From genetic diversity to biosynthetic potential: genome mining of endophytic Alternaria alternata isolates from medicinal plants in Iran

식물 내부의 숨겨진 화학 공장

식물을 단순히 정적인 자연의 일부가 아니라, 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 잎과 줄기의 벽 안에는 미생물이라는 비밀스러운 세입자들이 살고 있습니다. 이들은 바로 '내생균(endophytes)'이라 불리는 곰팡이입니다. 여러분의 빵을 부패시키거나 재채기를 유발하는 곰팡이와 달리, 내생균은 건강한 식물 내부에서 병을 일으키지 않고 조용히 살아갑니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 숨겨진 손님들이 사실 뛰어난 화학가이며, 질병과 싸우거나 더 나은 작물을 기르는 데 도움이 될 독특한 비약을 제조하고 있다고 의심해 왔습니다. 하지만 한 가지 문제가 있습니다. 곰팡이가 서로 다르게 생겼다고 해서 반드시 다른 화학 물질을 만들어내는 것은 아니라는 점입니다. 이는 마치 두 명의 요리사가 외형은 완전히 다르지만, 정확히 같은 레시cip 책을 사용하고 있는 것과 같습니다.

이를 알아내기 위해 연구자들은 두 가지 주요 도구를 사용합니다. 첫째, 곰팡이의 '신분증'(DNA)을 살펴보고 그것이 실제로 누구인지 확인합니다. 둘째, '게놈 마이닝(genome mining)'을 사용하는데, 이는 곰팡이가 지금 당장 요리를 하고 있지 않더라도 어떤 레시피(유전자)를 요리할 수 있는지 도서관의 카탈로그를 스캔하는 것과 같습니다. 핵심 질문은 이것입니다. 이 작은 곰 fungal 세입자들이 자신이 사는 식물에 따라 변하는 다양한 레시피 세트를 가지고 있는가, 아니면 집이 어디든 상관없이 모두 똑같이 거대하고 강력한 요리책을 지니고 있는가? 이를 이해하는 것은 우리가 새로운 약을 찾기 위해 매번 새로운 식물을 찾아 나서야 하는지, 아니면 단 한 종류의 유형만 연구해도 다음의 위대한 의약품을 찾을 수 있을지를 알려줍니다.

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"알테르나리아(Alternaria)" 곰팡이의 비밀 요리책

최근 연구에서 모스타파 에바디(Mostafa Ebadi)라는 연구자는 '알테르나리아 알테르나타(Alternaria alternata)'라고 불리는 매우 흔한 곰팡이의 유전적 주방 내부를 들여다보기로 했습니다. 이 곰팡이는 이란의 동아제르바이잔주에 있는 여섯 가지 다른 유형의 약용 식물 내부에서 발견되었습니다. 식물에는 세이지(Salvia nemorosa), 엉겅퀴와 유사한 식물(Gundelia tournefortii), 타마리스크(Tamarix ramosissima), 그리고 알하기 마우로룸(Alhagi maurorum), 알테아 로제아(Alcea rosea), 지고필룸 파보(Zygophyllum fabago) 등 세 종류의 식물이 포함되었습니다.

먼저, 과학자는 이 곰팡이들이 실제로 동일한 종인지 확인해야 했습니다. 서로 다른 식물에서 발견되었음에도 불구하고, 현미경 아래에서 그들은 모두 비슷해 보였습니다. 이를 확실히 하기 위해 연구자는 그들의 DNA 중 특정 구간(ITS1 영역이라고 불림)을 읽었습니다. 결과는 명확했습니다. 14개의 곰팡이 분리 균주 모두가 정말로 Alternaria alternata였습니다. 이들은 긴밀한 가족 그룹을 형성하며, 이 단일 종이 여섯 개의 완전히 다른 식물 가족 사이에서 행복하게 살아가는 변장의 명수임을 입증했습니다.

다음은 진짜 탐정 작업인 게놈 마이닝 단계였습니다. 연구자가 발견된 모든 곰팡이의 DNA를 직접 시퀀싱하는 것은(시간과 비용이 너무 많이 들기 때문에) 불가능했기에, 공개된 Alternaria alternata의 '참조(reference)' 게놈을 대역으로 사용했습니다. 연구자는 이 유전적 청사진을 antiSMASH라는 강력한 컴퓨터 프로그램에 돌렸는데, 이 프로그램은 화학 레시피의 맞춤법 검사기 역할을 합니다. 프로그램은 곰팡이가 복잡한 화학 물질을 만드는 데 사용하는 특정 지침 세트인 '생합성 유전자 클러스터(BGCs)'를 찾기 위해 게놈을 스캔했습니다.

