과 제 명

과 제 명 라이코펜의 항산화 작용을 이용한 식물 보존력 탐구

소속학교 명덕고등학교

책임 지 도 교 사 권O웅 공 동 지 도 교 사 박O권

참여학생 권O민, 선O혁, 신O

1. 과제 개요

□ 연구목적

라이코펜은 예전에 ’리코펜‘이라고 불렸던 나이에 비해 젊어 보이는 사람이라면 꼭 섭취하 고 있는 토마토에 많이 함유되어있다. 젊음을 유지할 수 있는 이유는 라이코펜에 있는데, 라이코펜이 체내에서 노화를 촉진시키는 물질 중 하나인 ’활성산소’를 억제해 주는 일명

‘항산화작용’을 해주기 때문이다. 이 활성산소는 세포 호흡을 하면서 나오는 부산물 중 하나로 대표적으로 H2O2, OH 등이 있는데 발생하고 나서 유지시간은 매우 짧지만 반응성이 매우 커서 우리의 세포를 망가뜨린다. 이것이 바로 ‘세포노화‘이다. 활성산소가 꾸준히 우리 몸을 공격한다면 세포노화가 촉진되어 세포 자체의 기능도 떨어지고 노화의 지름길이 될 것이다. 하지만 라이코펜 같은 항산화물질을 지속적으로 섭취하게 된다면 활성산소가 우리 몸에 있는 세포를 공격하지 못하게 방지하여 세포 노화를 방지 할 수 있다. 그러면 노화의 속도도 느려지게 되는 것이다. 우리는 이 원리를 응용하여 식물에게도 적용될 수 있지 않을까 라는 생각을 하게 되었다. 식물도 세포 호흡을 하니 분명 활성산소가 발생될 것이다. 액포에 저장할 시간도 없이 사라지니 분명 식물 세포에게도 피해를 주고 있을 것이다. 그러면 미토콘드리아, 엽록체 등 중요 세포 소기관들을 공격하여 세포의 기능을 떨어뜨릴 것이다. 라이코펜을 사용하여 식물의 기능을 좀 더 오랫동안 보존하고 신선하게 보관할 수 있는 방법을 찾기 위하여 이 주제를 선택하게 되었다.

[Fig 1. 라이코펜 분말]

□ 연구내용

식물을 다량 구입한 뒤에 대조군과 실험군으로 나눈다. 실험군에서 조작 변인은 라이코펜 의 주입량이나 주입 방법 등으로 나눈다. 통제변인이 가장 까다로울 수 있는데 물의 양, 햇빛, 영양분, 온도 등을 동일하게 주어야하기 때문에 성실함이 요구된다. 이렇게 키운 식물들 이 일정 기간이 지나면 산소 발생량과 이산화탄소 발생량을 비교하여 실험군과 대조군의 차이를 분석한다. 만약 실험 결과 대조군의 세포 소기관들 보다 실험군들의 세포 소기관의 기능이 유지가 되었다면 산소 소모율과 이산화탄소 발생량이 대조군보다 더 많이 발생할 것이다.

[Fig 2. 미토콘드리아]

2. 과제 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

이론적 배경 : 세포 소기관 중 하나인 미토콘드리아에서 세포 호흡을 하면서 반응 후 생기는 부산물인 활성산소가 세포를 공격하여 세포 노화를 촉진시킨다. 이것으로 인하여 항산화제를 꾸준히 복용해왔다면 이 활성산소를 제거해 주는 작용을 하여 세포의 노화를 막아 세포 수명을 증가시키게 되어 이런 세포가 하나하나 모여 전체적으로 보면 한 사람의 세포의 노화가 늦춰지게 되어 수명을 늘려주게 된다.

[Fig 3. 활성산소의 세포공격]

선행 연구 : 이때까지는 라이코펜에 대한 논문만 보면 대부분이 동물들에 대해서만 기술되는 경향이 있었다. 그리하여 식물에게는 주입을 시키는 논문은 지금까지는 확인된 바가 없다.

□ 연구주제의 선정

사람의 노화 방지의 원리는 미토콘드리아에서 나오는 활성산소를 제거해주는 것이다. 그러므로 식물 세포에도 미토콘드리아가 존재하므로 식물 세포에도 활성산소가 생성되어 세포의 기능을 떨어뜨리고 있을 것이다. 그러므로 이것을 방지하여 식물의 보존력을 증대시 키는 방법을 모색한다.

□ 연구 방법

콩나물 콩을 라이코펜이 포함된 혼합물에 5시간 동안 침종을 시킨 후 이것을 실험군으로 설정하여 그냥 물에 5시간 동안 침종을 시킨 콩을 콩나물 재배기에 넣은 후 4일 동안 관리하며 기른 다음 콩나물을 일정량 수확하여 산소 소모량, 이산화탄소 증가량을 측정한 뒤 측정 결과를 바탕으로 분석하여 결론을 도출한다.

