~ 조류에 의한 유지 및 바이오연료의 생산성 향상을 기대 ~

도쿄공업대학 대학원 생명이공학연구과 연구팀은 바다에서 나는 유지 고생산 조류로서 주목을 받고 있는 Nannochloropsis를 이용하여 유지의 축적량과 유지 중의 지방산 조성을 변화시키는 기술을 개발하였다.

많은 조류는 질소 결핍 시에 유지를 축적하는 것으로 알려져 있다. 한편 질소 결핍 조건에서는 조류의 생육이 뚜렷하게 방해를 받기 때문에 유용유지의 생산에서는 생육하면서 유지를 저장하는 방법의 개발이 과제로 나타났다. 본 연구팀은 고밀도 세포 배양이 가능하여 세포 중에 유지만을 다량으로 저장하는 바다에서 생산되는 조류 Nannochloropsis가 인 결핍 조건에서 질소 결핍 조건과 비교하여 생육을 유지하면서 지질을 많이 축적한다는 것을 발견하였다.

인 결핍 시에 세포의 막 중 인지질을 당지질로 전환하는 녹조 클라미도모나스와 동일한 체계가 Nannochloropsis에서 작용하고 있다는 것을 알아내었다. 그래서 녹조 클라미도모나스로부터 얻은 인 결핍 응답성의 당지질 합성 유전자 프로모터와 유지 합성 유전자를 결합하여 Nannochloropsis에 도입한 결과, 지질의 축적을 증대시키고, 지방산의 조성을 변화시키는 데 성공하였다. 앞으로 인 결핍 응답 프로모터와 다양한 지질 합성 유전자를 조류에 도입함으로써 다양한 고부가가치의 유지가 공업규모로 생산될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구팀은 Nannochloropsis에서의 질소 결핍 조건과 인 결핍조건의 비교로부터 Nannochloropsis의 인 결핍 하에서는 광합성 장소인 엽록체를 유지한 채 TAG를 축적한다는 것을 알아내었다. 그래서 클라미도모나스 등의 조류 및 식물이 인 결핍에 적응할 경우 발생하는 인지질로부터 당지질로의 막지질 전환이 클라미도모나스와 달리 이차 공생조류에 속하는 Nannochloropsis에서도 기능하고 있다는 것을 예측하여 인 결핍 시의 막지질 변동 및 막지질 전환과 관련된 유전자의 발현이 유도되어 인지질과 당지질이 치환됨으로써 인 결핍에 적응한다는 것을 알아내었다.

인을 충분히 포함하는 조건에서는 엽록체 및 세포의 막지질이 세포에 포함된 지질의 대부분을 차지하지만, 인 결핍 조건에서는 TAG의 함량이 현저하게 증가한다. 또한 인 결핍조건에서는 TAG의 증대와 동시에 엽록체의 당지질 중 하나인 SQDG가 증가하며, 별도의 실험에서 SQDG의 합성과 관련된 SQD2 유전자의 발현이 현저하게 유도되고 있다는 것을 알았다. 그래서 이 체계를 활용하여 신규 지방산을 합성하면서 TAG 축적을 증대시키기 위해 클라미도모나스 연구에서 취득한 인 결핍 조건 하에서 발현 상승하는 클라미도모나스 SQDG 합성 유전자(CrSQD2)의 프로모터 ‘pCrSQD2’와 클라미도모나스의 TAG 합성효소 ‘CrDGTT4’의 이용을 시도하였다.

pCrSQD2와 CrDGTT4를 Nannochloropsis에 도입한 결과, 유전자를 도입한 형질전환 주(株)에서는 CrDGTT4 유전자를 도입하지 않은 비교대조 주(株)와 비교하여 인 결핍 조건 하에서의 TAG축적이 더욱 증가하였다. 또한 TAG 중 지방산에는 CrDGTT4가 기질로서 좋아하는 올레산(C18:1(9))이 컨트롤한 주(株)의 약 2배 포함되어 있다. 이러한 결과는 이차공생 조류로서의 녹조와는 분류상 전혀 다른 유지 고생산 조류인 Nannochloropsis로 녹조 클라미도모나스 유래의 인 결핍 응답성 프로모터를 이용함으로써 TAG 축적의 증대와 지방산 조성의 변화가 가능하다는 것을 나타내었다.

그림 1. 조류의 영양 결핍에 의한 유지의 축적과 유지 고생산 조류를 이용한 생산기술 개발
그림 2. Nannochloropsis 배양 사진
그림 3. 세포 중에 포함된 TAG와 막지질의 양

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 10일]