광합성의 치명적인 문제점!｜가장 많지만 바보 같은 단백질, 루비스코 이야기

0:00 지구 거의 모든 생명체에 근간이 되는 화학 반응이 하나 있습니다네 바로 광합성이 물과 이산화 탄소 그리고 여기에 빛만 있으면 식물의 엽록체에서 포도당과 산소가 만들어지는이 반응은 얼핏 보면 별거 아닌 것 같아 보이지만 무기물이 유기물로 전환되는 지구에서 가장 중요한 생물학적 반응입니다 우리를 포함한 모든 동물들의 에너지원의 근원은 식물이 만든 포도당에서 비롯되기 때문이죠 그리고 광합성 과정에서이 포도당을 생성하는데 가장 중요한 단백질이 하나 있었어 바로 오늘 영상의 주인공 루비스코 있니다 그리고이 녀석은 아이러니하게도 지구상에 가장 많고 중요하면서도 가장 바보 같은 단백질이죠 루비스 코에 대해 말하려면 먼저 광합성 과정을 나눠서 살펴봐야 합니다 명반응과 안 반응인데요 아마

0:47 고등학교 생명과학 2 시간에 배웠던 기억이 있을 겁니다 아주 간단히 말해서 명 반응은 빛을 이용해 물로부터 에너지원인 atp 만들고 산소를 방출하고 빛이 이용되기 때문에 명의란 글자가 붙었습니다 니다 자 그런데 보시다시피 명반응에서 이산화 탄소가 전혀 쓰이지 않습니다 즉 이산화 탄소를 포도당으로 만드는 과정은 따로 있다는 건데요 그게 바로 안 반응입니다 반응 과정에 빛이 필요 없어 붙여진 이름일뿐 저녁에 일어나는 반응은 아닙니다 아무튼 안 반응은 기공을 통해 흡수된 이산화 탄수가 캘빈 회로라고 불리는 1년의 과정을 거치며 최종적으로는 포도당이 만들어지는 과정인데요 그 시작에 꼭 필요한 효소가 바로 루비스코 있니다 루비 스코는 이산화 탄수 한부 분자를 유비라는 탄소 다섯 개짜리 분자에

1:33 결합시켜 탄소 여섯 개짜리 분자를 만듭니다 물론이 분자는 만들어지자마자 탄소 세 개짜리 쪼개지고 이들이 복잡한 과정을 거쳐 탄소 여섯 개짜리 포도당이 만들어지죠 즉 루비스코 없이는 안 반응이 시작될 수 없기 때문에 이들은 광합성 과정에서 가장 중요한 효소 중 하나입니다 여기서 추가로 말씀드리자면 안 반응에서 처음 만들어지는 탄소 화합물이 탄소 세 개 짜리였다 이런 식물을 C3 식물이라고 부 는데요 이런 C3 식물은 식물계에 무려 95% 차지합니다 그럼 나머지 5% 뭘까요 나중에 설명할 테니 잘 따라와 주시면 감사하겠습니다 자 그런데 말입니다 여기서 한 가지 재미있는 사실은이 루비 스코라 녀석은 반응 속도가 엄청나게 느리다는 겁니다 대개의 효소들은 초당 수천에서 만게는

2:21 수억 번의 화학 반응을 하는데 비해 루비 소코는 1초에 고작 세 개에서 개의 이산화 탄수만 고정시킵니다 이렇게 늘려서는 의미 있는 광 합성을 하기 어려울 텐데요 식물은이를 아주 간단한 방법으로 극복했습니다 루비스코 양을 엄청나게 늘려서 느려 터진 속도를 상쇄시킨 거죠 그래서 루비 스코는 식물체의 수용성 단백질의 무려 약 40% 차지합니다 정말 엄청나죠 실제로 1979년 영국의 식물 생리 학자였던 존 앨리스는 지구에서 루비스코 총 질량은 약 0.04g 정도이며이는 지구에서 가장 많은 단백질이 거라고 언급한 바 있습니다 물론 최근 들어서 루비 스코어의 질량을 영 1.7기가 예측하는 연구도 있고 다른 한편에서는 가장 많은 단백질인는 확실치 않다는 연구도 있긴 하지만 지구에서 엄청나게 풍부한

