한·일 등 4개국, 엽록소 a,b에 숨겨진 비밀 첫 규명

시스템적 접근 시도…"최고 효율 아니지만 과잉 광합성 억제 기능"

녹색식물이 빛을 흡수하는 엽록소는 a와 b 두 종류가 있다. 엽록소 기능에 대해선 생물학적으로 분자단위 연구도 많이 진행했다.

그러나 왜 이 같이 엽록소가 두 종류로 나뉘어 존재하는지 의문을 던지거나, 규명해 본 적은 없다.

한국에너지공과대학교(KENTECH)는 김희태 교수 연구팀이 8년간 국제공동으로 녹색 식물, 녹조류, 남세균 등의 광합성을 담당하는 엽록소 구성 및 위치에 숨겨진 비밀을 최초로 규명, 공개했다고 12일 밝혔다.

국제 연구는 일본(국립기초생물학연구소, 국립분자과학연구소, 니혼대, 도쿄대, 교토대), 오스트리아(공급망연구소), 칠레(탈카대)가 참여했다.

광합성 에너지전달 네트워크 개념 그림. KENTECK 국제공동 연구팀이 엽록소가 2개인 이유를 찾았다.(그림=KENTECH)

녹색 식물에는 빛을 효과적으로 흡수하는 집광안테나복합체 (LHCII)가 있다. 광합성에 중요한 역할을 하는 광계 (Photosystem) I과 광계II에는 엽록소a만 있는 반면, 집광안테나복합체에서는 특별히 엽록소b도 함께 에너지 전달을 매개한다.

기존 연구에서는 이 두 가지 엽록소들 각각의 물리적, 생화학적 특성을 주로 규명했다.

김희태 교수는 "집광안테나복합체에서 엽록소a와 b가 왜 현재와 같은 비율과 위치로 존재하는지 근본적인 이유에 대해서는 진화적인 비밀로 남아 있었다"고 설명했다.

김 교수는 "에너지 전달 네트워크를 구축해 분석했더니, 자연계 광합성이 최고 효율은 아니지만 상당히 효율적인데다 땡볕과 같은 가혹 조건에서 스스로 광합성을 억제하는 기능을 나타냈다"고 부연 설명했다.

연구팀은 이 연구를 위해 8년 간 엽록소 에너지 전달률을 수치화했다.

연구팀은 자연 상태 식물과 다양한 가상 식물 시나리오를 비교 분석, 자연계에 존재하는 식물이 가장 효과적이면서도 안전한 형태의 엽록소를 구성하고 있음을 밝혔다.

김 교수는 "엽록소가 왜 2개 존재하는지를 이해할 수 있는 방법론을 처음 제시한 것"이라며 "녹색 식물 등이 진화적인 선호로 인해 현재와 같이 발달한 것으로 볼 수 있다"고 덧붙였다.

니혼대 김은철 교수는 “지금까지 시도된 적 없는 융합적 접근을 통해 광합성 시스템의 비밀을 밝혀낸 성과"라고 말했다.

김은철 교수는 또 "현재 한국에서는 ‘인공’ 광합성에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있지만, ‘자연’의 광합성에 대한 기초연구는 아직 미비한 상황"이라며 "이 연구와 앞으로 이어질 국제공동연구가 한국 광합성 연구 기반을 강화하고, 학문적 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 전했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴스드 온라인판(5월9일자)에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통부신부와 한국연구재단 지원(우수신진연구자 지원사업)을 받았다.

광합성에 관여하는 엽록소의 비밀을 푼 KENTECH 김희태 교수.