들꽃 속 항암물질 비밀, KAIST가 70년 만에 풀었다

김상규ㆍ한순규 교수 연구팀
한반도 자생 약용식물 광대싸리 '세큐리닌' 합성 과정 규명
연구성과, 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 게재

KAIST 연구진이 우리나라 자생 약용식물인 광대싸리에서 항암 성분 '세큐리닌(securinine)'이 만들어지는 전 과정을 최초로 규명했다. 1956년 세큐리닌이 처음 발견된 이후 약 70년간 풀리지 않았던 생합성 미스터리를 밝혀낸 것이다.

KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 김상규 교수 연구팀과 화학과 한순규 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 광대싸리에서 세큐리닌 계열 물질이 생성되는 핵심 분자 과정을 규명했다고 30일 밝혔다.

좌측부터 KAIST 김상규 교수 한순규 교수. 사진 카이스트 제공.

광대싸리는 우리나라 산과 들에서 흔히 볼 수 있는 관목으로, 동북아시아 지역에서는 오래전부터 잎과 뿌리를 약재로 사용했다. 이 식물에는 세큐리닌을 비롯한 다양한 알칼로이드 성분이 포함돼 있어 신약 개발 가능성이 높은 약용식물로 주목받았다.

세큐리닌은 항암 효과를 보이거나 뇌로 잘 전달돼 신경 재생을 돕는 효능이 있는 것으로 알려진 물질이다. 지금까지 130종이 넘는 관련 물질이 보고됐지만, 식물 내부에서 이 물질들이 어떻게 만들어지는지는 밝혀지지 않았다.

생명체 안에서 천연물이 만들어지는 과정을 '생합성'이라고 한다. 모르핀, 카페인, 니코틴처럼 약효가 강한 알칼로이드는 구조가 매우 복잡해 생합성 경로를 규명하기 특히 어려운 물질로 알려져 있다.

성남시 불곡산 광대싸리 사진. 카이스트 제공.

이번 연구의 핵심은 화학과 생명과학의 협력이다. 세큐리닌 계열 물질의 화학적 합성을 오랫동안 연구해 온 한순규 교수 연구팀과, 식물 유전체 분석과 단일세포 분석에 강점을 가진 김상규 교수 연구팀이 힘을 합쳤다.

김상규 교수 연구팀은 성남시 불곡산 일대 'KAIST 생태림'에서 광대싸리를 확보해 연구 시료를 만들고, 식물 유전체를 정밀 분석했다. 특히 세큐리닌 생성이 활발한 잎 조직을 대상으로 단일세포 전사체 분석을 수행해, 어떤 세포에서 어떤 유전자가 작동하는지를 세밀하게 추적했다.

한순규 교수 연구팀은 세큐리닌이 만들어지기 직전 단계의 물질인 '비로신 B'를 찾아내고, 이를 실험실에서 직접 합성해 변화를 관찰했다. 그 결과 식물 속 효소인 '황산전이효소'가 비로신 B를 항암 성분 세큐리닌으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혔다.

유기화학과 단일세포전사체 분석을 통한 생합성 경로 규명. 사진 카이스트 제공.

특히 이번 연구는 황산전이효소가 단순히 화학 성분을 붙이는 보조 역할을 넘어, 알칼로이드의 구조 자체를 바꾸는 데도 중요한 역할을 할 수 있음을 처음으로 입증했다는 점에서 의미가 크다.

이번 성과로 실험실이나 미생물 공장에서 항암 물질을 안정적으로 생산할 수 있는 기반이 마련됐다.

연구팀은 "우리나라 자생 식물에서 얻을 수 있는 고부가가치 천연물이 어떻게 만들어지는지를 분자 수준에서 밝힌 것"이라며 "앞으로 미생물이나 세포를 이용해 항암 물질을 안정적으로 생산하고, 다양한 의약학적 응용으로 이어질 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 정성준 박사후연구원, 강규민 박사후연구원, 김태인 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 1월 23일 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견 합성생물학 사업, 농촌진흥청 NBT사업단의 차세대 농작물 신육종 기술 개발 사업, KAIST 생태연구프로그램의 지원을 받아 수행됐다.