3:08 효소인 것만은 분명하죠 그런데 이쯤 되니 한 가지 궁금증이 생깁니다 아니 루비 스코는 엄청나게 중요한 효소 이에도 반응 속도가 왜 그렇게 느린 걸까요 빠를수록 광합성 효율이 높아졌을 텐데 말이죠 여기엔 몇 가지 가설이 있는데 가장 대표적인 이유로 꼽히는 건 바로 다중 기능성 있니다 보통의 효소는 특정 분자에 특이적으로 결합하는데 루비스코 경우 이산화 탄소를 붙잡을 수도 있고 산소도 붙잡을 수 있습니다 즉이 두 기질 중 적합한 놈을 선택하는데 어려움을 겪어 반응 속도가 느리다는 거죠 루비스코 이런 특징 때문에 광합성에서 문제가 발생합니다 이산한 탄소의 농도가 낮거나 고온 건조한 환경에서는 루비 스코가 이산화 탄소 대신 산소를 더 자주 붙잡아 반응시키는 현상이 그것이죠이를 광호흡이 하는데요 광호흡

3:55 과정에서는 독성 물질이 만들어지고이를 제거하는 과정에서 이산한 산소가 생성되기 때문에 호흡이란 단어가 붙었죠 하지만 에너지를 생성하는 진짜 세포 호흡과 달리 광 호흡은 독성 물질을 제거하는 과정에서 불필요하게 에너지가 소비됩니다 즉 식물에게는 불리한 반응이죠 물론 최근 들어서는 광호흡이 식물체 내에서 산소가 독성 물질로 변하는 과정을 어느 정도 억지 않은 방어 역할을 한다는 연구도 있지만 식물이 생산하는 에너지의 30% 가까이가 광호흡이 낭비되기 때문에 득보다는 실이 많은 반응이면 분명합니다 이런 면에서 루비스 스코는 참 바보 같은 효소 아닌가요 애초에 이산화 탄수만 붙잡을 수 있었다면 좋았을 텐데 도대체 왜 이렇게 진화하게 된 걸까요 일부 생물학자들은 그 원인으로 초기 지구 환경을 꼽습니다 루비스코 처음 등장한

4:42 25에서 30억 년 전 지구 대기는 상대적으로 이산화 탄소의 농도가 산소 농도보다 높았습니다 쉽게 말해 루비 스코는 눈 감고 골라도 이산화 탄소와 결합해 탄소 고정을 시킬 수 있었죠 즉 산소와 이산화 탄소를 굳이 구별할 필요가 없었던 겁니다 하지만 시간이 지나면서 지구 대기 중에 산소가 증가하고 이산한 탄소가 줄어들면서 루비스코 men이 둘을 명확히 구분 결합하는데 애를 먹기 시작했고이를 위한 해결책이 단백질의 효율성 개선이 아니라 그 수를 늘리는 방향이었다 겁니다 그래서 루비스코 비효율적인 효소로 남게 됐죠 물론 루비스코 때문에 일어나는 광 호흡을 개선한 식물들도 있습니다 앞서 말한 나머지 5% 식물들 기억하시나요 바로 C4 식물과 캠 식물들이 C4 식물은

5:27 공간을 나눠 광호 문제를 해결 했는데요 한쪽 공간에서는 루비스코 다 이산한 탄소와 결합력이 훨씬 큰 PC 아는 효소를 이용해 탄소로 고정시키고 여기서 만들어진 이산화 탄소는 다른 공간으로 계속해서 보내집니다 그럼 다른 공간에서는 상대적으로 이산화 탄소 농도가 높게 유지되겠지만 캘빈 회로를 돌리면 루비스코 not 이산화 탄소화 결합해 탄소를 고정시키게 되고 산수화는 결합하지 않아 광호흡이 일어날 확률이 줄어듭니다 한편 캠 식물은 공간을 나누는 는 대신 시간을 나눠 밤에 이산한 탄소를 고정 저장해 뒀다가 낮에는 기공을 닫고 저장해 둔 이산한 탄소를 꺼냈으며 안 반응을 진행시키는 방법으로 광호흡 억제하고 있죠 앞서 말했듯 광호흡 고온에서 잘 발생하기

