본 연구는 미래의 식품 자원으로 주목받고 있는 갈색거저리 및 쌍별귀뚜라미에서 유래한 단백질 가수분해물의 생산 조건을 최적 화하고 기능적 특성을 규명하고자 했다. 반응표면분석법(RSM)을 적용하여 효소 가수분해 조건을 최적화하고, 중심합성계획모델을 적용하여 최적의 조건을 도출하였다. 이러한 조건에서 생성된 곤충 단백 가수분해물은 항산화 활성(DPPH, ABTS, FRAP 분석 등)과 용해도, 유지흡착력, 유화력, 시험관 내 소화율 등 물리화학적 특성 을 평가하였다. 갈색거저리 가수분해물의 경우 우수한 소화율과 유 지흡착력을 보였고, 쌍별귀뚜라미 가수분해물의 경우 높은 항산화 활성을 보였다. 두 가수분해물 모두 넓은 pH 범위에서 높은 용해도 를 보였기에 다양한 식품 소재로 사용될 수 있는 가능성이 높을 것 으로 사료된다. 본 연구는 곤충 유래 단백질 가수분해물을 기능성 식품 재료로 활용할 수 있는 가능성을 강조하며, 전 세계의 식량 불안정을 해결하기 위한 대체 단백질 공급원 개발에 대한 방법을 제공한다. 최적화된 단백질 가수분해물은 기능성 식품의 유망한 성 분으로 작용 가능하므로, 지속 가능한 식품 및 미래의 영양에 대한 올바른 전략을 구성하는 데 기여할 수 있다.

The baculovirus expression system (BES) utilize the p10 or polyhedrin promoter, a very late promoter that exhibits strong transcriptional activity primarily at the end of viral infection, to produce useful recombinant proteins. The burst sequence of the very late promoter is essential for strong transcription, and VLF-1 is a transcription factor that binds specifically to the burst sequence, and it has been reported that it can regulate the amount and timing of expression of protein by the very late promoter. Recently, a VLF-1 constitutively expressing cell line was constructed to increase the production of the target protein, but the effect was minimal. In this study, to find the optimal VLF-1 expression conditions to increase target protein production efficiency, we controlled the expression of VLF-1 through various promoters and evaluated the target protein expression efficiency by the p10 promoter accordingly.

단백질의 구조 예측은 생명 과학 및 의약학 분야의 핵심적인 연구 주제 중 하나로, 단백질의 기능 및 상호작용을 이해하기 위한 주요 정보를 제공할 수 있어 다양한 연구가 수행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 최근 Google DeepMind의 AlphaFold2가 등장하였으며, 단백질 구조 예측 성능을 대폭 향상시켜 CASP(Critical Assessment of Protein Structure Prediction)에서 뛰어난 평가점수를 받아 단백질 구조 예측 분야의 최신 기술을 크게 향상시켰다. 이러한 컴퓨터 기반의 단백질의 구조 예측 방법은, 고전적인 방법을 사용하여 직접 단백질 구조를 결정하는 방법 에 비해 매우 정확하고 빠르며 경제적인 비용으로 수행될 수 있어 단백질 구조 예측 및 생리학 연구를 수행하는 연구자들에게 유용한 방법론이 될 것으로 사료된다. 따라서 본 연구소에서는 곤충을 포함한 무척추 자생동물을 연구하는 연구자들을 위해 단백질 구조 예측을 수행할 수 있도록 64Core/128Threads의 CPU, 256GB의 RAM과 6장의 GeForce RTX 3090으로 이루어진 GPU(Graphical Processing Unit) 고성능 컴퓨터 시스템에 AlphaFold2 program을 구축하였다. 최근 인간을 대상으로 한 단백질 구조 예측 연구는 상당한 진전을 보이고 있지만, 곤충을 포함한 자연계의 동물을 대상으로 한 연구는 여전히 미비한 상황이다. 이러한 자생동물자원연구의 확대를 위해 본 연구소에서 구축한 GPU 시스템 및 생물정보학적 분석 방법이 많이 활용되어야 하며, 이를 위해서는 연구자들 의 협력과 참여가 필요하다.

개미 사육 및 관찰을 위한 사용되는 투명 젤리형 개미사육장은 간편한 활용성으로 아동의 자연관찰 학습용 교구로 꾸준히 애용되고 있다. 하지만 투명 젤리는 다량의 수분 함유 문제뿐만 아니라 부패방지를 위해 단백질을 포함하고 있지 않기에 사육 시 단백질을 필요로 하는 산란용 여왕개미나 애벌레의 사육이 불가능하다는 단점이 있다. 이에 본 연구는 산란용 여왕개미와 애벌레의 사육이 가능한 단백질 함유 곤충 젤리를 만드는 방법을 제안하고자 한다. 단백질 공급원으로는 우유를, 부패 방지제로는 천연물 기반 키토산을 사용하였으며, 기능이 첨가된 사육용 젤리의 항균성은 곤충 대량폐사 질병인 물렁병의 원인균주(Serratia marcescens)로 테스트(in vitro)하였다. 실험군인 곤충사육용 젤리는 박토아가(1.5%,w/v)가 함유된 키토산수용액(1%,w/v)에 1:1 용량비율로 우유를 섞어 제조하며, 대조군은 키토산수용액을 제외하였다. 제조 배지는 Serratia marcescens를 도말 배양하여 효과성을 검증하였다. 그 결과 3배 희석한 균주(4.8×106CFU/ml)를 접종 후 2일간 배양한 그룹에서 대조군(키토산 없음)은 균이 많이(TNTC) 자랐으나, 실험군(키토산 있음)은 전혀 자라지 않았다. 따라서 위 실험은 키토산을 첨가하는 간단한 방법으로도 유해균의 생장 억제와 유충의 성장 촉진이 동시에 가능한 기능성 단백질 곤충젤리의 제조 가능성을 확인하였다.

