식물은 과거로부터 인간과 동물에 필요한 기초 영양분을 공급하는 영양학적인 기능이 매우 중시돼 왔다.

하지만 농업생명공학 기술의 발달은 영양분 공급을 위한 식물의 고전적인 기초 역할만을 중시하던 기존의 패러다임을 새롭게 변환시켰고, 현재는 식물 시스템을 이용해 고부가가치의 의약품 및 산업용 소재를 생산하기 위한 식물공장(plant factory)으로 활용하기 위한 노력들이 계속되고 있다. 생명공학기술을 이용해 새로운 유전형질을 도입하거나 대사공학적 처리를 통해 고부가가치의 산물을 획득하는 분자농업(molecular farming) 분야는 최근 들어 많은 연구들이 이루어지고 있는 실정이다.

식물은 엽록체를 가지고 있어 빛에너지를 이용해 대기 중의 이산화탄소와 뿌리에서 흡수한 수분으로부터 포도당을 생성해내고 자체능력으로 단백질들을 다량 합성해낼 수 있기 때문에 기존의 다른 시스템에 비해 절대적으로 낮은 비용으로 유용한 단백질들을 생산할 수 있는 이상적인 시스템이다. 세균 등을 활용한 미생물 시스템의 경우에는 재조합 단백질들을 쉽게 대량생산할 수 있는 장점이 있지만, 단백질의 적절한 접힘(folding), 이황화결합(disulfide bond)의 형성 및 당화(glycosylation)과정 등의 단백질 합성 후 변형과정(post-translational modification)이 일어나지 않는 문제가 있어 당단백질의 생산에는 적합하지 않다.

비록 유전공학적인 방법에 의해 개량된 포유동물 세포배양 시스템의 경우 인체 내에 존재하는 형태와 가장 가까운 당단백질을 생산할 수 있는 방법이지만 세포배양을 위한 포유동물 유래의 각종 호르몬, 생장조절물질 및 배지 등의 사용과 대량생산을 위한 설비확충에 많은 비용이 드는 문제점을 가지고 있고, 인체에 감염할 수 있는 바이러스나 프리온 단백질 등의 위험을 내재하고 있다.

반면에 분자농업을 활용한 재조합 단백질의 생산은 포유동물 세포배양, 세균 및 효모 배양 시스템에서 존재할 수 있는 각종 오염원들의 감염 위험이 적어 안전성이 높고, 폐기물 또한 다른 시스템들에 비해 친환경적이므로 환경오염의 문제도 해결할 수 있다. 식물들의 경우 과거부터 현재까지 전해져온 재배와 수확과 관련된 경험 및 체계가 이미 잘 구축돼 있고, 대량생산을 위한 비용이 설비투자가 필요한 동물이나 미생물 시스템에 비해 적게 필요하므로 보다 경제적인 장점이 있다. 또한 식물체 조직 내 특정 부위에 재조합 단백질의 발현을 집적시켜 추출 및 정제를 쉽게하고 저장성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.

한편으로 이러한 분자농업을 이용한 재조합 단백질 생산에서 고려해야 할 부분은 목적하는 단백질의 대량 생산을 위한 식물체의 선정, 식물체 내 특정 부위에 단백질 발현을 집적시킬 수 있는 기술의 확보 및 고효율 저비용의 단백질 정제기술이 동시에 이뤄져야 된다는 점과 동물과 식물 시스템에서 일어나는 당화과정의 차이를 고려해야 한다. 식물 시스템을 이용한 유용물질의 생산은 단백질의 발현 면에서 대장균 같은 원핵생물보다는 선호되고 있는데, 이는 신호 펩타이드(signal peptide)의 절단, 단백질 접힘(folding), 단백질 이황화결합(disulfide bond)의 형성, 당화과정(glycosylation) 등을 포함한 모든 단백질 합성 후의 변형과정에서 포유류와 식물이 비슷하기 때문이다.

하지만 당단백질에 존재하는 N-glycan의 생합성 과정에 차이가 존재하는데, 주로 골지체에 존재하는 당전이효소의 차이에 의해 서로 다른 구조의 당단백질 당쇄구조가 만들어지게 된다. 이러한 동물과 식물 당단백질의 당쇄구조의 차이로 인해 식물에서 생산된 재조합 당단백질을 인체 내에 투여할 경우 알러지 반응이나 단백질의 혈중 반감기가 급격하게 짧아지는 등의 부작용이 나타날 수 있다.

따라서 동물의 당단백질 당쇄구조에는 존재하지 않는 식물특이 당인 α1,3-fucose, β1,2-xylose, β1,3-galactose, α1,4-fucose의 생합성을 억제하고, 식물의 당단백질에는 존재하지 않는 α1,6-fucose, β1,4-galactose 및 sialic acid의 발현을 통한 식물 당단백질 당쇄구조를 인간화시키기 위한 노력이 계속되고 있는 실정이다.

/심준수 농진청 국립농업과학원 기능성물질개발과