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2024 December Vol.37 No.4ISSN 1598-8384

실험실 탐방

한국식품연구원 부설
세계김치연구소
Big Issue Group (BIG)
사업 연구팀
연구책임자 : 원태웅 박사

Kimchi Functionality Research Group,
World Institute of Kimchi, Gwangju, Republic of Korea

▣ 책임교수 소개

[학력]
  • 2000.03 - 2007.02

    국립한경대학교 낙농생명과학 전공, 학사

  • 2008.03 - 2010.02

    고려대학교 생화학 전공, 석사

  • 2010.03 - 2015.02

    경희대학교, 나노의약생명과학 전공, 박사



[경력 및 대외활동]
경력 사항
기간 기관명 직위 및 직급
2008.03 - 2010.01 한국생명공학연구원 미생물자원센터 연수학생
2015.06 - 2019.01 경희대학교 생물학과 학술연구교수
2019.01 - 2020.06 세계김치연구소 미생물기능성연구단 박사후연구원
2020.06 - 현재 세계김치연구소 김치기능성연구단 선임연구원
2023.01 - 현재 한국미생물학회 학술위원회 실무위원
2024.01 - 현재 한국식품영양과학회 편집위원회 PNF 위원

▣ 실험실 구성원

  • 선임연구원: 이세희
  • 박사후연구원: 정미자, 이지수
  • 박사 과정: 김연비, 김유진, 윤정의, 남소희
  • 석사 과정: 이민지
실험실 구성원

▣ 연구분야 소개

(1) 주요 연구분야

세계김치연구소 김치기능성연구단의 BIG 사업 연구팀은 유산균의 발효 과정 제어 및 발효 품질 예측 알고리즘 개발 연구를 수행하고 있습니다. 기존의 '손맛'과 '경험'에 의존하던 식품 발효 방식을 넘어, 표준화된 발효식품 제작을 목표로 하고 있습니다. 이를 위해 식품 발효 미생물의 종(species) 단위 역할을 구체적으로 규명하기 위해 실험실 수준에서 미생물적 요인과 환경적 요인을 통제하려는 시도가 필요합니다. 본 연구팀은 무균(germ-free) 김치 제작 방법을 도입했으며, 무균 김치에 순수 배양된 발효유도 미생물을 접종함으로써 연구자가 의도한 미생물 군집만 보유할 수 있는 노토바이오틱(gnotobiotic) 김치 제작 방법을 확립하였습니다(그림 1). 이러한 연구 방법은 식품 내 발효유도 미생물의 발효 시기 및 발효 산물을 미생물 종 단위에서 이해할 수 있는 기초 도구로 활용될 것이며, 2종 이상의 미생물을 혼합 접종하여 발효 초기, 중기, 말기의 우점 미생물 특성을 세밀하게 분석함으로써 복잡한 발효 과정을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

그림1그림 1. 머신러닝 기반 식품 발효 예측기술 개발

(2) 연구주제
인체 장내 유산균 이용 Next-Generation Probiotics 개발

Next-Generation Probiotics (NGPs)는 기존 상업용 프로바이오틱스보다 다양한 균주를 사용하지만, 새로운 균주가 인체 장내에 안정적으로 정착하기 어려운 경우가 많습니다. 이는 장내 복잡한 미생물 생태계와의 상호작용 및 경쟁 관계 때문입니다. 인체 장내에서 유래한 유산균은 이미 장내 환경에 적응하여 정착성과 생존률이 높습니다. 또한, 특정 질병 상태나 개별 환자의 장내 마이크로바이옴에 맞춤형으로 사용될 수 있어 과민성 대장증후군(IBS)이나 염증성 장질환(IBD)에 효과적인 균주를 선택할 수 있습니다. 더불어, 인체 장내 유래 유산균은 기존 식품이나 전통 발효식품에서 흔히 사용되어 안전성이 확인된 경우가 많아 일반적으로 안전성 검증이 용이하고, 병원성 균으로 변형될 가능성이 낮습니다. 이에 본 연구팀은 인체 분변에서 분리한 유산균(예: Lactococcus sp., Latilactobacillus sp., Leuconostoc sp.)을 무균 김치와 무균 쥐의 장내 환경에 각각 정착시킨 노토바이오틱 모델에서 연구를 진행하고 있습니다. 이 연구는 유산균이 각각 다른 환경에 노출되었을 때 나타나는 전사체 발현 패턴을 분석하는 것입니다(그림 2). 이를 통해 인체 장내 유산균의 식품 및 장내 환경 적응 기작을 전사체 수준에서 이해하고, 한두 번의 섭취만으로 장내 정착이 용이한 기능성 유산균을 개발하여 국민 건강 증진에 기여하고자 합니다.

