식물지방은 주로 종자에서 생산되는데 인류에게 필수 지방산을 공급하는 식품 뿐 아니라 바이오디젤 등 산업원료로 그 이용가치가 크다. 식물지방의 수요 증가에 따른 식물지방의 생산증대가 필요하다. 식물지방을 종자 이외의 바이오매스가 큰 식물의 잎에서 생산한다면 식물지방 생산 증진이 가능할 것이다. 잎은 지방을 생산하는 기관이 아니며 주로 광합성을 통해 탄소를 고정하여 다른 기관으로 탄소를 공급하는 기능을 하고 있어 지방을 생산 축적하는 기관으로 전환하는 데는 많은 고려가 필요하다. 그럼에도 불구하고 최근 지방합성 조절인자인 WRI 유전자, 지방을 생성하는 acyltransferase인 DGAT 유전자의 발현에 의해 잎에서 지방을 합성할 수 있었다. 또한 지방의 분해를 안정화하는 올레오신 단백질의 추가 도입으로 잎에서 건조중량당 15%의 중성지방 생산을 보여 잎에서 지방생산 가능성을 보여주었다(Vanhercke et al. 2014). 앞으로 바이오매스에서 지방을 생산하는 연구가 활발할 것으로 예측되며 이 기술을 식용작물이 아닌 비식용이며 바이오매스가 큰 거대억새 등에 도입하여 농지로 적합하지 않은 열악한 토지 및 간척지 등에 재배하여 실용화한다면 미래 지속 생산 가능 친환경 바이오 원료 생산 자원으로 사용 가능하리라 사료된다.
식물지방은 주로 종자에서 생산되는데 인류에게 필수 지방산을 공급하는 식품 뿐 아니라 바이오디젤 등 산업원료로 그 이용가치가 크다. 식물지방의 수요 증가에 따른 식물지방의 생산증대가 필요하다. 식물지방을 종자 이외의 바이오매스가 큰 식물의 잎에서 생산한다면 식물지방 생산 증진이 가능할 것이다. 잎은 지방을 생산하는 기관이 아니며 주로 광합성을 통해 탄소를 고정하여 다른 기관으로 탄소를 공급하는 기능을 하고 있어 지방을 생산 축적하는 기관으로 전환하는 데는 많은 고려가 필요하다. 그럼에도 불구하고 최근 지방합성 조절인자인 WRI 유전자, 지방을 생성하는 acyltransferase인 DGAT 유전자의 발현에 의해 잎에서 지방을 합성할 수 있었다. 또한 지방의 분해를 안정화하는 올레오신 단백질의 추가 도입으로 잎에서 건조중량당 15%의 중성지방 생산을 보여 잎에서 지방생산 가능성을 보여주었다(Vanhercke et al. 2014). 앞으로 바이오매스에서 지방을 생산하는 연구가 활발할 것으로 예측되며 이 기술을 식용작물이 아닌 비식용이며 바이오매스가 큰 거대억새 등에 도입하여 농지로 적합하지 않은 열악한 토지 및 간척지 등에 재배하여 실용화한다면 미래 지속 생산 가능 친환경 바이오 원료 생산 자원으로 사용 가능하리라 사료된다.
Vegetable oils (triacylglycerols) produced mainly in seeds of plants are used for valuable foods that supply essential fatty acids for humans as well as industrial raw materials and biofuel production. As the demanding for vegetable oils has increased, plant metabolic engineering to produce triacylg...
Vegetable oils (triacylglycerols) produced mainly in seeds of plants are used for valuable foods that supply essential fatty acids for humans as well as industrial raw materials and biofuel production. As the demanding for vegetable oils has increased, plant metabolic engineering to produce triacylglycerols in biomass such as leaves has been considered and explored for alternative source of vegetable oils. Leaves are genetically programmed to supply the fixed carbon by photosynthesis to other organs for plant development and growth. Therefore, in order to produce and accumulate triacylglycerols in leaves, one should take account of multiple metabolic pathways such as carbon flux, competition of carbohydrate and fatty acid biosynthesis, and triacylglycerols turnover in leaves. The recent metabolic engineering strategy has showed potential in which the co-expression of three genes WRINKLED1, DGAT1, and OLEOSIN involved in the critical step for increasing the fatty acid synthesis, accumulating triacylglycerols, and protecting triacylglycerols, respectively produced higher amount of vegetable oils in leaves. Developing of genetically engineered plants producing vegetable oil in biomass at non-agricultural lands will be promising to the future success of the field.
