[논문]식물 대사공학에 의한 산업용 지방산 생산연구 현황

이경렬; 김현욱

doi:10.5010/jpb.2009.36.2.097

식물 대사공학에 의한 산업용 지방산 생산연구 현황
Metabolic engineering for production of industrial oils in transgenic plants 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.36 no.2, 2009년, pp.97 - 105

이경렬 (농촌진흥청 국립농업과학원) , 김현욱 (농촌진흥청 국립농업과학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Seed storage lipids of plants, essential for seed germination as energy supplier, have been used for humankind and animal as nutrition sources. Fatty acids of vegetable oils have the characters appropriate for industry based on their chain length, the position and the number of double bonds. So they are used as raw materials for lubricants, cosmetics, soaps, paints and plastics or as energy source such as bio-diesel. However, there is a limit that applies vegetable oils from typical oil crops for industrial uses, mainly because of the mixture of five common fatty acids. Therefore, identification of unusual fatty acids for industrial uses from diverse plant resources and metabolic engineering to produce unusual fatty acids have been carried out in Arabidopsis as a model for the study of oilseed biology. Here, we discuss the unusual fatty acids for industrial uses, the genes synthesizing them in lipid metabolism, and the current limits in production of transgenic plants accumulating unusual fatty acid in their seeds. In addition, we describe our work on metabolic engineering of Brassica napus for the production of the unusual fatty acid ricinoleic acid in the seed, because of its industrial uses.

AI 본문요약
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문제 정의

본 고찰에서는 식물 종자유의 합성기작과 종자유의 산업적 사용을 위한 산업 특이지방산 (unusual fatty acid) 합성에 관여하는 유전자들과 특이지방산을 종자에서 더 많이 합성하기 위한 저장지질 (storage lipid) 대사공학연구의 현황과 앞으로의 전망에 대해 논하고자 한다.
현재까지 애기장대에서 리시놀레산의 합성은 종자 지방산의 약 30%까지 이루어져 경제성을 고려한 성공을 위해서는 피마자 지질합성대사에 관한 집중적인 연구가 필요하다. 본 연구실에서는 피마자 지질대사에 관여하는 유전자들에 대한 기능연구와 지금까지 밝혀진 지질대사에 근거한 pinpoint target 유전자들을 애기장대에 도입하여 리시놀레산의 증대와 유지작물인 유채에서 리시놀레산을 생산하는 연구를 수행하고 있다.
따라서 다양한 식물자원으로부터 산업적으로 유용한 특이 지방산의 탐색과 생명공학을 이용한 지방산 합성과 지질 대사조절을 위한 연구가 진행되어왔다. 이 리뷰에서는 산업적으로 유용한 특이 지방산의 종류와 그것을 합성하는 유전자에 대해 알아보고 또한 유지작물에 그 유전자를 도입하여 특이지방산을 생산하는 형질전환 작물의 예와 그 한계에 대해서 짚어보고자 한다. 특히 피마자의 특이 지방산인 리시놀레산은 산업적으로 매우 유용한 지방산으로 유지작물인 유채에서 리시놀레산 생산연구가 본 실험실에서 진행 중이다.
것이다. 즉 석유 화학에너지 사용에 의한 환경오염과 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 대체 석유화학원료와 식물 지질을 이용한 산업적 생필품 원료와 고부가가치의 산업원료 지방산을 형질전환 식물의 종자에서 생산하는 것이다. 위의 2가지 지질대사를 변형시킨 형질전환 유지작물의 경우는 하나의 유전자만을 도입한 경우로 단순한 대사경로를 조절하므로 개발이 어렵지 않았으나 앞으로 생산하고자 하는 산업적 특이지방산들로 그 경로는 기존의 지방산들의 합성경로에는 없거나 다르고 작용하는 효소들도 일반작물에서 존재하지 않는 특이적인 것 같다 그러므로 이런 특이지방산을 합성하는 식물시스템을 일반 유지작물의 종자 내에 도입, 구현해야 성공할 것이다.

제안 방법

2006). 또한 FAH₁₂ 유전자가 형질 전환된 애기장대에 피마자 종자발현 유전자 라이브러리를 종자특이 프로모터에 결합시켜 무작위로 형질전환하여 리시놀레산 합성을 증진하는 피마자 유전자를 선발하는 시도를 하였다. 그 결과 지질 체에 결합하는 단백질인 올레오신이 형질전환된 애기장대에서 리시놀레산의 함량이 종자 총지방산의 17%에서 20%로 약 3% 증가하였다.

대상 데이터

2008; Table 3). 이 실험들에 사용된 애기장대는 fatty acid elongase 1 (fael) mutant로 20:1 과 22:1 지방산의 합성이 억제되어 리시놀레인산의 전구체인 올레산의 함량이 증대된 것이었다. 올레산의 함량이 더욱 증대된 fae1/ fad2 애기장대에 피마자 유래의 FAH₁₂와 진균 Claviceps purpurea 유래의 FAH₁₂를 각각 도입한 실험에서는 각각 19.

