Amorphotheca resinae 을 활용한 멜라닌 색소의 생물 기반 생산 및 산업적 응용 연구

Studies on Melanogenesis of Amorphotheca resinae

for Bio-based Production of Melanin and Its Industrial Applications

(Amorphotheca resinae 을 활용한 멜라닌 색소의 생물 기반 생산 및 산업적 응용 연구)

 

논문 내용:

  멜라닌(melanin)은 피부, 머리카락 등 자연에서 흔히 찾아볼 수 있는 색소 중 하나다. 그러나 전혀 다른 생명체의 멜라닌 세포를 분석해보면 그 결과가 동일하거나 유사한데, 이는 멜라닌의 기능인 생명체 보호 기능 때문이다. 이러한 멜라닌은 색소로서 착색 기능 외에도 산업적으로도 다양하게 응용할 수 있는 가치가 크다. 이에 이를 대량 생산할 수 있는 미생물(진균류)을 선별해 이로부터 유래된 멜라닌을 활용하는 방안과 산업화에도 적용 가능한 제품을 만들고자 했다.

  곰팡이(진균)는 타 미생물과 비교했을 때 상대적으로 배양이 쉽고 생산 공정의 비용이 적어 이를 활용하고자 했으며, 멜라닌 색소 생산 공정을 조금 더 간단히 하기 위해선 균체외로 멜라닌을 생성하는 유용 진균 자원을 선별하는 과정을 거쳐야 했다. 이에 균주의 멜라닌 생성 기작을 이용하여 배지 내 멜라닌 색소 합성을 높이는 방안을 함께 제시하고자 했으며 유용 균주가 생산하는 진균 유래 멜라닌을 산업적 응용할 수 있는 2가지 방안까지 살펴보고자 했다.

  진균 자원의 선별은 100종에 다다르는 균주를 대상으로 실험을 진행한 결과, 수많은 시도 끝에 Amorphotheca resinae KUC 3009 균주를 찾았고 타 균주와 비교 시 균체외로 멜라닌을 생산하는 능력이 있다는 것을 확인했다. 이 균주는 펩톤-효모-추출물-포도당으로 조성된 액체 배지에서 14시간 배양을 통해 4.5 g/L의 멜라닌을 생산할 수 있는 능력을 보이고 멜라닌의 물리·화학적 구조를 분석한 결과 사람이나 오징어 먹물에서 찾아볼 수 있는 유멜라닌의 구조와 유사하다는 것을 확인했다. A. resinae의 균체외 멜라닌 생산 기작을 알아내고자 생물정보학적 접근 방법과 배양 특성을 확인했다. 해당 균주의 상층액 내 유멜라닌 유사 색소의 형성은 multi-copper oxidases의 laccase 효소 유사 활성과 배지 내 질소원에 의존하는데, 이러한 A. resinae의 균체 외 멜라닌 합성 기작을 응용하여 영양원에 기반한 배지 최적화와 in vitro 조건의 합성법을 활용한 멜라닌 일일 생산량 증가 방안들을 제시했다. 그 결과 멜라닌 생산을 높이기 위한 최적의 배양액 조건은 과당 16.83 g/L, 펩톤 16.34 g/L, 효모 추출물 10.82 g/L 와 같았다. 해당 조성에서는 기존 생산 방법과 비교하였을 때 단 9일간의 배양을 통하여 멜라닌 생산성을 기존보다 1.8배 높일 수 있었다. In vitro 멜라닌 합성법은 laccase 유사 활성을 띈 여과 상층액과 도파 용액을 혼합하는 방식으로 실시하였는데, 기존 생산 방법과 비교하였을 때 1.56배의 멜라닌 생산성을 확보할 수 있다.

