[미국] 정보로 가득 찬 물 시료 : 환경 모니터링을 위한 새로운 기술
효과적인 보존 정책(conservation policy)을 수립하는 것은 환경 조건에 대한 근실시간 정보를 필요로 한다. 미국 스탠포드 대학(stanford university) 산하 해양 솔루션 연구소(Center for Ocean Solutions) 소속의 연구진은 자료를 수집하기 위한 저비용의 신속한 방법으로 유전자 기술(genetic technique)을 이용하는 것을 제안했다.
환경 정책은 지상 위와 물에서 변화무쌍한 조건에 대응해야만 하지만, 이러한 과정을 수행하는 데는 실제 세계에 대한 일정한 정보의 흐름을 필요로 한다.
스탠퍼드 대학 소속의 연구진, 워싱턴 대학(University of Washington) 소속의 연구진 및 덴마크 코펜하겐 대학(University of Copenhagen) 소속의 연구진 등으로 구성된 연구팀이 사이언스(Science)에 발표한 논문에서, 연구팀은 해양 생태계의 생물 다양성을 평가할 수 있는 새롭게 출현하고 있는 환경 DNA(environmental DNA, eDNA) 시료 포집 기술의 채용을 제안했다. 이러한 기술은 물 시료를 채집하는 것처럼 용이하게 단세포 생물에서 대백상어(Great white shark)에 이르는 다양한 생태계의 생물 다양성(biodiversity)을 평가할 수 있다.
외래 유입종(invasive species)의 제어와 멸종 위기에 처한 종의 구제는 환경으로부터 회수된 DNA를 이용하는 새로운 유형의 모니터링 도구의 수많은 응용 중 하나이다.
비록 잠수하여 조사하는 방법과 물에 시료포집 장치(sampling gear)를 배치하는 것과 같은 전통적인 시료 포집 방법이 환경 모니터링(environmental monitoring)에 광범위하게 사용되고 있지만, 이러한 장치는 고가이며, 비파괴적(invasive)이며 종종 단일 종에만 초점을 맞춘다. eDNA라고 알려져 있는 DNA 형태를 이용한 유전적 모니터링은 동물에 의한 환경을 조명하여 단일 종에만 초점을 맞추는 시료 포집 장치의 문제점 중 일부를 극복할 수 있다.
eDNA는 범죄 현장에 남겨진 지문과도 같다. 이러한 재료는 대사 폐기물, 손상된 조직 또는 벗겨진 피부 껍질 등으로부터 유래한다. 일단 이러한 재료가 포집되면, 과학자들은 전체 생물학적 군집에 대한 신속하고, 고분해능의 비파괴적 조사를 생성하기 위하여 DNA 시퀀스의 배열 순서를 규명할 수 있다.
eDNA 연구는 환경 모니터링에 대한 새로운 국면의 전환자가 될 가능성이 있다고 이 논문의 공동 저자이며, 스탠퍼드 대학 홉킨스 해양 기지 소속의 생물학과 교수인 Larry Crowder는 밝혔다. 다수의 법칙이 모니터링될 필요가 있지만, 실제로 거대하고 이동이 가능한 수수께끼 같은 동물을 모니터링하는 것은 어려운 도전과제이며 고가의 비용이 소요된다.
* 정책에 정보를 제공하기 위하여 DNA 이용하기
DNA 시퀀싱의 비용은 급속하게 감소하고 있으며, 이러한 동향이 최근 몇 년 사이 eDNA 연구를 가속시키는 원동력이 되고 있다.
우리는 이러한 놀라운 유전 도구를 사용하기 위하여 어떻게 배치할 것인가를 규명하기를 바라고 있다고 주저자이며 해양 솔루션 연구소 방문 연구원인 동시에 워싱턴 대학 소속의 조교수인 Ryan Kelly는 밝혔다. eDNA를 이용하는 것은 최신 과학이 책을 통하여 우리가 알고 있는 수많은 환경 법칙과 어떤 연관이 있는지를 보여주는 완벽한 사례라고 Kelly는 밝혔다.
거의 모든 환경 법규는 정부와 개인 분야에 대한 환경 모니터링 의무를 부과하고 있다고 이 연구의 공동저자이며 스탠포드 법과대학 소속의 선임 강연자인 Meg Caldwell은 밝혔다. 사회에 도움을 제공하기 위한 더 저렴하고 효과적인 모니터링을 수행하는 것을 목표로 하는 게놈 과학의 추진은 연구팀의 핵심 목표 중 하나라고 Caldwell은 밝혔다.
저자들은 멸종 위기종 보호법(Endangered Species Act)과 수질 오염 방지법(Clean Water Act) 등과 같은 법규의 강화에 정보를 제공하기 위하여 세부적이고 저비용 자료를 갖춘 eDNA를 사용하는 몇 가지 과학-법률 상호작용(scientific-legal interaction)의 사례를 제공했다.
지금까지 eDNA는 특정 목표 종의 존재 또는 부재를 결정하기 위하여 사용됐다. 이 기술은 외래 유입종을 검출하거나 멸종 위기종의 분포 변화를 검출하는데 유용하다. 그러나 과학자들은 eDNA 농도가 야생에서 특정의 수많은 유기체와 어떻게 관련이 있는지를 아직까지 평가하고 있다.
