식물 유래 약 성분은 많지만, 식물이 이를 어떻게 만들어 내는지는 오랫동안 미스터리였다. KAIST 연구진이 70년 만에 토종 약용식물 광대싸리에서 항암 성분인 세큐리닌이 생성되는 전 과정을 처음으로 밝혀냈다. 이번 성과로 실험실과 미생물 공장에서 항암 물질을 안정적으로 생산할 수 있는 길이 열렸다.

KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 김상규 교수 연구팀과 화학과 한순규 교수 연구팀이 우리나라 자생 식물인 광대싸리에서 항암 효과로 알려진 세큐리닌(securinine) 계열 물질이 만들어지는 핵심 과정을 규명했다고 30일 밝혔다.

광대싸리는 우리나라 산과 들에서 쉽게 볼 수 있는 관목으로, 동북아시아 지역에서는 오래전부터 잎과 뿌리를 약재로 사용해 왔다. 이 식물에는 세큐리닌을 비롯한 다양한 알칼로이드 성분이 들어 있어 신약 개발 가능성이 높은 약용식물로 주목받아 왔다.

세큐리닌은 1956년 광대싸리에서 처음 발견된 이후 지금까지 130종이 넘는 관련 물질이 보고됐다. 이들 가운데 일부는 항암 효과를 보이거나, 뇌로 잘 전달돼 신경 재생을 돕는 효능이 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 이렇게 중요한 물질들이 식물 안에서 어떻게 만들어지는지는 지난 70년간 밝혀지지 않은 난제였다.

생명체 안에서 천연물이 만들어지는 과정을 ‘생합성’이라고 한다. 이는 최종 물질이 만들어지기까지 어떤 중간 단계를 거치고, 어떤 효소가 작용하는지를 밝히는 일이다. 모르핀, 카페인, 니코틴 등 식물이 만들어내는 약효가 강한 천연 성분인 알칼로이드는 구조가 매우 복잡해 생합성 과정을 규명하기 특히 어려운 물질로 알려져 있다.

이번 연구에서는 화학과 생명과학의 협력이 핵심 역할을 했다. 세큐리닌 계열 물질의 화학적 합성을 오랫동안 연구해 온 한순규 교수 연구팀과, 식물 유전체 분석과 단일세포 분석에 강점을 가진 김상규 교수 연구팀이 공동으로 연구를 진행했다.

김상규 교수 연구팀은 성남시 불곡산 일대의 ‘KAIST 생태림’에서 광대싸리를 확보해 연구 시료를 만들고, 식물의 유전체를 정밀 분석했다. 특히 세큐리닌 생성이 활발한 잎 조직을 대상으로 단일세포 전사체 분석을 수행해, 어떤 세포에서 어떤 유전자가 작동하는지를 세밀하게 추적했다.

한편 한순규 교수 연구팀은 세큐리닌이 만들어지기 바로 전 단계의 물질로 ‘비로신 B’를 찾아내고, 이를 실험실에서 직접 만들어 그 변화를 관찰했다. 그 결과, 식물 속 효소인 ‘황산전이효소’가 비로신 B를 항암 성분 세큐리닌으로 바꾸는 데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.

이는 황산전이효소가 단순히 화학 성분을 붙이는 보조 역할이 아니라, 알칼로이드의 구조 자체를 바꾸는 데도 중요한 역할을 할 수 있음을 처음으로 보여준 연구 결과다.

김상규 교수와 한순규 교수는 “이번 연구는 우리나라 자생 식물에서 얻을 수 있는 고부가가치 천연물이 어떻게 만들어지는지를 분자 수준에서 밝힌 것”이라며 “앞으로 미생물이나 세포를 이용해 항암 물질을 안정적으로 생산하고, 다양한 의약학적 응용으로 이어질 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 정성준 박사후연구원, 강규민 박사후연구원, 김태인 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 저명 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 15.7)에 1월 23일 게재됐다.

