이기세 교수
이기세 교수1

서론

미세조류(Microalgae)는 일종의 식물성 플랑크톤으로 태양광을 에너지원으로 하고 이산화탄소를 탄소원으로 이용하는 광독립영양(Photoautotrophic) 탄소대사, 즉 광합성을 기본으로 하는 미생물이다. 보통 수~수백 마이크로미터 크기의 단세포 생물이 대부분이지만 이들이 사슬형태로 연결되거나 군집을 이루어 전체 크기가 수 미터에 이르는 종들도 있다. 미세조류에는 진핵생물(Eukaryote)인 조류(藻類), Algae와 원핵생물(Prokaryote)인 남조세균(Cyanobacteria, 일명 ‘Blue-green algae’)이 포함된다. 미세조류는 통상적으로 빛과 이산화탄소(CO2)를 이용하는 광독립 영양 대사를 기본으로 하지만 경우에 따라 이산화탄소 대신 일부 유기물을 탄소원으로 사용할 수도 있으며 이 경우에는 빛이 없이도 성장할 수 있다(Heterotrophic). 또한 사용하는 종과 배양조건에 따라 빛이 있는 조건에서 CO2와 유기물을 동시에 섭취할 수도 있다(Mixotrophic). 이산화탄소는 기체상태의 CO2만 이용하는 것이 아니라 물에 녹아 있는 중탄산(Bicarbonate, HCO3-) 상태의 용존 무기탄소도 섭취할 수 있다.

미세조류의 전통적인 산업적 이용 분야로는 환경 분야를 들 수 있는데 이는 미세조류가 성장 면서 탄소, 질소, 인 등을 영양분으로 섭취하기 때문에 인간의 입장에서 이것들이 오염물질인 경우에 오염된 물 또는 대기를 정화하는데 활용되고 있다. 또한 미세조류 바이오매스에는 단백질, 지방, 탄수화물 등이 들어있고 성장하는 과정에서 2차 대사물질들을 생산하는데 이러한 물질들이 그 특성에 따라 식품, 에너지 등 여러가지 산업에서 원료로 사용되고 있다. 이 글에서는 이와 같이 미세조류의 환경, 에너지, 식품, 의약 분야에서의 전통적 이용 이외에 최근 늘어나고 있는 화장품 원료로서의 이용에 대한 연구개발 동향을 정리하고자 하며, 이를 통하여 화장품 산업에서의 산업적 잠재성을 가늠하는 자료로 활용하는데 도움을 주고자 한다.

기존 미세조류의 산업적 이용

다른 고등한 식물과 유사하게 미세조류가 성장할 때는 탄소 뿐만 아니라 다량의 질소(N)와 인(P)의 섭취가 요구되고 그 섭취속도도 상당히 빠르기 때문에 이 특성을 이용하여 환경 분야에서 하폐수처리, 특히 질소와 인을 제거하는 고도처리 공정에 오래 전부터 사용되어 왔으며 최근에 들어 화석연료의 연소배기가스 중 질소산화물(NOx) 및 이산화탄소의 제거에도 활용되고 있다. 2000년대에 들어와서 미세조류 바이오매스에 포함되어 있는 다양한 조성의 단백질, 지방, 탄수화물 등을 산업적으로 이용하기 시작하였는데, 일반 육상식물 및 해조류에 비하여 미세조류에는 단백질 함량이 높은 편이고 그 조성도 인간이나 동물이 사용하기에 양호하므로 동물용 사료 및 어류 양식의 먹이생물로도 이용되고 있다. 최근 들어 신재생에너지의 중요성이 강조되면서 미세조류의 지질 성분을 이용한 바이오디젤 생산에도 이용되고 있는데, 그동안 바이오에너지 생산으로 사용되던 대두, 옥수수 등 식용작물을 대체할 수 있는 원료로 주목받고 있다.

