마이크로 물방울에서 천 배 빠른 엽록소 반응, 광합성의 비밀 풀까?

남홍길 Fellow(펠로우, IBS 식물노화·수명연구단장) 연구팀이 미국 스탠포드대학 리처드 제어(Richard N. Zare) 교수 연구팀과 공동으로 마이크로 크기의 물방울에서 효소의 도움 없이 자연적으로 엽록소의 탈금속반응이 천 배나 가속되는 현상을 발견했다고 8일(수) 밝혔다.

광합성은 식물이 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 과정으로 지구상 모든 생명체의 에너지 근원이다. 광합성은 ‘광합성 공장’인 엽록체에서 이뤄지는데, 엽록체 내의 녹색 색소 분자 ‘엽록소’는 광합성 첫 단계에서 흡수한 빛 에너지로 물을 분해해 산소를 만드는 동시에 산성 구배를 만들어 화학 에너지인 ATP를 만든다. 지구가 초록지구를 유지하고 우리가 산소로 호흡할 수 있는 원천인 것이다.

연구팀은 빛 에너지의 흡수 및 전환의 조절 비밀을 밝히기 위해 엽록소의 화학반응에 주목했다. 엽록소는 산성 조건에서 엽록소 분자 중심에 있는 마그네슘 이온이 수소 이온으로 교체되는 탈금속반응이 일어난다. 지금까지 일반 용액에서 탈금속반응을 실험할 경우 반응 속도가 빛 에너지의 흡수와 전달 속도에 비해 매우 느려 광합성에서 그 중요성이 간과돼 왔다.

남홍길 Fellow 연구팀은 2015년 개발한 마이크로 크기의 물방울에서 생화학물의 반응 속도를 측정하는 방법을 엽록소 탈금속반응에 적용해 반응 속도가 약 천 배나 빨라진다는 사실을 발견했다. 이는 엽록소 반응의 중요성을 재발견해 광합성 조절에 대한 새로운 기전의 가능성을 제시한 것이다.

 

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생물체에서는 다양한 생화학 반응이 물리적으로 제한된 공간에서 이뤄진다. 광합성 또한 식물의 세포 내 엽록체라는 소기관에서 이뤄지고, 엽록체 내의 ‘그라나’라는 더 작은 구조에서 엽록소가 빛을 흡수한다. 연구팀은 실제 식물의 물리적 공간과 유사한 환경에서 엽록소의 반응을 살펴보기 위해 마이크로 크기의 물방울을 만들어 생화학 반응의 반응 역학을 관찰했다.

연구팀은 엽록소를 포함한 물방울과 염산을 포함한 물방울을 빠른 속도로 충돌시켜 십여 마이크로 크기의 융합 물방울을 만들고, 물방울의 비행거리 차를 둬 엽록소가 산에 의해 점차 탈금속화 돼가는 과정을 마이크로초의 빠른 속도로 측정했다.

그 결과 엽록소의 탈금속화 반응이 수십 마이크로초의 빠른 시간에 일어나는 현상을 발견했으며 이는 일반 용액 상태에서 측정한 값과 비교하면 약 천 배 정도 빠른 속도다. 이러한 결과는 마이크로 크기의 물방울이 갖는 물리적 공간의 제한 및 방울 자체의 표면 효과로 인한 것으로 추정된다.

남홍길 Fellow는 “엽록소는 산화되면 광합성 기능을 잃지만, 탈금속반응은 엽록소의 산화를 방지하는 역할을 수행해 엽록소를 보호할 수 있다”며 “엽록소의 탈금속반응이 광합성 기구를 보호하거나 광합성 효율을 조절할 수 있는 새로운 메커니즘일 수 있으며 이러한 반응이 기존 생각과 달리 효소의 작용 없이도 충분히 빠를 수 있음을 제시한 연구다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 생물물리 분야 최고의 국제학술지 ‘쿼터리 리뷰스 오브 바이오피직스(Quarterly Reviews of Biophysics) 지난 1일(수)자 온라인판에 게재됐다.