Metabolomics

Mass Spectrometry-based Plant Metabolomics

Figure 1: 대사체학 연구 개요 - 1차/2차 대사산물 및 이종생물질의 포괄적 분석


Figure 2: Mass Spectrometry-based Metabolomics 연구 흐름도


Metabolomics란?

대사체학(Metabolomics)은 생물체 내에 존재하는 저분자 대사산물(metabolites)을 포괄적으로 분석하는 학문분야입니다. 우리 연구실은 질량분석(Mass Spectrometry) 기반 기술을 활용하여 약용식물의 화학적 다양성을 체계적으로 탐구합니다.

연구 과정

1. 시료 준비 (Sample Preparation): 시료를 추출용매로 대사산물을 추출합니다.
2. LC-MS 분석 (LC-MS Analysis): 액체크로마토그래피-질량분석기(LC-MS)을 통해 수백-수천 개의 대사산물을 동시에 검출합니다.
3. 데이터 전처리 (Data Processing): 다양한 데이터 전처리 소프트웨어 도구를 사용하여 피크를 검출하여 전처리합니다.
4. 분자 네트워킹 (Molecular Networking): 구조적으로 유사한 화합물들을 분자네트워킹 플랫폼으로 네트워크 형태로 시각화합니다.
5. 통계분석 및 화합물 동정 (Statistical Analysis & Annotation): 다변량 통계분석이나 군집분석 방법 및 데이터베이스 검색을 통해 바이오마커를 발굴하고 화합물을 동정합니다. 경우에 따라서는 실제 물질분리 및 동정을 거친 화합물을 활용하여 화합물을 확인 (Identification)하기도 합니다.
6. 생물학적 해석 (Biological Interpretation): 대사산물의 생리활성과 약리작용 간의 상관관계 분석을 통해 바이오마커를 확인하고, 그 생물학적 의미를 해석합니다.


Figure 3: Molecular Networking을 통한 천연물 화학 프로파일링

Molecular Networking의 장점

- 대규모 데이터 시각화: 수천 개의 화합물을 네트워크 형태로 시각화하여 구조적 유사성을 한눈에 파악할 수 있습니다.
- 신규 화합물 발견 가속화: 기지 화합물과의 유사성을 기반으로 신규 유도체를 효율적으로 예측할 수 있습니다.
- 표적 분리 전략 수립: 생리활성이 있는 화합물 군집을 선별하여 분리 정제의 우선순위를 결정합니다.
- 식물 화학분류학: 식물 종 간의 화학적 차이를 비교하여 분류학적 관계를 규명합니다.

질량분석 기반 대사체학 연구를 통해 천연물의 화학적 다양성을 체계적으로 탐구하고 있습니다. 주요 연구 성과를 다음 세 가지 주제로 분류하여 소개합니다.

1. 식물대사체학 연구 (Plant Metabolomics)

약용식물을 포함한 다양한 식물의 화학적 다양성을 규명하고 지표성분이나 유효성분을 확인합니다.

용매 극성에 따른 약용식물 대사체 변화 데이터베이스

다양한 용매극성이 250여 종의 약용식물의 1차 및 2차 대사산물 추출에 미치는 영향을 체계적으로 분석한 질량분석데이터를 구축하였습니다. 이 연구는 천연물 추출 시 최적의 용매 선택에 필수적인 기초 자료를 제공하며, 연구자들이 목적에 맞는 추출 조건을 설계하는 데 활용됩니다. (Park et al., 2025)

후추(Piper nigrum)의 신규 dimer 화합물 발굴 및 acid amide alkaloid 프로파일링

후추에서 신규 dimer 화합물들을 발견하고, acid amide alkaloid의 전체적인 화학 프로파일을 대사체학 기법으로 체계적으로 분석하였습니다. 이 연구는 향신료로 널리 사용되는 후추의 화학적 복잡성과 구조적 다양성을 규명하여, 후추의 매운맛과 생리활성의 화학적 기반을 이해하는 데 기여하였습니다. (Jung et al., 2024)

Citrus 4종의 판별 마커 신속 동정 기술

Molecular networking과 다변량 분석을 결합한 통합 접근법을 활용하여 4종의 Citrus을 명확하게 구별할 수 있는 판별 마커를 간단하고 효율적으로 동정하였습니다. 이 기술은 형태적으로 유사한 감귤류의 과학적 감별과 품질 관리에 실용적으로 활용될 수 있습니다. (Choi et al., 2023)

2. 생체물질 대사체학 연구 (Biofluids Metabolomics)

인체나 동물의 생체시스템의 대사적 변화를 규명하여 대사적 바이오마커를 제시합니다.

