¹H NMR에 의한 γ-Aminobutyric Acid의 간단하고 신속한 정량분석법 확립과 고수 (Coriandrum sativum L.) 현탁배양세포로부터 γ-Aminobutyric Acid의 생산

김석원,유장렬,Kim, Suk-Weon,Liu, Jang-R. 한국식물생명공학회 2007 식물생명공학회지 Vol.34 No.3

식물현탁배양세포의 whole cell extract의 $^1H$ NMR 스펙트럼 데이터로부터 통계분석기법을 활용하여 GABA의 간단하고 신속한 정량분석방법을 확립하였다. 이 기술을 활용하여 고등식물 8종의 9개 세포주를 MS 배지에 1 mg/L의 2,4-D를 첨가한 배지에 유지하였을 때 고수 (Coriandrum sativum L.)가 가장 많은 양의 GABA를 생산하였다. 고수 현탁배양세포로부터 2,4-D농도 및 배양기간에 따른 GABA의 생산성 변화를 조사한 결과 현탁배양세포를 0.5 mg/L 2,4-D가 첨가된 배지에서 3주간 배양된 현탁배양세포를 이용할 경우 GABA 함량이 건중량 1 g 당 16.9 mg으로 가장 높게 생산되었다. 본 연구에서 확립된 간단하고 신속한 분석법으로 다양한 식물자원으로부터 GABA의 생산성을 초고속탐색(high-throughput screenig)할 수 있을 것이며 고수 현탁세포배양법으로 GABA의 상업적 대량생산이 가능할 것으로 전망된다. This study describes a simple and rapid method for quantitative determination of $\gamma$-aminobutyric acid (GABA) using $^1H$ NMR spectroscopy from whole cell extracts of plant suspension cultures. When 9 cell lines derived from 8 species of higher plants maintained in liquid Marashige and Skoog (MS) medium supplemented with 1 mg/L 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) were subjected to $^1H$ NMR, a cell line of Coriandrum sativum L. exhibited the highest level of GABA. The level reached up to 16.9 mg/dry wt when cells were cultured in MS medium supplemented with 0.5 mg/L 2,4-D after 3 weeks of incubation. The method for quantitative determination of GABA using $^1H$ NMR established in this study could be applied to high-throughput screening of various plant resources for GABA production and the cell suspension culture system of C. sativum could be further developed for commercial production of GABA.

적은 수의 거대 엽록체를 가진 핵 형질전환 식물체를 이용한 담배 엽록체 형질전환 빈도 제고

정원중,민성란,유장렬,Jeong, Won-Joong,Min, Sung-Ran,Liu, Jang-R. 한국식물생명공학회 2007 식물생명공학회지 Vol.34 No.3

In the chloroplast transformation process, a chloroplast containing transformed chloroplast genome copies should be selected over wild-type chloroplasts on selection medium. It is more effective for a cell to become homoplasmic if the cell contains smaller number of chloroplasts. Therefore, to reduce the number of chloroplasts in mesophyll cells in tobacco, we overexpressed FtsZ to generate transgenic plants, of which mesophyll cell contained a few enlarged chloroplasts contrast to a wild-type mesophyll cell containing approximately 100 chloroplasts. It was demonstrated that transgenic leaf tissues comprising cells with a few enlarged chloroplasts gave rise to approximately 40% higher frequency of chloroplast-transformed adventitious shoots. 엽록체 형질전환된 식물체를 얻으려면 먼저 세포수준에서 모든 엽록체가 형질전환되어야 하는데, 세포내에는 많은 수의 엽록체가 존재하므로, 엽록체 형질전환 벡터가 전이되어 형질전환된 엽록체는 선발배지에서 선택적으로 분열을 계속하고 형질전환되지 않은 엽록체들은 분열을 하지 못하게 되어, 결국 해당 세포내의 모든 엽록체가 형질전환된 상태에 이르게 된다. 따라서 만일 해당 세포내에 엽록체의 수가 적으면 그만큼 효율적으로 엽록체 형질전환을 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 담배의 FtsZ 유전자를 핵형질전환법으로 과잉 발현시킴으로써 엽록체의 분열이 저해되어 엽육세포내에 거대한 엽록체 3-5개를 가진 담배식물체의 엽육조직을 이용하여, 엽록체 형질전환을 한 결과, 엽록체 형질전환 빈도가 약 40% 증가되었다.

