<사진. 지금까지 알려져 있는 로돕신의 비교
출처. KISTI 미리안>
해양세균에서 발견한 새로운 광에너지 이용 메커니즘
- 나트륨 이온을 운송하는 펌프 발견
도쿄대학 대기해양연구소 연구팀은 미야자키대학, 메사추세츠공과대학 연구팀과 공동으로 해양세균(Nonlabens marinus S1-08T)에서 광에너지를 이용하여 나트륨 이온을 세균 내에 운반하는 새로운 종류의 펌프를 발견하였다.
로돕신(rhodopsin)은 레티날(retinal) 발색단으로, 광수용형의 막단백질로 미생물에서 인간까지 다양한 생물이 가지고 있는 것이다. 인간의 경우 눈의 망막 중에 로돕신을 가지고 있어 광센서로서 이용하고 있지만, 눈에 보이지 않은 정도로 작은 미생물 중에도 로돕신을 가지고 있는 것이 알려져 있고, 그 대부분은 빛이 닿으면 이온을 세포 내외로 운송하는 광구동형 펌프로서 작용하다. 예를 들면 미생물에 존재하는 로돕신에는 빛이 닿으면 양성자를 세포 내에서 퍼내는 것 및 빛이 닿으면 나트륨 이온을 세포 내에 도입하는 할로로돕신(halorhodopsin) 등이 알려져 있다. 그러나 이러한 로돕신을 가진 미생물은 상당히 고염분의 환경에서만 서식하기 때문에 로돕신에 의한 광에너지 이용은 상당히 한정된 환경에서 서식하는 미생물의 특유의 기능이라고 생각된다.
2000년에 해양세균을 대상으로 한 메타게놈 해석으로부터 광에너지를 이용하여 양성자를 운송하는 새로운 로돕신이 발견되어 프로테오로돕신(proteorhodopsin)이라고 하였다. 그 후 연구로부터 해양표층에 서식하는 원핵생물의 약 80%가 로돕신 유전자를 가지고 있으며, 광에너지를 이용하고 있을 가능성이 제시되었다. 또한 2013년에는 나트륨이온을 운송하는 로돕신도 해양세균으로부터 발견하고 해양세균의 로돕신을 이용한 광에너지 이용 메커니즘이 밝혀졌다.
이러한 발견은 지금까지 모든 빛을 이용하지 않는다고 생각된 막대한 수의 해양세균이 광에너지를 이용하고 있다는 것을 시사하고 있으며, 지구 규모로 이용되는 광에너지의 흐름을 근본부터 수정할 필요성이 있으며 해양세균이 가진 광에너지 이용 메커니즘이 종래 생각했던 것보다 복잡하다는 것을 나타내었다.
한편 세균의 내외 이온 농도차는 생물 공통의 에너지 물질인 ATP의 합성에 이용되고 있으며, 세균 등 단세포 생물 및 인간, 식물에서 공통적인 시스템이 이용되고 있다. 따라서 광에너지를 이용한 이온을 운송하는 로돕신은 광에너지를 직접, ATP 합성의 구동력으로 변환하는 상당히 간단한 광에너지 이용 메커니즘이라고 할 수 있다.
본 연구의 결과는 다음과 같다.
(1) 해양세균의 분리 및 게놈 배열의 결정
연구그룹은 해양지구연구선의 연구항해에서 서부 북태평양 표층해수로부터 분리한 해양세균 Nonlabens marinus S1-08T주의 전 게놈을 차세대 시퀀서(sequencer)를 이용하여 결정하였다. 그 결과, 게놈상 3개의 다른 로돕신을 코드하는 유전자 배열이 존재한다는 것을 밝혀내었다. 이러한 유전자는 Nonlabens marinus 게놈에서 발견되었기 때문에 NM-R1, NM-R2, NM-R3라고 하였다. 또한 NM-R1, NM-R2, NM-R3의 분자계통 해석을 실시하여 각 로돕신의 진화계통 추정을 실시한 결과, 각 로돕신이 다른 계통에 속하는 로돕신이라는 것을 나타내고, NM-R1은 프로테오로돕신, NM-R2는 나트륨이온 펌프형 로돕신 그룹에 포함되었지만, NM-R3는 지금까지 기능이 나누어져 있는 어떤 로돕신과도 동일 그룹을 형성하지 않고, 미지의 기능 그룹에 포함된다는 것을 나타내었다.
(2) NM-R1, NM-R2, NM-R3의 기능 해석
인공적으로 합성한 NM-R1, NM-R2, NM-R3의 유전자를 대장균 내에서 발현시켜 각 로돕신의 기능을 해석하였다. 기능을 해석한 결과, 빛이 닿으면 NM-R1은 양성자를 세포막의 내측에서 외측으로, NM-R2는 나트륨이온을 세포막의 내측에서 외측으로, NM-R3는 나트륨이온을 세포막 외측에서 내측으로 운송하는 로돕신이라는 것을 밝혀내었다. 또한 각 로돕신이 어떻게 파장을 흡수하고 있는지를 조사한 결과, 세 종류의 로돕신이 녹색광(극대파장: 약 530nm)을 흡수하고 있다는 것을 알았다.
본 연구에서는 해양세균에서 나트륨이온을 운송하는 새로운 로돕신을 발견하고, 이 단백질을 CIR(Cl- pumping Rhodopsin)이라고 하였다. 지금까지 나트륨이온을 운송하는 할로로돕신은 고염환경에 서식하는 특수한 미생물이 가지고 있다는 것은 알려져 있지만, 분자계통 해석으로부터 CIR은 할로로돕신과는 진화경로가 다르며, 해양세균의 경우 할로로돕신과는 독립적으로 생성된 가능성이 높은 것으로 나타났다. 또한 게놈 상 세 종류 이상의 펌프형 로돕신을 가진 세균이 발견된 것은 처음이다.
■ KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』 http://mirian.kisti.re.kr