KAIST(한국과학기술원)는 생명과학과 김상규 교수 연구팀이 경상국립대학교 박순주 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 까마중의 유전자를 조절, 코르티코스테로이드(소염·면역 조절 치료제)와 성호르몬(피임약·호르몬 치료제) 등의 필수 원료인 ‘디오스게닌(Diosgenin)’을 고효율로 생산하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.
디오스게닌은 현대 약학에서 핵심적인 출발 물질이다. 소염제와 가려움증 치료제 등 일상에서 널리 사용되는 스테로이드 호르몬제의 합성 원료로 활용된다. 현재는 주로 ‘마(Dioscorea)’의 뿌리에서 추출하지만, 마는 수확까지 수년이 소요되고 유전자 조작이 어려워 생산량 확대에 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 한 세대가 약 3개월로 짧고 유전자 조절이 용이한 ‘까마중(Solanum nigrum)’에 주목했다. 까마중은 원래 독성 스테로이드 성분인 ‘솔라소딘(Solasodine)’을 생성하는데, 연구진은 이 물질이 디오스게닌과 구조적으로 매우 유사하다는 점에 착안했다.
연구팀은 유전자 가위(CRISPR-Cas9) 기술을 활용해 까마중의 특정 유전자인 ‘게임4(SnGAME4)’를 교정했다. 이를 통해 독성 성분으로 이어지는 대사 경로를 차단하고, 대신 디오스게닌이 생성되도록 대사 흐름을 전환했다. 또 잎 조직에서 반응을 조절하는 ‘게임25(SnGAME25)’ 까마중 유전자를 추가로 억제해 열매와 잎 모두에서 디오스게닌 축적량을 극대화했다. 특히 까마중의 녹색 열매에서 기존 산업용 원료 식물인 마와 유사한 수준의 디오스게닌을 확보하는 데 성공했다.
여기에 더해 경상국립대 연구팀이 개발한 ‘열매 수확량 증대 기술(S 유전자 변이)’을 적용해 식물 한 개체당 열매 생산량을 대폭 향상시켰다. S 유전자 변이는 S유전자(compound inflorescence)는 식물의 꽃대 형성을 조절하는 유전자로, 발현양 조절을 통해 한 개체당 열매 생산량을 늘릴 수 있다.
KAIST 김상규 교수는 “이번 연구는 잡초가 지닌 고유한 대사 경로를 정교하게 재설계해 고부가가치 약용 성분을 생산할 수 있음을 보여준 사례”라며 “향후 스테로이드 의약품 원료를 보다 안정적이고 환경친화적인 방식으로 확보하는 데 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 임종부 박사와 경상국립대 김근화 박사, 허정 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 식물과학 분야 국제학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal) 1월 16일 자 온라인판에 게재됐다.
jiany@fnnews.com 연지안 기자
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