식물 대사체 연구의 진보

김석원,정회일,유장렬,Kim, Suk-Won,Chung, Hoe-Il,Liu, Jang-R. 한국식물생명공학회 2006 식물생명공학회지 Vol.33 No.3

식물대사체학은 식물세포, 조직, 기관, 혹은 개체수준에서 주어진 시간과 조건에서 발견되는 모든 대사물질을 밝히고, 시간의 경과 혹은 조건의 변화에 따른 metabolic profiling의 변화를 연구하는 식물학 분야이다. 식물대사체학은 생물에 대한 전체론적 접근을 위한 가장 최근에 발달된 omics분야의 하나로서 일종의 시스템 생물학이다. 전체론적 접근과 이해를 위해서 대사체학은 metabolic profiling의 계량화학 혹은 다변량분석 방법을 자주 사용한다. 식물학분야에서 대사체학은 애기장대나 벼와 같은 모델식물에 tag를 도입하여 형질전환시킨 돌연변이체에 대해 DNA microarray와 함께 사용하여 유전자의 기능을 밝히는데 유용하게 사용된다. 본 총설에서는 식물대사체학의 기본 개념과 1H NMR 혹은 FTIR으로 얻은 metabolic profiling의 다변량분석에 대한 실용적인 사용법을 소개하고자 하였다. Plant metabolomics is a plant biology field for identifying all of the metabolites found in a certain plant cell, tissue, organ, or whole plant in a given time and conditions and for studying changes in metabolic profiling as time goes or conditions change. Metabolomics is one of the most recently developed omics for holistic approach to biology and is a kind of systems biology. For holistic approach, metabolomics frequently uses chemometrics or multivariate statistical analysis of metabolic profillings. In plant biology, metabolomics is useful to determine functions of genes often in combination with DHA microarrays by analyzing tagged mutants of the model plants Arabidopsis and rice. This review paper attempted to introduce basic concepts of metabolomics and practical uses of multivariate statistical analysis of metabolic profiling obtained by $^1$H HMR and Fourier transform infrared spectrometry.

고등식물의 엽록체 형질전환: 원핵생물과 진맥생물의 조우

정화지,서영배,정원중,민성란,유장렬,Chung, Hwa-Jee,Suh, Young-Bae,Jeong, Won-Joong,Min, Sung-Ran,Liu, Jang-R. 한국식물생명공학회 2006 식물생명공학회지 Vol.33 No.3

엽록체는 숙주세포에 잡아먹힌 (식균작용) 남세균이 숙주세포와 공생관계를 형성하여 온 것으로 간주된다. 엽록체 게놈은 정적이라고 이해하고 있지만 형질전환을 통하여 상동염기가 도입되면 이와는 반대로 intramolecular homologous recombination에 의해 subgenomic circle을 만드는 등 매우 다이나믹하다는 것이 최근에 증명되고 있다. 고등식물의 엽록체 형질전환은 핵 형질전환에서 기대할 수 없는 여러 이점을 제공한다. 예컨대, transgene의 발현율을 높일 수 있고, transgene들을 polycistronic하게 발현할 수 있으며, 도입된 transgene이 모계유전을 하게 된다는 것 등이다. 담배는 엽록체 형질전환의 모델 식물로 사용되어 왔으나 최근에는 벼, 대두, 면화 등 다른 주요 작물의 형질전환도 가능하게 되었다. 엽록체 형질전환된 작물은 미생물을 이용하여 고부가가치 단백질을 생산하는 생물반응기를 향후 대체할 수 있게 될 것이다. Chloroplasts are believed to be descended from certain cyanobacteria, which were taken up by phagocytosis into a host cell and lived there in a symbiotic relationship. In contrast to the current static concept on the chloroplast genome, its dynamism has been recently demonstrated: the chloroplast genome is active in intramolecular homolgous recombination, producing subgenomic circles when it obtains homolgous sequences via genetic transformation. Chloroplast tranformation in higher plants provides many advantages over nuclear transformation that include higher expression levels of transgenes, polycistronic expression of transgenes, and maternal transmission of transgenes. Tobacco has been used as a model for chloroplast genetic transformation. However, it is recently possible to transform the chloroplasts of other major food and economic crops including rice, soybean, and cotton. Chloroplast-transformed crops will be able to replace bioreactors using microorganisms for production of value-added proteins in future.

엽록체 형질전환 유래 분자 농업의 연구 동향

민성란,정원중,김석원,이정희,정화지,유장렬,Min, Sung-Ran,Jeong, Won-Joong,Kim, Suk-Weon,Lee, Jeong-Hee,Chung, Hwa-Jee,Liu, Jang-R. 한국식물생명공학회 2010 식물생명공학회지 Vol.37 No.3

고등식물의 엽록체 형질전환은 핵 형질전환에서 기대 할 수 없는 여러 가지 이점을 가진다. 외래 단백질의 발현율을 획기적으로 높일 수 있고, 여러 유전자를 동시에 발현시킬 수 있으며, 상동재조합에 의한 부위-특이적 유전자 삽입으로 인해 유전자 침묵 및 위치효과가 없다. 더욱이, 대부분 작물은 화분을 통한 도입된 유전자의 전이가 불가능한 모계 유전을 하기 때문에 엽록체 형질전환은 환경 친화적이다. 엽록체 형질전환 시스템은 핵 형질 전환과 달리 작물에서의 성공에 제한적이었으나 지난 10년 동안 이런 한계가 극복되어 콩, 당근, 상추 및 유채 등의 작물에서도 성공하게 되었다. 그러므로 이제 작물의 엽록체 형질전환은 농업적 형질의 개선뿐 만 아니라, 고부가가치 백신과 의료용 단백질 생산을 통한 의약품 산업의 성장에 활용될 수 있을 것이다. Chloroplast transformation in higher plants offers many attractive advantages over nuclear transformation, including a high-level accumulation of foreign proteins, multi-gene expression in single transformation event via transgene stacking in operons and no position effect due to site-specific integration of transgenes by homologous recombination. Most importantly, chloroplast transgenic plants are eco-friendly because their transgenes are maternally inheritance in most crop plants. However, chloroplast transformation system has limited success in crops alike nuclear transformation. In the past two decades, great progress has been made to overcome the limitations of chloroplast transformation, thus expending chloroplast bioreactor to several important crops including soybean, carrot, lettuce, and oilseed. Therefore, it has become possible that chloroplast transformation of crops can be used not only for the improvement of agronomic traits, but also for the production of vaccines and high valuable therapeutic proteins in pharmaceutical industry.

Peroxidase 고생산 식물세포주의 선발

김수경,곽상수,정경희,민성란,박일현,유장렬 ( Soo Kyung Kim,Sang Soo Kwak,Kyung Hee Jung,Sung Ran Min,Il Hyun Park,Jang R. Liu ) 생화학분자생물학회 1994 BMB Reports Vol.27 No.2

To establish an efficient system for peroxidase (POD) production by plant cell culture, we investigated the POD activity in 41 cell lines derived from 26 plant species using pyrogallol as substrate. A cell line from sweet potato (Ipomoea batatos cv. White Star) shoot meristem explants cultured on LS medium supplemented with 1 ㎎/ℓ 2,4-D showed the highest activity: 3,500 U/g cell dry wt, about 15 folds higher than that of intact roots of horseradish plants. Furthermore, a cell tine SP-47 having a high growth rate and POD yield was selected by a small cell-aggregate method, of which productivity was about 1.5 times higher than the original cell line in cell suspention culture. A hairy root culture obtained from sweet potato leaf tissue following infection with Agrobacterium rhizogenes strain 15834 also produced a high level of POD: 1,400 U/g dry wt. POD isoenzyme of the cell line and hairy roots of sweet potato showed the same patterns as those of the intacts roots. However, they were prominently different from those of intact roots of horseradish. One major isoenzyme of POD in SP-47 and hairy root covered about 90% of total POD. Due to its high productivity and dominant major isoenzyme, the cell culture system of sweet potato established in this study seems to be suitable for the mass production of POD.

Fourier 변환 적외선 분광분석법에 의한 딸기 과육의 성숙도 측정 가능성

민성란,곽철원,김석원,정원중,정화지,최필선,고석민,박상규,정회일,유장렬,Min, Sung-Ran,Kwak, Chul-Won,Kim, Suk-Weon,Jeong, Won-Joong,Chung, Hwa-Jee,Choi, Pil-Son,Ko, Suk-Min,Park, Sang-Kyu,Chung, Hoe-Il,Liu, Jang, R. 한국식물생명공학회 2006 식물생명공학회지 Vol.33 No.4

Fourier transform - infrared spectroscopy (FT-IR) provides biochemical profiles containing overlapping signals from a majority of the compounds that are present when whole cell extracts are analyzed. We attempted to determine the ripeness of strawberry fruit flesh by FT-IR. Fruit ripeness was divided into four developmental stages based on fruit skin color: 'yellow-green', 'pink-green', 'pink', and 'red' stages. Principal component analysis of FT-IR data of inside fruit flesh extracts clustered samples of four different developmental stages into three discrete groups: (1) 'yellow-green' group, (2) 'pink-green' group, and (3) 'pink' and 'red' group. The most remarkable difference between four different developmental stages was found in the carbohydrate fingerprint region $(1,000-1,100cm^{-1})$ of the FT-IR spectrum, indicating that differences in carbohydrate compounds represented the ripeness of strawberry fruit. Overall results indicate that FT-IR in combination with PCA enables discrimination of the ripeness of strawberry fruit flesh.

울릉도 주목(Taxus cuspidata var. latifolia)의 Taxol 및 관련 화합물의 함량분석

최명석(Myung-Suk Choi),곽상수(Sang-Soo Kwak),박용구(Young-Goo Park),유장렬(Jang R. Liu) 한국생물공학회 1994 KSBB Journal Vol.9 No.2

일일초 (Catharanthus roseus) 현탁배양으로부터 원형질체유래 Indole Alkaloid 고생산성 세포주 선발

김석원(Suk W. Kim),정경희(Kyung H. Jung),곽상수(Sang S. Kwak),최현섭(Hyun S. Choi),최차용(Cha Y. Choi),유장렬(Jang R. Liu) 한국생물공학회 1991 KSBB Journal Vol.6 No.1