과학기술/기타

FOOD STYLE21_2018.2 특집 (p39~58)

【특집1】
조류연구의 진전과 미래

섬나라인 일본에서도 해조류를 많이 먹는 지역에 사는 사람들 중에 특히 건강하게 장수하는 사람이 많다는 것이 역학조사 등으로 잘 알려져 있다. 그 중에서도 조류에 관해서는 성인병에 유용한 기능이 많으며 건강한 이미지로서 건강 기능 식품으로 증명되어 왔다. 미세조류를 포함해 최근 조류 연구개발이 성행하고 있으며 바이오 에너지 등의 개발 및 대사 등에 대한 메커니즘의 해석이 진행되고 있다. 이번에는 원석조류(Coccolithophorids) 연구의 1인자인 쓰쿠바(筑波)대학 명예교수인 시라이와(白岩) 씨의 인터뷰 외에도, 조류의 기능성에 초점을 맞춰 생리활성과 기능성 소재로서의 연구 동향을 전개해 나가겠다.

● 인터뷰; 미세조류 연구의 진전과 미래
시라이와 요시히로(白岩 善博) / 쓰쿠바대학 명예교수, 말레이시아 공과대학 객원교수

조류란 산소발생형 광합성 기능을 보유한 관다발식물과 선태식물 이외의 생물군을 총칭하지만, 진화과정에서 광합성 기능을 소실한 생물군도 포함된다. 생활환경은 염수성, 해수성, 고염농도 호수성, 기생성(氣生性) 등 다양하지만, 이번에는 해양식물인 플라크톤 ‘원석조류’의 연구자인 쓰쿠바대학 시라이시 명예교수에게 약 2억년 전에 생성된 원유 및 석탄암 등 지하자원의 근원이 된 원석조류를 중심으로 미세조류 연구의 역사와 함께 조언을 구했다.

-- 태고의 시대부터 퇴적해 온 미세조류 ‘원석조류’ --
유기지구과학 분야의 연구자들 사이에서는 ‘원석조류’가 생산하는 지질 알케논은 고해양(古海洋)온도를 복원하기 위해 이용할 수 있는 중요한 분자온도계(Mito Thermo Yellow) 물질로서 유명하다. 그 이유는 알케논이 약 35년 전에 해저 퇴적물로부터 발견되었으며 그 분자에는 합성되었을 당시의 온도 정보가 저장되어 있기 때문이다. 우리는 알케논의 합성과 대사의 메커니즘을 연구하고 동시에 그 유(油)물질을 바이오 연료로 활용하기 위한 연구개발을 하고 있다.

원석조류에는 기능성 지방산DHA(도코사헥사엔산)이 많이 포함되어 있어 같은 부류의 이소크리시스는 이미 고기능성 사료로서 수산양식으로 사용되어 양식어의 육질개선에 이용되고 있다. 즉, 원석조류에는 중성지질 알케논과 고기능성 지방산DHA의 2가지 기름을 생산하는 능력이 있다.

현 시점에서 알케논 분자를 단체(單體)로서 추출하여 그 대사 및 물질의 화학적 해석 연구를 추진하고 있는 곳은 쓰쿠바 대학과 미국 연구팀뿐이다. 그 합성과정 및 대사의 구조, 생리활성기능의 연구는 아직 충분하지 못하며, 식품 및 고기능 식품으로서의 이용 가능성도 미지수이다.

-- 필자의 광합성 연구의 시작 --
지구의 대기 CO₂농도가 산업혁명 이후 상승하여 여러 가지 지구환경에 변동을 일으키고 있다. 따라서 대기중의 CO₂를 줄이기 위한 CO₂ 고정화 연구와 기술개발이 급선무이다. 태양 에너지를 이용하여 CO₂를 유기물로 바꾸는 광합성 연구를 미세조류의 클로렐라을 사용하여 시도한 것이 우리 연구의 출발점이다.

일본의 본격적인 미세조류 연구는 전쟁 후, 도쿄대학 응용미생물 연구소와 도쿠가와(徳川) 후작이 메지로(目白)에 창립한 도쿠가와 생물학연구소에서 다미야(田宮) 선생(문화훈장상 수상)의 주도로 개시되었다. 클로렐라를 단백질원으로서 일본 어린이들의 급식에서 영양보충을 하도록 한 것은 진주군으로부터의 제안이었다고 한다.

