천연물 농·산업 빅데이터 기반 바이오 클라우드 구축: 1차 기획안 한국과학기술연구원 강릉분원 천연물 연구소 2016. 11.28

빅데이터 활용을 통한 연구개발 소비자데이터 스마트 데이터 과학기반 데이터 Value 웰니스 기호성 신뢰성 서비스 문화 항암 크기 상품권 선물 농약 볼거리 가족 여행 다이 어트 관절 모양 식감 유기농 효능 맞춤 레시피 요리 노화 맛 항산화 가성비 원산지 표준 재배 온라인 주문 간편성 주름 색깔 당뇨 소비자데이터 표준화된 원료생산 웰니스 기호성 신뢰성 서비스 문화 ICT기반 처방농업 개발 소비 · 시장 · 생육 · 재배 예측 및 판단 데이터 연관 분류 데이터 통합 처리 분석 스마트 데이터 고기능성 품종 소비자 맞춤형 제품 상호연관관계 DB 생육 통합 오믹스 GXE 대사체 통합 오믹스 기능체 유전체 환경변화 기능체 생체모사 기능성예측 MOA 검증 DB 천연물 자원 자원 독창성 확보 스토리텔링 자원근거 유효 및 지표성분 피노믹스 품종자원 정보 최적 재배환경 구명 처방농업 구현 과학기반 데이터

빅데이터 구축 인프라 천연물 바이오 클라우드 천연물 수요자 데이터 활성 기능체 데이터 피노믹스 데이터 오믹스 데이터 소재데이터 소비자 맞춤 유통 서비스 문화 유통기간, 경로, 신속성 정보 공급 수요 대중성 요리 레시피 NAVER 안정성, 원산지 가격, 헬스 정보 데이터 신뢰성 수요자 데이터 스마트 U-FARM 천연물 활성 품종 육성 최적 재배 천연물 바이오 클라우드 기능체 데이터 피노믹스 데이터 환경변이 활성 대사연관 활성 전통 문헌 정보 최적 품종 정보 품질증대 스마트 팜 생산기술정보 수확 후 저장 및 가공 iHTac 천연물라이브러리 오믹스 데이터 소재데이터 대사체 단백질 이온체 천연물 성분 대사체전장 유전체정보 토양/환경관계 상관관계 프로파일링 GxE 오믹스 정보 라이브러리 정보 지표 유효 성분 성분구조 정보

천연물 농산업 분야별 현황: 식물자원, 대사체, 표현체, 기능성 전체 데이터 천연물 자원 데이터 표현체 데이터 천연물 자원출처, 소재, 성분 등에 관한 체계적 아키텍처 구성 필요 기관 혹은 부서별 산재해 있는 통합형 천연물 자원 DB구축 필요성 천연물 자원 및 성분에 대한 통합적 분석 툴 개발이 필수적임 식·의약 산업과 연계될 수 있는 기능성 작물에 대한 표현체 정보의 수집-분석-활용체계 필요 전 세계적으로 체계적인 표현체 연구는 시작단계로 국내 연구의 글로벌 수준 조기 도달 가능 기능성 작물 육종, 스마트 팜 생산, 제품화 및 산업화 연계 진행이 필요함 통합 오믹스 데이터 기능체 데이터 국외 NAPLERT 와 PubMed 연계로 식물 포함 천연물 기능성관련 저널 및 특허 DB 구축 중 자원의 다양성 환경 및 생육관련 기능성 데이터 전세계적으로 매우 미약한 수준 기능성-오믹스-표현체 통합적 데이터 관리 및 체계적 분류로 글로벌 선도형 데이터 구축 필요 자원 다양성 기반 통합 오믹스 정보 구축은 국내외 전체적으로 시작단계 임 G x E 통합 오믹스 데이터 생산으로 식물 생산량 생육 예측가능 데이터 정보 구축 필요 해외의 경우 주로 다국적 기업 중심으로 구축되거나 국가 기관에서 체계적 연구 및 데이터 관리 중

천연물 농생물 분야별 현황: 유전체 데이터 식물 유전체 데이터 유전체 빅데이터 관리 식용작물 35종, 식물 전체 90종 유전체 DB 완성 차세대 유전체 해독기술 (NGS 기반 빅데이터 축적) 유전체 전장 연관분석 도입 (GWAS) 유전체 빅데이터 관리 국내 NABIC: 유전체 오믹스 정보 통합 관리 유전체 기반 관련 정보 (단백질체, 유전체변이 등) Public DB, 사용자 데이터 및 타 기관 생성 데이터 오믹스 데이터 중 가장 체계적 데이터 구축 중 대형수행프로젝트 중국 BG1: 1000 Plant & animal genome project TAIR: 1001 genome project 캐나다: 1000 plant genomes project 국제컨소시엄 SGN: 100 genome project 농용미생물유전체 DB: Genome Online Database NGS SRA Genome Gene Nucleotide Inter-actome Protein structure EST SNP Molecular marker BioSQL PDB PSI-MI