□ 연구 활동 및 과정

1. 가설 설정

라이코펜이 식물의 세포에게 항산화작용을 하여 사람과 동일한 노화방지 작용을 할 것이다. 그러므로 미토콘드리아의 기능을 보존할 것이다.

2. 실험 설계

실험에 앞서서 콩나물을 기르고 해야 하기에 콩나물 자동 재배기를 구입하여 관리에 어려움 이 없도록 한다.

라이코펜 분말의 기능을 측정하기 위해 침종 시킬 때 물에 분말을 넣는 방법과 기를 때 주는 물에 분말을 넣는 방법과 나누었다. 1번째 실험은 후자이다.

3. 실험 과정

Ⅰ. 라이코펜이 포함되어 있는 혼합물을 기르는 물로 주었을 때

[Fig 4. 침종 시킨 콩나물 콩]

2. 침종시킨 후 콩을 콩나물 재배기에 세팅 한다.(Fig 5)

[Fig 5. 콩나물 콩을 재배기에 넣은 모습]

3. 물, 물+라이코펜0.5g, 물+라이코펜1g을 부피플라스크 1000ml에 제조한다.(Fig 6)

[Fig 6. 라이코펜 혼합물 제조]

4. 제조한 혼합물을 각각의 기기에 넣는다.

5. 3, 4 과정을 4일간 반복하면서 콩나물을 기른다.(사진은 물로 기른 것이다)(Fig 7)

[Fig 7. 4일간 물로 기른 콩나물의 모습]

실험결과

이번 실험에서는 콩나물들의 키가 육안으로는 구별하기 힘들 정도로 비슷하게 자라났으며 라이코펜의 항산화작용의 여부를 관찰하는 것이 불가능하였기에 간접적으로 확인할 수 있는 방법을 고안하여 다음 연구를 진행하였다.

Ⅱ. 라이코펜이 포함되어 있는 혼합물으로 침종 시켰을 때

여기서는 첫번째 실험과는 다르게 침종 시킬 때 라이코펜을 첨가하여 진행하고 기르는 과정에서도 라이코펜이 첨가된 물이 아닌 기기마다 다 같은 다른 처리를 하지 않은 물로 진행하였다. 이런 방식으로 라이코펜과 물을 혼합하는 과정이 5번 이상에서 2번 정도로 줄어들게 되어 시간을 절약할 수 있게 되었다.

1. 라이코펜0.5g+물+메탄올, 라이코펜0.5g+물, 물 (물 1000ml)각각이 들어있는 비커에 콩나 물 콩을 침종시킨다.(Fig 8)

[Fig 8. 침종시키는 모습]

2. 침종시킨 콩을 콩나물 재배기에 넣는다.(Fig 9)

[Fig 9. 재배기에 넣은 모습]

3. 콩나물 재배기를 4일간 물을 갈아주면서 4일간 기른다.(Fig 10)

[Fig 10. 4일간 재배한 모습(물)]

4. 기른 콩나물을 재배하여 바이오챔버에 넣는다.

5. 300초간 산소, 이산화탄소 농도 측정기로 기체 농도를 측정한다.(Fig 11)

[Fig 11. 바이오챔버에 넣고 측정하는 모습]

실험결과

이산화탄소 농도와 산소 농도를 측정한 뒤 그래프로 나타내고 표로 정리한다.

(단위 : ppm)

바이오챔버 내부에서 콩나물은 햇빛을 받기 전까지는 광합성을 하지 않기에 세포 호흡만 하여 생명활동을 하게 된다. 그러므로 산소가 발생될 오차는 거의 없다고 봐도 무관하다.

그리고 기체 농도를 일정하게 유지하기에는 학교의 시설로는 어려움이 있었기에 처음 농도를 같게 하고 실험을 진행 할 수 없었다. 즉, 이 표만 봐서 바로 의미를 알기에는 힘들다. 그리하여 발생량을 측정하기 위해 0초 때 기체의 양을 300초 때 기체의 양에서 뺀 값(여기서는 ΔCO2

라 하자)을 계산하여 결과를 분석한다. 다음 표에서 결과를 정리하였다.

물(1번) 물+라이코펜(2번) 물+라이코펜+메탄올 (3번)

0 sec 299 300.5 216

300 sec 504 573.5 412.5

Δ CO

(단위 : ppm)

가장 많이 이산화탄소를 방출한 것은 2번이었고 그다음은 1번 그리고 3번 순으로 많이 방출하였다.

여기서도 세포 호흡의 반응물로 산소가 사용되었기 때문에 산소 농도가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 산소도 처음 농도를 일정하게 맞추고 실험할 수 없었기에 0초 때의 산소 농도를 300초 때 산소농도에서 뺀 값(여기서는

Δ O

물(1번) 물+라이코펜(2번) 물+라이코펜+메탄올 (3번)

0 sec 20.095 20.135 20.18

300 sec 19.99 19.915 19.96

Δ O

(단위 : %)

여기서 가장 많은 산소를 사용한 것은 3번이었고 미세한 차이로 2번, 소모량이 가장 적은 것이 1번이었다.

