<사진. 심해 스트렙토마이세스인 Streptomyces sp. SCSIO 03032에서 분리하고 감정한 새로운 대사물질
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

중국, 스트렙토마이세스 이차 대사물질에 대한 합성잠재력 해독 성과

고압, 고염도 및 저온의 심해환경은 "생명의 황막"이라고 인식하였다. 해양과학기술이 발전함에 따라, 사람들은 심해의 탐색능력이 점차 강해지고 있고 심해[심지어는 만 m 넘는 마리아나해구(Mariana Trench)]에도 미생물의 생명활동이 있다는 것을 발견하였을 뿐만 아니라 또한 심해 퇴적물 샘플에서 여러 가지의 종과 속의 방선균(actinomycetes)을 분리하였다. 게놈 시퀀싱에 의하면, 일부는 심해에 있는 방선균 게놈에는 많은 이차 대사물질 기반의 유전자집단(gene cluster)을 가지고 있다는 것을 설명하지만 대부분의 유전자집단은 일반적으로 발현하지 않기 때문에 이차 대사물질이 잠재력에 대해서는 더욱 많은 연구가 필요하다. 최근 몇 년간, 게놈 해독기술(mining techniques), 전사체(transcriptome) 해독기술, 단백질체학(proteomics) 기술의 발전 및 이런 기술의 조합은 이미 부분적인 생물합성 유전자그룹을 성공적으로 활성화하였고 상응된 물질의 화학적 구조를 얻었다. 그럼에도 불구하고, 전통적인 의미에서의 균주 배양조건의 변화방법은 아직도 "침묵" 유전자 그룹을 활성화시키는 일종의 효과적인 방법임에 틀림없다.

중국과학원 남해해양연구소 열대해양생물자원과 생태 중점실험실은 최근 10년간, 기금위원회의 남해 개방 출항과 인도양 출항에 근거하여 대량의 심해 내원(resource)인 배양 가능한 방선균을 누적하였다. 연구자들은 하나의 심해내원인 스트렙토마이세스(streptomyces) SCSIO 03032에 대해 체계적인 이차 대사물질 생산잠재력의 해독을 진행하였고 이 균주에서 모두 21개의 이차 대사물질을 분리하였는데 15개의 새로운 화합물이 포함되었다.

Streptomyces sp. SCSIO 03032는 Cai Zhang 연구원이 이끌고 있는 과제팀의 Xin-peng Tian 박사가 제공하였고 인도양 벵갈만(Bay of Bengal) 3,412m 깊이의 해저 퇴적물 샘플(2010년 봄, 인도양 출항할 때 채집)에서 분리한 것이다. 연구에 의하면, 이 균은 다양한 배양조건에서 다양한 대사물질을 생성할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 균을 개량한 A1BFe + C 배지(Medium)에 배양할 때, 이는 구조가 새롭고 독특한 쌍인돌(Bis-indole) 나사링(Screw ring) 식물염기(alkaloids)인 spiroindimicins A-D를 생성할 수 있다는 것을 발견하였고 이미 알고 있는 화합물은 lynamicins A와 D이며 그 중 spiroindimicin B는 중등 정도의 세포독성 활성(Cytotoxic activity, Organic Letters 2012, 14, 3364-3367)을 가지고 있었다. 이 화합물이 발표된 후, 천연산물계 종합성 저널인 Natural Product Reports("Hot off the press", 2012, 29, 1033-1037)에서 핫이슈 화합물로 선정되었다.

연구에 의하면 동일한 배양 조건에서 이 균은 α-pyridone 유형의 항생제인 mer-A2026B와 piericidin A1을 생성할 수 있다. Piericidin A1은 사립체와 세균 NADH ? 유비퀴논 산화환원효소(ubiquinone oxidoreductase)의 강력한 억제제이다. 게놈스캔(Genome scan)을 통해, 연구자들은 piericidin A1의 생물합성 유전자집단을 포지셔닝하였고 수산화효소(hydroxylase)인 Pie E와 메틸화효소(methylase)인 Pie B2의 생물학기능을 설명하였고 또한 ?pieE 돌연변이체에서 하나의 새로운 C-2/C-3 에폭시형 α-pyridone 항생제인 piericidin E1(Organic Letters 2014, 16, 734-739)을 얻었다.

최근, 연구원은 규모를 확대하여 개량한 A1BFe + C 비지에서 SCSIO 03032를 배양하여 일부의 미량 성분을 발견하였는데 이는 7개의 새로운 인돌류 식물염기 화합물이 포함되고 구조가 독특한 방향족화가 제거된 쌍인돌 식물염기인 indimicins A-E 및 새로운 유사체(Analogs)인 lynamicins F와 G로 감정(Journal of Natural Products, DOI: 10.1021/np500362p)되었다.

균주 SCSIO 03032의 이차대사물질의 합성잠재력을 심도 있게 해독하기 위해 연구자는 7개 다양한 배양조건에서의 대사스펙트럼을 체계적으로 측정하였다. 개량한 ISP3 배지에서 이 균은 3개의 새로운 대환식 락탐(macrocyclic lactam) 항생제인 heronamides D-F를 생성(Journal of Natural Products, 2014, 77, 388-391)할 수 있었다.

Streptomyces sp. SCSIO 03032는 심해 내원인 스트렙토마이세스이고 게놈 시퀀싱분석에 의하면 이는 26개 코드의 이차 대사물질 유전자집단을 가지고 있을 수 있다는 것을 설명한다. 연구자들은 spiroindimicins A-D, indimicins A-E 등 독특한 나사링 혹은 방향족화를 제거한 인돌 고리구조 화합물의 유전자집단을 이미 포지셔닝하였고 현재는 이들의 생물합성 메커니즘을 연구하고 있다. 이 유형의 화합물은 인돌 식물염기의 화학 다양성을 풍부히 하였을 뿐만 아니라 생물화학자가 심해 방선균에서 존재하는 독특한 효소학 메커니즘을 해석하는데 필요한 재료와 정보를 제공하였다. 연구자들의 연구는 심해 내원인 방선균은 구조가 독특하고 다양한 대사물질을 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것을 설명한다.

이 연구는 주로 Wen-jun Zhang 박사, Su-mei Li 박사, Yao-long Chen 및 Yi-guang Zhu 박사의 진행 아래, 중국 국가자연과학기금위원회, 중국과학기술부, 중국과학원 및 광동성(Guang-dong Province) 등 프로젝트의 지원을 받았다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr