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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 국내에서 개발된 유전자변형 β-carotene 강화쌀(GM쌀)과 모종쌀(낙동쌀)을 공시재료로 선정하였고, 동물 모델에서 생체 이용률과 영양기능성을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 간조직 및 분변의 총콜레스테롤(total cholesterol, TC)과 중성지방(triglyceride, TG) 농도를 측정하기 위해 Folch 등의 방법을 수정하여 지질 성분을 추출한 후 분석하였다(23). 간 조직과 건조된 분변을 정량하여 50 mL cornical tube에 chloroform:methanol(2:1, v/v) 용액을 가한 후 homogenizer (Ultra-Turrax T25, Janke & Kunkel GMBH & Co.
- 실험에 사용한 쌀 시료는 모종인 낙동벼와 수원과 군위에서 재배한 유전자변형 β-carotene 강화벼로서 농촌진흥청 국립농업과학원 생물안전성과에서 제공받아 사용하였다(19). 벼를 제현기(Satake Engineering Co, Tokyo, Japan)로 왕겨를 분리하고 도정기(Fujihara Factory, Tokyo, Japan)로 도정하여 백미를 제조하였으며, 백미를 취반하여 동결건조기에서 2일간 건조한 다음 분쇄하여 분석시료로 사용하였다.
- 본 연구에서는 β-carotene 강화쌀의 생체이용율과 영양기능성을 모종쌀과 비교하였다.
- 실험 식이는 낙동쌀(모종쌀), β-carotene 강화쌀(GM쌀) 및 Harlan 2018S-diet(대조군)으로 하였고, 실험군당 11마리씩 배정하였다.
- 실험그룹은 모종쌀(낙동쌀), GM쌀(β-carotene 강화쌀, 배아중 2 mg/100 g 함유) 및 Harlan 2018S-diet를 기본식이로 하는 대조군 그룹으로 총 3그룹으로 나누고 각 그룹의 흰쥐의 배정은 무작위적으로 배정하였다.
- 실험동물은 온도 23±3·C, 상대습도 50±10%, 환기회수 10-20회/h, 조명 시간 12시간(08:00 점등-20:00 소등), 조도 150-300 Lux로 설정된 환경에서 stainless steel wire cage (225W×200 L×180 H mm)에서 한 마리씩 분리 사육하였다.
- 실험식이 급여 종료 후에 실험동물을 14시간 절식시키고 경동맥에서 혈액을 채취하여, 3,000 rpm에서 20분간 원심 분리한 후 혈청 분석에 이용하였다. 혈청에서 혈당, 콜레스테롤, 중성지방, 칼슘, 칼륨 등을 자동혈청분석기(ADVIA 1650, Bayer Inc.
- 실험식이 중 전분 함량은 실험 식이군에서 각각 낙동쌀과 β-carotene 강화쌀로 30% 대체하여 재형성시킨 펠렛식이를 4주 동안 급여하였다.
- 실험 식이는 낙동쌀(모종쌀), β-carotene 강화쌀(GM쌀) 및 Harlan 2018S-diet(대조군)으로 하였고, 실험군당 11마리씩 배정하였다. 실험식이에 함유된 전분 함량은 모종쌀과 GM쌀로 각각 30% 대체하였고, 펠렛식이로 재성형하여 4주 동안 급여하였다. 실험기간동안 GM쌀의 급여는 모종쌀과 비교시 흰쥐에게 식이섭취량이나 체중 증가와 같은 일반적인 성장에 부정적인 영향을 주지 않았다.
- 이 균질액을 원심분리(1,000×g, 4°C, 10분)하여 하층액인 chloroform 층을 분석에 이용하였다.
