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해양 미생물이 해양 물질순환에 미치는 영향 규명...충북대 이성근 교수 연구팀
생명과학 한국연구재단 (2016-07-04 09:41)

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구)의 지원을 받은 이성근 교수(충북대) 연구팀이 해양환경에 널리 분포하며 해양 질소 순환*에 핵심적인 역할을 수행하는 고균**이 활성산소***에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 발견했다고 밝혔다.
     * 질소 순환 : 지구의 질소가 다양한 화학 형태로 바뀌어가는 과정이며, 질소고정, 질산화작용, 탈질소 작용이라는 중요한 생물학적 과정을 포함
     ** 고균 : 미생물 분류군의 하나로 지구상의 모든 원핵미생물은 크게 세균(Bacteria)과 고균(Archaea)으로 분류
     *** 활성산소 : 산소원자를 포함한, 화학적으로 반응성이 매우 높은 분자

 o 해양 고균은 실험실 환경에서는 활성을 나타내지 않고 배양이 되지 않아 해양 질산화*의 핵심 미생물로 추정되고 있지만 생태계에서의 기능은 풀리지 않은 수수께끼로 과학자들의 관심을 받아 왔다.
     * 질산화: 질소순환의 핵심 단계로 질산화미생물에 의해 암모니아성 질소(NH4+)가 질산성 질소(NO3-)로 변환 되는 작용

본 연구결과는 미국국립과학원회보(PNAS) 6월 24일자 논문으로 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Hydrogen Peroxide Detoxification Is a Key Mechanism for Growth of Ammonia-oxidizing Archaea
   - 저자 정보 : 이성근 교수(교신저자, 충북대), 김종걸 박사(제1저자, 충북대) 

고균은 현 지구의 극한환경(고온/고염/산성)에서만 관찰되는 미생물 이었다. 하지만 최근 연구 결과에 의하면 해양 생태계 미생물 중 고균이 30% 가까이 번성하는 것으로 밝혀지고 있다.

해양 미생물은 각종 물질순환*에 관여하며, 물질순환으로 인하여 지구의 대기(온실)가스가 조성되고 있다. 따라서, 물질순환 관련 미생물의 활성변화는 기후변화와 밀접한 상관관계가 있으므로, 미래 기후변화 예측을 위해 해양고균의 특성을 이해하는 것이 필요하다.
    * 물질순환: 생물에 필요한 모든 물질은 비생물환경(대기 등)으로부터 유입되고, 먹이연쇄를 통하여 분해자에 의하여 다시 비생물환경으로 되돌아가는 것. 지구의 대기 조성을 결정하는 것은 생태계 생물들의 물질순환 활성이 긴밀하게 상호 연결되어 유지되고 있는 결과임.

이번 연구에서 고균의 성장에 유기물이 필요함에도 불구하고 유기물의 탄소가 세포내로 전혀 유입되지 않는 현상을 확인하였다. 

고균의 성장에 유기물 필요 이유가 탄소 에너지원으로 이용하기 때문이 아니라, 세포 외부에서 유기물이 비생물반응(abiotic reaction)을 통하여 활성산소*와 화학 반응하여 활성산소를 제거하기 때문임을 밝혀냈다.
       * 활성산소 (Reactive oxygen species, ROS): 산소원자를 포함한, 화학 반응성이 매우 높은 분자. 세포손상을 유발하여 스트레스로 작용하는 경우가 많으며 대표 물질로 과산화수소(H2O2)가 있음

또한 고균이 순수배양* 환경에서 성장하지 못하는 이유가 질산화 과정에서 활성산소 제어능력이 부족하기 때문이며, 이는 게놈분석 결과 활성산소 제거 유전자가 존재하지 않는 것으로도 증명하였다.
       * 순수배양: 배양액에 단 한 종류의 미생물만이 존재하는 상태로 특정 미생물의 특성을 이해하기 위해서는 순수배양이 필수적임.

