▲ 열매 강화 라인에서 대사경로 재배열 / 경상대학교 박순주 교수 연구팀에서 선행보고한 까마중 열매 강화 라인(s1/+s2s3 mutant)에서 GAME4 제거시 a) 열매 개수는 크게 증가하면서도 b) 디오스게닌 수율은 희석되지 않음을 보임.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

길가에서 흔히 볼 수 있는 잡초 ‘까마중’이 첨단 바이오 기술을 통해 의약품 원료를 생산하는 식물 공장으로 탈바꿈했다. 국내 연구진이 유전자 교정 기술로 식물의 대사 경로를 정밀 설계하며, 수년이 걸리던 의약품 원료 생산 구조를 획기적으로 단축하는 데 성공했다.

KAIST는 생명과학과 김상규 교수 연구팀이 경상국립대학교 박순주 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 까마중(Solanum nigrum)을 활용해 스테로이드 호르몬 의약품의 핵심 원료인 ‘디오스게닌(Diosgenin)’을 고효율로 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

디오스게닌은 소염제, 면역 조절 치료제, 피임약 등 다양한 스테로이드계 의약품 합성의 출발 물질로 사용되는 핵심 원료다. 현재 산업적으로는 주로 ‘마(Dioscorea)’의 뿌리에서 추출하지만, 재배와 수확에 수년이 소요되고 유전자 조작이 어려워 생산 확대에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 생장 주기가 약 3개월로 짧고 유전자 조절이 용이한 까마중에 주목했다. 까마중이 원래 생성하는 독성 스테로이드 물질 ‘솔라소딘(Solasodine)’이 디오스게닌과 구조적으로 유사하다는 점에 착안해 대사 경로 자체를 재설계하는 전략을 선택했다.

연구진은 유전자 가위 기술인 CRISPR-Cas9을 활용해 ‘SnGAME4’ 유전자를 교정함으로써 독성 물질 생성 경로를 차단하고 디오스게닌 합성 경로로 대사 흐름을 전환했다. 이어 ‘SnGAME25’ 유전자 억제를 통해 잎과 열매 모두에서 디오스게닌 축적량을 크게 높이는 데 성공했다.

또한 까마중이 자체적으로 보유한 효소 베타-글루코시다아제(SaF26G)를 활용한 자연 발효 공정을 접목해 추출 효율까지 개선했다. 그 결과 녹색 열매에서 기존 산업용 원료 식물과 유사한 수준의 디오스게닌 생산이 가능함을 입증했다.

여기에 경상국립대학교 연구팀이 개발한 ‘S 유전자 변이’ 기반 열매 수확량 증대 기술을 결합해 식물 한 개체당 생산성을 크게 향상시켰다. 동일 면적에서 더 많은 의약품 원료를 확보할 수 있는 산업화 기반을 마련했다는 평가다.

김상규 교수는 “이번 연구는 잡초가 가진 고유한 대사 시스템을 정밀하게 재설계해 고부가가치 의약 원료 생산 플랫폼으로 전환한 사례”라며 “보다 안정적이고 친환경적인 방식으로 스테로이드 의약품 원료를 확보하는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 임종부 박사와 경상국립대 김근화 박사, 허정 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 식물과학 분야 국제학술지 'Plant Biotechnology Journal' 1월 16일자 온라인판에 게재됐다.

논문명은 Rewiring Steroidal Metabolic Pathways for Diosgenin Production in Solanum nigrum이다. 

전문가들은 이번 성과가 농업·바이오·제약 산업을 연결하는 ‘식물 기반 바이오팩토리’ 시대를 앞당기는 기술로, 향후 의약품 원료 생산 패러다임을 바꿀 가능성이 있다고 평가하고 있다.