생물을 구성하는 세포는 다양한 세포소기관을 가지고 있고, 소기관들 중 미토콘드리아와 같은 기관은 내막에 전자전달계를 가지고 있다. 이러한 전자전달계에서 산화적 인산화라는 복잡한 과정이 일어나게 되는데, 이 과정을 통해서 세포의 에너지원이라 불리는 ATP(Adenosine triphosphate)를 만들게 된다. 따라서 ATP 생성을 위해서는 전자전달계의 역할이 필수적이라 할 수 있다. 하지만, 세포가 스트레스 상황에 놓이게 되면 에너지 대사에 변화가 생기고 전자 전달 과정이 불완전하게 일어나 독성을 갖는 활성산소종(Reactive Oxygen Species, ROS)이 생성 된다. 세포 내부에서는 일반적인 상황에서도 전자전달 과정에서 활성산소종이 종종 발생되지만 세포질 내부에는 이를 방어하는 물질인 글루타티온(glutathione), 카탈라아제(catalase), 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제(superoxide dismutase), 폴리페놀(polyphenol) 등과 같은 성분들에 의해 활성산소종을 없애는 항산화 활성(antioxidant activity) 시스템이 구축되어 있다. 하지만 활성산소종이 너무 과도하게 발생할 경우 이런 항산화 시스템의 작용 범위를 넘어서게 되면서 반응성이 높은 활성산소종에 의해 세포의 막 구조나 DNA 등에 손상이 생기고, 이로 인해 세포가 괴사하거나 DNA 변형이 일어나는 등의 문제가 발생하게 된다.
이러한 상태를 우리는 산화적 스트레스(oxidative stress)라 부르며, 세포 내에서 호흡 및 에너지 대사에 의해 발생하는 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)과 이를 방어하는 항산화(antioxidant) 시스템 사이의 불균형으로 인해 발생하는 스트레스 상태라고 할 수 있다. 따라서 생물학적 의미에서 세포의 스트레스 상태란 활성산소에 의해 일어나는 산화스트레스 상태라고 이야기할 수 있고, 세포가 너무 낮거나 높은 온도, pH, 염도 등에 노출 될 경우 이러한 활성산소가 발생하게 된다. 이러한 산화스트레스를 발생시키는 활성산소종의 종류로는 초과산화물(superoxide, O₂-), 수산화 라디칼(hydroxyl radical, OH·), 하이드로퍼옥실 라디칼(hydroperoxyl radical, HO₂-), 싱글렛 산소(singlet oxygen, O₂·), 과산화수소(hydrogen peroxide, H₂O₂) 등이 있다. 따라서 이러한 활성산소종을 세포에 처리하면 산화적 스트레스를 유도할 수 있고, 스트레스가 발생할 때 발현되는 메신저 RNA(mRNA)를 전사체 분석(Transcriptomic Analysis)을 통해 분석 하면, 산화적 스트레스에 반응하는 유전자 정보를 밝혀낼 수 있다.
이번 연구에서는 참김에 산화스트레스를 발생시키는 과산화수소(H₂O₂)를 처리하였고, 처리하였고, 산화적 스트레스에 의해 세포막에서 지질과산화 과정에서 발생하는 알데히드 계열 물질인 말론다이알데히드(malondialdehyde)를 분석하여 실제 산화적 스트레스가 발생하는지 확인하였다. 그리고 산화스트레스가 발생하는 조건에서 참김의 RNA를 추출하여 발현되고 있는 mRNA 정보 확인을 위해 전사체 분석을 진행하였고, 이를 통해 스트레스에 반응 하는 유전자 정보를 확보할 수 있었다. 참김 스트레스에 반응하는 유전자는 뉴클레오타이드 디인산 키네이스1(Nucleoside Diphosphate Kinase1)라는 효소를 합성하는 NDPK1유전자로 밝혀졌다. 키네이스는(kinase) 세포 내에서 중요한 역할을 하는 효소로, 특히 단백질이나 다른 분자에 인산기를 추가하는 반응을 촉매한다. 이 과정을 인산화(phosphorylation)라고 하며, 세포 신호 전달, 물질대사, 세포 성장, 분화 등의 다양한 생물학적 과정에서 핵심적인 역할을 한다. 키네이스는 스트레스 저항과도 밀접한 관련이 있다. 다양한 스트레스 조건(ex: 열, 산화 스트레스, 염증 등)에서 세포가 생존을 위해 적절한 반응을 일으키게 하는 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다.