시스타틴(cystatin: CST)은 C1A류 시스테인 단백질분해효소에 대한 경쟁적 가역억제자로서 동식물류에서 파파인과 같은 캐셉신을 억제 대상으로 작용하게 된다. 바이러스 유래 CST (CpBV-CST1)이 폴리드나바이러스의 일종인 CpBV (Cotesia plutellae bracovirus)에서 동정되었 다. 기존 연구는 이 유전자의 과발현이 배추좀나방(Plutella xylostella) 유충의 면역 및 발육을 교란한다는 것을 보여 주었다. 본 연구는 이 유전자 의 단백질 기능을 분석하기 위해 세균발현시스템을 이용하여 재조합단백질(rCpBV-CST1)을 형성하여 단백질분해효소에 대한 활성억제효과를 결정하고, 곤충의 면역과 발육에 대한 생리적 억제효과를 분석했다. 이 유전자 번역부위는 138 개 아미노산으로 약 15 kDa 크기의 단백질로 추 정되었다. CpBV-CST1이 먼저 pGEX 발현벡터에 재조합되고, BL21 STAR (DE3) competent cells에 형질전환된 후 0.5 mM IPTG로 4 시 간동안 과발현되었다. 분리된 재조합단백질은 파파인에 대한 뚜렷한 억제효과를 나타냈다. 이 재조합단백질은 파밤나방(Spodoptera exigua)에 대 해서 혈구소낭형성의 세포성 면역반응을 억제하고, 경구로 처리할 때 배추좀나방의 유충발육을 처리 농도에 비례하여 제한시켰다. 이상의 결과 는 CpBV-CST1이 해충 밀도 억제에 응용될 수 있음을 제시하고 있다.

Autographa californica 핵다각체병 바이러스(AcNPV)의 다각체 단백질과 초록색 형광 단백질의 융합단백질의 특성을 분석하였다. 초록색 형광 단백질 유전자는 AcNPV의 완전한 다각체 단백질 유전자의 앞쪽과 뒤쪽에 융합하여 다각체 단백질 유전자의 프로모터 조절하에 도입하였다. 이렇게 작성된 재조합 바이러스를 각각 Ac-GFPPOL 또는 Ac-POLGFP이라고 명명하였다. 이들 재조합 바이러스에 의해 감염된 곤충세포주에서는 56kDa의 융합단백질이 발현되었다. 한편, 흥미롭게도 재조합 바이러스 Ac-POLGFP에 의해 감염된 세포주에서는 초록색 형광이 핵내에서만 다각체 유사 granular particle 형태로 관찰되었다. 반면에 Ac-GFPPOP에 의해 감염된 세포도주에서는 대부분 핵내에 존재하였지만, 세포질과 핵 모두에서 초록색 형광을 관찰할 수 있었다. 그러나 발현된 융합단백질은 분명히 다각체단백질을 포함하고 있음에도 다각체는 형성하지 않았다. 이러한 결과들은 융합단백질에서 다각체단백질의 위치와 관련이 있는 것으로 보여진다.

남부지방에서 분리한 곤충병원성곰팡이 Beauveria bassiana GY1-17균주를 이용하여 산림해충인 오리나무잎벌레(Agelastica coerulea), 밤나무혹나방(Meganola melancholica), 회양목명나방(Glyphodes perspectalis), 잔디해충인 등얼룩풍뎅이(Blitopertha orientalis), 채소해충인 배추좀나방(Plutella xylostella) 및 거세미나방(Agrotis segetum)의 생물적 방제 가능성을 알아보기 위하여 실험한 결과, 오리나무잎벌레와 배추좀나방유충은 7.0~2.0 conidia/ml 농도에서 처리 7일과 5일후 100%의 치사율을 나타내었다. 밤나무혹나방유충은 0.03875~3.1 conidia/ml 처리에서 66.7~100%의 높은 치사율을 보였으나 회양목명나방유충은 2.0~2.0conidia/ml 처리에서도 전혀 치사되지 않았다. 등얼룩풍뎅이유충은 3.7 conidia/ml 농도에서 46.7%의 치사율을 보였고, 거세미나방유충은 2.5 conidia/ml 농도에서 63.3% 치사율을 나타내었다.