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Sesquiterpenoids Bioconversion Analysis by Wood Rot Fungi

  • Lee, Su-Yeon;Ryu, Sun-Hwa;Choi, In-Gyu;Kim, Myungkil
    • 한국균학회소식:학술대회논문집
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    • 한국균학회 2016년도 춘계학술대회 및 임시총회
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    • pp.19-20
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    • 2016
  • Sesquiterpenoids are defined as $C_{15}$ compounds derived from farnesyl pyrophosphate (FPP), and their complex structures are found in the tissue of many diverse plants (Degenhardt et al. 2009). FPP's long chain length and additional double bond enables its conversion to a huge range of mono-, di-, and tri-cyclic structures. A number of cyclic sesquiterpenes with alcohol, aldehyde, and ketone derivatives have key biological and medicinal properties (Fraga 1999). Fungi, such as the wood-rotting Polyporus brumalis, are excellent sources of pharmaceutically interesting natural products such as sesquiterpenoids. In this study, we investigated the biosynthesis of P. brumalis sesquiterpenoids on modified medium. Fungal suspensions of 11 white rot species were inoculated in modified medium containing $C_6H_{12}O_6$, $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ for 20 days. Cultivation was stopped by solvent extraction via separation of the mycelium. The metabolites were identified as follows: propionic acid (1), mevalonic acid lactone (2), ${\beta}$-eudesmane (3), and ${\beta}$-eudesmol (4), respectively (Figure 1). The main peaks of ${\beta}$-eudesmane and ${\beta}$-eudesmol, which were indicative of sesquiterpene structures, were consistently detected for 5, 7, 12, and 15 days These results demonstrated the existence of terpene metabolism in the mycelium of P. brumalis. Polyporus spp. are known to generate flavor components such as methyl 2,4-dihydroxy-3,6-dimethyl benzoate; 2-hydroxy-4-methoxy-6-methyl benzoic acid; 3-hydroxy-5-methyl phenol; and 3-methoxy-2,5-dimethyl phenol in submerged cultures (Hoffmann and Esser 1978). Drimanes of sesquiterpenes were reported as metabolites from P. arcularius and shown to exhibit antimicrobial activity against Gram-positive bacteria such as Staphylococcus aureus (Fleck et al. 1996). The main metabolites of P. brumalis, ${\beta}$-Eudesmol and ${\beta}$-eudesmane, were categorized as eudesmane-type sesquiterpene structures. The eudesmane skeleton could be biosynthesized from FPP-derived IPP, and approximately 1,000 structures have been identified in plants as essential oils. The biosynthesis of eudesmol from P. brumalis may thus be an important tool for the production of useful natural compounds as presumed from its identified potent bioactivity in plants. Essential oils comprising eudesmane-type sesquiterpenoids have been previously and extensively researched (Wu et al. 2006). ${\beta}$-Eudesmol is a well-known and important eudesmane alcohol with an anticholinergic effect in the vascular endothelium (Tsuneki et al. 2005). Additionally, recent studies demonstrated that ${\beta}$-eudesmol acts as a channel blocker for nicotinic acetylcholine receptors at the neuromuscular junction, and it can inhibit angiogenesis in vitro and in vivo by blocking the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway (Seo et al. 2011). Variation of nutrients was conducted to determine an optimum condition for the biosynthesis of sesquiterpenes by P. brumalis. Genes encoding terpene synthases, which are crucial to the terpene synthesis pathway, generally respond to environmental factors such as pH, temperature, and available nutrients (Hoffmeister and Keller 2007, Yu and Keller 2005). Calvo et al. described the