경희대학교 유전공학과 및 작물바이오텍연구센터 소속 연구실로, 벼를 주 연구재료로 사용하여 식물 2차대사(secondary metabolism) 생합성 경로 및 그 조절 기작에 대한 대사공학 연구를 수행함

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국가 연구 사업에 적극적 참여로 우수논문 게재 및 원천기술 개발이 가능한 Project 수행

• 작물바이오텍연구센터 참여 연구실로서 세계 최고의 벼 연구 기반 확보
• BK21 플러스 사업단에 참여하여 우수연구인력 집중 육성

주요 연구 분야는 식물의 유용 2차대사산물(Secondary metabolite) 생합성 경로와 그 조절 기작을 연구하는 대사공학(Metabolic Engineering)으로서 주로 벼를 대상으로 한다. 식물의 대표적인 2차대사산물은 터페노이드(terpenoids), 페닐프로파노이드(phenylpropanoids), 알칼로이드(alkaloids)로서 그 중에서 이소프레노이드(isoprenoids)라고도 불리는 터페노이드는 building block인 IPP(isopentenyl pyrophosphate, C5)와 DMAPP(dimethylallyl pyrophosphate, C5)의 중합체로 다양한 구조와 생리활성 기능을 가지고 있다. 특히, 식물 호르몬 중 다수(GA, ABA, brasinosteroids, cytokinin)가 이 경로를 통해 합성된다. IPP와 DMAPP가 중합되면서 GPP(geranyl pyrophosphate, C10), FPP(farneyl pyrophosphate, C15), GGPP(geranylgeranyl pyrophosphate, C20)가 생합성 되고, 이들로부터 약 30만종 이상의 다양한 터페노이드(monoterpenes, sesquiterpenes, diterpenes, triterperpene, carotenoids 등)가 만들어지며 농업, 의약, 산업적으로 활용되고 있어 자연계에서 가장 방대한 신기능 유용 천연물의 보고이므로 그 생합성 기작을 조절하여 고부가 기능성 작물 개발은 큰 잠재력을 가진 분야이다.

이제까지는 터페노이드계 항산화성 천연색소인 카로티노이드 대사공학에 주력해 온 결과, 고추, 미생물, 미세조류 유래의 다양한 카로티노이드 대사관련 유전자들을 다중유전자 동시발현이라는 유전공학 기술을 통해 벼에 2·3·4개 단계별로 도입시켜 베타카로틴(프로비타민A), 지아산틴(시력 및 면역증진), 아스탁산틴(항노화), 캡산틴(항비만) 등 다양한 기능성 칼라쌀을 개발하였고 이 연구는 유용유전자의 발현 증진을 위한 분자수준에서의 최적화 합성 및 신규한 유전자 발현 카세트 요소들(프로모터, 다중발현유도배열 및 엽록체적중배열 등)의 기능 연구를 통해 실용화 가능한 기능성 GM작물 개발을 목표로 연구가 진행되고 있다.

