1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

리그닌 (lignin)은 cellulose 그리고 hemicellulose와 더불어 식물의 세포벽을 이루고 있는 3대 주요 구성 요소중의 하나이며, 지구상의 거의 모든 육상 식물에 존재합니다. 리그닌의 polymerization은 peroxidase와 hydrogen peroxide에 의한 (또는 laccase에 의한) radical reaction으로 진행되는 것으로 알려져 있으며, 그 전체적인 완벽한 구조나 sequence는 현재로서는 알 수가 없습니다. 그러나, nuclear magnetic resonance (NMR)와 같은 기기분석이나 DFRC나 thioacidolysis 같은 화학적 분석 방법에 의해 그 기본 monomer (monolignol)들은 주로 p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol, 그리고 sinapyl alcohol이고, 그 monomer들이 주로 β-O-4, β-5, 그리고 β-β의 연결 구조로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 식물체 내에서 리그닌은 아주 다양한 중요한 역할을 하지만, 그 중에서도 외부의 공격으로부터 식물 자신을 보호하기 위한 수단의 하나로서 리그닌의 역할이 매우 중요합니다.

이번 연구는 식물이 곤충으로부터 공격을 받았을 때 식물이 자신을 보호하기 위한 수단으로 어떻게 리그닌을 이용하는지를 보여주는 좋은 예로서, 식물체내에서 거대하게 증가된 리그닌 양을 확인, 측정하고 그 리그닌 구조를 2D NMR을 이용하여 분석한것이 이번 논문의 기본 골격 중의 하나입니다. Wild tobacco (Nicotiana attenuata)의 pith 부위가 Trichobaris mucorea 애벌레의 공격을 받았을 때, 리그닌이 거의 없던 그 pith 부분에서 많은 양의 리그닌이 새롭게 생성되었으며, 또한 amine계열의 화합물인 feruloyltyramine가 분리된 리그닌과 함께 새로이 나타났습니다. 또한 리그닌이 WT보다 상대적으로 줄어든 CAD-downregulated transgenic을 이용하여 리그닌 양이 많을수록 애벌레의 성장이 약화된다는 것을 증명하였으며, 더불어 jasmonic acid-deficient transgenic을 이용하여 jasmonate signaling pathway와 ligninfication (lignin polymerization)의 연관성을 다시 한번 증명하였습니다.

이번 연구에서는 식물 방어 수단의 기초적인 연구를 하기 위해 transgenic 식물들을 이용하였는데, 리그닌 구조를 바꾼 transgenics와 mutants를 이용한 연구는 세계적으로 이미 30년 이상의 역사를 가지고 있습니다. 처음에는 주로 펄프와 가축을 위한 사료의 품질 향상을 위해 리그닌을 효과적으로 없애기 위한 연구가 주가됐으나, 15여년전 이후부터는 biomass나 biofuel을 효과적으로 생산하기 위해 리그닌 구조를 연구하였으며, 지금은 주로 버려지고 있는 리그닌 차체를 이용하기위한 연구로 전환되고 있는 추세입니다. 리그닌 구조에 관한 연구는 lignocellulosic (또는 biomass)을 위한 연구 방향이 어느 곳을 향하든 필수 불가결한 것이라 생각되며, transgenics와 mutants를 이용한 연구는 계속 발전해갈 것으로 생각됩니다. 아직도 리그닌과 그 자세한 구조에 관해서는 너무나 많은 것들을 우리가 알지 못하고 있기에, 해야할 연구들이 많이 남아 있습니다.

이번 연구는 제가 오랜 시간 미국에서 리그닌 구조를 연구하면서 처음으로 한국에 있는 연구진과 같이한 논문이라서 정말 애착이 많이 가고, 결과 또한 너무나 흥미롭게 나와서 즐거운 시간을 보낼 수 있었습니다. 좋은 연구 주제를 가지고 저에게 공동 연구를 신청해온 KAIST의 주용성 박사님 (현 충북 대학교 교수) 에게 감사하고, 또한 PI로써 애써주신 KAIST의 김상규 교수님 에게도 감사한 마음 전합니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 미국의 University of Wisconsin-Madison에 있는 DOE Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC)에서 일하고 있습니다. 제가 속한 GLBRC는 미국 연방 Department of Energy (DOE)에서 연구비를 지원하고있는 미국의 4개의 Bioenergy Research Centers중의 하나이고, 2007년 이후에 처음 10년은 lignocellulosic material (biomass)를 이용한 biofuel 연구에 주력했으나, 지금은 많은 연구팀들이 lignin 그 자체의 이용에 관한 연구를 주로 하고 있습니다. 우리 GLBRC가 위치한 Wisconsin Energy Institute (WEI)에는 매우 강력한 cryoprobe들을 장착하고 있는 두개의 NMR (700 MHz와 500 MHz)을 자체 보유하고 있습니다. 저는 현재 Distinguished scientist로서 GLBRC NMR facility PI를 겸임하고 있으며, 26여년의 오랜 스승이자 동료인 John Ralph 교수님과 함께 lab을 운영하며, lignin에 관한 연구를 지속하고 있습니다. 제가 속한 Ralph lab은 많은 동료 연구자들이 인정하는 능력있는 lignin chemistry lab들 중에 하나로, 오랜 시간 동안 내외국의 많은 인재들이 거쳐 갔으며, 제각기 자기 나라에서 선도적인 lignin 연구를 이끌고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