effect of major nutrients, carbon and nitrogen, on the synthesis of secondary metabolites (Calvo et al. 2002). P. brumalis did not prefer to synthesize sesquiterpenes under all growth conditions. Results of differences in metabolites observed in P. brumalis grown in PDB and modified medium highlighted the potential effect inorganic sources such as $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ on sesquiterpene synthesis. ${\beta}$-eudesmol was apparent during cultivation except for when P. brumalis was grown on $MgSO_4$-free medium. These results demonstrated that $MgSO_4$ can specifically control the biosynthesis of ${\beta}$-eudesmol. Magnesium has been reported as a cofactor that binds to sesquiterpene synthase (Agger et al. 2008). Specifically, the $Mg^{2+}$ ions bind to two conserved metal-binding motifs. These metal ions complex to the substrate pyrophosphate, thereby promoting the ionization of the leaving groups of FPP and resulting in the generation of a highly reactive allylic cation. Effect of magnesium source on the sesquiterpene biosynthesis was also identified via analysis of the concentration of total carbohydrates. Our current study offered further insight that fungal sesquiterpene biosynthesis can be controlled by nutrients. To profile the metabolites of P. brumalis, the cultures were extracted based on the growth curve. Despite metabolites produced during mycelia growth, there was difficulty in detecting significant changes in metabolite production, especially those at low concentrations. These compounds may be of interest in understanding their synthetic mechanisms in P. brumalis. The synthesis of terpene compounds began during the growth phase at day 9. Sesquiterpene synthesis occurred after growth was complete. At day 9, drimenol, farnesol, and mevalonic lactone (or mevalonic acid lactone) were identified. Mevalonic acid lactone is the precursor of the mevalonic pathway, and particularly, it is a precursor for a number of biologically important lipids, including cholesterol hormones (Buckley et al. 2002). Farnesol is the precursor of sesquiterpenoids. Drimenol compounds, bi-cyclic-sesquiterpene alcohols, can be synthesized from trans-trans farnesol via cyclization and rearrangement (Polovinka et al. 1994). They have also been identified in the basidiomycota Lentinus lepideus as secondary metabolites. After 12 days in the growth phase, ${\beta}$-elemene caryophyllene, ${\delta}$-cadiene, and eudesmane were detected with ${\beta}$-eudesmol. The data showed the synthesis of sesquiterpene hydrocarbons with bi-cyclic structures. These compounds can be synthesized from FPP by cyclization. Cyclic terpenoids are synthesized through the formation of a carbon skeleton from linear precursors by terpene cyclase, which is followed by chemical modification by oxidation, reduction, methylation, etc. Sesquiterpene cyclase is a key branch-point enzyme that catalyzes the complex intermolecular cyclization of the linear prenyl diphosphate into cyclic hydrocarbons (Toyomasu et al. 2007). After 20 days in stationary phase, the oxygenated structures eudesmol, elemol, and caryophyllene oxide were detected. Thus, after growth, sesquiterpenes were identified. Per these results, we showed that terpene metabolism in wood-rotting fungi occurs in the stationary phase. We also showed that such metabolism can be controlled by magnesium supplementation in the growth medium. In conclusion, we identified P. brumalis as a wood-rotting fungus that can produce sesquiterpenes. To mechanistically understand eudesmane-type sesquiterpene biosynthesis in P. brumalis, further research into the genes regulating the dynamics of such biosynthesis is warranted.