지질 대사체학: 담즙산 및 타우린 대사 연구

지질(Lipids)은 생체 내에서 에너지 저장, 세포막 구성, 신호 전달 등 다양한 생물학적 기능을 수행하는 필수 생체분자입니다. 특히 담즙산(Bile Acids)은 간에서 콜레스테롤로부터 합성되어 지질 소화와 흡수를 돕는 주요 생리 활성 물질이며, 장-간 순환(enterohepatic circulation)을 통해 대사 항상성을 조절합니다. 담즙산은 타우린(Taurine) 또는 글리신(Glycine)과 결합하여 타우린 결합 담즙산(Taurine-Conjugated Bile Acids, TCBA) 형태로 존재하며, 이는 대사 질환, 노화, 장내 미생물 군집과 밀접한 관련이 있습니다.

Figure 4: 노화에 따른 담즙산 및 타우린 결합 대사체의 변화 (Bile acid and taurine-conjugated metabolite changes during aging)

주요 연구 결과

  • TCBA의 조직별 변화 패턴: 분변(feces)에서는 노화에 따라 TCBA 수준이 점진적으로 증가하는 경향을 보인 반면, 간 조직에서는 초기(2-6개월)에 높은 수준을 유지하다가 고령기(12-18개월)에 감소하는 양상을 나타냈습니다. 이는 장-간 순환의 노화 의존적 조절 변화를 시사합니다.
  • 타우린 관련 대사체의 유의한 증가: 분변 샘플에서 타우린 자체(Taurine)뿐만 아니라 다양한 타우린 결합 담즙산이 노화에 따라 유의하게 증가하였습니다. 담즙산 이외에도 NAcT (N-acetyl taurine) 및 기타 타우린 대사체들 역시 노화 그룹에서 현저한 증가를 보였습니다.
  • 질량분석 기반 구조 동정: MS/MS fragmentation 패턴을 활용하여 타우린 결합 담즙산의 구조를 정밀 동정하였습니다. 특히 precursor ion (m/z 126.0219, taurine) → product ion (m/z 108.0114, dehydrated taurine) transition을 이용한 targeted MS2 분석을 통해 TCBA 화합물을 선택적으로 스크리닝하였습니다. (in preparation)

연구 의의

본 연구는 노화 과정에서 담즙산 및 타우린 대사의 변화를 체계적으로 규명한 생체물질 대사체학 연구입니다. 특히 분변 샘플에서 관찰된 TCBA의 현저한 증가는 장내 미생물의 담즙산 대사 활성 변화, 담즙산 재흡수 효율 저하, 또는 간 기능 저하에 따른 이차적 효과로 해석될 수 있습니다. 이러한 발견은 노화 관련 대사 질환의 바이오마커 개발 및 타우린 보충 요법의 과학적 근거를 제공하며, 대사체학 기반 정밀 의학 연구의 모델이 됩니다.

장-비장-간 면역 축 및 담즙산 대사 연구 (Gut-Spleen-Liver Immune Axis & Bile Acid Metabolism)

고콜레스테롤 식이(High-cholesterol diet, HCD)는 장내 미생물 군집과 담즙산 대사의 변화를 유발하여 대사 이상 관련 지방간염(MASH)을 악화시킬 수 있습니다. 본 연구는 이러한 과정에서 중요한 역할을 하는 '장-비장-간 면역 축(gut-spleen-liver immune axis)'을 규명하였습니다. 특히, HCD 환경에서 특정 장내 미생물의 증식과 그에 따른 타우린 결합 담즙산(Taurine-Conjugated Bile Acids, TCBA)의 증가가 비장 CD4+ T 세포의 비정상적인 활성화와 간 내 염증 및 섬유화를 촉진하는 핵심 기전임을 밝혀냈습니다.

Figure 1: 고콜레스테롤 식이(HCD)에 의한 장내 미생물 및 담즙산 대사 변화와 장-비장-간 면역 축을 통한 MASH 악화 기전

주요 연구 결과

  • 장-비장-간 면역 축 규명: 고콜레스테롤 식이(HCD)가 장내 미생물과 담즙산 대사를 변화시켜 MASH를 악화시키는 'gut-spleen-liver immune axis'의 존재와 작용 기전을 확인하였습니다.
  • Phocaeicola sartorii의 선택적 증식 및 면역 활성화: HCD는 비장(spleen)에서 CD4+ T 세포를 비정상적으로 활성화하며, 간에서 염증과 섬유화를 일으킵니다. 이 상황에서 장내 미생물인 Phocaeicola sartorii가 콜레스테롤에 반응하여 선택적으로 증식하는 것을 발견하였습니다.
  • 타우린 결합 담즙산(TCA)의 증가: 이 과정에서 P. sartorii는 혈중 taurocholic acid (TCA)를 포함한 taurine-conjugated bile acids의 수준을 유의하게 높이는 것으로 나타났으며(Fig e, f, g, h, i), 이는 병리적 변화의 주요 매개체로 작용함을 시사합니다.

