생명연, ‘Orange 신규 단백질’ 이용한 황금고구마 개발-카로티노이드 고축적과 환경스트레스 내성에 관여하는 단백질 기능 규명
작성자 : 관리자작성일 : 2021-02-05
생명연, ‘Orange 신규 단백질’이용한 황금고구마 개발
- 카로티노이드 고축적과 환경스트레스 내성에 관여하는 단백질 기능 규명
- 향후 기후변화∙고령화에 대응하는 고부가가치 산업식물 개발활용에 기대
□ 국내 연구진이 선행 연구를 통해 개발한 카로티노이드 축적을 유도하는 고구마 Orange(Or) 단백질보다, 그 기능이 월등히 향상된 신규 단백질(IbOr-R96H)을 개발하고 원리를 규명하였다. 향후 기후변화와 고령화에 대응하는 카로티노이드 고축적 산업식물에 활용이 기대된다.
□ 한국생명공학연구원(이하 생명硏, 원장 김장성) 식물시스템공학연구센터 김호수․곽상수 박사 연구팀(교신저자: 김호수/곽상수 박사, 제1저자: 김소은 UST 박사과정)과 경상대 약학대학 안미정 교수팀(공동저자)이 공동으로 수행한 이번 연구는 생명硏 주요사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업으로 수행되었고, 저명 학술지 Antioxidants (IF 5.014) 1월 5일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명: Overexpression of the Golden SNP-Carrying Orange Gene Enhances Carotenoid Accumulation and Heat Stress Tolerance in Sweetpotato Plants)
□ 이번 연구 성과는 생명硏 김호수․곽상수 박사팀이 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스 내성에 관여하는 Orange 신규 단백질(IbOr-R96H)이 기존의 단백질(IbOr)과 비교하여 카로티노이드 축적과 고온에 대한 내성 기능이 월등히 향상되는 것을 고구마 식물체에서 처음으로 밝힌 것이다.
□ 연구팀은 선행연구에서 고구마 Orange 단백질(IbOr)이 스트레스 조건에서 단백질의 변성을 막아주는 활성이 강하며 스트레스 조건에서 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖는 것을 확인하여 논문을 발표 한 바 있다 (Scientific Reports 2016, Frontiers in Plant Science 2017). 연구팀은 고구마 IbOr 유전자를 고구마, 감자, 알팔파(콩과 사료작물)에 도입하여 카로티노이드를 많이 생산하고 건조, 고염분 등 스트레스에도 강함을 확인하였다.
□ 또한 연구팀은 실험을 통해 IbOr-R96H 신규 단백질을 과발현한 고구마 배양세포에서, 카로티노이드 고축적이 유도되고 스트레스에 내성을 갖는 것이 확인되었다 (Plant Cell Reports 2019).
□ 이번 연구에서 고구마 괴근에서 Orange 단백질(IbOr)은 전체 카로티노이드 함량을 3배 증가를 유도한 반면 신규 개발 단백질(IbOr-R96H)은 19배 이상의 카로티노이드 고축적을 유도함을 알 수 있었다. 특히 베타카로틴 함량은 IbOr-R96H 신규 단백질이 186배 이상이 고축적 됨을 확인하였다. 이러한 카로티노이드 고축적은 하얀색 고구마 괴근 색깔을 주황색 고구마 괴근으로 변화시키는 결과를 얻을 수 있었다.
※ 이번 연구는 중국 내몽고 사막화지역에 잘 자라는 흰색계 품종(Xushu 29)에 IbOr-R96H 신규 단백질을 도입한 것으로 향후 고위도 척박한 토양에 고구마 재배에 도움이 될 것으로 기대된다.
□ 생명연 김호수 박사는 “이번에 특성이 규명된 IbOr-R96H 단백질은 모든 식물에 적용 가능하며 카로티노이드계 항산화물질(베타카로틴 등)을 고생산하고 고온, 건조 등 각종 스트레스에 강한 산업식물을 개발하는데 활용할 수 있다” 며, “이번 성과를 통해 식량문제, 보건문제 해결뿐만 아니라 향후 국내외 조건 불리지역(사막화지역, 오염지역 등)에 대량으로 식재하면 바이오매스 증대를 통한 탄소배출권 확보도 기대된다. 또한 고부가가치 고구마 신품종 개발로 활용될 수 있어 국가 식량과 영양안보 뿐만 아니라 농가소득 증진에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.” 고 밝혔다.
