식물의 이차생장의 결과로 생산되는 바이오매스의 대부분은 식물의 이차세포벽에 축적된다. 식물의 이차세포벽은 크게 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌이라는 3가지 물질로 구성되며 이들 중 페놀성 복합 화학 물질인 리그닌은 셀룰로스나 헤미셀룰로스와 달리 알코올 발효과정의 저해 물질로이다. 따라서, 식물의 이차세포벽 생합성의 과정을 조절함으로 전체 바이오매스의 생산량과 조성을 바이오 에너지 생산을 위해 최적 조건으로 조절함으로써 바이오 에탄올 생산을 최대화할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 애기장대 유래 MYB7 유전자를 CaMV35S 프로모터 조절 하에서 과별현되게 한 식물체와 식물의 전사조절에서 하위 특정 유전자의 발현을 저해시키는 것으로 잘 알려진 SRDX 융합 단백질 즉, MYB7-SRDX 과발현체를 제작하여 그 특성을 조사하였다. 그 결과 MYB7 전사조절 인자가 리그닌의 생합성을 억제 조절한다는 결과를 관찰하였다. 이는 MYB7 전사조절인자를 이용하면 바이오 에탄올 발효과정에 저해 물질로 작용하는 리그닌을 경감시킬 수 있는 기초 자료로 사용할 수 있을 것이다.
식물의 이차생장의 결과로 생산되는 바이오매스의 대부분은 식물의 이차세포벽에 축적된다. 식물의 이차세포벽은 크게 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌이라는 3가지 물질로 구성되며 이들 중 페놀성 복합 화학 물질인 리그닌은 셀룰로스나 헤미셀룰로스와 달리 알코올 발효과정의 저해 물질로이다. 따라서, 식물의 이차세포벽 생합성의 과정을 조절함으로 전체 바이오매스의 생산량과 조성을 바이오 에너지 생산을 위해 최적 조건으로 조절함으로써 바이오 에탄올 생산을 최대화할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 애기장대 유래 MYB7 유전자를 CaMV35S 프로모터 조절 하에서 과별현되게 한 식물체와 식물의 전사조절에서 하위 특정 유전자의 발현을 저해시키는 것으로 잘 알려진 SRDX 융합 단백질 즉, MYB7-SRDX 과발현체를 제작하여 그 특성을 조사하였다. 그 결과 MYB7 전사조절 인자가 리그닌의 생합성을 억제 조절한다는 결과를 관찰하였다. 이는 MYB7 전사조절인자를 이용하면 바이오 에탄올 발효과정에 저해 물질로 작용하는 리그닌을 경감시킬 수 있는 기초 자료로 사용할 수 있을 것이다.
Abstract Secondary cell wall is the most abundant biomass produced by plants. Plant secondary cell wall is composed of a complex mixture of cellulose, hemicellulose, and lignin. Lignin, a phenolic polymer that hinders the degradation of cell wall polysaccharides to simple sugars destined for ferment...
Abstract Secondary cell wall is the most abundant biomass produced by plants. Plant secondary cell wall is composed of a complex mixture of cellulose, hemicellulose, and lignin. Lignin, a phenolic polymer that hinders the degradation of cell wall polysaccharides to simple sugars destined for fermentation to bio-ethanol. Cell wall biosynthesis pathway-specific biomass engineering offers an attractive 'genetic pretreatment' strategy to improve bioenergy feedstock. Recently, we found a transcription factor, MYB7, which is a transcriptional switch that may turns off the genes necessary for lignin biosynthesis. To gain insights into MYB7 mediated transcriptional regulation, we first established a dominant suppression system in Arabidopsis by expressing MYB7-SRDX. Then we used a transient transcriptional activation assay to confirm that MYB7 suppress the transcription of the lignin biosynthetic gene. Taken together, we conclude that MYB7 function as a repressor of the genes involved in the lignin biosynthesis.
Abstract Secondary cell wall is the most abundant biomass produced by plants. Plant secondary cell wall is composed of a complex mixture of cellulose, hemicellulose, and lignin. Lignin, a phenolic polymer that hinders the degradation of cell wall polysaccharides to simple sugars destined for fermentation to bio-ethanol. Cell wall biosynthesis pathway-specific biomass engineering offers an attractive 'genetic pretreatment' strategy to improve bioenergy feedstock. Recently, we found a transcription factor, MYB7, which is a transcriptional switch that may turns off the genes necessary for lignin biosynthesis. To gain insights into MYB7 mediated transcriptional regulation, we first established a dominant suppression system in Arabidopsis by expressing MYB7-SRDX. Then we used a transient transcriptional activation assay to confirm that MYB7 suppress the transcription of the lignin biosynthetic gene. Taken together, we conclude that MYB7 function as a repressor of the genes involved in the lignin biosynthesis.
본 연구에서는 모델 식물인 애기장대의 MYB7 전사조절 인자에 대한 특성을 확인한 논문으로 MYB7 전사조절 단백질이 리그닌 생합성을 억제 조절한다는 것을 확인하였다. 이는 에너지 작물 개발 분야에서는 저 리그닌 또는 추출이 쉬운 리그닌을 가진 작물의 개발 및 효소들이 쉽게 접근이 가능한 셀룰로스나 헤미셀룰로스 함량을 증대시킨 작물 개발에 도움이 될 것으로 생각된다.
제안 방법
MYB7 전사조절 인자의 특성을 알아보기 위하여 MYB7 과발현 식물체 및 식물의 전사조절에서 하위 특정 유전자의 발현을 저해시키는 것으로 잘 알려진 SRDX를 포함한 MYB7-SRDX를 제작하였다. SRDX 식물체의 제작은 EAR motif (5'-CTG GATCTA GAA CTC CGT TTG TAA-3'을 정지코돈을 제거하고 삽입하여 제작하였다(Kagale과 Rozwadowski 2011).
