Metabolic engineering of medicinal plants: Transgenic Atropa belladonna with an improved alkaloid composition

  재조합 DNA를 활용해서 세포 내 대사과정에 개입하는 연구는 기초 과학연구, 농업, 제약 분야 등에서 광범위하게 활용되고 있다. 이런 재조합 DNA로 타겟 유용물질을 생성하게 하는 과정에서 생물체 내의 2차대사는 해당 생물체의 기본적인 기능에 영향을 미치지 않으면서 유용물질의 생산을 유도할 수 있다는 점에서 매우 매력적인 연구분야이다. 실제로 다양한 유용물질의 생산이 2차대사 과정을 통해 이루어지고 있다.

 

  Tropane alkaloids는 자연적으로 존재하면서 대개 염기로 질소원자를 가지는 화합물 중 tropane 계열의 물질을 일컫는다. Hyoscyamine, scopolamine 등이 대표적인 tropane alkaloids에 속하며 이 물질들은 중추신경계에 작용해 제약 분야에서 활용되고 있다. 두 물질의 약물 반응은 비슷하지만, scopolamine의 화학적 안정성으로 10배 정도의 가격차이를 보이고 있다. 따라서 scopolamine 생성을 유도하는 연구가 지속적으로 진행되어왔으나 제대로 이루어지지 않았다.

  위와 같은 대사 과정을 통해 hyoscyamine에서 scopolamine이 합성되는데, 초기에는 6b-hydroxyhyoscyamine에서 scopolamine 합성과정이 제대로 알려져 있지 않았으나, 실험적으로 해당 대사과정이 이전 단계에서 사용된 효소와 같은 효소에 의해 변환된다는 것이 밝혀졌다. 또한 동시에 해당 효소가 두 가지 대사과정에 모두 관여하는 bi-functional enzyme이라는 것을 확인하였다.  

 

  아래와 같은 실험을 통해 H6H 효소가 hyoscyamine의 1차대사, 2차대사 모두에 관여하는 bifunctionality를 가짐을 확인하였다. Wild-type tobacco, H6H 효소 유전자를 가지도록 유전자 조작을 거친 transgenic tobaco에 hyoscyamine, 6b-hydorxyhyoscyamine을 넣어주었을 때 leaf와 root 각각에서 hyocyamine과 그의 대사산물인 6b-hydorxyhyoscyamine, scopolamine contents를 확인하였다. Transgenic tobacco에서 hyoscyamine만 넣어주어도 2차 대사산물까지 생성되는 것을 확인할 수 있었다.

  위 플랏에서 scopolamine의 생성이 leaf 조직 특이적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었는데, 본 논문에서는 이 경우에 대해 두 가지의 추가적인 가능성을 제시한다.

 

  (i) 첫 번째는 Hyoscyamine은 CaMV35S promoter가 제대로 기능하지 않는 세포에서 발현될 것이라는 가설이다. Transgenic tobacco에서 hyoscyamine만 처리해 주어도 6b-hydroxyhyoscyamine이 생성되는 것으로 보아 H6H 효소는 발현되는 것을 알 수 있는데, downstream gene의 발현이 부족해서 최종 산물 합성에 어려움이 있을 수 있다.

 

  (ii) 두 번째 가설은 hyoscyamine에서 scopolamine으로의 효율적인 전환은 alkaloid 물질의 전위 및 저장 과정에서 발생할 수 있다는 것이다. 전통적인 접목 실험에서 tropane alkaloid가 뿌리 조직에서 주로 합성되어 식물부로 이동하는 것은 잘 알려져 있다. Alkaloid의 이동에 따라 식물체 조직 별로 대사 물질의 농도가 위치별로 달라지게 되고 위 실험에서의 서로 다른 조직간의 대사산물 생성량의 차이를 보이는 것이다.

 

  이런 식물 조직내의 이동에 따른 대사산물의 이동, 유전자 발현 유도하는 promoter set 의 준비 등을 통해 유전자 재조합 생물체로부터 유용물질의 생산량을 높일 수 있고 이는 다양한 산업에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

 

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9192695/

Stress proteins on the yeast cell surface determine resistance to osmotin, a plant antifungal protein - PubMed