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Korea Institute of Ocean Science & Technology

유레카! 100년 만의 재발견

  • 조회 : 1102
  • 등록일 : 2020-12-07
유레카! 100년 만의 재발견

「식물플랑크톤 배양주 자원의
대량 배양 방법 정립과 독성 분석 연구」


유레카! 100년 만의 재발견

불가능해 보이거나 하지 않던 것을 시도할 때 우리는 ‘도전한다’라고 말한다. 도전의 시작이 무모해 보이는 까닭이다. 물론 무모한 시도의 결과는 실패로 끝날 확률이 높지만, 익숙하지 않은 것에 대한 막연한 경계심을 무너뜨리고 도전할 때, 미지의 세계는 우리에게 새로운 가능성을 열어 준다. 이번 호에는 100년 만에 재발견된 ‘Centrodinium punctatum’의 배양 기술을 세계 최초로 확보하여, 그간 국외 기관에 의존해야만 했던 마비성 패류독소의 표준물질을 독립적으로 생산할 수 있는 기반을 마련한 KIOST 남해연구소 해양시료도서관 연구원들을 만났다.

동중국해에서 해양식물플랑크톤 채취 중
100년 전 학계에 보고된 ‘Centrodinium punctatum’ 발견

미국과 유럽 등 해양 선진국은 일찍부터 자국의 생물에 관한 검정법을 바탕으로 각종 독성물질을 신속하게 평가하여 조업 여부 등의 의사결정 및 바이오의약품, 화학물질 개발 등에 널리 활용하고 있다. 특히 삭시톡신과 유도체로 알려져 있는 마비성 패류독소는 독특한 생리활성 기작과 강력한 독성 때문에 과학계에서 많은 주목을 받고 있다. 그러나 우리나라는 독을 생산할 수 있는 종의 배양 및 독성분석 기술이 정립되어 있지 않았다. 따라서 캐나다국립연구소(National Research Council Canada)를 비롯한 국외 기관에서 마비성 패류독소를 평가할 수 있는 표준물질을 구입했는데, 그에 따른 필요한 절차 및 비용 문제와 함께 그 양도 극히 적은 물질의 희귀성 때문에 제한적인 연구만 진행되었다. 이에 KIOST는 지난 2016년 「해양생물독의 관리와 활용 기획연구」를 시작으로 다양한 마비성 패류독소의 분석 연구사업을 추진하며 자체적인 독성기술 개발 및 표준물질 생산을 위한 기술개발 확보에 나섰다.

해양생물 중 독을 생산할 수 있는 생물군은 다양한데, 그 중 해양식물플랑크톤인 와편모조류는 먹이망을 통해 패류를 독화시키는 마이크로미터 단위의 작은 생물군이다. 우리나라에서는 마비성 패류독소에 독화된 패류를 먹은 사람이 1986년과 1996년에 사망한 기록이 있으며, 이후 국립수산과학원에서 패류의 독소를 조사하여 패류채취 금지시기를 지정, 어민들과 국민들에게 관련 정보를 제공하고 있다. 이 같은 마비성 패류독소를 분석하기 위해서는, 관련 독소를 생산할 수 있는 와편모조류의 배양을 통해 바이오매스(biomass)1) 를 확보하고, 표준물질을 생산 할 수 있어야 한다. 하지만 앞서 언급한 것처럼 국내에서는 이를 배양할 수 있는 방법이 정립되어 있지 않았고, 대표적으로 발견되는 Alexanrdium 종은 독성이 약하고, 독소 성분분석에 필요한 다양한 독소를 생산하지 않는 어려움이 있었다. 이 같은 어려움은 동중국해에서 탐사 중이던 KIOST 남해연구소 해양시료도서관 신현호 관장이 와편모조류 종을 발견한 것을 계기로 일대의 전환점을 맞게 된다. 그는 KIOST 남해연구소 해양시료도서관에 위치한 해양식물플랑크톤 자원 보존실이 해양수산부에 의해 ‘해양생명자원 기탁등록보존기관’으로 지정된 후 해양식물플랑크톤 자원의 활용을 통한 국내·외 연구자들의 공동연구를 주도하기 위해 다양한 식물플랑크톤을 채집하고 있었는데, 연구자들의 끊임없는 노력을 바탕으로 확보한 해양 식물플랑크톤을 체계적으로 분류·보관·관리하는 과정에서 새롭게 발견한 와편모조류 종이 약 100년 전에 보고된 후 그림으로만 남아 있었던 ‘Centrodinium punctatum’이라는 것을 확인했다.

