김충곤(해양바이오신소재연구사업단 선임연구원)  
  
 본 연구실은 해양바이오신소재연구사업단 내에서 해양동물을 대상으로 분자계통과 집단유전 분석, 종 식별 분자마커 개발 및 유용유전자 발굴 연구 분야에 전문성을 갖춘 연구실이다. 
  우리 연구실에는 필자를 비롯해 책임연구원 이윤호 박사, 기술원 서현석, 과학기술연합대학원대학교 박사과정 김고은, 석사과정 정다금 학생과 연구원 송정민, 남기웅 등이 있다. 현재 수행 중인 연구사업으로는 우선 마린바이오 21 사업의 일환으로 진행되고 있는 해양극한생물분자유전체연구사업 중에서 해양동물분자마커개발 및 DB제작과 극한생물의 유용유전자 발굴 연구가 있으며, 해양수산부의 용역과제로 수행되는 해양생물다양성 보전대책 연구, 생명공학연구원과 공동연구로 진행되는 해양무척추동물의 시알산전이효소 연구, 해양연구원 기본사업으로 수행되는 열대해역 해양생물자원 개발 연구 등이 있다. 
 해양동물의 분자마커 개발 분야에서 현재까지 남북극으로부터 채집해온 성게를 비롯한 극피동물 100여종과 환형동물 30여종, 어류 30여종의 분자마커를 결정했고, 아울러 분자계통을 분석하였다. 그 중에서 특히 홍어와 연어에 대해서는 세계최초로 종 판별용 DNA칩을 개발하고 국내 특허를 출원하였다. 


 여기서 연어와 홍어의 DNA칩을 좀 더 상세하게 소개하고자 한다. 연어 종 판별 DNA칩은 작은 유리판 위에 각 연어의 종 특이적 DNA조각인 프로브를 심어 놓고 종명을 모르는 연어 샘플을 처리하면 정확하게 종명을 판별할 수 있는 기술이다. 이번에 개발한 연어 DNA칩으로는 국내 연안 및 하천에 서식하는 연어, 곱사연어, 시마연어, 산천어, 무지개송어는 물론 북태평양과 대서양 연안에 서식하며 식용으로 많이 이용되는 홍연어, 왕연어, 은연어, 컷스로트송어, 대서양연어 등 모두 10종을 식별할 수 있다. 연어는 노화 방지와 암 예방 효과가 비타민의 100~1000배 정도 강한 웰빙식품으로, 세계적으로 연간 약 5조원의 시장을 형성하고 있다. 또한 연어는 방류된 자국연어의 자원에 대한 권리주장이 제기될 수 있어 국제적인 분쟁이 야기될 수도 있다. 이러한 시점에서 각 연어종의 판별을 위한 DNA칩 개발은 의미가 크다고 할 수 있다.   

 한편, 홍어-가오리류 판별 DNA칩은 홍어과 어류의 대표 격인 참홍어를 비롯하여 국내 유통되고 있는 일명 간재미라고 알려져 있는 홍어와, 무늬홍어, 광동홍어, 고려홍어, 오동가오리, 노랑가오리, 흰가오리, 흑가오리, 목탁가오리, 박쥐가오리 등 모두 11종을 식별할 수 있다. 홍어류는 삭혀서 먹을 수 있는 유일한 생선으로 우리나라 고유의 전통 음식의 재료로 이용되어 왔으며 현재 전 세계 생산량의 90% 이상을 우리나라에서 수입하고 있다. 일반적으로 회 무침 등으로 널리 이용되며, 콜라겐이 많아 피부를 부드럽게 해주고 주름살을 없애주며 관절염 예방에도 효과가 높은 것으로 알려져 있다. 연간 국내 시장 규모가 약 700억 원에 달하고 있으나, 홍어-가오리의 형태적 구분이 쉽지 않아 값싼 가오리가 홍어로 판매되는 경우도 있으며, 수입산과 국산의 구분이 어려워 유통시장에서 큰 혼란을 겪고 있다.

 이번에 개발한 DNA칩은 국제적으로 생물의 종판별 표준시스템으로 정착되고 있는 유전자신분증제도 (barcode of life)를 실용화시킨 것으로서, 각 생물종의 독특한 DNA 염기서열을 이용하여 종을 판별함으로써 형태적으로 구분이 힘들거나, 가공 처리된 수산물도 판별을 가능케 한다.    
 앞으로 우리 연구실에서는 국내 연안생태계의 다양한 해양생물뿐만 아니라 국립수산물품질검사원과 공동으로 갈치, 오징어 등 주요 수산물을 대상으로 유전자신분증제도 및 종판별 DNA칩을 확대 구축할 계획이다. 이번 DNA칩 개발은 약 200조원에 달하는 전 세계 수산물 유통 시장에서 우리나라가 유전자신분증제도 실용화 기술 분야의 선도적인 역할을 하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.  
 

