극한 고온에서도 작동하는 질소고정 효소 원리 규명

ㅇ 막스플랑크 연구진, 고온 질소고정효소 분석

- 질소고정은 대기 중 질소를 생물이 이용할 수 있는 암모니아로 전환하는 자연계의 핵심 화학반응임

- 일부 미생물은 질소의 강한 삼중결합을 끊어 암모니아를 생성하며, 이를 다양한 생체분자 합성에 활용함

- 독일 막스플랑크 해양미생물연구소 연구진은 이러한 질소고정을 90°C 이상의 극한 환경에서도 수행하는 심해 고세균 메타노칼도코쿠스 인페르누스에 주목함

- 이를 배양·분석해 고온에서도 작동하는 질소고정효소의 분자구조와 작동 원리를 규명함

ㅇ 98°C에서도 견디는 질소고정효소

- 질소고정효소는 금속 기반 보조인자를 이용해 질소고정 반응을 수행하며, 몰리브데넘·바나듐·철을 사용하는 여러 형태가 존재함

- 해당 심해 고세균의 질소고정효소는 세 유형의 특성을 일부 공유해 여러 질소고정효소의 공통 조상과 유사할 가능성이 제시됨

- 연구진이 효소를 분리해 분석한 결과, 일부 단백질은 98°C에서도 안정성을 유지하며 높은 온도에서 암모니아를 생성함

- 이러한 높은 안정성 덕분에 기존 질소고정효소에서는 포착하기 어려운 반응 상태와 질소고정의 공통 원리를 분석할 수 있었음

ㅇ 분자 수준에서 질소고정 과정 분석

- 연구진은 미생물 생리학·생화학·구조생물학 등 다양한 분석기술을 결합해 질소고정효소의 구조를 조사함

- 금속 보조인자의 산소 노출을 막기 위해 모든 분석은 엄격한 무산소 조건에서 수행됨

- 효소 결정에 싱크로트론 X선 분석을 적용해 현재까지 알려진 질소 고정효소 중 가장 단순한 구조를 원자 수준에 가까운 해상도로 규명함

- 이 효소는 몰리브데넘·바나듐·철 기반 효소의 구조적 특징을 모두 보여 초기 질소고정효소와 유사할 가능성을 뒷받침함

ㅇ 세 종류 질소고정효소의 공통 반응원리 가능성 확인

- 연구진은 몰리브데넘 기반 질소고정효소에서 기존 바나듐·철 기반 효소에서만 확인됐던 ‘턴오버 상태’를 처음 포착함

- 이는 서로 다른 질소고정효소가 질소의 강한 삼중결합을 끊는 과정에서 공통된 반응원리를 사용할 가능성을 보여줌

- 이러한 원리는 향후 그린수소를 활용해 메탄·암모니아를 생산하거나 작물의 질소 활용을 개선하는 친환경 바이오기술로 이어질 가능성이 있음

- 다만 연구진은 실용화는 장기적 과제이며, 이번 연구의 핵심은 질소고정 과정을 분자 수준에서 새롭게 규명한 데 있다고 강조함

Source: MPG