  진균 유래 멜라닌의 상업적 응용 방안으로 중금속 흡착제와 자외선 차단제를 제시했다. 자연에서 곰팡이는 멜라닌을 이용하여 유해 중금속으로부터 세포를 보호하고, 자외선으로부터 DNA 손상을 막는 기능을 한다. 이에 중금속 중 2가 유해 중금속 이온을 제거하기 위한 생 흡착제로서 활용해본 결과, 멜라닌은 2가 구리, 납, 카드뮴, 아연에 대하여 69.18 mg/g, 103.23 mg/g, 24.31 mg/g, 13.57 mg/g의 최대 흡착 성능을 보였고 흡착 평형에 이르는 소요 시간은 2.5 시간 미만이었다. 기존의 생 흡착제와 비교하였을 때, A. resinae의 멜라닌은 2가 구리 및 납 이온에 대한 우수한 흡착능을 보였다. 이러한 점들을 고려하면, 멜라닌은 2가 구리 및 납이 포함된 폐수 처리에 활용될 수 있는 흡착 소재로 활용할 수 있다고 보인다. 또한, A. resinae 유래 멜라닌 시료를 이용하여 자외선 차단제 크림을 제조한 결과, 진균 유래 멜라닌 크림은 멜라닌 함량이 5%일 때 최대 2.5의 in vitro 자외선 차단 지수 (SPF)의 결과를 보였다. 이 크림은 UVB 영역 대비 UVA 영역 흡수 비율이 0.81을 넘었는데, 이는 화장품 가이드라인에 따르면 멜라닌 크림이 ‘광역 범위’ 자외선 차단제로 활용 가능하다는 것을 의미한다. 또한, 멜라닌의 안전성을 평가한 결과, 인체 각질 세포에 대한 세포 독성이 낮고, 높은 항산화 성능을 보유하고 있어 A. resinae의 멜라닌은 생체 적합성이 우수한 다목적 광역 범위 자외선 차단제로 사용될 수 있다는 것을 시사했다.

종합적으로 본 연구는 진균 유래 색소 생산의 기초 및 응용 연구 발전에 기여하고 아직 발전 단계인 바이오산업 향상을 위한 기초 지식을 제공하고자 했다.

 

 

오정주 박사 ⓒ 본인제공

 

저자 인터뷰:

가. 전공선택 계기

 어릴 적부터 생명과학 중 미생물학을 특히 좋아했었고 연구원의 꿈을 가지고 있었습니다. 그러나 대학원에 진학하고자 했을 때 어떤 미생물을 전공할지 막막했었습니다. 학부 마지막 학기에 들었던 수업이 균류(곰팡이)학 수업이었는데, 곰팡이 그 자체를 물질로 사용하거나 생산한 물질들로 인류가 누릴 수 있는 혜택이 너무나도 많다는 점이 상당히 인상적이었습니다. 그래서 곰팡이 유래 물질 등의 생물재료를 다루어보기로 마음먹게 되었고 이를 박사 학위 논문에서까지 다루게 된 것 같습니다.

 

 

나. 논문 주제 선정이유와 논문을 통해 독자들에게 전달하고자 하는 내용

 곰팡이 유래 물질 중 무엇을 다룰지 고민을 많이 했습니다. 관련한 많은 자료를 살펴보던 중, 수많은 종들이 비슷한 종류의 멜라닌 색소를 생산하고 이를 자신을 보호하는 데 사용한다는 특이점을 발견했습니다. 이에 곰팡이가 생성하는 색소를 사람에게 활용하는 방안에 대해 생각하게 되었고 멜라닌 색소의 생산과 그 응용 방안을 연구하게 되었습니다. 우리나라 바이오산업은 의·약학 쪽으로 치중되어 있는데 다른 분야의 생물 유래 재료를 생산하고 산업적 가치를 찾아보는 것도 시도해보고 싶었습니다.

 

