생명과학과 윤환수 교수 연구팀,
외부 유전자의 도움으로 만들어진 광합성 아메바의 엽록체 조절 시스템 밝혀내
“광합성 아메바 엽록체의 산화 환원 시스템 진화 규명”

[그림1] 생명과학과 윤환수 교수 

생명과학과 윤환수 교수(교신저자)와 이덕현 박사(제1저자)가 광합성 아메바인 폴리넬라(Paulinella)의 엽록체 산화 환원 조절 시스템인 티오레독신(thioredoxin) 시스템의 진화과정을 밝혔다고 전했다.

지구상에 존재하는 식물을 포함한 모든 진핵생물의 광합성은 약 15억 년 전 남세균과의 세포내공생을 통해 진화한 엽록체로부터 기원했다. 이와는 독립적인 경로로 약 1억년 전에 남세균으로부터 엽록체로 세포내공생을 통해 진화시킨 사례가 광합성 “폴리넬라”라는 종이다. 광합성 폴리넬라는 광합성 생물의 엽록체 형성 초기 단계를 이해할 수 있는 유일한 분류군이다.

동물성 종속영양을 하던 생물이 광합성을 하게 되면 큰 변화를 동반할 수밖에 없다. 광합성 과정에서 생성되는 해로운 부산물인 활성산소로부터 보호해야 하고, 대사과정을 태양의 일주기에 맞춰 조절할 필요도 생긴다. 빛에 의해 광합성 대사과정을 조절하는 방식은 식물의 엽록체에서 연구된 바 있는데, 엽록체 내에서 빛에 의해 생성된 전자는 광합성과 관련된 단백질들의 시스테인 잔류기를 환원시켜 단백질의 활성을 조절한다.

[그림2] 광합성 폴리넬라 전자현미경 사진

시스테인 잔류기의 산화 환원 상태, 즉 레독스(redox) 조절을 통해 대사과정을 조절하는 방식은 식물의 발달, 환경 변화에 적응하는데도 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 엽록체 진화의 초기 단계에 있는 폴리넬라에서의 레독스 조절이 일반적 식물에서의 시스템과 같은지, 아니면 독립적으로 개발되었는지는 아직까지 연구된 바 없다. 

이에 연구진은 폴리넬라의 유전체 자료에서 레독스 조절과 연관된 유전자들이 있는지 찾아보고, 이들의 기원과 세포 내 위치를 살펴보았다. 흥미롭게도 레독스 조절로 알려진 티오레독신(thioredoxin) 시스템은 엽록체에서 다양한 기원(공생체, 호스트, 세균, 홍조류)의 유전자들로 구성되어 있었다.

오탄당 인산 경로의 주요 효소인 포도당-6-인산탈수소효소(G6PDH)의 경우는 홍조류 기원이었는데, 식물 엽록체의 G6PDH가 가진 레독스 반응성 시스테인을 동일하게 가지고 있었다. 이는 폴리넬라가 다른 광합성 생물이 진화시킨 레독스 조절 시스템을 수평적유전자전이(horizontal gene transfer)를 통해 그대로 가져왔음을 보여준다. 본 연구는 식물과는 독립적으로 진화한 폴리넬라 엽록체 레독스 조절 시스템은 식물과는 다르게 외부의 다른 생물로부터 획득하여 독립적으로 진화하였음을 밝혔다. 

[그림3] 폴리넬라 엽록체의 티오레독신 시스템

윤환수 교수는 “광합성 폴리넬라 연구는 아직 많은 것들이 알려지지 않은 엽록체 형성 과정에 대한 정보를 제공해주고, 광합성 효율을 극대화하는 시스템/합성 생물학, 유전공학 등의 응용 분야 연구의 기초 자료로 이용될 수 있다”고 말했다.

본 연구는 해양수산부의 다부처유전체사업, 농촌진흥청의 바이오그린21사업과 연구재단의 중견연구지원, 세종과학펠로우십 사업으로 수행됐다. 논문명은 ‘Independent evolution of the thioredoxin system in photosynthetic Paulinella species’(국문명: 독립적으로 진화한 광합성 폴리넬라 티오레독신 시스템)이며,  ‘Current Biology(IF*=9.601)’에 4.13(화) 게재되었다.