고균이 질산화의 핵심 미생물인 동시에 식물처럼 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 성장하는 것을 확인하게 되어, 해양 생태계의 질소순환과 탄소순환*이 고균과 긴밀히 연결되어 있음을 알게 되었다.
         * 탄소순환 : 지구상의 생물권, 해양, 대기 사이에서 행해지는 탄소의 생화학적인 순환으로 기후변화와 밀접한 관련이 있음.

이는 고균이 질산화 활성을 유지하기 위해 과산화수소 제거 능력을 가지고 있는 세균하고 공존하고 있기 때문인 것으로 밝혀졌다. 

간단한 활성산소 제어 조건을 응용하여 난제로 통하던 고균의 실험실 조건에서의 순수 배양이 가능해졌다. 이로 인해 지구 질소순환에 기여하는 고균 연구에 새로운 전기를 마련하였다.
 
고균은 지구온난화를 유발하는 N2O(아산화질소) 가스를 생산하는 주요 미생물로 이에 대한 연구 토대를 마련한 것으로 평가된다. 

활성산소로 인하여 인체의 질병과 노화가 유발되는 것처럼 생태계에 번성하는 미생물도 활성산소에 민감하여 생태계의 활성산소의 변화는 물질순환에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 제시하고 있다.

이성근 교수는 “이 연구는 해양 생태계의 활성산소가 미생물에 의한 물질순환에 중요한 영향을 미치는 것을 발견하여 미래의 해양 미생물과 물질순환의 상관관계 규명을 위한 토대를 마련한 것으로, 기후변화에 대처하기 위한 연구에 기여 할 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.


연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
ㅇ 연구팀은 선행연구를 통해 난배양성 토양 및 해양 고균이 질소순환(특히, 질산화) 과정에 매우 중추적인 역할을 하고 있으며, 2014년도에는 토양에서 암모니아 산화 고균의 (혼합)배양에 성공하여 이들이 지구온난화와 오존충 파괴의 주범인 N2O(아산화질소) 가스의 주요 발생원임을 국제 공동연구진과 함께 네이쳐 자매지(ISME J)에 보고한 바가 있다.

ㅇ 특히 고균이 해양 생태계에서는 전체 미생물의 약 30% 가까이 차지하고 있어 해양생태계에서 가장 많은 미생물 중의 하나이며, 질산화를 통한 해양 물질 (탄소 및 질소) 순환에 기여하고 있는 것으로 추정되고 있다. 많은 과학자들의 관심에도 불구하고 현재까지 해양 유래의 고균을 배양하여 특성을 연구한 사례가 극히 드물다. 즉, 학문적 가치가 높지만, 배양의 어렵기 때문에 심도 있는 연구가 불가능하였다.

ㅇ 최근 고균의 성장에 유기물을 반드시 필요로 하는 현상이 발견되어 화제가 되고 있다. 해양 생태계에서 번성하는 고균이 이산화탄소 뿐 만 아니라 유기탄소까지 이용한다면, 질소순환과 더불어 지구 탄소순환에 대한 생태학적 역할과 기여도에 대한 재정립이 필요하다.

ㅇ 연구진은 이번 연구를 통하여, 핵심 질소순환 고균의 성장에 유기물이 필요한 이유가 탄소원으로 이용하기 때문이 아니라, 비생물반응(abiotic reaction)을 통하여 활성산소를 화학적으로 제거하기 때문임을 밝혀내었다. 활성산소가 생태계 질소순환을 조절하는 주요인자임을 밝히는 전환점을 마련하게 된 것이다.

2. 연구내용
ㅇ 본 연구진은 한반도 주변의 해양 환경에서 질산화 고균을 순수배양 하는 과정에서, 성장을 촉진하기 위하여 다양한 유기물을 추가하여 배양한 결과, 일부 유기산이 성장을 촉진한다는 사실을 알게 되었다. 질산화 고균은 자가영양(Autotroph) 미생물로 추정되므로, 특이한 현상이다.
    * 자가영양(Autotroph): 이산화탄소(CO2)를 고정하여 세포의 구성성분을 만들어 성장하며, 일반적으로 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 이용함.