- 이 용액 10 μL를 1.5 mL eppendorf tube에 취한 후 fume hood에서 12시간 자연건조한 후 표준 효소비색법을 이용한 kit를 사용하여 500 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- 실험식이 급여 종료 후에 실험동물을 14시간 절식시키고 경동맥에서 혈액을 채취하여, 3,000 rpm에서 20분간 원심 분리한 후 혈청 분석에 이용하였다. 혈청에서 혈당, 콜레스테롤, 중성지방, 칼슘, 칼륨 등을 자동혈청분석기(ADVIA 1650, Bayer Inc., New York, NY, USA)로 측정하였으며, 혈구세포는 자동혈구분석기(XE2100D, Sysmex Co., Kobe, Japan)를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 1주일간의 검역 및 순화를 거친 뒤 건강하다고 판정된 것 중 체중이 155±5 g의 것을 실험에 사용하였다.
- 본 실험에서는 한림실험동물연구소로부터 구입한 수컷 Wistar 흰쥐를 사용하였다. 1주일간의 검역 및 순화를 거친 뒤 건강하다고 판정된 것 중 체중이 155±5 g의 것을 실험에 사용하였다.
- 본 연구에서는 β-carotene 강화쌀의 생체이용율과 영양기능성을 모종쌀과 비교하였다. 실험동물은 수컷 Wistar 흰쥐를 사용하였고, Harlan 2018S-diet를 기본 식이로 하였다. 실험 식이는 낙동쌀(모종쌀), β-carotene 강화쌀(GM쌀) 및 Harlan 2018S-diet(대조군)으로 하였고, 실험군당 11마리씩 배정하였다.
- 실험에 사용한 쌀 시료는 모종인 낙동벼와 수원과 군위에서 재배한 유전자변형 β-carotene 강화벼로서 농촌진흥청 국립농업과학원 생물안전성과에서 제공받아 사용하였다(19).
데이터처리
- 통계분석은 SPSS program (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 평균과 표준편차(mean±SD)로 제시하였고, 각 처리군 유의성은 실험군의 결과측정치에 대해 one-way ANOVA 분석후 Duncan’s multiple range test를 이용하여 p<0.05 수준에서 검증하였다.
이론/모형
- 실험식이 중 전분 함량은 실험 식이군에서 각각 낙동쌀과 β-carotene 강화쌀로 30% 대체하여 재형성시킨 펠렛식이를 4주 동안 급여하였다. 실험식이의 일반성분은 AOAC법(20)에 의하여 분석하였다. 즉, 수분 함량은 105°C 상압건조법, 회분 함량은 550°C에서 직접회화법을 이용하여 분석하였다.
- 5 mL eppendorf tube에 취한 후 fume hood에서 12시간 동안 자연건조 시킨 후 50 μL methanol을 가하여 용해시켰다. 여기에 표준 효소비색법을 이용한 kit (Asan pharm. Co., Ltd., Seoul, Korea)를 사용하여 550 nm에서 spectrophotometer로 흡광도를 측정하였다. 총콜레스테롤(TC) 및 HDL-C (high-density lipoprotein-cholesterol) 측정은 하층액 500 μL을 취하여 fume hood에서 24시간 동안 자연건조 시킨 후 50 μL Triton X-100:chloroform (1:1, v/v) 용액을 첨가하여 vortex한 후 450 μL chloroform으로 희석하여 총량이 500 μL가 되도록 한 후 vortex하였다.
- 즉, 수분 함량은 105°C 상압건조법, 회분 함량은 550°C에서 직접회화법을 이용하여 분석하였다. 조단백질 함량은 micro-Kjeldahl법을 이용한 단백질 자동분석기(Kjeltec protein analyzer, Tecator Co., Hoeganaes, Sweden)로 분석하였고, 조지방 함량은 Soxhlet법을 이용하여 분석하였다. 총 당질함량은 위의 측정치를 합한 값을 100에서 뺀 값으로 하였다.
- 즉, 수분 함량은 105°C 상압건조법, 회분 함량은 550°C에서 직접회화법을 이용하여 분석하였다.