※ 고구마(Ipomoea batatas)는 세계 7대 식량작물로 최근 최고의 건강식품과 척박한 토양의 최고의 탄수화물을 생산할 수 있는 바이오에너지 산업식물로 재평가되었다. 고구마가 최고의 건강식품으로 척박한 토양에 잘 자라는 이유는 비타민C, 베타카로틴(카로티노이드의 대표적인 황색 항산화물질) 등의 항산화물질이 풍부하기 때문이다. 고구마는 단순한 구황작물이 아니라 최고의 건강식품으로 최근 확인되어 기후위기시대 구원투수 작물로 부상되고 있다.
- 2007년 미국공익과학단체(CSPI)는 항산화물질, 식이섬유, 칼륨이 풍부한 고구마를 몸에 좋은 10대 건강식품의 하나로 선정하였음. 고구마의 높은 항산화활성은 질병(암 포함)과 노화를 방지하고, 높은 식이섬유는 변비예방과 당뇨 및 비만환자에게 좋은 탄수화물로 권장되고 있고, 고 칼륨은 체내염분을 배출시켜 혈압상승을 예방할 수 있음. 고구마는 현미와 함께 당화지수가 55로 낮음 식품군이고 쌀과 감자는 90으로 높은 식품임.
- 2008년 미농무성(USDA)은 고구마는 전분작물가운데 단위면적당 탄수화물을 가장 많이 생산하며(옥수수의 2.3배) 식량수급에 영향을 주지 않는 척박한 토양에 바이오에너지작물로 적합하다고 평가하고 논문을 발표함 (Biomass and Bioenergy 33: 1503-1508, 2009).
□ 붙임자료: 1. 연구결과개요
2. 연구결과 문답
3. 용어설명
4. 연구책임자 이력
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 카로티노이드는 모든 식물에 존재(주로 엽록체)하며 빛을 수용하는 광합성의 보조색소로서(주색소: 엽록소) 높은 빛 등에 의한 산화스트레스 피해로부터 엽록체를 보호하는 황색계열의 항산화물질이다. 카로티노이드계 항산화물질로는 황색고구마의 베타카로틴, 토마토의 라이코펜, 메밀의 루테인 등이 있다. 고구마에는 비타민C, 베타카로틴 등이 많이 함유되어 인간에게는 노화와 질병예방에 중요한 역할을 한다. 따라서 카로티노이드는 식물뿐만 아니라 인간의 생로병사에 중요한 역할을 한다.
○ 본 연구진은 생명공학기술을 이용하여 고구마에서 카로티노이드의 대사조절을 통하여 베타카로틴 등 카로티노이드 함량이 높은 고구마 품종을 개발하면 국내∙외 척박한 환경에도 비교적 잘 자랄 뿐만 아니라 인간과 가축에게도 좋은 기능성 식품과 사료로 이용될 수 있다고 판단되어 연구팀은 2010년부터 고구마 카로티노이드 대사공학 연구를 시작하였다.
○ 특히 고구마 카로티노이드 축적관련 IbOr 유전자를 황색고구마에서 처음으로 분리하고 IbOr 단백질의 기능을 규명하는 것은 식물의 환경스트레스 내성기작을 이해할 뿐만 아니라 카로티노이드 축적을 통한 기능성 산업식물 개발에 도움이 될 것이라 생각하고 본 연구를 시작하였다.
