흥미로운

[유수부쟁선]

트레할로스가 고농축으로 함유된 신비 식물 부활초

(사진제공=보나쥬르)

로즈오브예리코는 수분을 잃은 채로 몇 십년동안 죽은 모습으로 지내다가 소량의 물을 만나면 놀라운 재생 능력으로 부활 한다해 '부활초'라 불리우는 생명력이 질긴 사막의 신비의 식물이다.

부활초는 물이 없으면 선인장, 버섯, 효모 등에서 수분을 유지해주기로 잘 알려진 트레할로스를 형성한다. 이런 트레할로스가 고농도로 형성되면서 세포막을 보호해 기존에 받아 드린 수분을 극한으로 유지시켜주게 되는데, 이 과정에서 글리세릴 글루코사이드라는 아쿠아포린을 활성 성분이 발견되면서 최근 각종 학술지에 이슈가 되고 있는 식물 중에 하나이다.

아쿠아포린은 세포 내 수분 출입을 조절하는 세포의 배관 시스템이다. 2003년 피터아그레와 로데릭 맥키논 교수가 발견해 노벨상을 수상한 이론으로 다른 이온들을 통과시키지 않고 오로지 물 분자만을 통과시킴으로서 같은 양의 수분이 있다면 더욱 뛰어난 공급성을 보인다. 이런 아쿠아포린 활성 성분이 부활초 핵심 성분인 글리세릴 글루코사이드에서 또 다시 발견돼 새로운 이슈를 자아내고 있다.

디지털타임스 & dt.co.kr

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』
생물체의 60~70%는 물로 되어 있으며, 물은 생명의 일에 있어 필수적인 단백질, 핵산, 혹은 세포막인 어떤 구조에서도 그 기능을 유지하는데 중요한 역할을 하고 있다. 그 때문에 탈수 상태가 되면 보통 생물은 죽어 버린다. 그러나, 아프리카 깔다구(Polypedilum vanderplanki)의 유충은 거의 완전하게 탈수해도 죽지 않고, 건조한 상태에서 견딜 수 있다. 물론 탈수 상태에서는 모든 대사 활동이 정지하고 있어, 마치 물질과 같은 상태에 이르지만, 다시 물을 빨아들이면 소생한다. 따라서, 아프리카 깔다구는 생물과 물질의 사이를 충분히 오갈 수 있다. 여기서, 매우 흥미로운 것은 아프리카 깔다구 유충은 건조한 환경에 처하면, 사라져 가는 수분을 대신해 트레할로스(Trehalose)라고 하는 당을 체내에서 대량으로 합성?축적한다는 점이며, 이 사실은 일본 농업생물자원 연구소 연구팀의 이전 연구로부터 이미 알려져 있었다.  
최근, 트레할로스가 기초과학 및 공업적 견지에서 각광 받고 있는 큰 이유 중 하나는 이것이 생물의 세포나 단백질을 건조한 환경으로부터 효과적으로 보호하는 열쇠가 되는 물질이라는 인식이 퍼지고 있기 때문이다. 세포로부터 수분이 빠짐에 따라, 물분자 대신에 트레할로스가 세포막이나 단백질 등의 생체 물질과 결합하고(물치환 가설), 그와 동시에 이 당이 유리장과 함께 굳어져 생체 물질을 감싸게 됨에 따라(유리 상태 가설), 그것에 의해 구조가 망가지는 것을 막는 것으로 추측되고 있다.
일본의 도쿄 공업대학 바이오 연구 기반 지원 종합 센터 사쿠라이 연구팀은 일본 농업 생물자원 연구소의 건조 내성 연구단 오쿠다 연구팀과 함께, 아프리카 깔다구 유충의 건조 내성 메커니즘을 상세하게 해명하기 위하여 공동 연구하였다.

이번 연구에 이용한 아프리카 깔다구 유충은 유리 상태에 있었기 때문에, 체내에 축적된 대량의 트레할로스가 물의 대체물질로서 세포 등을 보호하는 역할을 이루어 있다는 가설을 바탕으로 물질 과학 기법에 의해 해석을 시도하였으며, 그 결과, 동물(곤충)의 건조 내성 메커니즘을 밝혀내는 것에 세계 최초로 성공하였다.

연구팀은 상온에서 상대습도를 단계적으로 내림으로써 천천히 건조시킨 Slow 샘플과 급속히 건조시킨 Quick 샘플을 대상으로 실험하였는데, Slow 샘플은 상온에서 건조한 상태로 보존이 가능하며, 수분을 보충해 주면 1시간 정도 후에 소생이 가능하였으며, Quick 샘플은 체내에 트레할로스가 축적되지도 않고, 또 수분을 보충해 줘도 소생하지 않았다.

적외선 흡수 스펙트럼 (Fourier-transform infrared (FTIR) analyses) 을 이용한 실험결과, Slow 샘플은 트레할로스가 체내에 골고루 분포하였지만, Quick 샘플은 체내 어느 곳에도 존재하지 않았다.

물질 과학적 측면에서 트레할로스가 어떠한 상태인지를 확인하였는데, Slow 샘플은 약 65℃이하에서는 유리 상태로 존재하는 것을 발견했다. 아프리카 깔다구의 유충이 생식하는 아프리카 중부 반건조 지대의 암반의 표면 온도는 낮 동안에는 60℃에 달한다. 따라서, 그런 극한 환경하에서도 이 유충은 유리 상태로 견딜 수 있는 것으로 추측되었다.

다음으로, 유리 상태의 트레할로스와 깔다구의 소생과의 관계를 알아보기 위해, 내열시험과 흡습 시험을 실시하였다. 열이나 습기는 유리 상태를 보관, 유지하기에는 불리한 조건인 것으로 물질 과학 분야에서는 잘 알려져 있다. 실험 결과, 가열 혹은 흡습에 의해 유충 개체의 유리 상태를 잃게 하면, 체내에 대량의 트레할로스를 축적한 유충도 소생할 수 없게 됨을 알 수 있었다.

마지막으로, 체내의 대량의 트레할로스가 물의 대체물질로서 세포를 보호하는 역할을 이루어 있는지 아닌지를 조사하기 위해, Slow 및 Quick 샘플의 분광 학문적인 해석을 적외선 흡수 스펙트럼 실험과 별도로 상세하게 실시하였다. 그 결과, Slow 샘플에서는 트레할로스가 세포막의 표면에 결합하고 있을 가능성을 강하게 시사하는 결과를 얻었으며, 거기서, 그 확증을 얻기 위해, 세포막 상태를 온도 가변적으로 분광 분석했는데, 건조한 상태에 있음에도 불구하고, Slow 샘플의 세포막은 통상의 생명 활동 상태 때와 같게, 상온에서는 유동성이 높은 액정 상태로 유지되고 있는 것을 확인하였다. 한편, Quick 샘플에서는 상온에서도 세포막의 유동성은 일부 없어져 부분적으로 겔로 불리는 단단한 상태가 되어 있는 것을 알게 되었으며, 이 결과와 앞서 이루어진 실험의 결과로부터, Slow 샘플에서는 체내에 골고루 분포한 트레할로스가 물의 대체물질로 작용하여 세포막을 보호하고 있는 것이 밝혀졌다.

본 연구 성과의 개요는 미국 과학저널 PNAS(25일자)에 온라인으로 발표되었다.

[편강]

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[프렉탈]

감사합니다 신기한궁요