광대싸리 항암성분 생합성 경로 70년만에 규명..."대량생산 위한 보물지도 찾았다"
"우리나라 토종 식물인 광대싸리에서 항암 물질로 알려진 세큐리닌 생성 경로를 70년만에 찾았다. 국내 식물에서 보물지도를 찾은 것과 같다." 한순규 KAIST 화학과 교수는 전화통화에서 세큐리닌 생합성 경로를 찾은 것에 대해 이 같이 설명하며 "수년 내 대량생산도 가능할 것"이라고 조심스레 전망했다. KAIST는 생명과학과 김상규 교수 연구팀과 화학과 한순규 교수 연구팀이 우리나라 자생 식물인 광대싸리에서 항암 효과로 알려진 세큐리닌 계열 물질이 만들어지는 핵심 과정을 처음 규명했다고 6일 밝혔다. 세큐리닌은 지난 1956년 광대싸리에서 처음 발견됐다. 지금까지 130종이 넘는 관련 물질이 보고됐다. 이들 가운데 일부는 항암 효과를 보이고, 뇌로 잘 전달돼 신경 재생을 돕는 효능이 있는 것으로 알려져 있다. 다만, 이 같은 세큐리닌 효능에도 불구하고 이 성분이 세포 안에서 어떤 과정을 거쳐 합성되는지는 지난 70년간 규명되지 않은 영역이었다. 광대싸리는 한반도 원산 약용 식물로, 민간에서도 오래 전부터 잎과 뿌리를 요통 등의 치료제로 썼다. 이 식물에 세큐리닌을 비롯한 다양한 알칼로이드 성분이 있어 신약 개발 가능성이 높은 약용식물로 주목받아 왔다. 한순규 교수는 "현재 경기도 성남 불곡산에 있는 KAIST 생태림에서 대량 재배 방법 등을 연구 중"이라며 "야생식물 재배법을 연구한다고 하니, 농가에서도 처음엔 황당해 했다"고 연구 초기 당시 힘들었던 상황을 토로했다. KAIST 출신인 한 교수는 MIT에서 박사학위를 받은 뒤 예일대학을 거쳐 지난 2014년부터 KAIST 교수로 재직해왔다. 한 교수는 "항암 성분 세큐리닌이 생성되는 전 과정을 처음 밝혀낸 것으로, 실험실과 미생물 공장에서 항암 물질을 안정적으로 생산할 수 있는 길이 열렸다"며 "특히, 화학과 생명과학의 협력이 핵심 역할을 했다"고 강조했다. 세큐리닌 계열 물질의 화학적 합성을 오랫동안 연구해 온 한순규 화학과 교수 연구팀과, 식물 유전체 분석과 단일세포 분석에 강점을 가진 김상규 생명과학과 교수 연구팀의 공동 연구 합작품이기 때문이다. 김상규 교수 연구팀은 'KAIST 생태림'에서 광대싸리를 확보해 연구 시료를 만들고, 식물 유전체를 정밀 분석했다. 특히 세큐리닌 생성이 활발한 잎 조직을 대상으로 단일세포 전사체 분석을 수행해, 어떤 세포에서 어떤 유전자가 작동하는지를 세밀하게 추적했다. 한순규 교수 연구팀은 세큐리닌이 만들어지기 바로 전 단계 물질이 '비로신 B'라는 것을 처음 확인하고, 이를 실험실에서 직접 만들어 변화를 관찰했다. 그 결과, 식물 속 효소인 '황산전이효소'가 비로신 B를 항암 성분 세큐리닌으로 바꾸는 데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 황산전이효소가 단순히 화학 성분을 붙이는 보조 역할이 아니라, 알칼로이드의 구조 자체를 바꾸는 데도 중요한 역할을 할 수 있음을 처음으로 보여준 연구 결과다. 연구팀은 이 연구를 위해 광대싸리 유전자 지도를 제작하고, 단일세포 전사체 분석을 통해 유전자 발현 패턴을 고해상도로 분석했다. 한순규 교수는 "용해도를 높이거나 물질 분해를 촉진하는 것으로 여겨졌던 황산전이효소가 알칼로이드 분자 골격의 재배열을 매개하는 최초 사례"라며 "황산전이효소의 새로운 역할을 발견해냈다는 의의가 있다"고 설명했다. 이 때 얻어진 두 개의 유전자에 각각 'FsNSST1/2'이라는 이름도 명명했다. 연구팀은 "모든 생합성 유전자들이(티로신, 라이신 등) 광대싸리 잎 관다발세포군(체관부유조직)에서 집중적으로 발현됐다"며 "이는 이차대사물질 생합성 경로상의 핵심 유전자뿐만 아니라, 이차대사물질 생합성을 보조하는 유전자 또한 유기적으로 연계디어야 함을 시사한다"고 부연설명했다. 김상규 교수는 "우리나라 자생 식물에서 얻을 수 있는 고부가가치 천연물이 어떻게 만들어지는지를 분자 수준에서 밝힌 것”이라며 “미생물이나 세포를 이용해 항암 물질을 안정적으로 생산하고, 다양한 의약학적 응용으로 이어질 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다. 연구에는 KAIST 정성준 박사후연구원, 강규민 박사후연구원, 김태인 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 15.7, 1월 23일자)에 게재됐다. 연구는 과기정통부/한국연구재단 중견 연구자 관련 사업, 농촌진흥청 NBT사업단 차세대농작물신육종기술개발 사업, KAIST 생태연구프로그램 지원을 받았다.