한편 미세조류 종에 따라 지방질을 구성하는 불포화지방산 중에 오메가(ω-3) 또는 오메가(ω-6) 다중 불포화지방산의 함량이 높은 경우에는 바이오디젤 대신 의약용 내지는 건강보조식품 용도로 활용될 수 있다. 특정 어류의 어유(Fish oil)에 DHA(Docosahexaenoic acid), EPA(Eicosapentaenoic acid), Arachidonic acid와 같은 ω-3 지방산이 많은 경우에도 실제 그 어류가 ω-3를 합성한 것이 아니라 그 어류가 먹이사슬을 통해 섭취한 미세조류의 불포화지방산이 체내에 축적된 것임이 밝혀졌다. 그 외에도 미세조류의 2차대사 산물로 미세조류에 풍부하게 함유되어 있는 클로로필, 비타민류(A, B1, B2, B6, niacin 등), 항산화제이며 비타민A의 전구물질인 β-carotene 이나 Astaxanthin과 같은 Carotinoid류 물질 등을 들 수 있다. 특히 비타민 A 활성이 있다 함은 레티놀(Retinol) 성분으로 전환될 수 있음을 의미한다. 이들을 건강보조제 또는 의약용 원료로 사용하기 위해서는 함량 높은 미세조류 바이오매스로부터 분리정제 하거나 그것이 어려운 경우에는 바이오매스 자체 또는 추출물 형태로 생산할 수 있다.

자외선 차단(UV protection, Sunscreen)

미세조류 중에는 자외선을 흡수하는 필터의 기능을 하거나 태양광에 의해 생성되는 산화스트레스를 제거하는 기능, 또는 멜라닌 합성을 억제하는 물질을 생산하는 종들이 알려져 있다. 미세조류는 그 생물학적 특성상(즉, 광합성) 지구상의 다른 생명체에 비해 오랫동안 강한 태양 전자기파 에너지에 노출되어 생존해 왔기 때문에 단파장 전자기파에 의한 스트레스로부터의 보호 메카니즘이 진화적으로 잘 발달되었다고 할 수 있다. 미세조류가 활성산소종(ROS, Reactive oxygen species)과 자유라디칼(Free radical)과 같은 태양광에 기인한 산화스트레스로부터 자신을 보호하기 위하여 자외선 차단기능(UV filter) 또는 자유라디칼을 소거시키는 것이 가능한 물질들을 만들게 되는데 Chlorophyll, Carotenoid와 같은 색소물질도 여기에 속한다.

남조세균(Chlorogloeopsis) 종의 추출물이 UVA와 UVB로부터 발생하는 자유라디칼로부터 피부조직이 손상되는 것을 억제한다는 내용의 특허가 등록된 것을 필두로[1] 다양한 미세조류 및 남조세균 종들에게서 이러한 자외선 차단 성분이 있음이 알려져 있다[2]. 적편모 미세조류인 Isochrysis 유래 성분 중에도 SPF 15 수준의 자외선 차단 효과가 있는 것으로 보고된 바 있으며 Nannochloropsis 추출물에도 UVA 및 UVB 투과율을 현저히 감소시키는 성분이 있음이 보고된 바 있다[3].

한편 남조세균(Cyanobacteria)인 Nodularia 및 Nostoc(염주말) 등은 가시광선은 물론 290~400 nm의 자외선을 매우 효과적으로 흡수하는 것으로 알려져 있는데 이 역할을 담당하는 물질은 MAA(Mycosporine-like amino acids)계 물질 또는 SCY(Scytonemin)인 것으로 밝혀져 있다. 특히 MAA는 매우 우수한 in vitro 항산화제이자 in vivo로는 ROS 제거(Scavenging) 기능이 있는 펩타이드계 물질이나[4] 아직 화장품 용도의 상용화된 Formulation이 알려져 있지는 않다. SCY는 인돌기와 페놀기가 존재하는 지용성 유기물로 UVA에 의해 합성이 유도되며 UVA~UVB를 흡수하는 기능을 한다[5-9].

미세조류 고농도 배양을 위한 실험실 규모 광생물반응기(PBR, Photobioeractor)
미세조류 고농도 배양을 위한 실험실 규모 광생물반응기(PBR, Photobioeractor)

보습(Moisturizer)

피부에 대한 보습제는 수분을 함유하는 습윤기능(Humectant), 증발 등으로 수분이 외부로 빠져나가지 못하게 하는 차단기능(Occlusive), 피부를 부드럽게 하는 연화기능(Emollieny)이 조화를 이루어야 이상적이며, 차단기능을 위해서는 피부 표면에 소수성(Hydrophobic)의 코팅 또는 막을 형성시키는 성분을 사용하게 된다.