이러한 접근 방법을 수행하는 데 따르는 어려움은 eDNA가 특히 역동적인 해양 생태계 어디에서 생성됐는지를 정확하게 결정하는 것이다. eDNA는 수일 동안만 물에 지속될 수 있는 것으로 생각되고 있다.
이러한 한계 때문에, eDNA만으로는 정책 응용에 활용하는 것이 아직까지 충분하지 않지만, 이 방법은 이미 기존 모니터링을 보완하는데 사용되고 있다. 이러한 결합적 접근은 인간과 동물 기반의 병원균을 검출하기 위하여 캘리포니아 주에서 최근에 사용됐다.
이 접근을 개발하고 입증하는 데 많은 연구가 남아 있지만, 그 가능성은 놀랍다고 Crowder는 밝혔다. 연구팀이 이러한 접근을 개선하고 테스트하기 위하여 전 세계 및 해양 솔루션 연구소 소속의 다른 과학자들과 지속적인 연구를 수행할 것이라고 Crowder는 밝혔다.
David and Lucile Packard 재단은 현장에서 도구를 테스트를 시작하기 위한 부가적인 지원뿐 아니라 해양 솔루션 연구소에 핵심 지원의 일환으로 eDNA 도구의 원래의 개념에 대한 초기 지원을 제공했다. 최근 스탠포드 우즈 연구소(Stanford Woods Institute)로부터 환경 벤처 프로젝트 지원이 eDNA 도구를 개선하는데 도움을 줄 예정이다.
그림1> 대백상어(Great white shark)
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 7월 4일]
[원문보기]
Water samples teeming with information: Emerging techniques for environmental monitoring
Setting effective conservation policies requires near real-time knowledge of environmental conditions. Scientists with Stanford's Center for Ocean Solutions propose using genetic techniques as a low-cost, quick way to collect such data.
Environmental policy must respond to ever-changing conditions on the ground and in the water, but doing so requires a constant flow of information about the living world.
In a paper published in Science this week, scientists from Stanford's Center for Ocean Solutions, the University of Washington and the University of Copenhagen propose employing emerging environmental DNA (eDNA) sampling techniques that could make assessing the biodiversity of marine ecosystems -- from single-cell critters to great white sharks -- as easy as taking a water sample.
Controlling invasive species and saving endangered ones are among the many applications of a new set of monitoring tools that use DNA recovered from the environment.
Although traditional sampling methods -- including dive surveys and deploying sampling gear in the water -- have been widely used in environmental monitoring, they are expensive, invasive and often focus only on a single species. Genetic monitoring via a form of DNA, known as eDNA, that is shed into the environment by animals could overcome some of these issues.
eDNA is like a fingerprint left at a crime scene. This material may come from metabolic waste, damaged tissue or sloughed off skin cells. Once it is collected, scientists can sequence the DNA to create a fast, high-resolution, non-invasive survey of whole biological communities.
"The eDNA work is potentially a game-changer for environmental monitoring," said Larry Crowder, a professor of biology at Stanford's Hopkins Marine Station, senior fellow at the Stanford Woods Institute for the Environment, science director at the Center for Ocean Solutions and a co-author of the study. "A number of laws require monitoring, but actually keeping tabs on large, mobile, cryptic animals is challenging and expensive."
Using DNA to inform policy
The cost of DNA sequencing is decreasing rapidly, a trend that has fueled eDNA studies in recent years.
"We wanted to know how to put these amazing new genetic tools to use," said lead author Ryan Kelly, an assistant professor at the University of Washington and a visiting fellow at the Center for Ocean Solutions. "Harnessing eDNA is a perfect example of how cutting-edge science can plug into many of the environmental laws we have on the books."
Nearly every environmental law imposes environmental monitoring obligations on government or the private sector, said Meg Caldwell, a senior lecturer at the Stanford Woods Institute and Stanford Law School, and executive director of the Center for Ocean Solutions, as well as a contributing author of the study. "Pushing the science of genomics to help society perform monitoring more cheaply and effectively is one of our core goals," she said.
The authors provide several examples of scientific-legal interactions, among them the use of eDNA to inform the enforcement of laws such as the Endangered Species Act and Clean Water Act with detailed, low-cost data.
So far, eDNA has been used to determine the presence or absence of certain target species. This technique is useful for detecting invasive species or changes in the distribution of endangered species. However, scientists are still evaluating how eDNA concentrations relate to specific numbers of organisms in the wild.
A challenging aspect of the approach is determining exactly where the eDNA was generated, especially in dynamic marine systems. eDNA is thought to persist in water for only a few days.
With these limitations, eDNA alone is not yet enough for policy applications, but it is already being used to supplement existing monitoring. This combination approach has recently been used in California to detect human- and animal-based pathogens in waters off state beaches.
"There is much work left to do to develop and validate this approach, but the potential is amazing," Crowder said. "We will continue to work with other scientists at the Center for Ocean Solutions and worldwide to advance and test this approach."
The David and Lucile Packard Foundation provided initial funding for the original concept of the eDNA tool, as part of its core support to the Center for Ocean Solutions, as well as additional funding to begin testing the tool in the field. A recent Environmental Venture Project grant from the Stanford Woods Institute will help researchers refine the eDNA tool.
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