어두운 곳에서 녹조류가 수소를 생산하는 방법

KISTI 미리안 2013-02-22

보훔루르대(Ruhr-Universitat Bochum)의 생물학자들이 생물화학지(Journal of Biological Chemistry)에 녹조류가 어떻게 어두운 곳에서 수소를 생산하는지를 보고했다. 연구자들이 주로 광-유도 수소 합성에 관심을 가지고 있기 때문에, 이전에는 깊이 조사되지 않았던 그 기체의 생산을 위한 기전을 생물학자들이 밝혔다. “수소는 에너지 위기로부터 우리를 도울 수 있을 것이다. 만약 녹조류가 더 많은 수소를 생산하게 만들기 원한다면, 모든 생산 경로들을 이해하는 것이 중요하다”고 이 연구 그룹의 책임자인 Thomas Happe가 말했다. 녹조는 스트레스 아래에서, 심지어 어두운 곳에서도 수소를 생산한다. 클라미도모나스(Chlamydomonas) 종류의 단일 세포 녹조는 현미경적으로 작은 유기체이다. 인간 머리카락에 그것들 열 개가 나란히 맞는다. 어떤 점에서는, 미세조류는 나무와 같은 더 고등한 식물들과 그렇게 많이 다르지 않다. 예를 들어, 그것들도 광합성을 한다. 육지 식물들과는 달리, 그것들은 분자 수소 H2를 생산하기 위해서 빛 에너지를 사용할 수 있다. “그러나, 클라미도모나스는 스트레스 아래에서만 수소를 형성한다. 에너지가 풍부한 기체의 처리는 과량의 빛 에너지가 민감한 광합성 기구를 손상시키지 않도록 일종의 일류 밸브로서 기능한다”고 Thomas Happe가 말했다. 클라미도모나스는 또한 어두운 곳에서도 수소를 생산할 수 있다. 비록 이 사실이 몇 십 년 동안 알려져 있었지만, 빛이 없을 때 H2 합성은 빛에 있을 때보다 훨씬 더 적은 수소가 어두운 곳에서 생산되기 때문에 거의 연구되지 않았었다. 더욱이, 암-반응의 중요한 효소인, 이른바 피루빈산:페레독신 산화환원효소(pyruvate:ferredoxin oxidoreductase)를 많은 양으로 분리하는 것이 복잡하다. RUB 연구자들은 그럼에도 불구하고 그 프로젝트와 씨름했다. 시험관에 모방된 어두운 곳에서 수소 생산 Happe의 팀은 시험관에서 어두운 곳에서의 수소 생산의 핵심을 재건해서, 근본적인 기전을 증명해보였다. 연관된 단백질들을 얻기 위해서, 연구자들은 세균이 이것들을 생산하게 했다. 먼저 그들은 녹조류의 해당 유전자들, 예를 들어 피루빈산:페레독신 산화환원효소를 위한 유전자를 내장 대장균에 도입했다. 그러면 대장균이 이 청사진에 따라서 단백질들을 생산했다. Happe의 팀은 세균 세포들로부터 그것들을 분리하고 건축 키트처럼 그것들을 조사했다. 이 시험관에서, 생물학자들은 특정한 환경 조건 아래에서 다른 단백질들의 조합들이 어떻게 상호작용하는지를 분석했다. 발견된 “고대 효소” 그렇게 하다가, 그들은 어두운 곳에서 스트레스를 받으면, 그 조류가 보통 세균이나 단일-세포 기생충에서만 발견되는 대사 경로로 바꾸는 것을 발견했다. “클라미도모나스는 진화적으로 고대효소를 가지고 있다. 비타민 B1과 철 원자들의 도움을 받아, 그것은 당의 분해로부터 에너지를 얻는다”고 연구 그룹 Photobiotechnology의 Jens Noth가 설명했다. 이 에너지는 그 다음에 다른 녹조류 효소들, 수소화효소들이 수소를 만드는데 사용된다. 이 단일세포 미세조류는 어두운 곳에서 갑자기 산소가 없는 조건을 만났을 때 이 대사 경로로 바꾼다. 인간처럼, 녹조류도 햇빛으로부터 에너지를 끌어낼 수 없다면 숨쉬기 위해서 산소를 필요로 하기 때문이다. 어두운 곳에서 수소의 형성은 이 세포들이 이들 스트레스 조건에서 살아남는 것을 돕는다. “이 지식을 가지고, 우리는 이제 클라미도모나스에서 H2 생산의 정확한 그림을 얻기 위한 퍼즐의 또다른 조각을 발견했다. 미래에, 이것은 또한 생명공학적으로 연관된 빛에 의존하는 H2 생성 속도를 증가시키는 것을 도울 수 있을 것”이라고 Thomas Happe가 말했다. [그림] 어두운 곳에서 수소 생산. 단일세포 녹조 클라미도모나스는 태양 에너지를 사용해서 H2를 생산할 뿐만 아니라, 어두운 곳에서도 생산할 수 있다. RUB 연구자들이 원인이 되는 단백질들의 조합을 찾아냈다. [참고 원문] J. Noth, D. Krawietz, A. Hemschemeier, T. Happe.Pyruvate:Ferredoxin Oxidoreductase Is Coupled to Light-independent Hydrogen Production in Chlamydomonas reinhardtii. Journal of Biological Chemistry, 2012; 288 (6): 4368 DOI:10.1074/jbc.M112.429985 Green_Algae.png http://www.sciencedaily.com/releases/2013/02/130214103820.htm