Spirulina, Chlorella, Porphyra 종들의 가수분해 산물 중에는 피부와 모발의 수분과 점도를 유지하게 하는데 탁월한 능력이 있는 펩타이드 성분이 있음이 보고되어 있다[10]. 몇몇 특허 및 논문에 의하면 이런 기능이 있는 조류 펩타이드가 로션, 크림, 샴푸, 모발 영양제, 염색제, 비누 및 목용용품 등의 용도로 사용될 수 있다. Porphyra 종 유래의 펩타이드 성분이 포함된 화장품을 사용했을 때 피부의 윤택성(gloss)과 수분유지성(촉촉감), 빗질이나 손으로 만질 때의 부드러운 감촉이 향상된다고 보고된 바 있다[11]. 또한 보습, 피부연화 및 정전기 방지 기능의 용도로 사용되는 물질인 스쿠알렌(squalene)이 Thraustochytrium, Schizochytrium, Aurantiochytrium 종들에서 생산 가능한 것으로 알려져 있다[12-15]. Nostoc commune 종을 비롯한 남조세균(Cyanobacteria) 중 보습제로 사용 가능한 기능성 물질들이 주목받고 있는데, 조류 자신의 탈수 및 건조화를 억제하고 염분에 의한 삼투적 손상을 방지하기 위해 만들어내는 EPS(Exopolysaccharide) 물질이 여기에 속한다[16-19]. 이 EPS 물질은 Uronic acid가 포함된 다당류 탄수화물 물질로 Alguronic acid라고도 불리며 사람이나 동물에 존재하는 히아루론산(Hyaluronic acid, HA)과 그 구조와 기능이 유사한 물질이다. Aphanothece sacrum 유래의 EPS는 HA보다 점도가 높고(젤을 형성할 정도), 보습능력이 우수하며 Ca2+ 및 Mg2+와 같은 염분의 흡수도가 높은 것으로 밝혀져 값비싼 HA의 대용물질로 관심을 모으고 있다[20,21].

항산화제(Antioxidant)

인간은 나이를 먹으면서 피부에 활성산소종(ROS, Reactive oxygen species)의 생성이 늘어나는데 이것이 Oxidative stress로써 피부의 손상 및 노화의 직접적인 원인이 되는데, 이러한 ROS 생성은 UV 조사, 흡연, 상처 등에 의하여 촉진된다[22]. 미세조류 유래의 항산화 물질로 가장 잘 알려진 것이 MMA와 SCY 인데 앞의 자외선차단 부분에서 이미 소개하였다. 또한 MAA나 SCY 같은 물질들은 노화와 관련된 항산화 기능에서도 중요하므로 뒤에 나올 노화방지 부분에서도 또 언급된다. 남조세균에서 생산되는 앞에 소개한 자외선 흡수 기능이 있는 MAA 및 SCY, 그리고 보습효과가 있는 EPS와 같은 성분은 모두 항산화능이 있으므로 화장품 활용 잠재성이 큰 물질들이다[23]. 이런 성분들은 피부에 생성된 수산라디칼 및 산화성이 큰 Superoxide 음이온을 제거하는 반응에 관여하거나, 이런 반응을 수행하는 효소들의 활성을 촉진하는 역할을 한다.

한편 일부 미세조류 및 많은 남조세균(Leptolyngbya, Calothrix, Synechocystis 등)의 2차대사 산물 중에는 Polyphenol류 물질들이 많은데 이 물질들은 기본적으로 환경, 기후 등 비생물학적인 스트레스에 조류 스스로 대응하기 위해 만들어지는데, 대부분 라디칼 제거(Radical scavenging)의 항산화 기능을 가지고 있다[24-27]. 또한 남조세균 바이오매스 중 Flavonoid 물질과 광합성 색소인 Phycobiliprotein(PBP) 성분[28,29], Spirulina platensis가 갖고있는 Phycocyanin C(PC-C) 성분도 우수한 항산화기능을 갖고 있을 뿐만 아니라[30,31] 생물학적으로 무독성이고 천연염색제이므로 화장품의 색조 성분으로도 사용 가능한 것으로 언급되고 있다[32].

노화방지(Anti-aging)