미세조류는 육상식물에 비해 광합성 효율과 이산화탄소 저감율이 매우 높은 것으로 알려져 있으며, 성장이 빠르고 카로테노이드, 지방산, 폴리페놀 등 다양한 고부가 물질을 함유하고 있어 유망한 미래 소재로 알려져 있다. 따라서 미세조류는 화장품, 식품, 건강기능식품, 동물용 사료를 포함하여 양어장의 먹이생물, 유기농 농업 비료 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 산업에 미세조류를 실제로 활용하기 위해서는 성장을 빠르게 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 최적 온도인 25~30도 정도의 온도를 유지함과 동시에 충분한 빛을 공급해주어야 한다. 하지만, 보통 옥외시설에서 계절적 영향을 많이 받는 미세조류 배양을 진행할 때, 사계절이 뚜렷한 우리나라에서는 25~30℃의 온도가 유지될 수 있는 조건이 여름에 한정적이며, 봄, 가을, 겨울철의 낮은 온도 조건에서는 성장률이 낮아 미세조류 바이오매스 확보에 큰 어려움이 있다.
따라서 균주 개량 기술을 통해 저온이나 스트레스 조건에서 잘 자라는 미세조류 개발 연구는 매우 중요하다고 할 수 있으며, 다양한 국가에서 관련 연구를 수행중이다. 바이오실용화에서도 환경저항성 미세조류를 개발하기 위해, 산화적 스트레스에서 발현되는 참김 유래 유전정보를 확보하여 미세조류에 도입한 형질전환체를 만들었다. 그리고 산화적 스트레스 조건과 15도씨 이하의 저온 조건에 배양한 결과, 이 미세조류가 일반 미세조류(야생형, wild type)보다 산화스트레스 저항성과 더불어 15도씨 이하의 저온 조건에서도 매우 높은 성장을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 미세조류가 생산하는 지방산 조성을 분석한 결과, 유전자가 삽입되지 않은 대조군 미세조류(야생형, wild type)와 비교하여 조성에 큰 차이가 없음을 확인하였고, 이를 통해 고부가 지방산의 조성 변화 없이 저온에서도 바이오매스 생산성을 크게 높일 수 있는 미세조류 개발에 성공하였다.
이 결과는 환경저항성이 뛰어나 다양한 조건에서도 바이오매스 생산이 가능한 미세조류 균주 개발에 성공했다는 점에서 큰 의의를 갖는다. 이러한 결과를 토대로 추후 참김에서 확보된 유전자 정보를 다양한 미세조류에 적용하여 저온이나 기타 스트레스에 저항성을 갖는 미세조류를 개발할 수 있는 중요한 기초 자료로도 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 바이오실용화실은 이러한 연구 결과를 바탕으로 유전자 정보 및 기능에 대한 특허 출원과 등록을 완료하였다. 앞으로 페오닥틸럼, 듀나리엘라, 테트라셀미스 및 클로렐라 등 다양한 산업용 해양 미세조류들을 대상으로 유용 유전자를 삽입하여 스트레스 내성과 성장 촉진 기능을 확인할 예정이다.
이번 연구를 통해 참김의 오믹스 정보를 활용한 균주 개량 기술과 키네이스 유전자의 기능적 특성을 확인하였으며, 저온 환경에서도 산업적으로 유망한 미세조류를 대량 배양할 수 있는 중요한 기반을 마련하였다. 앞으로 형질전환 기술을 통해 개량된 미세조류의 추가적인 산업적 적용 가능성 연구와 이를 위한 유전자변형생물 안전관리를 진행하여 해양바이오산업 발전에 기여해 나갈 계획이다.

형질전환 미세조류 Chlamydomonas reinhardtii의 온도별 4일간 성장 측정 결과