전분은 식물에서 가장 많은 저장 탄수화물로서 식량 및 다양한 용도로 이용되고 있으며 최근 들어 바이오에탄올 및 여러 가지 산업적 신소재로 주목을 받으며 전분 생합성에 관여하는 효소들의 유전자들이 분리되고 작물 형질전환을 통하여 전분의 구조를 바꾸는 연구가 진행되고 있다. 이에 식량, 사료 및 연료의 수요가 증가하면서 전분의 기능 과 생산성이 향상된 작물의 개발이 요구되고 있다. 본 논문에서 고구마 중심으로 전분의 구조 및 조성을 변형시킨 사례를 살펴보겠다.
<h1>서 론</h1> <p>전분은 식물에서 가장 많은 저장 탄수화물로서 식량 및 다양한 용도로 이용되고 있으며 최근 들어 바이오에탄올 및 여러 가지 산업적 신소재로 주목을 받고 있다. 또한 전분은 유용한 폴리머일 뿐만 아니라 값싸고 물성을 바꿀 수 있는 특성이 있다. 최근 들어 전분 생합성에 관여하는 효소들의 유전자들이 분리되고 작물 형질전환을 통하여 전분의 구조를 바꾸는 연구가 진행되고 있다.</p> <p>대부분 작물의 전분은 \( 20-30 \% \) 의 아밀로스와 \( 70-80 \% \) 의 아밀로펙틴으로 이루어져있으며 아밀로스와 아밀로펙틴 비율에 따라 전분의 물리·화학적 특성이 달라진다. 이중 아밀로스는 선형구조의 a-1,4-D-glucan polymer로 granule-bound starch synthase (GBSS)에 의해 ADP-glucose로부터 합성되며, 아밀로펙틴은 a-1,6 linkages로 연결된 가지형 구조로 glucan polymer isoamylase, starch synthase (SS), starch branching enzyme (SBE), isoamylase 등 여러 가지 효소 작용으로 합성되며 이중 glucose unit의 \( 5 \% \) 정도가 가지형태로 되어 있다.</p> <p>고구마 [Ipomoea batatas (L.) Lam.]는 아시아 및 아프리카 지역의 중요한 전분작물 중 하나이다. 고구마의 전분 함량은 건중량의 \( 70 \% \) 정도 차지하며 \( 15 \% \) 아밀로스와 \( 85 \% \) 아밀로펙틴으로 이루어져있다. 바이오에탄올 생산에 많이 이용되는 전분작물인 옥수수의 경우는 아밀로스 \( 20-30 \% \) 와 아밀로펙틴 \( 70-80 \% \) 로 이루어져있다. 바이오에탄올과 같은 바이오연료가 화석연료의 대체에너지로 떠오르면서 이러한 바이오연료를 생산하기 위한 바이오매스 이용이 관심을 받고 있다. 고구마는 단위면적당 생산량이 높은 대표적인 전분작물이다. 2008년 미국 USDA 보고에 의하면 메리랜드와 알라바마 지역에서 생산되는 고구마의 탄수화물 양은 사탕수수와 비슷하며 이것은 옥수수에서 생산되는 양보다 두 세배 높은 것이다. 즉 고구마는 식량수급에 영향을 주지 않고서 한계농지에서 전분 생산용으로 재배하기에 적절한 전분 작물이라는 것이다.</p> <p>식량, 사료 및 연료의 수요가 증가하면서 전분의 기능 과 생산성이 향상된 작물의 개발이 요구되고 있다. 전분 을 원하는 목적에 맞게 재설계하기 위한 방법으로 전분 합성에 관여하는 효소들의 유전자를 변형시킴으로써 아 밀로스와 아밀로펙틴으로 구성된 전분조성을 변형시키 거나 또는 전분분해에 필요한 에너지를 감소시키는 전략 이 있다. 또한 전분의 특 성을 변형시키거나 또 다른 바이오매스 전환효소를 도입 하여 전환과정을 보다 효과적으로 하는데 도움을 주는 방법이 있다. 최근 바이오에탄올을 경 제적 또는 효율적으로 생산하기 위한 전략이 필요하면서 전분의 물성을 전환시키는데 에너지가 적게 소모되는 방 향으로 연구가 진행되고 있다. 이와 같이 전분구조 변화 에 관한 대부분의 연구는 형질전환 방법으로 전분 생합 성 유전자들의 발현을 과발현 또는 억제시킨 것으로 주 로 감자, 벼에서 많이 보고되었다. 이렇게 감자 와 벼 등에서 연구가 많이 이루어진 것은 감자, 벼가 주 요 식량작물이면서 비교적 형질전환이 용이하기 때문인 것으로 생각된다. 하지만 고구마의 경우 감자에 비해 전 분함량이 높지만 형질전환 등이 어려워 비교적 연구가 많이 이루어지지 않은 것으로 생각된다.</p> <p>저자들은 고구마의 장점을 인식하면서 산업용 고구마 개발을 위한 분자육종 연구를 수행하여 왔다. 주요 국내 품종을 대상으로 식물체 재분화 및 형질전환 시스템을 확립하였으며, 항산화 효소 유전자를 도입하여 스트레스 내성 고구마를 개발하 였을 뿐만 아니라 돼지 유행성 설사병 바이러스 항원단백질을 생산하는 고구마를 개발한 바 있다. 현재는 고구마 전분 조성을 변형시키는 연구를 진행 중이다. 본 논문에서는 아밀로스와 아밀로펙틴으로 구성된 전분 합성에 관련된 효소 및 이들의 유전자 도입으로 전분의 조성 및 구조를 변형시킨 사례들을 고구마를 중심으로 살펴보고자 한다.</p>