차세대 염기서열 분석법(NGS)의 원리와 종류별 특징

차세대 염기서열 분석법(NGS, Next-Generation Sequencing)은 기존의 Sanger 시퀀싱을 뛰어넘는 기술로, 빠른 속도와 대량 데이서를 한 번에 분석할 뿐만 아니라 높은 정확성을 자랑합니다. 이 기술은 유전체 연구, 질병 진단, 장내 미생물 분석 등 다양한 분야에서 활용되며, 바이오 및 의료 산업의 핵심 기술로 자리 잡아 이미 여러 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 이번 글에서는 NGS의 기본 원리와 주요 분석 방법의 특징을 비교 분석해 설명해 보도록 하겠습니다.

 

1. NGS란 무엇인가? 기존 염기서열 분석법과의 차이점

NGS의 개념

차세대 염기서열 분석법(NGS, Next-Generation Sequencing)은 DNA 또는 RNA의 염기서열을 대량으로 해독하는 기술입니다. 기존의 Sanger 시퀀싱은 한 번에 한 개의 DNA 가닥을 분석하는 반면, NGS는 수백만 개의 DNA 가닥을 병렬로 처리할 수 있어 대량 분석이 가능하다는 점이 가장 큰 장점입니다.

기존 Sanger 시퀀싱과의 비교

Sanger 시퀀싱과 NGS 시퀀싱의 장단점 

데이터 처리량	한 번에 한 개의 DNA 가닥	수백만 개의 DNA 가닥 동시 분석
분석 속도	상대적으로 느림	빠름
비용	높은 비용	대량 분석 시 비용 절감 가능
정확성	높은 정확도	짧은 리드(Reads) 길이로 인해 보정 필요

 

Sanger 시퀀싱은 1977년 프레더릭 생거(Frederick Sanger)가 개발한 방법으로, 40여 년간 염기서열 분석의 표준 기술로 사용되었습니다. 하지만 한 번에 처리할 수 있는 데이터 양이 제한적이어서, 대규모 유전체 연구에는 적합하지 않았습니다.

반면, NGS는 짧은 시간 안에 방대한 유전체 데이터를 처리할 수 있어, 맞춤형 정밀의학, 신약 개발, 질병 진단, 장내 미생물 분석 등 다양한 생명과학 분야에서 널리 활용되고 있습니다.

 

2. NGS의 기본 원리

NGS의 핵심 과정

NGS 실험은 여러 단계를 거쳐 진행되며, 각 단계에서 DNA 샘플이 처리 및 분석됩니다.

1. 샘플 준비 및 DNA 추출(Sample Preparation & DNA Extraction)
   •   생물 샘플(혈액, 조직, 미생물 등)에서 DNA 또는 RNA를 추출합니다.
   •   RNA 분석을 위한 경우, 역전사(reverse transcription)를 통해 cDNA로 변환하는 과정이 필요합니다.
2. DNA 절단(Fragmentation) 및 라이브러리 준비(Library Preparation)
   •   추출한 DNA를 초음파, 효소 처리 등을 이용하여 일정한 크기의 조각으로 절단합니다.
   •   각 DNA 조각에 어댑터(Adapter)를 부착하여 시퀀싱 과정에서 검출될 수 있도록 합니다.
   •   PCR(중합효소 연쇄반응)을 통해 DNA 조각을 증폭할 수도 있습니다.
3. 염기서열 합성 및 시퀀싱(Sequencing by Synthesis, SBS)
   •   DNA 조각을 시퀀싱 플랫폼(예: 일루미나, 나노포어 등)에 장착한 후, 형광 표지된 뉴클레오타이드(염기)와 중합  효소를 사용하여 염기서열을 합성하면서 읽어냅니다.
   •   각 염기가 삽입될 때 형광 신호가 방출되며, 이를 통해 염기서열을 결정할 수 있습니다.
   •   시퀀싱 방법에 따라 ‘단일 분자 실시간 시퀀싱(SMRT)’이나 ‘이온 반응 기반 시퀀싱’ 등 다양한 방식이 활용될 수 있습니다.
4. 데이터 분석(Bioinformatics Analysis)
   •   시퀀싱된 데이터를 정렬(Alignment)하여 원래 유전체와 비교하고, 변이를 탐색합니다.
   •   대량 데이터를 처리하기 위해 빅데이터 분석 및 AI 기술이 활용됩니다.
5. 결과 해석(Variant Calling & Functional Analysis)
   •   특정 유전자 변이를 확인하여 질병 연관성을 분석하거나, 미생물 군집을 파악합니다.

