메탄 먹어치우는 미생물의 기작 규명…온실가스 저감 기초이론

기사입력 : 2019년11월04일 12:00

최종수정 : 2019년11월04일 12:00

온실가스 저감·바이오에너지 확보
관련 메탄자화균 작용 밝혀

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 메탄이 온실가스로 환경오염의 원인이기도 하지만 셰일가스의 주성분으로 에너지원으로도 주목받으면서 최근 환경과 에너지 분야에서 그 관심이 증대되고 있다.

4일 한국연구재단은 이승재 교수(전북대)·조운수 교수(미시건주립대) 연구팀이 메탄가스를 메탄올로 변환시키는 미생물 '메탄자화균'의 생화학적 기작을 규명, 온실가스 저감 및 바이오에너지 확보를 위한 기초이론을 제공했다고 밝혔다. 메탄자화균(methanotrophs)은 메탄가스를 유일한 에너지원으로 대사하는 미생물로 산소의 유무에 관계없이 자란다.

연구결과(논문명 "MMOD-induced structural changes of hydroxylase in soluble methane monooyxgenase(Science Advances)")는 국제학술지 '사이언스 어드밴시즈(Science Advances)'에 지난달 2일 실렸다.

[사진=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 저해제 (MMOD)와 촉진제 (MMOB)의 산화효소 (MMOH) 조절 기작을 규명했다. 조효소들의 구조분석을 통해 기질의 산화와 관련한 메커니즘을 이해할 수 있다. 본 연구에서는 저해효소(상)는 촉진효소(하)와 상이하게 4개 헬릭스 다발의 구조적 변화를 유도함을 증명했다. 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 이뤄낸다. [사진=한국연구재단] 2019.11.04. kimys@newspim.com

메탄을 먹고 자라는 메탄자화균이 가진 '메탄 모노옥시게나제' 효소복합체에 대한 연구는 30년 전부터 이뤄졌다. 메탄 모노옥시게나제(methane monooxygenase)는 메탄자화균에서 만들어지는 수용성 효소로 산화효소를 비롯한 다양한 조효소들이 존재하여 메탄을 산화시킨다.

하지만 이 복합체가 메탄을 메탄올로 변환시킬 때 산화효소(MMOH), 저해효소(MMOD) 및 촉진효소(MMOB) 등이 복잡하게 관여, 전체적인 기작에 대한 이해가 더뎠다.

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

kimys@newspim.com

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