○ 연구팀은 선행연구에서 고구마 IbOr 단백질이 강한 holdalse chaperone활성을 가지며 카로티노이드 생합성 초기단계의 중요한 phytoene synthase (PSY)와 광합성 단백질복합체의 구성단백질인 PsbP와 결합하여 47℃ 고온 등 스트레스 조건에서 PSY 단백질과 PsbP단백질의 활성을 안정화시켜 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖는 것을 확인하여 논문을 발표 한 바 있다. 단백질의 샤페론 활성은 고온 등 스트레스 조건에서 단백질의 변성을 막아주는 역할을 한다 (Scientific Reports 2016, Frontiers in Plant Science 2017).
○ 연구팀은 선행연구에서 고구마 IbOr 유전자를 고구마, 감자, 알팔파(콩과 사료작물)에 도입하여 카로티노이드를 많이 생산하고 건조, 고염분 등 스트레스에도 강함을 확인하였다. 베트남 연구팀은 고구마 IbOr 유전자를 도입한 옥수수가 카로티노이드를 많이 생산하는 것을 발표하였다.
○ 또한 문헌조사를 통해 초록색 멜론(CmOr-G)과 달리 카로티노이드 함량이 증진된 주황색 멜론(CmOr-O)의 Or 단백질 서열을 비교한 결과 108번째 아미노산이 초록색 멜론은 아르기닌(R, 염기서열 CGC)으로 주황색 멜론은 히스티딘(H, 염기서열 CAC)으로 보존되어 있다고 보고하였다. 고구마 IbOr의 단백질 염기서열을 비교한 결과, 96번째 아미노산이 초록색 멜론의 108번째 아미노산과 같은 아르기닌으로 보존 되어있는 것을 확인하였다.
○ 따라서 IbOr 단백질의 96번째 아미노산인 아르기닌을 히스티딘으로 치환한 IbOr-R96H 신규 단백질을 제작하여 고구마에서 기능을 규명하고자 하였다. 연구팀은 현재 국내 벼 전문연구팀과 고구마 IbOr와 IbOr-R96H 신규 단백질을 이용하여 ‘황금벼’ 개발에 관한 연구를, 중국 연구팀과 ‘황금밀’ 개발을 추진 중에 있다.
□ 연구내용
○ 본 연구에서 IbOr 단백질의 96번째 아미노산인 아르기닌(R)을 히스티딘(H)으로 치환한 IbOr-R96H 신규 유전자를 과발현한 형질전환 고구마 식물체를 제작하여 카로티노이드 고축적과 환경스트레스 내성을 확인하였다.
- IbOr-R96H 변이체 특허: 한국등록(2020), PCT/중국출원(2020)
○ 연구팀은 실험을 통해 고구마 괴근에서 IbOr 단백질은 전체 카로티노이드 함량을 3배 증가를 유도한 반면 IbOr-R96H 신규 단백질은 19배 이상의 카로티노이드 고축적을 유도함을 알 수 있었다. 특히 베타카로틴 함량은 IbOr-R96H 신규 단백질은 186배 이상이 고축적 됨이 확인되었다.
○ 이러한 카로티노이드 고축적은 항산화 능력을 증가 시킬 뿐만 아니라 스트레스 내성관련 식물호르몬인 abscisic acid (ABA) 함량 증가를 유도해 고온스트레스에 IbOr-R96H 신규 단백질이 IbOr 단백질과 비교해 내성이 증가되어 있는 것이 확인되었다.
○ 즉, 본 연구의 성과는 IbOr 단백질만으로도 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 유도함을 알 수 있지만, 하나의 아미노산을 치환한 IbOr-R96H 단백질은 IbOr 단백질과 비교해 훨씬 기능이 향상되어 있는 것을 확인할 수 있어 향후 기후위기/고령화시대 식량안보와 영양안보 확립을 위한 산업작물 개발에 활용될 수 있는 유용유전자로서의 가능성을 제시하고 있다.