천연물 농산업 바이오 클라우드 사업 구분 Data Source Output 소비자 데이터 질환/연령인구 천연물농산물 생산/면적 제품광고 소비자기호/평가 보복부 농림축산식품부 통계청 SNS/블로그 건강-천연물 농산물 소비 및 시장 예측 오믹스 전사체/대사체/이온체/기능성/문헌 KIST 자체생산 국내외 public open DB 빅데이터/AI 기반 천연물 식의약품 개발 생육 가공 유전체 표현체 환경 국내스마트팜 처방농업

소비자데이터 건강-천연물/농산물 소비예측 소비자 선호 품목/형태 (소비자 선호 제품) Value 항암 크기 상품권 선물 농약 볼거리 가족 여행 다이 어트 관절 모양 식감 유기농 효능 맞춤 레시피 요리 노화 맛 항산화 주름 가성비 원산지 표준 재배 온라인 주문 간편성 색깔 당뇨 건강-천연물/농산물 소비예측 소비자 선호 품목/형태 (소비자 선호 제품) Value

전통적 천연물·농산물 성분/효능 탐색 • * 인삼-항암 인삼-면역 오미자-면역 성분동정 효능/안정성(동물) 효능/안정성(임상) > 400 성분 A Group 인삼 항암기능성 2 달 ~100 ~20 2~3 성분 * 보고된 성분 항노화 기능성 > 500 성분 B Group 오미자 2달 인삼-항암 인삼-면역 오미자-면역 • 성분동정 효능/안정성(동물) 효능/안정성(임상) 천연물 효능 탐색 <0.01% 확률게임 1B $ R&D 비용 천연물 효능탐색 성분동정 1세대 1점 1모델 (지방간) 10-20 성분 2세대 3모델 (지방간,항당뇨, 항비만,,,) 20-50 성분 3세대 1000점 (HTS) 1질환 수개 모델 (지방간: A,B.C.D.E) 5000 성분 대사체 성분의 10% 정도: 개별 성분동정, 효능에 대해 알고 있음 >500개 성분 중 50여개 성분> 나머지 450여 성분에 대해선??? 우리가 섭취하는 모든 것이 다 피가 되고 살이 되진 않음 > 생체모사기반 흡수 및 물질 생이용성에 대한 고려가 절대 필요 최종 효능만 고려함 > 질환의 작용은 1개의 경로로만 진행되진 않음 > 수개의 고속도로와 수십개의 국도가 망으로 연결됨> 통합오믹스 데이터로 질환경로 망 작성필요에는 공감 > 개별적 단백질.전사체의 기능을 모두 다 이해하는건 불가능함

인공지능 인체모사 시스템 기반 식·의약 소재 개발 오믹스 데이터 질환 및 모델 천연물 대사체데이터 비만 (5개 모델) 강화/학습 간암 (5개 모델) 대사체 tagging: 연관도/패턴인식 효능/안정성 검증 (동물/임상) 염증 (5개 모델) 산화 (2개 모델) 개별적인 성분 단백질 전사체의 기능을 알기는 불가능함 빅데이터화하여 상호 연관성과 패턴인식화 인공지능기반 강화학습으로 인체모사를 할수있는질환경로 molecular network 구축 대사체-기능성-오믹스 네트워크 상관성/패턴인식 정확도 대사체 질환 경로 망 천연물 56% 78% 84% 92% 기초 강화학습 적용 Metabolite network Proteome network

인공지능 인체모사 시스템 기반 식·의약 소재 개발 천연물 성분 30만개 성분: 빅데이터화 장내모사 평가시스템 구축 오믹스 데이터 10만개: 빅데이터 천연물 인체모사기반 활성탐색 대사체 오믹스 데이터 (문헌+생산) 후보질환 천연물 도출 검증 (임상) 기초모델 100 점 3개질환 (10개모델) 대사체전체(4만개) 단백체 (5천+5천개) 전사체 (4백+6백개) 강화학습 1000 점 4개질환 (20개 모델) 대사체전체 (30만개) 단백체 (2만+8만개) 전사체 (1천+5천개) 실제적용 5000 점 2개질환 10 천연물/질환 2 천연물(단일 혹은 복합/질환 인공지능기반 인체모사 시스템 구축 5000점 천연물 농산물 시료 적용 건강-천연물 후보군 10개 도출 2점 단일 혹은 복합제재 질환 적용 및 검증 Value