한국지의류생물소재은행
순천대학교 한국지의류생물소재은행 허재선 은행장
우리가 잘 알고 있는 석이(石耳)버섯은 표고버섯처럼 담자균(擔子菌)이 만드는 일반 버섯과는 달리 곰팡이와 조류(藻類, algae)의 공생체인 지의류에 속한다. 일반인들이 나무나 바위에 부착하여 자라는 지의류를 이끼의 한 종류로 잘 못 알고 있는 경우도 있지만 지의류는 하등식물이 아닌 곰팡이(fungi)와 조류(algae)가 더불어 살고 있는 공생 생물체이다. 지의류를 이루고 있는 곰팡이는 대부분 자낭균(子囊菌, ascomycota)에 속하며 지금까지 약 14,000종 이상이 알려져 있으며, 지의류 분류는 곰팡이의 분류체계를 따르고 있어 지의류를 이루고 있는 곰팡이의 학명이 곧 지의류의 학명이 된다. 이에 반해 공생조류는 약 100 여 종 정도가 알려져 있으며 조류 고유의 학명을 지니고 있다.
지의류는 일부 곰팡이들이 아주 독특한 생활양식을 발달시켜 오랜 기간 진화한 생물체로서 자연계에서 단독으로 살 수 없는 곰팡이로 고착되었다고 할 수 있다. 이러한 독특한 공생생활양식 때문에 지의류는 일반 곰팡이나 조류가 단독으로 생존할 수 없는 극한 환경에서도 잘 적응하여 번성하는 생물체로 발달할 수 있게 되었다. 지의류는 해발 0m에서 6,000m 이상의 고산까지, 적도에서 극지방까지 모든 환경에 서식하고 있으며, 특히 다른 육상식물들이 살기 어려운 남북극, 고산지대, 사막, 화산 지역 등 전 세계 대부분의 지역에 분포하고 있다. 우리나라에도 현재까지 700종 이상의 지의류가 분포하고 있는 것으로 알려져 있지만, 본격적인 연구 조사가 계속 진행 중에 있다.
최근 들어 미활용 생물자원으로서의 지의류에 대한 관심이 높아지고 있다. 지의류가 생산하는 2차 대사산물들은 매우 다양하며, 다른 생물체에서는 찾아보기 어려운 독특한 물질들로서 항암, 항바이러스, 항균, 면역조절, 미백, 항산화 및 식물생장억제와 같은 다양한 생리활성을 보이고 있어 신약이나 천연물을 이용한 화장품, 건강식품 및 농약 개발을 위한 생물소재로서 전 세계적으로 주목을 받고 있으며 대기오염평가, 기후변화 및 고기후 측정과 같은 환경관련 연구에도 활용되고 있다.
 
한국산 지의류 석이(Umbilicaria esculenta) 지의류의 자연 서식 모습
한국산 지의류의 경우, 산림청 지원으로 지난 10년 동안 한국산 자생 지의류 조사 사업을 수행하여 전국에 분포하는 지의류 표본을 확보하고, 지의류 종 별 확증표본(standard species)을 정하여, 이를 기준으로 형태적 특징, chemical profile 자료, DNA barcoding, 전국적 분포 현황 등의 자료를 만들었다. 이 자료들을 바탕으로 한국산 지의류 D/B를 구축하였으며 국가생물종 목록에 편입을 완료한 상태이다. 이러한 작업의 결과, 한국산 거대지의류(macrolichen) 287종에 대한 도감을 2016년 12월에 최초로 발간하여 2018년부터 국내에서도 발효되는 생물다양성협약에 대응할 수 있는 한국산 지의류생물자원에 대한 주권을 확보함으로서 국내 연구자 및 산업체에서 지의류 생물소재를 활용할 수 있는 제도적 바탕이 마련된 상태이다.