※ 논문명: Chemically guided single-cell transcriptomics reveals sulfotransferase-mediated scaffold remodeling in securinine biosynthesis, DOI: doi.org/10.1038/s41467-026-68816-3 

이번 연구는 과기부 한국연구재단의 중견 합성생물학, 농촌진흥청 NBT사업단의 차세대농작물신육종기술개발, KAIST 생태연구프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 

식물은 병원균과 초식곤충의 공격에 방어하기 위해, 그리고 균근과 꽃가루매개곤충 등 유익한 생물과 공생관계를 유지하기 위해서 다양한 이차대사물질을 합성한다. 식물이 합성하는 천연물은 20만 개 이상 알려져 있고, 합성 경로나 화학적 성질에 따라 알칼로이드, 글루코시놀레이트, 페놀성물질, 터페노이드, 지방산유도체 등으로 나눌 수 있다.

이차대사물질은 구조적 다양성 및 높은 생리활성으로 인해 신약 발굴을 위한 자원으로서 가치가 높다. 1981년에서 2019년까지 보고된 저분자 의약품 중 64.9%가 이차대사물질에서 직/간접적으로 유래한 만큼, 이들을 더욱 효율적으로 발굴하고 생산하는 연구는 신약 개발에 필수적이다. 이차대사물질의 생합성 유전자를 발굴하는 연구는 자연계에서의 해당 천연물의 기능 연구뿐 아니라 유용 물질을 미생물 등에서 대량으로 생산하기 위해서 필수적으로 수행되어야 하는 만큼, 고부가가치산업으로 이어질 수 있다.

그러나, 오래 전부터 활용된 한반도 자생 식물에 대한 기록이 다수 존재함에도, 이들이 함유한 이차대사물질의 생합성 경로 연구는 여전히 미흡한 상황이다. 이에 KAIST 에서는 (2023)년부터 생태연구사업 등을 통해 불곡산 자생 식물의 이차대사물질의 연구를 지원하고 있다(그림 1).

여우주머니과 광대싸리속에 속한 광대싸리(Flueggea suffruticosa)는 한반도 원산의 식물로, 세큐리닌을 비롯한 구조적 복잡성 및 다양성을 가지는 입체이성질체, 고산화 유도체 및 소중합체로 구성된 다양한 세큐리네가 알칼로이드를 함유하고 있다. 현재 130 종 이상의 세큐리네가 알칼로이드가 자연에서 발견되었고, 다양한 종양 세포 사멸, 당단백질 유래 다중항암제 내성을 역전시키는 생리 활성, 신경세포 분화 유도, 아밀로이드 베타 단백질의 신경독성 억제 등의 효능이 보고되었다. 즉, 세큐리네가 알칼로이드는 항암과 신경질환 치료제 후보 물질로 높은 가치가 기대되는 물질군이다.

1980년대에 세큐리닌이 아미노산인 타이로신(tyrosine)과 라이신(lysine)에서 유래한다는 것이 방사능 동위원소 표지법으로 확인되었으나, 이들 아미노산과 세큐리네가 알칼로이드의 큰 구조적 차이로 인해 세큐리닌이 어떤 생합성 중간체를 거쳐 만들어지는지 규명하는 데에 어려움이 있어 왔다. 

복잡한 천연물의 생합성 경로를 예측하고 규명하기 위해서는 분자생물학적 지식뿐 아니라 유기화학, 생화학, 생물정보학 등 여러 학제 간 융합이 필수적이다. 본 연구는 광대싸리 유래 세큐리네가 알칼로이드의 화학적 반응성에 대한 이해를 축적해 온 KAIST 화학과 한순규 교수 연구실과 단일세포 전사체 분석 등의 생물학적 기법을 통해 여러 식물 유래 천연물의 생합성 경로를 규명해 온 KAIST 생명과학과 김상규 교수 연구실 사이의 협업을 통해 70년간 미해결 문제로 남아 있던 세큐리닌의 생합성 경로 규명을 목표로 수행되었다(그림 2). 