도쿄대학 응용미생물 연구소에서는 클로렐라의 세포증식 및 광합성∙탄소대사의 메커니즘을 연구하며 도쿠가와 생물학연구소에서는 대량 배양하는 생산기술의 개발이 시행되었다. 그곳에서는 오픈폰드형 배양지로 커다란 둥근 배양지를 휘저어 대량으로 배양 및 생산하는 기술개발이 시행, 그 기술이 세계에 보급됨으로써 다양한 기업이 미세조류의 배양에 활용했다. 최근에는 레스웨이형 배양지가 많이 사용된다. 클로렐라의 식품이용으로 시작된 연구이지만, 대량으로 배양하기 위해서는 많은 비용이 들기 때문에 지금은 미세조류성분의 서플리먼트 이용을 위한 미세조류 배양이 활기를 띠고 있다.

필자는 지도교관인 도쿄대학 응용미생물 연구소의 미야지(宮地) 선생님 밑에서 클로렐라의 광합성 연구를 시작했다. 대량 배양 및 서플리먼트와는 관계없는 테마로서 클로렐라를 이용하여 연구 경험을 쌓아갔다.

클로렐라 연구에서 걸림돌이 되었던 것은 단단한 세포벽이었다. 클로렐라를 동물에게 주면 그 세포벽이 체내에서의 소화율을 악화시키는 점이 문제가 되었지만, 지금은 세포벽을 파괴하는 기술개발이 진행되어 산업이용∙제품화가 진전을 거듭하고 있다. 세포벽의 강고함이 기초연구에서도 큰 어려움을 주었다. 세포벽의 제거가 어려워, 물성 생식이기에 유전자를 다루는 분자생물학의 재료로서는 부적합하여 많은 노고를 필요로 했다. 그 이후, 같은 단세포 녹조류인 ‘클라미도모나스’로 세포벽 결손주를 얻을 수 있게 되어 세포벽의 문제가 해결되었으며, 뿐만 아니라 유성생식하기 위한 유전학을 적용하는 것이 가능하기 때문에 광합성 연구의 역사 속에서 ‘클로렐라에서 클라미도모나스’의 전환이 일어났다. 클라미도모나스는 한 때 ‘녹색의 효모’라고 불려졌으며, 미세조류의 모델 생물로서 많이 활용되고 있다.

필자도 광합성 CO₂고정의 연구를 클로렐라 및 클라미도모나스로 연구했으나, 조류 계통은 상당히 다양하기 때문에 단세포 녹조류를 조류의 대표라고 하기에는 무리가 있다. 나는 진화적으로 녹조류와는 완전히 다른 분류군의 조류 연구를 하기 위해 ‘원석조류’를 선택했다. 그 이유로는 광합성으로 CO₂를 고정하여 유기물을 만드는 기초적 구조는 다른 조류와 같지만, 그와 동시에 무기물인 탄산칼슘의 세포껍질을 만든다. 한 개의 단세포 생물이 유기물과 동시에 무기탄소화합물도 합성한다는 것에 주목했다. 원석조류가 어떤 구조로 무기물과 유기물을 합성하는지, 그 둘의 탄소고정∙저장기구가 어떻게 되어있는지, 그 탄소의 배분과 대사기능에 흥미를 가지고 세포내 대사메커니즘의 연구를 시작했다.

연구의 발단은 은사이신 도쿄대 미야지 선생이 해양 바이오테크놀로지 연구소 총합연구소장에 취임한 것에 있다. 통산성이 주도하여 기업과 함께 화학연료소비에 의한 ‘이산화탄소의 고정화 기술개발’ 프로젝트에서 미야지 선생과 마쓰나가(松永)도쿄 농공대 전(前)학장이 세계를 리드하여 해양 바이오테크놀로지라는 학문분야를 개설, 국제적 잡지인 마린 바이오 테크놀로지에 이를 발간하여 세계의 연구를 리드하는 체제를 정비할 수 있었다.

