감자는 전분의 공급원으로서 주요할 뿐만 아니라, lysine, methionine, tryptophan 등 필수아미노 산의 함량이 높은 단백질을 함유하고 있고, 칼슘, 철, 칼륨 등과 함께 비타민 C의 함량도 높아 영양학적으로 그 가치가 높은 것으로 알려져 있으며 최근에는 다양한 분자생물학적 기술의 발달과 함께 감자의 괴경 내에 카로티노이드의 함량을 높이기 위한 연구 결과가 지속적으로 발표되고 있다. 식물의 카로티노이드는 이소프렌 (isoprene: \( C_{5} \) ) 구조를 가지는 isoprenyl pyrophosphate (IPP)와 dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP)을 기본단위로 합성되며 본 논문에서는 다양한 종류의 특정 카로티노이들 집적시킨 감자의 연구현황을 살펴보고 해결하여야 할 문제점 등을 고찰하여보고자 하였다.
<h1>서 론</h1> <p>감자는 전 세계에서 4 번째 주식으로 그 소비량이 해마다 증가하고 있다. 특히 감자는 전분의 공급원으로서 주요할 뿐만 아니라, lysine, methionine, tryptophan 등 필수아미노 산의 함량이 높은 단백질을 함유하고 있고, 칼슘, 철, 칼륨 등과 함께 비타민 C의 함량도 높아 영양학적으로 그 가치가 높은 것으로 알려져 있다 (Mullins et al. 2006). 그러나 대부분의 재배종 감자의 괴경에는 비타민A 의 전구물질인 카로티노이드가 합성되지 않거나 그 함량이 아주 낮다. 따라서 최근에는 다양한 분자생물학적 기술의 발달과 함께 감자의 괴경 내에 카로티노이드의 함량을 높이기 위한 연구 결과가 지속적으로 발표되고 있다.</p> <p>식물의 카로티노이드는 이소프렌 (isoprene: \( C_{5} \) ) 구조를 가지는 isoprenyl pyrophosphate (IPP)와 dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP)을 기본단위로 합성된다. 엽록체에서는 2-C-methyl D-erythritol-4-phosphate (MEP)경로를 통하여 IPP와 DMAPP가 합성되나 세포질에서는 Mevalonate (MVA)경로로 알려진 생합성과정을 통하여 합성된다 (Ha et al 2003). 세포질에서 합성된 IPP와 DMAPP는 phytosterol의 생합성에 이용되며, 엽록체로 이동되어 카로티노이드를 포함하여 phytosterol, phytoalexin과 giberrelin (GA), Absicic acid(ABA) 등의 식물호르몬을 합성하는데 이용된다 (Giuliano et al. 2008; Hasunuma et al. 2008). Figure 1에서 간략하게 요약한바와 같이 엽록체의 MEP 경로는 pyruvate와 glyceraldehyde-3-phosphate (GAP)로 부터 1-deoxy-D-xylulose-5 phosphate (DXP)를 합성하고 이는 다시 MEP 그리고 IPP를 합성하는 과정을 거치나 세포질에서 일어나는 MVA 경로는 Acetyl CoA가 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG CoA),MVA 그리고 IPP와 DMAPP로 전환된다.</p> <p>MEP와 MVA 경로를 통하여 합성된 IPP 즉 \( \mathrm{C}_{5} \) 화합물의 순차적인 첨가반응을 통하여 geranyl pyrophosphate (GPP : \( \mathrm{C}_{10} \) ), farnesyl pyrophosphate (FPP : \( \mathrm{C}_{15} \) ), geranylgeranyl pyrophosphate (GGPP: \( \left.\mathrm{C}_{20}\right) \)이 합성된다. GGPP는 phytoene과 lycopene을 거쳐 다시 두 가지 경로를 거치면서 \( a- \) carotene 그리고 \( \beta \)-carotene을 합성한다. 이들은 hydroxylation 과정을 거치면서 zeaxanthin, violaxanthin, neoxanthin 등을 합성한다 (Hirshberg 2001). 특히 최근에는 astaxanthin, 등을 포함한 keto형 carotenoids가 주목을 받고 있는데 이는 항산화성이 토코페롤이나 비타민C 보다 강하지만 식물 에서는 일반적으로 합성이 되지 않는 것으로 알려져 있기 때문이다. 주로 새우 등의 물고기나 바다에 서식하는 미생물에서 \( \beta \)-carotene ketolase에 의하여 keto기를 삽입함으로서 합성된다 (Steiger and Sandmann 2004).</p> <p>이렇게 다양하고 복잡한 카로티노이드 생합성과정에 관여하는 효소들의 기능을 밝히고 이들을 암호 하는 유전자를 클로닝하기 시작하면서 벼, 옥수수, 감자 등의 주곡작물에서 특정 카로티노이드를 집적시키기 위한 대사 공학연구가 성공적으로 이루어지기 시작하였다. 최근에는\( \beta \)-carotene의 함량이 향상된 벼 (golden rice)가 상업화 를 위한 포장시험 등 안전성 평가단계에 있어 조만간에 시장에 출시 될 것이라고 한다 (Ye et al. 2000). 따라서 본 논문에서는 다양한 종류의 특정 카로티노이들 집적시킨 감자의 연구현황을 살펴보고 해결하여야 할 문제점 등을 고찰하여보고자 하였다.</p>