광합성에 중요한 단백질 복제 성공: 기후 보존에도 기여할까?

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-18

카르복시화 효소인 Rubisco 단백질(ribulose-1,5-biphosphate carboxylase, CO2의 광합성 고정 효소)는 이산화탄소를 통제하는데, 생화학자들은 처음으로 시험관에서 카르복시화 효소를 합성했다. 최근 기후이 심각성에 대한 인식 증가로 인해, 세계 기후 회의(The World Climate Conference)가 개최되었으며, 이산화탄소의 수준, 상승하고 있는 기온, 녹고 있는 빙하 등에 대한 현상을 언급하는 보고가 나날이 증가하고 있다. 맥스 플랭크 연구소(MPI, Max Planck Institute)의 생화학자이자 독일 뮌헨 대학교(Ludwig Maximilians University Munich)의 유전자 센터의 과학자들은 이산화탄소를 고정시키는 핵심 단백질인 카르복시화 효소(Rubisco)를 재생하는데 성공했다. “카르복시화 효소(Rubisco)는 지구상에서 가장 중요한 단백질 중 하나임에도 불구하고 가장 비효율적인 단백질이다.”라고 맥스 플랭크 연구소(MPI)의 책임 생화학자인 마나지트 하에르-하르틀(Manajit Hayer-Hartl)은 말한다. 본래의 단백질보다 효율적으로 이산화탄소를 교환할 수 있는 카르복시화 효소(Rubisco)를 인위적으로 수정하는 일을 현재 연구원들은 하고 있다. 그들의 연구는 2010년 1월 14일 자 네이처(Nature)에 출판되었다. 광합성은 가장 중요한 생물학적 과정이다. 식물은 빛을 이용하여 이산화탄소와 물을 산소와 당분으로 바꾸는 대사 작용을 한다. 우리는 잘 알다시피 이 과정 없이 지구에 살 수 없다. 광합성의 핵심 단백질인 카르복시화 효소(Rubisco)는 따라서 자연에서 가장 중요한 단백질 중 하나이다. 이 단백질은 이산화탄소와 결합하여 산소와 당을 만들기 시작한다. “그러나 이 과정은 정말 비효율적으로 진행된다. 카르복시화 효소(Rubisco)는 이산화탄소 반응할 뿐만아니라 산소와도 종종 반응한다.”라고 마나지트 하에르-하르틀(Manajit Hayer-Hartl)은 설명한다. 30 억년 전부터 진화한 단백질에 이러한 작용은 우리에게 전혀 해를 입히지 않는다. 그 당시로 돌아가보면 공기 중에 산소가 하나도 없었다. 그러나, 산소가 계속해서 쌓이게 되면서 카르복시화 효소(Rubisco)는 이런 변화에 적응하지 못했다. 카르복시화 효소(Rubisco)는 16개의 서브유닛으로 구성된 거대한 복합체다. 이런 복잡한 구조 때문에 지금까지도 카르복시화 효소(Rubisco)를 실험실에서 재구성(복제)하는 것은 불가능했다. 이러한 난관을 극복하기 위해, 맥스 플랭크 연구소(MPI)의 생화학자들과 독일 뮌헨 대학교(Ludwig Maximilians University Munich)의 유전자 센터의 과학자들은 세포의 샤프롱(chaperones)을 이용했다. 프랑스 말로 샤프롱(chaperone)은 젊은 여성이 사교계에 나갈 때 시중드는 보호자로서, 젊은 남성이 부적절하게 젊은 여성에게 접근하지 못하게 하는 보호자를 의미한다. 세포 내에서 샤프롱(chaperones) 분자도 이와 비슷한 역할을 한다: 합성 단백질의 구성 부분들이 정확하게 들어맞아야 함께 어울어질 수 있도록 샤프롱(chaperones) 분자들이 이 역할을 한다. 이러한 과정의 결과로, 단백질은 정확히 세 방향이 일치하는 구조를 얻게 된다. “카르복시화 효소(Rubisco)와 같은 16개의 서브유닛을 가지는 경우, 단백질의 엉뚱한 부분이 덩어리지고, 쓸모 없는 집합체를 형성하는 위험이 매우 높다.”라고 생화학자는 말한다. 정확하게 구조가 맞아떨어지는 카르복시화 효소(Rubisco)만이 식물에서 그 기능(광합성)을 이행할 수 있을 것이다. 광합성을 할 수 있는 카르복시화 효소(Rubisco) 복합체를 생산하기 위해 필수적인 그로엘(GroEL)과 알비시엑스(RbcX)라 불리는 두 가지 다른 샤프롱(chaperone) 시스템을 맥스 플랭크 연구소(MPI)의 연구자들은 선보였다. 이산화탄소와 더 자주 결합하고, 산소와의 대사 작용이 덜 일어나 하기 위해 과학자들의 다음 목표는 카르복시화 효소(Rubisco)를 유전자 조작하는 것이다. “왜냐하면 유전자 조작된 카르복시화 효소(Rubisco)는 공기 중의 이산화탄소를 더 효율적으로 흡수할 것이라 예상되기 때문이다. 이 연구는 작물 수확을 강화할 수 있고, 기후 보호도 꾀할 수 있다.”라고 마나지트 하에르-하르틀(Manajit Hayer-Hartl)은 언급한다. 그림 설명: 카르복시화 효소(Rubisco)는 이산화 탄소와 반응하여 당과 산소를 만들어낸다. 그림 제공: 맥스 플랭크 연구소(MPI)의 안드리아스 블라쳐 원문: C. Liu, A. L. Young, A. Starling-Windhof, A. Bracher, S. Saschenbrecker, B. Vasudeva Rao, K. Vasudeva Rao, O. Berninghausen, T. Mielke, F. U. Hartl, R. Beckmann and M. Hayer-Hartl, Coupled chaperone action in folding and assembly of hexadecameric Rubisco. chaperons.jpg 출처 : http://insciences.org/article.php?article_id=8111