새로운 방법, 작은 고산 식물 샘플로부터 다양한 페놀 화합물의 구조 규명을 가능하게 하다
해당 연구 결과는 2026년 2월 22일 온라인에 게재되었다. 분자 구조 저널(Journal of Molecular Structure) 유사한 기법을 활용한 관련 연구들도 생화학적 계통분류 및 생태학(Biochemical Systematics and Ecology)에 게재된 바 있다.
연구 요약:
· 미량 화학 성분을 분리하고 결정화하는 방법이 확립되었다.
· 단결정 X선 회절(SC-XRD) 및 미세 결정 전자 회절(MicroED)과 같은 분석 기법을 활용하여 결정화된 성분의 구조 분석이 성공적으로 이루어졌다.
· 이 접근법을 통해 연구 샘플 확보가 어려운 고산 식물에서도 페놀 화합물의 구조 규명이 성공적으로 이루어졌으며, 디아펜시아 라포니카 (Diapensia lapponica) 꽃에 존재하는 다양한 페놀 화합물이 밝혀졌다 .
· 이 방법을 개발하는 과정에서 수행된 관련 연구를 통해 식물의 화학적 적응 메커니즘 및 계통학적 특성과 관련된 성분도 발견되었다.
1. 배경 및 결과
고산 식물은 일본의 고산 및 아고산 지대 전반에 분포한다. 강한 자외선과 낮은 온도 등 고산 환경의 특유한 스트레스를 견디기 위해, 이러한 식물들은 페놀 화합물로 알려진 화학 물질을 합성하고 축적함으로써 적응한다. 많은 페놀 화합물은 잠재적인 천연자원으로도 인식되고 있다. 고산 식물은 저지대 식물에 비해 연구가 덜 이루어진 분야이기 때문에, 이 분야에 대한 추가 연구가 특히 기대되고 있다. 한편, 고산 식물이 자라는 혹독한 환경은 식물의 크기를 작게 만드는 요인이 된다. 또한 이들은 고지대에만 제한적으로 분포하여 상대적으로 희귀하다. 학술 연구에서도 법적 허가 및 윤리적 고려에 따라 고산 생태계에 대한 인간의 영향을 최소화하기 위해 식물 채집은 엄격히 제한된다. 그 결과, 구조 분석에 사용할 수 있는 샘플의 양은 매우 제한적이다.
연구팀은 미량 샘플의 성분을 분석하기 위한 방법을 개발해 왔다. 본 연구에서는 고산 식물인 디아펜시아 라포니카 꽃의 매우 소량의 샘플을 사용하여 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 통해 개별 성분을 분리 및 정제하고, 사중극자 비행시간 질량분석(QTOF-MS)을 통해 분자량을 규명했다. 이후 각 성분의 결정화를 최적화하기 위한 방법을 개발했다.
기존 방법에 필요한 크기의 약 100분의 1 수준의 결정으로도 구조 규명이 가능한 단결정 X선 회절(SC-XRD) 및 미세결정 전자 회절(MicroED)과 같은 분석 기법을 적용함으로써, 연구팀은 극히 소량의 샘플로부터 미량 성분의 구조를 성공적으로 규명했다. 그 결과, 혹독한 고산 환경에서 자라는 D. lapponica는 케르세틴 배당체를 포함한 플라보노이드 및 기타 페놀 화합물을 함유하고 있음이 확인되었다. 이러한 화합물은 최근 건강상 이점이 기대되는 기능성 성분으로 주목받고 있다.
생화학적 계통분류 및 생태학에 연구팀은 동일한 식물의 잎으로부터 다수의 성분을 분리하고 그 구조를 규명하는 데에도 성공했으며, 자외선 보호 및 항산화 활성에 기여하는 화합물을 발견했다. 또한 일부 성분의 축적 양상이 혼슈 중부 지역에서 홋카이도에 이르기까지 지역에 따라 차이가 있음을 밝혔다. 본 연구는 이러한 기존 연구 성과를 한 단계 발전시킨 것이다. 연구팀은 동일한 식물의 잎으로부터 다수의 성분을 분리하고 그 구조를 규명하는 데에도 성공했으며, 자외선 보호 및 항산화 활성에 기여하는 화합물을 발견했다. 또한 일부 성분의 축적 양상이 혼슈 중부 지역에서 홋카이도에 이르기까지 지역에 따라 차이가 있음을 밝혔다. 본 연구는 이러한 기존 연구 성과를 한 단계 발전시킨 것이다.
2. 주석
고성능 액체 크로마토그래피(HPLC): 이동상(용매)과 고정상(컬럼)과의 상호작용 차이에 기반하여 성분을 분리하고 검출하는 분석 기법. 그림 2에 제시된 분취용 HPLC 시스템을 사용하여 각 성분을 분리했다.
사중극자 비행시간 질량분석(QTOF-MS): 사중극자와 비행시간 분석기를 결합하여 높은 질량 정확도, 해상도, 감도를 달성하는 질량분석 기법. 그림 2에 제시된 LC-QTOF-MS 시스템은 HPLC와 QTOF-MS를 통합한 것이다.
단결정 X선 회절(SC-XRD): 시료 결정에 X선을 조사하고 그로부터 얻어지는 회절 패턴을 이용하여 3차원 분자 구조를 직접 규명하는 방법.
미세결정 전자 회절(MicroED): X선 대신 전자빔을 사용하여 훨씬 더 작은 서브마이크로미터 크기의 결정으로부터도 구조 규명이 가능하게 하는 구조 분석 기법.
3. 향후 방향
여기에서 설명된 분석 방법을 개발하는 과정에서 연구팀은 비교적 넓은 지리적 분포를 가진 고산 식물인 핀쿠션 식물 샘플을 사용했다. 현재 연구팀은 이 방법을 일본 고유종 및 멸종위기종을 포함한 보다 희귀한 식물종의 분석에 적용하고 있다.
이 접근법은 기존에 분석이 어려웠던 식물에서 미량 성분을 규명하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 새로운 및 미활용 생물 자원의 탐색을 촉진할 것으로 기대된다. 또한 이 방법은 물리학, 농업과학, 제약 과학 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있으며, 기초 연구와 응용 연구 모두에 있어 중요한 기초 정보의 원천이 될 것으로 기대된다.
4. 발표 논문
제목: 단결정 구조 분석을 통한 고산 꽃에서의 페놀 배당체의 지속가능한 미량 규모 규명
저자: 히라노 휴가, 키쿠치 타카시, 사카키바라 후타, 무라이 요시노리
게재지:분자 구조 저널, 145740 (온라인 2026년 2월 22일)
관련 논문
제목: 디아펜시아 라포니카의 계통 지리학적 구조를 반영하는 페놀 화합물 다양성아종오보바타 (디아펜시아과) 일본 내 집단
저자: 히라노 휴가, 카토 토시요, 노구치 게이이치, 카이 히사히로, 이토 타쿠로, 키쿠치 타카시, 사카키바라 후타, 무라이 요시노리
게재지:생화학적 계통분류 및 생태학, 125: 105168 (온라인 2025년 11월 20일; 2026년 4월 인쇄 발행 예정)
본 연구는 일본학술진흥회(JSPS) KAKENHI 연구비(JP23K05503, JP24KJ1011)와 일본 국립자연과학박물관의 ‘극한 환경 통합 연구’의 지원을 받아 수행되었다.
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