그림2 그림 2. 인체 장내 유산균 이용 Next-Generation Probiotics 연구

▷ 푸드 바이롬(food virome)의 건강 기능성 연구

잘 익은 김치에는 매우 많은 수(>10⁸/mL)의 유산균이 존재하며, 유산균의 수와 비슷한 수의 박테리오파지도 함께 존재합니다. 그러나 발효식품에 존재하는 이러한 다수의 박테리오파지가 인체 건강에 미치는 영향에 대해서는 아직 명확히 밝혀진 바가 없습니다. 이에 본 연구팀은 김치에서 박테리오파지체를 선별적으로 분리하여 만성 알코올성 간질환 유도 생쥐 모델과 고지방식이 유도 비만 생쥐 모델을 대상으로 질병 저항성 연구를 진행하고 있습니다(그림 3). 이 연구는 기본적으로 viral metagenomics 기술과 장내 미생물 연구를 결합하여, 숙주 건강을 종합적으로 평가하는 시스템 미생물학 연구입니다. 또한, 우리가 매일 접하는 익숙한 식품에서 아직 그 기능이 잘 알려지지 않은 발효식품 신소재를 발굴하는 것을 목표로 하고 있습니다.

그림 3. 김치 파지옴의 건강 기능성 연구

멀티-오믹스 기반 푸드 & 장내 마이크로바이옴 연구

본 연구팀은 다양한 환경 시료(예: 발효식품, 인체 분변 등)에서 미생물의 유전체, 전사체, 대사체를 추출하여 데이터 분석을 수행하고 있습니다(그림 4). 오믹스 데이터(예: 메타지놈, 메타택소놈, 메타트랜스크립톰, 메타볼롬)의 특성에 맞춘 다년간의 분석 경험을 통해 데이터 해석 및 통합에 대한 노하우를 축적해 왔습니다. 현재는 (i) 남성 호르몬 감소로 인한 장내 미생물 군집 불균형이 근육 손실에 미치는 영향, (ii) 여성 호르몬 감소로 인한 장내 미생물 불균형이 비만 형질에 미치는 영향, (iii) 특정 유전자의 결핍이 장내 부위별 미생물과 바이롬 군집에 미치는 영향 등의 연구를 통해 푸드 & 장내 마이크로바이옴 연구를 확장하고 있습니다.

그림 4. 환경시료 내 미생물 오믹스 정보 분석



▣ 대표 연구성과(최근 5년, 주저자)

