트레할로스

3. 합성

트레할로스의 생합성은 다양한 대사경로를 통해 이루어진다. 현재까지 다섯 가지의 주요 생합성 경로가 보고되었다.^{[20][21][22][23][24]} 산업적으로는 옥수수 녹말로부터 트레할로스를 생산하기도 한다.^[59][8]

주요 생합성 경로는 다음과 같다.

척추동물은 트레할로스를 직접 합성하거나 몸 안에 저장하는 능력이 없다.^[25] 인간의 경우, 트레할로스를 분해하는 효소인 트레할라아제는 장 점막, 신장 솔가장자리, 간, 혈액 등 특정 부위에만 존재한다. 이 효소는 수유기 이후 가장 높은 농도로 나타나며, 그 수준은 평생 동안 장에서 일정하게 유지된다.^[26]

한편, 식물이나 균류를 포함하는 식단에는 트레할로스가 함유되어 있다. 따라서 식단을 통해 트레할로스를 섭취하게 되며, 적절한 양의 섭취는 중요하다. 트레할로스 섭취가 부족할 경우 설사와 같은 장 관련 증상이 나타날 수 있다.^[27]

4. 특성

트레할로스는 두 분자의 α-포도당이 α(1→1)α 글리코사이드 결합으로 연결된 이당류이자 비환원당이다.^[58][7] 이 독특한 결합 구조 덕분에 산 가수분해에 대한 저항성이 매우 강하며, 높은 온도나 산성 조건에서도 안정성을 유지한다.

상온에서는 흰색의 분말상 결정 형태를 띠며, 수크로스(자당) 감미도의 약 45% 정도의 단맛을 가진다. 20℃의 물 100g에 68.9g이 용해되며, 고온(>80 °C)을 제외하면 수크로스보다 용해도가 낮은 편이다. 또한 캐러멜화가 잘 일어나지 않는 특징이 있다.

트레할로스는 세균, 효모, 균류, 곤충, 무척추동물, 식물 등 매우 다양한 생물체에서 발견되며, 이들 생물체 내에서 생성될 수 있다.^[58] 생체 내에서는 에너지 저장원으로 사용되거나, 건조, 고온, 저온과 같은 극한 환경 스트레스로부터 세포를 보호하는 중요한 역할을 수행한다. 특히 일부 생물이 극심한 건조 상태에서도 생존할 수 있게 하는 크립토바이오시스 현상과 깊은 관련이 있는 것으로 알려져 있다.^[64]

4. 1. 화학적 특성

• 환원성: 비환원성이다.
• 분해: 트레할라아제 효소에 의해 포도당으로 분해된다.

4. 2. 생물학적 특성

5. 영양 및 식이 특성

트레할로스는 잡식동물(사람 포함)과 초식동물의 장 점막 융모막에 존재하는 효소인 트레할라아제(trehalase)에 의해 포도당으로 빠르게 분해된다.^[65][17] 이 과정은 포도당을 직접 섭취했을 때보다 혈당 수치를 덜 급격하게 올리는 특징이 있다.^[73][30]

트레할로스의 단맛은 농도에 따라 달라지는데, 22% 이상의 고농도에서는 수크로스(설탕) 단맛의 약 45% 정도를 낸다. 하지만 농도가 낮아지면 단맛이 설탕보다 더 빠르게 약해져, 2.3% 농도의 트레할로스 용액은 같은 농도의 설탕 용액보다 6.5배 덜 달게 느껴진다.^[66][18]

트레할로스는 어는점 강하 효과가 있어 액체의 어는점을 낮추므로, 아이스크림과 같은 냉동식품 제조에 흔히 사용된다.^[73][30] 카길과 같은 식품 회사는 자사 브랜드 트레할로스 제품("Treha")을 식품의 맛을 향상시키는 용도로 판매하기도 한다.^[67]

대부분의 사람은 트레할로스를 분해하는 트레할라아제 효소를 가지고 있지만, 이 효소가 결핍된 경우도 있다. 트레할라아제 결핍은 일반적으로 드물지만, 그린란드의 이누이트 민족에서는 인구의 10~15% 정도에서 나타나는 것으로 알려져 있다.^[68][19]

6. 의학적 사용

트레할로스는 히알루론산과 함께 인공 눈물 제품의 성분으로 사용되어 건성 각결막염을 치료하는 데 쓰인다.^{[69][70][28][29]} 한때 ''클로스트리디오이데스 디피실''의 발병이 트레할로스와 관련 있다는 주장이 제기되기도 했지만,^[30][31][32] 2019년에는 이러한 주장에 대한 반론이 나왔다.^[33]

2021년, 미국 식품의약국(FDA)은 트레할로스 주사제 형태(SLS-005)를 척수소뇌 실조증 3형 (SCA3)의 잠재적 치료제로 보고, 임상시험용 신약 (IND) 신청을 수락하고 신속 심사 제도 지위를 부여하였다.^[34][35]

7. 역사

1832년, H.A.L. 위거스(H.A.L. Wiggers)는 호밀의 맥각에서 트레할로스를 처음 발견했다.^[71][36] 1859년에는 마르셀랭 베르텔로(Marcelin Berthelot)가 바구미가 만드는 물질인 '트레할라 만나(Trehala manna)'에서 이 물질을 분리하고 트레할로스(trehalose)라고 이름 붙였다.^[72][37]

