100년 넘게 베일에 싸였던 니코틴 생합성 경로…비밀 풀렸다

100년 이상 미스터리로 남아있던 니코틴의 전체 생물학적 합성 경로가 중국 연구진에 의해 완전히 규명됐다.

중국과학원 분자식물과학혁신센터 리다펑 교수 연구팀은 야생 담배(Nicotiana attenuata)에서 니코틴이 합성되는 전체 과정을 밝혀내고, 관련 연구 결과를 국제학술지 '셀(Cell)'에 발표했다고 중국 바이오 전문매체 바이오온이 13일(현지시간) 보도했다.

니코틴은 강력한 살충 효과로 농업에 사용될 뿐만 아니라, 알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증 등 신경계 질환에 대한 치료 잠재력도 가진 물질이다. 하지만 그 중요성에도 불구하고 니코틴 생합성의 마지막 단계는 오랜 기간 베일에 싸여 있었다.

연구팀은 정보 이론 기반 다차원 오믹스(multi-omics) 접근법을 통해 니코틴 생합성의 마지막 단계를 관장하는 효소 복합체, 이른바 '니코틴 신타제'를 발견했다. 이 복합체는 5개 효소로 구성된 동적 대사체(metabolon)로, 세포 내에서 일시적으로 모여 일련의 화학 반응을 수행한다.

특히 연구팀은 식물이 니코틴의 최종 결합 반응을 위해 '당화(glycosylation)/탈당화(deglycosylation)'라는 정교한 전략을 사용한다는 사실을 밝혀냈다. 불안정한 중간체들을 당화시켜 안정화한 뒤, 환원, 축합, 산화 등 여러 단계를 거쳐 최종적으로 탈당화 과정을 통해 순수한 니코틴을 생성하는 원리다.

이 과정은 세포 내 소기관인 액포의 막에서 일어난다. 효소 복합체가 효율적인 기질 터널링을 구현해 독성을 띠는 중간체의 축적을 막고, 식물 스스로 중독되는 '자가 독성 딜레마'를 회피하는 기전도 확인했다.

이번 연구는 니코틴 생합성 경로를 완성했을 뿐만 아니라, 많은 식물 알칼로이드 골격 형성의 기본 메커니즘에 대한 핵심적인 통찰을 제공했다. 연구팀은 이번에 발견된 다기능 대사체 구조가 특정 입체화학을 가진 고부가가치 천연물을 대량 생산하기 위한 새로운 합성생물학 패러다임을 제시할 것으로 기대했다.