[펌] 물질대사 스위치를 홱홱 돌리는 시아노박테리아

카네기 연구소 과학자들이 옐로우스톤(Yellowstone) 국립공원의 뜨거운 온천에 사는 광합성 세균이 두 가지 매우 다른 대사적 본질을 가지고 있는 것을 발견했다. 해가 지면 이들은 낮 동안의 일인 광합성을 중단하고, 의외의 일인 질소고정을 시작하며, 질소가스(N2)를 세포 생장에 사용할 수 있는 물질로 전환한다. 이 연구 결과는 학술지인 'the Proceedings of the National Academy of Sciences'에 실렸는데, 이 논문은 고온 하에서 단일 세포 내에서 두 가지 대사 작업을 성공적으로 수행할 수 있는 유기체에 대한 최초의 보고이며, 뜨거운 온천에서 사는 미생물 군이 필수적인 질소를 어떻게 얻는지에 관한 오랜 의문을 푸는데도 도움이 된다.

카네기의 Arthur Grossman 등은 아주 작은 단일 세포인 cyanobacterium Synechococcus를 연구하고 있다. 시아노박테리아는 약 30억 년 전에 지구상에 나타난 것으로, 광합성을 통해 태양에너지와 이산화탄소를 당과 산소로 전환할 수 있는 지구 상의 유기체 중에서 가장 오래된 것이다. 사실, 고대 시아노박테리아가 대부분의 산소를 생산해서 지구상에 동물이 생존할 수 있게 되었다.

시네코코쿠스(Synechococcus) 같은 시아노박테리아는 뜨거운 온천을 뒤덮고 있는 미생물 매트(mat)에서 가끔 발견되는데, 이런 장소에서의 생명체는 끓는 점에 가까운 온도에서 생존한다. 이들 매트는 고도로 조직화된 군집(communities)이며, 다른 종류의 유기체들이 역할 분담을 하고 있으며, 시아노박테리아는 주요 광합성 발전소 기능을 한다. 이 공원의 문어온천에 있는 시네토코쿠스는 160°F 정도의 물에서 자랄 수 있고, 반면에 다른 미생물들은 175°F를 초과하는 온천에서도 견딜 수 있다. 그러나 지금까지는 어떤 유기체가 이 매트의 더 뜨거운 지역에서 질소를 고정할 수 있는지는 불명확했었다.

"이 시아노박테리아는 이 매트 군집 내에서의 진정한 멀티태스커(multitasker)이다. 고온에서 자라고 있는 이 단세포 생물인 시아노박테리아들은 광합성을 위해 특화되어 있을 것이라고 생각했는데, 우리의 예측보다도 더 복잡한 물질대사(metabolism)를 가지고 있는 것으로 보인다”고 Grossman은 말했다. 모든 세포는 단백질과 핵산을 만들기 위해서 질소를 필요로 한다. 그러나 대기 중의 N2 기체는 이런 용도로 직접 이용될 수 없다. 즉, 이것은 먼저 환원되거나 더 큰 탄소함유 물질(larger, carbon-containing compounds)로 고정되어야 한다.

질소고정은 광합성 세포에서 문제가 되는데, 그 이유는 광합성 동안 환원된 산소는 N2를 고정하는 효소공장인 나이트로겐에이스(nitrogenase) 복합체의 활성을 저해하기 때문이다. 다른 유기체들에서 이 딜레마에 대한 독창적인 해결수단이 발견되고 있다. 예를 들어, 식물은 공생하는 N2-고정 세균에 의존하며, 이들 세균은 광합성을 하는 잎에서 멀리 떨어진 뿌리에서 산다. 또 다른 유형인 시아노박테리아는 다중 세포 다발(multicellular strands) 구조로 자라며, 특수화된 질소 고정 세포인 헤테로시스트 (heterocysts)가 만들어져서 광합성을 하는 세포로부터 격리된다.

이런 필라멘트형의 시아노박테리아가 미생물 매트에서의 질소 고정자라고 많은 연구자들은 믿었다. 그러나 이 세균들은 극히 높은 온도에 대한 내성이 없으며, 이 매트 중에 온도가 보다 낮은 주변부에서만 살고 있어서, 온도가 더 높은 지역에 사는 유기체에 필수적인 질소 고정의 존재에 대한 의문이 생긴 것이다. 온도에 대한 내성이 있으며, 단세포 생물인 시네토코쿠스 같은 시아노박테리아는 광합성으로 특화되어있기 때문에 질소 고정자에 대한 후보자로 고려되지는 않았다. “일부 광합성 유기체가 그렇듯이, 시네토코쿠스는 공간적으로 광합성과 질소 고정을 분리시킬 수 없다. 대신에, 이들은 이 일을 시간적으로 분리함으로써 문제를 해결한다”고 Bhaya는 설명한다.

Steunou 등은 광합성과 질소고정에 관련 유전자의 활성을 24시간 동안에 걸쳐 추적했다. 이들은 광합성 유전자가 일몰 후에 꺼지고, 그리고 질소 고정 유전자가 잠시 후에 켜지는 것을 발견했다. 나이트로겐에이스(nitrogenase) 효소 복합체가 거의 같은 시간에 활동에 들어가는 것은 질소 고정 유전자들이 활동에 들어가는 패턴에 이어지는 당연한 결과인 것이다.

질소 고정에는 많은 에너지가 필요한데, 이는 시네토코쿠스에 대해 또 다른 의문을 제기한다. 광합성은 밤에 중단되고, 매트에는 산소가 고갈되어서 호흡이 일어나기 힘들다. 호흡은 효과적인 에너지 생성 경로로 산소가 있어야 당에 저장된 에너지를 배출할 수 있다. 대신, 세포는 발효(fermentation )에 의존해야 하는데, 이것은 덜 효과적인 에너지 생성경로이며 산소 없이 진행될 수 있다. 밤에 시네토코쿠스가 특이적인 발효 경로에 대한 유전자를 발현시키는데, 이 경로는 폴리클루코오스에서 에너지를 유리시키며, 이 에너지가 질소 고정에 이용될 것으로 보인다고 Steunou 등은 밝혔다.

source : http://www4.eurekalert.org/pubnews.php?start=50