식물 대사공학 연구실 연구 분야 소개

식물유래의 대표적인 2차대사산물은 터페노이드(terpenoids), 페닐프로파노이드(phenylpropanoids), 알칼로이드(alkaloids) 등으로서
건강 증진을 위한 다양한 영양기능성 및 약리기능성 측면에서 그 효과가 밝혀짐에 따라 이들 물질의 식물체 내 생산을 증대시키고자 하는 연구가
진행되고 있다. 그 중에서도 터펜 물질은 약 4만여종의 다양한 구조와 생리활성 기능을 지니고 있어 주요 연구관심이 되어 왔으나 자연계에서
대부분 특수한 식물에서 독자적 산물로 미량으로 생성(예: 박하 맨톨, 개똥쑥 알테미시닌, 인삼 사포닌, 주목 택솔 등)되는 어려움이 있고
그 생합성 경로가 대부분 길고 복잡할 뿐만 아니라 엄격한 대사조절을 받고 있어 대량 생산이 어려운 실정이나 농업, 의약, 식품, 화장품 분야에서
산업적 경제적 가치를 고려할 때 대량 재배가 가능한 작물(특히 벼) 시스템을 이용한 고부가 2차대사물질의 대사공학적 생산 플랫폼 확립은 유망한
연구 분야임이 분명하다. 따라서, 본 연구실에서는 터페노이드 계열의 다수의 유용 물질 중 베타카로틴(고영양성), 지아산틴(항산화),
아스탁산틴(항노화), 캡산틴(항비만) 등 다양한 카로티노이드(C40, carotenoid) 물질 생성 기능성 작물 개발을 위한 다단계 대사공학 연구,
모노터펜(C10, 리모넨), 시스퀴터펜 (C15, 아모파다이엔), 다이터펜(C20, 탁사다이엔), 트리터펜(C30, 스쿠알렌) 등 유용 물질 생산 작물 기반 확립을
위한 터페노이드 생성 기작의 기질공급 단계별 모듈화 연구, 그리고 터페노이드 등 2차대사물질 생성을 조절하는 신규한 전사인자 발굴을 통한
조절 기작의 마스터링 연구 등 3개의 큰 테마에 관해 관심 있게 연구를 진행하고 있다.

1. 식물 카로티노이드 대사공학 연구

다양한 기능성과 다채로운 색상을 겸비한 카로티노이드(carotenoid) 성분 중 하나인 베타카로틴을 생성하는 국내 1세대 황금쌀인 PAC rice를
2종의 bicistronic 발현 기술(F2A 및 IRES) 비교를 통해 두 개 유전자를 동시에 발현시킬 수 있는 '다중유전자 동시발현' 기술을 적용하여 개발하였다
(Ha et al. 2010). 벼에서 입증된 동일한 다중발현용 재조합유전자 PAC(Psy:F2A:R1Tp-CrtI)를 활용하여 고함량의 베타카로틴 생성 콩을
개발하였고(Kim et al. 2012), 이 유전자를 벼에 맞게 코돈을 최적화시켜 베타카로틴 생합성 효율 증진 능력이 검증된 재조합유전자
stPAC(stPsy:F2A:R1Tp-stCrtI)을 도입하여 국내 2세대 황금쌀 stPAC rice를 개발하였다(Jeong et al. 2017). 본 기술을 진일보시킨
복합다중유전자 발현기술 확립을 통해 지아산틴, 아스탁산틴 및 교배육종 접목으로 캡산틴 등 타 생물체의 기능성 천연색소를 지닌 다채로운 컬러쌀을
개발하였고 관련 기술의 지적재산권을 확보하였다. 또한 카로티노이드 대사공학에 필수적인 신규한 엽록체 적중배열인 PTp와
stPTp(You et al. 2016), 신규한 다중발현 유도배열(T2A, I2A1, I2A2) 및 이를 이용한 2·3·4개 유전자의 다중발현 실현 등 식물 대사공학의
기초기반 기술 다수를 자체 개발하였고 이를 총망라 하여 실용화용 베타카로틴 생성 벼 이벤트 개발을 위해 최적의 재조합유전자
stPTAC(stPsy:T2A:PTp-stCrtI)과 stPTARC(stPsy:T2A:R3Tp-stCrtI)이 도입된 벼 식물체의 경우 안전성 평가 진입 단계에 있으며, 베타카로틴
증진 및 지아산틴, 아스탁산틴, 캡산틴 생성 실용화 가능한 벼 이벤트 개발 연구를 대규모로 진행하고 있다. 한편, 최근에는 Genome editing 기술을
통해 외래유전자 도입 없이 벼 종자 내 불활성화되어 있는 내재 카로티노이드 생합성 대사 경로를 활성화 시킴으로써 고기능성 생명공학작물을
개발하는 연구를 수행하고 있다.

