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【브레이크뉴스 대구】이성현 기자= DGIST는 8일 뉴바이올로지전공 남홍길 연구팀이 미국 스탠포드대학 리처드 제어(Richard N. Zare) 교수 연구팀과 공동으로 마이크로 크기의 물방울에서 효소의 도움 없이 자연적으로 엽록소의 탈금속반응이 천 배나 가속되는 현상을 발견했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 생물물리 분야 최고의 국제학술지 ‘쿼터리 리뷰스 오브 바이오피직스(Quarterly Reviews of Biophysics) 지난 1일자로 온라인판에 게재됐다.
연구팀은 빛 에너지의 흡수 및 전환의 조절 비밀을 밝히기 위해 엽록소의 화학반응에 주목했다. 엽록소는 산성 조건에서 엽록소 분자 중심에 있는 마그네슘 이온이 수소 이온으로 교체되는 탈금속반응이 일어난다. 지금까지 일반 용액에서 탈금속반응을 실험할 경우 반응 속도가 빛 에너지의 흡수와 전달 속도에 비해 매우 느려 광합성에서 그 중요성이 간과돼 왔다.
남홍길 연구팀은 2015년 개발한 마이크로 크기의 물방울에서 생화학물의 반응 속도를 측정하는 방법을 엽록소 탈금속반응에 적용해 반응 속도가 약 천 배나 빨라진다는 사실을 발견했다. 이는 엽록소 반응의 중요성을 재발견해 광합성 조절에 대한 새로운 기전의 가능성을 제시한 것이다.
생물체에서는 다양한 생화학 반응이 물리적으로 제한된 공간에서 이뤄진다. 광합성 또한 식물의 세포 내 엽록체라는 소기관에서 이뤄지고, 엽록체 내의 ‘그라나’라는 더 작은 구조에서 엽록소가 빛을 흡수한다. 연구팀은 실제 식물의 물리적 공간과 유사한 환경에서 엽록소의 반응을 살펴보기 위해 마이크로 크기의 물방울을 만들어 생화학 반응의 반응 역학을 관찰했다.
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연구팀은 엽록소를 포함한 물방울과 염산을 포함한 물방울을 빠른 속도로 충돌시켜 십여 마이크로 크기의 융합 물방울을 만들고, 물방울의 비행거리 차를 둬 엽록소가 산에 의해 점차 탈금속화 돼가는 과정을 마이크로초의 빠른 속도로 측정했다.
그 결과 엽록소의 탈금속화 반응이 수십 마이크로초의 빠른 시간에 일어나는 현상을 발견했으며 이는 일반 용액 상태에서 측정한 값과 비교하면 약 천 배 정도 빠른 속도다. 이러한 결과는 마이크로 크기의 물방울이 갖는 물리적 공간의 제한 및 방울 자체의 표면 효과로 인한 것으로 추정된다.
DGIST 남홍길 Fellow는 “엽록소는 산화되면 광합성 기능을 잃지만, 탈금속반응은 엽록소의 산화를 방지하는 역할을 수행해 엽록소를 보호할 수 있다”며 “엽록소의 탈금속반응이 광합성 기구를 보호하거나 광합성 효율을 조절할 수 있는 새로운 메커니즘일 수 있으며 이러한 반응이 기존 생각과 달리 효소의 작용 없이도 충분히 빠를 수 있음을 제시한 연구다”고 말했다.
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