Soybean protein isolate modulates monacolin K accumulation in a high producing Monascus purpureus mutant obtained by ARTP mutagenesis
본 연구는 ARTP로 유도된 고수율 *Monascus purpureus* 돌연변이에 3% 대두 단백 분리물을 첨가하는 것이 중심 탄소 및 코엔자임 대사에 관여하는 유전자들을 상향 조절함으로써 모나콜린 K 축적을 유의미하게 향상시킨다는 것을 입증한다.
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발효의 세계에서, 아주 작은 곰팡이들은 종종 인류의 건강을 형성하는 식품과 의약품 뒤에 숨은 이름 없는 영웅 역할을 합니다. Monascus purpureus라는 학명으로 알려진 이 곰팡이는 수 세기 동안 아시아 요리의 주식인 홍국(red yeast rice)을 만드는 데 사용되어 왔으며, 이는 또한 콜레스테롤을 낮추는 천연 공급원 역할도 합니다. 이러한 이점의 핵심은 이 곰팡이가 생성하는 모나콜린 K(monacolin K)라는 특정 화합물로, 이 분자는 신체가 과도한 콜레스테롤을 생성하는 능력을 차단함으로써 작용합니다. 하지만 자연은 좀처럼 완벽하지 않습니다. 이 곰팡이의 서로 다른 균주들은 유익한 화합물의 양을 다르게 생성하며, 불행히도 일부는 그와 함께 시트리닌(citrinin)이라는 해로운 독소를 생성하기도 합니다. 홍국을 더 안전하고 효과적으로 만들기 위해, 과학자들은 곰팡이가 해로운 물질은 멀리하면서 유익한 물질을 더 많이 생산하도록 유도하는 방법을 오랫동안 모색해 왔습니다. 그들은 또한 인간의 식단이 건강에 영향을 미치듯, 미생물에게 가용한 영양분이 무엇을 만들어내고 얼마나 잘 성장할지를 결정한다는 점을 이해하며 곰팡이에게 더 잘 먹이는 방법 또한 연구하고 있습니다.
치루 공과대학교(Qalu University of Technology)와 산둥 식품 발효 산업 연구 설계 연구소의 연구진은 최근 유전적 개선과 영양 조절이라는 두 가지 강력한 전략을 결합하여 이 과제에 도전했습니다. 먼저, 그들은 대기 및 상온 플라즈마 돌연변이 유발 기술을 사용하여 곰팡이의 유전 코드를 부드럽게 자극했습니다. 이 과정은 미생물을 특수한 형태의 이온화된 가스에 노출시키는 것으로, 마치 더 좋은 패가 나오는지 확인하기 위해 카드 덱을 섞는 것처럼 DNA에 무작위적인 변화를 도입합니다. 이 섞인 덱으로부터, 그들은 'Y1'이라 명명된 새로운 돌연변이 균주를 선발했는데, 이 균주는 뛰어난 생산자로 입증되었습니다. 이 새로운 균주는 모체보다 훨씬 더 많은 양의 콜레스테롤 저하 화합물을 생성하면서도, 해로운 독소를 생성하는 징후를 보이지 않아 안전성을 유지했습니다.
우수한 균주를 확보한 후, 연구팀은 이 질문을 던졌습니다. "특정한 종류의 단백질을 이 곰팡이에게 공급하면 그 산출량을 더욱 높일 수 있을까?" 그들은 식품 제조에 자주 사용되는 고농축 대두 단백질 형태인 대두 단백 분리물을 활용했습니다. 곰팡이가 자라고 있는 쌀 기질에 이 단백질을 다양한 양으로 첨가함으로써, 그들은 명확한 최적점을 발견했습니다. 쌀 무게 대비 3%의 대두 단백 분리물을 첨가했을 때, 곰팡이는 쌀 1g당 19.38mg이라는 놀라운 양의 유익한 화합물을 생성했습니다. 이는 추가적인 단백질을 넣지 않았을 때보다 두 배 이상 높은 수치였습니다. 그러나 이 관계는 단순히 "많을수록 좋다"는 시나리오가 아니었습니다. 3%를 초과하여 단백질을 더 많이 첨가하면 오히려 생산량이 감소했는데, 이는 곰팡이가 번성하기 위해 필요한 정밀한 영양 균형이 존재함을 시사합니다.
이 특정 양의 단백질이 왜 그렇게 잘 작동했는지 이해하기 위해, 과학자들은 세포가 주어진 순간에 활발하게 사용하고 있는 지침을 읽어내는 방법인 전사체학(transcriptomics)을 사용하여 곰팡이의 세포 내부를 들여다보았습니다. 그들은 최적의 단백질 용량으로 자란 세포와 그렇지 않은 세포를 비교했습니다. 결과는 곰팡이의 내부 운영 체계에 나타난 거대한 변화를 드러냈습니다. 단백질의 첨가는 거의 2,000개의 유전자를 자극하여 많은 유전자의 발현을 높이거나 낮추었습니다. 가장 유의미한 변화는 곰팡이가 당을 분해하고 에너지를 관리하는 경로에서 발생했습니다. 단백질은 탄수화물을 연료로 전환하는 기계를 깨워, 세포에 더 효율적인 엔진을 제공한 듯 보였습니다.
나아가, 이 연구는 단백질이 곰팡이가 화학적 구성 요소를 관리하는 데 어떻게 도움을 주었는지 강조했습니다. 복잡한 분자를 만드는 데 필요한 형태의 세포 에너지인 특정 유형의 환원력을 생성하는 유전자들이 활성화되었습니다. 이는 대두 단백질이 단순히 곰팡이에게 먹이를 준 것이 아니라, 유익한 화합물의 생산을 우선시하도록 세포의 전체 대사 네트워크를 재편했음을 시사합니다. 곰팡이는 본질적으로 자원을 재배치하여, 유익한 분자의 생산 라인으로 더 많은 에너지와 원료를 흘려보냈습니다. 이 연구는 견고한 균주를 신중하게 선택하고 그 식단을 미세하게 조정함으로써, 우리가 안전성을 타협하지 않으면서도 가치 있는 천연 의약품의 생산을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 보여줌으로써 미래 발효의 명확한 로드맵을 제공합니다.
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