6:12 때문에 포와 캠 식물은 주로 고온 건조한 환경에 분포합니다 포 식물에는 옥수수와 사탕 수수가 캠 식물에는 파인애플과 선인장이 대표적이죠 하지만 앞서 말했듯 식물계의 95% C3 식물이고 C4 식물의 비중은 고작 1% K 식물 역시 3에서 4% 불과하죠 즉 거의 대부분은 C3 식물이며 특히 주요 작물인 벼 콩 밀 보리 등이 여기에 속해 있습니다 자 그럼 여기서 이런 질문을 할 수 있습니다 아니 유전공학이 그렇게 발전했는데 C3 식물의 루비스코 관련 유전자를 변형시켜 이산화 탄 수화만 결합시킬 수 있게 만들면 되지 않나라는 질문이죠 이렇게 하면 작물 생산량을 획기적으로 늘릴 수 있을 텐데 말입니다 당연히 과학자들도 같은 생각을 했습니다 가장 많이 시도됐던

6:57 방법으로는 루비 스크루 암호 한 유전자를 수정해 루비스코 이산 탄소 친화도를 높이거나 활성 속도를 높이는 방법인데요 사실 이게 말처럼 쉽지 않습니다 유전자가 한두 개도 아니고 어떻게 변형시켜야 더 효과적인 단백질이 만들어질지는 경우의 수가 엄청나기 때문이죠 그래서 일부 식물학자들은 특정 홍조류 아 남세균의 활성도가 높은 루비스코 변종이 있다는 사실을 발견하고는 이들의 루비스코 효소 복합체 중 일부를 다른 작물에 도입해서 광호흡 억제하고 생산성을 늘리는 방법 등을 시도하고 있습니다 또 한 가지 재미있는 연구 로는 박테리아를 활용한 방법인데요 앞에서 루비 스코가 한 분자의 이산화 탄소를 탄소 다섯 개짜리 분자에 고정시킨다 했잖아요이 다섯 개짜리 탄소화 화물을 알류 비라고 하는데 재미있는 건이 분자가 대장군에는 독성으로 작용한다는

7:43 사실이죠 자 그럼 어떻게 실험을 설계할 수 있을까요 대장균에 루비스코 유전자를 넣어 줍니다 그리고이 대장균을 키운 배지에 알류 비를 조금 넣어 주는 거죠 당연히이 물질은 독성으로 작용하겠지만 루비스코 유전자를 받은 대장균은 생존할 수 있 있습니다 왜냐면 루비 스코가 알비의 탄소를 고정시켜 탄소 세 개 짜리에 새로운 화합물을 만들어 내면서 자연적으로 유비가 제거되기 때문입니다 자 그럼이 상황에서 대장균 배지에 더 많은 유비를 넣어 주면 어떻게 될까요 루비 스크의 활성 속도가 원체 느리니 아마도 대부분의 대장균이 죽을 겁니다 하지만 세대를 거듭하게 되면 얘기가 달라집니다 빠른 속도로 세대를 거듭하면서 대장균을 중에는 루비스코 돌연변이가 일어나 독성 물질인 알피에

8:28 탄소를 빠르고 효과적으로 고정시켜 가며 알류 비를 빠르게 제거할 수 있는 녀석들이 나타나게 되는 거죠 즉 이렇게 실험실에서 만든 돌연변이를 통해 일부 대장균은 효율성 높은 루비스코 갖게 될 수 있고이를 일반 작물에 도입해서 광 호흡을 줄이는 방법들이 연구되고 있습니다 루비스코 이야기 어떠셨나요 지구상에서 가장 많지만 가장 바보 같은 녀석이 생명 시스템에 중요한 축을 담당하고 있다는 사실은 진화가 완벽하지 않다는 걸 다시금 일깨 주는 것 같습니다 과학은 세상을 보는 차 상 지금까지 과학 드림이었다