서태평양 열수분출공 주변에 서식하는 홍합(Bathymodiolus sp.)과 털달팽이(Alviniconcha boucheti)의 공생세균 군집 및 대사 특성 비교

심해 열수분출공은 고온, 고압 및 각종 가스와 무기물질(수소, 메탄, 황화수소, 철 등)이 다량 방출되는 극한 환경이다. 이러한 열수 환경에서 서식하고 있는 다양한 저서생물의 체내·외에 서식하는 공생세균은 숙주에게 에너지를 효율적으로 제공하여 그들의 생존(에너지 생성, 번식 등)에 필수적인 역할을 한다. 따라서 열수분출공 주변에 서식하는 홍합과 털달팽이 같은 생물 내 공생세균의 주요 군집과 생태/생리학적 정보는 숙주 생물의 생존 전략을 규명하기 위한 중요한 정보를 제공한다. 하지만 열수분출공과 같이 극한 환경에서의 저서동물의 생존전략 및 적응을 이해하기 위해 공생세균의 주요 군집과 기능을 파악하려는 연구는 아직까지 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 서태평양 북피지분지 열수분출공 주변에서 채집한 홍합(Bathymodiolus sp.)과 털달팽이(Alviniconcha boucheti)로부터 분리한 공생 세균의 군집을 파악하여 홍합과 털달팽이의 대사과정을 비교하고자 한다. 홍합과 털달팽이의 공생세균의 강(class) 수준에서의 군집 분석 결과에서, 홍합에서는 Gammaproteobacteria가 96.9%로 가장 우세한 군집으로 나타났지만, 털달팽이의 공생세균의 분석 결과에서는 Epsilonproteobacteria가 98.1%로 대부분을 차지하고 있었다. 속(genus) 수준에서 분석한 결과, 심해 홍합에서는 Thioglobus가 95.7%로 주요 미생물로 나타났으며, 그 다음으로는 Sulfurovum이 2.69%로 나타났다. 털달팽이의 경우 Sulfurimonas가 97.7%로 가장 우세한 속으로 밝혀졌으며, 그 다음 주요 속으로 Sulfurovum이 0.368%로 나타났다. 심해홍합과 털달팽이 내 우세하게 나타난 공생세균의 군집인 Thioglobus속이나 Sulfurimnas속, Sulfurovum속 미생물 모두 황 산화를 하며 질산염을 환원하는 공통적 역할을 보이고 있다. 추가적으로 공생세균과 숙주생물 간의 질소 대사 관계를 이해하기 위해 공생세균의 질소 대사 관련 기능 유전자 분석과 숙주생물의 질소 안정동위원소비를 분석하여 두 생물의 질소 에너지 공급과정과 대사 경로를 예측하였다. 결과적으로 털달팽이와 홍합은 질소 관련 대사경로가 다르며 에너지 습득에 있어서 서로 다른 지위를 가지는 것으로 확인되었다.2

