바이오인

핵심내용

-포스텍 이영숙 교수팀“지방산을 수송하는 유전자 발견으로 식물 종자의 지방질 함량을 증가시키는 원천 기술 확보” -

 □ 야자, 들깨 등에 있는 식물성 지방을 생산하는 주요 재료인 지방산을 수송하는 유전자가 국내 연구진에 의해 세계 최초로 밝혀졌다.

 ○ 포스텍 이영숙 교수 연구팀이 일본 사이타마대학 니시다 교수팀과 함께 ‘식물 종자의 지방함량을 증가시키는 유전자’를 세계 최초로 발견하여 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)*’ 온라인 속보(12월 26일자)에 논문을 발표하였다.

   ※ 논문명 : AtABCA9 transporter supplies fatty acids for lipid synthesis to the endoplasmic reticulum

    * PNAS(Proceeding of the National Academy of Science of the United States of America)
      : SCI 학술지 중, 융합과학 분야에서 Nature誌, Science誌에 이어 세계적으로 저명한 학술지

   ※ 연구팀 : 포스텍 이영숙 교수(교신저자), 김상우·김한울(박사과정),
                    일본 사이타마대학 니시다 이쿠오 교수, 야마오카 야스요 박사

 ○ 이 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 시행하는 글로벌연구실사업(Global Research Laboratory)과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행되었으며,

 ○ 이번 연구 성과로 식용 작물이나 바이오디젤과 같은 대체 에너지원 개발을 활성화 할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 식물의 경우 지방산은 색소체에서 합성되고, 지방산은 소포체로 수송되어 지방질 합성에 사용된다. 지방산 및 지방질 합성과 관련된 효소들은 수십년간 연구를 통해 거의 대부분이 알려져 있었지만, 지방산이 어떻게 소포체로 수송되는지에 관해서는 수수께끼로 남아 있었는데,

 ○ 이번 연구에서 이 교수팀이 지방산을 지방질 합성이 이루어지는 소포체로 수송하는 유전자인 ‘AtABCA9’을 발견하였다.

 ○ ‘AtABCA9’가 손실된 돌연변이 식물은 종자 지방질 함량이 약 35% 감소한 종자를 생산하며, 과 발현시킨 식물은 종자 지방질 함량이 약 40% 증가한 종자를 생산하는 것을 관찰함으로써 ‘AtABCA9’ 단백질이 종자의 지방질 합성을 증가시키는 중요 유전자라는 것을 밝힌 것이다.

□ 이 연구결과는 전 세계적으로 식용 및 산업원료로 수요가 급증하는 식물성 지방질의 생산을 증대시키는 중요한 유전자원을 국내 연구진이 발견하고, 해당 분야의 원천기술을 확보했다는 점에서 의의가 크다.

 ○ 이 교수는 “이번 연구 성과는 기름을 더 많이 생산하도록 작물을 개량하는데 이용할 수 있는 중요한 유전자원이 될 것이며 그린에너지 바이오연료 생산에 기여할 수 있을 것 같다”라고 말했다.
 ○ 한편, 연구팀은 현재 이번의 연구 성과를 상용화하기 위하여 다국적기업과 라이선싱 계약 체결을 협의중인 것으로 알려지고 있다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

AtABCA9 transporter supplies fatty acids for lipid synthesis to the endoplasmic reticulum

Sangwoo Kim, Yasuyo Yamaoka, Hirofumi Ono, Hanul Kim, Donghwan Shim, Masayoshi Maeshima, Enrico Martinoia, Edgar B Cahoon, Ikuo Nishida, and Youngsook Lee

(미국국립과학원회보(PNAS)에 발표)

1. 서론

 지질은 유채, 대두, 야자 등과 같은 오일 작물의 주요 에너지 저장 형태이다. 종자 지방은 화학적으로 다양한 성분을 가지고 있으며, 에너지가 밀집된 형태이다. 이러한 종자 지방은 사람과 동물을 위한 높은 칼로리의 음식, 탄소 형태의 연료, 그리고 산업적으로 재생 가능한 재료로 사용될 수 있다. 최근에는 청정하고 지속 가능한 바이오디젤의 원료로 사용되면서 그 수요가 크게 증가하고 있다. 이러한 이유로 식물성 오일의 수요는 2030년까지 두 배가 될 것으로 예상되고 있다. 이에 맞춰, 바이오 기술을 이용한 식물성 오일 생산 증가는 반드시 필요하다. 기존의 종자 오일을 증가시키기 위한 유전자 조작을 통한 바이오 기술은 지질 대사 과정에 관여하는 효소나 전사 인자의 활성을 조절하는 것이었다.
지방산은 지질을 합성하기 위한 전구체로서, 색소체에서 합성되며 여러 지질로 변형되기 위해 소포체로 수송되어야 한다. 지방산은 지방 친화성 물질로서 생체막을 통과하여 수송되기 위해서는 수송체가 있어야 할 것으로 예상되어 왔다. 지방산 및 지질 합성의 과정은 지난 수십년 동안 집중적으로 연구되어 온 반면, 색소체에서 합성된 지방산이 어떻게 소포체로 수송되는지는 알려지지 않았다. 이러한 수송체들은 ABC 수송체일 것으로 여겨지고 있는데, 그 이유는 이미 ABCD1/PXA1/PED3p/COMATOSE라고 불리는 ABC 수송체가 β-oxidation을 위해 지방산을 퍼옥시좀으로 수송한다는 보고가 있었기 때문이다.