해당 연구소의 연구선인‘소겐마루(蒼玄丸)’를 통해 전세계의 바다에서 미세조류를 수집하는 가운데, 오스트레일리아의 그레이트 바리아에서 채취한 원석조류가 있어 그것을 양도받아 광합성의 CO₂고정∙대사의 구조 및 탄산칼슘 결정의 세포껍질을 만드는 메커니즘(바이오미네랄리제이션)의 연구를 시작했다.

그 후, 조류에 의한 바이오 연료 생산에 관한 연구가 세계적으로 활기를 띄게 되었으며 2010년에 마쓰나가 연구총괄의 지휘로 일본과학기술진흥기구(JST)의 ‘조류의 바이오 에너지 연구’에 관한 프로젝트로 ‘착편모조류(着鞭毛藻類, Haptophytes)가 생산하는 바이오 연료화를 위한 기반 기술 개발’이라는 테마로 ‘태고에 원조류가 기여한 원유생산을 현대에 되살린다’는 것을 목표로 연구개발을 개시하여 바이오 에너지 생산 연구에 종사해 왔다.

원석조류는 지질(脂質)로서 고기능성 지방산DHA를 생산하지만, DHA는 다른 조류에서도 생산된다. 주목한 지질 알케논은 원석조류에서만 생산된다. 알케논은 긴사슬 불포화 케톤으로서의 분자구조를 가지고 다른 조류의 저장 지질인 트리글리셀리드와 비교하면 분자구조 및 합성 메커니즘이 전혀 다르다. 원석조류는 전분을 만들지 않으며, 그 대신 기름을 저장하면서 살아가고 있다는 것을 밝혔다. 이 CREST 프로젝트 덕분에 알케논 연구가 크게 발전하여 바이오 에너지 생산에 유리하며 바이오 연료로서의 잠재력도 높아 이용가치가 높다는 것까지 밝혀졌다. 그러나 대량 배양을 위해서는 아직 과제가 남아있어 가솔린과 같이 대량생산을 시행하는 기술은 아직 확립되지 않았다. Drop-in-fuel로서 활용 가능한 높은 잠재력을 보여주는 연구 성과를 올렸다는 것이 현재 상황이다.

미국 연구팀은 원석조류로부터 바이오 디젤을 생산하여 알케논의 화학처리 물질을 내연기관에 사용하는 것이 가능하다는 것을 실험레벨에서 실증하고 있으므로 앞으로는 실용화를 위한 물질생산이 가능할 지가 중요한 사안이다.

전쟁 후에 단백질 공급원으로서의 클로렐라 생산의 연구 및 기술 개발을 시작으로 70년 이상이 된 지금에서도 식료 및 연료로서 채산이 맞을 정도의 고효율로 미세조류를 대량 배양하였으나, 그 이후에 유용물질을 생산하는 기술은 아직 개발 중에 있다. 세계에서는 이스라엘, 오스트레일리아, 미국, 대만, 중국 등에서 아스타크산틴, 베타카로틴, 색소, 미세조류 분말 등의 부가가치가 높은 물질 생산이 성행하고 있으며 일본에서는 오키나와에서 시행되고 있다. 일본의 연구∙기술은 세계를 리드하는 레벨이지만, 최근, 중국의 조류 바이오 연료연구와 기술개발이 급속도로 진전을 보이면서 국가레벨의 초대형 프로젝트를 짜서 시행하고 있다.

일본에서는 사계절의 변화, 겨울철의 저온, 일조시간 및 빛 강도의 변화에 따른 제한이 크므로, 그 문제를 회피하기 위해서는 고효율의 고밀도 폐쇄계 바이오리액터(생물 반응계)가 불가결하다. 조류 바이오 연료생산기술 개발을 지속해 나가는 것이 세계의 추세이며 미래를 내다 보면서 연구를 지속하는 것은 매우 가치 있는 일이라고 생각한다.