1. Yujin Kim, Hojun Sung, Yeon Bee Kim, Hye Seon Song, Mi-Ja Jung, Jisu Lee, Min Ji Lee, Se Hee Lee, Seong Woon Roh, Jin-Woo Bae§, and Tae Woong Whon§ (2024) Effects of gnotobiotic fermentation on global gene expression of germ-free vegetables. Physiol Plant 176(5):e14502
2. Do-Yeon Lee, Eun-Ju Kim, Seong-Eun Park, Kwang-Moon Cho, Sun Jae Kwon, Seong Woon Roh, Suryang Kwak, Tae Woong Whon§, and Hong-Seok Son§ (2024) Impact of essential and optional ingredients on microbial and metabolic profiles of kimchi. Food Chem X 22:101348
3. Hye Seon Song, Yeon Bee Kim, Joon Yong Kim, Seong Woon Roh§, and Tae Woong Whon§ (2024) Advances in Culturomics Research on the Human Gut Microbiome: Optimizing Medium Composition and Culture Techniques for Enhanced Microbial Discovery. J Microbiol Biotechnol 34(4):757-764
4. Hyun-Woong Choi, Seong-Eun Park, Eun-Ju Kim, Seung-Ho Seo, Tae Woong Whon§, and Hong-Seok Son§ (2023) Effects of ingredient size on microbial communities and metabolites of radish kimchi. Food Chem X 20:100950
5. Jeong Ui Yun, Hye Su Jung, Mi-Ja Jung, Hye Seon Song, Yeon Bee Kim, Yujin Kim, Joon-Gyu Kim, Seong Woon Roh, Se Hee Lee, Jun Sik Lee§, and Tae Woong Whon§ (2023) Cutibacterium equinum sp. nov., isolated from horse faeces. Int J Syst Evol Microbiol73(11)
6. Yeon Bee Kim§, Tae Woong Whon§, Joon Yong Kim, Juseok Kim, Yujin Kim, Se Hee Lee, Seong‑Eun Park, Eun‑Ju Kim, Hong‑Seok Son, and Seong Woon Roh (2023) In-depth metataxonomic investigation reveals low richness, high intervariability, and diverse phylotype candidates of archaea in the human urogenital tract. Sci Rep 13(1):11746
7. Jeongmin Cha, Yeon Bee Kim, Seong-Eun Park, Se Hee Lee, Seong Woon Roh, Hong-Seok Son§, and Tae Woong Whon§ (2023) Does kimchi deserve the status of a probiotic food? Crit Rev Food Sci Nutr 2023 Jan 30:1-14
8. Hye Seon Song, Juseok Kim, Yeon Bee Kim, Se Hee Lee, Tae Woong Whon§, and Seong Woon Roh§ (2022) Sala cibi gen. nov., sp. nov., an extremely halophilic archaeon isolated from solar salt. J Microbial 60(9):899-904
9. Tae Woong Whon§, Seung Woo Ahn§, Sungjin Yang, Joon Yong Kim, Yeon Bee Kim, Yujin Kim, Ji-Man Hong, Hojin Jung, Yoon-E Choi, Se Hee Lee, and Seong Woon Roh (2021) ODFM, an omics data resource from microorganisms associated with fermented foods. Sci Data 8(1):113
10. Tae Woong Whon§, Hyun Sik Kim§, Na-Ri Shin§, Hojun Sung§, Min-Soo Kim, Joon Yong Kim, Woorim Kang, Pil Soo Kim, Dong-Wook Hyun, Hoon Je Seong, Woo Jun Sul, Seong Woon Roh, and Jin-Woo Bae (2021) Calf diarrhea caused by prolonged expansion of autochthonous gut Enterobacteriaceae and their lytic bacteriophages. mSystems 6(2):e00816-20
11. Tae Woong Whon§, Na-Ri Shin§, Joon Yong Kim, and Seong Woon Roh (2021) Omics in gut microbiome analysis. J Microbiol 59(3): 292-297
12. Hyun Sik Kim§, Tae Woong Whon§, Hojun Sung, Yun-Seok Jeong, Eun Sung Jung, Na-Ri Shin, Dong-Wook Hyun, Pil Soo Kim, June-Young Lee, Choong Hwan Lee, and Jin-Woo Bae (2021) Longitudinal evaluation of fecal microbiota transplantation for ameliorating calf diarrhea and improving growth performance. Nat Commun 12(1):161
13. Tae Woong Whon§, Hyun Sik Kim§, Na-Ri Shin§, Eun Sung Jung, Euon Jung Tak, Hojun Sung, Mi-Ja Jung, Yun-Seok Jeong, Dong-Wook Hyun, Pil Soo Kim, Yu Kyung Jang, Choong Hwan Lee, and Jin-Woo Bae (2021) Male castration increases adiposity via small intestinal microbial alterations. EMBO Rep 22(1):e50663
14. Joon Yong Kim§, Tae Woong Whon§, Mi Young Lim, Yeon Bee Kim, Namhee Kim, Min-Sung Kwon, Juseok Kim, Se Hee Lee, Hak-Jong Choi, In-Hyun Nam, Won-Hyong Chung, Jung-Ha Kim, Jin-Woo Bae, Seong Woon Roh, and Young-Do Nam (2020) The human gut archaeome: identification of diverse haloarchaea in Korean subjects. Microbiome 8(1): 114
15. Se Hee Lee§, Tae Woong Whon§, Seong Woon Roh, and Che Ok Jeon (2020) Unraveling microbial fermentation features in kimchi: from classical to meta-omics approaches. Appl Microbiol Biotechnol 104: 7731-7744
16. Hye Seon Song§, Tae Woong Whon§, Juseok Kim, Se Hee Lee, Joon Yong Kim, Yeon Bee Kim, Hak-Jong Choi, Jin-Kyu Rhee, and Seong Woon Roh (2020) Microbial niches in raw ingredients determine microbial community assembly during kimchi fermentation. Food Chem 318:126481