Vegetable oils (triacylglycerols) produced mainly in seeds of plants are used for valuable foods that supply essential fatty acids for humans as well as industrial raw materials and biofuel production. As the demanding for vegetable oils has increased, plant metabolic engineering to produce triacylglycerols in biomass such as leaves has been considered and explored for alternative source of vegetable oils. Leaves are genetically programmed to supply the fixed carbon by photosynthesis to other organs for plant development and growth. Therefore, in order to produce and accumulate triacylglycerols in leaves, one should take account of multiple metabolic pathways such as carbon flux, competition of carbohydrate and fatty acid biosynthesis, and triacylglycerols turnover in leaves. The recent metabolic engineering strategy has showed potential in which the co-expression of three genes WRINKLED1, DGAT1, and OLEOSIN involved in the critical step for increasing the fatty acid synthesis, accumulating triacylglycerols, and protecting triacylglycerols, respectively produced higher amount of vegetable oils in leaves. Developing of genetically engineered plants producing vegetable oil in biomass at non-agricultural lands will be promising to the future success of the field.
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문제 정의
본 총설에서는 잎의 탄수화물과 지방 합성간의 경쟁적인 탄소 대사와 지방의 합성과 지방 분해에 의한 탄소 재활용 기작의 고찰을 통해 잎에서 지방 생산과 증대에 고려할 사항을 제시하고자 한다. 또한 최근 오믹스 기술을 이용하여 탄수화물을 지방으로 전환시키는 인자를 발견하고자 하는 시도와 잎에서 지방을 생산하고자 하는 대사공학 연구 현황을 기술하였다.
본 총설에서는 잎의 탄수화물과 지방 합성간의 경쟁적인 탄소 대사와 지방의 합성과 지방 분해에 의한 탄소 재활용 기작의 고찰을 통해 잎에서 지방 생산과 증대에 고려할 사항을 제시하고자 한다. 또한 최근 오믹스 기술을 이용하여 탄수화물을 지방으로 전환시키는 인자를 발견하고자 하는 시도와 잎에서 지방을 생산하고자 하는 대사공학 연구 현황을 기술하였다.
제안 방법
일반적인 식물 잎의 엽육세포에서의 탄수화물과 중성 지방 합성과 그 흐름을 모식화하였다(Fig. 1). 세포 내 여러 소기관이 지방의 합성과 분해에 관여한다.
또한 잎에서 지방체의 형성을 유도하여 지방의 저장 능력을 향상시켜 중성지방의 합성을 증가시키는 시도가 필요하다. 최근 잎의 지방합성 능력을 상위와 하위 대사에서 동시에 증가시키고 생성된 지방의 분해를 억제하는 전략을 시도하였다(Fig. 4). 이 전략에는 상위 합성 증진 유전자로는 전사인자인 WRI1, 지방을 최종합성하는 하위 유전자로는 acyltransferase인 DGAT1 유전자, 그리고 지방분해를 억제하고자 지방 안정화 단백질인 올레오신 유전자를 동시에 담배 잎에 발현시켜 잎의 건조 중량당 15%의 지방을 생산 하는 결과를 얻었다(Fig.
성능/효과
LEC2 발현과 동시에 β-oxidation 억제 결과는 생성된 잎의 중성지방량은 각각의 단일시도 결과의 중성지방량과 매우 유사하였고 더욱 증가되지 않아 잎에서 지방합성 대사로 배분되는 탄소량에는 한계가 있음을 보여 주었다.