ㅇ 안정탄소동위원소 (Stable Carbon Isotope)로 표지된 유기산을 이용하여 정밀 추적 분석 결과, 배양시 추가한 유기물이 고균의 세포성분으로 유입되지 않음을 확인하게 되었다. 이는 유기물이 고균의 성장에 탄소원으로서가 아닌 다른 필수적인 영향을 미치고 있음을 암시한다.

ㅇ 성장을 촉진하는 유기산을 면밀히 살펴본 결과 모두‘알파케토산’계열임을 확인하였으며 이 유기산의 특성 중 하나는 활성산소와 화학적으로 반응하여 활성산소를 제거한 다는 것이다. 즉, 고균이 유기산을 이용한 것이 아니라 질산화과정에서 발생하는 활성산소의 일종인 과산화수소를 제거해주는 스캐빈저(scavenger)로 작용하고 있음을 알게 되었다. 이는 다양한 과산화수소 제거제 (카탈라제 등)가 유기산을 대체할 수 있음을 통하여 증명할 수 있었다.
     * 알파케토산 (a-keto acid): 한 분자 가운데에 카보닐기와 카복시기가 함께 들어 있는 유기 화합물. 흔한 유기산으로, 피루브산(pyruvate), 옥살아세트산(oxaloacetate)등이 있다.

ㅇ 고균이 질산화 과정에서 과산화수소를 실제로 발생하는 것을 확인하였으며, 이때 생성된 과산화수소와 유기산의 반응 산물을 동위원소 추적 분석을 통하여 확인하였다. 고균의 게놈 분석결과 과산화수소 제거(카탈라제)유전자가 결핍되어 있음을 확인할 수 있었다.
ㅇ 그동안 연구실에서 보유하고 있던, 해양 및 토양 유래의 다양한 고균 복합배양체들은 순수분리가 불가능 하였으나, 활성산소제어 조건을 통하여 순수배양에 성공하였다. 활성산소에 대한 민감도는 지구생태계의 질산화 고균에 광범위하게 존재하는 현상임을 제시할 수 있었다. 나아가, 간단한 활성산소제어 조건을 통하여, 난제로 통하던, 질산화 고균의 순수배양의 새로운 전기를 마련하였다.

3. 기대효과
ㅇ 질산화 고균이 활성산소의 제거에 관련된 유전자의 결핍에도 불구하고, 해양 환경에서 번성하여 질소순환에 중요한 역할을 한다는 것은 흥미로운 일이며, 이는 생태학적, 진화론적으로 중요한 의미를 가지고 있다.
ㅇ 지금까지, 고균의 생태계에서의 질소순환 기여도에 대한 의구심은 배양의 어려움으로 인한 활성 검출의 난점과 관련이 깊다. 고균의 활성산소에 대한 민감도 규명을 통하여, 질소순환 고균의 생태계의 활성 및 기여도에 대한 다양한 후속 연구를 위한 길을 열게 되었다.
ㅇ 이번 연구를 통하여, 해양생태계에서 번성하는 고균 뿐 만 아니라 번성하는 세균들도 활성산소 제거 유전자들이 결핍되어 있음을 확인하였다. 생태계미생물활성-물질순환의 연결고리를 이해하는 것은 미래 지구의 기후변화를 예측하는 데 필수적인 요소이다. 이번 연구 성과를 기반으로, 해양 물질순환에 핵심적인 역할을 하는 미생물의 활성이 활성산소라는 인자를 통하여 물질순환에 어떻게 반영이 되는지 규명해야 하는 숙제를 가지게 되었다.
ㅇ 활성산소인 과산화수소는 생물 자체가 생산하거나 및 자외선에 의한 유기물의 산화과정에서 광범위하게 발생된다. 활성산소로 인하여 인체의 질병과 노화가 유발되는 것처럼, 오존층 파괴, 부영양화 등 해양생태계의 활성산소의 농도변화를 유발할 수 있는 인자들은 미생물을 통한 지구 물질순환의 중대한 변화로 이어질 수 있음을 제시하고 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