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농촌지역(農村地域) 국민학교(國民學校) 급식아동(給食兒童)과 성장발달(成長發達)과 식생활(食生活) 습관(習慣) (Effects on School Lunch Service Programme of Elementary School in Rural Area)

  • 박진욱;이성국
    • 한국학교보건학회지
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    • 제5권2호
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    • pp.74-90
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    • 1992
  • 농촌지역 국민학교 급식아동의 성장발달과 식생활 습관을 알아보기 위하여 경상북도 농촌지역 국민학교 중 급식 학교 6학년 아동 636명(남자 312 명, 여자 324명)과, 이들 학교 인근의 비급식학교 6학년 아동 628명(남자 306명, 여자 322명)을 대상으로 학생건강기록부에 기재된 신장, 체중 측정치를 1학년에서 6학년까지 6년간의 연속적인 자료를 조사하고, 이들의 전반적인 식생활 습관을 1992년 2월 1일부터 2월 15일까지 설문지로 조사하여 분석한 결과는 다음과 같다. 남자의 신장은 6년간 급식군이 27.8cm, 비급식군 27.1cm자랐고, 여자신장은 각각 29.9cm, 28.4cm가 자라서 급식아동이 약간 더 성장하였다. 남자체중은 급식군 15.7kg, 비급식군 14.8kg이 증가한 반면, 여자는 16.9kg 및 17.2kg이 성장해 남자는 급식아동이, 여자는 비급식아동이 더 성장했다. 1학년때는 percentile별 신장 체중의 분포가 표준정규분포 곡선형태에 가까우면서 급식군과 비급식군이 서로 비슷하였으나 6학년때는 50percentile선을 중심으로 75percentile이상에 급식아동의 분포가 더 많았다. 6학년때 체력은 남자의 경우 급식아동이 멀리뛰기, 던지기, 턱걸이, 윗몸일으키기에서 비급식아동보다 우세하였으며, 여자는 멀리뛰기 한 종목에서만 유의한 차이를 보였고 (P<0.05), 체력급수에서도 우수한 특급의 분포가 급식군에서 더 많았다. 아침식사를 매일 먹는 아동이 급식군 67.6%, 비급식군 57.8%였고, 아침을 안먹는 이유로 급식군은 습관이 돼서 (50.7%), 비급식군은 밥맛이 없어서 (58.9%)라고 답하였으며, 급식아동에서 대체적으로 싱겁게 먹는 경향이 많았다. 간식빈도는 무 군 모두 70% 정도의 아동이 하루에 1회이상 간식을 하고 있었으며, 간식장소는 급식군은 집에서 (45.2%), 비급식군은 귀가 도중 가게나 길거리에 (48.4%)한다고 답하였다. 가정에서 식사할 때 음식을 골고루 먹는 아동이 급식군에서 더 많았고 식사시 조용히 자리에 앉아서 음식을 삼킨후 이야기하며 먹는 아동이 급식군에서 더 많았는 반면, T.V를 보면서 먹는 아동은 비급식군보다 적었다. 식사전에 항상 손을 씻는 아동이 급식군은 84.0%, 비급식군 63.6%로 급식군에서 유의하게 높았고, 식사후 이닦기를 항상 하는 아동은 급식군 여자에서 많아 유의한 관련성을 보였다. 영양교육 실태에 있어서도 영양교육을 '받았다'라고 답한 아동이 급식군 78.0%, 비급식군 57.5%였다. 이상의 결과로 볼때 급식아동이 비급식아동 보다 성장발육 속도가 더 빨랐고, 체력도 더 좋다고 할 수 있으며, 식습관 및 위생습관도 양호한 것으로 나타나 국민학교 특히 농촌지역부터 학교급식을 빠른 시일내에 확대 실시토록 해야 할것이며, 교육급식으로서의 역할을 다할 수 있도록 영양 및 식생활개선교육도 강화해야 할 것이다.

