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◇ 신경근질환 치료제로 WHO 필수 의약품으로 지정된 ‘트로판 알칼로이드 (Trophane Alkaloids)’는 식물 유래 의약품으로 지역 작물 수확량 및 글로벌 공급망 상황에 따라 약물 수급이 불안정하였으나, 최근 유전자가 재설계된 효모에서 생산할 수 있다는 가능성을 제시하여 이러한 문제를 해소할 수 있을 것으로 기대

▸주요 출처 : Nature, Biosynthesis of medicinal tropane alkaloids in yeast, 2020.9./ Nature, Genetically engineered yeast makes medicinal plant products, 2020.9.

■ ‘트로판 알칼로이드(Trophane Alkaloids)’는 밤나무, 코카 및 메꽃과의 식물 유래 의약품으로, 치료적으로 중요한 다양한 화합물로 구성

○ 트로판 알칼로이드는 주요 공급원인 식물에서 추출되어야 하는데, 최근 호주 산불 및 코로나19 대유행으로 글로벌 공급망의 취약점이 발생

- 식물 기반의 의약품 생산방식은 기후 변화와 예기치 못한 글로벌 공급망 문제로 약물이 적절하게 제공되지 못할 수 있으며, 또한 식물에서 추출할 수 있는 활성성분은 매우 소량으로 환경에도 나쁜 영향을 미침

- 특히 트로판 알칼로이드*의 화학적 합성은 복잡하고, 어려워 경제성이 낮아 호주, 인도, 브라질, 사우디아라비아의 밤나무과에서 약용 트로판 알칼로이드에 대한 전 세계 공급을 주도

* 신경전달물질 분자인 아세틸콜린의 작용을 차단하여 메스꺼움, 위장 문제, 과도한 신체 분비물 및 파킨슨병을 포함한 신경근질환 치료에 사용되며 밤나무, 코카 및 메꽃과의 식물에 존재

○ 공중 보건을 위한 농업 기반(식물 유래) 의약물질의 글로벌 공급에 있어 세 가지 위험요소들이 내재

- 첫째, ‘Trophane Alkaloids’ 기반 의약품에 대한 전반적인 수요 증가는 이미 반복적인 글로벌 공급 부족을 초래

- 둘째, 2019∼2020년 호주 산불과 같은 사건이 글로벌 공급을 위협 

- 셋째, 진행 중인 코로나19 감염병과 같은 글로벌 위기는 수요 급증과는 반대로 글로벌 공급망의 중단으로 인해 지역 내의 가용성을 위협 

○ 이에 무엇보다 지정학적 의존성이 없고 환경 및 사회·경제적 격변에 견고하게 지역 수요에 맞게 필수 의약품 생산을 신속하게 확장할 수 있는 대체기술 등 옵션을 갖는 것이 시급

■ 최근 제빵에 활용되는 효모(yeast)의 유전자 재설계를 통해 위와 같은 한계를 극복할 수 있는 대체방법에 대한 연구결과를 발표

○ 효모의 당과 아미노산에서 알칼로이드 약물인 Hyoscyamine과 Scopolamine을 완전하게 합성할 수 있는 S. cerevisiae 균주

(yeast)를 제작

※ 완전한 합성을 위해 주요 Acyltransferase의 기능적 발현을 가능하게 하는 액포 수송체(Vacuole transporter)의 단백질 공학뿐만 아니라 효모, 식물, 박테리아 및 동물의 26개 유전자를 사용

< 효모에서 ‘Trophane Alkaloids’ 생산(생합성, Biosynthesis) 과정 >

○ 이 연구는 보다 저렴하고, 빠르고, 신뢰할 수 있고, 지속가능한 의약품 생산수단을 가능하게 하는 미생물 플랫폼의 잠재력을 제시

- 특히, 이 시스템은 식물 생합성의 공간적 복잡성을 모방하기 위해 효모의 많은 하위 세포 조직을 사용. 효소의 세포 내 모듈화는 적절한 효소 활성을 증대시키고 대사 중간체를 분리하여 경쟁 경로에 대한 독성 및 손실을 줄임으로써 생합성을 향상

※ 이러한 효소 분리는 각각의 반응기에서 서로 다른 합성 단계가 수행되는 화학공장에서 발생하는 것과 유사, 각 단계를 개별적으로 최적화하여 생산성을 극대화

○ 그러나 아직 식물 추출 기반의 생산방법을대체하기에 불충분하여 생산량을 늘리기 위해 경로의 모듈을 최적화하는 방안 마련이 필요

- 현재 효모 배양 1리터당 몇 마이크로그램에서 밀리그램의 ‘Trophane Alkaloids’만을 생산하여, 생산량을 더 늘리려면 화학공장에서 각 반응을 최적화하는 것처럼 경로의 각 모듈을 최적화해야 함