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[바이오토픽] 기능적 인공엽록체 탄생, 햇빛과 이산화탄소를 유기화합물로 만들어
생명과학 양병찬 (2020-05-12)

생물학적 막(biological membrane)과 인공화학(artificial chemistry)의 결합으로, 미래의 합성생물(synthetic organism)에 동력을 제공할 수 있을 것으로 보인다.
 

기능적 인공엽록체 탄생, 햇빛과 이산화탄소를 유기화합물로 만들어

Plant thylacoids are encapsulated in micro-droplets of approximately 90 micrometers in diameter. Equipped with a set of enzymes, the semi-synthetic chloroplasts fixate carbon dioxide using solar energy, following nature's example. Credit: Max Planck Institute for terrestrial Microbiology/Erb


자동차 정비공들이 오래된 엔진 부품들을 꿰맞춰 새로운 로드스터를 만들어내듯, 합성생물학자들은 광합성(photosynthesis)의 심장부에 있는 엔진인 엽록체(chloroplasts)를 다시 만들었다. 즉, 과학자들은 "시금치의 광수확기구(light-harvesting machinery)를 '9개의 상이한 생물에서 추출한 효소'와 결합하여, 세포 밖에서 작동하는 인공엽록체(artificial chloroplast)를 만들었다"고 발표했다. 그들이 만든 엽록체는 햇빛을 수확해 얻어낸 에너지를 이용하여, 이산화탄소(CO2)를 고에너지 분자(energy-rich molecule)로 전환할 수 있다고 한다. 그들의 궁극적인 희망은, 고성능 광합성시스템을 만들어 CO2를 유용한 화합물로 직접 전환하거나, GM 식물(genetically engineered plant)로 하여금 대기 중의 CO2를 10배 많이 흡수하도록 도와주는 것이다.

"그것은 매우 야심 찬 계획이다"라고 칼텍(Caltec)의 프랜시스 아놀드(화학공학)는 논평했다. "생물학의 프로그램을 바꾸려는 연구팀의 노력은, CO2를 식물의 재료는 물론 유용한 화합물로 직접 전환하려는 노력을 향상시킬 것이다."

광합성은 2단계 과정이다. 먼저 엽록체 안에서, 엽록소(chlorophyll) 분자가 햇빛을 흡수한 다음 잉여에너지를 분자 파트너에게 넘겨, 그것을 이용해 에너지저장 화합물(energy-storing chemical)인 「아데노신삼인산(ATP: adenosine triphosphate)」과 「니코틴아마이드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(NADPH: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)」을 만들게 한다. 그 다음으로, 복잡한 사이클 속에서 작동하는 한 묶음의 다른 효소들은 ATP와 NADPH를 이용해 공기 중의 CO2를 포도당(glucose)과 그 밖의 고에너지 유기분자로 전환하여 식물의 성장에 이용한다.

 

기능적 인공엽록체 탄생, 햇빛과 이산화탄소를 유기화합물로 만들어


CO2의 전환은 루비스코(RuBisCO)라는 효소에서 시작되는데, 이것은 CO2와 핵심 유기화합물 간의 반응을 촉진함으로써 식물의 필수적인 대사물을 만드는 데 필요한 연쇄반응을 가동시킨다." 광합성은 효율적이지만 문제점도 있다"라고 독일 막스 클랑크 지상미생물학연구소(Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie)의 토비아스 에르프(합성생물학)는 말했다. "RuBisCo가 느려 터진 게 문제다." 하나의 RuBisCo는 1초에 겨우 5~10개의 CO2 분자를 포획하여 사용할 수 있는데, 그게 식물의 성장속도를 제한하는 아킬레스건으로 작용한다.

2016년, 에르프가 이끄는 연구팀은 광합성 속도를 향상시키는 한 세트의 화학반응을 새로 설계하려고 노력했다. 그들은 RuBisCO를 (CO2 분자를 포획할 수 있는) 세균의 효소로 대체하여 반응속도를 10배 향상시켰다. 그런 다음, 그것을 9가지 상이한 생물에서 추출한 16개의 다른 효소들과 결합하여, 「CO2를 유기화합물로 전환하는 사이클(CO2-to-organic-chemical cycle)」—일명 CETCH(crotonylCoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA) 사이클—을 새로 만들었다(참고 1).

