남극미세녹조류 AnF0048 의 저온 적응기작 연구

Abstract

광합성 녹조류인 AnF0048 은 남극에서 유래된 새로운 미세조류 종으로 4 ℃ 이하의 극한환경에 적응하여 살아가고 있다. AnF0048 는 극한 환경조건에서도 잘 자라며 그에 따른 생존 적응 기작을 가지고 있다고 생각된다. 남극 미세조류를 대상으로 국내외적으로 저온에 의해 유도되는 단백질과 대사산물 그리고 이와 관련된 유전자 등을 총체적으로 규명하려는 연구가 많이 되어있지 않고 있다. 본 연구에서는 이 종의 저온 생존 기작을 밝히기 위한 기초 데이터를 수집하고자 한다. 남극호수에서 사는 많은 미세조류 중에서 알려지지 않은 이 종의 종 분석을 internal transcribed spacer region 인 ITS 1 과 ITS 2 를 이용하여 계통생물학적 분석을 하였다. 그 결과 녹조류에 속하며 남극에서 유래된 새로운 미세조류 종 임을 확인하였다. 남극 녹조류 AnF0048 와 녹조류의 대표모델인 온대성 Chlamydomonas reinhardtii 를 대상으로 두 종의 생리적 특성을 분석하였다. AnF0048 의 생장조건을 알아보기 위해서 C. reinhardtii 와 AnF0048 의 4 °C~ 25 ℃ 에서 온도에 따른 성장분포를 보았으며 이미 저온에 적응하여 4 ℃ 에서 잘 자라는 것을 확인 할 수 있었다. AnF0048 의 -20 ℃ 저온에서 발현이 증가된 유전자들을 DEG (Differentially Expressed Gene) 로 찾을 수 있었다. 저온에서 발현이 증가된 LCIP (low CO2 inducible protein) 유전자를 가지고 아미노산에 대한 연관성을 보았으며 C. reinhardtii 의 LCI30 과 약 85 % 의 높은 유사도를 보였다. 이 유전자를 생물정보학적 분석을 통하여 전체 길이가 ORF 918 bp 를 포함하여 1284 bp 의 길이로 되어있는 사실을 알게 되었다. 여기서 유추한 아미노산의 서열은 305 개의 아미노산으로 구성되어있으며 이로부터 만들어지는 단백질의 크기는 35.32 kDa 으로 예상된다. 서로 다른 환경에서 자라는 종들에서 각각의 단백질의 존재 가능성과 발현 차이를 알아보고 분자생물학적 marker 로 사용하기 위하여 heterologous antibody 를 이용하여 Western blot 으로 screening 을 하였다. AnF0048 와 녹조류의 대표모델인 Chlamydomonas reinhardtii 과 같은 남극에서 서식하는 규조류 Chaetoceros neogracile 를 이용하여 연구를 수행하였다. 그 결과 AnF0048 에서는 광합성을 하는 생물이 낮은 CO2 에 적응하기 위하여 특징적으로 합성되는 CA (carbonic anhydrase) 와 항산화 효소인 Prx (peroxiredoxin) 와 Fe-SOD (Fe-Superoxide dismutases) 그리고 저온발현 단백질 AFP (antifreeze protein) 가 발현된 것을 확인 할 수 있었다. AnF0048 에서 저온적응 기작으로 남극 해양 미세조류 C. neogracile, Dunaliella sp. 에 비하여 항산화단백질 Prx, Fe-SOD 의 항산화력 활성의 증가를 볼 수 있었다. LCIP 유전자는 낮은 CO2 에서 발현된다고 알려져 있다. LCIP 의 특징을 더 알아보기 위하여 AnF0048 에 다양한 스트레스를 주어 생리적인 변화를 보았다. 다양한 CO2 (0.03 % ~ 5 %) 농도에서 뛰어난 성장을 보였으며 AnF0048 의 LCIP 는 CA 와 함께 낮은 CO2 농도에서 발현이 증가하였다. 또한 AnF0048 의 LCIP 는 freeze stress 를 20 분, 40 분, 60 분 주었을 때 스트레스를 받은 시간의 경과에 따라 발현이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 염분 스트레스환경에서 C. reinhardtii 와 AnF0048 는 다른 성장율 보였다. AnF0048 가 100 mM 의 농도의 염분에서 적응되어 생존하며 LCIP 유전자의 발현이 증가된 것을 확인 할 수 있었다.