지의류는 생장 속도(growth rate)가 매우 느리고, 생물량(biomass)이 매우 적을 뿐만 아니라 인공배양이 되지 않기 때문에 지의류 생체를 이용한 유용생리활성물질을 탐색하고 개발하는데 많은 제약이 따르며 이를 해결하기 위하여 대량인공배양이 가능한 지의류형성곰팡이를 이용하고 있다. 지의류 생체로부터 지의류형성곰팡이를 분리 확보하는 것은 이 분야에서 가장 앞선 일본의 경우에도 30% 수준에 머물고 있을 정도로 상당한 연구역량 축적과 노하우가 필요하다.
지의류 소재은행은 지난 10년 동안 국내외에서 채집한 지의류 생체로부터 총 1,300여 균주의 지의류형성곰팡이를 분리하여 세계적으로 가장 많은 지의류형성 곰팡이 균주를 확보하고 있다. 지의류형성곰팡이를 배양해 추출물을 얻으려면 3개월에서 6개월 정도의 시간이 소요된다. 천연물 탐색을 원하는 연구자들에게 지의류형성곰팡이를 분양한 경우, 대부분 배양 과정에서 어려움을 호소하였고, 지의류형성곰팡이 균주보다는 배양산물을 분양해 달라는 요청이 많았다. 이에 지의류 생물자원 소재은행에서는 2012년부터 지의류형성곰팡이 배양산물의 chemical library를 제작하여 분양하기 시작하였으며, 이에 대한 사용자들의 만족도가 매우 높은 상황이다.
특히 한국산 지의류의 표준 표본에 대해서는 지의체 추출물 library를 구축하였으며, 각각의 추출물에 대한 HPLC 분석을 통하여 한국산 지의류 종 별로 함유하고 있는 주요 2차대사산물에 대한 방대한 양의 분석 자료를 구축하였다. 따라서 앞으로 한국산 지의류에 대한 천연물 연구를 수행하고자 하는 연구자들은 분류 동정을 통하여 해당 지의류가 지니고 있는 주요 물질에 대한 현황 파악을 할 수 있을 것이다. 또한 문헌을 통하여 이들 물질에 대한 생리활성을 사전 조사해 봄으로써 기존의 blind screening에서 겪었던 시행착오를 대폭 줄일 수 있게 되었으며, 동시에 새로운 연구 주제의 가능성을 확인할 수 있는 정보가 구축되었다고 할 수 있다. 이는 연구자들의 연구 수월성을 증진시키는데 기여할 뿐만 아니라 나고야의정서의 발효에 따른 국가생물주권 확보에 있어서도 한국산 생물자원임을 주장하는데 DNA barcode와 더불어 매우 귀중한 정보로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 지의류형성곰팡이와 조류 이외에도 곰팡이, 효모, 방선균 및 세균 등 다양한 미생물들이 복합체(consortium)가 지의류를 구성하고 있다는 것이 밝혀지고 있다. 이 중에서 특히 지의류의 몸체(thalli)를 이루는 지의류형성곰팡이(lichen-forming fungi)가 아닌 지의체 내에 서식하고 있는 지의류내생곰팡이(ehdophytes, endolichenic fungi)에 대한 과학적 관심과 생물학적 호기심이 높아지고 있다. 지의류생물소재은행을 중심으로 2010년을 전후하여 지의류내생곰팡이에 대한 생물자원 확보가 시작되어 현재까지 약 3,000여 균주가 확보되어 있지만 본격적인 조사 연구는 아직까지 진행되고 있지 않은 미개척 연구 분야이다. 특히 지의류내생곰팡이는 지금까지 알려지지 않은 미연구 생물자원으로 많은 신종들이 보고되고 있으며, 이들이 생산하는 다양한 2차 대사산물들은 항암 활성을 포함하여 다양한 약리활성을 보이고 있어 천연물 소재를 찾고 있는 연구자들이 높은 관심을 보이고 있다.
