탄소를 에너지로 바꾸는 해양 박테리아의 내부 메카니즘 발견

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-06

하버드의과대학 시스템생물학 교수인 Pamela Silver등은 어떻게 시아노박테리아(cyanobacteria)가 탄소를 고정하고 소화시키는지를 구체적으로 밝혀냈다. 이들 박테리아는 내부에 탄소를 연료로 전환할 수 있는 일종의 축소형 공장을 구축한다. 연구팀은 이 박테리아가 공간적으로 공장들을 구축함으로써 단세포 유기체에서 발견되지 않았던 구조적 정교함을 나타내고 있다고 보고하고 있다. 이런 규칙적이고 예측 가능한 공간배열은 탄소 가공의 효율을 향상시킨다. 미래에는 이런 공간배열에 대한 메커니즘에 대한 이해를 통해, 바이오디젤과 수소와 같은 이산화탄소 무배출 연료를 생산하기 위한 유전공학 박테리아의 설계 효율성을 향상시켜 줄 것으로 기대된다. 본 연구결과는 Science지 3월 5일자로 온라인으로 게재되었다. 막대모양의 시아노박테리아는 지구상에서 가장 풍부한 유기체 중 하나이다. 탄수순환(carbon cycle) 중 40%의 탄소는 이런 작은 생명체에 의해 재이용되고 있다. 탄소를 이용하기 위해, 시아노박테리아는 축구공 모양의 카복시솜(carboxysome)이라는 구조물을 내부에 구축한다. 이런 작은 공장은 이산화탄소를 흡수하고 박테리아가 에너지를 생산하기 위해 사용하는 물질인 당(sugar)으로 전환한다. 연구팀은 카복시솜을 구축하는데 포함되는 단백질에 형광 태그를 부착한 후에, 현미경하에서 표지된 박테리아를 배양하였다. 관찰한 자료에 따르면, 무분별한 장소 및 수량이 아니라 시아노박테리아는 그 크기를 조절한 여러 개의 카복시솜을 생성해 냈으며, 길이 방향으로 균등하게 배치하였다(첨부그림 #1). 본 발견은 박테리아에 대한 새로운 증거를 제시해 주고 있다. 연구팀은 박테리아를 커다란 효소 주머니로 여겼지만 그렇지 않은 것이었다고 Afonso는 밝혔다. parA라는 단일 단백질은 박테리아내 관리물질로 작동하여 카복시솜을 일정한 모양을 갖추도록 하는 것으로 밝혀졌다. 연구팀이 박테리아의 이 단백질 형성능력을 억제하자, 카복시솜은 좀더 산만한 배열을 나타냈다. 비록 야생형 박테리아 세포는 탄소가공을 최적화하는 일정한 수의 카복시솜을 갖고 있지만, knockout 박테리아는 카복시솜이 전혀 없는 상태에서부터 과량을 생성해 낼 수 있는 딸세포를 만들어낼 수 있다. 카복시솜이 전혀 없거나 혹은 거의 없는 딸세포는 분열이 더 느리며 탄소가공 능력도 50% 적게 나타났다. 야생형 박테리아의 parA에 표지를 함으로써, 연구팀은 이 단백질의 흥미 있는 역학성을 발견하였다. 수 천의 parA 단백질은 반복적으로 클러스터를 이룬다. 단일 단백질로부터 이런 규칙성과 대칭성을 보인다는 것과 단백질에 의해 일정부분 조절된다는 것은 놀라운 일이다. 연구팀은 공간배열을 지배하는 parA의 정확한 메커니즘을 규명하지는 못했다. 다른 많은 박테리아의 경우에도 세포분열 동안 염색체의 분리에 관여하는 parA 단백질을 가지고 있다. 본 연구를 통해 박테리아가 어떻게 조각들을 맞추는지 밝혀질 것으로 기대된다. 이런 발견은 향후 박테리아를 설계하는 합성 생물학자들에게 도움을 주게 될 것이다. 세포가 카복시솜과 같은 특수화된 공장을 생성하고 배치하는 것에 대한 지식은, 유용한 기능을 수행할 수 있는 초소형 공장과 같은 것을 만드는 방법을 개척하게 될 것이다. Silver의 연구실에서는 카복시솜이 유전자 조작된 박테리아에 의해 수소 생산을 최적화하는데 이용될 수 있는지를 조사하고 있다. 수소를 생산하는 박테리아를 설계하는데 있어서 한 가지 문제점은, 수소를 생산하는 효소가 산소에 민감하다는 것이다. 카복시솜은 외벽이 산소를 차단하여 이로 인한 독성효과로부터 효소를 보호하기 때문에 이 문제를 해결하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. 첨부그림#1> 카복시솜 내 단백질의 형광 표지상태를 보면, 시아노박테리아가 길이에 비례하는 수의 카복시솜을 생산하고 장축에 일정한 간격으로 배열하고 있는 것을 확인할 수 있다. Source: Science, 5 March 2010, Vol 327, Issue 5970 "Spatially Ordered Dynamics of the Bacterial Carbon Fixation Machinery" 1-Fluorescent labeling of proteins.jpg 2-dynamics.png 출처 : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2010-03/hms-sdh030310.php