차세대 염기서열 분석(NGS)
차세대 염기서열 분석(NGS)은 유전체학 분야를 혁신하여 DNA와 RNA 염기서열 분석에 있어 전례 없는 속도, 섬세함, 비용 효율을 제공했다. NGS는 처음 시작된 이래 임상 진단부터 개인 맞춤형 약물, 진화 생물학에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있다. NGS의 원리, 기술 발전, 운영 및 앞으로의 전망에 대해 자세히 살펴볼 것다.
시퀀싱 기술의 정교화
Sanger 시퀀싱의 토대
NGS가 등장하기 전에는 Sanger 시퀀싱이 DNA 시퀀싱의 표준이었다. 1970년대에 프레드릭 생어가 개발한 이 시스템은 DNA 복제 중 사슬 말단 디옥시뉴클레오타이드를 결합시키는 방식이다. 정확하긴 하지만, 생어 시퀀싱은 노동력과 시간이 많이 소요되고 비용이 많이 들기 때문에 확장성에 한계가 있다.
NGS의 등장
2000년대 중반, NGS가 등장하면서 생어 시퀀싱의 한계를 넘어섰다. NGS 기술은 수백만 개의 DNA 조각을 동시에 분석하는 병렬 염기서열 분석이 가능하다. 이 기술은 염기서열 분석의 비용을 획기적으로 낮추고 산출되는 결과량을 증가시켜 대규모 유전체 분석을 가능하게 했다.
NGS의 원리
NGS에는 라이브러리 준비, 시퀀싱, 데이터 분석 등의 과정으로 이루어진다.
라이브러리 준비
라이브러리 준비에는 DNA 또는 RNA 샘플을 절단하고 이러한 조각의 끝에 어댑터를 부착하는 작업이다. 이러한 어댑터는 후속 증폭 및 시퀀싱을 위한 인식 지점 역할을 한다.
시퀀싱
여러 기업들이 NGS 시장을 지배하고 있으며, 각각 다른 시퀀싱 원리를 사용한다.
- 일루미나 시퀀싱: 가장 널리 사용되고 있는 일루미나 시퀀싱은 가역적 컬러 터미네이터를 이용한다. 유리 기판에서 DNA 조각을 고정하고 증폭하여 클러스터를 형성한 다음 형광 표지된 뉴클레오타이드를 사용하여 시퀀싱한다. 각각의 과정은 카메라로 기록되어 방대한 양의 데이터를 생성한다.
- 이온 토렌트 시퀀싱: 이 기술은 뉴클레오타이드 삽입 과정에서 방출되는 수소 이온을 감지한다. DNA 중합효소가 합성되는 DNA 가닥에 뉴클레오타이드가 결합할 때, 수소 이온이 방출되어 결과물의 pH가 변하고, 이를 감지하여 시퀀싱 데이터로 변환한다.
- 팩바이오 시퀀싱: 장시간 읽기 기능으로 잘 알려진 팩바이오 시퀀싱은 단일 분자 실시간(SMRT) 기술을 사용한다. DNA 중합효소가 실시간으로 DNA를 합성하고 형광 표지된 뉴클레오타이드의 결합을 광학적으로 감지한다.
- 옥스포드 나노포어 시퀀싱: 이 기술은 막에 위치한 나노포어를 통해 단일 DNA 또는 RNA 분자를 통과시킨다. 뉴클레오타이드가 나노포어를 통과할 때 전류의 변화를 측정하여 염기서열 정보를 실시간으로 분석한다. 나노포어 시퀀싱은 초장시간 읽기와 빠르게 이동 가능한 시퀀싱 장비로 주목받고 있다.
데이터 분석
NGS는 방대한 양의 데이터를 생성하며, 이를 분석하기 위해 강력한 데이터 도구가 필요하다. 데이터 분석 과정에는 일반적으로 아래와 같은 단계가 포함된다.
- 베이스 콜링: 원시 신호 데이터를 뉴클레오타이드 서열로 변환한다.
- 정렬: 읽은 서열을 참조 유전체에 맞추고 변이를 식별한다.
- 변이체 호출: 단일염기다형성(SNP), 삽입, 결실 및 구조적 변이를 감지한다.
- 해석: 발견된 변이의 생물학적 의미를 해석한다.
NGS의 응용 분야
NGS는 생물학 및 약학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
임상 진단
NGS는 유전병에 대한 신속하고 전체적인 분석을 가능하게 함으로써 임상 진단 분야에 새로운 바람을 일으켰다. 전체 엑솜 시퀀싱(WES)과 전체 유전체 시퀀싱(WGS)은 희귀 유전병의 병원성 변이를 식별할 수 있다. 암 유전체학에서도 NGS는 체세포 돌연변이를 식별하고, 표적 치료법을 안내하며, 최소 잔존 병변을 모니터링하는 데 도움이 된다.
전염성 질병 감시
NGS는 전염성 질병 감시 및 발병 추적에 중요한 역할을 한다. 병원체 유전체학을 통해 전염성 병원체를 식별하고 특성을 밝히며, 전염 경로를 추적하고 병원체의 변이를 모니터링할 수 있다. 예를 들어, NGS는 코로나19의 원인인 사스코로나바이러스-2의 확산과 변이를 추적하는 데 중요한 역할을 했다.
진화 및 인구 유전체학
NGS는 다양한 종의 전체 유전체 시퀀싱을 가능하게 함으로써 진화 생물학 연구의 패러다임을 바꿨다. 이를 통해 진화 역사의 재구성, 유전적 적응의 확인, 인구 구조에 대한 이해가 쉬워졌다. 인구 유전체학은 NGS를 사용하여 집단 내 및 집단 간의 유전적 변이를 연구하여 이동 패턴, 자연 선택, 유전자 고립에 대한 분석이 가능하게 되었다.
앞으로의 전망
기술 발전
NGS 기술의 지속적인 발전은 비용을 더욱 절감하고 정확성을 높이며 진행 과정을 단순화하는 것을 목표로 한다. 단일 세포 수준에서 유전 물질을 분석하는 단일 세포 시퀀싱과 같은 기술의 발전은 세포 다양성과 발달에 대한 이해를 넓히고 있다.
다른 기술과의 통합
NGS와 전사체학, 단백질체학, 대사체학 등 다른 오믹스 기술의 통합적 사용은 생물학에 대한 보다 포괄적인 이해를 가능하게 한다. 멀티 오믹스 접근법은 건강과 질병에서 유전자, 단백질, 대사산물 간의 복잡한 상호작용을 해석할 수 있다.
결론
차세대 염기서열 분석(NGS)은 유전체학에 혁명을 일으켜 생명의 유전자에 대한 새로운 인사이트를 주었다. 이 기술은 임상 진단, 맞춤형 의약품, 전염성 질병 감시 및 진화 생물학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 기술이 계속 발전함에 따라 NGS는 생물학 및 의학의 미래를 개척해나가는 데 중요한 역할을 할 것이다. NGS가 가지고 있는 저력을 사용하고 당면한 과제를 해결하는 것은 과학과 의료의 새로운 지평을 여는 데 있어 중요한 일이 될 것이다.