- 총 당질함량은 위의 측정치를 합한 값을 100에서 뺀 값으로 하였다. 총 식이섬유(total dietary fiber) 함량은 AOAC법(21)에 의한 효소중량법 (enzymatic-gravimetric method)으로 분석하였고, 무기질(Ca, P) 함량은 AOAC법(22)에 의하여 ICP-AES (inductively coupled plasmaatomic emission spectroscopy)법으로 분석하였다.
성능/효과
- LDL-C 농도는 두 실험군이 대조군 보다 유의하게 낮았으며(p<0.05), 모종쌀에 비해 GM쌀 식이군이 더 낮았다.
- 실험기간동안 GM쌀의 급여는 모종쌀과 비교시 흰쥐에게 식이섭취량이나 체중 증가와 같은 일반적인 성장에 부정적인 영향을 주지 않았다. 간, 신장, 비장, 체지방 등의 6개 장기의 무게를 측정한 결과 GM쌀은 모종쌀 식이 섭취군과 비교시 유의적인 차이가 없었다. 간지질중 총콜레스테롤(TC) 함량은 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 유의하게 낮았고, 분변지질(TC, TG) 농도 역시 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군에 비해 낮았다.
- 간기능을 측정하는 효소수치 중 AST (GOT) 활성은 모종쌀과 대조군 보다 GM쌀이 통계적으로 높았고, ALT (GPT)활성은 두 실험군보다 대조군이 유의하게 높았으며(p<0.05), 두 실험식이군 간에는 유의적인 차이가 없었다.
- 간장무게는 모종쌀과 GM쌀 실험군 보다 대조군이 3.38 g으로 통계적으로 유의하게 무거웠으며(p<0.05), 모종쌀과 GM쌀 실험군간에는 유의적인 차이가 없었다.
- 간조직중 총콜레스테롤(TC) 함량은 모종쌀(9.34 mg/g)이 대조군(2.26 mg/g) 보다 높았으며, GM쌀(4.58 mg/g)은 대조군과 유의적인 차이는 없었으나, 모종쌀에 비해 통계적으로 유의하게 낮았다(p<0.05).
- 간, 신장, 비장, 체지방 등의 6개 장기의 무게를 측정한 결과 GM쌀은 모종쌀 식이 섭취군과 비교시 유의적인 차이가 없었다. 간지질중 총콜레스테롤(TC) 함량은 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 유의하게 낮았고, 분변지질(TC, TG) 농도 역시 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군에 비해 낮았다. 혈청생화학치와 혈구세포의 변화를 살펴보면 전반적으로 두 실험군(모종쌀, GM쌀) 간의 차이가 없었으나, 혈청지질 농도는 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 낮았고, 공복혈당은 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 통계적 으로 유의하게 낮았다.
- 신장, 비장 및 정소무게는 실험군과 대조군간에 차이가 없었다. 경골무게는 0.771-0.830 g으로 두 실험군과 대조군간에 차이가 없었고, 두 실험군중에서는 GM쌀이 모종쌀 보다 다소 경골무게가 무거웠으나 유의적인 차이는 없었다. 내장지방(visceral fat accumulation)의 무게를 살펴본 결과, 신장주변지방패드(perirenal fat pad, RFP) 무게는 실험군중 GM쌀이 모종쌀에 비해 낮았으나 대조군과는 차이가 없었다.
- 공복혈당은 모종쌀 식이군(85.09 mg/dL)이 대조군(80.18 mg/dL)에 비해 높았으며, GM쌀 식이군(73.09 mg/dL)이 모종쌀 식이군에 비해 유의적으로 낮았다(p<0.05).
- 830 g으로 두 실험군과 대조군간에 차이가 없었고, 두 실험군중에서는 GM쌀이 모종쌀 보다 다소 경골무게가 무거웠으나 유의적인 차이는 없었다. 내장지방(visceral fat accumulation)의 무게를 살펴본 결과, 신장주변지방패드(perirenal fat pad, RFP) 무게는 실험군중 GM쌀이 모종쌀에 비해 낮았으나 대조군과는 차이가 없었다. 정소상체지방패드(epididymal fat pad, EFP) 무게는 대조군과 두 실험군간에 유의적인 차이가 없었다.