1) 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체와 이들을 식량으로 하는 동물, 미생물 등의 생물유기체

사진 1. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 신현호 관장

사진 1. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 신현호 관장

“국내·외 연구자들의 연구에 활용할 수 있는 배양주(strain)를 확보하기 위해 바다에서 해양식물플랑크톤을 채집하고, 현미경 관찰과 유전자 분석을 통해 종을 동정(同定)하는 과정에서 확보한 시료가 Centrodinium punctatum이라는 것을 알아냈습니다. 약 100년 전 학계에 보고된 후에는 다시 발견되지 않았기 때문에 관련 연구가 단절되었던 종이었는데, 분석 결과 Centrodinium punctatum이 분자계통학적으로 마비성 패독의 원인종과 밀접한 연관이 있다는 것을 확인하고 독성 분석과 배양 방법을 정립하기 위해 KIOST 본원에서 진행하는 「해양생물 기반 생리활성 화합물의 확보와 응용·평가 기술 개발」 사업에 참여했습니다.”


그림 1. 2018년 동중국해에서 발견한 ‘Centrodinium punctatum’

그림 1. 2018년 동중국해에서 발견한 ‘Centrodinium punctatum

해수의 온도, 염분, 영양염 등의 조건을 고려하여
최적의 배양 환경 구축

학제 간 공동연구 기반을 마련한 KIOST 남해연구소 해양시료도서관 연구팀은 본원의 연구자들이 독성 분석에 사용할 시료의 확보 및 추후 연구를 위한 바이오매스 확보를 목적으로 Centrodinium punctatum의 대량 배양에 착수했다. Centrodinium punctatum을 비롯한 식물플랑크톤은 독특한 배양조건에서 자신의 고유한 특성을 유지하면서 살아가고 있다. 따라서 해양 시료의 배양 및 품질 관리는 배양된 Centrodinium punctatum에서 연구에 사용할 수 있는 독성 물질을 얼마나 잘 추출할 수 있는가가 관건이다. 이에 연구팀은 해수의 온도, 염분, 영양염의 양, 빛의 세기와 파장은 물론, Centrodinium punctatum을 배양하는 용기 등 물리적 조건에 변화를 주며 최적의 성장 환경을 완벽하게 재현하고자 했다. 물론 그 과정이 순탄하지만은 않았다. 100년 만에 발견된 종으로, 세계 어느 곳에서도 배양에 성공한 적이 없던 터라 참고할 수 있는 사례 또한 전무했다. 가설을 바탕으로 짧게는 2달, 길게는 3달에 걸쳐 구축한 환경에서 기대한 결과를 얻지 못할 때도 많았던 것이다. 끝없이 반복되는 문제를 막힘없이 해결하는 방법은 ‘비가 올 때까지 기우제를 지내는 인디언들’처럼, 만족할 수 있는 답을 얻을 때까지 실험을 반복하는 것뿐이었다.

