생명과학과 윤환수 교수 연구팀(이덕현 박사, 조충현 대학원생)이 미국 럿거스대학 Bhattacharya 교수와의 국제공동연구를 통해 광합성 아메바인 폴리넬라(Paulinella micropora)의 유전체를 해독하여 식물과는 다른 기원을 가진 엽록체의 진화과정을 밝혀냈다.

지구상에 존재하는 광합성을 하는 모든 식물은 엽록체를 가지고 있으며, 엽록체는 약 10억년 전 동물성 원생생물이 남세균*을 포식하는 과정을 통해 기원한 이후, 녹색식물, 홍조류, 회조류로 분화했다. 이와 달리 폴리넬라는 독립적으로 광합성을 할 수 있는 능력을 얻었으며, 약 1억년 전 동물성 폴리넬라가 남세균을 포식하여 세포 내에서 영구적으로 공생하면서 엽록체로 진화하게 되었다.
   * 남세균(cyanobacteria) : 광합성을 하는 세균의 일종

현재 많은 동물성 폴리넬라 종은 식물성 폴리넬라와 자매관계를 이루고 있다. 본 연구는 폴리넬라 유전체를 해독하여 엽록체 진화과정에서 폴리넬라 세포와 세포 내로 들어온 남세균 그리고 외부 박테리아의 유전자들이 어떤 영향을 끼쳤는지를 밝혔다.

식물 세포 내에서 엽록체는 광합성이 일어나는 세포소기관으로 광합성에 관련된 핵 유전자는 엽록체로 반드시 이동해야만 기능을 수행할 수 있다. 엽록체로 이동하는 단백질들은 시그널 펩타이드라는 짧은 아미노산 서열을 가지고 있는데, 연구팀은 식물과는 독립된 기원을 갖는 폴리넬라에서 독특한 엽록체 시그널 펩타이드를 발견했다.

[그림] 광합성 폴리넬라 현미경 사진

또한 폴리넬라에서 엽록체로 수송되는 유전자들의 기원을 분석한 결과 대부분 폴리넬라 핵으로부터 유래했다는 것을 밝혀냈다. 이는 엽록체가 형성되는 과정에서 기존의 동물성 폴리넬라 핵이 큰 역할을 한다는 것을 뜻한다.

윤환수 교수는 “식물의 초기 진화과정에서 어떤 일이 있었는지를 보여주는 모델생물로 광합성 폴리넬라 연구는 매우 중요하다”며 “광합성 폴리넬라 유전체 정보는 광합성 효율을 극대화하는 시스템/합성 생물학, 유전공학 등 응용 분야 연구의 기초자료로 활용될 수 있다”고 밝혔다. 

본 연구는 해양수산부의 포스트게놈 다부처유전체사업, 농촌진흥청의 바이오그린21사업과 연구재단의 중견연구지원 사업으로 수행되었으며, 생물학 분야 세계적 학술지 Molecular Biology and Evolution(IF*=11.062) 2월호에 게재되었다.
  ※ 논문 : Amoeba genome reveals dominant host contribution to plastid endosymbiosis(광합성 아메바 유전체를 통해 밝혀진 엽록체 진화)