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 Bioin스페셜 WebZine 2011년 25호 [화학생물학 연구동향]

방선균유래 2차대사물질의 생합성 및 관련 효소의 생물공학적 응용

오태진 선문대학교 제약공학과 교수

1. 서론

지구상에 존재하는 많은 미생물들은 다양한 영양분을 섭취하고 이를 대사시켜 인간에게 유용한 대사산물을 수천 년 전부터 제공하여 왔다. 특히 Bacillus subtilis로부터 진화된 것으로 알려진 방선균 (Streptomyces)은 균사상으로 생장하는 대표적인 그램양성 (Gram-positive) 토양미생물로서, 항생물질이나 효소를 비롯한 수많은 종류의 2차대사산물 (secondary metabolites)인 저분자량 생리활성물질들을 생합성하기 때문에 생명공학 분야의 학문적 또는 산업적인 관점에서 가장 매력적인 미생물로 인식되고 있다. 현재까지 보고된 12,000 여종의 항생물질 중 60% 이상이 방선균으로부터 생산된다고 알려져 있으며, 이외에도 대표적인 방선균유래 유용생리활성물질로는 항세균제, 항진균제, 효소저해제, 항암제, 면역억제제, 제초제, 항기생충제, 당뇨병치료제 등이 있다.

1980년대 Hopwood 팀 등에 의해 방선균 대상으로 유전자재조합 (gene recombinant) 기술이 개발되기 시작한 이래로 지금까지도 다양한 생리활성물질의 생합성유전자집단 (biosynthetic gene cluster)들이 분리되고 있다 [1]. 또한 분자유전학적 수준에서 일부 생리활성물질의 전체 생합성과정이 증명되면서 대사공학기술 (metabolic engineering)을 이용하여 생합성유전자를 조작 (삽입, 제거, 치환 등)함으로써, 구조가 변형된 신규생리활성물질을 개발하거나 그들의 생산성을 증가시키는 등의 체계적인 연구를 수행하고 있다 [2]. 그리고 최근에는 수 십 개의 방선균 게놈 (genome)에 대한 정보들이 상세히 밝혀지면서 생합성 수준이 아닌 미생물 전체에 해당하는 1차대사를 비롯한 2차대사를 아우를 수 있는 시스템 수준에서의 통합적 최적화를 시도하고 있다.

한편, 방선균유래 그 기능이 증명된 다양한 효소들을 이용하여 전구물질로부터 원하는 유용생리활성물질을 제조하는 기술인 반합성 생물전환기술 (bioconversion)은 유기합성이 어렵고 구조가 복잡한 기존의약품 등으로부터 에너지 절약적으로 신규유도체 개발을 생촉매 (biocatalysis)할 수 있는 효율적인 방법일 것이다. 또한 2차대사 효소들은 상대적으로 1차대사 효소들과 달리 기질에 대한 낮은 특이성과 유사 기질에 대한 높은 선택성을 나타내기 때문에 기존에 알려진 몇몇 2차대사 효소들을 응용하여 고부가 목적화합물을 생산하려는 시도가 현재 활발하게 진행되고 있다.

따라서 본 총설에서는 방선균유래 다양한 생리활성물질의 구조와 생합성 연구, 그리고 생물전환을 위해 대사공학적으로 응용되고 있는 2차대사 효소 등에 대하여 일부 국내 연구현황을 바탕으로 기술하고자 한다.

................계속

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