메탄을 메탄올로 전환시키는 효소에서 핵심 중간물질 구조의 규명

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-28

미국 미네소타 대학(University of Minnesota) 및 미시간 주립 대학(Michigan State University) 소속의 연구진으로 구성된 연구팀은 메탄 모노옥시게나아제(MMO; methane monooxygenase) 효소에서 중요한 중간물질인 Q의 구조를 규명했다. MMO는 메탄 영양 세균(methanotrophic bacteria)에서 메탄(methane)을 메탄올(methanol)로 산소에 의존한 전환 반응을 촉매화한다. 따라서 이러한 반응은 연간 약 10억 톤에 이르는 잠재적인 온실가스인 메탄이 대기로 배출되는 것을 예방할 수 있다. Q는 자연에서 발생하는 가장 강력한 산화 중간물질 중 하나이다. 이러한 극한의 산화 가능성을 이용하는 것은 메탄을 기반으로 하는 대체 연료와 화학 산업 원료에 대한 합성 접근의 개발과 생물학적 복원(bioremediation)에 대한 상당한 관심의 대상이 될 수 있다고 저자들은 Nature 저널에 발표된 논문에서 지적했다. 보고된 구조로부터 Q의 반응성(reactivity)과 형성에 대하여 얻어진 견해는 이러한 가능성을 이용하기 위한 중요한 단계라고 저자들은 제안했다. MMO의 수용성 형태인 sMMO의 핵심 반응 주기 중간물질을 화합물 Q라고 명명한다. Q는 이례적으로 강력한 105 kcal mol−1의 C-H 결합을 분해하기 위하여 메탄과 반응하고, 한 개의 산소 원자를 삽입하는 독특한 복핵 FeIV 클러스터(dinuclear FeIV cluster)를 함유한다. MMO의 특별한 형태에서 발견되는 것을 제외하고, 다른 생물학적 산화제는 이러한 반응을 촉매화할 수 없다. Q의 구조는 수많은 분광학 모델 연구, 전산 모델 연구 및 합성 모델 연구 등에도 불구하고 논란의 대상으로 남아 있다. 확정적이며 구조적 배치는 공명 라만 진동 분광학으로부터 확인될 수 있지만, 과거 20년에 걸친 노력에도 불구하고, Q의 진동 스펙트럼은 아직까지 얻어지지 못했다. 미네소타 대학 소속의 John Lipscomb와 미시간 주립대학 소속의 Denis Proshlyakov가 주도한 이 연구는 Q가 쌍둥이의 단일 산소 원자 가교로 연결되어 있는 두 개의 매우 산화된 철 원자(iron atom)로 구성된 다이아몬드 형태의 코어(diamond-shaped core)를 가지고 있다는 것을 확인했다. Lipscomb와 다른 과학자들은 이전에는 이 분자의 조성을 가정했지만, 이 연구는 구조에 대한 최초의 과학적 증거를 제공했다. 역사적으로 코어에 대한 관찰은 MMO의 촉매 주기 내에서 Q의 수명이 단 몇 초만 지속되기 때문에 최적으로 수행되기 어려웠다. 또 메탄은 분해하기 가장 단단한 결합 중 하나이다. 코어를 결정하기 위하여 연구진은 다이아몬드 형태의 코어 내에서 확장과 수축 움직임을 측정하기 위하여 새롭게 개발된 시간 분해능 공명 라만 진동 분광학(TR3; time-resolved resonance Raman vibrational spectroscopy)을 사용했다. MMO의 연속적으로 흐르는 줄기에서 측정을 수행함으로써, 연구진은 짧은 수명에도 불구하고 수 시간 동안 Q의 약한 가시 스펙트럼(visible spectrum)을 축적할 수 있었다. 긴 연속적인 흐름은 정제하는데 거의 1년 동안 필요한 40그램의 효소를 필요로 했다. 이 연구에서, 연구진은 Q의 코어 구조와 그 결과로 얻어지는 혼합물 복합체(product complex)인 화합물 T(compound T)가 TR3를 이용하여 확인됐다고 말했다. TR3은 짧은 수명을 가지는 종에 대하여 평균적으로 얻어진 확장된 신호를 통한 자체적인 독특한 진동 신호로 중간물질의 지문 채취를 허용한다. 연구진은 Q가 bis-μ-oxo 다이아몬드 코어 구조를 보유하고 있다는 증거를 보고했으며, 가교를 이루고 있는 산소가 대기 중 산소로부터 기원했다는 것을 보여주었다. 이러한 관찰은 O-O 결합 분해에 대한 균형 메커니즘(homolytic mechanism)을 강력하게 지원한다. 또 연구진은 T가 가교 리간드(bridging ligand)로 대기 중 산소로부터 유래한 단일 산소 원자를 포함하고 있는 한편, 다른 산소 원자는 생성물에 통합될 수 있다는 것을 보여 주었다. 과학자들은 20년 동안 Q를 연구해왔다. 현재 연구진은 Q의 분자 구조에 대하여 규명했으며, 이러한 Q의 분자 구조에 대한 규명은 생물학적 정화, 수송 가능한 바이오연료 및 화학제품 등에서 메탄의 사용을 가능하게 하는 연구에 초석이 될 것으로 기대된다고 Lipscomb은 밝혔다. 메탄 결합이 분해될 때 배출되는 엄청난 양의 에너지는 매력적인 연료로서의 가능성을 가진다. 그러나 이러한 연료는 특히 미국 밖으로 수송하는 데 어려움이 따른다. 메탄을 액체 메탄올로 전환하는 것은 수송을 용이하게 만들고, 에너지를 위한 석유에 대한 우수한 대안이 될 수 있게 해준다. 또 메탄올은 종종 많은 약품, 화학적 공정 및 합성 제품 등의 개발에 사용된다. RNR(DNA의 빌딩 블록을 제공하는 효소)을 포함한 다른 효소들이 유사한 다이아몬드 코어 고조를 포함하는 것으로 여겨지고 있다. Lipscomb은 다이아몬드 코어에 대한 이해가 다른 유사한 구조를 연구하는 데 필요한 도구를 제공할 수 있기를 희망하고 있다. Lipscomb은 Q와 MMO를, 특히 반응 주기에서 다른 중간물질을 지속적으로 연구할 계획이다. 그는 과학자와 의사들이 이 연구의 결과를 취하여 효소, 바이오연료, 약품 개발 및 관련 과학을 연구하는 다른 프로젝트에 적용할 수 있기를 바라고 있다. http://www.greencarcongress.com/2015/01/20150126-q.html