성능/효과

애기장대에서 리시놀레산 합성증대에 관여하는 인자를 찾고자 하는 연구가 진행되었다. FAH₁₂가 형질 전환되어 리시놀레산을 생산하는 애기장대에 ethylmethylsulfonate (EMS) 처리하여 리시놀레산이 원래의 17%에서 감소된 돌연변이를 스크린하여 유전자를 탐색한 결과 NADH:cytochrome b5 re ductase (CBR) 가 돌연변이 된 것을 확인하였다. CBR은 식물에서 지방산의 desaturation 반응시 desaturase 에 전자를 전달하는 기능을 한다.
또한 FAH₁₂ 유전자가 형질 전환된 애기장대에 피마자 종자발현 유전자 라이브러리를 종자특이 프로모터에 결합시켜 무작위로 형질전환하여 리시놀레산 합성을 증진하는 피마자 유전자를 선발하는 시도를 하였다. 그 결과 지질 체에 결합하는 단백질인 올레오신이 형질전환된 애기장대에서 리시놀레산의 함량이 종자 총지방산의 17%에서 20%로 약 3% 증가하였다. 이 실험에서는 결정적인 리시놀레산 증가에 관여하는 유전자를 선별할 수 없었지만 피마자 자체의 합성 능력을 고려할 때, 보다 많은 형질전환 식물의 분석이 필요할 것으로 생각된다 (Lu et al.

후속연구

위의 2가지 지질대사를 변형시킨 형질전환 유지작물의 경우는 하나의 유전자만을 도입한 경우로 단순한 대사경로를 조절하므로 개발이 어렵지 않았으나 앞으로 생산하고자 하는 산업적 특이지방산들로 그 경로는 기존의 지방산들의 합성경로에는 없거나 다르고 작용하는 효소들도 일반작물에서 존재하지 않는 특이적인 것 같다 그러므로 이런 특이지방산을 합성하는 식물시스템을 일반 유지작물의 종자 내에 도입, 구현해야 성공할 것이다. 그러기 위해서는 특이지방산 생산 식물에서 TAG 합성경로의 모든 효소 유전자에 대한 연구가 선행되어야 할 것이고 다수의 유전자를 유지작물에 도입되어야 할 것이다. 산업 지방산을 생산하는 유지작물 개발의 모델로 본 연구실에서는 피마자의 리시놀레산을 유채에서 생산하는 연구를 수행 중에 있으며, 종자 지방산의 60% 이상을 성공적으로 생산한다면 경제적 파급효과는 매우 클 것으로 생각된다.
즉 석유 화학에너지 사용에 의한 환경오염과 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 대체 석유화학원료와 식물 지질을 이용한 산업적 생필품 원료와 고부가가치의 산업원료 지방산을 형질전환 식물의 종자에서 생산하는 것이다. 위의 2가지 지질대사를 변형시킨 형질전환 유지작물의 경우는 하나의 유전자만을 도입한 경우로 단순한 대사경로를 조절하므로 개발이 어렵지 않았으나 앞으로 생산하고자 하는 산업적 특이지방산들로 그 경로는 기존의 지방산들의 합성경로에는 없거나 다르고 작용하는 효소들도 일반작물에서 존재하지 않는 특이적인 것 같다 그러므로 이런 특이지방산을 합성하는 식물시스템을 일반 유지작물의 종자 내에 도입, 구현해야 성공할 것이다. 그러기 위해서는 특이지방산 생산 식물에서 TAG 합성경로의 모든 효소 유전자에 대한 연구가 선행되어야 할 것이고 다수의 유전자를 유지작물에 도입되어야 할 것이다.
그 결과 지질 체에 결합하는 단백질인 올레오신이 형질전환된 애기장대에서 리시놀레산의 함량이 종자 총지방산의 17%에서 20%로 약 3% 증가하였다. 이 실험에서는 결정적인 리시놀레산 증가에 관여하는 유전자를 선별할 수 없었지만 피마자 자체의 합성 능력을 고려할 때, 보다 많은 형질전환 식물의 분석이 필요할 것으로 생각된다 (Lu et al. 2006). 현재까지 애기장대에서 리시놀레산의 합성은 종자 지방산의 약 30%까지 이루어져 경제성을 고려한 성공을 위해서는 피마자 지질합성대사에 관한 집중적인 연구가 필요하다.
그러나 특이지방산을 생산하는 야생식물은 불균일한 개화기와 낮은 수량 종자내의 독 소단백질 및 알러지 유발 단백질의 다량 존재 등으로 인해 품종화 에 어려움이 있다. 특이 지방산을 합성하는 유전자를 이용한 유전 자 재조합과 형질전환기술을 이용하여 유채 등의 유지작물의 종자 에서 특이지방산을 야생식물 자체가 생산하는 수준으로 생산할 수 있다면 석유 화학 원료를 대체할 수 있는 친환경적 산업원료를 지 속적으로 생산하는 수단이 될 수 있을 것이다.
향후에는 새로운 측면에서 지질대사조절 연구가 대두될 것이다. 즉 석유 화학에너지 사용에 의한 환경오염과 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 대체 석유화학원료와 식물 지질을 이용한 산업적 생필품 원료와 고부가가치의 산업원료 지방산을 형질전환 식물의 종자에서 생산하는 것이다.

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