ABC 수송체 단백질은 모든 생물체에 존재하며 큰 유전자 과를 이룬다. 총 8개의 아과를 이루는 ABC 수송체 중에서 ABCA 아과의 경우 동물에서 지질 수송체로 잘 알려져 있다. ABC 수송체의 경우 원핵생물에서 식물, 인간에 이르기까지 구조 및 기능이 높게 보존되어 있기 때문에, 식물의 ABCA 수송체 중 일부도 지질 대사과정에서 지질을 수송할 것으로 여겨지고 있으나 식물의 ABCA 수송체에 대한 연구는 아직까지 이루어지지 않았다.
 
2. 본론

 본 연구는 색소체에서 소포체로 지방산을 수송하는 식물의 ABCA 수송체를 밝히는 것을 목표로 진행되었다. 이러한 ABCA 수송체를 찾기 위해 애기장대에 존재하는 총 12개의 ABCA 수송체 중 T-DNA가 삽입된 돌연변이체를 얻을 수 있었던 8개의 ABCA 수송체를 선별하여 자당이 포함되거나 포함되지 않은 1/2 MS 배지에서 식물의 초기 성장을 관찰하였다. 이렇게 실험한 이유는 애기장대의 경우 종자의 저장 지방이 약 35에서 40%를 차지하고, 이를 종자의 발아 및 식물의 초기 성장을 위해 사용하는데, 지방산을 수송하는 ABC 수송체를 발현하지 않는 돌연변이체의 경우 추가적인 자당이 없는 배지에서는 잘 자라지 못하고 추가적인 자당이 있는 경우에만 잘 자랄 것이라고 가정하였기 때문이다.

이러한 스크리닝과 다음의 실험 결과를 통해 ABCA9이라는 애기장대의 ABCA 수송체가 지질 생산을 위한 지방산을 수송한다는 것을 밝혀냈다. ABCA9은 소포체에 위치하며, ABCA9을 발현하지 못하는 돌연변이체의 경우 종자 저장 지방의 대부분을 차지하는 트리아실글리세롤의 양이 야생종에 비해 약 35% 감소하였다. 발달하고 있는 ABCA9 돌연변이체의 종자에 방사성 동위원소로 표기된 oleoly-CoA를 제공하였을 때, 트리아실글리세롤의 합성이 야생종에 비해 35% 감소하였다. 뿐만 아니라, ABCA9을 과발현시킨 식물은 40%까지 트리아실글리세롤 함량이 늘어난 커진 종자를 생산하였다. ABCA9 과발현체 식물의 씨 꼬투리나 종자 생산은 야생종과 비슷하여 전체적으로는 식물당 지질 생산이 증가하였다.

3. 결론

 본 연구는 식물 지질 합성 분야에서 오랫동안 풀리지 않던 난제였던 지방산을 어떻게 소포체로 공급하는지에 대한 해답을 주었다. ABCA9은 소포체에 위치하여 종자의 발달 과정 동안 지질 합성을 위한 전구체인 지방산을 소포체로 수송한다. 더욱이, ABCA9을 과발현시킨 식물은 단백질이나 탄수화물의 생산성을 감소시키지 않고 종자의 크기 및 트리아실글리세롤의 함량을 증가시켰다. 지질 수송체를 이용하여 종자의 지질을 증가시키는 방법은 기존의 지질 대사와 관련하여 효소나 전사 인자의 활성을 조절하는 방법과는 다른 새로운 방법으로, 기존의 방법과 더불어 종자의 지질을 증가시키기 위해 사용될 수 있을 것이다.

용   어   설   명

1. 색소체 (Plastid)
     식물 및 조류에서 색소를 만들거나, 색소를 가지고 있는 세포소기관이다. 광합성이 이루어지며, 전분과 같은 저장 물질의 생산, 식물의 여러 기능을 위해 기반이 되는 지방산, 터펜과 같은 여러 물질을 생산하는 역할을 한다.

2. 소포체 (Endoplasmic reticulum)
    진핵 세포에서 핵막 바깥에 액포, 소포, 세관 등으로 그물구조를 이루고 있는 세포소기관이다. 리보좀의 결합 여부에 따라 조면 소포체 및 활면 소포체로 구분되며, 조면 소포체에서는 단백질의 합성이, 활면 소포체에서는 지질과 스테로이드 합성이 이루어진다. 

3. 지방산 (Fatty acid)
    1개의 카복시기를 가지는 탄화수소 사슬의 카복실산으로 사슬 모양의 1가 카복실산을 말한다. 보통 생체 내에서는 글리세롤이나 고급 알코올과 결합하여 에스터를 만들고 있으며, 유리된 지방산으로 존재하는 양은 극히 적다. 이 교수의 연구에서는 색소체에서 합성된 지방산을 소포체로 수송하는 유전자를 발견하였다.

사   진   설   명

1. 지방산 수송체 AtABCA9은 식물 종자 지방질 합성에 중요함.

 AtABCA9 유전자가 손실된 돌연변이 식물체(abca9)는 종자 지방질 함량이 감소하여, 야생종(WT)에 비해 크기가 작은 종자를 생산하였다.

 AtABCA9을 과발현한 형질전환 식물체(OX)의 종자는 야생종(WT)의 종자에 비해 크기가 컸으며 (사진), 종자 지방질의 대부분을 차지하는 중성지방 (트리아실글리세롤, TAG)의 양이 최대 40%까지 증가하였다 (그래프).

2. AtABCA9의 기능 설명

 AtABCA9 단백질은 소포체에 위치하여 색소체에서 만들어진 지방산을 소포체로 수송, 공급한다. AtABCA9 단백질이 많아지면 지방질 합성의 원료인 지방산이 원활하게 공급되어 소포체에서 지방질 합성이 증가한다.