진보된 식물 유전학을 통한 바이오연료 생산 효율성 증대

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-07

미국 맨체스터대학교(Amherst 캠퍼스)의 Sam Hazen 교수와 캘리포니아대학교(Davis)의 Siobhan Brady 교수는, 공동연구를 통해 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 합성에 의한 세포벽 강화(thickening)를 조절할 수 있는 유전자 조절 네트워크 분류에 성공했다고 발표하였다. Hazen과 Brady 교수는 가장 단단한 고분자 물질인 리그닌에 대해, 바이오연료 생산에 이용되는 식물 바이오매스로부터 당을 추출하는데 “주요 장애물”이라고 표현하였다. 연구진은 유전학적 진전을 통해서 복잡하고 총체적인 식물 구성성분에 대한 조절을 이해할 수 있는 토대를 마련할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 어쩌면, 미래 과학자들이 바이오연료 생산 효율을 증대시킬 수 있도록, 고분자 형성 과정을 조절할 수 있는 지도로 이용될 수 있을 것이다. 목질부(xylem)로 알려진 식물 조직에서 발견되는 핵심 구성물질 3가지는 식물이 기계적 강도와 수분을 전달하는 방수 세포 조직을 갖도록 도와준다. 이번 연구에서 모델 식물로 활용된 애기장대(학명: Arabidopsis thaliana)를 통해, Hazen과 Brady 교수팀은 상호 연결된 수많은 전사 인자가 목질부와 세포벽 두께를 조절하는가에 대해 심도 깊은 연구를 진행하였으며, 해당 연구 결과는 “Nature” 최신호에 게재되었다. 식물체를 구성하는 식물고분자의 식물 조직 내 상대적 함량이 어떻게 제어되는지 이해하는 것은, 바이오연료 생산 분야에 있어, 식물체를 새롭게 설계할 수 있는 가능성을 열었다는 것을 의미한다. 또한, 이번 연구 결과는 목질부 세포 분화 과정의 발달 조절에 대한 의미 있는 통찰력을 제시하고 있다. 특히, 단백질-DNA 상호작용을 규명하기 위한 시스템 접근법을 사용함으로써, 연구진은 뿌리 목질부에서 발현되는 460개 이상의 전사 인자를 스크리닝하는데 성공하였다. 이는 세포벽 구성요소 생산 공정에 포함된 것으로 알려진 약 50개 유전자의 촉진제(promoter)를 결합하는 능력을 살펴보기 위해 수행되었다. Hazen 박사는 “이번 연구 결과는 이전까지는 알려지지 않은, 240여 개 이상의 유전자들과 600개 이상의 단백질-DNA 상호작용 간의 매우 촘촘하게 상호 연결된 네트워크를 밝혀주고 있다”고 설명하였다. 연구진은 목질부 조절 네트워크 내 각 세포벽 유전자가, 35가지의 뚜렷한 조절 단백질 족(族) 중 평균 5가지의 서로 다른 전사 인자로 결합되어 있음을 발견하였다. 또한 수많은 전사 인자가 놀랄 만큼 많은 수의 전방향공급 고리(feed-forward loop)를 형성하고 있다는 것이다. 전방향공급 고리는 목표 유전자의 동시 조절을 가능하게 한다. 이는, 셀룰로오스 합성과 같은 궁극적인 동작을 이끌어내는 on/Off 스위치 연결보다는, 세포 주기와 분화 조절제를 포함하는 대부분의 단백질이 셀룰로오스 유전자와 기타 전자 조절제에 직접적으로 결합되어 있음을 의미한다. 연구진은, 이번 연구 결과가 염(salt) 농도, 가뭄과 같은 외부 환경 스트레스에 대한 식물의 반응과 적응에 대해 다양한 형태로 조합되어 활용이 가능하다고 강조하였다. 이번 연구를 통해 상호작용하는 교점을 규명하는데 성공하였지만, 목질부 조절 네트워크 상에 존재하는 전방향공급 고리의 형태가 정확히 무엇인가에 대한 확인은 아직 불확실하다. 하지만 향후 관련 연구를 위한 뼈대를 마련하고, 바이오연료 생산을 위한 에너지작물의 유전자 조작 및 설계를 위한 방법론 마련에 상당한 기여를 할 것으로 기대된다. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150102172718.htm