미토콘드리아 식물 세포 공장을 위하여

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-21

사이언티픽 리포트(Scientific Report)지에 실린 논문에서, 지속가능한 자원과학을 위한 리켄 연구소(RIKEN Center for Sustainable Resource Science) 소속의 Jo-Ann Chuah와 Keiji Numata가 이끄는 연구팀이 세포를 통과하고 미토콘드리아(mitochondria)를 목표로 하는 펩타이드들을 조합함으로써 식물 세포의 미토콘드리아로 유전자를 선택적으로 전달하는 새로운 전략을 개발하는데 성공했다. 게이오대(Keio University)와 우쓰노미아대(Utsunomiya University)의 연구자들과의 공동 연구를 통해 수행된 이번 연구는 "미토콘드리아 엔지니어링(mitochondria engineering)"이라고 불리는 새로운 분야의 가능성을 열어준 펩타이드 기반 유전자 전달체를 디자인하는 이론적인 토대가 될 수 있을 것이며 관련 결과물들은 바이오 폴리머나 바이오 연료를 위한 미토콘드리아 기반 식물 세포 공장(mitochondria-based plant cell factories)을 개발하는데 이용될 수 있을 것이다. 식물 세포들은 의학용 화합물, 재조합단백질, 향, 향수 등 미생물이나 화학 합성에 의해 만들어질 수 있는 생산물들의 대량 생산용 호스트(host)로 이용될 가능성을 지니고 있지만, 이들이 공장처럼 작동하기 위해서는 반드시 몇몇 문제들이 해결되어야 한다. 이전에는 여러 노력들로 식물의 핵에 존재하는 유전자를 변형시키거나 이들의 농도를 조절하는 방법이 이용되었지만, 이번 리켄 연구팀은 미토콘드리아(식물의 대사에 있어서 중요한 역할을 하는 일종의 에너지 공장)에 노력을 집중했으며 그 결과 필수적인 생리학적, 생화학적 프로세스의 조작과 연구에 대한 새로운 장을 열 수 있었다. 하지만, 매우 작으며 이중막을 지니고 있고 세포에 다수 발견되는 미토콘드리아를 변형시키는 것은 매우 힘든 일이다. 그래서 지금까지 이와 관련된 연구는 살아있는 식물 세포를 대상으로는 행해지지 않았다. 이에 Numata 박사와 동료 연구자들은 외부 DNA를 식물 세포의 미토콘드리아로 도입하기 위해 펩타이드(멤브레인을 통과할 수 있는 능력이 있는 매우 다양하고 효과적인 전달체)에 초점을 맞추기로 결정했다. 연구자들은 이전에 동물에 있는 암세포로 펩타이드를 이용한 유전자 전달을 성공적으로 수행한 바 있다. 이러한 결과를 바탕으로 연구자들은 식물 미토콘드리아로 유전자들을 전달하기 위한 펩타이드 기반의 전달체를 개발하기로 결정했다. 연구자들은 효모의 산화효소(oxidase)로부터 유래한 미토콘드리아 타깃팅 요소를 연구함으로써 연구를 시작했다. 그런 다음 연구자들은 미토콘드리아에 유전자를 전달할 수 있는 방법을 개발했다. 레닐라 루시퍼레이즈 효소(Renilla luciferase)를 인코딩하는 미토콘드리아를 타깃으로 하는 요소들과 플라즈미드-유전자 변형을 위해 이용되는 한 가닥의 DNA-의 복합체가 탐지되었으며 이들이 모델 식물인 아랍비돕시스 탈리아나(Arabidopsis thaliana)의 잎으로 들어가게 되었다. 이러한 노력들이 부분적으로는 성공을 거두었지만, 전달된 미토콘드리아의 양은 많지 않았으며, 연구팀은 미토콘드리아를 타깃으로 하는 펩타이드와 세포를 통과하는 펩타이드를 이용하기 위해 복합체의 음표면 전하를 이용하는 새로운 전략을 개발했다. 연구자들은 이러한 전략이 플라즈미드 케리어의 성능을 크게 향상시켰다고 말했다. 낮은 농도의 펩타이드가 DNA를 미토콘드리아에 전달하기에 충분했으며 12시간의 배양을 통해 전달된 DNA의 발현을 확인할 수 있었다. 이에 대해 지속가능한 자원과학을 위한 리켄 연구소의 효소연구팀장인 Numata는 "우리는 보다 다양한 종류의 펩타이드를 만들기 위해 변형된 펩타이드 염기서열을 지닌 펩타이드 라이브러리를 만드는 연구를 지속해왔다. 이러한 방법은 생물학적 연구에 있어 식물이나 동물의 미토콘드리아에 유전자를 전달할 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있을 것으로 보인다. 예를 들어, 바이오플라스틱을 개발하기 위해 이러한 미토콘드리아 공장을 이용하는 것은 흥미로운 일일 것이다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 [o-Ann Chuah, Takeshi Yoshizumi, Yutaka Kodama, Keiji Numata, "Gene introduction into the mitochondria of Arabidopsis thaliana via peptide-based carriers", Scientific Reports, 10.1038/srep07751]을 참고하기 바란다. 그림: 엔지니어링된 펩타이드를 이용해 유전자를 전달하는 전략의 개념도 C1.jpg http://phys.org/news/2015-01-mitochondrial-cell-factories.html