1995년에 UW-Madison에 처음 와서 박사과정을 시작하면서 John Ralph 교수님과 함께 lignin 연구를 시작한 이후로, 2007년도에 미국에서 Bioenergy Research Centers (BRCs)가 시작할 때까지 제 주변의 많은 연구자들에게 lignin은 정말로 생소한 분야 였습니다. 2007년 이후에 세계적으로 biomass와 bioenergy 연구의 붐이 불자 많은 사람들이 lignin에 관심을 갖기 시작했고, 현재에는 한국을 제외한 거의 모든 나라에서 lignin 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 전통적으로 미국, 독일, 그리고 일본은 오랜 동안 lignin 연구의 선진국이었고 최근에는 중국이 이 분야에서 엄청난 발전을 보이고 있습니다. 유럽의 많은 국가에서도 유수의 젊은 연구자들이 lignin 연구를 시작하였습니다. 하지만 많은 경우는 lignin valorization에 관한 연구들이라서, 기초적인 lignin구조를 연구하는 우리 lab과의 공동연구가 꾸준히 이루어지는 상황입니다. 제 개인적으로는 2008년과 2010년에 제가 개발한 gel-NMR technique에 자부심을 느끼고 있습니다. 식물 cell wall을 ball-mill을 한 뒤에 간단히 젤 상태를 만들어서 solution-state NMR을 이용해서 2D NMR data를 쉽고 빠르게 얻어내고 있는 그 방법은 종전의 리그닌 분리 공정을 생략시켜서 전체 샘플 준비과정 시간을 90%이상 단축시켰으며, 최근에는 lignin 연구자들에게는 세계 공통적인 방법이 되었습니다. 그 이후에 많은 연구자들이 그와 비슷한 방법들을 제시하였지만, 아직도 DMSO나 DMSO-pyridine을 쓰는 그 기본 방법은 변하지 않고 있습니다. 더불어, 리그닌 모델 compounds를 만들고 그를 바탕으로 2D NMR data를 해석하는 능력은 단연코 우리 lab이 리그닌 구조 연구 분야에서 선두 주자라는 자부심이 있습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

식물학적 연구를 위해 기초적인 리그닌 구조 연구는 필수라고 생각되고, 또한 현재의 환경 문제와 직결되어서, 석유를 대체하기 위해 리그닌과 목재를 이용하려는 세계적인 노력은 계속될 것이기 때문에, 한국이 이 분야에서 선두그룹에 동참하기 위해서는 한국의 많은 젊은 연구자들의 참여가 절실합니다. 현재 우리 lab이 공동 연구를 하고 있는 많은 다른 나라의 연구팀들과 같이, 한국에서도 리그닌에 관한 관심도가 높아져 앞으로는 많은 공동 연구와 함께, 뛰어난 연구 논문들이 나오길 바랍니다.

또한, 매년 미국 화학 학회 모임 (ACS)에는 CELL division과 같이 plant cell wall에 관한 연구 주제로 많은 발표가 있으며, 격년제의 ISWFPC (International Symposium on Wood, Fiber and Pulping Chemistry)에서도 리그닌에 관한 많은 발표가 있습니다. 앞으로 한국에서 온 많은 후배 연구자들과 함께 그러한 학회에서 자주 만날 수 있는 기회가 있기를 바랍니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

항상 많은 다른 그룹들과 공동 연구들을 수행하느라, 서랍 속에서 잠들어 있는 저의 개인적인 project들에 조금 더 시간을 투자할 수 있으면 하는 바람입니다. 새로운 리그닌 구조를 가진 transgenic을 개발하는 것과 lignin depolymerization에 관한 연구는 아직도 많은 가능성을 가지고 있고 계속 진행할 계획이 있습니다. 물론 리그닌을 이용한 새로운 물질을 개발하는 분야도 도전할 가치가 무궁 무진합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

Natural chemistry를 공부하러 미국에 왔다가 한국에서는 아무도 관심 없던 lignin 연구를 시작한지 26년이 지났습니다. 오래전에는 미국에서 조차 별로 관심을 못 받던 lignin 구조 연구가, 이제는 많은 다양한 연구진들과 함께 90여편의 논문들과 책 챕터들을 발표하게해준 원동력이 된 것을 보면, 지금까지 지나간 시간들이 헛되지 않았다고 생각합니다. 많은 평범한 과학자의 삶이 그러하듯이 아직 끝내야 하는 많은 project들이 남아 있으니, 조금 더 힘을 내서 더 많은 논문들을 무사히 발표하였으면 하는 바람입니다.

앞에서 이야기한데로, 다른 나라에 비해서 한국은 아직도 리그닌 연구에 대한 이해도와 참여가 향상되어야 한다고 믿어집니다. 그런 의미에서 주용성 교수님 (충북 대학교) 그리고 김상규 교수님 (KAIST)과 함께한 이번 논문이 한국에서 미래에 일어날 많은 리그닌 구조에 연관된 연구들의 선구자 격인 논문이 되기를 바라는 마음이 간절합니다.