메탄 먹어치우는 미생물의 기작 규명
메탄 먹어치우는 미생물의 기작 규명
  • 한국과학경제
  • 승인 2019.11.04 12:00
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온실가스 저감 및 바이오에너지 확보와 관련 메탄자화균 작용 밝혀
(그림1) X-선 회절분석에 의한 산화-저해효소 (MMOH-MMOD) 중합체 구조 규명산화효소(좌)의 구조는 1993년 밝혀졌으나, 현재까지 저해효소(MMOD)의 결합에 대한 정보가 전무하다. 발표 논문에서는 산화효소-저해효소 (MMOH-MMOD, 가운데)의 구조를 X-선 회절분석으로 규명하였다. 이를 통해 현재까지 의문으로 남아있는 MMOD(우)의 구조 및 산화효소의 조절 메커니즘에 대한 해답을 제시하였다.
(그림1) X-선 회절분석에 의한 산화-저해효소 (MMOH-MMOD) 중합체 구조 규명산화효소(좌)의 구조는 1993년 밝혀졌으나, 현재까지 저해효소(MMOD)의 결합에 대한 정보가 전무하다. 발표 논문에서는 산화효소-저해효소 (MMOH-MMOD, 가운데)의 구조를 X-선 회절분석으로 규명하였다. 이를 통해 현재까지 의문으로 남아있는 MMOD(우)의 구조 및 산화효소의 조절 메커니즘에 대한 해답을 제시하였다.
(그림2) 저해제 (MMOD)와 촉진제 (MMOB)의 산화효소 (MMOH) 조절 기작 규명조효소들의 구조분석을 통해 기질의 산화와 관련한 메커니즘을 이해할 수 있다. 본 연구에서는 저해효소(상)는 촉진효소(하)와 상이하게 4개 헬릭스 다발의 구조적 변화를 유도함을 증명하였다. 저해제의 경우 헬릭스 B와 C의 위치 변화를 유도(상, 붉은색 화살표)하나, 촉진제의 경우 헬릭스 E와 F의 구조적 유지 및 변화를 유도(하, 붉은색 화살표)한다. 최종적으로 철 이온이 함유된 활성부위(Fe-Fe)의 배위결합을 변화시켜 산소분자의 활성 및 비활성화 상태를 이루어 낸다.
(그림2) 저해제 (MMOD)와 촉진제 (MMOB)의 산화효소 (MMOH) 조절 기작 규명조효소들의 구조분석을 통해 기질의 산화와 관련한 메커니즘을 이해할 수 있다. 본 연구에서는 저해효소(상)는 촉진효소(하)와 상이하게 4개 헬릭스 다발의 구조적 변화를 유도함을 증명하였다. 저해제의 경우 헬릭스 B와 C의 위치 변화를 유도(상, 붉은색 화살표)하나, 촉진제의 경우 헬릭스 E와 F의 구조적 유지 및 변화를 유도(하, 붉은색 화살표)한다. 최종적으로 철 이온이 함유된 활성부위(Fe-Fe)의 배위결합을 변화시켜 산소분자의 활성 및 비활성화 상태를 이루어 낸다.

 

한국과학경제=윤혜민 기자】 한국연구재단은 전북대 이승재 교수· 미 미시건주립대 조운수 교수 연구팀이 메탄가스를 메탄올로 변환시키는 미생물, 메탄자화균의 생화학적 기작을 밝혀 온실가스 저감 및 바이오에너지 확보를 위한 기초이론을 제공했다고 밝혔다.

메탄자화균(methanotrophs)은 메탄가스를 유일한 에너지원으로 대사하는 미생물로 산소의 유무에 관계없이 자란다. 메탄이 온실가스로 환경오염의 원인이기도 하지만 셰일가스의 주성분으로 에너지원으로도 주목받으면서 최근 환경과 에너지 분야에서 그 관심이 증대되고 있다.

메탄을 먹고 자라는 메탄자화균이 가진 메탄 모노옥시게나제라는 효소복합체에 대한 연구는 30년 전부터 이뤄졌다. 하지만 이 복합체가 메탄을 메탄올로 변환시킬 때 산화효소(MMOH), 저해효소(MMOD) 및 촉진효소(MMOB) 등이 복잡하게 관여하고 있어 전체적인 기작에 대한 이해가 더뎠다.

메탄모노옥시게나제(methane monooxygenase)는 메탄자화균에서 만들어지는 수용성 효소로 산화효소를 비롯한 다양한 조효소들이 존재하여 메탄을 산화시킨다.

연구팀은 메탄자화균(Methylosinus sporium 5)으로부터 순도 높은 산화효소(MMOH)를 정제하고 산화효소와 저해효소(MMOD)가 결합한 복합체(MMOH-MMOD)의 결정구조를 얻는 데 성공했다.

나아가 이 결정구조에 대한 X선 분석 결과, 저해효소가 산화효소를 방해해 메탄의 산화를 저해하는 기작도 설명해냈다.

메탄가스가 메탄올이 되려면 산화효소(MMOH)의 활성부위에 메탄이 자리잡을 수 있도록 철(Fe)이 산소분자와 결합해 구조가 바뀌어야 한다.

이 과정에서 저해효소(MMOD)가 촉진효소(MMOB)와 같은 자리를 두고 다투며 철(Fe)의 결합을 억제함으로써 활성부위의 구조변화를 유도, 메탄이 활성부위에 접근하지 못하도록 방해하는 것을 알아냈다.

밝혀진 메탄자화균의 메탄 대사경로를 기반으로 대사공학을 활용하면 메탄으로부터의 바이오 연료 또는 화학 소재 등 다양한 종류의 고부가가치 산물의 생산을 앞당길 수 있을 전망이다.

연구팀은 향후에도 최소 8개 이상의 폴리펩타이드 결합이 관여하는 메탄의 메탄올 대사 과정에 대한 촉매회로도 완성을 목표로 연구를 지속할 계획이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 사이언스 어드밴시즈(Science Advances)에 10월 2일 게재되었다.


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