PI의 Post-Doc 기간 동안에 읽었던 한편의 논문이 향우 연구의 방향을 완전히 전환시켰다. 극한미생물로 알려진 고균이 해양환경에 널리 분포하면서 가장 많은 미생물로 알려지고 있었다. 미지의 미생물에 대한 순수한 호기심과 학계에서의 높은 관심도에 끌려 연구를 시작하게 되었다. 또한 인력과 장비가 부족한 지방대에서 순수한 아이디어로 만 승부할 수 있는 분야라 경쟁력이 있다고 생각하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

고균에 대한 복합배양체를 얻는 기술을 확보하는 것도 쉽지 않은 단계였으며, 순수배양체를 얻는 것은 불가능하였다. 유기물을 이용한 순수배양기술이 가능하다는 것을 알았으나, 유기물이 어떤 경로를 통하여 세포내로 유입되는지 알기 위하여, 네덜란드의 첨단 지질 분석 전문가와의 공동연구를 통하여 Isotope분석 기술을 이용할 수 있었던 것이 연구의 중요한 전기가 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

배양에 필요한 유기물이 세포내로 유입되지 않는다는 사실을 이해하는 것이 불가능하였다. 특정유기산(알파케토산)만이 활성이 있다는 사실과 방대한 문헌조사를 통하여, 활성산소와 아파케토산이 비효소적으로 반응하여 활성산소가 제거될 수 있다는 사실에서 중요한 힌트를 얻었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

- 활성산소가 생태계의 물질순환 활성과 연결이 될 수 있다는 사실을 최초로 발견하였다.
- 고균이 자가영양미생물로 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 이용한다는 것을 재확인하였다.
- 해양 및 토양 질산화고균 순수배양을 위한 길을 열었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

고균이라는 미생물 그룹이 극한환경이 아니라, 지구생태계에 광범위하게 분포하고 있으며, 질산화 고균외에 다양한 고균들이 존재하고 있다. 하지만, 전 세계적으로 질산화고균을 제외하고는 비극한 고균이 배양된 바는 전무하다. 앞으로 메타지놈등 첨단기법을 활용하여 난배양성으로 알려진 다양한 고균을 배양하고 생태학적 역할을 규명하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

유기물의 효과를 이해하지 못하고 오랜 고민 끝에 있다가 우연히 읽던 미생물이 아닌 인체 관련 연구 논문에서 유기산의 활성산소 제거효과를 읽고, 첫 눈에 ‘이것이다‘하고 Eureka를 외쳤다. 바로 실험실로 나와서 연구원들에게 지금까지의 모든 엉킨 실타래를 풀 수 있는 실마리를 마련했다고 말했다. 실제로 모든 연구는 그 순간에 완성이 된 바와 다름이 없다.

활성산소에 의한 해양생태계 고균의 질산화 활성 조절
(그림1) 활성산소에 의한 해양생태계 고균의 질산화 활성 조절
해양환경의 고균은 암모니아를 질산으로 전환시키는 질소순환과정을 촉매하여 해양생물의 성장에 필요한 질소 공급을 조절하는 기능을 수행한다. 생물 혹은 비생물반응(자외선)에 의해 생성된 활성산소에 의해서 질산화 활성이 조절될 수 있음을 이 연구를 통하여 확인하였다. 생태계에 공존하는 세균이 활성산소의 무독화를 통하여 고균의 질산화 활성을 도와주고 있음을 제시하였다.

 

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본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
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