Development of microbial cell factory for high-level production of bio-nematicide

Abstract

현재 전 세계적으로 식물 기생 선충이 농작물 및 기타 식물에 악영향을 미치고 있다는 사실이 밝혀짐으로 인해 이에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 뿌리혹선충은 농작물에 가장 피해를 많이 주는 식물 기생 선충으로, 크기가 다양하고 분류하기 어려울 뿐만 아니라 전문가들조차 감염 여부를 판단하기가 어렵기 때문에 피해가 집단적, 지역적으로 빈번하게 발생하고 있다. 이로 인한 피해를 방지하기 위해 여러 방제 시스템이 사용되고 있다. 하지만 저항성 품종 개발이나 윤작 등과 같은 재배적 방제, 물리적 방제 시스템은 실효성이 떨어지며, 화학 농약을 사용하는 방제 시스템은 대상 식물체에 대한 약해 및 농약 잔류 문제, 생태계 파괴와 환경오염 등 많은 문제로 인해 사용 및 그 합성에 있어서 규제가 심해지고 있다. 이로 인해 리우 환경 회의 협약을 기점으로 미생물이나 식물로부터 생산하는 생물농약의 비중이 점차 증가하고 있다. 현재 시판되고 있는 많은 생물 농약에 포함되어 있는 시남알데하이드는 계피나무 및 기름에 존재하는 천연물 제제로 특이한 향을 낼 뿐만 아니라 선충에 대한 퇴치제로써 유효한 효능이 있음이 밝혀졌다. 그러나 시남알데하이드는 계피 기름으로부터 추출하거나 화학적 합성을 통해 만들어지고 있기에 기타 친환경적인 생산 방법 개발은 높은 산업 경쟁력을 가질 것으로 보고 있다. 이에 본 연구에서는 친환경적인 생산 방법으로써, 미생물인 대장균으로부터 시남알데하이드를 생산할 수 있도록 연구 및 개발하였다. 최종 산물인 시남알데하이드를 생산하는 데 있어, 페닐알라닌 암모니아 분해효소, 쿠마레이트 조효소 A 연결효소 및 시나모일 조효소 A 환원효소, 이 세 가지 효소가 필요하며, 이 효소들은 다양한 생물 내에서 다양한 기질 특이성 및 활성을 지니고 있기 때문에 비교 분석을 통해 더 나은 시남알데하이드 생산성을 보이는 효소를 선정하였다. 또한 발현양이 낮은 효소를 위해 프로모터 및 리보솜 결합 부위를 변경하는 등의 과정을 통해 최종적인 시남알데하이드 생산 시스템을 확립하였다. 하지만 앞서 확인한 효소 역시 활성이 낮은 것으로 확인되어, 효소를 개량하기 위한 목적으로 유전적 회로를 구축하였다. 극한 환경에서 서식하는 고세균으로부터 알데하이드에 반응할 수 있는 전사 조절 단백질 및 프로모터를 이용하여 유전적 회로를 구축하였고, 배지 내에 공급한 특정 알데하이드 농도가 증가함에 따라 보고 단백질로 사용한 녹색 형광 단백질의 세기 역시 증가하는 것을 확인하였다. 또한 구축한 시스템을 이용하여, 대장균에서 생산되는 시남알데하이드에 의해서도 유전적 회로를 통해 녹색 형광 단백질이 발현되는 것 또한 확인하였다. 이러한 결과로부터 구축한 유전적 회로를 효소의 개량을 위해 사용 가능한 것으로 판단하였다. 앞으로의 연구에서 효소의 무작위 라이브러리를 구축하고자 하며, 유전적 회로를 이용하여 더 많은 시남알데하이드를 생산할 수 있는 효소를 초고속 선별 기법을 이용하여 발굴 및 이를 토대로 시남알데하이드의 생산성을 극대화하고자 하는 연구를 진행하고자 한다.