The growth characteristics and metabolic profiling of Δ 5,7 -sterols and fatty acids in Schizochytrium sp. S31 under different culture conditions

해양의 미세한 세계 깊은 곳에서, 쓰로스토키트리드(thraustochytrids)라고 알려진 단세포 생물 집단이 조용하지만 필수적인 역할을 수행하고 있습니다. 이들은 식물처럼 스스로 영양분을 만들지 못하고 대신 유기물을 섭취하는 미세한 종속영양생물로서, 해양 생태계에서 필수적인 재활용업자 역할을 합니다. 이들은 죽은 물질을 분해하고 탄소 순환에 기여하지만, 최근에는 고가치의 영양소를 제조하는 능력으로 인해 과학자들의 주목을 받았습니다. 이러한 영양소 중에는 인간의 뇌와 심장 건강에 중요한 도코사헥사엔산(DHA)과 같은 장쇄 지방산, 그리고 세포막을 구축하고 안정화하는 데 도움을 주는 왁스 형태의 분자인 스테롤이 포함됩니다. 이들 중 일부 생물은 연어와 홍학에게 분홍빛을 부여하는 강력한 항산токси던트 색소인 아스타잔틴을 생성하기도 합니다. 연구자들의 과제는 이 미세한 공장들이 효율적으로 이러한 귀중한 화합물을 생산하도록 유도하는 방법을 이해하는 것이었는데, 왜냐하면 이들의 산출량은 이들이 자라는 환경에 크게 의존하기 때문입니다.

연구팀은 Schizochytrium sp. S31이라는 특정 쓰로스토키트리드 균주에서 세 가지 서로 다른 화합물의 생산을 극대화하는 데 필요한 정확한 환경 조건을 매핑하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 세 가지 핵심 변수인 가용 가능한 당(글루코스)의 양, 물의 짠 정도(염도), 그리고 산도(pH)에 초점을 맞췄습니다. 실험실에서 각 요인을 체계적으로 조정함으로써, 연구진은 세포가 어떻게 성장하고 내부의 화학적 구성이 어떻게 변화하는지를 관찰했습니다. 목표는 단순히 더 많은 세포를 키우는 것이 아니라, 하나의 성분을 위해 다른 성분을 희생하는 것이 아니라 스테롤, DHA, 아스타잔틴을 모두 높은 수준으로 동시에 생산할 수 있는 특정 '스위트 스팟(sweet spot)'을 찾는 것이었습니다.

연구진은 당과 산도가 중요하긴 하지만, 물의 짠 정도가 세포의 화학적 프로필을 변화시키는 가장 강력한 지렛대라는 것을 발견했습니다. 저염 조건, 구체적으로 리터당 10그램의 해염 농도에서 배양했을 때, 세포는 총 지방산과 DHA 수치가 가장 높았습니다. 이 환경에서 에르고스테롤(ergosterol)이라고 불리는 특정 유형의 스테롤이 세포 스테롤 함량의 41퍼센트를 차지하며 가장 큰 비중을 차지했습니다. 그러나 염 농도가 높아짐에 따라 세포는 전략을 바꾸었습니다. 세포는 더 높은 염도 환경에서 살아남기 위해 내부 구조를 능동적으로 재구성하기 시작했으며, 이는 마치 사람이 날씨에 따라 옷차림을 조절하는 것과 같습니다. 이 과정에서 세포는 C28-Δ5,7로 알려진 다른 유형의 스테롤을 생산하기 시작했고, 이는 높은 염도 조건에서 우세한 형태가 되었습니다. 이러한 변화는 세포가 짠 환경의 스트레스에서 살아남기 위해 내부 구조를 능동적으로 재편하고 있음을 시사합니다.

