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식물생명공학산업의 현황과 전망. 고려대학교 생명공학원 식물분자유전학연구실 신 정 섭. 식물과 관련된 산업. 종묘 산업 ( 교배육종 및 판매 ) 비료 및 농약 산업 ( 수입 , 개발 및 판매 ) 유전자 조작을 이용한 신품종 육성 식물 유용 추출물 개발 Molecular Farming ( 재조합 단백질 생산 ) 식품가공산업. 1. 유전자 조작을 이용한 신품종 육성. 유용 유전자의 발굴 (Genomics, proteomics) 선발된 유전자의 cloning 과 조작
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식물생명공학산업의 현황과 전망 고려대학교 생명공학원 식물분자유전학연구실 신 정 섭
식물과 관련된 산업 • 종묘 산업 (교배육종 및 판매) • 비료 및 농약 산업 (수입, 개발 및 판매) • 유전자 조작을 이용한 신품종 육성 • 식물 유용 추출물 개발 • Molecular Farming (재조합 단백질 생산) • 식품가공산업
1. 유전자 조작을 이용한 신품종 육성 • 유용 유전자의 발굴 (Genomics, proteomics) • 선발된 유전자의 cloning과 조작 • 식물체 형질전환 및 재분화 (particle gun, PEG, electroporation, Agrobacterium) • 형질전환된 식물체의 유전자 도입 및 발현 확인 (PCR, Southern, Northern) • 개발된 식물체의 특성확인 및 순수계통 정립
(3) Proteomics Amersham Pharmacia-Korea
Organism Species Total Size (Mb) Year C. elegans 87.6 Microbial organism 24 + 60.0 Completed Virus 359 + 7.8 Arabidopsis125 2000 Rice420 2002 Human3,000 2000 (10) 세계 유전체 연구동향
Tomato 353(11%) Corn Tobacco 1204(33%) 161(5%) Soybean 278(9%) Cotton 224(7%) Melon 92(3%) Canola 665(21%) Potato 362(11%) (11) 선진국의 형질전환 식물 포장시험 사례
Others Herbicide Tolerant 555(13%) 1450(35%) Viral Resistant 466(11%) Insect Resistant 738(18%) Fungal Resistant 109(3%) Product Quality 806(20%) (12) 식물 형질전환 유전자 사용 예시
2. 식물 유용 추출물 개발 - 이차대사산물 • 유용 작물의 선택 • 신물질의 분리 (물, 알코올, 아세톤 등 각종 유기용매 이용) • 추출물의 활성 검정 (세포실험, 동물실험, 임상실험) • 추출물의 대량생산 및 제품화
(2) 우리나라 자원식물의 과별 분포 *우리나라 자원식물도감 네가지를 비교하면, 수록된 초종수는 다르나 과별 초종수의 분포는 비슷한 경향
(3) 藥用作物 23科 36種 • 구기자, 잇꽃*, 형개*, 황금*, 천마*, 땃두릅*, 두충나무, 마*, 적하수오*, 쥐오줌풀*, 오미자, 모란, 작약*, 패모*, 맥문동*, 쇠무릎*, 향부자*, 구릿대*, 당귀*, 갯기름나물*, 고본*, 천궁*, 강활*, 시호*, 지모*, 반하*, 석창포*, 만삼*, 도라지*, 더덕*, 산수유나무, 황기*, 결명자*, 택사*, 지황*, 율무* (*표시를 한 31종은 초본식물) • 안덕균(1998)은 한국본초도감에 1,003 種類의 한약명에 168科 1,420種의 식물을 수록하였으며, 대부분의 藥用植物이 草本植物 • 1999년 북한에서 발간된 "조선약용식물지 I, II, III(임록재, 평양농업출판사)"에는 180과 847종이 수록되었으며, 대부분의 藥用植物이 草本植物 • 같은 초종이라도 수집지나 수집시기에 따라 각 성분의 함량이 달라질 수 있음. 예를 들어 Agastache rugosa (배초향 : 방아잎 ·방애잎 ·방아풀 ·곽향)는 생육지에 따라 형태적인 차이가 많고, 개화기도 다름.
