[일본] 후쿠시마 지역의 미생물 토양 정화
 호염성 미생물의 단백질이, 일본 후쿠시마 다이이치 핵발전소 사고를 통해 유출된 방사성 스트론튬(Sr) 및 세슘(Cs) 이온의 정화에 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다. X선 구조 분석을 통해, 호염성 미생물인 Chromohalobacter sp. 560의 베타-락타마아제(beta-lactamase) 효소에 세슘 선택적인 결합 부위가 존재하는 것이 확인되었다.
호염성 미생물의 단백질이, 일본 후쿠시마 다이이치 핵발전소 사고를 통해 유출된 방사성 스트론튬(Sr) 및 세슘(Cs) 이온의 정화에 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다. X선 구조 분석을 통해, 호염성 미생물인 Chromohalobacter sp. 560의 베타-락타마아제(beta-lactamase) 효소에 세슘 선택적인 결합 부위가 존재하는 것이 확인되었다. 일본 원자력에너지 연구소, 가고시마대학교와 미국 플로리다주립대학교 공동 연구진은 1.8~2.9 옹스트롬 해상도 조직을 이용하여 효소를 분석하였다. 또한 변칙적인 X-선 회절을 통해 스트론튬과 세슘 이온에 대한 단백질 상의 결합 부위를 밝혀내는데 성공하였다.
연구진은, 일반적으로 다른 결합부위보다 우수한 성능을 보이는 9겹 나트륨 이온의 분자적 과잉 존재 상에서도, 단백질 상 특정 부위에서 세슘 이온이 선택적으로 위치할 수 있는 이유를 알아내고자 하였다. 흥미롭게도, 스트론튬과 세슘 이온의 존재가 효소의 활성 감소를 유발하지는 않는 것으로 나타났다. 효소 활성은 등온 적정 열량측정법(isothermal titration calorimetry)을 통해 결정될 수 있다. 연구진은 “선택적이고 매우 친화적인 세슘 결합 위치의 발견은, 인공적인 세슘 결합 위치 설계에 매우 중요한 정보를 제공한다. 이는 방사성 동위원소의 생물복원에 매우 유용하다”고 설명하였다.
호염성 박테리아 유래 단백질은 산성 아미노산이 풍부한 것으로 잘 알려져 있으며, 이러한 단백질의 산성 표면을 통해 금속 이온과 상호작용하게 된다. 단백질 데이터뱅크 내 기록된 효소는 12가지 종류이며, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 철, 아연, 스트론튬, 칼슘 이온과 결합하는 특성을 가진다. 다양한 효소 내 이러한 물질의 존재는, 일반적으로 효소의 구조와 기능성의 전제 요건이다. 이러한 금속 친화력을 바탕으로, 호염성 미생물 단백질을 혼합물 또는 유독한 금속 이온에 오염된 지역을 복원할 때 특정 금속을 분리하는 도구로 활용할 수 있다. 또한, 단백질을 인공 시약을 위한 모델로 활용할 수도 있다.
후쿠시마 사고 이후, 해당 지역의 토양은 방사성 세슘으로 대부분 오염되었다. 2.4PBq 수준의 방사성 물질이, 풍화 흑운모, 화성암과 변성암에서 발견되는 운모 광물 등의 토양 입자에 고정되어 있다. 많은 양의 토양이 제거되고 있지만, 안전한 처리를 위한 방사성 원소 추출 방안에 대한 논의는 아직 마무리되지 못하고 있다. 사고 지역에 남아있는 토양 또한 세슘에 오염되어 있지만, 환경으로 침출되고 있는 토양 내 세슘을 경제적으로 추출할 수 있는 방법이 없는 상태이다.