첫째, 지방은 탄수화물보다 단위 질량당 에너지 효율이 높다. 둘째, 지방은 식물조직에서 탄수화물보다 작은 부피를 차지하기 때문에 많은 에너지 저장이 가능하다. 셋째는 지방은 추출·정제 과정이 탄수화물보다 간단하여 바이오 연료 및 산업원료로 사용이 용이하다.
잎의 주요 탄수화물을 지방으로 전환한다면 세가지 장점이 있다. 첫째, 지방은 탄수화물보다 단위 질량당 에너지 효율이 높다. 둘째, 지방은 식물조직에서 탄수화물보다 작은 부피를 차지하기 때문에 많은 에너지 저장이 가능하다.
후속연구
2012). 결론적으로 잎에서 중성지방의 안정적 생산증진을 위해서는 중성지방의 분해와 재활용 기작에 조절이 필요하다.
2002). 상기의 실험을 바탕으로 노화 특이적 프로모터를 활용하여 잎에서 엽록체에서 유실된 glycolytic enolase 발현시켜 중성지방을 잎에서 유도하는 전략을 사용할 가치가 있을 것으로 사료된다(Fig. 2).
식물지방의 수요 증가에 따른 식물지방의 생산증대가 필요하다. 식물지방을 종자 이외의 바이오매스가 큰 식물의 잎에서 생산한다면 식물지방 생산 증진이 가능할 것이다. 잎은 지방을 생산하는 기관이 아니며 주로 광합성을 통해 탄소를 고정하여 다른 기관으로 탄소를 공급하는 기능을 하고 있어 지방을 생산·축적하는 기관으로 전환하는 데는 많은 고려가 필요하다.
2014). 앞으로 바이오매스에서 지방을 생산하는 연구가 활발할 것으로 예측되며 이 기술을 식용작물이 아닌 비식용이며 바이오매스가 큰 거대억새 등에 도입하여 농지로 적합하지 않은 열악한 토지 및 간척지 등에 재배하여 실용화한다면 미래 지속 생산 가능 친환경 바이오 원료 생산 자원으로 사용 가능하리라 사료된다.
2012). 종자는 잎으로부터 자당을 공급받아 탄소를 저장하는 기관인 반면, 잎의 경우 종자와는 매우 다른 공급과 저장 체계를 갖추고 있으므로 이러한 관점에서 대사공학 연구가 이루어진다면 잎에서 지방의 합성 및 축적을 향상 시킬 수 있을 것이다.
2013). 중성지방 생산을 증진시키려면 지방을 분해시키지 않고 안정화시키는 연구가 필요하다. 그 예로서 올레오신 또는 지방안정화 단백질로 지방체의 표면을 둘러싸서 지방 분해효소의 접근으로부터 안정화시켜야 한다(Wahlroos et al.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식물 종자의 지방이 활용되는 곳은?
식물 종자의 지방은 인류에게 불포화 지방산을 공급하는 필수 식품(Huffman et al. 2011)인 동시에 자동차 연료인 바이오 디젤과 세제, 윤활유, 제약원료 등 다양한 생필품의 원료이다(Cahoon et al. 2007).
잎은 어떤 조직인가?
잎은 엽록체에서 광합성을 통해 대기중의 이산화탄소를 고정하여 저장조직(sink)인 종자 등에 탄소를 공급(source)하는 조직이다. 낮에 광합성에 의해 고정된 탄소는 대부분 자당(sucrose) 형태로 다른 조직으로 이동하거나 전분(starch) 형태로 잎의 엽록체 안에 저장되며 밤 동안 전분은 자당으로 분해되어 식물생장에 필요한 에너지로 사용된다(Weise et al.
잎의 주요 탄수화물을 지방으로 전환할 때의 장점은?
잎의 주요 탄수화물을 지방으로 전환한다면 세가지 장점이 있다. 첫째, 지방은 탄수화물보다 단위 질량당 에너지 효율이 높다. 둘째, 지방은 식물조직에서 탄수화물보다 작은 부피를 차지하기 때문에 많은 에너지 저장이 가능하다. 셋째는 지방은 추출·정제 과정이 탄수화물보다 간단하여 바이오 연료 및 산업원료로 사용이 용이하다.
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