<사진. 이전에는 애기장대에서 특성화되지 못했단 6개의 뉴클레오티드 당 전달자 가계. 이러한 뉴클레오티드 당 전달자는 개선된 바이오연료에서 연구를 위한 모델 식물로 기여한다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

새로운 도구로 개선된 바이오에너지

미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 JBEI(Joint BioEnergy Institute) 소속의 연구진은 청정하고 녹색의 재생 바이오에너지를 위한 연료 작물의 유전자 조작을 개선하는 데 도움을 줄 수 있는 강력하고 새로운 도구를 개발했다. JBEI 연구진은 과학자들이 식물 세포벽의 생합성에 중요한 구성 인자인 뉴클레오티드 당 수송자(NSTs; nucleotide sugar transporter)의 기능을 규명 및 특성화할 수 있게 해주는 분석 방법을 개발했다.

연구진의 독특한 분석은 애기장대(Arabidopsis)에서 NSTs 활성을 분석할 수 있게 해주었으며, 이전에는 기술되지 않았던 6개 NSTs 가계를 특성화했다고 JBEI 산하 피드백 부서(Feedstocks Division) 책임자이며 세포벽 생합성의 권위자인 Henrik Scheller는 밝혔다. 연구진의 방법은 세포벽의 대사 공학에 매우 중요한 식물과 다른 유기체에서 NSTs의 기능적 역할을 결정하는데 있어서 급속한 진보를 가능하게 했다.

Scheller는 칠레 안드레스 베요 대학(Universidad Andres Bello) 소속의 Ariel Orellana와 함께 교신 저자이다. 관련 논문은 미국 국립과학원회보(PNAS; Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재됐으며, 논문의 제목은 “The Golgi localized bifunctional UDP-rhamnose/UDP-galactose transporter family of Arabidopsis”이다. Scheller와 같이 주저자인 Carsten Rautengarten과 Berit Ebert는 미국 버클리 국립 연구소 물리 바이오과학부 소속이다.

식물 바이오매스에서 당은 만약 이러한 당이 석유 기반의 연료와 경제적으로 경쟁력을 갖춘 방식으로 휘발유, 디젤 및 제트 연료 등과 같은 수송 연료로 전환될 수 있다면 환경학적으로 우수한 에너지 자원이 될 엄청난 가능성을 대표하고 있다. 이러한 노력에서 성공의 핵심 중 하나는 당 함량(sugar content)을 위하여 최적화될 수 있는 세포벽을 가지고 있는 연료 작물(fuel crop)의 공학적인 조작이다.

세포벽(cell wall)으로 둘러싸인 식물 세포는 식물 성장, 구조적 강도 및 방어 등에서 핵심적인 역할을 한다. 세포벽은 주로 다당류(polysaccharide)로 이루어져 있는 복잡하고 다양한 구조를 가진다. 비셀룰로오스성 세포벽 다당류의 대부분은 시토졸(cytosol)에서 우세하게 합성되는 뉴클레오티드 당으로부터 골지체(Golgi apparatus)에서 생성된다. 이러한 시토졸로부터 유래한 뉴클레오티드 당이 골지 루멘(Golgi lumen)으로의 수송은 세포벽 합성에 중요한 공정이며 NSTs 가계에 의하여 조정된다.

셀룰로오스(cellulose)와 캘러스(callose)를 제외하고, 식물 세포벽에 복잡한 다당류 당은 글리코실전달효소(glycosyltransferase)라고 불리는 효소에 의하여 골지체에서 합성된다. 이러한 다당류는 식물 세포의 세포체(cytoplasm)를 채우고 있는 겔과 같은 액체인 시토졸(cytosol)에서 골지체로 수송된다. 다당류의 중요성에도 불구하고, 소수의 식물 NSTs는 분자 수준에서 기능적으로 특성화된다.

포유류 NSTs의 기질은 의료적 관심을 이유로 상업적으로 이용 가능하다. 그러나 NSTs와 글리코실전달효소에 대한 연구가 수행되기 어렵기 때문에, 식물에서는 NSTs의 기질을 이용할 수 없다고 Scheller는 밝혔다.

다수의 연구가 NSTs에 의한 기질-특이성 수송을 특성화하는 방안을 찾았지만, 특정 기질의 이용 가능성과 견고한 방법의 부재로 문제가 많다는 것만 입증됐다. 결과적으로 연구진은 NSTs의 복원을 리포솜(liposome)에 결합하는 새로운 접근을 개발하여 질량 분석기에 의해 흡수된 뉴클레오티드 당의 후속적인 평가를 수행할 수 있는 방안을 제안했다.

연구진의 분석에 대하여 Scheller, Rautengarten, Ebert 및 협력 연구진은 NSTs를 위한 몇 가지 인위적인 기질을 생성한 후, 질량 분석기로 분석하기 위하여 전달자를 리포솜에 재구성했다. 연구진은 개선된 바이오연료에서 연구를 위한 모델 식물로 작용하는 겨자과 가계족인 애기장대에서 규명한 6개의 새로운 뉴클레오티드 당 전달자(NSTs; nucleotide sugar transporter)의 기능을 특성화하기 위하여 이 기술을 이용했다.

기질 이용 가능성 한계를 해결하기 위하여, 연구진은 애기장대 UDP?l-Rha(UDP?l-rhamnose) 합성의 두 가지 활성 도메인을 발현함으로써 UDP?l-Rha의 효소 합성을 위한 2 단계 반응을 개발했다. 리포좀 접근과 새롭게 합성된 기질은 애기장대 NSTs의 계통분기를 분석하는 데 사용됐다. 그 결과 6개의 2기능성 URGTs(UDP?l-Rha/UDP?d-galactose (Gal) transporters)의 특성을 규명했다. 이러한 URGTs 2종에 대한 기능 상실 및 과발현 식물의 추가적인 분석은 기질(matrix) 다당류 생합성을 위한 UDP?l-Rha와 UDP?d-Gal 수송에서 중요한 역할을 한다는 것을 뒷받침해준다.

연구진은 이러한 6개의 새로운 NSTs가 2중 특이성이라는 것을 확인했으며, 두 개의 기질이 육안으로 물리적 관점에서 매우 유사하지 않기 때문에 놀랐다고 Scheller는 밝혔다. 또 연구진은 제한적인 기질 이용 가능성이 다른 다당류 제품에 다른 효과를 가진다는 것을 발견했다. 이러한 사실은 식물의 골지체에서 세포벽 다당류 합성이 기질 수송 메커니즘에 의해 제어된다는 것을 의미한다.

6개의 NSTs와 더불어, 분석법은 20개의 다른 수송자의 기능을 특성화하여 세부 사항이 곧 발표될 예정이다.

Carsten Rautengarten과 Berit Ebert의 지난 2년에 걸친 노력 덕분에, 연구진은 인간에서 알려진 것보다 NSTs가 3 배의 활성을 가지고 있으며, 인간 전달자의 1/4과 비교했을 때 식물 전달자의 2/3의 기능을 결정할 수 있었다고 Scheller는 밝혔다. 이러한 성과는 상당한 것이며, 연구진이 바이오연료 생산을 위한 바이오매스 당 조성을 개선하기 위하여 이미 이러한 정보를 이용하고 있다고 Scheller는 밝혔다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr