세포배양에 의한 2차대사산물의 생산

최근에 식물세포에 기내에서 배양하여 유용 물질, 즉 식물세포의 2차 대사 작용에 의하여 생성되는 2차 대사산물을 획득하려는 시도가 활발하게 진행되고 있다. 이들 2차 대사산물은 생화학적 생태학적 면에서 볼 때 미생물이나 동물들로부터 식물체 자신을 방어하거나, 식물들 간의 먹이경쟁 또는 서식지 확보 등에서 우위를 차지하기 위하여 생산되는 것으로 대부분 생리활성물질로서 작용하기 때문에 관심이 커지고 있지만, 이들의 획득 방법은 최근 유기화학의 눈부신 발달에도 불구하고 화학적인 합성이 쉽지 않아 아직도 식물들이 화학적, 의학적으로 중요한 자원이 되고 있으며, 환경오염과 개발로 인한 자생지의 파괴와 계절, 장소, 기후 등의 재배조건에 따른 함량 변화, 생산비용 상승 등의 문제점이 있다. 따라서, 이러한 자원식물을 외부 환경조건을 적절히 조절할 수 있고 좁은 공간에서도 대량 생산할 수 있는 이점이 있는 기내배양기술을 이용하여 유용 물질을 생산하려는 연구가 계속되고 있다. 대부분의 식물은 한 개의 세포나 조직적으로부터 완전한 개체 식물로 재분화할 수 있는 능력, 즉 전형 성능을 지니고 있으며, 또한 기내에서 배양 중인 유리된 단세포나 캘러스 및 기관에서도 모식물체에서 생산되는 특적 물질을 생산할 수 있다. 따라서, 식물의 세포 및 조직배양기술을 이용하여 자연 상태에서는 생산량이 적거나 얻기 어려운 유용 물질을 여러 가지 배양법을 적용하여 기내에서 대량 생산하려는 시도가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 배양법이 확립된다면 식물의 생산성 향상에 크게 기여할 뿐만 아니라 식물체 내에 함유되어 있는 유용 물질을 기내배양을 통하여 손쉽게 얻을 수 있고, 이들 산물은 식품 및 생약이나 기타 원료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 세포배양을 이용한 유용 물질의 생산은 몇몇 종을 제외하고는 아직까지 산업적으로 실현되지는 않았지만, 기내배양을 통하여 식물체 내의 함유되어 있는 유용 물질인 2차 대사산물을 대량으로 얻을 수 있는 기술이 개발된다면 생활사가 짧고, 지역적, 계절적인 제약을 전혀 받지 않으며, 일정한 환경 하에서 안정되게 자원 세포를 공급할 수 있고, 약용식물은 생육이 느린 것이 대부분이지만, 배양세포의 생육속도는 빨라서 생산효율이 높아지게 되고, 배양환경의 조절이 용이하기 때문에 대사를 인위적으로 조절하여 특정한 2차 대사산물을 더 많이 축적하게 하는 실험이 가능하게 된다는 등의 장점이 있기 때문에 이 분야에 대한 관심이 금후 대단히 높아질 것으로 예상된다. 그러나, 식물의 세포 및 조직을 배양하여 형서오딘 탈분화된 조직은 일반적으로 식물체 내에 존재하고 있는 성분과 같거나 비슷한 물질을 생산하는 경우와 생산하지 않는 경우로 크게 나눌 수 있으며, 비록 특수한 성분이 생산되더라도 생성된 물질의 양이 너무 적어서 경제성이 맞지 않거나, 또는 특수 성분 생성능을 가진 세포주가 항상 안정된 상태로 존재하지 않고 계대배양에 의하여 높은 생산성이 소실되는 경우가 있으며, 미생물과 비교하면 배가 시간이 길어서 생산효율이 떨어지기 때문에 미생물에서 생산되지 않거나 또는 미생물보다 생산량이 훨씬 많은 물질을 대상으로 할 필요가 있는 문제점도 있다. 