차세대 염기서열분석 (Next-Generation Sequencing)

한 줄 정의: DNA를 수백만 개의 짧은 조각으로 나누어 동시에 병렬로 읽어낸 뒤 컴퓨터로 다시 이어 붙임으로써, 기존 방식보다 훨씬 빠르고 저렴하게 대량의 염기서열을 분석하는 고속 시퀀싱 기술입니다.

쉽게 풀면

두꺼운 책 한 권을 처음부터 끝까지 한 사람이 한 문장씩 읽어 나가면 시간이 오래 걸립니다. 그런데 책을 수백만 개의 문장 조각으로 찢어서, 수백만 대의 복사기(스캐너)에 동시에 넣고 한꺼번에 읽게 한 다음, 컴퓨터가 겹치는 부분을 찾아 순서대로 다시 이어 붙인다면 훨씬 빨리 전체 내용을 알아낼 수 있습니다. 차세대 염기서열분석(NGS)이 하는 일이 바로 이것입니다. 기존의 전통적인 DNA 염기서열분석(생어 시퀀싱)이 한 번에 한 가닥씩 순차적으로 읽었다면, NGS는 DNA를 잘게 잘라 수백만~수십억 개의 조각을 동시에(대규모 병렬로) 읽어내기 때문에, 사람 유전체 전체를 하루이틀 만에 분석하는 것도 가능해졌습니다.

왜 중요한가

NGS는 유전체 전체를 저렴하고 빠르게 읽을 수 있게 해주면서 인간 유전체학뿐 아니라 미생물학, 생태학, 농업생명공학 등 생물학 전반의 연구 방식을 근본적으로 바꾼 기술로 평가됩니다. 대규모 집단의 유전 변이를 비교하는 연구, 감염병 병원체의 진화 추적, 미생물 군집의 구성을 파악하는 메타지놈 분석 등은 NGS 없이는 사실상 불가능했던 규모의 분석입니다. 그래서 특정 질병이나 현상을 다루는 논문이라도 실험 방법 절에서 NGS가 데이터 생산의 기본 도구로 반복적으로 등장합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"환자 시료의 전체 엑솜에 존재하는 체세포 변이를 확인하기 위해 차세대 염기서열분석(NGS)을 수행하였다."

이 문장은 연구팀이 대량 병렬 시퀀싱 기술을 이용해 환자의 유전자 영역 전체를 빠르게 읽어내고, 그 안에 있는 돌연변이를 찾아냈다는 뜻입니다. 암 유전체 분석, 희귀질환 진단, 감염병 병원체의 유전체 추적 등 대량의 염기서열 정보가 필요한 거의 모든 유전체학 연구에서 표준 도구로 쓰입니다.

"토양 시료에서 추출한 DNA를 NGS로 분석하여 미생물 군집의 종 다양성과 상대적 분포를 확인하였다."

미생물생태학에서 메타지놈 시퀀싱을 통해 특정 환경의 미생물 구성을 파악하는 데 NGS가 쓰이는 사례입니다.

"바이러스 유행주의 계통 분석을 위해 임상 시료로부터 얻은 바이러스 유전체를 NGS로 시퀀싱하고, 기존 균주와의 변이를 비교하였다."

감염병 역학 연구에서 병원체의 유전적 변화를 추적하는 데 NGS가 활용되는 예시입니다.

조금 더 깊게 보면

NGS는 세부적으로 여러 플랫폼과 화학적 원리로 나뉘는데, 짧은 조각을 매우 정확하게 대량으로 읽는 단문 시퀀싱(short-read)과, 조각을 길게 읽어 반복 서열이나 구조 변이를 더 잘 포착하는 장문 시퀀싱(long-read) 방식이 대표적으로 구분됩니다. 짧게 읽은 조각들은 이미 알려진 참조 유전체에 정렬(alignment)하거나, 참조 서열 없이 조각들끼리 겹치는 부분을 찾아 처음부터 이어 붙이는 조립(de novo assembly) 방식으로 처리되며, 이 과정에서 발생하는 오류율과 커버리지(coverage, 특정 위치를 몇 번 반복해서 읽었는지)가 분석 결과의 신뢰도를 좌우하는 중요한 지표로 다뤄집니다.

주의할 점

NGS는 DNA 염기서열분석이라는 큰 범주에 속하는 특정 기술 세대를 가리키는 말로, "염기서열을 읽는다"는 목적은 같지만 한 번에 하나씩 순차적으로 읽는 전통적 방식과 달리 수많은 조각을 동시에 읽는 대규모 병렬 처리 방식이라는 점에서 구분됩니다. 또한 NGS로 얻은 짧은 조각들을 정확히 이어 붙이려면 상당한 컴퓨터 연산(바이오인포매틱스 분석)이 추가로 필요합니다.