● 유글레나의 기능성 β∙글루칸: 파라밀룸
야자와 카즈나가 (矢澤 一良)

파라밀룸(β-1, 3-글루칸)이란 유글레나속(属)만이 세포 내 저장물질로서 생성하는 다당류이다. 파라밀룸은 유글레나의 모든 종에 존재하지만, 세포 내에 포함된 개수, 형태, 입자의 균일성은 그 종에 따라 특징이 있다고 되어 있다. 특히 파라밀룸의 세포 내 함유량은 유글레나의 배양조건(온도, 배양성분 빛의 유무 등)에 의해 크게 영향을 받는다.  

● 클로렐라 영양특성과 건강기능
후지시마 마사키 (藤島 雅基) / ㈜썬 클로렐라

클로렐라는 1890년에 네덜란드인 과학자 M. W. Beyerinck에 의해 발견된 직경 3~8㎛의 구형물질로, 운동기관을 가지고 있지 않는 염수성 단세포 식물의 녹조류로 분리된다. 발견 초부터 단백질의 함유량이 높다는 것 때문에 식량자원으로서 주목 및 연구되어 일본에서는 도쿄대학의 다미야(田宮) 교수가 1956년 중의원(衆議院) 과학시술진흥대책 특별위원회에서 식량생산∙식생활 개선을 목적으로 클로렐라의 이용을 논의. 이듬해 1957년에는 현재는 없지만, 도쿄 구니타치(國立)에 일본 식생활협회부속 일본클로렐라연구소가 설립, 클로렐라의 대량 배양풀이 건설되었다. 1960년대에는 클로렐라의 영양학적 연구가 보고되고 있다. 그 이후, 식량자원의 연구 과정에서 클로렐라를 먹이로 하는 동물의 성장 촉진 작용이 보고되었다. 또한 일본 최초의 임상 연구는 1962년 야마기시(山岸)로부터 소화성궤양의 환자에게 사용한 보고에서, 지금까지 면역 개선, 지질대사 개선, 수은 및 다이옥신 배출 촉진, 배변 개선 등의 건강 기능이 보고되고 있다. 여기에서는 클로렐라의 영양 특성과 우리의 지견을 소개하겠다.

● 가혹한 환경에서 생식하는 미세조류
스미 료 (鷲見 亮) / NISSOKEN본사 다나카(田中) 기념연구소

미세조류가 지구상의 모든 곳에서 생식하고 있다는 것은 전세계의 미생물 학자에 의한 연구로 이미 다 아는 사실이 되었다. 미세조류는 2만~3만종. 학자에 따라서는 그 수의 이상 서식하고 있다고 한다. 그 생식장소는 바다, 내천, 호수뿐만 아니라, 토양, 대기 중으로 광범위하다.

조류 중에서도 다시마, 미역, 김 등은 바다에서 자주 볼 수 있어 건강 식재로 오래 전부터 먹어 본 전통적인 조류이지만, 그것들은 대형 조류이다. 한편 미세조류는 종류가 방대하여 모양, 성분, 특징 등 각각 다양하며 최근에는 건강식품뿐만이 아니라. 사료, 토양개량제, 또한 환경분야에서의 응용도 확대되고 있어 무한한 가능성을 지니고 있다.

필자들은 방대한 미세조류 군집들 중 잔혹한 환경 속에서 생식하는 미세조류에 초점을 맞춰 소개하도록 하겠다.

● 푸코산틴의 항 비만효과와 미세조류 유래 푸코산틴
다케야마 쇼우고 (竹田　翔伍) / 오리자 유화

푸포키산틴은 다시마, 미역 등의 갈조류 및 일부의 미세조류에 포함된 칼로테노이드의 일종이다. 생리활성으로서는 항산화 작용, 항비만작용, 항당뇨병 작용, 항종양활성, 혈관신생억제 작용 및 항염증 효과가 보고되고 있으나, 특히 항비만작용에 대해서 많은 주목이 쏠리고 있다. 푸코산틴은 내장지방 속의 탈공역단백질인 Uncoupling PROTEIN-1(UCP1)의 활성을 높인다.
 

이 글에서는 푸코산틴의 항비만작용에 관한 증거를 소개함과 동시에 당사의 새로운 푸코산틴 제품인 ‘FucoRex TM’에 대해 소개하겠다.

● 특집관련의 최신 정보
편집부

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