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DNA 추출 과정 : 원리, 방법 및 실험적 응용

 

3. NGS의 주요 종류 및 기술적 특징

 

차세대 염기서열 분석법(NGS, Next-Generation Sequencing)을 위한 분석법은 다양하게 존재하고 각 방법에 따른 기기도 다양하게 존재하고 있습니다. 대표적으로 일루미나 시퀀싱, 나노포어 시퀀싱, 파이로 시퀀싱, 팩바이오, 아이온 토론토 시퀀싱기기가 존재하고 있습니다. 연구 목표나 원하는 데이터를 얻기 위해 각 특징에 따라 다양하게 기기와 분석법을 골라서 사용할 수 있습니다. 

 

기기별 분석방법의 특징과 장단점

일루미나 시퀀싱	형광 표지된 뉴클레오타이드를 이용한 합성 방식(SBS)	짧은 리드(Read) 길이(50~300bp), 높은 정확도	인간 유전체 분석, 암 연구, 장내 미생물 분석
나노포어 시퀀싱	DNA 단일 가닥이 나노포어를 통과하면서 전기적 신호 변화를 분석	긴 리드 길이(수십~수백 kb), 실시간 분석 가능	병원성 미생물 진단, 환경 미생물 연구
파이로시퀀싱	DNA 합성 과정에서 방출되는 빛 신호를 감지	실시간 데이터 처리 가능, 높은 오류율	특정 유전자 변이 탐색, 미생물 군집 분석
PacBio SMRT 시퀀싱	단일 분자 실시간(Real-Time) 시퀀싱	매우 긴 리드(10kb 이상), 높은 오류율	희귀 유전자 분석, 전체 유전체 해독
아이온 토렌트 시퀀싱	DNA 합성 과정에서 발생하는 수소 이온 농도 변화를 감지	짧은 리드 길이, 상대적으로 저렴	신속한 유전자 변이 탐색, 소규모 유전체 분석

 

 

4. NGS 기술의 실제 응용 사례

1) 질병 진단 및 정밀의학

NGS는 암, 유전 질환, 감염병 등의 진단에 활용됩니다. 예를 들어, 암 환자의 유전체를 분석하여 개인 맞춤형 항암제를 설계하는 정밀의학(Precision Medicine) 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

2) 장내 미생물 분석 및 마이크로바이옴 연구

NGS를 활용하면 장내 미생물의 구성과 역할을 정확히 파악할 수 있어, 건강한 장 환경 조성을 위한 맞춤형 프로바이오틱스 개발이 가능해졌습니다.

3) 신약 개발 및 유전자 치료

NGS를 이용한 유전체 분석은 신약 개발 과정에서 중요한 역할을 하며, CRISPR 유전자 편집 기술과 결합하여 유전자 치료 연구도 활발히 진행 중입니다.

 

NGS 기술의 미래 전망

NGS 기술은 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 향후 더욱 저렴하고 신속한 분석이 가능해질 것으로 예상됩니다. 인공지능(AI)과 머신러닝 기술과의 융합을 통해 데이터 분석의 정확도가 높아지고, 다양한 생명과학 분야에서 혁신적인 연구가 이루어질 것으로 기대됩니다.

미래에는 개인 맞춤형 유전체 분석을 통해 각 개인의 건강 상태를 예측하고, 예방 의학 및 정밀의학을 더욱 발전시키는 핵심 기술로 자리 잡을 것이라 확신합니다.