유전자 분석 프로그램 개발, NGS와 PCR은 어떻게 다를까

2020.04.05 조회 7510

우리비엔씨는 바이오·진단 기업과 의과대학 연구팀을 위해 NGS 기반 HLA 유전자 분석 프로그램과 PCR 진단키트 분석 프로그램을 개발해 왔습니다. 이 글은 두 분야의 분석 프로그램이 각각 어떤 데이터를 다루고 어떤 기능이 필요한지, 그리고 개발을 맡기기 전에 무엇을 준비하면 좋은지를 정리한 가이드입니다. 시선바이오 코로나19 진단키트와 제니트리리서치 HLA NGS 분석 키트의 전용 분석 프로그램을 직접 개발한 경험을 바탕으로 썼습니다.

NGS 분석과 PCR 진단키트 분석, 무엇이 다른가

같은 ‘유전자 분석 프로그램’이라도 NGS와 PCR은 다루는 데이터와 풀어야 할 문제가 꽤 다릅니다. 개발 상담을 시작할 때 가장 먼저 구분하는 부분이기도 합니다.

구분	NGS 기반 HLA 분석	PCR 진단키트 분석
입력 데이터	유전자 검사 장비가 출력한 FastQ 데이터	PCR 장비의 결과 파일(Raw Data, Peak Data)
핵심 처리	압축 해제 → 서열(Seq) 병합 → DB 적재 → HLA 타입 판별	키트별 분석 로직 적용 → 양성·음성 등 결과 판정
결과 확인	타입별 분석, Hetero·Homo·New·Rare 타입 선별, 레퍼런스 일치율	Plate Map, Well별 차트, 샘플별 상세 결과
가장 큰 과제	많은 양의 서열 데이터를 빠르게 처리하는 것	장비마다 다른 결과 파일 형식과 키트마다 다른 판정 기준

NGS 기반 HLA 유전자 분석 프로그램에 필요한 기능

HLA(인간 백혈구 항원) 검사는 조혈모세포 이식이나 장기 이식 때 기증자와 수혜자의 항원 일치 여부를 확인하는 검사입니다. 결과가 빠르고 정확해야 하는 만큼, 분석 프로그램은 대용량 데이터를 얼마나 짧은 시간에 정리하느냐가 관건입니다. 우리비엔씨가 개발한 HLA 분석 프로그램에는 다음 기능이 들어 있습니다.

장비에서 출력된 FastQ 데이터를 짧은 시간 안에 압축 해제하고 서열을 병합해 데이터베이스로 생성
데이터를 불러오는 즉시 HLA 타입을 판별하고 타입별로 분석·가공
전용 데이터베이스를 활용해 연산 시간을 줄이고, 진행 과정을 한눈에 표시
Hetero, Homo, New Type, Rare Type 판별과 선별 (차트·그래프 시각화)
기존 레퍼런스와의 일치율(유사도)을 제시해 가장 가까운 유전자 타입 선별

NGS 기반 HLA 유전자 분석 프로그램 화면 - HLA-B Exon별 서열 비교와 Allele 후보 목록, Hetero 판정

HLA-B 유전자의 Exon별 서열을 비교해 Allele 타입과 Hetero 여부를 판정하는 NGS 분석 화면

처음 HLA 타입 유전자 분석 소프트웨어를 개발한 것은 2016년 2월부터 5월까지였습니다. C#(Visual Studio 2012)과 DevExpress, .NET Framework 4.0으로 만들었고, 데이터베이스는 SQLite 또는 SQL Server를 쓸 수 있게 했습니다. 이때 Unix용 오픈소스인 SeqPrep을 Windows 버전으로 다시 개발해 넣었는데, 덕분에 서열 병합까지 윈도우 PC 한 대에서 처리할 수 있게 됐습니다.

PCR 진단키트 분석 프로그램에 필요한 기능

PCR 진단키트 분석 프로그램은 장비가 만든 결과 파일을 읽어 키트 고유의 판정 로직을 적용하고, 검사자가 수십·수백 개 Well의 결과를 빠르게 확인하도록 돕는 프로그램입니다. 기본적으로 다음 기능을 갖춥니다.

Peak Data 등 장비 결과 파일 일괄 업로드
업로드한 Raw Data에 키트별 분석 로직을 적용해 결과 도출
Plate Map으로 전체 플레이트 상황을 한 화면에 표시
Well별 차트로 증폭 결과를 직관적으로 확인
샘플 목록과 샘플별 상세 결과 확인
분석 결과와 데이터를 저장해 언제든 다시 불러오기
결과 보고서 등 각종 출력물 인쇄

코로나19 PCR 진단키트 분석 프로그램 화면 - CFX96 결과의 Plate Map, 증폭 곡선, 샘플별 판정 목록

CFX96 장비 결과를 읽어 Plate Map, 증폭 곡선, 샘플별 판정을 한 화면에 보여 주는 코로나19 진단키트 분석 화면

현장에서 가장 손이 많이 가는 부분은 장비 호환입니다. 연구소마다 CFX96, AB7500, QuantStudio5, PowerAmp96처럼 쓰는 장비가 다르고, 장비마다 결과 파일 양식도 제각각이기 때문입니다. 우리비엔씨는 이런 장비별 결과 파일을 자동으로 읽어 들이는 기능과, 해외 수출에 대비한 다국어 지원까지 함께 개발해 왔습니다.