- 정소상체지방패드(epididymal fat pad, EFP) 무게는 대조군과 두 실험군간에 유의적인 차이가 없었다. 따라서, GM쌀의 실험식이를 급여하였을 때, 장기는 모종인 낙동쌀 식이 섭취군과 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 간, 신장, 폐 등의 6개 장기의 무게를 측정한 결과 유전자 변형된 백미 및 현미밥으로 배합한 실험식이가 모종 식이 섭취군과 유의적인 차이가 없었다는 내용과 유사한 결과이다(15).
- 본 실험에서 국내에서 개발된 유전자변형 β-carotene 강화쌀(GM쌀)의 일반성분은 모종인 낙동쌀에 비해 식이섬유가 적고, 칼슘(Ca) 함량이 많은 것을 제외하고는 실험식이의 일반성분이 유사하였다(17). 모종쌀과 GM쌀 첨가식이를 4주 동안 급여한 흰쥐를 살펴보았을 때 GM쌀의 급여는 모종쌀과 비교시 흰쥐에게 식이섭취량이나 체중 증가와 같은 일반적인 성장에 부정적인 영향을 주지 않았고, 또한 간, 신장, 비장 등의 6개 장기의 무게를 측정한 결과 GM쌀은 모종쌀 식이 섭취군과 비교시 유의적인 차이가 없었으며(15,27), 혈청생화학치에서도 모종쌀과 GM쌀 두 실험군간에는 유의적인 차이가 없었다(16,29,30). 이상의 결과에서 실험에 사용된 GM쌀은 실험동물에서 안전성의 측면에서 어떠한 부정적 영향도 미치지 않는 것으로 사료되나 이에 대한 생물개체의 안전성 연구는 보다 장기적인 관점에서 실시되어야 할 것으로 판단된다.
- 미네랄 중 철(Fe) 농도는 모종쌀과 대조군 보다 GM쌀이 통계적으로 낮았고, 마그네슘(Mg) 농도는 대조군 보다 모종쌀과 GM쌀 두 실험군이 각각 2.41, 2.54 mg/dL로 통계적으로 낮았으며(p<0.05), 두 실험식이군 간에는 유의적인 차이가 없었다.
- 식이효율(Feed efficiency ratio, FER)은 실험군간 차이가 없었다. 배변량은 각각 6.71, 7.27, 17.48 g으로 대조군이 두 실험군에 비해 통계적으로 유의하게 많았고, 두 실험군중에서는 GM쌀이 모종쌀 보다 8% 정도 더 많았다. 한편, 실험기간중 흰쥐의 체중, 증체량, 식이섭취량 및 식이효율변화는 Fig.
- 유전자 이입에 따른 GM쌀과 모종쌀 섭취 마우스의 housekeeping gene 발현패턴을 살펴본 결과에서 18S rRNA, 25S rRNA, eukaryotic elongation factor-1α, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, ubiquitin-5, ubiquitin-10, β-tublin, eukaryotic inifiation factor-4a, actin 11 등에서 큰 차이를 보이지 않았다고 보고되었다(27). 본 실험결과 GM쌀은 모종과 비교시 실험동물로 사용된 흰쥐의 식이섭취량, 체중증가량 및 대변 배설 등의 임상증상 및 장기의 무게에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러므로 본 실험에 사용된 GM쌀은 실험동물에서 장기적 측면에서 어떠한 부정적 영향도 미치지 않는 것으로 사료되나 이에 대한 연구는 보다 장기적인 관점에서 실시되어야 할 것으로 사료된다.
