대마에 극미량 존재해 직접 추출만으로 확보하기 어려운 천연물 ‘칸플라빈’을 효모나 식물로 생산하는 데 적합한 숙주·효소 조합이 확인됐다.

같은 물질을 만들더라도 생산에 이용하는 생물에 따라 효소의 활성이 달라져, 효소 성능과 숙주 특성을 함께 고려해야 한다는 연구 결과다.

농촌진흥청(청장 이승돈)은 식물·미생물 유래 후보 효소 6종을 효모와 실험용 담배에서 비교해 칸플라빈 생성에 적합한 조합을 확인했다고 밝혔다. 효모에서는 대마 유래 효소가, 담배에서는 미생물 유래 효소가 칸플라빈 생성에 적합한 것으로 나타났다.

건조 대마 1g에 0.2㎎ 미만…추출 한계 넘을 생산법 모색

칸플라빈은 대마에서 생성되는 플라보노이드계 천연물로, 대표적으로 칸플라빈 A와 B가 있다. 항염증 등 다양한 생리활성이 보고돼 기능성·의약 소재 후보로 활용 가능성이 연구되고 있다.

그러나 대마 식물체 내 함량은 건조 중량 기준 0.02% 미만으로, 건조한 식물 1g에 들어 있는 양이 0.2㎎에도 미치지 않는다. 식물에서 직접 추출하는 방식만으로는 충분한 양을 확보하기 어려운 이유다.

연구진은 이러한 한계를 보완하기 위해 효모나 식물 등 다른 생물을 이용하는 생명공학적 생산 전략에 주목했다. 효소를 만들어 작동시키는 생산 생물인 ‘숙주’로 효모와 실험용 담배(Nicotiana benthamiana)를 이용하고, 후보 효소별 칸플라빈 생성 여부를 비교했다.

효모에선 대마 효소…앞부분 일부 제거하자 생성 더 뚜렷

효모에서는 대마 유래 프레닐 전달효소 3(CsPT3)가 칸플라빈 A와 B를 생성하는 것으로 확인됐다.

연구진은 이 효소의 앞부분 일부 서열을 제거한 변형 효소 ‘cytCsPT3’도 제작했다. 동일한 시험 조건에서 비교한 결과, 변형 효소를 사용했을 때 칸플라빈 A와 B의 생성 피크가 기존 효소보다 크게 나타났다.

이는 식물 유래 효소를 다른 생물에서 활용할 경우, 숙주 특성에 맞게 효소 구조를 조정하는 것이 목표 물질 생산에 도움이 될 수 있음을 보여준다.

담배에선 미생물 효소…숙주 따라 달라지는 활성 확인

실험용 담배에서는 미생물 유래 효소 ‘NphB’가 칸플라빈 A 생성에 적합한 것으로 나타났다.

담뱃잎에서 후보 효소를 발현시킨 뒤 잎 추출물을 이용해 비교한 결과, NphB와 식물 발현에 맞춘 ‘NphB_Nb’에서 칸플라빈 A 생성이 확인됐다. 효모와 담배에서 적합한 효소가 달랐다는 점은 생산용 효소를 선정할 때 숙주와의 조합도 함께 검토해야 함을 보여준다.

연구진은 담뱃잎 추출물을 이용한 효소 활성 시험법도 구축했다. 시험 결과 pH 9.0에서 칸플라빈 A가 안정적으로 생성됐으며, NphB 단백질이 많이 만들어질수록 칸플라빈 생성량도 증가하는 경향을 확인했다.

효소 개량·생합성 연결…유용 천연물 생산 연구 확대

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Biotechnology for Biofuels and Bioproducts’에 게재됐다. 관련 기술인 ‘효모 또는 식물 기주 시스템 맞춤형 프레닐기 전달효소를 활용한 칸플라빈 A 생산방법’은 국내 특허 출원도 완료했다. 출원번호는 10-2025-0158399다.

농진청은 이번 성과를 식물에 소량 존재하는 유용 천연물의 생산에 적합한 효소와 숙주를 찾는 데 활용할 수 있을 것으로 기대했다. 향후 효소 성능을 높이고 여러 생합성 단계를 연결하는 합성생물학·대사공학 연구로 확대할 계획이다.

신공식 농진청 식물소재바이오공학과장 직무대리는 “이번 연구로 천연물을 생명공학 기술로 생산할 때 효소 자체의 성능뿐만 아니라 효소와 숙주 생물의 조합도 중요함을 확인했다”며 “앞으로 효소 성능을 높이고 칸플라빈 생성에 필요한 여러 과정을 하나의 생산 체계로 연결해 직접 확보하기 어려운 유용 천연물 생산 연구에 활용할 계획”이라고 말했다.