미국 일루미나(Illumina)의 ‘하이식’(HiSeq)과 미국 써모피셔사이언티픽(Thermo Fisher Scientific)의 ‘아이온프로톤’(Ion Proton) 시리즈 등 성능이 향상된 차세대염기서열분석(NGS, next-generation sequencing) 장비가 속속 등장하면서 유전체분석 데이터를 활용한 정밀의료 시장이 성장하고 있다.

DNA 유전정보는 4종류의 염기인 아데닌(A), 티아민(T), 구아닌(G), 시토신(C)이 배열된 순서에 따라 결정된다. NGS는 많은 양의 유전자를 한번에 신속·정확하게 분석하는 새로운 유전자정보 해독법으로 낱개의 유전자를 각각 분석하는 기존 방식인 생어 염기서열분석법(Sanger sequencing)보다 비용도 저렴해 정밀의료를 선도할 핵심 기술로 꼽힌다.

1990년 미국 국립보건원(NIH)을 중심으로 인간유전체프로젝트(HGP, Human Genome Project)를 시작할 때만해도 비용이 10억달러(약 1조원) 들고 분석에 6~8년이 걸렸다.  2005년에 NGS 장비가 상용화되면서 요즘엔 1000달러(약 100만원)가 있으면 NGS로 1~2일 안에 개인의 전체 유전자정보를 확인할 수 있다.

세계 최초의 NGS 장비는 454라이프사이언스(454 Life Sciences)가 2005년에 출시한 ‘GS20’다. 로슈(Roche)는 2007년에 이 회사를 인수했지만 수익성 문제로 6년 만에 사업을 포기했다.

박근준 한국써모피셔사이언티픽 이사가 ‘생화학분자생물학회지’ 2012년 6월월호에 게재한 ‘NGS 기법 소개’ 보고서에 따르면 NGS는 일반적으로 중합효소연쇄반응(PCR, polymerase chain reaction) 방식으로 DNA 서열을 증폭한다. 이후 단일가닥으로 만든 DNA 단편과 형광염료(형광을 띠는 4가지 뉴클레오티드)를 상보적으로 결합시킨 다음 이를 카메라로 찍어 이미지를 처리, 염기를 해독한다. 장비별로 PCR 여부, 형광표지 방식 등에서 조금씩 차이가 난다.

일루미나 제품은 ‘브릿지 증폭’ 기법을 활용, 다른 회사 장비보다 저렴한 가격에 대용량 염기를 분석하는 게 특징이다. 슬라이드 위에 DNA 단편을 고정시킨 다음 최대 1000분자까지 증폭시켜 같은 서열의 DNA 단편 집단(cluster)을 형성시킨다. 이 클러스터를 주형으로 네 종류의 형광표지 염기를 사용해 일염기합성반응(SBS, sequencing by synthesis)을 수행한다.   

2012년에 출시된 ‘하이식2500’(HiSeq2500)은 ‘하이식2000’(HiSeq2000)보다 성능이 향상됐다. 소형 장비인 ‘마이식’(MiSeq)의 신속함을 겸비해 27시간 안에 120Gb의 데이터를 생산한다. 분석비용이 1G 염기쌍(Gbp, Giga base pairs)당 30달러로 한 번에 많은 양을 처리하는 게 장점이다. 마이식은 분석비용이 1Gbp당 93달러로 24간 안에 3.7~4.6Gb의 데이터를 만들어낸다.

일루미나의 신제품 ‘노바식6000’(NovaSeq 6000)은 2일 이내 최대 6TB, 즉 60여명의 전장유전체(WGS, Whole Genome Sequencing)를 분석한다. 지난해 1월에 발매됐다.

아이온 브랜드는 써모피셔사이언티픽이 인수한 미국 아이온토렌트(Ion Torrent)가 개발했으며, 일루미나의 하이식 시리즈나 노바식6000에 비해 저렴하고 크기가 작다. 2012년에 출시된 아이온프로톤은 1년 앞서 발매된 구 버전인 ‘아이온PGM’(Ion PGM, Ion Personal Genome Machine)과 같이 반도체 염기서열분석 기술을 사용한다. 반도체칩을 이용해 염기서열을 분석하므로 칩 종류에 따라 기기를 한 번 돌릴 때 생산되는 데이터 양을 선택할 수 있다.

아이온PGM은 형광표지와 카메라 스캐닝 과정이 필요 하지 않는 최초의 NGS 장비다. 이 제품과 아이온프로톤은 형광염료를 사용하지 않아 기기를 50번 이상 돌린 후에도 데이터 품질이 우수하다는 평가를 받고 있다. 두 제품은 또 또 뉴클레오티드가 중합효소에 의해 DNA에 결합하면 수소이온이 유리되는데 이때 발생하는 산도(pH) 변화를 측정해 뉴클레오티드 결합 여부를 알 수 있다.

아이온프로톤은 아이온PGM보다 한 번 돌릴 때 DNA 서열단편(read)을 330~6600배 많이 읽어낸다. 분석 시간이 짧은 대신 가격이 비싼 편이다. 500MB~1GB 데이터를 생산하는 데 2시간이 걸리며, 분석비용은 1Gbp당 17~125달러다.

영국 옥스포드나노포어테크놀로지(Oxford Nanopore Technologies)는 DNA 증폭과 형광표지 등 두 과정이 모두 필요 없는 소형 장비인 ‘민아이온’(MinIon)을 2015년에 출시했다. 이 제품은 직경이 나노미터(㎚, 10억분의 1m)인 극소 구멍을 DNA 분자가 통과하면 각 염기에 따라 다른 세기의 전류가 흐르는 원리로 염기서열을 읽어낸다. 15분 만에 10~20GB의 데이터를 생산, 빠르지만 오류발생률이 높은 편이다.

NGS 장비 성능 비교(가로 읽을 수 있는 DNA 단편 길이, 세로 한 번 돌려 처리할 수 있는 데이터량. 출처 Lex Nederbragt의 ‘Developments in NGS’ 보고서)