Bt 독소

Bacillus thuringiensis의 내생포자 형성 시 생성되는 포함체(inclusion 또는 parasporal body)에 단백질 결정을 형성하는 Bt 독소는 농업에서 해충을 구제하는 생물 농약(biopesticide)으로서 일찍이 주목 받고 성공적으로 활용되어왔다. Bt 독소는 δ-엔도톡신(endotoxin) 계열이며, Cry, Cyt, 그리고 파라스포린(parasporin)을 포함한다. 곤충이나 무척추 동물에 대한 살충 효과가 없는 파라스포린은 암세포를 파괴할 수 있다.

그림 1. Bt독소 결정 (출처: )

목차

1911년 독일의 미생물학자 에른스트 베를리너(Ernst Berliner)가 지중해 밀가루 나방(Ephestia kuehniella)에서 분리 동정한 고초균을 바실러스 투링기엔시스(Bacillus thuringiensis (N.L. masc. adj. thuringiensis), 투링기아 지방에서 채집 (Thuringia, Germany))라고 명명하였다. 그러나 Bacillus thuringiensis (이하 Bt)와 유사한 균주를 1901년에 일본의 생물학자 이시와타 시게타네(Ishiwata Shigetane)가 누에 질병을 연구하는 과정에서 분리한 것으로 알려져 있다(Bacillus sotto Ishiwata). 누에의 질병 때문에 타격을 받을 수밖에 없는 양잠업계에서 Bt는 위험요소였지만, 사람들은 생물농약으로서 Bt를 활용하는 데는 시간이 얼마 걸리지 않았다. 1938년 프랑스에서는 스포렌(Sporeine) 이라는 미생물 농약제품을 상용화하였으며, 이후에 1956년경 Bt의 포자형성(sporulation) 과정에서 생기는 포함체(inclusion)의 단백질 결정이 해충 방제를 일으키는 Bt 독소의 실체임을 밝혔다. 1980년대에 들어서서 이러한 Bt 독소의 유전자가 플라스미드로부터 클로닝 되기 시작하였으며, 다양한 Bt 독소 단백질들을 코딩하는 유전자(cry genes)들이 발견되었다. 사람들은 여기에 그치지 않고, 유전공학 기법을 통해 Bt 독소 기반의 병해충 내성 작물을 개발하였다.

Domain Bacteria (세균 역)> Phylum Firmicutes (후벽균 문) > Class Bacilli (바실루스 강) > Order Bacillales (바실루스 목) > Family Bacillaceae (바실루스 과) > Genus Bacillus (바실루스 속) > Species Bacillus thuringiensis (바실루스 투링기엔시스 종).

Bacillus thuringiensis는 토양, 곤충, 곡물창고, 활엽수 및 침엽수의 낙엽 등 다양한 환경에 서식한다. 탄저병균인 Bacillus cereus와 유사하지만, Bacillus thuringiensis는 결정적으로 포자에 한 가지 이상의 Bt 독소 단백질 결정을 가지고 있는 점이 다르다. Bt 독소 기능이 확인되지 않는 단백질 결정을 가졌거나 플라스미드를 제거하거나 화학적 돌연변이를 유도한 경우 탄저균인 Bacillus cereus와 표현형상 구분은 불가능하다. 일차적으로 Bt 균주들은 H 편모(flagella) 항원에 대한 항체를 활용하여 혈청형(serotype)을 검증하여 진단한다. 그러나 Bt로 진단 되었다고 반드시 Bt 독소 활성을 가진 균주는 아니다.

그림 2. Cry1Aa (PDB 1CIY)의 3차원 결정 구조. 알파 나선 부분이 세포막에 침투하는 도메인, 녹색의 베타 시트 부분이 독소-수용체 간 상호작용에 관여하는 중심 도메인, 붉은 부분이 갈락토스 결합 도메인으로 수용체와 결합하여 세포막에 분자이동이 가능한 구멍(pore)인 이온채널을 형성하도록 한다. (제작: 오현명/부경대학교)

그림 3. Cyt2A의 (PDB 1CBY)의 3차원 결정 구조. 단일 도메인을 가지는 3중 구조의 알파-베타 단백질로서 세포막에 이온 채널을 형성한다. (제작: 오현명/부경대학교)

Bt 균주들의 경우 보통 여섯 개까지 Bt 독소 단백질 유전자를 가지기도 하며, Bt 균주가 아닌 Clostridium bifermentans, Paenibacillus popiliae, Paenibacillus lentimorbus, Bacillus sphaericus 등에서도 cry/cyt 유전자가 발견되기도 한다. Bt 독소의 살충 효과는 특이성이 있으며, 나비/나방류 (Order Lepidoptera [나비목]), 파리/모기류(Order Diptera [파리목]), 딱정벌레/바구미류 (Order Coleoptera [딱정벌레목]), 벌/말벌류 (Ordre Hymenoptera [벌목]), 그리고 선충류(nematodes)에 대해서 알려져 있다. 하지만, 일부 Bt 독소는 2~3개 이상의 목에 대해서 살충 효과를 보이기도 한다. 예를 들어 Cry1Ba 독소는 나방, 파리, 딱정벌레의 유충들에 살충 효과를 보이지만, 한 균주에서 여러 종류의 Bt 독소를 가지고 있을 수도 있다(표 1).