한편, 터페노이드 생합성은 acetyl-CoA를 시작 물질로 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase(HMGR)가 주효소로 관여하는 cytosolic mevalonate(MVA) 경로와 pyruvate와 glyceraldehyde-3-phosphate(GAP)로부터 2C-methyl-D-erythritol 4-phosphate(MEP)를 거치는 plastidic non-mevalonate 경로 즉 MEP 경로의 두 가지 독립적인 경로를 통해 IPP와 DMAPP 기질이 공급되는데, 특히 벼의 MEP 경로 관여 유전자(DXS1,2,3, DXR, IspD, IspE, IspF, IspG, IspH1,2)를 클로닝하여 벼 과발현 형질전화체와 knock-out mutant에서의 기능 상보 연구를 통해 유전자의 기능을 연구하고 있고, 카로티노이드 절단 효소(CCD) 유전자군(OsCCD1, 4a, 4b, AtCCD4)의 내재유전자 발현도를 프로모터 분석과 RT-PCR을 통해 조사하고 각 카로티노이드 성분(파이토엔, 라이코펜, 베타카로틴, 지아산틴 등)을 생성하는 특수 대장균 4종에 CCD 4종을 각각 형질전환 시킨 후 카로티노이드 물질 분석을 통해 그 절단 기능을 확인하였으며, 동일한 유전자 4종을 애기장대 knock-out(KO) 변이체(atccd4) 및 대조구(Col-))에 형질전환시킨 식물체와 벼 과발현 및 발현억제(RNAi) 형질전환체를 확보하여 도입 유전자 카피수와 분자 수준의 발현을 real-time PCR로 확인하고 세대 진전 후 고정계통을 이용하여 microarray분석을 통한 전사체 발현과 카로티노이드 및 카로티노이드 절단산물(CCP) 물질 분석을 통한 대사체 분석 결과를 통합하고 기타 1차·2차대사 경로에 어떤 영행을 미쳤는지 대사 회로 전체 차원에서 대사 물질 flux를 이해하는 연구를 수행하고 있다. 그 목표 달성을 위해 MEP경로 효율 조절을 통한 IPP(DMAPP) 기질 증진, 카로티노이드 생성 및 절단 시스템을 활용한 신규한 터페노이드 생산, 터페노이드 중합효소 도입을 통한 다양한 터페노이드 생산 기반 확보, 특수 카로티노이드 생성용 초기 가지 효소 도입을 통한 작물 기반 터페노이드 모델 대사회로 구축 등의 테마를 각 연구 모듈로 구성하여 연구 영역간에 독립적이면서도 향후 연계하여 시너지 결과를 도출할 수 있도록 연구를 진행하고 있다.

최근에는 가장 도전적인 과제의 하나로 이제까지 연구가 아주 미흡하여 제한된 연구 결과만 보고된 터페노이드 대사 조절 전사인자 규명이라는 분야에 착수하여 시스템 생물학적 정보 분석이 비교적 용이하고 T-DNA tagging을 통해 KO 또는 activation mutant가 확보되어 있는 장점을 지닌 벼를 대상으로 신규 전사인자를 발굴하고 그 조절기작을 규명하는 연구에 착수했다. 선행연구를 통해 벼 유묘의 광처리 조건에서 2차대사 조절 후보 유전자로 선발·확보된 전사인자 가운데 벼 원형질체에서 전사활성화 기능이 확인되고 벼 T-DNA 변이체가 확보된 전사인자를 연구대상으로 선정하여 subcellular localization을 밝히고 기능분석용과 ChIP용 tagging 과발현 운반체를 제작하여 벼 형질전환을 수행함과 더불어, RNAi를 통한 knock-down 또는 KO의 complementation을 위한 기능 상보 과발현 벼 형질전환체도 제작하여 gain-of-function과 loss-of-function 두 가지 방법 모두를 동원하여 유전자 기능을 확실히 규명하고 최종적으로 터페노이드 대사 조절 기작 네트워크 모델을 제시코자 한다.

전 세계적으로 헬스케어에 대한 관심 집중과 삶의 질 개선 요구 등에 따라 한층 진보된 생명공학기법의 세계적 기술을 활용한 건강기능성·약리성 물질 생산 고부가 작물 개발 분야의 연구 확대가 불가피하게 되었다. 그러므로, 본 연구실의 주요 연구 분야인 식물 2차대사공학을 통해 영양적 가치가 증진되거나 신규한 약리기능성 유용 물질을 생산하는 기능성 작물 개발 기술은 글로벌 생명 산업화 핵심기술이 될 전망이다. 특히, 터페노이드 물질은 다양한 기능성(면역강화, 항암, 항염, 항산화 성분) 물질을 생산함으로써 농업·의약·식품·화장품 분야에서 큰 잠재력 지니고 있어 주목받고 있으므로 본 연구실은 높은 수준의 기초 연구 성과를 도출하고 이를 응용 연구에 적극 활용하여 가능한 한 실용화에 근접한 터페노이드계 유용 2차대사산물이 증가된 벼를 개발코자 한다. 토지 등 농업 생산 기반이 부족한 우리나라의 국내 실정에서 글로벌 생명 산업화 핵심기술 적용에 의해 특정 2차대사경로가 활성화된 고영양성·항산화·항암 등 특수 기능성 고부가 작물이 개발된다면 국민의 건강과 소득 증진 및 글로벌 기능성 종자 시장 진입에 크게 기여할 것으로 기대된다.

• 2013.04-현재

  경희대학교 생명과학대학 유전공학과 및 작물바이오텍연구센타 소속 식물대사공학연구실