에 연구하고 있다. 갯벌 돌말류 주요종의 실체를 유전자 및 유전체 수준의 기초 DB를 구축하고 있어 앞으로 생태분자마커의 개발을 통한 해양생태 구조변동 모니터링 등에 적용이 가능할 것이다. 그러나 세계적인 추세인 SCG기술을 적용한 연구도 추가해야 할 것이다. SCG 분석을 통해 비광합성 분류군을 포함한 미소진핵생물 (조류)의 생태기능적 다양성을 연구해야 하며, 동시에 다양한 조류의 유전체 자료도 확보해야 할 것이다.

무엇이 필요한가? 
현재의 세계적인 SCG 응용 추세를 고려하여 우리만의 장점을 살릴 수 있는 특화된 전략을 마련해야 한다. 예를 들어, 서해갯벌, 울릉도-독도 또는 이어도 과학기지와 같이 특정 지점에서의 SCG 장기모니터링 연구와, 동남 아시아 Coral Triangle과 같이 생물다양성 hot spots이면서 기후변화문제에 직면해 있는 주요지역에서의 미소조류 구조 및 기능변동 연구를 고려할 수 있다.
동해를 포함한 서태평양, 동남아시아, 호주 및 남극해 등 아직 탐사해야 할 지역이 많이 남아있다. 새로운 대형연구선 도입 후, 동해 등 우리나라 인근 대양 및 국제공동 대양탐사 등 연구로 생물주권 확대에 기여할 수 있다. 이러한 연구를 수행하기 위해 단세포유전체센터(SCGC, single cell genomics center)와 같은 연구기반을 확립해야 한다. 
단세포유전체센터에는 3가지 요소가 필요하다. 첫 번째는 SCG 기반시설 확보이다. 다양한 생물이 혼재하는 야외시료로부터 연구대상 생물을 분리하기 위한 단세포분리시스템이 필수이다. BD FACSJazz 등의 최신장비는 연구선에서도 사용할 수 있는 이동성을 가지고 있어 연구현장에서의 신속한 분석에 적합한 시스템이다. 이후 유전자 및 유전체 분석을 위한 NGS 기반은 다양한 경로로 이용 가능하며, 대량의 유전체자료 분석을 위한 생물정보 분석기반은 특성화해야 한다.
두 번째는 SCG 전문인력의 양성이다. 단세포분리 장비의 운용이나 NGS 이용은 비교적 수월하겠으나 대량의 유전체정보분석을 위한 생물정보 기반의 SCG 자료분석 전문가가 필요하다. 국내에는 SCG 관련 전문인력 양성기관이 전무하다. 전문인력은 단시간에 확보할 수 없으며 기반시설을 확보하고 운용하면서 지속적으로 투자해야 할 부분이다.
세 번째, 안정적인 연구비 수급이 필요하다. SCG기반의 연구는 단기적으로 우리나라 생물다양성을 증대하여 생물자원주권을 강화할 수 있으며, 장기적으로는 생물유전자원의 확보 및 기후변화에 따른 생태계 변동 모니터링에 의한 미래예측 등 현실적인 해양생태계모델링에 근접하는데 기여할 것이다. 

글 | 생태기반연구센터 양은찬 선임연구원