Development of technology for mass production of useful marine bioproducts

1. 연구개발목표 ○ 해양ㆍ극한 생물자원을 활용한 산업소재 대량생산 플랫폼 구축 및 활용 - 비광합성 해양·극한 미생물 기반 가스전환 플랫폼 구축활용기술 개발 - 농축 고염분수 활용 기능성 해양생물원료 대량생산/산업소재 개발 - 수층별 서식범위에 따른 복합생물자원생산 및 이를 이용한 레저/관광 자원화 기반기술개발 2. 연구개발성과 ○ 신규 미생물자원 확보 - 지속적 자가영양미생물 탐색을 통해 아세토젠 7종 10주, 메타노젠 2종 3주, 황산화 및 환원 5종 5주 등 신규 미생물 23종 27주 확보 - 확보 미생물로부터 3종의 신종 보고 및 1종 신속 발표 준비 - 자가영양미생물 4종 등 10종 12주의 유전체 해독을 통한 대사과정 이해 - 기 확보 미생물 2종의 C1 화합물 대사특성 규명 및 배지조성 최적화 ○ 가스발효 OD 10< - AWRP 균주의 개량과 배지 최적화 등을 통해 acetate 생산성 12 g/L/d 달성 - acetate 첨가를 통한 CO 발효 개선 : ethanol 232 mM, 2,3-BDO 23 mM 등 각각 2.9, 2.3배 증가 효과 - Hydrogenovibrio속 미생물의 배양조건 최적화를 통해 최대 OD 16.8 도달 - Clostridium sp. AWRP의 대사공학을 통해 가스로부터 신규 C3 화합물 생산 성공 - 가스 전환 미생물의 CRISPR/Cas12 유전체 편집 시스템 구축 ○ 미세조류 배양 및 효능 연구 - 최대 30톤 규모 배양조에서 Dunaliella salina 58.0 ± 1.5 g/m2/d, Tetraselmis sp. 57.0 ± 1.2 g/m2/d의 생산성 달성 - 200L급 미세조류-미생물 하이브리드 배양조 제작 및 실용화 연구 수행 (미세조류 생산성 향상, 미생물 바이오에탄올 생산, 미생물 이산화탄소 저감 모델) - Tetraselmis sp.으로부터 lutein을 주성분으로 하는 carotenoids 추출물을 제작하였고, 제작된 추출물은 항염증 효능이 우수하였으며 작용기전을 확인함 - Dunaliella salina의 polysaccharides 추출물은 galactose 및 glucose 함량이 높고 항산화 효능(IC50=4.3mg/ml)이 높게 나타났으며 작용기전을 확인함 - D. salina의 추출물은 피부 보호, 조골세포 분화기능도 보유함을 확인하고 이의 활용을 위한 창상치료 피복제 제작 평가 - 두 종류의 미세조류 추출물의 성분 분석, 독성 평가, 기능 평가 등 식약처 인증을 위한 자료 획득 ○ 해조류 배양 및 효능 연구 - 1톤 규모 구멍갈파래 배양조 및 5톤 규모 우뭇가사리 배양조 각 2기 제작-배양 - 구멍갈파래 추출물, 원물 발효물, 추출물 발효물을 각각 제작하여 보습활성 측정결과 구멍갈파래 추출물 및 원물 발효물에서 보습활성이 높게 나타났으나 활성을 갖는 농도가 높아 추가실험 필요 - 구멍갈파래 발효물은 유방암 억제효과를 보임 - 구멍갈파래로부터 펙틴 추출공정을 확립하고 추출된 펙틴을 장 건강 활성측정을 위한 동물실험 진행결과 장 내 수분 흡수에 도움을 주어, 분변 중 수분함유량 증대 및 소화관 이동을 활발하게 함으로써 변비 증상을 예방효능 확인. 염증을 촉진 시키는 인자인 TNF-α, IL-1β 및 NF-κB의 과발현을 구멍갈파래 펙틴이 개선시키는 효과를 확인 - 우뭇가사리로부터 효소발효물 제조 대량공정을 확립하고 획득된 산물의 기능성을평가한 결과 보습활성이 저농도에서 높게 나타났고(IC50=0.5mg/ml) 미백에도 효능을 나타냄 ○ 해양미생물 배양 및 효능연구 - 고염에서 성장하는 미생물 3종에 대한 배양 - Pseudoalteromonas rubra 주정추출물은 섬유아세포에 대해 성장을 1.5배 증가시키고 콜라겐 합성능력을 1.8배 증가시킴 - Brevibacterium epidermidis 물추출물은 골세포 분화능력을 2.4배 증가시키고 골조직의 미네랄화 활성이 매우 높음 - Pseudoalteromonas xiamenensis는 생균 상태로 지브라피쉬 유생에 노출시 고온 및 질병저항력이 높아짐 - Zebra fish를 이용하여 위 미생물의 장내세균군집 안정화, 면역조절 등 기작 확인 ○ 수층공간별 수질 환경 및 먹이생물 분포 특성 - 계절에 따른 기초 해양환경 변화 (수온, 염분, 먹이생물 등)에 따라 대상종의 양식 환경에 적합한 수층에 양식시설의 설치를 위한 연속 자료 확보 - 차세대염기서열 분석을 실시하여 월별 수층공간별 식물플랑크톤 분포 특성 파악 - 연승식 심층 양식시설 설계 및 가리비 등의 양식에 시험 적용하여 심층 양식의 우수성을 확인 ○ 병원체 진단기술 확립 - 차세대염기서열 분석을 실시하여 월별 병원성 바이러스 분포 특성 및 출현 종 목록 작성하였으며 가리비를 대상으로도 감염 바이러스 목록 작성 - 양식장 인근 해역의 미생물 군집 변화 모니터링 - PCR 기반 바이러스 진단기술 개발 ○ 양식어장 부착생물 관리방안- 양식장 주변 유생 발생 및 부착생물 출현 양상 파악 - 환경 조건, 수심 등에 따른 부착생물 강비 특성 파악 - 부착생물에 영향을 미치는 저서동물 및 유생 분포 파악 ○ 통영해역에서 활용 가능한 해중공원 모델 개념 설계 완료 ○ 종합 성과 정리 - C1 가스 기반 연료, 산업 원료 생산과 관련하여 다수의 신규 자가영양미생물을 확보하였으며 연구팀 내 모델미생물로 Clostridium sp. AWRP의 적응진화 및 유전자 편집을 통한 개량, 배지 최적화, 배양기술 고도화 등을 통해 산물 다변화 및 조절, 최대 12 g/L/d의 아세트산 생산성 도달 - 고염해수를 이용한 대규모 미세조류 배양기술 확립과 추출물 제조 및 바이오매스의 발효 등을 통해 항염, 항산화, 항암 기능성 물질의 발굴 및 활용에 필요한 제반 정보를 준비함 - 관련 미생물의 조골세포 분화기능, 섬유아세포 성장 촉진, 모델 어류의 질병 저항 및 온도 내성 증가 등의 활용성 확인 - 해조류 펙틴의 창상 치료제로의 기능 검증 및 제형 개발 - 해양환경의 장기 모니터링, 먹이생물 및 부착생물 변동 등을 고려하여 연승식 양식 시설 설계, 설치, 시험평가 결과 가리비 양식에서 우수한 결과 확인 - 병원체 검출기술 확립 및 해중공간 활용을 위한 해중공원 개념도 작성 3. 연구개발성과 활용계획 및 기대효과 ○ 비광합성 탄소고정 및 탄소대사 능 해양유래 우수 균주 확보로 응용기술 개발에 필요한 원천자원 및 기술 제공 ○ 대사공학/합성생물학 기술을 이용하여 재조합 균주-유용물질 생산 시스템에 응용 ○ 유용물질 생산 산업용 균주를 확보하여 국내 해양바이오기술 선진화 ○ C1가스, 해양바이오매스로부터 유용물질생산 기술 개발에 적용 ○ 농축 고염분수 기반 유용 해양생물자원의 안정적 대량생산 통한 산업화 기반 마련 ○ 연안, 근해 해양생물자원증대 및 자원조성기술 사업에 활용한국해양과학기술