그러나 연구팀이 2016년에 손본 것은 광합성의 두 번째 단계였다. 이제 햇빛을 다루는 과정—광합성의 첫 번째 단계—을 손보기 위해, 연구팀은 엽록체를 구성하는 틸라코이드 막(thylakoid membrane)이라는 요소에 눈을 돌렸다. 그것은 엽록소와 다른 광합성 효소들을 둘러싼 파우치 모양의 구조물이다. 선행연구에서, 다른 연구팀들은 틸라코이드 막이 식물세포 외부에서 작동할 수 있다는 사실을 발견했다. 그래서 에르프가 이끄는 연구팀은 시금치의 잎세포에서 틸라코이드 막을 추출하여, 그것이 햇빛을 흡수한 다음 잉여에너지를 ATP와 NADPH로 전달할 수 있음을 증명했다. 그리고 햇빛을 수확하는 틸라코이드를 자신들의 CETCH와 결합하여, CO2를 (빛을 이용해) 글리콜레이트(glycolate)라는 유기대사물로 지속적으로 전환할 수 있도록 만들었다. 그들은 이상의 연구결과를 5월 8일 《Science》에 발표했다(참고 2).

광수확 기구(light-harvesting apparatus)를 CETCH 사이클과 통합하기 위해 연구팀은 몇 가지 조작을 가해야 했는데, 그것은 'CETCH 경로를 구성하는 몇 가지 효소를 교체하거나 추가하는 것'이었다. 모든 앙상블을 최적화하기 위해, 연구팀은 프랑스 폴파스칼 연구센터(CCRP: Centre de Recherche Paul Pascal)의 미세유체 전문가 장-크리스토프 바레와 팀을 구성했다. 바레의 팀은 기름 속에서 수천 개의 미세한 물방울을 생성하는 장비를 설계하여, 각각의 물방울에 상이한 양의 '틸라코이드 막 구성체'와 'CETCH 사이클 효소'를 주입했다. 연구팀은 이 장비를 이용하여, 글리콜레이트 생성하는 가장 효율적인 레시피를 찾아낼 수 있었다. "연구팀은 상이한 요소들의 모든 가능한 조합과 농도를 비교분석하여, 더욱 효율적인 과정을 설계했다"라고 아놀드는 논평했다. "그것은 멋진 방법이다."
 

기능적 인공엽록체 탄생, 햇빛과 이산화탄소를 유기화합물로 만들어

Each cell-sized droplet acts as a synthetic chloroplast. The thylakoid membranes visible in the microscope images (top row) use light to produce NADPH (which is seen fluorescing in the bottom row) and ATP, which is used by biological systems as energy storage. Credit: Miller et al., (2020), Science.


"우리의 희망은 우리의 장치를 더욱 개량하여, 글리콜레이트보다 훨씬 더 가치있는 유기화합물(에: 약물분자)을 만드는 것이다"라고 에르프는 말했다. 그들의 또 한 가지 바람은 CO2를 (식물의 성장에 필요한) 유기화합물로 더욱 효율적으로 전환하는 것이다. 그렇게 될 경우, 이번에 개발된 새로운 광합성 경로를 코딩하는 유전자를 농작물에 삽입하여, 기존 품종보다 훨씬 더 빨리 성장하는 신품종을 만들 수 있을 것이다. 이것은 급증하는 인구를 먹여 살리는 데 도움이 되는, 농업계의 희소식이다.

※ 참고문헌
1. http://science.sciencemag.org/content/354/6314/900
2. https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649

※ 출처: Science https://www.sciencemag.org/news/2020/05/artificial-chloroplasts-turn-sunlight-and-carbon-dioxide-organic-compounds

 

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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  댓글 1
회원작성글 Naute  (2020-05-13 03:33)
합성생물학에 대해서 얕게나마 관심이 있었는데 이렇게 구체적으로 활용되는 방안을 보니까 뭔가 너무 벅차고 그러네요. 좋은 글 전해주셔서 감사합니다!
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