  • 사진 2. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 배양주 저장고

    사진 2. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 배양주 저장고

  • 사진 3. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 먹이생물 배양실

    사진 3. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 먹이생물 배양실

  • 사진 4, 5. Centrodinium punctatum의 배양(좌) 및 현미경 관찰 모습(우)
  • 사진 4, 5. Centrodinium punctatum의 배양(좌) 및 현미경 관찰 모습(우)

사진 4, 5. Centrodinium punctatum의 배양(좌) 및 현미경 관찰 모습(우)

사진 6. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 곽경윤 연구원

사진 6. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 곽경윤 연구원

“이처럼 대량으로 해양식물플랑크톤을 배양하는 건 처음이었어요. 최적화된 배양 환경을 찾기 위해 다양하게 테스트를 하려다 보니 평소보다 큰 보틀에 해수를 옮겼는데, 사용하는 해수의 양이 많다보니 복도가 지저분해질 때가 많았죠. 연구를 하는 시간보다 복도에 흘린 바닷물을 치우는 시간이 더 길다는 우스갯소리도 심심치 않게 나왔답니다. 하지만 이를 통해서 약 2.5톤 가량의 Centrodinium punctatum을 배양할 수 있는 기술을 확보했는데, 보안상 구체적으로 말씀드릴 수는 없지만, 국외의 타 기관에 의존하지 않고 독소를 독립적으로 생산할 수 있는 환경을 구축하는 성과를 얻었습니다.”

사진 7. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 윤주연 연구원

사진 7. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 윤주연 연구원

“살아있는 생물이다 보니 배양 중에 사망하거나 상태가 안 좋아질 때도 있었지만, 연구원들이 협심하여 개선점을 찾고자 노력했어요. 일반적으로 식물 플랑크톤이 잘 자라는 조건이 있는데, Centrodinium punctatum은 그 조건과 다른 지점들이 많았거든요. 예를 들면, 일반적으로 와편모조류는 정지된 해수에서도 잘 자라는데, 이 종은 파도가 쳐서 순환을 하는 환경을 계속 만들어줘야 했죠. 그 같은 시행착오를 바탕으로 수온과 염분에서 빛 파장대별 노출을 통해 나타나는 Centrodinium punctatum의 성장을 확인하며 최적의 배양 환경을 재현하고자 했습니다.”
독성 물질의 비교 분석을 통해
마비성 패독 원인종의 독소 생산 조건 규명

물리적 조건에 변화를 주면서 배양한 Centrodinium punctatum은 KIOST 남해연구소에서 본원으로 즉시 운반됐다. 이때부터 바통을 이어받은 KIOST 해양생명공학연구센터 이균우 책임연구원과 이지훈 책임연구원의 손길이 바빠졌다. 냉동 상태라면 배양주를 장기간 보관하는 것도 가능했지만, 그 시간이 길어지면 세포가 접합하고 분열하는 과정이 진행되면서 유전자 변형 및 DNA 로스가 발생할 우려가 있었던 것이다. 특히 독성을 함유한 Centrodinium punctatum을 배양한다는 목표를 달성하기 위해서는 해양생명공학연구센터 연구팀의 빠른 피드백이 필수적이었다.

  • 좌 : 요각류(Tigriopus japonicus) 사진, 우 : 요각류 유영경로추적 독성시험
  • A) 유독미세조류 처리 전 (많이 움직임)  B) 유독미세조류 처리 후 (적게 움직임)

그림 2, 3. KIOST 해양생명공학연구센터에서 수행 중이던 ‘플랑크톤을 활용한 독성 실험 사례’
좌 : 요각류(Tigriopus japonicus) 사진, 우 : 요각류 유영경로추적 독성시험
A) 유독미세조류 처리 전 (많이 움직임)
B) 유독미세조류 처리 후 (적게 움직임)

KIOST 남해연구소 해양시료도서관 연구팀의 임무가 최적의 배양환경을 찾는 것이었다면, 해양생명공학연구센터 연구팀은 기존에 공개되어 있는 독성연구 과정을 그대로 재현하는 과제를 수행해야 했다. 국제적으로 활용 중인 독성 분석기법을 재현하지만, 디테일한 과정이 생략되어 있으며 사용하는 분석 장비에도 차이가 있기 때문에 논문과 연구 사례 등의 자료 안에서는 찾을 수 없는 연결고리를 이어나가는 것이 이들의 역할이었던 셈이다. 이균우 책임연구원과 이지훈 책임연구원은 예상했던 것과 다른 결과가 나오면 기운이 빠지기도 했지만, 성공할 수 있다는 확신을 가지고 조건을 달리하면서 시험을 진행했다고 설명했다. 독성 분석에 성공했기 때문에 해외에서도 논문을 발표했으며, 우리도 해낼 수 있다는 믿음을 바탕으로 연구를 지속했다.

