Key Points

  • 중국과학원 연구진이 국제 학술지 Cell에 게재된 연구를 통해 니코틴 생합성 경로를 최초로 완성했다.
  • 이번 연구는 비(非)담배 식물과 효모에서 니코틴 생산 시스템을 재구성함으로써, 공학적으로 설계된 생물학적 플랫폼을 통해 니코틴 생합성의 적용 가능성이 더욱 확대될 수 있음을 시사한다.
  • 연구진은 식물 세포 내에서 니코틴의 합성과 수송을 공간적으로 조직화하는 막 결합형 '메타볼론(metabolon)' 구조를 규명했다.
  • 이번 연구 결과는 추출 기반 생산 방식에서 조작 가능한 생물학적 시스템으로의 장기적인 전환을 가리키고 있어 니코틴 및 위해저감제품 부문 전반의 주목을 받고 있다.
  • 규제 전문가들은 새롭게 등장하는 니코틴 생합성 기술이 궁극적으로 담배 유래 니코틴 정의를 기반으로 구축된 기존 규제 체계를 복잡하게 만들 수 있다고 말한다.
  • 연구진과 업계 관측통들은 이번 성과가 여전히 초기 단계의 과학적 연구이며 단기적인 상업적 규모 생산과는 거리가 멀다고 강조한다.

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중국과학원(CAS) 연구진이 4월 30일 Cell에 발표한 연구가 니코틴 업계 전반의 이목을 집중시키고 있다. 연구진이 비담배 식물과 효모 시스템에서 니코틴 생합성을 재구성하는 데 성공하면서, 합성생물학의 발전이 향후 니코틴 생산 기술을 궁극적으로 어떻게 재편할 수 있는지를 보여주었기 때문이다.

업계의 의문을 불러일으키기 시작한 과학적 돌파구

수십 년 동안 과학자들은 니코틴 형성에 관여하는 분자 구성 요소를 이해하고 있었으나, 식물 세포 내에서 최종 생합성 단계가 어떻게 조직화되는지에 대해서는 완전한 설명을 내놓지 못했다.

연구진은 이번 연구 결과가 담배 식물이 액포막에 위치한 조율된 다효소 복합체를 통해 니코틴을 합성함으로써, 세포 독성을 제한하는 동시에 불안정한 중간체 화합물을 효율적으로 처리하는 메커니즘을 설명하는 데 도움을 준다고 밝혔다.

이번 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있고 상업적 규모의 적용과는 거리가 멀지만, 공학적으로 설계된 생물학적 시스템 전반으로 니코틴 생합성이 전이될 수 있음을 시사한다는 점에서 니코틴 및 위해저감제품 부문의 큰 관심을 끌고 있다.

이번 연구는 글로벌 담배 및 니코틴 기업들이 비연소 및 위해저감 제품으로의 광범위한 전환 속에서 기존의 담배 식물 의존적 생산 모델을 대체할 대안을 지속적으로 모색하고 있는 시점에 발표되었다. 

니코틴을 생성하는 생물학적 시스템의 내부 구조

수십 년 동안 과학자들은 니코틴이 두 개의 개별적인 분자 구성 요소로부터 형성된다는 점은 알고 있었으나, 해당 구조들을 연결하는 최종 생화학적 단계는 밝혀지지 않은 채로 남아 있었다.

니코틴 합성에 관여하는 몇 가지 중간 화합물은 매우 불안정하여, 실험을 통해 해당 경로를 완전히 재구성하려는 시도에 어려움을 겪어왔다.

중국과학원 연구팀은 이번 연구를 통해 합성 과정에서 이러한 중간체를 안정화하는 것으로 보이는, 이전에는 간과되었던 글리코실화(배당화) 단계를 확인했다고 밝혔다.

또한 연구진은 효소와 수송 단백질이 막 결합 복합체를 형성하여 촉매 부위 간에 불안정한 중간체를 전달한다는 사실도 발견했다.

이 연구는 니코틴 생합성이 식물 세포 내에서 무작위로 일어나는 것이 아니라, 연구진이 액포의 5개 성분 '메타볼론(metabolon)'으로 기술한 구조—원치 않는 반응을 억제하면서 합성과 수송을 유도하는 조율된 생화학적 조립 라인—를 통해 공간적으로 조직화된다는 점을 제시한다.

이러한 발견은 식물이 구조적으로 복잡한 다른 천연 화합물을 어떻게 생산하는지 이해하는 데에도 더 넓은 시사점을 제공할 수 있다.

담배 식물에만 전적으로 의존하지 않을 수 있는 니코틴 생산

과학적 중요성을 넘어, 이번 연구는 니코틴 생합성이 담배 식물에만 전적으로 묶여 있지 않고 공학적으로 설계된 생물학적 시스템 전반으로 전이될 수 있음을 시사한다는 점에서 주목받고 있다.

연구진은 담배뿐만 아니라 토마토, 가지, 완두콩 등 비담배 식물 및 효모 시스템에서도 니코틴 생산 경로를 입증했다. 이 결과는 통제된 조건 하에서 대체 생물학적 플랫폼을 통해 니코틴 생합성이 재구성될 수 있음을 나타낸다.

업계 관계자들은 이번 발견이 당장의 상업적 규모 생산을 의미하는 것은 아니라고 말한다. 수율 최적화, 발효 효율, 정제, 확장성 및 규제 검토 등의 분야에서 여전히 상당한 과제가 남아 있다.