3. 연구 결과 및 향후 계획

□ 연구 결과

산소 소모량과 이산화탄소 발생량을 비교하여 보았을 때 종합적으로 2번이 가장 높게 측정 되었다. 메탄올이 추가로 들어간 3번은 산소 소모량은 가장 높았지만 이산화탄소 발생량에서 는 가장 적게 측정되었다. 메탄올이 어떤 작용을 하였는지 현재로써는 알 수 없었기에 1번과 2번만을 비교하였다.

1번보다 2번이 라이코펜이 식물의 미토콘드리아를 활성산소로부터의 손상을 막아주어 기능 을 유지해주었다고 판단할 수 있었다. 그러나 이것을 응용하여 이미 채취한 식물(과일, 채소 등)에 주입할 시에는 별다른 효과가 없을 것으로 생각되어진다. 이것은 식물 그 자체의 수명을 늘려주는 것으로 산화는 어느 정도는 막아 줄 수 있을지도 모르겠지만 부패까지는 막을 수 없을 것으로 보인다.

이 연구에서는 식물의 활성산소를 라이코펜이 제거해주어 세포의 기능을 보존시켜주었다는 것을 간접적으로 증명하였다. 이것을 실생활에 적용하기에는 가격도 만만치 않고 효과도 단기간에는 미비하여 실험을 목적으로 하고 있는 식물에게는 적용 가능성이 보인다. 라이코 펜과 반응을 하지 않는 물질에 대해 연구한다면 활성산소가 세포에게 영향을 끼칠 수 있기에 라이코펜으로 제거해주어 실험이 조금 더 정확해져서 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

향후계획에 서술하겠지만 추후에 연구할 기회가 생긴다면 산화와 부패의 연관성을 고려하 여 실험을 진행하면 조금 더 라이코펜과 식물 보존에 대한 실용성을 볼 수 있을 것이다.

□ 아쉬운 점

라이코펜 분말이 지용성(비수용성) 물질이고 옷에 묻으면 잘 지워지지 않아서 다루는 것에 어려움을 겪었고 가격 또한 1kg당 20만원 정도로 비쌌다.

원래 메탄올을 물+라이코펜 혼합물에 첨가한 이유는 용액을 제조하기 위함이었다. 실제로는 물보다는 더 잘 녹는 듯하였으나 결국 라이코펜이 녹지 않았고 제조 방법이 잘못되어 결과가 예상대로 나오지 않았다.

라이코펜을 녹이는 방법을 알고 있었으면 좀 더 효과적으로 식물이 흡수 할 수 있게 도움을 주었을 것으로 예측되는데 최종발표일 날에 교수님께 라이코펜 같은 물질을 물에 녹이는 방법을 그때 처음 들은 것이 많이 아쉬웠다.

연구가 초기에는 실험방법이 매우 모호하고 거의 유사과학에 가까웠기에 과학적이고 확실 한 목표를 잡아야 실험이 가능하였기에 주제와 실험방법 등을 다듬고 수정하는데 시간이 상당히 오래 걸리게 되었다. 물품을 주문하고 실험준비를 하는 시간도 오래 걸리게 되어 실험을 할 수 있는 시간이 촉박하여 많은 실험을 하지 못하였다.

□ 향후계획

라이코펜 용액을 제조하는 방법을 모색하여 식물이 조금 더 잘 흡수 할 수 있도록 하는 방안을 찾아본다. 그리고 여기서는 빠른 성장을 통한 시간 절약의 목표로 콩나물을 실험 대상으로 정하였지만 시간만 충분히 있다면 다른 식물들을 실험 대상으로 장기간 기르는 것으로 사람처럼 장기간 라이코펜이 주는 영향을 분석할 수 있을 것이다. 오랜 시간 기르는 것이 가능하면 그 식물의 열매에 대해서도 연구해 볼 수 있을 것으로 본다.

보존력을 조금 더 연구하기 위하여 부패에 대한 지식이 많이 습득하여 부패에 대한 실험도 계획한다.

이번 기회로 산소, 이산화탄소 농도 측정기를 구입하게 되어 조금 더 다양한 연구를 할 수 있을 것이라고 생각되어진다.

4. 참고문헌

1. 녹차와 두충 잎 추출물 처리에 따른 콩나물의 생장 및 형태적 특징 (강진호, 경상대학교 농업생명과학대학, 2005)

2. 토마토로부터 추출된 라이코펜의 항산화 효과 및 화장품에의 응용 (김대순, 충북대학교 대학원, 2010.02)

3. 천연물의 피부세포에 미치는 영향–활성산소의 작용과 억제 (박수남, 1999.06)

4. 장인석, 문양수(2015) 라이코펜 첨가 급여가 닭의 지방대사, 포도당 수송 및 친염증 유전자 발현에 미치는 영향.(한국가금학회지, 42(3), 231-238)

5. 이규완, 노화방지의학(군자출판사, 2011.10.20.)

6. 에드먼드 첸, 수명 120 시대를 여는 노화방지 의학(지엠홀딩스, 2016.03.11.)