~ 바이오연료 생산 실현을 위한 기반기술로서 기대 ~

도쿄공업대학 자원화학연구소 연구팀은 라파마이신(Rapamycin)의 표적(TOR, target of rapamycin) 단백질이 미세조류에서 오일 생합성의 ON/OFF를 결정짓는 인자라는 것을 발견하였다. 조류는 일반적으로 배양액 중의 영양량을 감소시키면 오일을 합성, 축적한다. 그래서 질소 등 영양원을 감지하는 TOR 단백질에 착안하여 오일 생합성과의 관계를 연구하였다. 그 결과 영양원이 풍부한 조건에서도 TOR의 활성을 인위적으로 방해하면 오일 생합성이 일어난다는 것을 알아 내었다.

지속가능한 에너지의 생산은 지구온난화 대책 및 화석연료의 고갈 등의 이유에 의해 시급한 과제이다. 그 중에서도 미세조류를 이용한 오일생산이 최근 주목을 모으고 있다. 그 이유는 단위면적당 바이오매스 생산성이 높고, 식량과 경합하지 않기 때문이다. 그러나 미세조류를 이용한 상업적인 오일생산을 위해서는 높은 생산성을 가진 조류의 육종이 필수이지만, 오일 생합성을 조절하는 기본적인 시스템은 불분명한 점이 많아 조류 육종의 장애가 되고 있다.

미세조류는 일반적으로 배양액 중의 질소 등 영양원의 고갈조건에서 오일을 합성한다. 연구팀은 질소 등의 영양원을 감지하는 단백질에 착안하였다. 만약 영양원을 감지하는 단백질이 오일 합성에 관여하고 있다면, 그 활성을 인위적으로 조정함으로써 오일 생합성을 임의의 타이밍에 유도할 수 있을 것을 생각하였다.

그 단백질 후보로서 선택한 것이 TOR이다. TOR은 효모 및 사람에서 질소를 포함한 다양한 영양량을 감지하고 응답하는 중심적인 작용을 하고 있는 것으로 알려진 단백질 인산화 효소이다. 때문에 조류에서도 동일한 기능을 가지며, 오일 생합성과 관련이 있을 것으로 생각하였다.

연구팀은 우선 TOR의 활성을 라파마이신에 의해 방해하는 조건을 만들고, 질소가 결핍된 조건과 비교하여 동일한 응답을 나타내는지 해석하였다. 그 결과, 배양액 중에 질소원이 풍부하게 존재하고 있음에도 불구하고 라파마이신을 배양액에 첨가하면 질소 결핍 시에 검출되는 유전자의 발현이 관찰되었다. 이것에 의해 TOR을 불활성화함으로써 영양원이 풍부한 배양조건에서도 오일 생합성이 유도될 가능성이 있다고 생각하였다. 그 가능성을 검증하는 실험을 수행한 결과, 라파마이신 첨가에 의한 TOR의 불활성화에 의해 오일의 축적이 유도된다는 것을 밝혀내었다.

오일 중에서도 바이오디젤의 원료가 되는 트리아실글리세롤은 라파마이신 비첨가조건과 비교하여 약 9배로 상승하였다. 이와 같이 TOR의 활성을 라파마이신에 의해 인위적으로 방해함으로써 조류 오일의 생합성을 임의의 라파마이신으로 유도하는데 성공하였다. 영향이 충족된 조건에서 TOR은 세포증식을 촉진하는 중심적인 기능을 목표로 한다는 것으로 알려져 있다. 따라서 TOR은 여양원의 유무에 의해 세포증식을 촉진할 것인가, 오일 생합성을 유도할 것인가를 전환하는 ‘스위치 단백질’이라고 생각된다. 이 발견은 미세조류에서 오일 생합성의 중추조절기구를 밝혀낸 것이다. 그리고 이 TOR의 불활성화에 의한 오일 축적이 단세포 홍조류와 단세포 녹조류에서도 관찰되었기 때문에 진핵조류에서 일반적으로 발생하는 현상이라고 생각된다.

TOR의 활성을 라파마이신에 의해 인위적으로 방해하여 오일을 축적시키는 방법은 세포 배양액에 화합물을 첨가하는 것뿐이다. 종래 수행되었던 배양액으로부터 영양원을 제외하는 방법과 비교하여 상당히 간편하다. 그러나 TOR의 활성방해는 오일축적뿐만 아니라 세포의 증식방해도 일으키기 때문에 바이오매스 생산성이라는 관점에서는 해결해야 할 과제이다. 앞으로는 TOR을 매개로 한 오일 생합성의 상세한 분자구조를 밝혀내고 이러한 정보를 기초로 세포증식과 오일 생산을 양립시키는 조류주(株)의 육종을 시도할 예정이다.

그림 1. TOR 방해에 의한 오일축적 유도
그림 2. TOR에 의한 오일 생합성 ON/OFF

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 11일]