그럼에도 불구하고, 이번 연구는 기존의 추출 기반 시스템에서 점차 공학적 설계가 가능한 생물학적 플랫폼으로의 광범위한 전환을 가리키고 있기 때문에 니코틴 및 위해저감제품 분야에서 면밀히 주시하고 있다.

주요 담배 및 니코틴 기업들에게 이번 연구의 중요성은 오늘날 니코틴이 어떻게 생산되는지보다, 니코틴 생합성이 보다 모듈화되고 프로그래밍 가능한 단계로 진입하고 있는지 여부에 있을 수 있다.

연구에서 규명된 막 결합형 '메타볼론'은 니코틴 자체를 넘어, 특히 조율된 수송과 공간적으로 조직화된 대사가 필요한 복잡한 천연 화합물을 다루는 향후 합성생물학 접근법에도 시사하는 바가 크다.

기존 규제 체계를 시험할 수 있는 새로운 니코틴 기술

니코틴 생산 기술이 전통적인 담배 추출 시스템을 넘어 발전함에 따라, 이번 연구는 장기적인 규제 문제를 제기할 수도 있다.

이번 연구 결과는 미국과 유럽의 규제 당국이 급변하는 니코틴 제품에 맞춰 담배 시대의 규제 체계를 적응시키는 데 이미 어려움을 겪고 있는 상황에서 나왔다.

미국에서 담배 규제는 역사적으로 니코틴이 담배 식물에서 추출되었는지 여부와 밀접하게 연관되어 왔다. 공학적 생합성의 발전은 궁극적으로 미래의 니코틴 제품이 어떻게 분류되고 규제될 것인지를 복잡하게 만들 수 있다.

연구 자체는 상업적 적용이나 규제 체계를 다루지는 않는다. 그러나 과학자들은 비담배 식물과 효모 시스템에서 니코틴 생합성을 입증했으며, 일부 규제 관측통들은 이러한 발전이 생물학적으로 생산된 니코틴을 어떻게 분류해야 하는지에 대한 향후 논쟁을 촉발할 수 있다고 말한다.

업계 분석가들은 공학적으로 조작된 미생물 또는 식물 시스템을 통해 생산된 니코틴이 기존 '담배 제품' 정의에 해당할 것인지, 그리고 현재의 심사 경로가 그러한 제품을 평가하도록 설계되어 있는지에 대한 핵심적인 의문이 제기될 수 있다고 지적한다.

유럽에서는 정책 입안자들이 이미 담배제품지침(TPD, Tobacco Products Directive)에 대한 지속적인 논의 속에서 보다 광범위한 니코틴 규제를 재검토하고 있는 가운데, 이번 연구 결과는 전통적인 담배 기반 정의와 시장에 진입하는 니코틴 함유 제품의 확장 범위 사이의 커지는 격차를 더욱 부각할 수 있다.

규제 전문가들은 미래의 감독이 니코틴의 원료 출처뿐만 아니라 제조 방식, 불순물 프로필 및 전반적인 제품 유해성 프로필에도 점차 초점을 맞출 수 있다고 말한다.

현재로서는 연구진과 업계 관계자 모두 이번 연구가 단기적인 상업적 생산 로드맵이라기보다는 초기 단계의 과학적 연구라는 점을 강조하고 있다.

담배 추출에서 공학적 니코틴 생산 시스템으로

이번 연구는 식물 대사, 화학 생태학 및 합성생물학에 중점을 둔 연구 기관인 상하이 소재 중국과학원 분자식물과학우수혁신센터(Center for Excellence in Molecular Plant Sciences)의 리다펑(Dapeng Li) 연구원이 주도했다.

리 연구원은 이전에 독일 막스 플랑크 화학생태학 연구소에서 수학했으며, 식물이 방어용 화학 화합물을 어떻게 생산하고 공간적으로 조직화하는지에 대한 연구에 집중해왔다. 이 논문의 공동 저자로는 식물-곤충 상호작용 및 야생 담배 종의 니코틴 관련 방어 메커니즘에 대한 연구로 널리 인정받는 저명한 식물 생물학자 이언 T. 볼드윈(Ian T. Baldwin)도 참여했다.

이번 발견은 니코틴 자체를 넘어 식물이 조율된 대사 시스템을 통해 구조적으로 복잡한 천연 산물을 어떻게 조립하는지 과학자들이 더 잘 이해할 수 있도록 돕는다.

이번 성과가 글로벌 니코틴 공급망을 즉각 바꾸는 것과는 거리가 멀지만, 생명공학과 니코틴 과학 전반에서 점차 부상하고 있는 광범위한 기술적 방향성, 즉 추출 기반 시스템에서 보다 조작 가능한 생물학적 생산 플랫폼으로의 점진적인 전환을 시사한다.

더 넓은 니코틴 및 위해저감제품 분야에서 이번 연구는 현재의 생산 방식을 당장 변화시키기 때문이라기보다는, 미래의 니코틴 생산 시스템이 전통적인 담배 기반 공급망에 점차 덜 의존하게 될 수 있음을 시사하기 때문에 중요한 의미를 지닌다.

 (커버 이미지: 새로운 니코틴 생합성 시스템과 비담배 생산 경로를 개념화한 AI 생성 일러스트레이션.)