노화(Aging)를 가속시키는 원인은 외부적 요인과 내부적 요인으로 나눌수 있다. 외부적 요인으로는 자외선 노출, 흡연, 생활 환경 등이며 개인의 유전적, 생리적인 특성에 기인하는 것은 내부적 요인이라고 할 수 있다. 조류 성분에 항산화 기능, 자외선 차단, 보습(피부건조 방지), 피부재생 기능, 주름 제거 및 형성 방지 등의 기능이 있다면 피부노화를 방지 또는 억제하는데 복합적으로 기여할 수 있다. 미세조류는 아니지만 갈조류에 속하는 많은 해조류에는 다양한 필수 비타민류, 미네랄, 불포화지방산 등이 풍부하여 전통적으로도 피부 미용에 전통적으로 널리 사용되어 왔다[33]. 좀 더 구체적으로 보면 해조류인 Macrocystis pyrifera나 다시마Laminaria, kelp에 존재하는 phlorotannin계 물질이 자외선 차단 및 항산화능이 우수한 것으로 규명된 바 있다[34]. Ascophyllum nodosum 및 Fucus vesiculosus를 사용한 실험에서 태양 일조량이 많을수록 이 물질의 체내 생산량이 증가하며 UVA~UVB 영역의 자외선을 흡수하는 것으로 확인되었는데[35] 이 역할을 하는 성분은 조류들이 태양광으로부터의 방어를 위해 만들어내는 물질인 것으로 보고 있다. 또한 Lessonia nigrescens와 Macrocystis integrifolia를 이용한 실험에서도 자외선에 의해 유도 생산된 phlorotannin 물질이 존재할 때 자외선에 의한 광합성 반응의 저해 및 DNA 손상이 감소하는 것으로 확인되었다[36,37].

한편 미세조류인 Monodus sp., Thalassiosira, Chaeloceros, Chlorococcum 종들의 추출물에는 콜라겐 자극(collagen stimulus)의 기능물질이 있다는 특허가 나와 있다[38]. 또한 Chlorella vulgaris 추출물도 콜라겐 합성을 자극하는 효과가 있어 피부재생 및 주름억제의 용도로 잠재성이 크다고 보고 있다. Arthrospira 추출물도 노화된 피부의 복원과 주름형성 방지에 효과가 있는 것으로 확인되었다[39-41]. 일부 밝혀진 메커니즘에 의하면 자외선 등에 의하여 생성된 자유라디칼이 콜라겐이나 피부의 세포막을 손상시키는 Metalloproteinase(MMP) 효소의 생성을 자극하는 것으로 밝혀져 있는데, 이들 조류들의 추출물들에 이런 MMP의 활성을 억제하는 성분이 있어 결과적으로 섬유아세포(Fibroblast)의 콜라겐(collagen)과 엘라스틴(Elastin)의 밀도를 증진시키는 효과가 있으며, 피부각질층 침적 및 피부 거칠어짐, 주름짐과 쳐짐을 방지하는데 효과가 있는 것이라고 보고 있다[42].

아직 화학적으로 규명되지는 않았지만 갈조류 추출물에도 피부의 광노화를 방지하고 각질형성세포(Keratinocytes)의 분화를 촉진함으로써 피부장벽(Skin barrier)에 관여된 유전자들의 발현을 유도하는 성분들이 있어 콜라겐(Collagen) 합성을 늘리고 피부 재생(Skin regeneration)에 도움을 주는 용도로 그 활용이 기대되고 있다[43]. Phaeodactylum tricornutum 추출물도 피부재생에 관련된 활성들을 촉진하는 기능이 있으며 UV 노출의 부작용을 저감하고 피부의 탄력과 탄탄함을 유지하는데 도움이 될 뿐만 아니라 주름 생성을 억제하고 또한 주름의 깊이를 줄이는 효과가 확인되었다[44]. 녹조 미세조류인 (Chlamydocapsa)도 피부나 모발에 대한 산화반응을 억제하는 기능을 가지고 있을 뿐만 아니라 피부를 투과하여 증발하는 수분의 손실 방지와 자외선, 건조, 저온 등의 원인으로 생기는 주름 형성을 방지하는데 효과가 있는 것으로 보고되었다[45].

한편 Chlorella protothecoides 와 Parachlorella 바이오매스에 존재하는 alguronic acid 성분이 노화방지용 상품의 Formula 조성으로 사용된 바 있다. 앞의 보습 부분에서 소개한 EPS의 일종인 Alguronic acid는 조류를 구성하는 카복실기가 존재하는 혼합 다당류(polysaccharides)로써 Solazyme 또는 Algenist 라는 상품명으로 상용화된 바 있다[46-48], Alguronic acid는 조류 바이오매스에 존재하는 물질이지만 인간의 피부에 존재하는 Hyaluronic acid(HA)와 그 구조와 기능이 유사한 물질이다. 둘 다 공통적으로 수분을 유지하고 피부조직의 손상을 복구시키는 기능이 있는데 Alguronic acid의 차별화된 장점은 인체에서 만들어지는 HA 분해효소(Hyaluronidase)의 활성을 억제하여 HA와 함께 피부노화 억제에 상승효과가 있다는 점이다[49].