(4) 신물질 개발 동향 • Botanical Products의 시장 거대화: Botanical Medicines, Designer Foods, Dietary Supplements ··· • Phytochemicals의 무한잠재성: Lead Compounds의 기반 및 자원 보고 • 의약과 식품 분야의 접목영역: Foodcology, Nutraceuticals, Foodceutical Industry ··· • 선진각국의 제도정비: Alternative Medicines (미국 NIH), 특정보건용식품 (일본 후생성)
3. Molecular Farming –재조합 단백질 생산 • 동물 및 인체 치료 및 진단용 단백질 유전자 선별 • 선발된 유전자의 cloning과 조작 • 식물체 형질전환 및 재분화 (particle gun, PEG, electroporation, Agrobacterium) • 형질전환된 식물체의 유전자 도입 및 발현 확인 (PCR, Southern, Northern) • 단백질의 분리 및 활성 확인 • 대량생산체계 확립
(2) 세계 생물산업의 시장동향 (단위: 억달러) (3) 세계 생물산업의 시장전망 (단위: 억달러) • 항암제 인터페론은 1g당 가격이 5,000달러로, 금의 357배, 반도체(256M DRAM)의14배이며, 부가가치비중도 60%로 매우 높은 제품. • 특히, 최근 매출규모가 크게 늘어난 빈혈치료제 Erythropoietin(EPO)은 1g당 67만 달러, 항암보조제 G-CSF는 1g당 54만 달러의 고부가가치제품.
(4) 부문별 생물산업의 국내시장 전망 (단위: 억원, %)
(6) 시장현황 및 산업화 전망 <바이오의약품 시장> <당뇨성궤양치료제 (EGF)> <관절염치료제(TGF)>
(1) EPO 형질전환체의 Northern 분석 (A) 5.4 kb I II III IV V 5’-primer 3’-primer : Intron 5’-primer : a.a 2~7 : Exon 3’-primer : a.a 160~166 (B) Wild 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 EPO Control RNA wild g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 (C) • Northern 분석용 probe 제작을 위해 사용된 primer. • pEVcEP 벡터의 형질전환체, (C) pEVgEP 벡터의 형질전환체
HindIII EcoRV XbaI NotI 23S rDNA 5‘ region T7 trnA AmpR pMAI-EPO NsiI T3 prrn (8200 bp) HindIII aadA trnI EPO psbA3' XbaI XbaI NsiI (2) pMAI-EPO 벡터의 개발 EPO EPO cDNA TGA XbaI site XbaI site RBS ATG His Tag (CAC x 6) 5’ 3’
M W 1 2 3 G 4 5 V D 400bp (3) aadA유전자의 primer를 이용한 엽록체 형질전환체의 PCR W: wild type, 1-3: pMAI-GFP transgenics, V: pMAI-GFP, D: DW
(4) 이끼의 20 L 대량배양 (B) (A) (A) 배양 1일 후, (B) 배양 7주후
M bGH WT 1 2 3 4 (A) (B) 22kDa (6) bGH 형질전환 식물체의 Immunoblot 분석 (A) SDS-PAGE, (B) Immunoblot 분석. M: MW marker, bGH: bGH 표준 단백질, WT: 야생형, 1: pGAbGH1-7 형질전환체, 2: pGAbGH1-11 형질전환체, 3: pGAbGH15-4 형질전환체, 4: pGAbGH15-7 형질전환체
(A) EPO WT 1 2 3 (B) 38kDa (7) EPO 형질전환 식물체의 Immunoblot 분석 (A) SDS-PAGE, (B) Immunoblot 분석. EPO: EPO 표준 단백질, WT: 야생형, 1: pEVcEP-12 형질전환체, 2: pEVcEP-14 형질전환체, 3: pEVcEP-16 형질전환체
