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일본 도쿄공업대학 연구진은 해산성 유질을 고효율로 생산하는 해초인 Nannochloropsis에서 축적한 지질의 양과 지방산 조성을 변경하는 기술을 개발하였다.

많은 조류는 질소결핍 등 영양부족 조건 하에서 트리아실글리세롤(TAG)을 축적한다고 알려져있다. 최근 조류가 생산하는 TAG나 TAG에 포함된 지방산이 화학공업용 유지나 바이오 원료의 원재료로 주목받고 있다. 조류의 유지를 이러한 원재료로 이용하기 위해서는 이용 목적에 맞도록 대량 생산하는 기술이 필요하다. 하지만 본래 광합성막이나 세포막에 존재하지 않는 유용 지방산 및 유지를 대량으로 생산하게 되면 이것이 광합성 막에 축척되어 광합성을 저해하는 문제점이 있다. 이를 피하기 위해 적절한 조건 하에서 유용 지방산이나 유지를 생산하면서 이를 세포 내의 기름방울로 축척시키는 방법이 있지만, 일반적으로 조류의 유지생산 조건인 질소 결핍조건에서는 광합성이나 신규 지방산 합성이 억제되어 세포가 거의 증식하지 않기 때문에 이러한 방법을 이용하기는 어렵다.

연구진은 이전 연구에서 녹조 클라미도모나스를 증식시켜 광합성 장소인 엽록체에서 TAG축적이 가능한 조건을 연구하여, 그 결과 인결핍조건은 질소결핍조건 정도로 극적인 세포증식 억제가 보이지 않는다는 것을 확인하였다. 또한 이 조건 하에서 TAG 축적을 유전자 조작으로 강화시키는데 성공하였다. 하지만 클라미도모나스의 경우 영양결핍 시 TAG뿐만 아니라 녹말도 축적되며, 고밀도의 세포배양이 어렵기 때문에 조류에서의 효율적인 유지생산을 목적으로 하기 위해서는 보다 고효율로의 세포 배양이 가능하고 세포 중에서 유지만을 다량으로 축적할 수 있는 Nannochloropsise 등의 유지 고생산조의 생산기술 개발이 필요하였다. ([그림 1])

연구진은 Nannochloropsise의 질소결핍조건과 인결핍조건을 비교하여 ([그림 2]), Nannochloropsise에서의 인결핍조건 하에서 광합성이 엽록체를 유지한 채로 TAG를 축적한다는 것을 발견하였다. 이에 클라미도모나스 등 조류나 식물에서 인의 결핍이 적응할 때 일어나는 인지질에서 당지질로의 막 지질의 전환이 클라미도모나스와 다른 2차 공생조에 소속된 Nannochloropsise에서 가능하다는 것을 예측하여, 인 결핍 시 막지질 변동이나 막지질 전환에 관여된 유전자의 응답을 조사하였다. 그 결과 Nannochloropsise에서 인결핍 시 당지질 합성 효소유전자의 발현이 유도되어 인지질과 단지질이 서로 치환되며 인결핍에 적응한다는 것을 발견하였다.

[그림 3]의 통상배양조건에서 확인할 수 있듯이, 인이 충분히 포함된 조건에서는 엽록체나 막 지질(그림의 MGDG나 DGDG, PC 등)이 세포에 많이 점유하고 있지만, 인 결핍조건에서는 TAG 함량이 급격히 증대된다. 또한 인결핍 조건에서는 TAG가 증대되는 동시에 엽록체 당지질의 하나인 SGDG가 증가하며, 다른 실험에서는 SQDG의 합성과 관련하여 SDG2 유전자 발현이 현저하게 유도된다는 것을 확인하였다. 이에 이 메커니즘을 활용한 신규 지질산을 합성하면서 TAG 축적을 증강시키기 위해 먼저 클라미도모나스 연구에서 얻은 인결핍조건 하에서 발현 상승되는 Chlamydomonas SQDG 합성 유전자(CrSQD2)의 프로모터 ‘pCrSQD2’와 클라미도모나스의 TAG 합성효소 ‘CrDGTT4’를 이용하여 시험하였다. pCrSQD2와 CrDGTT4의 셋트를 Nannochloropsis에 도입하여, 유전자를 도입한 형질전환주와 CrDGTT4유전자를 도입하지 않은 비교대조주 (컨트롤주)를 비교하여 인 결핍조건 하에서 TAG 축적이 더욱 증가 ([그림 3]의 형질 전환주 참고)함을 확인하였다. 또한 TAG 중에서 지방산에서의 CrDGTT4의 기질으로 올레인산(C18:1(9))이 컨트롤주에 약 2배 포함되어 있다는 것을 확인하였다. ([그림 4]) 이 결과는 이차 공생주로 녹조에서는 분류상으로 전혀 다른 유지고생산조 Nannochloropsis에서 녹조 클라미도모나스 유래의 인결핍성 대응 프로모터를 이용하여 TAG 축적의 증강과 지방산 조성의 변형이 가능하다는 것을 보여주었다. 또한 이 결과는 인결핍 조건 하에서 적용하는 메커니즘의 종류가 다른 녹조와 2차 공생조 사이에서 넓게 보존되고 있다는 것을 보여주어 진화적 관점에서도 매우 흥미로운 연구이다.

본 연구를 통해 해산성 유지 고생산조 Nannochloropsis에서 분류상으로 전혀 다른 녹조인 Nannochloropsis에서의 인결핍 응답 프로모터를 이용하여 TAG 생산의 증강과 지방산 조성의 변경이 가능하다는 것을 밝혀내었다. Nannochloropsis는 다른 조류와 비교하여 세포에 다량의 유지가 축적되어 있는 동시에 고 밀도의 배양이 가능하고, 해산성 조류이기 때문에 해수를 이용한 배양도 가능하다. 인 결핍 대응성 프로모터로 기능이 다른 종의 지질합성 유전자와 결합할 수 있다는 점을 이용하여 향후 Nannochloropsis에 다양하고 유용한 지질산을 포함한 유질을 대량으로 생산하는 것이 가능할 것으로 기대된다. 이번에 프로모터를 이용해 당지질 합성 유전자 SQD2는 녹조에 넓게 보존하고 있다고 알려져있어, 다른 조류에 같은 수법으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 Frontiers in Microbiology지에 게재된 논문
“Manipulation of oil synthesis in Nannochloropsis strain NIES-2145 with a phosphorus starvation–inducible promoter from Chlamydomonas reinhardtii ” 에서 확인할 수 있다.

[그림 1] 조류의 영양 결핍에 의한 유지의 축척과 유지 고생산조류를 이용한 생산기술 개발
[그림 2] Nannochloropsis의 배양 사진
[그림 3] 세포 중에 포함된 TAG와 막지질의 양