카로티노이드는 다양한 색상의 천연 색소로, \( \mathrm{C}_{40} \) 탄화수소 골격을 가지며 세균, 조류, 곰팡이, 식물 등에서 생산된다. 이들 색소는 항산화 및 항종양 활성 등의 중요한 기능을 가지고 있다. 본 연구에서는 해양 세균 Kocuria gwangalliensis의 genomic DNA로부터 분홍색 색소 lycopene의 생합성 효소인 phytoene desaturase를 담당하는 \( \mathrm{crtI} \) 유전자를 클로닝하고 그의 생화학적 특성을 연구하였다.
<h1>서 론</h1> <p>카로티노이드는 구조적, 기능적으로 다양한 노란색, 주황색 및 붉은색의 천연 색소이며 자연계에 널리 분포하고 있다. 카로티노이드는 세균, 조류, 곰팡이, 식물 등에 의해 생합성 되며, 이들 색소는 항산화 및 항종양 활성 등의 중요한 역할을 수행한다. 카로티노이드는 기본적으로 \( \mathrm{C}_{40} \) 탄화수소 골격으로 구성되어 있고, carotene의 경우 순수하게 탄화수소로 이루어져 있으며, xanthophylls은 환상 또는 비환상에 산소를 포함하는 작용기를 가지고 있다. 각 카로티노이드가 가지는 흡광도 특성은 탄소골격의 polyene 발색단의 이성질체화 및 접합 상태의 정도에 관련되어 있다. 적어도 7개 이상의 이중 결합을 가진 화합물은 가시광선 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 지금까지 알려진 대부분의 카로티노이드는 3-15 개의 이중 결합이 있는 \( \mathrm{C}_{40} \) 탄화수소 골격을 가지고 있으며, 빛의 최대 흡수 파장은 \( 400-500 \mathrm{nm} \) 인 것으로 보고되어 있다. 이러한 카로티노이드를 합성하는 것으로 알려져 있는 미생물로는 Agrobacterium aurantiacum, Haematococcus pluvialis, Kocuria carniphila, Paracoccus marcusii, Paracoccus carotinifaciens, Paracoccus haeundaensis, Phaffia rhodozyma 등이 있다.</p> <p>카로티노이드 생합성 경로를 살펴보면 Fig. 1에서 보는 바와 같이, 첫 단계는 \( \mathrm{crtE} \) 유전자가 암호화하고 있는 GGPP synthase에 의해 farnesyl pyrophosphate (FPP)가 geranyl geranyl pyrophosphate (GGPP)로 전환되는 단계이다. GGPP에서 phytoene으로 전환되는 단계는 모든 카로티노이드를 생산하는 생물들에서 잘 보존되어 있으며, 이는 \( \mathrm{crtB} \) 유전자가 암호화하고 있는 phytoene synthase에 의해서 이루어진다. Phytone은 phytoene desaturase에 의해서 탈수소반응이 일어나 lycopene으로 전환되며, 이는 \( \mathrm{crtI} \) 유전자가 암호화하고 있다. 많은 카로티노이드를 생산하는 생물들은 \( \mathrm{crtY} \) 유전자가 암호화하는 lycopene \( \beta \)-cyclase에 의해 카로티노이드의 고리화를 유도하며 lycopene이 \( \beta \)-arotene으로 전환된다. \( \beta \)-Carotene ketolase는 \( \mathrm{crtW} \) 유전자가 암호화하고 있으며, 이는 \( \beta \)-carotene을 중간 단계인 echinenone을 거쳐 canthaxanthin으로 전환하며, \( \mathrm{crtZ} \) 유전자가 암호화하고 있는 \( \beta \)-carotene hydroxylase는 \( \beta \)-carotene을 중간 단계인 \( \beta \)-cryptoxanthin을 거쳐 zeaxanthin으로 전환한다. 또한, \( \mathrm{crtX} \) 유전자가 암호화하고 있는 zeaxanthin glucosylase는 zeaxanthine을 zeaxanthin diglucoside로 전환한다. 마지막으로, \( \mathrm{crtW} \) 와 \( \mathrm{crtZ} \) 유전자가 함께 작용하면 여러 중간 단계를 거쳐 아스타잔틴(astaxanthin)을 생산한다. 이들을 제외한 나머지 \( \mathrm{crt} \) 유전자에 속하는 유전자로는 Streptomyces griseus와 Brevibacterium linens 등이 가지고 있는 방향족 말단으로 구성된 isorenieratene을 합성하는 \( \beta \)-carotene desaturases를 암호화하는 유전자와, Corynebacterium glutamicum으로부터 유래한 decaprenoxanthin 합성에 관여하는 decaprenoxanthin synthase 등이 있다.</p> <p>카로티노이드 생합성 경로에서 색을 띄는 첫 번째 카로티노이드는 lycopene이며, 이를 촉매하는 효소는 phytoene desaturase \(( \mathrm{CrtI} )\)이다. Phytoene desaturase의 카로티노이드 생합성 경로에서의 역할을 살펴보면, \( \zeta \)-carotene을 유도하는 불포화 단계에서 phytoene desaturase (\( \mathrm{CrtI} \))가 촉매하는 역할을 한다. Phytoene desaturase는 카로티노이드 생합성 경로를 조절하는 핵심 효소 중 하나이며, Lycopersicon esculentum, Dunaliella salina, Crocus sativus, P. haeundaensis 등에서 보고되었다.</p> <p>본 연구에서는 분홍색 색소를 생산하는 해양 세균인 Kocuria gwangalliensis의 genomic DNA에서 lycopene 생합성에 관여하는 phytoene desaturase를 암호화하고 있는 \( \mathrm{crtI} \) 유전자를 클로닝하였고, 이 효소가 만든 물질의 생화학적 특성에 관해 연구하였다. 본 연구진이 이전에 분리 동정한 해양 세균인 P. haeundaensis로부터 유래한 \( \mathrm{crtE} \) 와 \( \mathrm{crtB} \) 유전자와 K. gwangalliensis에서 분리한 \( \mathrm{crtI} \) 유전자를 이용하여 Escherichia coli에서 lycopene의 생합성을 유도하였고 이를 HPLC를 사용하여 생합성된 lycopene을 분석하였다. 이 연구의 결과는 K. gwangalliensis가 가지고 있는 카로티노이드 생합성 효소에 대한 이해와 카로티노이드 생산 숙주에서 카로티노이드 생산을 증가시키고 생산하는 데 필요한 자료를 제공할 것이다.</p>