미백(Whitening)

미백(Whitening) 기능은 비정상적인 멜라닌의 생성에서 기인하는 색소 침착을 방지하거나 억제하는 것이 주 목적이다. 체내에서의 멜라닌 합성은 산화반응 효소인 티로시나아제(Tyrosinase)를 포함하는 효소군에 의하여 이루어지기 때문에 화장품의 미백용 성분은 이 티로시나아제의 활성을 억제하는 기능이 중요하다[50,51]. 남조세균 중에 이러한 티로시나아제 저해 성분이 있음이 알려져 있는데, 그 중 Oscillatoria agardhii로부터 생산된 Osccillapeptin G라는 물질이 이러한 역할을 한다고 확인되었으며 Spirulina 성분에 의해서도 티로시나아제 활성이 제어되어 멜라닌 합성이 억제됨이 보고되었다[52,53]

미세조류 Nannochloropsis oculata의 추출물에는 빛과 산화 스트레스에 의한 망막 손상 및 황반 변성, 녹내장, 백내장 등을 예방하는 것으로 알려져 있는 Zeaxanthin이 함유되어 있을 뿐 아니라 항티로시나아제 물질이 들어 있어 크림으로 사용되었을 때 피부의 색소물질 침착을 방지하고 탈색 효과가 있는 것으로 확인되었다[54].

모발(Hair care)

미세조류에서 추출한 oil이 모발이나 피부의 윤기 및 부드러움을 유지하는 용도로 적합하다는 보고도 있는데, 이것은 미세조류의 중성지질인 Triacylgycerol의 불포화지방산이 주요 성분일 것으로 사료된다[55]. 한편 Thalassiosira, Chaeloceros, Monodus, Chlorococcum 종들의 추출물에는 멜라닌(Melanin) 생성세포를 자극함으로써 모발 및 모낭의 성장을 자극하는 성분이 있는 것으로 보고되어 있다[56].

맺음말

미세조류 또는 해조류(거대조류)는 성장하는 동안 다양한 2차대사 물질을 생산하며 이들 중에는 화장품으로 Formulation 할 때 피부와 상용적(Compatible)이면서 독성이 적고 생물학적 활성이 있는 성분들이 많이 있다. 이런 특정 성분 또는 미세조류 추출물을 함유한 화장용품으로 피부 미용 및 보호, 손상복구에 긍정적인 역할을 하는 사례들이 많이 보고되어 있으며, 특히 추출물 형태의 경우 다양한 제품군으로 상용화되고 시판되고 있는 사례들을 많이 접할 수 있다. 이런 다양한 사례들과 이들의 기능 및 메커니즘으로 비추어볼 때 미세조류 종들의 다양함, 일반 육상식물에 비해 빠른 성장속도, 광생물배양기를 사용할 경우 미세조류의 고농도 배양이 가능하며 이에 따른 특정 물질의 고농도 생산이 가능하다는 장점을 고려해 볼 때, 미세조류 유래의 물질들이 화장품 산업의 원료로 성장할 잠재력이 매우 크다고 보여진다. 하지만, 이들 중 많은 경우가 특허로 조사되어 있을 뿐 정확한 물질의 구조나 피부에서의 작용 메카니즘에 대해서는 아직 상세하게 공개되지 않은 경우가 많으며, 다양한 연구진들에 의한 다각적 과학적 검증 사례도 다소 부족한 상황이다. 따라서 어떤 미용 작용이 미세조류 성분에 의한 것인지, 그 제품에 들어있는 다른 성분과의 상승작용에 의한 것인지, 아니면 미세조류 추출물을 사용했을 때 정확히 어떤 성분에 의한 것인지 명확하지 않은 사례들이 많이 있다. 좀 더 화학적 생물학적으로 정의(Define)된 화장품 구성물로서 상용화하기 위해서는 미세조류 추출물의 조성에 대한 분석과 활성이 있는 성분에 대한 Identification 및 Characterization이 요구된다. 대체적으로 환경친화적이고 인체에 대한 독성이 적은 편이지만, 단일 물질로 정제된 경우에는 그 생물화학적 안정성, 인체에 대한 독성, 생일적 메커니즘, 화장용품 Formulation 상에서의 다른 성분들과의 상용성 등에 대한 좀더 구체적이고 과학적으로 실증을 보이는 연구들이 필요하다고 본다.

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1. 서울대학교 공업화학과 공학사(1985년), 서울대학교 공업화학과(생물공학) 공학석사(1987년), 미국 UC Irvine, Biochemical Engineering 공학박사(1993년), 명지대학교 화학공학과(1995년), 환경에너지공학과(1999년~현재) 교수

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