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식물분자생리학 연구실 / 오승은

Cellulose Synthase 유전자(CesA) 연구

식물로부터 유래된 섬유(fiber)는 오랫동안 섬유와 제지산업의 원료로 사용되고 있지만 최근에는, polymer matrix composite의 합성에 이용되고, cellouose를 nano화한 microfibrilated cellulose와 같은 신소재로서 다양하게 활용되고 있다. 섬유의 주성분은 cellulose synthase complex(CSC)에 의하여 합성되는 cellulose microfibril 다발이다. CSC를 구성하는 cellulose synthase의 각 member의 발현과 기능 특성을 연구하면 인위적으로, CSC의 구성과 cellulose microfibril 생합성 특성을 변형시킬 수 있을(CSC tailoring) 것이며, 이를 통해 다양한 물리적 특성을 갖는, 신소재의 개발에 사용할 수 있는 새로운 섬유를 생산할 수 있을 것이다. 현재, PMP Lab에서는 인피섬유(bast fiber)를 생산하는 아마(flax)로부터 cellulose synthase를 암호하고 있는 유전자들을 분리하고, 이들의 생장과 발생에 따른 그리고, 특정 CesA member의 발현을 억제한 후 이에 따른 다른 member들의 발현 양상의 변화를 밝히고 있다.

Cellulose Synthase (CESA)

Cellulose synthase는 세포벽 주요성분인, cellulose microfibril을 합성하는 효소이며, multigene family에 의해 암호 되어있다. 몇 종류의 CESA member들이 CSC(Cellulose Synthse Complex)를 형성함으로써 효율적으로, cellulose microfibril 다발을 합성한다 (Fig. 1).

CSC를 구성하는 CESA member들은 Fig. 2와 같이 보존되어 있는 domain과 motif를 공통적으로 갖고 있지만, 2 곳의 hyper variable region의 염기서열에서는 상당한 차이를 나타내고 있다.

각 member의 염기서열은 동일종의 CesA paralog 사이에는 염기서열 간에 매우 낮은 일치도(identity)를 나타내지만, 다른 종에 존재하는 ortholog 간에는 상대적으로 높은 일치도를 나타낸다. 따라서, PMP Lab에서는 이미 밝혀져 있는 CesA의 염기서열을 이용하여, RT-PCR과 RACE 기법을 사용하여 아마로부터 1차세포벽과 2차세포벽의 cellulose microfibril 합성에 관여하는 CESA들을 확보하고 있다.

아마(Linum usitatissiumum)

아마(flax)는 대마(hemp; Cannabis sativa), 황마(jute; Corchorus capsuloaris), 케나프(kenaf; Hibiscus cannabinus) 등과 함께 인피섬유(bast fiber)를 제공하는 자원식물이며, 섬유를 연구하기에 적합한 재료이다(Fig. 3).

아마 형질전환

아마는 실험실 조건에서 잘 생장하며, in vitro 배양이 가능하며, Agrobacterium을 이용하여 효율적으로 형질전환 시킬 수 있다. PMP Lab에서는 확보한 CesA의 발현과 기능 특성을 밝히려고 특정 CesA의 발현을 RNAi(RNA interference) 방법으로 억제시킨 형질전환 아마를 개발하고 있다(Fig. 4).

References

D. J. Cosgrove (2005) Growth of the plant cell wall. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 6: 850-861
T. A. Richmond (2000) Higher plant cellulose synthases. Genome Biol. 1: 3001.1-3001.6
R. Huis et al. (2012) Natural hypolignification is associated with extensive oligolignol
accumulation in flax stems. Plant Physiol. 158: 1893-1915

약용식물 연구

2002년부터, 한국한의학연구소 (KIMOS)와함께 보건복지부가 지원하는 ‘한약 규격화를 위한 감별시스템 구축 연구’를 시작하였다. 현재, 한약재로 사용되고 있는 특정 약용식물로부터 획득한 genomic DNA와 UBC primer를 이용한 RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA)와 ITS(internal transcribed spacer)-염기서열 결정을 통해 특정 약용식물 종간의 유전적 유연관계를 밝힘과 동시에, 특정 약용식물 종을 다른 식물로부터 구별할 수 있는 SCAR 마커와 표준 ITS 염기서열을 개발하고 있다. 이러한 연구를 통해 정품 한약재로 사용되는 약용식물을 비정품 한약재로 분류된 약용식물로부터 효율적으로 구별할 수 있는 방법이 개발될 것이다.
최근에, 식물 metabolomics (대사물질체학) 기법을 약용식물 분야에 응용하기 위한 기초 연구를 시작하였다. GC/MS 등을 이용한 metabolite profiling을 시행함으로써, 약용식물의 품질을 관리하고, 약리효과를 갖는 새로운 대사물질을 발견 할 수 있을 것으로 예상한다. 그리고, metabolomic 분석을 약용식물에서 특정 대사물질 합성과 관련된 새로운 합성 경로를 찾거나, 특정 대사물질의 대량 생산을 위한 유전자 조작의 표적이 되는 생합성 경로를 찾는데에도 응용할 수 있을 것이라 기대한다.