광합성(photosynthesis)이 일어나는 동안 물을 쪼개는 산소를 포함한 복합체의 정확한 구조가 리켄 SPring-8 센터(RIKEN SPring-8 Center), 오카야마대(Okayama University) 및 일본 과학기술진흥기구(JST•Japan Science and Technology Agency)의 연구자들에 의해 밝혀졌다.

자연적인 광합성에 대한 새로운 모델은 자연의 공정을 따라 만든 물을 분해하는 촉매를 만들어내는데 있어 일종의 청사진을 제시할 수 있을 것이다. 자연에서 일어나는 광합성은 고등 식물, 조류 및 시아노박테리아(cyanobacteria)들이 세포막에서 발견되는 광계II(photosystem II)로 알려진 염료-단백질 복합체에서 일어난다. 이 복합체는 물이 산소, 수소와 전자들로 쪼개지도록 촉매하는 역할을 한다. 이론적으로, 이 반응은 태양에 의해 가동되는 연료 사이클의 일부이며 최종 산물로 산소와 수소가 방출되는 열에 의해 결합되어 물이 만들어진다.

이에 대해 리켄 연구팀의 Hideo Ago는 “태양과 물로부터 지속가능하며 청정한 에너지를 만들어내는데 있어서의 걸림돌은 물을 쪼개는 효과적인 인공 촉매를 만들어내는 데 있다”고 말했다. 이것은 왜 자연적인 과정에 의해 물이 분해되는 과정에 많은 연구가 집중되고 있는지를 설명해줄 수 있다.

광계II에 대한 구조는 X선 회절 크로마토그래피(x-ray diffraction crystallography)에 의해 고해상도로 보고되었으며 이 시스템과 관련된 구체적인 모델 역시 이미 제시된 바 있다. 하지만, 이러한 분석에 이용된 고에너지 X선은 이 복합체의 구조에 영향을 줄 수 있으며, 그 결과 실제 일어나는 현상과는 다른 모습이 제시될 수 있다.

이번 연구에서, 연구팀은 리켄의 ‘SACLA’ X선 자유전자 레이저 시설에 의해 발생된 연속적인 극초단파 X선 펄스를 이용해 데미지를 주지 않고 구조를 정확하게 측정하는데 성공했다. 짧은 펄스(short pulse)는 구조에 데미지를 주지 않으며 보다 정확하게 연구자들이 Thermosynechococcus vulcanus라는 미생물의 광계II의 구조를 관찰할 수 있게 해 주었다. 그 결과는 촉매가 망간과 칼슘 원자를 지닌 산소원자들 사이의 클러스터에서 발생한다는 것을 보여주고 있다. 원자들 사이의 거리에 대한 보다 정확한 출정을 통해 연구자들은 산소 원자들 중의 하나가 실제적으로 하이드록사이드 이온(hydroxide ion)을 형성해 물 원자를 쪼갠다는 사실을 알아낼 수 있었다.

이에 대해 오카야마대의 연구진 중의 한 명인 Jian-Ren Shen은 “우리는 물이 쪼개지는 반응 이전에 ‘암 안정(dark-stable)’ 상태의 구조를 밝혀낼 수 있었다. 이제 우리는 동일한 방법을 이용해 반응 전반에 걸친 분석을 진행하려 한다”고 말했다. 그러한 연구는 생물학적인 광합성 반응의 비밀을 밝혀 지속가능한 연료를 만들어내는데 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 [uga, M., Akita, F., Hirata, K., Ueno, G., Murakami, H., Nakajima, Y., Shimizu, T., Yamashita, K., Yamamoto, M., Ago, H. & Shen, J.-R. "Native structure of photosystem II at 1.95 A resolution viewed by femtosecond X-ray pulses." Nature 517, 99–103 (2015). DOI: 10.1038/nature13991]을 참고하기 바란다.

그림: 산소를 포함하고 있는 광합성 복합체의 분자구조

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 11일]