Extraction and cross-flow ultrafiltration tailor molecular architecture, antioxidant activities and immunostimulatory properties of fucoidans from Sargassum angustifolium

바다는 화학 화합물의 거대한 도서관이며, 그중 많은 것들은 해양 생물이 가혹하고 짠 환경에서 살아남는 데 도움을 주도록 진화했습니다. 이 중 가장 유망한 것들은 갈색 해조류에서 발견되는 복합당인 푸코이단(fucoidan)입니다. 이 분자들은 단순한 사슬이 아닙니다. 이들은 강한 전기적 전하를 부여하는 황산기(sulfate groups)로 두껍게 장식되어 있으며, 다양한 당 단위들의 혼합물로 구성되어 있습니다. 과학자들은 오래전부터 이 해조류 추출물이 면역 체계를 강화하고, 세포를 손상시키는 불안정한 분자인 유해한 자유 라디칼(free radicals)을 퇴치할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 큰 장애물은 천연 푸코이단이 매우 복잡한 혼합물이라는 점이었습니다. 그것은 크기와 모양이 매우 다양하게 변하는 수천 가지의 서로 다른 분자 버전을 포함하고 있습니다. 이 때문에 혼합물의 정확히 어떤 부분이 작용을 하는지, 또는 어떻게 일관된 의약품이나 보충제를 만들 수 있는지 알기가 거의 불가능했습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 혼합물을 더 작고 깨끗한 그룹으로 분류하고 각 그룹이 어떻게 반응하는지 확인해야 했습니다.

이란의 타르비아트 모다레스 대학교(Tarbiat Modares University)에 속한 과학자 팀은 오만해(Oman Sea) 연안에서 채집한 특정 갈색 해조류인 사르가섬 앙구스티폴리품(Sargassum angustifolium)에서 추출한 푸코이단을 가지고 바로 이 작업을 수행하고자 했습니다. 그들의 목표는 가공되지 않은 복잡한 추출물을 가져와 크기에 따라 별도의 그룹으로 정교하게 분리한 다음, 각 그룹이 면역력을 높이는 데 어떤 것이 가장 좋은지, 그리고 항산화제로 작용하는 데 어떤 것이 가장 좋은지를 테스트하는 것이었습니다. 그들은 먼저 간단하지만 효과적인 기술인 해조류 물에 알코올을 첨가하는 방법을 사용했습니다. 알코올의 양을 점진적으로 늘림으로써, 서로 다른 크기의 당 분자들이 서로 다른 시점에 용액에서 떨어져 나오게 했습니다. 침전(precipitation)이라고 불리는 이 과정을 통해 연구자들은 해조류 추출물을 저농도 알코올에서 떨어진 것, 중농도 알코올에서 떨어진 것, 그리고 분리하기 위해 고농도의 알코올이 필요한 것으로 세 가지 주요 배치(batch)로 분리했습니다.

이 첫 번째 분리의 결과는 시사하는 바가 컸습니다. 가장 낮은 농도의 알코알에서 떨어진 배치는 가장 컸으며 면역 세포를 깨우는 데 가장 효과적이었습니다. 연구진이 이 특정 배치를 대식세포(macrophages)로 알려진 생쥐의 면역 세포에 테스트했을 때, 이 배치는 다른 어떤 배치보다도 감염과 싸우는 데 몸이 사용하는 핵심 신호 분자인 산화질소(nitric oxide)의 생성을 더 효과적으로 유도했습니다. 반면, 분리를 위해 가장 높은 농도의 알코올을 필요로 했던 배치는 가장 작고 가벼웠습니다. 이 작은 분획은 자유 라디칼을 중화하는 데 있어 챔피언 역할을 했으며, 실험실 테스트에서 유해한 산화 스트레스를 제거하는 데 가장 강력한 능력을 보여주었습니다. 이 연구는 크기가 매우 중요하다는 것을 확인시켜 주었습니다. 즉, 큰 분자는 면역 세포와 소통하는 데 더 적합했고, 작은 분자는 화학적 정화 작업에 더 적합했습니다.