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중국 전통서원의 수체계와 수경관의 구성적 특성 (A Study on the Compositional Characteristics of Water Systems and Landscapes in Traditional Chinese Seowons)

  • 마서효;노재현
    • 헤리티지:역사와 과학
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    • 제55권3호
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    • pp.74-100
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    • 2022
  • 본 연구는 중국 서원의 특성을 구명하고 이를 바탕으로 한국 서원 고유의 수경관 특성을 준거할 수 있는 자료 확보를 목적으로 시도되었다. 문헌조사와 현장 관찰조사를 바탕으로 악록서원을 비롯한 중국의 대표적인 전통 서원 10개소의 입지와 내·외부의 수체계 그리고 수경관의 연출 특성을 조사 분석한 연구의 결론은 다음과 같다. 중국 서원의 수체계는 내부와 외부 수체계로 이원화되며 보편적으로 외부에 2개, 최다 3개의 수체가 중첩된 양상을 보였다. 외부 수체계에 입각한 서원의 입지유형은 양면환수형 4개소, 환산면수형 3개소 그리고 삼면환수형, 사면환수형, 의산방수형이 각각 1개소 등 총 5개 유형으로 분류됨에 따라, 배산면수형(일명 배산임수형)의 전형을 보이는 한국 서원과 비교할 때, 매우 적극적인 친수성을 보였다. 외부 수체계의 수형(水形)은 곡류형(46.0%), 계류형(36.0%), 광형(廣形)과 부정형(각 9.0%)으로 구분되었으며 수태(水態)는 계(溪, 31.8%), 강(江, 27.3%), 샘과 우물(泉·井, 13.6%), 폭(瀑, 9.1%), 호(湖, 4.5%) 그리고 지(池, 4.5%) 등의 순으로 나타났다. 서원 내부 수체계 상의 수경관은 악록서원에서 7개소, 만송서원에서 4개소 순으로 상대적 수경관의 수가 많았다. 조사대상 10개 서원에서는 확인된 총 27곳의 세부 수경관은 지당(池塘)과 반지(伴池)를 포함하여 총 6개 유형으로 분류됨으로써 한국 서원보다 다양성이 매우 높았다. 주목할 만한 것은 중국 전통 서원의 내부 수경관에는 최소한 반지나 방당(方塘)이 1개소 이상 연출되는 예제적 질서가 잘 드러났다. 특히 한국 서원에서는 보기 어려운 반지는 42.8%를 차지하여 중국 서원의 대표적인 수경관 요소임이 확인되었다. 주희의 「관서유감」 시에 근거한 남계서원의 방당 또한 방형의 반지로 취급한다면 수경관에서 차지하는 반지의 비중은 거의 50%에 육박한다. 지당의 형태는 방형(28%), 자유곡선형과 원형(각 24%), 반월형(20%), 계류형(3.8%)로 구성되었는 바, 이는 방형 일색의 한국 서원과는 매우 다른 특성으로 보인다. 한편 중국 서원의 내부 수경관 관련 조형물은 정(亭)과 교(橋) 11개소(26.8%), 방(坊) 5개소(16.5%), 문(門)과 누(樓) 4개소(1.4%), 재(齋)가 2개소(6.2%) 그리고 헌(軒)·사(祠)·대(臺)·각(閣)이 각 1개소(3.1%) 등 총 10개 유형으로 확인되었으며 서원 내부의 정자는 경관정(景觀亭 27.2%), 비정(碑亭, 18.2%), 연집정(宴集亭, 54.5%) 등 3가지로 유형화되었다. 전반적으로 정자, 반교를 갖는 반지 그리고 패방은 중국 서원 내부 수경관을 지배하는 연계성 높은 주요 구성요소임이 확인되었다.

