산소 없이: 원시 미생물은 어떻게 호흡했는가

Goethe University Frankfurt, University of Marburg, Stockholm University의 과학자 팀이 세포 호흡의 고대 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이를 위해 그들은 이산화탄소와 수소 가스를 먹고 이를 아세트산으로 바꾸는 박테리아를 연구했습니다.

이는 진화의 아주 초기에 나타난 대사 경로입니다. 이 국제 팀은 이제 미생물이 이 과정을 사용하여 에너지를 생성하는 방법에 대한 미스터리를 해결할 수 있었습니다. 그들의 발견은 또 다른 이유로도 흥미롭습니다. 미생물이 환경에서 CO2를 제거하기 때문에 기후 변화에 맞서는 싸움에서 희망의 등대로 여겨지기 때문입니다.

동물, 식물 및 기타 많은 생물은 산소를 흡입하여 설탕과 같은 화합물을 CO 2 와 물로 "연소"(기술적으로는 산화)합니다. 이 과정에서 에너지가 풍부한 분자 ATP가 생성됩니다. 세포는 생명 반응을 구동하기 위해 ATP가 필요합니다.

그러나 지구가 존재하기 시작한 초기에는 지구 대기에 아직 산소가 없었습니다. 그럼에도 불구하고 오늘날에도 산소가 없는 생태계, 예를 들어 바다 바닥의 온천에서 발견되는 고대 박테리아에 대한 연구에 따르면 그때에도 특별한 형태의 호흡이 존재했을 수 있다고 합니다.

이 미생물은 이산화탄소와 수소를 "호흡"하여 아세트산을 만듭니다. 그들이 그렇게 하는 대사 경로는 얼마 전부터 알려져 있습니다. 지금까지 답이 나오지 않은 질문은 이 과정을 어떻게 사용하여 ATP를 생성하는가입니다. 현재 연구에서 이제 답을 제공합니다. "아세트산 생성 자체가 정교한 메커니즘을 활성화하여 나트륨 이온이 박테리아 세포에서 환경으로 펌핑된다는 것을 보여줄 수 있었습니다." 프랑크푸르트 괴테 대학교 분자 미생물학 및 생물 에너지학과의 교수인 폴커 뮐러가 설명합니다. "이것은 세포 내부의 나트륨 농도를 감소시켜 세포 외피가 이온에 대한 일종의 댐 역할을 합니다. 이 댐이 열리면 나트륨 이온이 세포로 다시 흘러들어 ATP를 생성하는 일종의 분자 터빈을 구동합니다."

세포호흡효소는 불과 몇년전에 분리되었다

Rnf 복합체로 알려진 다양한 단백질의 집합체는 이 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 단백질은 대부분 박테리아 세포를 둘러싼 막 내부에 묻혀 있습니다. "이 복합체는 매우 민감해서 몇 년 전에야 분리할 수 있었습니다." 뮐러는 강조합니다. 이산화탄소가 수소와 반응하여 아세트산을 형성하면 전자가 일련의 다양한 중간 단계를 거쳐 수소에서 탄소 원자로 전달되는데, 이 과정에서 Rnf 복합체는 매개 역할을 합니다. 즉, 전자를 흡수하여 전달합니다.

현재 연구에서 과학자들은 이 과정에서 정확히 무슨 일이 일어나는지 보여주었습니다. Müller 연구 그룹과 Marburg 대학의 Jan Schuller 박사 연구 그룹의 박사 과정 학생인 구조 생물학자 Anuj Kumar는 Acetobacterium woodii 박테리아의 정제된 Rnf 복합체를 "충격 동결"한 다음 캐리어 플레이트에 떨어뜨리는 냉동 전자 현미경이라는 정교한 방법을 사용했습니다. 이 과정에서 수백만 개의 Rnf 복합체가 포함된 얇은 얼음 필름이 생성되며 전자 현미경을 사용하여 관찰할 수 있습니다. 떨어뜨리는 과정에서 캐리어 플레이트에 다르게 떨어지기 때문에 현미경으로 다른 면을 볼 수 있습니다.

"이러한 이미지는 3차원 이미지로 결합될 수 있으며, 이를 통해 복합체의 구조, 특히 전자 전달에 필수적인 부분에 대한 정확한 통찰력을 얻을 수 있었습니다." 쿠마르가 설명합니다. 다양한 간격으로 촬영한 이미지를 분석한 결과, 복합체의 개별 구성 요소가 딱딱하기는커녕 동적으로 앞뒤로 움직인다는 것을 알 수 있습니다. 이를 통해 전자 운반체는 더 긴 거리를 연결하고 화물을 전달할 수 있습니다.

근본적으로 새로운 메커니즘

질문은 남았습니다. 전자의 흐름은 어떻게 나트륨 이온의 유출을 촉진할까요? 스톡홀름 대학의 빌 카일라 교수 연구팀이 수행한 분자 동역학 시뮬레이션이 이 질문에 대한 초기 답변을 제공했습니다. 핵심적인 역할은 막 중앙에 위치한 철과 황 원자 클러스터가 담당하는데, 전자를 흡수한 후 음전하를 띱니다. 뮐러 연구팀의 박사 후보생인 제니퍼 로스는 "세포 내부의 양전하를 띤 나트륨 이온은 자석처럼 이 클러스터로 끌립니다."라고 설명합니다. "이러한 인력으로 인해 단백질이 철-황 클러스터 주위로 이동하게 되는데, 이는 로커 스위치와 매우 유사합니다. 단백질은 막 외부로 이어지는 개구부를 만들고, 이를 통해 나트륨 이온이 다시 방출됩니다."

로스는 Rnf 단백질에 특정한 유전적 변화를 가함으로써 이 과정을 확인할 수 있었습니다. 이 근본적으로 새로운 메커니즘이 밝혀질 수 있다는 사실은 세 대학 간의 성공적인 협력의 증거입니다. 결과를 더욱 흥미롭게 만드는 것은 미생물이 아세트산 생산 과정에서 환경에서 CO 2를 흡수하는 능력입니다 . 이 능력은 예를 들어 산업 폐기물 배출에서 온실 가스를 제거하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 기후 변화를 늦추는 데 도움이 되는 동시에 화학 산업에 귀중한 원료를 제공할 수 있습니다. 뮐러는 "박테리아가 이 과정에서 에너지를 생성하는 방식을 알게 되면 이 과정을 최적화하여 더욱 고품질의 최종 제품을 생산할 수 있을 것입니다."라고 희망합니다. 이 발견은 또한 유사한 호흡 효소를 가진 병원균에 대한 새로운 약물의 시작점을 제공할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250317163638.htm