연구진은 합성생물학 기술을 통해, Chromohalobacter의 베타-락타마아제와 관련된 단백질 흡착제를 설계할 수 있을 것으로 보았다. 자연 상태의 단백질에 특정 금속 친화력이 강화되도록 재조합하는 접근법을 고려할 수 있다. 그 다음으로, 오염지역에서 생장할 수 있는 식물의 새로운 번식 과정에 적용할 유전자를 재조합하여 도입시킬 수 있다. 식물 뿌리에 이러한 단백질 흡착 특성이 발현되면 토양 내 세슘을 효율적으로 추출할 수 있으며, 이러한 식물은 방사능 물질의 새로운 보관물이 되는 것이다. 수확된 식물은 토양 환경을 정화할 뿐만 아니라 안전하게 폐기될 수 있다.
Ryota Kuroki 박사는 “세슘 제거는 무엇보다 중요하지만, 일본에서는 유전적으로 재조합된 식물을 사용할 수 있는 여건이 충분히 마련되지 않았다. 따라서 우리 연구진은, 호염성 단백질의 구조 정보로부터 유도된 재조합 단백질을 이용하여 희귀 물질을 회수할 수 있는 적합한 장소를 찾도록 노력하고 있다”고 덧붙였다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 16일]
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Microbial soil cleanup at Fukushima
Proteins from salt-loving, halophilic, microbes could be the key to cleaning up leaked radioactive strontium and caesium ions from the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant incident in Japan. The publication of the X-ray structure of a beta-lactamase enzyme from one such microbe, the halophile Chromohalobacter sp. 560, reveals it to have highly selective cesium binding sites.
A collaboration between researchers at the Japan Atomic Energy Agency in Tokai, Ibaraki, Kyushu Synchrotron Light Research Center in Saga, Kagoshima University, and Florida State University, Tallahassee, USA, has led to a 1.8 to 2.9 angstrom resolution structure for this enzyme. Anomalous X-ray diffraction also revealed binding sites in the protein for Sr2+ and Cs+ ions, the team reports.
The team demonstrated how they could locate caesium ions in a specific site within the protein even in the presence of a nine-fold molar excess of sodium ions, which would normally out-compete any binding site. Intriguingly, the presence of strontium and caesium ions does not diminish the activity of the enzyme determined using isothermal titration calorimetry. "The observation of a selective and high-affinity caesium-binding site provides important information that is useful for the design of artificial caesium-binding sites that may be useful in the bioremediation of radioactive isotopes," the team explains.
It is well known that proteins from halophilic bacteria have an abundance of acidic amino acids and so present an acidic surface that can interact with a range of metal ions. There are twelve types of such enzymes recorded in the Protein Data Bank that can bind to sodium, magnesium, potassium, calcium, iron, zinc, strontium and cadmium ions. Indeed, the presence of these materials in various enzymes is usually a prerequisite for their structure and functionality. Because of this metal affinity, the team reasoned that proteins from halophiles might be useful as molecular mops for separating precious metals from mixtures or in remediation when toxic metals ions must be extracted selectively from a site. More specifically, the proteins could act as models for artificial reagents to be used in this context.
With respect to the Fukushima incident, the team explains that most of the radioactive caesium was deposited on the land at the site. Amounting to 2.4 petabequerels (PBq) of radioactivity and it is fixed in soil particles, comprising weathered biotite, a micaceous mineral found in many igneous and metamorphic rocks. Much of the soil has been removed, but the issue of extracting the radioactive elements for safe disposal has not been addressed. Moreover, the soil that remains at the site is also contaminated and no cost-effective method for extracting the caesium that leeches from it into the environment has been demonstrated.
The team suggests that protein absorbents related to the beta-lactamase from Chromohalobacter might be designed using the techniques of synthetic biology, the most likely approach being to engineer a native protein to make the affinity site described by the team. The genes for such an agent might then be engineered into new breeds of plant that could be grown on the site. With the protein absorbents expressed in plant roots, caesium could be extracted from the soil efficiently, the plants harvested and their new radioactive cargo disposed of safely, leaving behind improved soil.
"Although the removal of caesium is an important theme for us, public acceptance for the use of genetically engineered plants is not strong enough here in Japan, so we are going to shift our theme for finding useful sites to gather other rare materials using engineered proteins derived from the structural information of the halophilic proteins," team member Ryota Kuroki said.
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