조선시대 회격·회곽묘 출토 삽(翣)에 대한 고찰 (A Study on the Excavated Sab(a funeral fan) from Lime-filled Tomb and Lime-layered Tomb during the Joseon Dynasty)

  • 이승해;안보연
    • 헤리티지:역사와 과학
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    • 제41권2호
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    • pp.43-59
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    • 2008
  • 삽(?)은 유교 예법에 따른 상장례(喪葬禮) 도구로 나무로 틀을 만들고 그 위에 백포(白布)나 두꺼운 종이를 붙여 그림을 그린 후, 자루를 달아 들 수 있도록 한 것이다. "례기(禮記)"에 따르면 삽은 주대(周代)부터 사용되었던 것으로 기록되어 있는데, 우리나라의 "조선왕조실록(朝鮮王朝實錄)"이나 "국조오례의(國朝五禮儀)", "사례편람(四禮便覽)"에 나타난 삽의 용례와 크게 차이가 나지 않는다. 본고에서는 현존하는 조선시대 사대부가의 회격 회곽묘에서 발견되는 삽의 발굴 사례 및 문헌 기록을 통해 그 용례와 제작방식, 시기에 따른 유물의 특징에 대해 고찰하고자 한다. 삽은 신분에 따라 사용하는 개수와 그리는 문양이 다른데, 사대부가에서는 주로 '아(亞)'형의 불삽 1쌍과 구름 문양을 그린 화삽 1쌍을 사용하였다. 삽의 크기는 너비가 2자[척(尺)], 높이 2자[척(尺] 4치[촌(寸)]로 만들었는데 초주지나, 저주지로 두 번 싸고, 세 번째는 연창지로 쌌다. 그리고 나서 백저포, 마포, 무명, 공단 등으로 덮었다. 그 양면에 보불을 그리고 구름 변아(邊兒)에 운기를 그리는데 대개 주사 또는 진사를 사용하였다. 사대부가 회격 회곽묘에서 출토되는 삽은 광중에 부장된 것으로, 삽자루와 분리된 형태이다. 즉, 출토되는 삽은 발인행렬시 삽을 매달았던 5자 길이의 삽자루는 태워 없애고, 관의 좌우에 세워 넣은 것이다. 출토 유물의 검토를 통해서도 제작과정을 유추할 수 있다. 출토된 유물은 각(角)의 개수에 따라 각이 3개 달린 것과 2개 달린 것으로 대별된다. 먼저 각이 3개 달린 것(유형 I) 중에는 나무 통판을 사용하거나 대나무를 납작하게 갈라, 바구니처럼 엮은 것도 있다. 각이 3개인 삽은 비교적 조선 전기에 집중되어 있으며, 전체적인 형태에 비해 그 제작방식이 다양한 편으로 생각된다. 반면 각이 2개 달린 삽의 경우에는 비교적 정형화된 제작방식이 보인다. 직사각형이나 역사다리꼴로 몸통부분을 만든 후, 2개의 각이 달린 삽의 윗부분을 연결한 형태이다. 다만 상단면을 곡선(유형 II) 또는 직선(유형 III)으로 처리하는 것이 다르다. 이러한 제작방식은 각이 3개 달린 것에 비해 간단하며, 제작기법 상의 차이는 크지 않다. 특히 상단면을 직선으로 처리하는 방식은 오늘날까지도 사용되고 있다. 분석에 사용된 30건 중 묘주의 몰년, 즉 삽의 제작 연대가 명확한 것만 선택하여 분석한 결과, 유형 I은 16세기 전반에 집중되어 있음을 알 수 있다. 이어 유형 II는 16세기 후반부터 17세기 후반, 유형 III은 17세기 전반부터 18세기 전반까지 고르게 분포하고 있다. 요컨대 삽의 형태는 유형 I에서 유형 II로, 다시 유형 II에서 유형 III으로 변화하고 있는 것으로 생각된다. 17세기는 변화의 시기로 유형 II III이 혼재되어 있다. 유형을 크게 3가지로 구분하였으나 유형 II III은 각이 2개인 측면에서 그 형태가 유사하다고 볼 때 주목할 만한 전환기는 16세기 중반이라고 볼 수 있다. 아마도 유형 I은 유형 II III에 비해 제작 과정상 공이 더 많이 들어갈 것으로 생각되며, 후대로 내려올수록 경제성의 원리에 따라 삽의 형태 및 제작방법도 간소해진 것으로 보인다. 상장례의 간소화 경향은 "선조실록(宣祖實錄)"에 예장(禮葬)이 몇 차례 중지되는 사건들을 통해 임진왜란 이후에 가속화된 변화로 볼 수 있다. 삽의 경우 이미 16세기 후반부터 간소화되고 있었으며, 심지어 18세기에는 삽을 따로 제작하지 않고 구의(柩衣) 및 관(棺)에 직접 그리는 현상까지 초래하였다. 그러나 형태적으로 단순화 되는 과정에도 "례기(禮記)"의 삽 사용 규정은 지켜지고 있어, 그 의례의 형식은 합리적으로 간소화되었음을 알 수 있다.