결과는 놀라웠습니다. 컴퓨터는 곰팡이의 게놈에서 총 42개의 서로 다른 유전자 클러스터를 찾아냈습니다. 이를 비교해 보자면, 많은 다른 곰팡이들은 20개에서 35개 정도만을 가지고 있습니다. 이는 Alternaria alternata가 화학적 강자임을 시사합니다. 42개의 클러스터는 다음과 같은 구체적인 '레시피' 유형으로 분류되었습니다:

• 10개는 Type I 폴리케타이드 합성효소(T1PKS)를 위한 것으로, 알테르나리올(alternariol)이나 알테뉴엔(altenuene) 같은 물질을 만들 수 있습니다.
• 8개는 비리보솜 펩타이드 합성효소(NRPS)를 위한 것으로, 테뉴아조닉 산(tenuazonic acid) 같은 화합물을 만들 수 있습니다.
• 4개는 앞선 두 유형을 혼합한 '하이브리드' 클러스터(T1PKS-NRPS)로, 푸모니신(fumonisin)과 같은 복잡한 물질을 만들 가능성이 있습니다.
• 6개는 통신용으로 자주 쓰이는 휘발성 향기인 테르펜(terpenes)을 위한 것입니다.
• 3개는 철분을 잡기 위한 도구인 시데로포어(siderophores, 특히 페리크롬 유사체)를 위한 것입니다.
• 나머지 2개는 인돌(indoles)을 위한 것이며, 2개는 베타-락톤(beta-lactones)을 위한 것입니다.
• 남은 7개는 알려지지 않았거나 기타 기능의 혼합된 유형들입니다.

이 연구는 이러한 클러스터들이 곰팡이가 많은 일을 할 수 있게 해준다고 제안합니다: 다른 미생물과 싸우거나(항균 작로), 토양에서 철분을 잡아와 식물을 돕거나(시데로포어), 화학적 신호를 보내는 것(테르펜) 등입니다. 알테르나리올과 같은 예측된 화학 물질 중 일부는 독성이 있는 것으로 알려져 있지만, 건강한 식물 안에서 곰팡이는 숙주를 해치지 않기 위해 이러한 '무기'를 꺼두었을 수도 있습니다.

여기서 가장 흥-미로운 반전이 있습니다. DNA의 레시피가 아닌 부분(non-recipe parts)을 보면 곰팡이가 많은 유전적 다양성(다른 '성격'이나 DNA 표식)을 보여줌에도 불구하고, '레시 recipe 책' 자체는 모두에게 동일해 보인다는 점입니다. 연구는 이 42개의 핵심 유전자 클러스터가 보존되어 있다고, 즉 이 곰팡이가 어떤 식물에 살고 있든 관계없이 모두에게 존재한다고 제안합니다. 마치 모든 Alternaria alternata 곰팡이가 세이지 식물에 살든 타마리스크 나무에 살든, 정확히 똑같은 42권의 거대한 도서관을 지니고 있는 것과 같습니다. 곰팡이들 사이의 유전적 차이는 실제 레시피가 아니라 도서관의 '여백'이나 '장식'에 있는 듯합니다.

연구자는 유전자를 찾는 것이 곰팡이가 현재 실제로 그 화학 물질을 만들고 있다는 것을 보장하지는 않는다고 언급합니다. 이는 주방에 요리책을 가지고 있다고 해서 오늘 저 রাতে 저녁 식사를 한다는 뜻은 아닌 것과 같습니다. 날씨가 변하거나 식물이 신호를 보낼 때만 요리를 할 수도 있기 때문입니다. 하지만 잠재적인 레시피의 엄청난 수(42개)는 이 곰팡이가 미래에 새로운 의약품이나 농업 도구를 찾기 위한 매우 유망한 후보라는 점을 보여줍니다. 연구는 결론적으로 Alternaria alternata가 단순히 수동적인 손님이 아니라, 탐구할 준비가 된 거대하고 안정적인 도구 상자를 가진 대사적 파트너라고 밝히고 있습니다.