- 또한 유전자 변형된 β-carotene 강화쌀은 모종과 비교시 혈액내 immunoglobulin (IgM, IgE, IgG1, IgG2a)와 cytokine(TNF-α, IL-5, IL-12) 수치에 유의적인 차이가 없어 유전자 변형된 β-carotene 강화쌀 식이로 인한 생체내 면역력저하 경향은 관찰되지 않았다고 보고되었다(16). 본 실험결과 GM쌀은 모종쌀과 비교시 실험동물로 사용된 흰쥐의 혈청 생화학적 지표에 큰 영향을 미치지 않았으며, 영양기능 측면에서 혈중 지질농도를 낮추며, 공복혈당치를 유의하게 감소시켰다.
- 본 실험결과 영양기능 측면에서 유전자 변형된 β-carotene 강화쌀은 모종 쌀에 비해 실험동물로 사용된 흰쥐의 간과 분변의 지질농도를 낮추는 것으로 사료된다.
- 05), 두 실험군간에는 유의적인 차이는 없었다. 분변으로 배설되는 지질함량은 두 실험군 보다 대조군이 유의하게 많았고, 두 실험군에서는 모종쌀이 GM쌀보다 유의한 차이가 없이 각각 28, 45% 더 많은 것으로 나타났다. 본 실험결과 영양기능 측면에서 유전자 변형된 β-carotene 강화쌀은 모종 쌀에 비해 실험동물로 사용된 흰쥐의 간과 분변의 지질농도를 낮추는 것으로 사료된다.
- 분변중 중성지방(TG) 함량은 모종쌀과 GM쌀 두 실험군이 각각 9.88, 6.82 mg/g으로 대조군(19.73 mg/g) 보다 통계적으로 유의하게 낮았으며(p<0.05), 두 실험군간에는 유의적인 차이는 없었다.
- 05). 분변중 총콜레스테롤(TC) 함량은 대조군(10.12 mg/g)에 비해 모종쌀(6.65 mg/g)과 GM쌀(5.21 mg/g) 실험군에서 통계적으로 유의하게 낮았고, 모종쌀에 비해 GM쌀 식이군이 더 낮았다. 분변중 중성지방(TG) 함량은 모종쌀과 GM쌀 두 실험군이 각각 9.
- 탄수화물은 두 실험군이 대조군 보다 높았으며, 두 실험식이군간의 차이는 없었다. 식이섬유는 모종쌀과 GM쌀 보다 대조군이 훨씬 높았고, 모종쌀 보다 GM쌀이 적었다. 에너지는 363-367 kcal/100 g로 실험식이군간 차이가 없었다.
- 모종쌀과 GM쌀 첨가식이를 4주 동안 급여한 Wistar 흰쥐의 증체량, 식이섭취량, 식이효율 및 배변량은 Table 2와 같다. 실험 개시체중은 평균 155 g이었고, 종료시 체중은 두 실험군 보다 대조군이 높았으며, 모종쌀과 GM쌀간에는 유의적인 차이는 없었다. 실험기간동안 평균 일당 증체량은 각각 7.
- 실험 개시체중은 평균 155 g이었고, 종료시 체중은 두 실험군 보다 대조군이 높았으며, 모종쌀과 GM쌀간에는 유의적인 차이는 없었다. 실험기간동안 평균 일당 증체량은 각각 7.26, 7.47, 7.95 g으로 대조군이 두 실험군에 비해 다소 높은 것으로 나타났으며, 모종쌀과 GM쌀 실험군간에는 유의적인 차이는 없었다. 식이섭취량은 두 실험군 보다 대조군이 29.
- 혈청생화학치와 혈구세포의 변화를 살펴보면 전반적으로 두 실험군(모종쌀, GM쌀) 간의 차이가 없었으나, 혈청지질 농도는 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 낮았고, 공복혈당은 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 통계적 으로 유의하게 낮았다. 위의 결과들을 종합하면 GM쌀은 모종쌀에 비해 생체이용 측면에서 성장률과 장기무게 및 체지방 등에서 차이가 없었고, 영양기능 측면에서는 배변량을 증가시키고, 간과 분변 및 혈중 지질농도를 낮추며, 공복혈당치를 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다.
