일본 이화학연구소(RIKEN)는 담수성 남조류의 해수배양에 성공하였으며, 해수배양으로 리신(lysine)이나 오르니틴(ornithine) 등의 아미노산 양이 대폭 증가하는 것을 발견하였다.

빛 에너지와 이산화탄소를 이용하여 유용한 물질을 생산하는 것은 온실가스 저감을 통한 저탄소 사회를 실현하기 위해 중요한 수단이다. 또한 이는 광합성을 통해 탄소원을 확보할 수 있어 화석연료를 대체할 수 있는 것에도 기대된다. 남조류는 광합성을 하는 세균으로, 식물이나 조류와 마찬가지로 빛 에너지를 이용하여 물을 분해하고, 이산화탄소를 이용하여 당을 만든다. 또한 당뿐만 아니라 아미노산이나 바이오 플라스틱, 색소 등 부가가치가 높은 물질도 생산할 수 있다고 알려져있다.

‘Synechocystis sp. PCC 6803’은 다른 조류에 비해 증식이 빠르고 유전자 개량이나 동결 보존이 가능하기 때문에 전 세계적으로 널리 연구되고 있다. 미세조류를 이용하여 유용물질을 생산하는 연구는 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있지만, 담수를 많이 사용하는 문제가 있다. Synechocystis도 담수성 남조류의 하나이다. 일본의 담수는 풍부하지만 전 세계적으로는 담수가 중요한 자원의 하나이기 때문에 가능하면 담수를 사용하지 않고 남조류를 배양할 수 있다면 남조류를 활용한 유용물질 생산에 큰 진전을 가져올 것으로 기대된다. 일반적으로 Synechocystis는 합성배지라고 불리는 정제된 화합물로 만들어진 배지에서 증식한다. 하지만 해수에서 증식이 가능한지에 대한 연구는 지금까지 이루어지지 않았다.

연구팀은 해수에서 Synechocystis를 증식할 수 있는지를 시험하였다. 먼저 인공해수에서 배양을 시험한 결과, 인공해수 그 자체에서는 증식하지 않았지만, 질소원(염화 암모늄)을 추가한 경우에는 어느 정도 증식하였고, 여기에 인원(인산 수소 칼륨)을 추가하면, 더 많이 증식함을 확인하였다. ([그림 1]) 또한 인공 해수에서 배양하면 수소이온농도(pH) 5부근으로 저하하였고, 이 때 Synechocystis 세포의 증식이 멈추었다. 여기에 산성화를 제어하기 위한 완충액을 추가하면 증식을 개선할 수 있게 되었다. 하지만 질소원, 인원, 완충액을 추가하여도 Synechocystis의 증식은 합성배지와 비교하여도 3배 정도 낮았다.

다음으로 인공해수로 배양한 Synechocystis의 대사상태를 비교하기 위해, 인공해수 배지와 합성배지에서 Synechocystis를 3일간 배양한 후 글리코겐 양과 아미노산의 양을 정량분석하였다. 그 결과 인공해수 배양의 글리코겐 양은 합성배지와 비교하여 40% 적었지만, 아미노산의 양은 합성배지와 비교하여 글리신, 프로린, 글루타민이나 아스파라긴산이 약 4~5배, 리신이 약 10배, 오르니틴이 약 20배 많은 것으로 확인되었다 ([그림 2]) 이처럼 인공해수배양은 합성배지보다 Synechocystis 자체의 증식에는 약하지만, 유용한 아미노산양을 대폭 증가할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.

또한 인공해수가 아닌 2종류(이즈오섬과 이즈반도 부근)의 천연해수를 이용한 Synechocystis 배양도 시험하였다. 그 결과, 인공해수와 마찬가지로 양쪽 모두 질소, 인원을 추가하는 것하면 Synechocystis가 증식한다는 것을 확인하였다. 한편, 천연해수에서도 채취한 장소에 따라 증식량에 차이를 보였다. ([그림 3]) 따라서 천연해수를 이용하여 남조류를 배양하는 경우, 최적의 해수를 검토해야 할 필요가 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이즈반도 부근의 천연수에서는 인공수와 비슷한 증식을 보였다 ([그림 3]). 또한 완충액을 추가하는 것이 효과가 없다는 것은 인공해수와의 차이점이었다.

이번 연구를 통해 연구진은 담수성 남조류를 해수를 이용하여 배양할 수 있다는 것을 확인하였다. 해수를 이용함으로써 담수 이용을 절감할 뿐만 아니라, 높은 염농도로 다른 생물이 혼입하여 남조류 이외의 세포를 증식시키는 리스크를 막을 수 있을 것으로 기대된다. 아직까지는 인공해수 배양이 합성배지와 비교하여 증식이 잘 되지는 않지만, 유용한 아미노산이 대폭 증가한다는 점에서 유용 물질을 효율적으로 생산하는 것도 가능하다. 향후 해수배양조건 하에서 세포 내 어떤 변화가 일어나는지를 상세하게 조사하여, 해수를 이용한 남조류 응용연구가 진전될 것으로 기대된다.

본 연구는 JST전략적 창조연구추진사업 첨단저탄소화 기술개발 ALCA의 일환으로 수행되었으며, 자세한 연구내용은 4월 1일자 Frontiers in Microbiology지에 게재된 논문 "Seawater cultivation of freshwater cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 drastically alters amino acid composition and glycogen metabolism”에서 확인할 수 있다.

[그림 1] 인공해수를 이용한 담수성 남조류 Synechocystis의 배양
: Synechocystis의 야생주를 인공해수에서 배양하였다. 배양시에는 광조사 및 1%의 이산화탄소를 혼합하여 공기를 도입하였다. 질소원으로 염화 암모늄, 인원으로 인산수소칼륨을 첨가하였다. 좌측의 사진은 3일간 배양한 후의 배양액. 세포의 증식은 탁도(OD, 측정파장 730nm)에서 계시적으로 관찰하였다.
[그림 2] 인공해수배지 및 합성배지에서의 세포 내 아미노산 양의 비교
: Synechocystis의 야생주를 인공해수 또는 합성배지에서 3일간 배양 후, 세포 내 아미노산의 양을 측정하였다. 그림은 합성배지에서 아미노산량을 100으로 상대치를 표시한 것이다.
[그림 3] 천연해수를 이용한 담수성 남조 Synechocystis의 배양
: Synechocystis의 야생주를 2종류의 천연 해수에서 배양하였다. 배양시에는 광 조사 및 1%의 이산화탄소를 혼합한 공기를 도입하였다. 질소원으로 염화 암모늄, 인원으로 인산수소 칼륨을 첨가하였다. 세포의 증식은 탁도(OD, 측정파장 730nm)에서 지속적으로 관찰하였다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 13일]