Establishment of long-term callus cultures of Deguelia duckeana (Fabaceae) with sustained production of lupane-type triterpenes

식물은 자연이 만든 가장 정교한 화학가로, 자신을 방어하거나 수분 매개자를 유인하거나 혹은 가혹한 환경에서 살아남기 위해 끊임없이 복잡한 분자들을 제조합니다. 수 세기 동안 인류는 의약품, 염료, 향료를 추출하기 위해 이 식물들을 채집해 왔지만, 야생 개체군에 대한 이러한 의존은 막대한 대가를 치르게 합니다. 특정 종이 희귀하거나 성장 속도가 느릴 때, 그 화학 성분에 대한 수요는 그 종의 존재 자체를 위협할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 식물 조직 배양이라 불리는 기술에 주목했습니다. 이 방법은 잎과 같은 식물의 아주 작은 조각을 가져와 멸균된 실험실 환경에서 키우는 것을 포함합니다. 적절한 조건 하에서, 이 세포들은 미분화된 조직인 캘러스(callus)라고 알려진 세포 덩어리로 증식할 수 있습니다. 기대하는 바는 이 실험실에서 키운 조직이 원래의 식물과 동일한 가치 있는 화학 물질을 계속해서 생산함으로써, 숲을 베어내거나 자연 개체군을 고갈시키지 않고도 재생 가능한 자원을 제공하는 것입니다. 그러나 이 접근 방식에는 오랫동안 주요한 불확실성이 남아 있었습니다. 만약 이 세포들이 병 속에서 수년 동안 살아있는 상태로 분열하며 유지된다면, 그들이 태어날 때 만들어내도록 정해진 특정 화학 물질을 만드는 법을 잊어버릴 것인가, 아니면 그들의 화학적 레시피를 완전히 바꿔버릴 것인가 하는 점입니다.

브라질 국립 아마존 연구소의 한 연구팀은 Deguelia duckeana라고 알려진 특정 덩굴 식물을 사용하여 이 질문에 답하고자 했습니다. 이 식물은 아마존 열대우림이 원산지이며 박테리아와 암에 맞서 싸우는 데 유망한 효능을 보인 물질들을 포함하여 다양한 생리 활성 화합물을 함유하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 문제는 이 식물이 야생에서는 연구되어 왔지만, 실험실 환경에서 성공적으로 키워낸 적도 없고, 그 화학적 생산이 시간이 흐름에 따라 안정적으로 유지될지 테스트한 적도 없다는 것이었습니다. 연구진은 먼저 아마존에서 이 덩굴의 어린 잎들을 채집하며 시작했습니다. 그들의 첫 번째 난관은 습한 열대우림 기후에서 번성하는 박테리아와 곰팡이에 의해 식물 재료가 잠식되지 않고 자라게 하는 것이었습니다. 다양한 조합의 살균제, 알코올, 표백제를 포함한 21가지의 서로 다른 세척 방법을 테스트한 끝에, 그들은 가장 효과적인 특정 순서를 찾아냈습니다. 그것은 살균제에 오래 담근 후, 알코올에 짧게 담갔다가, 마지막으로 연한 표백 용액으로 헹구는 과정이었습니다. 이 과정을 통해 그들은 잎으로부터 깨끗하고 살아있는 배양체를 확립할 수 있었습니다.

배양체가 확립된 후, 과학자들은 잎 조각들이 화학 물질의 공장 역할을 할 성장하는 세포 덩어리, 즉 캘러스로 변하도록 유도해야 했습니다. 그들은 멸균된 잎 조각들을 영양분이 풍리한 젤에 넣고, 어떤 조합이 가장 많은 성장을 유발하는지 알아보기 위해 다양한 식물 호르몬 혼합물을 첨가했습니다. 그들은 세 가지 호르몬의 특정 배합이 최상의 결과를 낳는다는 것을 발견했으며, 이 배합은 2주 만에 잎 조각의 75%를 건강하고 연한 녹색을 띠는 캘러스로 변화시켰습니다. 이 캘러스들은 12년 동안 반복적으로 배양되고 나누어졌습니다. 이 기간 동안 연구진은 세포를 살려두고 계속 자라게 하기 위해 필수적인 과정인, 조직을 신선한 용기로 옮기는 작업을 83회 별도로 수행했습니다. 이 긴 기간은 매우 중요했는데, 이는 세포들이 결국 고유의 화학 물질을 생산하는 능력을 상실할 것인지, 아니면 일관성을 유지할 것인지를 관찰할 수 있게 해주었기 때문입니다.

세포가 무엇을 만들고 있는지 확인하기 위해, 연구진은 주기적으로 소량의 조직을 채취하여 그 화학적 구성을 분석했습니다. 그들은 평판 위에 화학 물질을 분리하여 무엇이 존재하는지 보여주는 얇은 층 크로마토그래피(thin-layer chromatography)법과, 분자의 정확한 구조를 밝혀내는 강력한 도구인 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance)법을 사용했습니다. 결과는 놀라울 정도로 일관적이었습니다. 12년의 전체 기간 동안, 캘러스는 루판형 트리테르펜(lupane-type triterpenes)이라고 알려진 특정 화합물 그룹을 계속해서 생산했습니다. 여기에는 루페올(lupeol), 베투리날데히드(betulinaldehyde), 베툴린산(betulinic acid)이라는 세 가지 특정 분자가 포함되었습니다. 이들은 다른 관련 식물들에서도 발견되는 종류의 화합물들이며 의학적 잠재력이 있는 것으로 알려져 있습니다. 조직의 화학적 프로필은 표류하거나 변하지 않았습니다. 세포들은 첫 해와 12년째에 동일한 혼합 화학 물질을 생산했습니다. 이러한 안정성은 세포들이 자연 환경에서 제거되어 10년 넘게 병 속에 담겨 있었음에도 불구하고, 그들의 유전적 지침과 복잡한 분자를 합성하는 능력을 유지했음을 시м볼합니다.

이 연구 결과는 아마존 식물의 보존과 활용에 있어 중요한 진전을 의미합니다. 2012년에 잎이 채집되었던 원래의 Deguelia duckeana 개체군은 지역의 도시 개발로 인해 이후 찾기가 어려워졌습니다. 연구진이 이 식물의 살아있는 배양체를 오랫동안 유지할 수 있었기에, 그들은 자칫 사라질 수도 있었던 생물학적 자원을 보존할 수 있었습니다. 이 연구는 야생 개체군에 의존하지 않고도 귀중한 식물 화학 물질의 지속 가능한 장기적 공급원을 만드는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다. 실험실 배양체는 원하는 화합물을 매년 일관되게 생산하는 안정적인 공장임을 증명했습니다. 이 접근 방식은 희귀한 아마존 종의 화학적 잠재력을 연구하고 활용할 수 있는 방법을 제공하며, 동시에 열대우림 자체에 가해지는 압박을 줄여 이러한 천연 자원이 미래의 과학적 탐구와 잠재적인 의료적 용도를 위해 계속 남아 있을 수 있도록 보장합니다.