미생물 군집 염기서열 분석을 위한 표준화 전략 수립

초록

연구목표 ○ 염기서열 분석 데이터 정도관리를 위한 표준물질(mock community) 유지관리 및 개발 연구내용 및 결과 ○ 마이크로바이옴 염기서열 분석 표준화 전략 수립을 위해 amplicon 기반 분석과 whole metagenome sequencing을 포함한 다중 시퀀싱 기반 분석 절차를 구축하였으며, mock community를 활용한 비교·검증이 가능하도록 분석 흐름을 정립하였음 ○ 국내 개발 whole-cell 기반 한국형 mock community와 상업용 DNA 기반 mock community를 확보하고 검체 유형별로 구성하였으며, 연차별 보완을 통해 표준물질의 활용 범위와 안정성을 고도화하였음 ○ 표준물질을 활용한 분석 결과, 시퀀싱 방법에 따라 종 수준 검출 성능과 재현성에 차이가 관찰되었으며 whole metagenome sequencing이 amplicon 기반 분석보다 전반적으로 높은 종 수준 분해능을 보였음 ○ 종 수준 분석 결과의 정량적 신뢰성을 평가하기 위해 상대적 풍부도 편차를 반영한 adjusted F1-score 기반 평가 지표를 도입하여 종 검출 정확도와 정량 재현성을 통합적으로 비교·평가하였음 ○ Whole metagenome sequencing 조건 비교 결과, 대부분의 mock community에서 input DNA 10 ng과 시퀀싱 산출량 10 Gb 이상 조건에서 안정적인 종 수준 해상도가 확인되었으며, whole-cell 기반 mock community는 DNA 기반 mock community에 비해 조건 변화에 따른 변동성이 상대적으로 크게 나타났음 ○ 진균 ITS 기반 마이코바이옴 분석을 통해 건강인 데이터를 대상으로 표준화 적용 가능성을 검토하였으며, 집단 간 차이보다는 개인 간 변이가 군집 구조 형성에 더 크게 기여하는 경향이 관찰되었음 기대효과 및 활용방안 ○ 본 연구를 통해 마이크로바이옴 염기서열 분석 전 과정에 적용 가능한 표준물질과 정량 평가 기준을 마련함으로써 분석 결과의 신뢰성과 재현성 확보에 기여 ○ 구축된 표준화 전략은 병원기반 마이크로바이옴 연구 및 관련 가이드라인에 활용되어 분석 방법 선택과 시퀀싱 조건 설정을 위한 근거 자료로 활용 가능함 ○ 마이크로바이옴 분석 표준지침 개발 및 국내 맞춤형 mock community 확보를 통해 국가차원의 표준화된 고품질 마이크로바이옴 데이터 생산 및 확보 ○ 국내 마이크로바이옴 데이터 표준화 및 제고를 통해 국내 마이크로바이옴 연구개발 활성화 및 대규모 데이터 통합 연구에 기여

○ To establish standardization strategies for microbiome sequencing analysis, a multi-sequencing analytical framework incorporating amplicon-based approaches and whole metagenome sequencing was established, and an analytical workflow enabling comparative evaluation and validation using mock communities was defined. ○ A domestically developed whole-cell–based Korean mock community and commercially available DNA-based mock communities were secured and organized by specimen type, and the applicability and stability of the reference materials were enhanced through annual refinement. ○ Comparative analyses using the reference materials revealed differences in species-level detection performance and reproducibility depending on the sequencing approach, with whole metagenome sequencing demonstrating overall higher species-level resolution than amplicon-based analyses. ○ To assess the quantitative reliability of species-level analytical results, an adjusted F1-score–based evaluation metric incorporating relative abundance deviation was introduced, enabling integrated comparison of detection accuracy and quantitative reproducibility. ○ Evaluation of whole metagenome sequencing conditions indicated that stable species-level resolution was achieved in most mock communities under conditions of 10 ng input DNA and sequencing output of at least 10 Gb, while whole-cell–based mock communities exhibited greater variability in response to changes in experimental conditions compared to DNA-based mock communities. ○ In addition, the applicability of standardization was examined using ITS-based mycobiome analysis of healthy individuals, and the results indicated that inter-individual variation contributed more substantially to community structure than differences between demographic groups.