이와 같은 문제들은 어떻게 극복하느냐에 따라 성패가 달라진다고 해도 지나친 말은 아닐 것이다. 식물세포 및 조직을 배양하여 2차 대사산물을 생산하는 방법은 여러 가지 제약조건이 있지만, 그중 중요한 것으로서 배양액의 조성과 생장조절물질, 온도, 광, 통기, pH 등의 배양환경을 들 수 있으며, 이들의 변화에 따라 물질 생산량의 차이가 대단히 심하다. 따라서, 이러한 문제점과 생산량의 향상 방법을 중심으로 지금까지 여러 학자들이 연구한 결과와 식물세포배양에 의한 의약품 및 식물에 이용할 수 있는 유용 물질의 생산현황을 요약해 보기로 한다. 식물조직을 배양할 때 한 개체에서 유리된 세포들이라 하더라도 각 세포들의 물질 생산능력이 다르고 불안정하므로 보다 수율이 높고 유전적으로 안정적인 세포주를 선발하는 과정이 필요하다. 세포주를 선발하는 방법에는 세포괴 클리닝 법과 단세포 클로닝 법이 있으며, 일반적으로 클론이란 영양 생식으로 증식된 식물체, 조직배양에서 재분화된 식물체, 단세포에서 체세포 분열로 생성된 일련의 세포 및 한 조각의 DNA로부터 복제된 DNA를 가리키는 용어이지만 여기에서는 체세포 분열로 생성된 세포들을 의미한다. 식물세포는 미생물 세포와는 달리 단세포 상태에서 생장하기 어려워 10~100개의 세포들로 구성된 덩어리 상태에서 세포주를 선발하는 방법이 비교적 용이하다. YAMAMOTO 등은 적색 색소인 cyannidine monoglucoside를 생산하는 꽃기린의 캘러스에서 세포괴 클로닝 법을 시도하였다. YAMAMOTO 등은 각 캘러스를 10~100개의 세포들로 구성된 조각으로 분리하여 1M의 2,4-D, 0.2%의 맥아추출물, 2%의 한천이 함유되어 있는 MS 배지를 넣은 배양접시에 접종하여 28℃, 6,000 lux의 광조건 하에서 배양한 후 배양된 조각을 각각 이등분하여 한 조각은 색소를 정량하고 나머지 조각은 계대 배양하여 색소 함량이 많은 것을 선별하였다. 이와 같은 방법으로 28번 계대배양하는 동안에 매번 가장 빨간 캘러스를 선별하고 이러한 결과로 꽃기린의 캘러스로부터 높고 안정된 색소 함량을 갖는 세포주를 선별하였으며, 또 배양이 가능하다는 것을 보여주었다. 단세포에서 유래된 식물세포군의 유용 물질 생산능력의 변이는 여러 세포에서 유래된 세포군보다 변이가 적어 이론적으로 수율이 높고 물질 생산능력이 안정된 세포주를 선발하는 최선의 방법이다. 단세포를 얻는 방법으로는 여과, 효소를 이용하는 해리법, 원형질체로 분리하는 법 등이 있다. 그러나, 여과 또는 해리법으로는 모든 세포들을 단세포 상태로 얻을 수 없으며, 세포벽을 제거한 원형질체를 이용하는 방법이 모든 세포를 단세포로 만들 수 있어 가장 확실한 단세포 클로닝 법이다. FUJITA 등은 macerozyme R-10, driselase 및 cellulase Onozuka R-10으로 지치의 캘러스에서 원형질체를 분리한 후 16.2% 포도당을 삼투 조절제로 넣은 고체배지에서 배양하여 군체를 만든 다음 그 군체를 삼투 조절제를 넣지 않은 고체배지에서 캘러스를 만드는 방법으로 단세포 클로닝을 하였다. 이들에 따르면 이 방법이 시코닌 유도체를 고농도로 생산하는 세포주를 선발하는 데 효과적이었고, 또한 선발한 세포주를 계대배양할 때 산물 생산성에 변동이 적었다고 한다.