인삼의 triterpene 사포닌과 phytosterol 합성에 관여하는 squalene synthase 유전자를 과잉발현시킨 결과, 해당 생합성이 증대된 것을 확인했다. 또한, 이러한 합성에 중요한 전구체로 작용하는 squalene epoxidase 유전자에 대해서도 연구하였다. 이러한 지식은 유전공학과 대사공학을 통해 사포닌이 강화된 인삼 식물체 개발에 활용될 수 있다. 인삼의 뿌리에 축적되는 다양한 2차대사물 중 진세노사이드는 주요 약효를 내는 triterpenoid 사포닌이며, 그 중요성은 의약, 세제, 감미료, 화장품 등 다양한 산업에서 그 활용을 확인할 수 있다.
<h1>진세노사이드 대사공학</h1><p>인삼의 사포닌 생합성에 관련된 유전자의 발굴 및 기능의 분석은 인삼 생물공학 기술에 있어서 가장 기본적이며 중요한 분야이다. 이러한 기본적인 지식을 기반으로 유전공학 (genetic engineering)과 대사공학 (metabolic engineering)을 이용하여 유전자 도입을 통해 전체의 사포닌이 강화되거나 특정 사포닌이 강화된 인삼 식물체의 개발을 기대할 수 있다. 최근 우리는 인삼 triterpene 사포닌 및 phytosterol 합성에 관여된 squalene synthase (PgSS1) 유전자를 인삼에 과잉발현시켰을 경우 triterpene 및 phytosterol 생합성이 증대된 인삼을 개발하였으며 (Lee et al. 2004), squalene epoxidase (PgSQE1 and PgSQE2)은 인삼 사포닌과 phytosterol의 분기점에서 중요한 전구체로 알려진 2,3-oxidosqualene 합성에 관련된 기능을 하는 유전자인 것을 확인하였다 (Han et al. 2009). 또한 dammarenediol synthase (DDS) 유전자가 knock-out된 형질전환 식물체을 이용하여 DDS 유전자가 dammarene-type triterpene 합성에 관련된 유전자라는 것을 확인하였다 (Han et al. 2006).</p><h2>진세노사이드 생합성</h2><p>인삼의 뿌리에는 여러 가지 유효한 2차대사물이 축적되어 있는데, 진세노사이드는 triterpenoid 사포닌으로서 인삼의 약효를 내는 대표적 물질이다. 진세노사이드는 인삼속 (Panax species) 식물들의 뿌리 (root)와 뿌리줄기(rhizome)에서 유래된 주요 생리활성 물질로 여겨진다. Triterpenoid는 광범위한 구조적 다양성과 생물학적 활성을 가지고 있으며, 이러한 saponin은 약제, 세제, 감미료 그리고 화장품에 이용되면서 경제적으로 중요하게 여겨지고 있다 (Hostettmann and Marston 1995). 인삼에는 30여종의 진세노사이드가 있는 것으로 밝혀져 있고 (Shibata 2001), 각각의 진세노사이드 함량은 종 (species)에 따라 상당히 다르게 분포되어 있다. P. ginseng의 뿌리에는 최소한 7종의 triterpenoid 사포닌 (건중량 약 \(5\%\); Shibata 2001)이 포함되어 있는 것으로 알려져 있으며, 그 밖에 다양한 phytosterol이 포함되어 있는 것으로 알려져 있다(Matsumoto et al. 1986). 인삼의 주요 진세노사이드는 ginsenosides Rb1, Rb2, Rc, Rd, Re, Rf, Rg1과 같은 triterpenoid사포닌이다. 각각의 진세노사이드는 항스트레스 활성, 항당료 활성, 항염증작용, 노화방지작용, 항암작용과 같이 서로 다른 약리작용을 가지고 있는 것으로 보고되어 있다 (Shibata 2001; Kiefer and Pantuso 2003). 4환상의 dammarene-type과 5환상의 olanane-type의 triterpene 사포닌은 인삼뿌리에서 생산되며, 대부분의 triterpene은 dammarene-type의 4환상의 골격을 가지고 있다 (Kushiro et al. 1997). Dammarene-type의 triterpene은 단지 P. ginseng (Kushiro et al. 1997)과 Gynostemma pentaphyllum (Cui et al. 1999)과 같은 일부 수종에서만 확인되었다.</p><p>Triterpene과 sterol 생합성은 C5 isoprenoid 경로 (isoprenoid pathway)에 의해서 이루어지고 있다. Mevalonate는 sterol과 triterpene 생합성을 위한 공통적 전구체이다 (Kuzuyama 2002). Squalene synthase는 sterol과 triterpenoid 생합성을 위한 isoprenoid 경로의 첫 번째 단계로서 farnesyl diphosphate로부터 squalene을 합성 촉매하는 효소이다 (Abe et al. 1993). 그리고 squalene은 squalene epoxidase의 산소화 촉매 작용 (oxygenation)에 의하여 2,3-oxidosqualene를 합성한다. 식물 중 phytosterol과 triterpene은 oxidosqualene cyclases(OSCs)의 촉매작용에 의해 2,3-oxidosqualene의 고리화 반응(cyclization)의 생성물을 경유해서 합성된다. 이 단계에서 진세노사이드의 전구체인 dammarene-type의 4환상의 골격을 형성하는 dammarenediol과 oleanane-type의 \( \beta \)-amyrin이 합성된다. Kushiro 등 (1998)은 OSC를 암호화하는 여러 가지 유전자들을 분리하였으며, 이러한 유전자들은 서로 상동성이 높게 나타났다.</p><p>중간 생성물인 dammarenediol과 \( \beta \)-amyrin은 일련의 수산화 (hydroxylation) 반응과 당화 (glycosidation) 반응을 통해 진세노사이드로 변환된다. 진세노사이드 골격의 수산화 반응에는 cytochrome P450s 효소가, 당화반응에는 glycosyltransferase가 관여할 것으로 여겨지고 있다. cytochrome P450은 protopanaxdiol의 6번 탄소 위치에서 수산화반응에 관여하며, 그 결과 protopanaxatriol이 된다 (Shibuya et al. 2006). Glycosyltransferase는 protopanaxdiol type의 3번 및 20번 탄소와 protopanxatriol type의 6번 및 20번 탄소의 수산기 (hydroxyl group)에서 당화반응에 관여한다 (Kushiro et al. 1997; Kushiro et al. 1998; Haralampidis et al. 2001; Choi et al. 2005).</p>