Bt 독소는 δ-엔도톡신(endotoxin)에 속하며 이들을 코딩하는 cry 유전자는 한 종류가 아니며, 각각의 살충 효과를 나타내는 범위가 다를 수 있다. 하지만, 현재의 Cry 단백질의 분류는 아미노산 서열의 상동성을 이용하여 분류한다. Cry 단백질은 50~140 kDa의 분자량을 가지며, 이와 별도로 25~28 kDa 분자량의 세포용해 활성(cytolytic activity)을 가지는 Cyt 단백질로 분류한다. 일차적인 Cry/Cyt 단백질의 순위는 아미노산 서열 유사도 45%를 근거로 Cry1, Cry2 등으로 나누고, 2차/3차 순위는 78%, 95%의 아미노산 서열 유사도를 활용하여 나눈다. 예를 들어 Cry3Aa, Cry1Aa, Cyt2A, Cry2Aa, Cry3Bb, Cry4Ba 이런 식이다.

그러나, Bt 독소들 중 곤충이나 무척추 동물에 대한 살충 효과가 없는 Cry31A, Cry41A, Cry45A, Cry46A, Cry63A와 같은 Cry 단백질이 인체 다양한 암세포를 파괴할 수 있는 것으로 알려졌고, 파라스포린(parasporin)으로 불린다.

Cry/Cyt 같은 δ-엔도톡신(endotoxin) 외에도 Bt가 증식하는 과정에서 vegetative insecticidal proteins (Vip)와 secreted insecticidal protein (Sip)이 생산되는 것이 알려져 있다. Vip 단백질은 아미노산 유사성의 정도에 따라 Vip1, Vip2, Vip3 및 Vip4의 4개의 무리로 분류한다. Vip1, Vip2, Sip는 일부 딱정벌레 종에 대하여 살충 효과를 나타내고, Vip3는 나비/나방 종에 대해 독성을 나타내는 것으로 알려져 있다. Vip4Aa1의 살충 효과는 아직 연구 중이다.

그림 4. Bt 독소의 작용 기작. (제작: 오현명/부경대학교)

Bt를 활용한 생물농약은 이미 1930년 후반에 프랑스에서 시작되었고, 60여 년이 지난 1995년에 182개의 Bt 생물농약이 미국 환경청(U.S. Environmental Protection Agency [EPA])에 등록되었다고 한다. 1999년 기준 전체 살충제 시장의 2% 남짓하지만, 생물농약 시장의 80%를 차지한다.

Bt 스프레이만 해도 1억불 정도의 매출을 기록하기도 했지만, Cry 단백질 유전자를 도입한 유전자 변형 농작물의 개발로 인해 4천만불 정도로 시장이 줄었다고 하며, 그 중의 반은 주로 캐나다의 산림 해충 구제에 쓰인다고 한다. OECD(Organization for Economic Cooperation and Development)는 2020년까지 전세계 살충제 시장의 20%가 생물농약으로 대체 될 것으로 예측한다고 한다. Bt 스프레이는 면화, 유실수, 야채, 수산양식 분야를 포함한 시장을 개척했으며, 최근의 유기농 농법에서 필수요소가 되어 가고 있다. 또한 Bt는 창고에 저장되어 있는 곡물이 해충으로부터 피해를 입는 것도 예방할 수 있다.

1950년대에 "Bacillus thuringiensis subsp. thuringiensis"를 이용해서 만든 투리사이드(Thuricide)라는 제품은 실제 역가가 뛰어나지 않았지만, 제품명은 아직도 살아 남아 있다(표 2). 그 후 다양한 역가를 가진 아종과 균주가 탐색 및 개발되어 다양한 Bt 생물농약이 생산되고 있다.

1987년 Bt 독소 유전자를 담배나 토마토 등에 이식하여 해충에 저항성 있는 식물을 개발하는데 성공하였다. Bt 독소 유전자를 발현하는 목화는 1996년도에 실용화되었고, 이로 인해 인도에서는 농약 사용량이 70% 줄고 면화 수율이 80% 이상 늘고, 중국에서는 농부들의 농약 중독이 22%에서 4.7%까지 줄어드는 등의 긍정적인 면이 알려져 있다. 2003년 기준 미국은 카놀라, 옥수수, 면화, 파파야, 스쿼시, 대두 등의 Bt 독소 유전자 변형 작물을 통해 2천4백만 톤의 농작물을 증산하였으며, 이는 농가 소득 증가분 19억 달러에 해당하였다. 또한 21,000 톤의 살충제 사용 비용을 줄여 주었다고 한다. 인도와 중국에서는 Bt를 이용한 유전자 변형 벼를 개발하기 위한 연구를 진행 중이다.

미국에서 옥수수 면화 감자 등에 cry 유전자를 도입한 유전자 변형 작물의 몇 가지 사례를 아래 표에 정리하였다(표 3).

미생물, 내생포자, 플라스미드, 삼투, 유전자, 클로닝, 균주, 세균, 독소, 탄저균, 탄저병, 세포막, 유전공학 포자, 돌연변이, 고초균, 혈청형, 상동, 탄저, 아종, 항원, 항체

오현명/부경대학교

김민규/한국원자력연구원