| [미국] 밤 시간 동안 미세조류에서는 무슨 일이 벌어질까?
광합성(Photosynthesis)은 식물 생화학 분야에서 가장 잘 알려진 영역이다. 이로 인해 식물, 조류 그리고 선택된 박테리아들은 낮 시간 동안 태양으로의 빛을 당(sugar)과 녹말(오일과 단백질과 마찬가지로)로 이루어진 화학에너지로 전환시킬 수 있다.
광합성을 하는 생명체들은 밤 기간 동안 다른 종류의 생화학적 반응을 겪는데, 이 때 이들은 낮 시간 동안 저장해놓았던 당과 녹말과 같은 것들을 분해함으로써 에너지를 얻게 된다. 세포들은 밤 시간에 종종 저산소 조건을 경험하게 된다. 이때는 산소를 공기 중으로 방출하는 광합성이 일어나지 않으며 모든 광합성 및 비광합성 생명체들이 산소를 호흡하게 된다. 이러한 일이 벌어지고 있을 때, 단세포 조류인 Chlamydomonas와 같은 생명체는 산소를 소비하지 않고 당을 분해해서 세포 에너지를 발생시킨다. 이들은 우리가 효모를 이용해 알코올을 만드는 것과 유사하게 다양한 배양 경로를 통해 이러한 일들을 수행한다. 비록 일반적인 수상식물이나 육상식물 등에서 발견되는 중요한 기작이지만, 이들에 대해서는 아직까지 거의 알려진 바 없다.
이제, 카네기과학재단(Carnegie Institution for Science)의 Wenqiang Yang과 Arthur Grossman 및 콜로라도 광업대학(Colorado School of Mines)의 Matt Posewitz가 공동 연구를 통해 무산소 혹은 저산소 조건에서 Chlamydomonas가 보여주는 특별한 능력을 입증하는 결과를 보여주었다. 카네기 재단의 다른 동료들인 Claudia Catalanotti, Tyler Wittkopp, Luke Mackinder, 그리고 Martin Jonikas 등이 이번 연구를 도왔으며 그 결과는 Plant cell지에 게재되었다.
각각의 단계별 프로세스에서, 연구자들은 세포에 있어서 서로 다른 부분을 담당하고 있는 두 개의 완전히 동일한 경로의 중요성을 입증하기 위해 연속적인 돌연변이를 유도했다. 이 경로는 PAT1, PAT2, ACK1, ACK2에 의존하고 있다. ACK1과 PAT2는 광합성이 일어나는 장소인 엽록체(chloroplast)라 불리는 식물세포의 부분에서 위치해 있으며 ACK2와 PAT1은 당을 분해하는 영역인 미토콘드리아에 위치해 있다.
이에 대해 Grossman은 "놀랍게도, 우리는 엽록체 경로가 미토콘드리아 경로에 비해 배양 대사를 유지하는데 있어 훨씬 중요하다는 것을 발견했다. 당을 분해해 에너지를 만들어내는 과정이 미토콘드리아에서 일어나는 일인데도 말"이라고 말했다. 더 나아가 그들은 PAT-, ACK-조절 경로들이 이러한 조건에서 에너지를 만들어내는데 매우 중요하다는 것을 발견했다. 이와 관련해 Grossman은 "만약 우리가 밤과 낮의 사이클과 주변 산소 수준이 광합성 생명체의 생산성에 어떤 식으로 영향을 미치는지를 보다 잘 이해하기를 원한다면 보다 많은 연구가 필요할 것"이라고 덧붙였다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 11월 14일]
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Biochemistry detective work: Algae at night
Photosynthesis is probably the most well-known aspect of plant biochemistry. It enables plants, algae, and select bacteria to transform the energy from sunlight during the daytime into chemical energy in the form of sugars and starches (as well as oils and proteins), and it involves taking in carbon dioxide from the air and releasing oxygen derived from water molecules. Photosynthetic organisms undergo other types of biochemical reactions at night, when they generate energy by breaking down those sugars and starches that were stored during the day.
Cells often face low-oxygen conditions at night, when there's no photosynthesis releasing oxygen into the air and all photosynthetic and non-photosynthetic organisms in the environment are respiring oxygen. When this happens, some organisms such as the single-cell alga Chlamydomonas are able to generate cellular energy from the breakdown of sugars without taking up oxygen. They do this using a variety of fermentation pathways, similar to those used by yeast to create alcohol. Although critical to the survival of common aquatic and terrestrial organisms that are found all over the planet, many of the details regarding this low-oxygen energy creation process are poorly understood.
New work from a team including Carnegie's Wenqiang Yang and Arthur Grossman, and in collaboration with Matt Posewitz at the Colorado School of Mines, hones in on the biochemical pathways underlying the special flexibility of Chlamydomonas in responding to oxygen-free and low-oxygen conditions. Other Carnegie co-authors include Claudia Catalanotti, Tyler Wittkopp, Luke Mackinder, and Martin Jonikas. It is published by The Plant Cell.
In an arduous and exacting step-by-step process, the team used a series of specially created mutants to determine the importance of two identical branches of the fermentation pathway that are located in different compartments in the cell, both believed to be essential to dark, low-oxygen fermentation in Chlamydomonas. The pathways are dependent on four proteins, PAT1 and PAT2 and ACK1 and ACK2.
ACK1 and PAT2 are located in a part of the plant cell called the chloroplast, which is the compartment where photosynthesis takes place. ACK2 and PAT1 are located in the mitochondria, the organelle in plant and animal cells where sugar breakdown takes place.
"Surprisingly, we found that the chloroplast pathway is much more critical than the mitochondrial pathway for sustaining fermentation metabolism, even though generating energy from the breaking down of sugars is generally considered a mitochondrial process," Grossman said.
What's more, they found that although the PAT- and ACK-controlled pathways are indeed crucial to generating energy under these conditions, and to producing an important metabolite called acetate, there appear to be other undiscovered biochemical pathways that are participating in this process as well and capable of picking up at least some of the slack in the system. "The system needs more work, especially if we are going to understand the ways in which the day-night cycle and environmental oxygen levels impact the productivity of photosynthetic organisms on our planet," Grossman added.
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