□ 연구성과의 의미
▶ IbOr-R96H 유전자를 이용한 카로티노이드 함량증대로 환경스트레스에 강하고 고기능성 산업용 작물개발이 기대됨
○ IbOr-R96H 유전자를 고발현시킨 광범위의 형질전환 작물(고구마, 알팔파 등)를 개발하여 국내외 척박한 토양(동북아시아, 중앙아시아 등 사막화지역 등)에 대량재배하면 기후위기, 고령화시대에 인류가 당면한 식량, 보건, 에너지, 환경문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
▶ 유전자편집기술을 활용한 고기능성 고구마 신품종 개발
○ 유전자가위를 접목한 base-editing 기술을 통해 카로티노이드 고함유 고구마를 개발할 수 있다. 이는 고부가가치 고구마 신품종 개발로 활용될 수 있어 농가의 소득 증진에도 기여할 수 있다.
▶ 작물을 대상으로 한 IbOr/IbOr-R96H 유전자의 기능규명
○ 다수의 연구팀이 모델식물을 대상으로 Or 유전자의 기능연구가 진행되고 있지만 작물을 대상으로 Or 유전자의 연구와 특히 환경스트레스에 대한 연구는 본 연구팀이 전 세계적으로 유일하다.
⋇ 카로티노이드는 광합성의 보조색소로서 모든 식물에서 생산하며 Orange 유전자도 모든 식물에 존재할 것이라 생각되나, 현재까지 유전자의 기능이 밝혀진 것은 10종에 불과하다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. IbOrR96H 신규 단백질이 이전 IbOr 유전자의 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스 내성에 관여하는 기능을 월등히 향상시킨 결과임.
2. 자색고구마를 활용한 이전 연구와는 달리 이번 연구는 중국 내몽고 사막화지역(고위도)에 적합한 품종으로 연구팀이 중국농업과학원 고구마연구소와 협력하여 선발한 흰색계 고구마 품종(Xushu 29)을 활용한 결과로서 조건 불리지역에 재배 시 고영양 산업식물 개발이 가능할 것으로 기대됨.
어디에 쓸 수 있나
1. IbOr-R96H 유전자는 모든 식물에 적용할 수 있어 글로벌 조건 불리지역에 적합한 산업식물 개발에 활용할 수 있음.
2. 특히 국내외 척박한 토양(동북아시아, 중앙아시아 등 사막화지역 등)에 대량재배 할 수 있는 산업식물 (고구마, 알팔파 등)을 개발하면 기후위기, 고령화시대에 인류가 당면한 식량, 보건, 에너지, 환경문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
실용화까지 필요한 시간은
약 5-10년
실용화를 위한 과제는
1. 일차적으로 글로벌 조건 불리지역에 적합한 대상식물에 고구마 IbOr/IbOr-R96H 유전자를 고발현시킨 GM작물을 해당국가 (중국, 카자흐스탄 등)와 협력하여 개발함
2. 개발되는 GM작물의 효능성을 평가하고 GM작물의 인체와 환경위해성 평가를 해야 함
3. IbOr-R96H 신규 단백질은 유전자가위를 접목한 base-editing 기술을 통해 카로티노이드 고함유 고구마를 개발할 수 있을 것이라 생각하여 연구를 진행중임.
연구를 시작한 계기는
1. 본 연구진은 1995년부터 21세기는 식량문제와 환경문제가 가장 심각할 것이라 생각하고 특히 중국 사막화지역 등 글로벌 조건 불리지역에 적합한 산업식물 개발을 위해 고구마 항산화생명공학연구를 시작하였음. 고구마는 21세기 인류가 당면한 식량문제, 에너지문제, 보건문제, 환경문제 등을 해결할 수 있는 21세기 글로벌 구원투수가 될 수 있을 것이라 확신하고 연구를 수행하고 있음.
2. 최근 고구마는 최고의 건강식품(항암, 항당뇨, 항혈압에 도움), 척박한 토양에 가장 많은 탄수화물을 생산화는 산업식물로 각광받고 있어, 중국 등 사막화지역에 잘 자라는 생명공학 고구마를 개발하면 황사/사막화방지는 물론 국가/인류가 당면한 식량문제, 보건문제 등을 해결할 수 있을 것이라 확신을 하고 고구마에서 재해내성 및 기능성 유전자를 탐색하고 지속적인 연구를 수행하고 있음 (연구팀은 고구마 생명공학연구의 글로벌 선두그룹으로 평가받고 있음).