트레할로스는 오랫동안 mTOR 경로와는 독립적으로 자가소화(autophagy)를 유도하는 물질로 알려져 왔다.^[38] 2017년에는 트레할로스가 자가소화-리소좀 경로의 핵심 조절 단백질인 TFEB를 활성화시켜 자가소화를 유도한다는 연구 결과가 발표되었다.^[39][40]

2018년 1월, 사람의 장에 서식하는 세균인 ''클로스트리듐 디피실리균''(Clostridium difficile)의 특정 균주들이 트레할로스에 반응한다는 연구 결과가 발표되었다. 이 연구에 따르면, 실험실 환경에서 트레할로스를 공급했을 때 해당 균주들의 성장이 촉진되고 더 많은 독소를 생산하는 것으로 나타났다.^[73] 연구자들은 2000년경 트레할로스 생산 비용이 낮아지면서 식품 첨가가 늘어난 시기와 병원 내 ''클로스트리듐 디피실리균'' 감염 증가 시기 사이에 상관관계가 있음을 지적하며, 트레할로스가 감염 증가의 원인일 수 있다는 가능성을 제기했다. 그러나 당시 트레할로스가 실제로 ''클로스트리듐 디피실리균'' 감염 증가를 유발했는지, 또는 사람의 장 내 ''클로스트리듐 디피실리균''에 직접적인 영향을 미쳤는지는 명확히 알려지지 않았다.^[73][74][75]

8. 생산 및 제법

적어도 3가지의 생물학적 대사경로가 트레할로스의 생합성을 지원한다.^[58][7] 산업적으로는 옥수수 전분으로부터 트레할로스를 얻을 수 있다.^[59][8]

과거에는 효모를 배양하여 추출하는 방법이 사용되었지만, 생산 비용이 1kg당 5만엔에 달해 매우 비쌌기 때문에 일부 화장품이나 시약 등 제한적인 용도로만 사용되었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 제조법 개발 경쟁이 이루어졌고, 1994년 일본의 식품 기업 하야시바라(林原|하야시바라^일본어) 소속 연구원 마루타 카즈히코(丸田 和彦|마루타 카즈히코^일본어) 등이 기존에는 불가능하다고 여겨졌던 전분으로부터 트레할로스를 저렴하게 대량 생산하는 방법을 개발하는 데 성공했다. 이듬해부터 이 새로운 공법으로 생산된 트레할로스가 기존 가격의 약 100분의 1 수준인 1kg당 수백 엔으로 판매되기 시작했다.^[50]

이 방법은 전분의 환원 말단을 트레할로스 구조로 바꾸는 글리코실트레할로스 생성 효소(말토올리고실트레할로스 합성 효소)와, 생성된 트레할로스 구조 부분을 잘라내는 트레할로스 유리 효소(말토올리고실트레할로스 트레할로히드라아제)라는 두 가지 효소를 순차적으로 작용시키는 원리이다. 이를 통해 전분에서 매우 높은 수율로 고순도의 트레할로스를 저렴하게 대량 생산하는 것이 가능해졌다.^[51]

9. 용도

트레할로스는 다른 당류에서는 찾아볼 수 없는 다양한 기능을 가지고 있어, 가공식품을 비롯한 여러 분야에서 활용된다.

10. 관련 연구

1832년 H. A. L. 위거스(H. A. L. Wiggers)가 호밀의 맥각에서 트레할로스를 처음 발견했고,^[71] 1859년 피에르 베르텔로(Pierre Berthelot)는 바구미가 만드는 물질인 "Trehala manna"에서 이를 분리하여 트레할로스(trehalose)라고 명명했다.^[72]

트레할로스를 저렴하고 대량으로 공급할 수 있게 되면서, 이를 이용한 각종 연구도 급증했다. 특히 의학 관련 분야에서는 수술 후 개복 시 유착 방지제, 안구건조증 치료제, 건조 혈액 제조 등의 용도를 목표로 연구가 진행되고 있다.

문화재 보존 분야에서도 트레할로스 활용 연구가 이루어진다. 오사카시 문화재 협회 보존 과학실의 이토 코지를 중심으로, 트레할로스를 목제 문화재의 부패 방지 처리에 이용하는 연구가 진행 중이다.^[53] 이토 연구팀은 나가사키현 마쓰우라시 다카시마정 앞바다에서 인양된 몽골 침략 선박의 격벽판을 2019년 8월부터 트레할로스 용액에 담가 처리하여 2021년 3월 13일에 꺼내는 실험을 진행했다.^[53] 이 방법은 기존의 폴리에틸렌 글리콜 처리법에 비해 처리 기간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.^[53]

한편, 2018년 1월에는 사람의 장에서 발견되는 세균인 ''클로스트리듐 디피실리균''(''Clostridium difficile'')의 일부 균주가 트레할로스에 반응한다는 연구 결과가 발표되었다. 이 연구는 실험실에서 트레할로스를 공급했을 때 이들 균주들이 더 잘 자라고, 더 많은 독소를 생산한다는 것을 발견했다. 연구자들은 2000년경 트레할로스 생산 비용이 낮아져 식료품에 널리 사용되기 시작한 시기와 병원에서 ''클로스트리듐 디피실리균'' 감염이 증가한 시기 사이에 상관관계가 있음을 지적하며, 트레할로스가 감염 증가를 일으켰을 가능성을 시사했다. 그러나 당시 트레할로스가 실제로 ''클로스트리듐 디피실리균'' 감염의 증가를 유발했는지 또는 사람의 장에 있는 ''클로스트리듐 디피실리균''에 영향을 미쳤는지는 명확히 밝혀지지 않았다.^[73][74][75]

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