2. 식물 기능성 물질대사 생성기작의 모듈링 연구

터페노이드 생합성 경로는 엽록체 내MEP(methylerithritol phosphate) 기작과 세포질 내 MVA(mevalonate) 기작에 의해 1 단계 단위기질인
이소프렌(IPP/DMAPP, C5)이 생성 되면서 시작된다(모듈 1). 이소프렌은 터펜 중합효소(prenyl-transferase, PTase)에 의해 순차적으로 중합되면서
GPP(geranyl pyrophosphate, C10), FPP(farnesyl pyrophosphate, C15), GGPP(geranylgeranyl pyrophosphate, C20) 라는
모노터펜(C10, 리모넨 등), 시스퀴터펜(C15, 아모파다이엔 등), 다이터펜(C20, 탁사다이엔 등), 트라이터펜(C30, 스쿠알렌 등),
테트라터펜(C40, 베타카로틴 등) 물질 생합성을 위한 2단계 초기기질을 생성하고(모듈2), 이 후 다양한 terpene synthase(TPS) 효소에 의해
축합(condensation), 산화(oxidation), 환원(reduction), 환형화(cyclation) 등의 여러 단계의 구조변형(모듈 3)에 의해 약 4만 여종 이상의
터펜물질들(모듈 4)이 합성 된다.

이러한 터페노이드 물질생성에 대한 기질공급 단계별 모듈화 연구를 위하여 우선적으로 모듈1(MEPs) 단위기질(IPP/DMAPP) 증진을 위해
DXS효소 단계를 증진시킨 벼를 개발하였고, 이 모듈 1 도입형질이 기 개발된 모듈 3(베타카로틴 생성) 도입형질을 증진시킨 결과를 확보하여 전사체
및 대사체 등 멀티오믹스(multi-omics) 데이터의 통합 분석을 통해 터펜대사 기질공급 기작 이해를 진행중에 있으며, 추가적으로 기능성 터펜물질에
대한 모듈 3(TPSs)단계 유전자 각각를 기모듈 1기질증진 벼에 도입함으로써 터펜물질 de novo 생산 기작을 규명하는 연구를 수행하고 있다.
또한, 모듈 2(PTases) 초기기질(GPP/FPP/GGPP) 중합효소인 GPP synthase(GPSs), FPP synthase(FPS), GGPP synthase(GGPS) 에 대한
기능분석을 통한 벼 특이적 초기기질 생성경로를 밝히고 초기기질 사용 모듈 3(TPSs) 터펜 생합성 효소와의 상관관계를 분석하여 벼 주요 기능성
터펜물질 생성 기작을 규명하는 연구를 수행하고 있다.

3. 식물 기능성 물질대사 조절기작의 마스터링 연구

식물의 기능성대사를 증가시키는 주요 전략으로 구조유전자 발현을 직접적으로 증가시키는 전략과 더불어 전사조절인자(transcriptional factor)의
도입을 통해 구조유전자의 전사수준을 증가시키려는 조절기작의 마스터링 연구가 보고되고 있다. 그러나 터펜물질대사의 경우에는 물질합성과
직접적으로 관련한 전사인자의 보고가 비교적 적으며 이를 이용한 기능성 물질 생산성 향상에 적용된 경우도 미흡한 실정이다.
따라서 터펜물질 합성과 관련한 전사인자를 확보하고 이들의 식물체내에서의 기능과 물질생산 조절기작을 연구함으로써 기능성 물질의 생산량을
증가시키는 연구는 매우 중요한 연구 분야임에 분명하다.

기능성 물질 생성을 통한 식물의 가치 향상에 더해, 가뭄, 저온 및 고온, 고염 등 다양한 비생물학적 스트레스에 대한 저항성 증진을 통한 식물 자체의
생존능력 및 생산성 향상은 식물 분야에서 필수적인 연구 분야의 하나이다. 현재까지 식물의 2차 대사산물(터펜 및 페놀릭화합물 등)이 비생물학적
스트레스 저항성 증진에 관여한다는 결과론적 현상이 다수 보고되었으나 그 구체적인 기작 규명에 대한 보고는 아직 부족한 실정이다.
이를 위해 우리 연구팀에서는 몇 가지 전략적 접근을 진행 중이다. 첫째, 비생물학적 환경스트레스 및 2차대사산물 증진에 동시에 관여하는 주요
전사조절인자 후보를 확보하였으며, 이들 중에서 터펜대사 관련 유전자의 전사 조절 관여 여부 및 그 기작을 명확히 밝히고자 한다.
둘째, 해당 전사인자 도입 식물체의 비생물학적 스트레스 저항성 관찰과 더불어 전사체 및 대사체 데이터를 통합적으로 분석함으로써 식물의
주요 2차 대사산물인 터펜물질 대사와 비생물학적 스트레스 저항성 기작을 시스템생물학적으로 해석코자 하며 이를 통해 궁극적으로는 식물 2차
대사산물 조절을 통한 환경스트레스 저항성 작물을 구축하고자 한다. 이는 식물의 신규한 비생물학적 스트레스 저항성 기작을 규명코자 하는
시도로서 최종적으로 <전사인자-특정2차대사조절-비생물학적 환경스트레스 저항성 기작>간의 전사조절 네트워크 규명을 목표로 연구하고자 한다.