3. 2010년부터 고구마의 색소항산화물질(카로티노이드, 안토시아닌)의 대사공학 연구를 시작하면서, 카로티노이드 축적에 관련한 Or 유전자를 고구마에서 처음으로 분리하고 형질전환배양세포와 식물체에서 베타카로틴 등 카로티노이드를 축적하는 것을 확인하고 이번에 Or 단백질의 기능을 월등히 향상시킨 연구성과를 얻게 된 것임.
에피소드가 있다면
1. 본 연구진이 1995년부터 중국 사막화지역에 적합한 고구마 생명공학연구를 시작할 때 많은 사람들이 연구진을 걱정하였음. 연구를 시작할 당시는 지금과 달리 고구마는 가난한 나라의 못사는 사람들이 먹는 구황작물로 선진국 연구자들도 고구마 연구를 주저하던 시기였음.
2. 지금은 많은 사람들이 어떻게 25년 전에 그런 결정을 할 수 있는지에 대해 관심을 가지고 궁금해 하고 있음. 국가 미래를 위해 인기에 연연하지 않고 준비하는 것이 과학자의 역할이라 생각됨.
꼭 이루고 싶은 목표는
이번 연구의 Orange 단백질을 포함하여 식물(고구마)의 생로병사의 비밀을 이해하여 인류가 당면한 제반문제 (식량, 환경, 에너지, 보건)를 해결할 수 있는 국내∙외 척박한 토양에 잘 자라는 산업용식물(고구마 등)이 개발되어 동북아시아, 중앙아시아, 중동, 북부아프리카 등에 재배되었으면 함. 정부와 관련기업이 미래를 대비하는 국가안보 차원에서 이 분야에 관심을 가지고 집중 투자할 때 가능하리라 생각됨.
신진연구자를 위한 한마디
인생은 속도가 아니라 방향이다. 국가/인류가 당면한 사회현안문제를 해결하기 위해 무엇이 문제인지를 정확히 인식하여 문제해결을 위한 사명감 있는 연구를 해야 한다고 생각함.
특히 출연연구소는 기후위기시대 대학, 기업, 국립연구소가 수행하기 어려운 미래지향적이고 산업적 가치가 높은 연구로서 반드시 10~30년 후 기업이 필요한 핵심가치기술과 연구협력네트워크를 구축해야 한다는 연구철학을 가질 필요가 있다고 생각함.
용 어 설 명
○ 카로티노이드
모든 식물에 존재(주로 엽록체)하며 빛을 수용하는 광합성의 보조 색소로서(주색소:엽록소) 높은 빛 등 산화스트레스의 피해로부터 엽록체를 보호하는 황색계열의 항산화물질이다. 카로티노이드는 호박, 황색고구마, 당근 등에 많이 포함되어 있으며 인간에게는 노화와 질병예방에 중요한 역할을 한다.
○ Orange 단백질
카로티노이드 축적에 관련하는 단백질로서 꽃양배추 등 일부식물에서 분리되어 있으며, 고구마 Orange 단백질(IbOr)은 연구팀에 의해 카로티노이드 고함유 고구마(품종: 신황미)에서 2013년 처음으로 분리되어 형질전환 고구마 배양세포에서 카로티노이드를 축적하고 염스트레스에 내성을 가지는 것을 확인하였다. 선행연구에서 Orange 단백질이 고온스트레스 극복과 관련한 chaperone활성을 가지며, 카로티노이드 생합성에 중요한 phyteone synthase(PSY), 광합성 단백질복합체의 구성단백질인 Psbp와 결합하여 스트레스 조건에서 PSY 단백질과 Psbp 단백질의 활성을 안정화시켜 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖는 것을 확인하여 논문을 발표 한 바 있다.
○ Orange 단백질 고발현 형질전환 식물
연구팀은 고구마 Orange 단백질 고발현 형질전환 식물체(고구마, 알팔파, 감자)를 개발하여 카로티노이드 고생산을 통하여 환경스트레스에 강한 내성을 가짐을 확인하여 논문을 발표하였다.