그러나 과학자들은 이 분리된 배치들조차 정밀한 응용을 위해서는 여전히 너무 섞여 있다는 것을 알고 있었습니다. 면역 자극에는 가장 좋았지만 여전히 다양한 크기를 포함하고 있었던 큰 배치의 경우를 말입니다. 더 명확한 그림을 얻기 위해, 그들은 가장 유망한 이 배치를 미세한 구멍이 있는 막을 사용하는 특수 여과 시스템에 통과시켰습니다. 크로스 플로우 한외여과(cross-flow ultrafiltration)라고 불리는 이 과정은 마치 일련의 체(sieve)처럼 작동하여 분자들을 소, 중, 대 세 가지의 더 좁은 그룹으로 분류했습니다. 이 단계는 훨씬 더 정밀하게 크기의 효과를 볼 수 있게 해주었습니다.

두 번째의 더 상세한 분류로부터 얻은 결과는 놀라웠습니다. 2에서 10 킬로달톤(kilodaltons) 사이의 분자를 포함하는 가장 작은 그룹이 모두를 통틀어 가장 강력한 것으로 나타났습니다. 이 그룹은 자유 라디칼과 싸우는 능력을 유지했을 뿐만 아니라, 면역 세포를 활성화하는 능력에서도 원래의 큰 배치를 능가했습니다. 연구진이 이 작은 분획으로 처리된 세포들을 관찰했을 때, 세포가 싸울 준비가 되었음을 알리는 표지자인 CD86의 유의미한 증가를 발견했습니다. 이는 큰 분자가 항상 면역 자극에 더 좋다는 기존의 가설에 도전하는 중요한 발견이었습니다. 대신, 이 연구는 큰 분자를 특정된 더 작은 크기로 분해하는 것이 두 가지 과업 모두에 더 효과적이라는 것을 보여주었습니다.

연구진은 왜 이 그룹들이 다르게 행동하는지 이해하기 위해 이들의 화학적 구성을 조사했습니다. 그들은 분리 과정이 단순히 크기만을 분류하는 것이 아니라, 그룹의 화학적 구성 또한 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 가장 작은 분획은 글루코스(glucose)라는 당이 풍부하고 황산 함량이 매우 높았던 반면, 더 큰 분획들은 원래의 푸코스(fucose)와 갈락토스(galactose) 당을 더 많이 보유하고 있었습니다. "전형적인" 푸코스 당의 양이 적었음에도 불구하고, 작은 분획이 더 우수한 성능을 보였습니다. 이는 분자의 물리적 형태와 크기가 특정 유형의 당의 양보다 더 중요하다는 것을 시사합니다. 더 작은 분자들은 더 유연하고 더 쉽게 움직일 수 있어, 자유 라디칼 및 면역 세포 수용체와 더 효율적으로 상호작용할 수 있는 것으로 보입니다.

궁극적으로, 이 연구는 해조류 추출물의 생물학적 힘이 단일한 특성이 아니라 분자가 어떻게 구축되었는지와 그 크기가 어떠한지의 결과임을 입증합니다. 이 연구는 분자의 크기를 정밀하게 제어함으로써 과학자들이 특정 용도에 맞게 맞춤 제작할 수 있음을 증명합니다. 만약 목표가 면역 체계를 강화하기 위한 보충제를 만드는 것이라면, 특정된 더 작은 크기 범위가 핵심이 될 수 있습니다. 만약 목표가 항산산제라면, 다른 크기가 가장 적합할 수 있습니다. 연구진은 알코올 분리와 막 여과를 결로 결합하는 그들의 방법이 맞춤형 성분을 생산하는 실용적이고 확장 가능한 방법이라고 결론지었습니다. 이 접근 방식은 조잡하고 일관성 없는 해조류 추출물을 사용하는 것에서 벗어나, 식품, 의약품 및 건강 제품에 신뢰성 있게 사용될 수 있는 정밀하고 고품질의 성분을 만드는 방향으로 분야를 진전시킵니다.