또한 연구는 세포가 처리할 수 있는 당의 한계가 있다는 것을 밝혀냈습니다. 최대 바이오매스(총 세포 무게)는 배양액에 리터당 60그램의 글루코스가 포함되었을 때 도달했습니다. 이 지점을 넘어 더 많은 당을 추가하는 것은 세포 성장에 도움이 되지 않았으며, 오히려 높은 당 농도가 물리적 스트레스를 유발하여 세포가 영양분을 흡수하는 것을 어렵게 만들었기 때문에 성장을 약간 저해했습니다. 흥식하게도, 서로 다른 영양소 간의 관계는 복잡했습니다. 낮은 염도 수준은 지방산과 DHA 생산을 촉진했지만, 아스타잔틴 생산은 억제했습니다. 반대로, 높은 염도는 DHA 수치가 떨어지는 와중에도 아스타잔틴의 약간의 증가를 유도하는 듯 보였습니다. 이는 세포가 이러한 물질을 만드는 경로가 서로 연결되어 있지만, 환경에 따라 서로 다른 방향으로 끌려갈 수 있음을 나타냅니다.

이러한 변화 뒤에 숨겨된 메커니즘을 이해하기 위해, 연구진은 다양한 염도 조건 하에서의 세포 내 유전적 활동을 살펴보았습니다. 연구진은 염도가 낮을 때 세포가 지방산을 분해하여 에너지와 빌딩 블록을 생성하는 베타 산화(beta-oxidation) 과정을 강화한다는 것을 발견했습니다. 이러한 활동의 급증은 스테롤과 DHA 생산 라인 모두에 공급되는 기초 분자인 아세틸-CoA의 잉여를 제공했습니다. 그러나 세포는 아스타잔틴 생성의 마지막 단계에 책임이 있는 유전자들을 억제하기도 했습니다. 이러한 유전적 미세 조정은 왜 세포가 저염 조건에서 많은 양의 DHA와 스테롤을 생산하면서도 아스타잔틴은 억제했는지를 설명해 줍니다. 연구는 특정 유전자들이 미래의 엔지니어링 대상이 될 수 있음을 확인했으며, 이는 적절한 조건이 충족된다면 이 생물이 콜레스테롤이나 스티그마스테롤과 같은 다른 귀중한 스테롤을 만들 수 있는 잠재력이 있음을 시사합니다.

연구의 가장 성공적인 결과는 연구진이 세 가지 요인의 최적 수준을 결합했을 때 나타났습니다: 60그램의 글루코스, 10그램의 해염, 그리고 pH 5.5입니다. 이 특정 조건 하에서 배양물은 최대 세포 밀도인 리터당 17.4그램에 도달했습니다. 더 중요한 것은, 이 환경이 세 가지 표적 화합물의 동시 축적을 가능하게 했다는 점입니다. 세포는 리터당 50.73밀리그램의 총 Δ5,7-스테롤, 리터당 1,097밀리그램의 DHA, 그리고 리터당 0.11밀리그램의 아스타잔틴을 생산했습니다. 이 결과는 단일 미생물 균주가 하나를 선택하는 대신 여러 고가치 바이오액티브 성분을 공동 생산하도록 유도하는 것이 가능하다는 것을 입증합니다.

이 작업은 이 미세한 공장들을 어떻게 배양할지에 대한 명확한 로드맵을 제공합니다. 염도가 생산되는 스테롤의 유형을 결정하는 주요 스위치 역할을 하고, 당 수치가 전체 성장 한계를 결정한다는 것을 이해함으로써 과학자들은 발효 공정을 더 잘 설계할 수 있습니다. 연구 결과는 지방, 스테롤, 색소를 만드는 대사 경로가 깊이 상호 연결되어 있으며, 환경적 스트레스에 따라 조정된 방식으로 반응한다는 것을 보여줍니다. 본 연구는 통제된 환경 내의 단일 균주에 집중했지만, 얻어진 통찰력은 인간의 건강과 산업적 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있는 이러한 영양소를 수확하는 더 효율적인 방법을 개발하는 기초를 제공합니다. 연구는 적절한 환경적 신호가 있다면, 이 작은 세포들이 필수 영양소의 매우 생산적인 원천이 되도록 유도할 수 있음을 확인해 줍니다.