사진 8. KIOST 해양생명공학연구센터 이균우 책임연구원

사진 8. KIOST 해양생명공학연구센터 이균우 책임연구원

“KIOST 남해연구소에서 원인종이 도착하면, 바로 냉동 보관해서 최대한 빠른 시일 내에 분석 작업에 들어갔어요. Centrodinium punctatum에서 추출할 수 있는 독소가 14종인데, 독성이 강한 ‘네오삭시톡신’과 ‘삭신톡신’을 많이 함유하고 있었죠. 물론 초기에는 저희로서도 식물 플랑크톤의 독성 분석 기법을 100% 확립한 것이 아니기 때문에 어떤 때는 14종이 모두 발견되고, 또 어떤 때는 하나도 발견되지 않기도 했죠. 너무나도 상이한 결과를 보며, 실험 과정 중 어떤 부분이 문제였는지를 하나하나 파헤쳐 나가야만 했어요.”

사진 9. KIOST 해양생명공학연구센터 이지훈 책임연구원

사진 9. KIOST 해양생명공학연구센터 이지훈 책임연구원

“3년 전부터 원 내에서 자체적인 독성 분석 기법을 연구했는데, 차근차근 진행한 연구 사업을 바탕으로 기존의 마비성 패류독소를 생산하는 와편모조류보다 강한 독소 성분을 함유하고 있다는 것을 확인했습니다. 저는 화학자의 입장에서 독을 분석하다 보니, 그 값어치를 잘 몰랐어요. 그런데 생물을 연구하는 동료들은 놀라움을 감추지 못하더라고요. 우리나라에서 찾을 수 있는 와편모조류에는 저 2종류의 독이 적기 때문에 독에 대한 기초연구 외의 상업적 가치도 크다는 것이었는데, 그 말을 듣고 나니 저 또한 그간의 고생을 보상받는 것 같았죠.”
프랑스 국립해양개발연구소와 공동연구
8~10배 강한 Centrodinium punctatum의 독성 확인

포기를 모르는 양측의 기다림과 간절함은 마침내 빛을 보았다. 해양생명공학연구센터 연구팀의 분석 결과를 바탕으로 마비성 패류독소의 생산을 정량적으로 확인한 신현호 관장 연구팀이 최적의 배양 조건을 찾아낸 것이다. 이를 통해 세계 최초로 Centrodinium punctatum의 대량배양 기술을 확보한 KIOST 남해연구소 해양시료도서관은 이후 와편모조류 독소 연구의 대가들이 대거 포진되어 있는 프랑스 국립해양개발연구소(IFREMER, French Research Institute for Exploitation of the Sea)와 함께 공동연구를 수행했다. Centrodinium punctatum에서 추출할 수 있는 다양한 독소뿐만 아니라, 캐나다 등의 국외 기관에서 생산·수출하는 표준물질보다 8~10배 강한 독성을 확인한 연구팀은 저명한 유해조류학회지인 「Harmful Algae」에 그 내용을 발표했는데, 논문이 게재된 후에는 유전체 분석 및 의약품 개발 등의 상업적 활용을 목적으로 국외의 연구기관에서 공동연구 제의가 쏟아지고 있다. 연구팀을 이끈 신현호 관장은 “본 연구사업의 성공적인 수행을 통해 외국에 전적으로 의존하던 자원의 국산화를 이룰 수 있었다.”며 “마비성 패류독소 분석을 위한 표준물질을 생산할 수 있는 시스템을 완성하여 국내 연구진의 기초연구 및 의약품 생산에 도움이 되는 재료를 제공하겠다.”고 앞으로의 계획을 밝혔다. 특히 독소 성분을 정량적으로 분석할 수 있는 표준물질 생산은 윤리적으로도 문제시되고 있는 동물실험을 대체할 것으로 기대되고 있다. 이에 KIOST 남해연구소 해양시료도서관 연구팀은 현재 개발된 Centrodinium punctatum의 대량배양 기술을 고도화하여, 보다 다양한 후속 응용연구에 활용할 계획이다.