지의류 유래 2차대사산물의 신규성, 희귀성, 우수한 생리 활성에도 불구하고 새로운 생물소재로 산업화하는 데는 아직까지 해결해야 할 문제들이 많다. 예를 들어 식물이나 버섯과 달리 생장 속도가 매우 느려기 때문에 자연계에서 채취할 수 있는 생물량이 매우 적으며, 인공재배가 근본적으로 어렵고, 지의류형성곰팡이 배양에도 많은 시간이 소요되고 산업화에 필요한 충분한 양의 물질 생산이 이루어지지 않고 있다. 따라서 지의류 유래 2차대사산물의 산업화를 위해서는 대량생산 및 확보를 위한 유전공학적인 기술 개발이 요구되고 있으며, 본 연구실에서는 지의류 2차대사산물 생합성에 관여하는 PKS (polyketide synthase) 유전자 발굴 및 규명, 이들 유전자의 이형질체 발현을 통한 물질의 대량생산 기술 개발을 시도하고 있다. 수년 내에 유전공학적 기법을 이용한 지의류 2차대사산물의 대량생산 기술이 개발된다면, 이를 이용한 다양한 신약 및 건강기능성 제품 개발이 실현될 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 천연물로부터 다양한 약리활성물질 및 기능성 물질을 탐색하고 있는 많은 연구자들에게 지의류연구소재은행이 확보하고 있는 다양한 지의류 유래 생물소재가 보다 널리 활용되기를 바라며, 관심 있는 연구자분들의 많은 문의와 분양요청을 기대해 본다.
<대표논문>
Yi Yang et al. Acetonic extracts of the endolichenic fungus EL002332 isolated from Endocarpon pusillum exhibits anticancer activity in human gastric cancer cells. Phytomedicine. 2018;40:106-115.
Gil Soo Kim et al. Bioactive α‑Pyrone Derivatives from the Endolichenic Fungus Dothideomycetes sp. EL003334. J. Natural Products. 2018;81:1084-1088.
Rui Zhou et al. The lichen secondary metabolite atranorin suppresses lung cancer cell motility and tumorigenesis. Scientific Report. 2017;7:8136 (DOI:10.1038/s41598-017-08225-1).
Loan Thi Thanh et al. Nematicidal activity of verrucarin A and roridin A isolated from Myrothecium verrucaria against Meloidogyne incognita. Pesticide Biochemistry & Physiology. 2018; 148:133-143.
Lu Zhao et al. A multifunctional and potential possible skin UV protectantfilter, (3R)-5-hydroxymellein, produced by an endolichenic fungus isolated from Parmotrema austrosinense. Molecules. 2017;22:26 (doi:10.3390/molecules22010026)
Yi Yang et al. Inhibitory Activity of (+)-Usnic Acid against Non-Small Cell Lung Cancer Cell Motility. PLoS One. 2016;11:e0146575 (DOI:10.1371/journal.pone.0146575)
Yi Yang et al. Lichen Secondary Metabolite, Physciosporin, Inhibits Lung Cancer Cell Motility. PLoS One. 2016;10:e0137889. doi:10.1371/journal.pone.0137889
Thanh Thi Nguyen et al. Lichen Secondary Metabolites in Flavocetraria cucullata Exhibit Anti-Cancer Effects on Human Cancer Cells through the Induction of Apoptosis and Suppression of Tumorigenic Potentials. PLoS One. 2014;9:e111575 (doi:10.1371/journal.pone.0111575).
Sook-Young Park, Min-Hye Jeong, Hai-Ying Wang, Jung A Kim, Nan Hee Yu, Sungbum Kim, Yong Hwa Cheong, Seogchan Kang, Yong-Hwan Lee, Jae-Seoun Hur*
Agrobacterium tumefaciens-Mediated Transformation of the Lichen Fungus, Umbilicaria muehlenbergii. PLoS One. 2013; 8:e83896. (doi:10.1371/journal.pone.0083896).
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