○ Holdase chaperone 활성
고온 조건에서 단백질(효소)의 변성을 막아 표적단백질(효소)의 기능을 안정화시키는 활성을 말하는 것으로, IbOr 단백질이 가진 높은 holdase chaperone 활성이 고온과 산화스트레스 조건에서 phyteone synthase(PSY)와 결합하여 PSY 단백질의 변성을 막아 PSY단백질의 기능을 안정화시켜 카로티노이드를 축적하게 만든다.
○ 산화스트레스와 항산화물질
“산화스트레스”는 노화와 질병을 유발시키는 활성산소에 의해 세포가 받는 스트레스를 말하며 “항산화물질”은 활성산소를 제거하여 산화스트레스를 극복하는 물질로서 다양한 저분자 항산화물질(베타카로틴, 비타민C 등)과 고분자 항산화효소가 있다.
○ SNP (Single Nucleotide polymorphism)
DNA 염기서열에서 하나의 염기서열(A,T,G,C)의 차이를 보이는 유전적 변화 또는 변이를 단일염기 다형성이라고 말한다.
그 림 설 명
그림 1. 형질전환 고구마 식물체 제작 모식도
그림 2. 형질전환 고구마 식물체와 저장뿌리의 표현형
흰색 고구마 (Xushu 29 품종)에 IbOr 신규 단백질(IbOr-R96H)을 과발현 시킨 주황색의 형질전환 고구마 식물체와 저장뿌리 (오른쪽 3개체)
그림 3. 형질전환 고구마 저장뿌리의 카로티노이드 함량분석 결과
비형질전환 고구마 저장뿌리에 비해 IbOr-R96H 과발현 형질전환 고구마 저장뿌리에서 카로티노이드 함량이 다음과 같이 증가함
- 총 카로티노이드 함량: 5.4-19.6배 증가
- β-carotene 함량: 21.7-186.2배 증가
그림 4. IbOr-R96H 과발현 형질전환 고구마 식물체의 잎에서 고온(47°C) 스트레스 저항성 증가
곽상수 박사 이력사항
1. 인적사항
○ 소 속 : 한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터(책임연구원)
2. 경력사항
1988.4 - 1990.2 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구원
1990.3 - 현재 한국생명공학연구원(KRIBB) 책임연구원/우수연구원(2021~)
2006.1 - 2008.10 KRIBB 환경생명공학연구센터 센터장
2007.3 - 현재 과학기술대학원대학(UST) 교수
2008.7 - 현재 중국과학원 물토양보존연구소 초빙교수
2009.1 - 현재 중국농업과학원 고구마연구소 초빙교수
2009 – 2013. 미래부 한중사막화방지생명공학공동연구센터 센터장
2012.11 - 현재 한국과학기술한림원(농림수산학부) 정회원
2013.4 – 2017.12 KRIBB 식물시스템공학연구센터 센터장
2014.12 – 2016.11 한중일고구마연구협의회(TRAS) 회장
2015.1 – 2016.12 한국식물생명공학회 회장
2017.01– 2020.12 한국과학기술단체총연합회이사(과총) (과학기술ODA센터 위원)
2018.01– 현재 한국국제협력단(KOICA) 전문위원
2019.01– 2020.12 Plant Biotechnology Reports 편집위원장
3. 전문 분야 정보
식물의 항산화기작 연구
고구마 생명공학연구
복합 환경스트레스 내성 산업용식물(고구마 등) 분자육종연구
사막화방지를 위한 산업용식물(고구마, 알팔파, 포플러) 개발연구
김호수 박사 이력사항
1. 인적사항
○ 소 속 : 한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터
(선임연구기사)
2. 경력사항
2009.03 – 20012.6 경상대학교 WCU기후변화대응사업단 박사후연구원
2012.07 – 2018.10 한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터 박사후연구원
2018.11 – 현재 한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터 선임연구기사
2019.01 – 현재 Plant Biotechnology Reports 편집위원
3. 전문 분야 정보
식물의 스트레스 신호전달 연구
고구마 생명공학연구
고기능성 작물개발연구