생명/의료

식물연구소, 세계 최초로 규조의 광합성 막단백질 구조 해석

발행일 : 2019 / 02 / 12

최근 중국과학원 식물연구소 선젠런(沈建仁)/쾅팅윈(匡廷云) 연구팀은 규조 광합성 막단백질 구조를 최초로 해석하여 규조의 광에너지 포획 및 이용, 광보호(photoprotection) 메커니즘 연구에 중요한 구조적 토대를 마련하였다. 해당 논문은 “Science”에 게재되었다. 녹색식물은 광합성작용을 통해 적색광과 남자색광을 주로 흡수하는 반면 녹색광 파장 대역의 에너지는 거의 이용하지 않는데 이는 녹색식물이 녹색을 띄는 주원인이다. 하지만 규조는 예외다.

전세계적으로 발견된 규조는 적어도 수만 종에 달한다. 적응력이 매우 강한 규조는 해양 적조의 주요 생물군으로서 적도에서 남북극까지의 해양에 널리 분포한다. 심지어 담수, 토양, 공기에서도 생존할 수 있다. 규조의 이산화탄소 흡수 능력은 글로벌 생태계의 약 5분의 1을 차지하는데 이는 열대우림의 기여도를 초과한다.

규조 특유의 광수확 안테나(light harvesting antenna) 단백질인 “갈조소(fucoxanthin)-엽록소a/c 단백질 복합체”(FCP)는 뛰어난 남녹색광 포획 능력과 매우 강한 광보호 능력을 보유하는데 이는 규조가 해양에서 번성할 수 있는 중요한 원인이다. 규조는 깊은 물속의 약광 환경에 적응하기 위해 남녹색광을 포획한다. 따라서 규조 세포는 적갈색을 띈다. FCP에 결합된 갈조소 또는 다이아디노잔틴(diadinoxanthin) 등 색소는 강한 광보호 메커니즘 형성에 참여해 과잉 광에너지의 열량으로의 전환을 협조하여 해수 표면의 빠른 광환경 변화에 적응한다.

연구팀은 샘플 정제 비교우위 및 고해상도 결정체 제조 경험을 토대로 매우 규칙적인 규조 FCP 결정체를 획득하였다. 구조 해석 결과, 엽록소c는 규조와 갈조 등 잡색조류에 존재하는 일종의 특수한 엽록소로서 그 분자 구조는 다른 엽록소에서 흔히 볼 수 있는 긴 소수성 꼬리(hydrophobic tail)가 없었다. 1개당 엽록소c 분자는 각각 2개 엽록소a 분자와 클러스터를 형성하였고 그중 1개 엽록소a 분자와 밀접하게 결합하였을 뿐만 아니라 각개 엽록소 클러스터의 엽록소 간 거리는 모두 약 0.35nm를 유지하기에 에너지를 빠르고도 고효율적으로 전달할 수 있다.