본 논문은 단일세포 전사체 분석과 생체 모방 합성의 융합을 통해 국내 자생 약용식물 광대싸리의 활성 물질인 세큐리닌의 생합성 핵심 단계를 규명했다. 연구진은 광대싸리의 유전자 지도 제작 및 단일세포 전사체 분석을 통해 유전자들의 발현 패턴을 더욱 높은 해상도로 분석할 수 있었다. 이에 더해, 생체 모방 합성 전략에 기반해 연구진은 세큐리닌의 전구체로 비로신 B를 제안함과 동시에, 그 동위원소 유도체를 합성하고 비로신 B가 세큐리닌으로 변환되기 위해서는 알코올이 보다 좋은 이탈기로 변화하여야 한다는 것을 알아내었다(그림 2). 

중수소 표지 실험을 통해 연구진은 광대싸리 잎이 활발하게 세큐리닌을 합성한다는 것을 알아내었다. 이에 동위원소 표지된 비로신 B를 광대싸리 잎 용해액에 알코올을 보다 좋은 이탈기로 변화시킬 수 있는 보조 인자들과 함께 처리해 세큐리닌이 형성되기 위해서는 황산기를 제공할 수 있는 PAPS(3'-포스포아데노신-5'-포스포술페이트) 보조인자가 필수적이라는 것을 알아내었다. 이는 비로신 B를 세큐리닌으로 변화시키는 효소가 황산전이효소군에 속한다는 것을 시사한다. 단일세포 전사체 분석을 통해 얻어낸 생합성 유전자 후보 중 황산전이효소군에 속하는 것들을 시험한 결과, 두 유전자가 해당 반응을 매개할 수 있음을 발견, 이들을 각각 FsNSST1/2라고 명명하였다. 해당 발견은 기존에는 황산 작용기를 물질에 도입해 용해도를 높이거나 물질 분해를 촉진하는 것으로 여겨졌던 황산전이효소가 알칼로이드 분자 골격의 재배열을 매개하는 최초의 사례로, 황산전이효소의 새로운 역할을 발견해냈다는 의의를 가진다(그림 3). 

이에 더해, 연구진은 비로신 B가 별도의 효소 없이도 약염기성 조건 하에서 티로신 유래 메니스다우릴라이드와 라이신 유래 1-피페리데인의 화학적 반응을 통해 얻어질 수 있다는 것을 보였으며, 메니스다우릴라이드를 그 전구체로부터 합성해내는 환원효소를 발견했다(그림 3). 

흥미롭게도 모든 생합성 유전자들은 광대싸리 잎의 관다발세포군(체관부유조직)에서 집중적으로 발현되며, 해당 세포군에는 티로신과 라이신을 합성하는 유전자뿐 아니라 PAPS를 합성하는 유전자까지 높은 발현량을 보였다. 이는 해당 세포군에서는 이차대사물질의 생합성 경로상의 핵심 유전자뿐만 아니라, 이차대사물질의 생합성을 보조하는 유전자 또한 유기적으로 연계되어야 함을 시사한다(그림 4).

종합하면, 본 연구에서는 다학제 간 융합을 통해 세큐리닌 생합성의 핵심 단계를 규명해내면서 단일세포 전사체 분석과 생체 모방 합성의 융합이 생합성 경로를 규명하는 데에 있어 강력한 전략이라는 것을 보였다.

본 연구는 세큐리네가 알칼로이드의 분자 골격이 어떻게 형성되고 재배열되는지 보고하였고, 세큐리네가 알칼로이드 생합성에 관여하는 효소들을 분자적 수준에서 규명하였다. 

세큐리닌을 포함한 세큐리네가 알칼로이드는 그간 광대싸리에서의 추출에 주로 의존해 왔으며, 이 과정은 원료 식물의 채취와 훼손을 수반하여 공급 안정성과 지속가능성 측면에서 한계를 지니고 있다. 본 연구에서 규명한 생합성 유전자 및 효소를 합성생물학 플랫폼에 도입할 경우, 세큐리네가 알칼로이드의 안정적 대량생산이 가능해질 것으로 기대된다.

본 연구에서 보고한 고품질의 광대싸리 표준 유전체와 세큐리닌 생합성 경로를 바탕으로, 초복잡/고산화준위 세큐리네가 알칼로이드의 생합성 경로 역시 규명 가능할 것으로 기대된다. 

해당 연구에서 정립한 연구 방법을 활용하여 다른 한반도 자생 식물의 천연물 생합성 연구로 확장할 수 있을 것으로 사료된다.