다. 논문을 쓰는 과정에서 어려움

 한 교수님께서 수업 중 해주신 말씀이 기억납니다. 국내에서 곰팡이 연구자를 찾기란 참으로 쉽지 않고, 대부분 연구는 곰팡이 분류에 초점이 맞춰져 있다는 것입니다. 그래서인지, 국내 최대 미생물학회를 가더라도 관련 곰팡이 전문가를 만나기란 쉽지 않았습니다. 따라서 관련 실험을 진행하고 논문을 쓸 때 내가 맞는 방향으로 연구하고 있는지에 대한 의구심이 항상 들었습니다. 안타깝게도 연구실 선배님들은 이미 다 졸업하고 직장을 찾아 떠났기에 선배로부터 배울 수 있는 시간이 다소 적었습니다. 그래서 석사 1학기를 마칠 즈음부터 실험실의 유일한 멤버로서 대부분 시간을 지도교수님과 보내왔습니다. 졸업 논문의 방향성 때문에 힘들었던 시기도 있었습니다. 과제 진행에 있어선 앞서 시간을 함께 보내왔던 선배님들과 교수님의 노하우를 전수받고 이를 계속 활용하여 실험을 진행할 수 있었지만, 졸업 논문은 다소 창의적이고 예상치 못한 아이디어로 실험해야 한다는 교수님의 지도 방침 때문에 담당하던 과제 내용과는 약간 상이한 내용으로 연구했습니다. 그래서 스스로 논리적으로 한 단계씩 앞으로 나아가며 실험을 전개해야 했었습니다. 그 당시에는 처음이라 그랬는지 독립적으로 연구하는 게 참 어려웠습니다. 관련 논문을 많이 읽고 궁금증과 막연함을 해결해가며 학술지에 논문을 투고할 시기도 있었는데, 이때 논문 글쓰기의 방향도 중요하다는 것을 알았습니다. 교수님께서는 제가 스스로 학술지를 선정하고 투고할 기회를 항상 주셨습니다. 그러나 학술지로부터 여러 차례 게재 거절을 당하고 보니 참으로 기분이 착잡하였지만, 거절 결정 이유를 보고 나서야 제가 논문을 쓸 당시 잘못 짚은 내용들을 찾아볼 수 있었고 스스로 ‘왜 거절을 당하고 나서야 잘못 서술한 것을 보게 된 것일까?’라는 생각을 하게 되었습니다.

 

라. 논문쓰기를 앞둔 후배들에게 조언

저는 논문 쓰기를 앞둔 후배들에게 조언할 위치는 아닌 것 같습니다. 본교 학생들이라면 당연히 뛰어나기 때문에 논문을 문제없이 잘 해낼 것이라 믿습니다. 다만, 박사과정 때 겪었던 시행착오들이 어느새 저만의 노하우가 되었습니다. 박사과정을 마치고 현재 해외에서 박사후연구원으로 활동하고 있는데, 지금까지 쌓아온 노하우가 외국 학생들을 지도하거나 연구원들과 협업할 때 큰 도움이 되는 것 같습니다. 실험 실패를 실패라 여기지 않으면 장기적인 박사과정 생활에서 크게 도움이 되지 않을까 싶습니다.

 

 

논문 목차:

Chapter 1. General introduction

1.1. Melanin: a unique class of biological pigment

1.2. Properties of melanin and their industrial potential

1.3. Production of melanin or melanin-like materials

1.4 Objectives of this study

1.5 References

 

Chapter 2. Production and characterization of melanin pigments derived from Amorphotheca resinae KUC3009

2.1. Introduction

2.2. Materials and methods

2.3. Results and discussion

2.4. Conclusion

2.5. References

2.6. Supplementary table

 

Chapter 3. Genomic analysis and assessment of melanin synthesis in Amorphotheca resinae KUC3009

3.1. Introduction

3.2. Materials and methods

3.3. Results and discussion

3.4. Conclusion

3.5. References

3.6. Supplementary tables

 

Chapter 4. Strategies for enhancement of fungal melanin synthesis using media optimization and in vitro synthesis

4.1. Introduction

4.2. Materials and methods

4.3. Results and discussion

4.4. Conclusion

4.5. References

 

Chapter 5. Utilization of extracellular fungal melanin as an eco-friendly biosorbent for treatment of metal-contaminated effluents.

5.1. Introduction

5.2. Materials and methods

5.3. Results and discussion

5.4. Conclusion

5.5. References

5.6. Supplementary tables

5.7. Supplementary figures

 

Chapter 6. Fungal melanin as a biocompatible broad-spectrum sunscreen with high antioxidant activity

6.1. Introduction

6.2. Materials and methods

6.3. Results and discussion

6.4. Conclusion

6.5. References

6.6. Supplementary tables

6.7. Supplementary figures

 

Chapter 7. General conclusions