연구 의의

본 연구는 고콜레스테롤 식이가 MASH를 악화시키는 복합적인 기전을 장-비장-간 면역 축을 통해 체계적으로 규명하였습니다. 특히 특정 장내 미생물(P. sartorii)에 의한 타우린 결합 담즙산(TCA)의 증가가 면역 활성화 및 간 손상의 핵심적인 연결고리임을 밝혀낸 점은 중요한 의의를 가집니다. 이러한 발견은 MASH를 포함한 대사성 간 질환의 새로운 진단 바이오마커 및 마이크로바이옴 기반 치료 타겟 개발에 중요한 과학적 근거를 제공합니다.

3. 분자네트워크 방법론 연구 (Molecular Networking)

분자네트워크 방법론은 UCSD의 Prof. Pieter Dorrestein 연구실 (https://dorresteinlab.ucsd.edu/pieter)에서 개발한 Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) 플랫폼 기술에서 처음 소개되었습니다.우리 연구실은 분자네트워크 방법 및 다양한 분석기술을 이용해 천연물 내 다양한 화합물의 다양성에 대해 연구를 하고 있습니다. 분자네트워크 방법에 대한 이해는 아래의 연구 논문을 참고해주세요.

GNPS Feature-based Molecular Networking 방법론 개발

GNPS 플랫폼의 Feature-based Molecular Networking 방법론에 대한 연구논문으로, 질량분석 데이터에서 분자 구조 유사성을 자동으로 시각화하고, 신규 화합물 발견을 가속화하는 혁신적인 도구로 다방면으로 천연물 연구자들이 널리 사용하고 있습니다. (Nothias et al., 2020)

Repository-scale Open Access Spectral Library 구축

대규모 천연물 대사체 동정을 위한 open access spectral library 구축 프로젝트로 propagated nearest neighbor suspect spectral matching을 활용하여 untargeted metabolomics에서 화합물 동정의 정확도와 커버리지를 획기적으로 향상시켰습니다. (Bittremieux et al., 2023)

plantMASST: 커뮤니티 주도형 식물 화학분류학 디지털화 플랫폼

커뮤니티 주도형 식물 화학분류학(chemotaxonomy) 디지털화 플랫폼 plantMASST 개발에 관련된 논문으로, 이 플랫폼은 MASST (Mass Spectrometry Search Tool) 기술을 활용하여 식물의 화학적 특성을 체계적으로 분류하고 비교할 수 있게 하여, 저장소에 존재하는 유사한 화합물의 분포를 확인할 수 있습니다. (Gomes et al., 2024)

References

2025

  1. Metabolomics
    Mass Spectral Data of Primary and Secondary Metabolites Changes in Medicinal Plants by Solvent Polarity
    J. Park, J. Lee, C. Cho, and 5 more authors
    Scientific Data, 2025
    HTML

2024

  1. Metabolomics
    Identification of novel dimers and chemical profiling of acid amide alkaloids in Piper nigrum
    Y. Jung, S. Y. Choi, J. W. Choi, and 5 more authors
    Food Chemistry, 2024
    HTML
  2. Bioinformatics
    plantMASST - Community-driven chemotaxonomic digitization of plants
    P. W. P. Gomes, others, H. Yang, and 2 more authors
    bioRxiv, 2024
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2023

  1. Metabolomics
    Simple identification of discriminative markers for four Citrus species using a combination of molecular networking and multivariate analysis
    Seong Yeon Choi, Birang Jeong, E. Mok, and 2 more authors
    Journal of Food Composition and Analysis, 2023
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  2. Metabolomics & Bioinformatics
    Open access repository-scale propagated nearest neighbor suspect spectral library for untargeted metabolomics
    W. Bittremieux, others, H. Yang, and 2 more authors
    Nature Communications, 2023
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2020

  1. Metabolomics
    Feature-based molecular networking in the GNPS analysis environment
    L. F. Nothias, D. Petras, R. Schmid, and 59 more authors
    Nature Methods, 2020
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