 유용유전자 발굴 분야에서는 남북극 생물을 대상으로 다량의 EST Library를 확보하였고, 이들 중 산업적으로 활용 가치가 높은 유전자들을 발굴하여 단백질생산을 시도하고 있는 중이다. 그 중에서 남극에서 채집된 원시곤충인 톡토기 유래의 Beta-mannanase와 남극대구 유래의 결빙방지단백질 유전자가 발견되었다. Beta-mannanase는 상아야자의 견과, guar gum, coffee, konjak의 뿌리 등과 같은 식물체에 존재하는 beta-mannan의 beta-1,4-mannosidic linkage를 가수분해하는 효소로서, 제지산업, 커피, 초콜릿, 카카오 음료 생산과정에서 점성을 제거하는 공정에 사용될 수 있다. 또한 최근에 이들 효소에 의해 분해된 mannooligosaccaride가 장내정상 균총인 Bifidobacteria의 증식에 유용한 에너지원임이 밝혀져(Kobayasi et al., 1984), 식품첨가물 및 사료첨가물로서의 활용이 검토되고 있다. 남극곤충 유래의 재조합 beta-mannanase는 pH 3.5 와 30℃에서 가장 높은 활성을 보였고, 산성의 조건과 저온환경에서 안정성을 유지하였다. 따라서 남극곤충 유래의 beta-mannanase는 식품첨가물 및 사료첨가물로서 사용될 수 있는 높은 가능성을 보여준다. 
 
 결빙방지단백질(Antifreeze protein, AFP)은 극지방 어류에서 처음 발견된 이래(DeVries, 1971), 육상의 다양한 절지동물에서도 발견되었다. 결빙방지단백질은 장기 및 혈액보관, 냉동배아 보존의 첨가제와 같은 의학용도 뿐만 아니라 냉동냉장 식품의 첨가제로서 사용될 수 있다(Fletcher et al., 2001). 이러한 결빙방지단백질은 각각의 특성에 따라 크게 4가지 형태(AFP Type I, II, III 및 AFGP)로 분류된다. 지금까지 남극대구에서 분리된 결빙방지단백질은 AFGP (Antifreeze glycoprotein)로서, 아직까지 다른 형태의 결빙방지단백질 존재에 대한 보고는 없었다. 우리 연구실에서는 최초로 남극대구 유래의 AFP Type II 유전자를 발견하여 클로닝 하였다. 남극대구 유래의 AFP Type II 단백질의 특성을 연구하기 위하여 가장 중요한 사항은 활성을 갖는 많은 양의 단백질을 확보하는 것이다. 이에 따라 우리 연구실에서는 대장균 발현시스템을 이용하여 남극대구 유래의 AFP Type II 를 얻기 위한 노력을 지금도 계속하고 있다. 

 다른 한편으로는, 남극에서 채집해온 원시곤충의 미토콘드리아 게놈을 해석하는 연구도 수행 중에 있다. 이 연구의 목적은 남극톡토기(학명: Cryptopygus antracticus)의 미토콘드리아 유전체 분석을 통해 남극 톡토기와 다른 톡토기 사이의 계통유연관계는 어떠한지, 또 미토콘드리아 유전체의 분자적 진화는 어떤 방식으로 진화해 왔는지, 그들의 미토콘드리아 유전체가 남극의 극한 기후에는 어떤 방식으로 적응해 왔는지를 알아보는 것이다. 남극 톡토기의 미토콘드리아 유전체의 염기서열 분석은 최근에 완료하였으며 그 크기는 약 15.3 kb 정도였다.

 남극톡토기의 미토콘드리아 유전체는 다른 후생동물(Metazoa)과 마찬가지로 13개의 단백질 발현 유전자, 2개의 리보좀 유전자를 가지고 있었으며, tRNA 유전자는 다른 후생동물보다 2개가 많은 24개가 발견되었다. 미토콘드리아 유전체 염기서열 분석을 통해서 계통유연관계를 분석했는데 지금까지 전통적으로 형태에 기반하여 톡토기목을 톡토기 상과와 털보톡토기 상과로 나눈 분류체계를 강하게 지지하는 결과가 나왔다. 또한 톡토기는 머리, 가슴, 배로 구성되어 있고, 다리가 여섯 개 임에도 불구하고 곤충이 아닌 별개의 분류군에 속한다는 결과도 나왔다. 유전체를 구성하는 물질인 DNA는 A, T, G, C로 이루어져 있는데, 남극톡토기의 미토콘드리아 유전체는 다른 절지동물에 비해서는 이 네 가지 물질 중, A와 T가 낮아지는 방향으로 진화압력을 받고 있었다. 그런데 특이하게도 리보좀을 발현하는 DNA는 이 압력에 저항하여 A와 T를 충분히 높은 상태로 유지하고 있었다. 이것은 극도로 낮은 온도에서도 RNA의 유동성을 유지하려고 하는 적응의 결과가 아닌가 추측된다. 남극 톡토기의 유전체를 다양한 유전정보학기술을 통하여 분석하면, 톡토기 뿐만 아니라 절지동물, 혹은 진핵 생물의 분자 진화 메커니즘을 규명하는 데이터를 축적하는데 도움을 줄 수 있으며, 저온활성 단백질 연구 및 기타 연구를 수행하는 데 있어서도 기본적인 데이터를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.

2006-09-26