MYB7 전사조절인자에 의한 식물체의 외형 변화가 리그닌의 축적에 의한 표현형인지를 확인하기 위하여 공초점 현미경을 이용하여 MYB7 유전자 변이 식물체들에 대한 조사를 실시하였다. 공초점 현미경을 이용하여 식물의 잎에 특정파장영역에서 관찰할 경우 리그닌의 함량에 따라 자체형광(autofluorescence)을 발하는 정도가 달라지는 것으로 알려져 있다(Zhong 등, 2007).
잎에서의 표현형과 공초점 현미경을 통한 리그닌의 축적 및 감소를 확인하고 후 이러한 현상이 MYB7 전사조절인자 하위에 존재하는 리그닌 생합성 유전자에 영향을 미쳐서인지를 확인하기 위하여 애기장대 잎으로부터 추출한 protoplast를 이용하여 in vivo transient activity assay를 실시하였다. 4주 생육한 애기장대의 잎으로부터 protoplast를 추출하고 여기에 PEG를 이용하여 effector 벡터와 reporter 벡터를 동시에 형질전환 시켰다(Fig.
대상 데이터
애기장대 야생형(Col-0)을 실험에 사용하였고, MYB7 knockout 종자는 Arabidopsis Biological Resource Center (ABRC)로부터 분양 받아 사용하였다. 애기장대는 생장상(16시간 명처리/8시간 암처리)에서 온도는 23-21 oC 상대습도는 60 %로 유지하며 생육시켰다.
이론/모형
애기장대로부터 protoplast의 준비 및 reporter 및 effector 벡터의 protoplast 내부로의 삽입은 Kim 등(2013)의 방법에 따라 실시하였다. Effector 벡터의 구축을 위하여는 MYB7 및 MYB46의 cDNA를 CaMV 35S 프로모터 하류에 삽입시켰고, reporter 벡터는 4CL1 프로모터를 GUS 리포터 유전자 상류에 삽입하여 제작하였다.
성능/효과
4). 이는 기존에 리그닌 생합성을 활성화하는 것으로 알려진 MYB46 전사조절인자의 결과와 같은 것으로 MYB7 전사조절인자가 식물의 이차세포벽의 리그닌 생합성에도 관여하는 것을 증명하는 결과로서 이를 이용하면 바이오 에탄올 발효과정에 저해 물질로 작용하는 리그닌을 경감시킬 수 있는 기초 자료로 사용할 수 있을 것이다.
2). 이상의 결과로 미루어 전사조절인자인 MYB7은 식물의 잎에서 리그닌의 생합성을 억제한다는 것을 재확인할 수 있었다.
후속연구
이는 애기장대 내에 MYB7 전사조절인자의 역할을 대신해줄 수 있는 다른 전사인자(MYB4 및 MYB32)에 기인한 것으로 사료된다. 종합적으로 상기의 결과들로부터 애기장대의 MYB7 전사조절 인자는 식물의 구성성분 중 하나인 리그닌의 생합성을 억제 조절하는 것으로 판단되며 좀 더 구체적인 연구를 진행한다면 에너지 작물 개발 분야에서는 저 리그닌 또는 추출이 쉬운 리그닌을 가진 작물의 개발 및 효소들이 쉽게 접근이 가능한 작물 개발의 기초 자료로 사용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스의 에탄올 생산의 수율을 높이기 위한 방법 두가지는?
이러한 바이오매스를 전처리 없이 사용하면 에탄올 생산의 수율이 낮아지게 된다(Himmel 등, 2007). 이를 극복하기 위한 방법으로는 첫째, 다양한 화공학적인 바이오매스 전처리 기술들을 이용하여 셀룰로식 바이오매스를 전처리하므로 발효 가능한 글루코스의 함량을 증가시키는 방법으로 상당한 성과를 거두고 있다(Seo 등, 2008). 둘째, 바이오매스 원료의 재배조건이나 유전적인 형질을 변형하여 셀룰로식 바이오매스 중 리그닌 함량을 낮추거나 셀룰로스를 분해하여 발효 가능한 글루코스를 생산하는데 장애가 되는 요소들을 최소화 및 최적화하는 방법이다.
셀룰로식 바이오매스가 만들어지는 이유는?
셀룰로식 바이오매스는 식물체가 자연생태로부터 받는 환경적인 스트레스나 곤충, 동물 또는 병원균 등으로부터의 공격을 방어하기 위한 메커니즘으로 설계되고 만들어져서 발효 균주가 셀룰로식 바이오매스에 저장된 발효 가능한 글루코스에 접근하기 어렵게 되어있다. 이러한 바이오매스를 전처리 없이 사용하면 에탄올 생산의 수율이 낮아지게 된다(Himmel 등, 2007).
바이오 에탄올을 만들 때 셀룰로식 바이오매스를 원료로 이용할 때의 장점은?
그러나 현재의 생산기술 시스템으로는 브라질을 제외한 대부분의 국가에 있는 바이오 에탄올의 연료로서의 경쟁력은 국가보조를 의지하지 않고는 불가능한 현실이다. 바이오 에탄올 생산가의 약 20 % 정도가 원료 비용임을 고려하면, 옥수수나 다른 일반 작물과 같은 높은 가격의 원료를 사용하기보다는 획기적으로 저렴한 가격의 셀룰로식 바이오매스를 원료로 이용하면 전체 바이오 에탄올 생산가를 현저하게 낮출 수 있을 것이며 가솔린과의 가격경쟁에서도 경쟁력을 갖출 수 있게 될 것이다(Kang 등, 2014).
참고문헌 (13)
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