시선바이오 U-TOP MSI Detection Kit 분석 프로그램 화면 - Plate Map과 MSI 마커별 융해 곡선, 환자별 판정

시선바이오 U-TOP MSI Detection Kit 분석 화면: 마커별 곡선과 샘플별 MSI 판정

개발을 맡기기 전에 준비하면 좋은 것

아래 자료가 미리 있으면 상담이 훨씬 빨라지고, 견적과 일정도 정확해집니다. 모두 갖추지 않아도 괜찮습니다. 상담하면서 함께 정리해도 됩니다.

준비 항목	필요한 이유
사용 장비 모델과 샘플 결과 파일	파일 형식을 확인해야 데이터 읽기 방식을 설계할 수 있습니다.
키트별 판정 기준과 계산식	양성·음성·재검 등 판정 로직이 프로그램의 핵심이 됩니다.
원하는 결과 화면과 보고서 양식	검사자가 실제로 보는 화면과 출력물이 사용 만족도를 좌우합니다.
해외 수출 여부와 지원 언어	다국어 구조는 처음부터 고려해야 나중에 비용이 적게 듭니다.
앞으로 추가될 키트 계획	키트가 늘어날 것을 알면 판정 로직을 키트별로 분리해 설계할 수 있습니다.

코로나19 때 진단키트와 함께 해외로 나간 분석 프로그램

2020년 코로나19 확산 당시 국내 진단키트가 해외로 수출될 때, 우리비엔씨가 개발한 분석 프로그램도 여러 건 진단키트와 함께 납품되었습니다. 대표적인 두 사례는 언론에도 소개되었습니다.

시선바이오 코로나19 진단키트: 실시간 유전자증폭검사(Real-time PCR) 방식의 ‘유톱코비드19디텍션키트’가 수출 허가를 받을 때, 결과 확인과 보고서 도출을 간편하게 해 주는 전용 분석 프로그램으로 소개된 것이 우리비엔씨가 개발한 프로그램입니다. (파이낸셜뉴스, 2020.04.02)
제니트리리서치 HLA NGS 분석 키트: 조혈모세포 이식 등에 쓰이는 체외진단용 ‘Ezplex HLA NGS Typing KIT’가 결과 분석 시간을 줄인 비결로 꼽은 키트 전용 소프트웨어 역시 우리비엔씨가 개발했습니다. (헬스경향)

개인적으로는 이 시기가 가장 바빴지만 보람도 컸습니다. 우리가 만든 화면을 해외 검사실의 누군가가 매일 들여다보고 있다고 생각하니, 버튼 하나와 문구 하나까지 더 꼼꼼히 보게 되더군요. 이후로도 가톨릭대학교 의과대학, 시선바이오, 코젠바이오텍, 진매트릭스, 진스랩, 나노헬릭스 등과 바이오·진단 분석 프로그램 작업을 이어 오고 있습니다.

자주 묻는 질문

Q. 우리 회사에서 쓰는 PCR 장비의 결과 파일도 읽을 수 있나요?

CFX96, AB7500, QuantStudio5, PowerAmp96 등 여러 장비의 결과 파일을 다뤄 왔습니다. 처음 접하는 장비라도 샘플 결과 파일을 받아 형식을 확인하면 연동 가능 여부와 방법을 판단할 수 있습니다.

Q. NGS 데이터는 용량이 큰데 일반 PC에서도 분석할 수 있나요?

우리비엔씨의 HLA 분석 프로그램은 FastQ 압축 해제, 서열 병합, DB 적재를 한 흐름으로 처리하고 전용 데이터베이스로 연산 시간을 줄이도록 설계했습니다. Unix용 SeqPrep을 Windows 버전으로 재개발해, 별도 서버 없이 윈도우 PC에서 전 과정을 처리할 수 있습니다.

Q. 해외 수출용 진단키트에 맞춰 다국어로 만들 수 있나요?

가능합니다. 진단키트와 함께 해외로 납품되는 경우를 위해 언어팩 방식의 다국어 지원 체계를 갖춰 개발합니다. 지원 언어는 개발 초기에 정해 두는 것이 좋습니다.

Q. 나중에 새 키트가 추가되면 프로그램을 처음부터 다시 만들어야 하나요?

처음 설계할 때 판정 로직을 키트별로 분리해 두면, 새 키트는 해당 로직과 화면만 추가하는 방식으로 대응할 수 있습니다. 그래서 상담 때 앞으로의 키트 계획을 꼭 여쭤봅니다.

바이오 분석 프로그램은 데이터 한 줄, 판정 하나가 곧 검사 결과로 이어지는 일이라 늘 조심스럽게 만듭니다. NGS나 PCR 분석 프로그램이 필요하시다면, 갖고 계신 장비 이름과 결과 파일 하나만 들고 편하게 연락 주세요.