원형질체
[ protoplast ]
세포벽을 인위적으로 제거한 세포를 원형질체라고 한다. 세포벽이 없기 때문에 공 모양으로 되며, 터지기 쉽다. 외부로부터 DNA, 단백질 등 거대 분자를 도입시킬 수 있어 이들의 기능을 연구하는 자료로 사용된다. 다른 식물에서 유래한 두 종류의 원형질체을 융합하여 잡종을 생산하기도 한다. 원형질체라는 용어는 고대 그리스어의 protoplatos (최초로 형성된 존재라는 의미)에서 유래하였으며 1880년 Hanstein이 세포벽을 제외한 살아있는 전체 세포를 언급하기 위해 처음으로 제안하였다. 최근에는 기계적 또는 효소적 수단을 사용하여 세포벽을 완전히 또는 부분적으로 제거한 식물, 세균 또는 곰팡이 세포로서 일반적으로 세포의 핵과 주변 원형질 물질로 구성된 생물학 단위로 정의하기도 한다.1)
목차
세포벽의 제거를 통한 원형질체의 나출
세포벽은 다양한 다당류로 이루어져 있으므로 이를 제거하기 위하여 적절한 다당류 분해 효소의 혼합물을 사용하며 식물세포를 이 효소 혼합액에 일정시간 배양함으로써 세포벽이 제거된 원형질체를 만들 수 있다.
효소 혼합액에 배양하는 동안 식물세포를 보호하는 세포벽이 분해되어 원형질체가 노출되기 시작하며 원형질체는 삼투압의 변화에 매우 민감해진다. 따라서 세포벽이 분해됨에 따라 세포막의 파열을 막기 위하여 원형질체를 둘러 산 환경, 즉 효소 혼합액이 등장액으로 이루어져야 함을 의미한다. 효소 혼합액을 세포와 같은 용질 농도인 등장액으로 만들기 위하여 일반적으로 소비톨(sorbitol)이나 만니톨(mannitol)과 같은 안정된 당알콜을 이용하여 혼합액의 농도를 조정하여 사용한다.
원형질체의 이용
원형질체는 식물의 DNA, RNA 및 단백질 등 거대 분자의 세포 내 도입 등의 방법을 이용한 막생물학적 연구에 사용된다.
유전적 변형을 위하여 외부 DNA를 식물세포 내로 도입하는데 있어 세포벽은 절대적인 방해물로 작용한다. 따라서 세포벽을 제거한 식물의 원형질체는 특정 유전물질 DNA를 식물세포 내로 도입하기 위한 중요한 재료로 사용될 수 있다. 외부로부터 DNA를 유입한 원형질체는 적절한 배양 과정을 거쳐 세포벽을 형성하고 세포분열을 거듭하여 캘러스로 생장한 다음 여러 가지 조직배양 기법을 통하여 온전한 식물체로 재생될 수 있다. 이를 위하여 식물의 종에 따라 차별화된 적정 조직배양배지를 사용하고 적절한 비율의 식물 호르몬이 배지에 포함되도록 해야 한다.
원형질체는 다른 식물세포들과는 달리 다세포 덩어리가 아닌 단일 세포로 있게 마련이므로 단일세포 내에서 일어나는 각종 분자생물학적, 세포생물학적 사건을 연구하는 주된 재료로 사용된다. 특히 특정 형광을 발하는 단백질을 가지는 원형질체의 경우 형광활성 세포분리장치(Fluorescence Activated Cell Sorter, FACS)에 사용할 수 있다. 특히, 이 기술은 단일 세포 내의 유전자 발현을 조사하는 경우, 공변세포나 뿌리의 내초세포와 같은 특정 유형의 세포를 분리하는데 효과적으로 사용된다.
원형질체는 또한 원형질체 융합이라는 기술을 통하여 식물 육종, 즉 신품종의 개발에 사용될 수 있다. 서로 다른 종의 식물세포로부터 원형질체를 얻어 서로 융합되도록 유도함으로써 유전물질과 세포질이 혼합된 잡종 원형질체를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 잡종원형질체를 조직배양기술을 이용하여 온전한 식물체로 재분화시키면 전통적 교배를 통해서는 얻기 불가능한 잡종 식물체를 얻을 수 있다. 두 다른 종의 원형질를 융합하기 위한 방법으로 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 방법이나 전기충격을 이용한 방법이 사용된다.2)
식물세포에서 원형질체 만들기 (출처:한국식물학회)
참고문헌
1. Davey MR, Anthony P, Power JB 등 (2005) Plant protoplasts: status and biotechnological perspectives. Biotechnol. Adv., 23: 131–171
2. Torres KC (1989) Tissue Culture Techniques for Horticultural Crops. Van Nostrand Reinhold, New York, USA, 189-199