사진 10. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 박노영 연구원

사진 10. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 박노영 연구원

“동 연구가 상당 부분 진행된 상태에서 후발주자로 연구팀에 참여했어요. 지금까지는 Centrodinium punctatum을 단독으로 배양했다면, 향후에는 생물 종이 서로 다른 종을 만났을 때 생기는 상호작용에 따른 스트레스를 조절하여 독소 생산의 효율성을 높여나갈 계획인데, 팀에 합류한지 한 달밖에 되지 않았기 때문에 잘 해나갈 수 있을까란 걱정도 있지만, 천연생물자원을 활용한 자원의 국산화라는 중요한 연구를 함께할 수 있게 되었다는 기쁨이 훨씬 큽니다.”

사진 11. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 김현정 연수생(부경대학교 석사 과정)

사진 11. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 김현정 연수생(부경대학교 석사 과정)

“지난해 1월부터 연수생 신분으로 동 프로젝트에 참여했어요. 다른 곳에서 연수생 생활을 했다면 경험할 수 없는 프로젝트에 참여할 수 있다는 점이 매력적이었습니다. 짧은 기간이지만 열심히 연구한 만큼의 성취감을 가지고 석사과정을 밟아나갈 수 있었지요. 아직 경험이 많지 않아 실수도 잦지만, 늘 곁에서 세심하게 챙겨주는 박사님들이 계셔서 마음이 든든하네요. 앞으로도 팀원들과 소통하며 맡은 업무에 최선을 다하며 목표한 성과를 달성해 나가고 싶습니다.”

사진 12. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 한경하 연수생(부경대학교 박사 과정)

사진 12. KIOST 남해연구소 해양시료도서관 한경하 연수생(부경대학교 박사 과정)

“2018년도부터 동 연구팀에서 연수생으로 근무 중인데, 다른 와편모조류에서는 발견할 수 없는 독소들이 많이 발견되는 모습이 신기했어요. 전 세계를 통틀어 KIOST에서만 배양이 가능하다는 점도 큰 자부심으로 다가오고 있습니다. 하루 중 가장 많은 시간을 보내는 곳이 바로 여기인데, 괄목할만한 성과가 나왔기 때문에 긍정적인 에너지가 나오고, 프로젝트를 대할 때의 마음가짐도 달라지는 것 같네요.”
장기적 안목의 성장을 목표로
독성연구 분야의 새로운 미래를 열어가는 KIOST

“한 걸음, 한 걸음 나아가다 보면 어느새 그 먼길을 다 쓸었다는 것을 깨닫게 됐다.”는 소설 『모모』의 언급처럼, 지금 걷는 걸음들이 쌓여 독성연구 분야의 미래를 열게 될 것이라는 희망으로 새 각오를 다지고 있는 KIOST 연구진들. 당장의 이익이 아닌, 장기적 안목에서 의미있는 성장을 다져가는 이들의 도전이 마비성 패류독소에 의한 국민의 안전을 지키는 것은 물론, 이를 원료 또는 재료로 하여 바이오의약품 및 화학물질을 개발하고자 하는 국내·외 연구기관과도 협력적 연구를 수행하며 관련 분야의 세계적·독보적 입지를 굳혀나가길 기대해 본다.

* 본 기사는 코로나 방역수칙을 지켜 안전하게 촬영하였습니다.

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최종수정일 :
2020-12-17