- 05), 모종쌀에 비해 GM쌀 식이군이 더 낮았다. 중성지방(TG) 농도는 유의적인 차이가 없었지만 두 실험군이 대조군 보다 평균 18% 낮았으며, 모종쌀에 비해 GM쌀 식이군이 더 낮았다. 한편, 혈구세포를 보면 적혈구수(RBC)는 두 실험군이 대조군 보다 유의하게 낮았으나(p<0.
- 총콜레스테롤(TC) 농도는 대조군(101.82 mg/dL) 보다 두 실험식이군(76.27, 70.55 mg/dL)이 통계적으로 유의하게 낮았으며(p<0.05), 모종쌀보다 GM쌀 식이군이 낮았다.
- 한편, 혈구세포를 보면 적혈구수(RBC)는 두 실험군이 대조군 보다 유의하게 낮았으나(p<0.05), 모종쌀과 GM쌀 두 실험군 간에는 유의적인 차이가 없었다.
- 헤마토크릿치(Hct)와 혈색소(Hb) 함량은 두 실험식이군이 대조군 보다 통계적으로 유의하게 낮았으나(p<0.05), 모종쌀과 GM쌀 두 실험군간에는 유의적인 차이가 없었다.
- 혈소판수(Platelet)는 대조군에 비해 두 실험식이군에서 유의하게 낮았으며(p<0.05), 모종쌀에 비해 GM쌀 식이군이 더 높았다(Table 6).
- 간지질중 총콜레스테롤(TC) 함량은 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 유의하게 낮았고, 분변지질(TC, TG) 농도 역시 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군에 비해 낮았다. 혈청생화학치와 혈구세포의 변화를 살펴보면 전반적으로 두 실험군(모종쌀, GM쌀) 간의 차이가 없었으나, 혈청지질 농도는 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 낮았고, 공복혈당은 GM쌀 식이군이 모종쌀 식이군 보다 통계적 으로 유의하게 낮았다. 위의 결과들을 종합하면 GM쌀은 모종쌀에 비해 생체이용 측면에서 성장률과 장기무게 및 체지방 등에서 차이가 없었고, 영양기능 측면에서는 배변량을 증가시키고, 간과 분변 및 혈중 지질농도를 낮추며, 공복혈당치를 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 실험결과 GM쌀은 모종과 비교시 실험동물로 사용된 흰쥐의 식이섭취량, 체중증가량 및 대변 배설 등의 임상증상 및 장기의 무게에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러므로 본 실험에 사용된 GM쌀은 실험동물에서 장기적 측면에서 어떠한 부정적 영향도 미치지 않는 것으로 사료되나 이에 대한 연구는 보다 장기적인 관점에서 실시되어야 할 것으로 사료된다.
- 모종쌀과 GM쌀 첨가식이를 4주 동안 급여한 흰쥐를 살펴보았을 때 GM쌀의 급여는 모종쌀과 비교시 흰쥐에게 식이섭취량이나 체중 증가와 같은 일반적인 성장에 부정적인 영향을 주지 않았고, 또한 간, 신장, 비장 등의 6개 장기의 무게를 측정한 결과 GM쌀은 모종쌀 식이 섭취군과 비교시 유의적인 차이가 없었으며(15,27), 혈청생화학치에서도 모종쌀과 GM쌀 두 실험군간에는 유의적인 차이가 없었다(16,29,30). 이상의 결과에서 실험에 사용된 GM쌀은 실험동물에서 안전성의 측면에서 어떠한 부정적 영향도 미치지 않는 것으로 사료되나 이에 대한 생물개체의 안전성 연구는 보다 장기적인 관점에서 실시되어야 할 것으로 판단된다. 반면, GM쌀은 모종쌀에 비해 배변량을 증가시키고, 간과 분변 및 혈중 지질농도를 낮추며, 공복혈당치를 유의하게 감소시키는 것으로 나타나 영양기능성을 지닌 것으로 사료된다(28).
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