생물체에서는 다양한 생화학 반응이 물리적으로 제한된 공간에서 이루어진다. 식물이 에너지를 만드는 광합성 또한 세포 내 엽록체라는 소기관에서 이루어지고, 엽록체 내의 ‘그라나’라는 더 작은 구조에서 녹색 색소 분자인 엽록소가 빛을 흡수한다. 엽록소는 흡수한 빛 에너지로 산소와 화학 에너지를 만든다.

엽록소에서는 다양한 화학 반응이 일어나는데, 산성 조건에서 엽록소 분자 중심에 있는 마그네슘 이온이 수소 이온으로 교체되는 탈금속반응이 그 중 하나다. 그러나 일반 크기의 실험 용액에서는 실제 광합성 과정에서의 빛 에너지 흡수 및 전달 속도에 비해 반응 속도가 매우 느려 중요성이 간과되어 왔다.

남홍길 IBS 식물 노화‧수명 연구단장·미 스탠퍼드대 연구진은 2015년 개발한 마이크로 크기 물방울에서의 반응 속도 측정법을 엽록소 탈금속반응에 적용, 효소의 도움 없이도 반응 속도가 약 천 배나 빨라지는 것을 확인했다. 엽록소 반응의 중요성을 재발견하여 새로운 광합성 조절 기전의 가능성을 제시한 것이다.

연구팀은 식물의 실제 물리적 공간과 유사한 환경에서 엽록소의 반응을 살펴보기 위해 마이크로 크기의 물방울을 만들어 생화학 반응의 역학을 관찰했다. 연구진은 염산을 포함한 물방울과 엽록소를 포함한 물방울을 빠른 속도로 충돌시켜 십 여 마이크로 크기의 융합 물방울을 만들고, 방울의 비행 거리 차를 두어 엽록소가 산에 의해 점차 탈금속화되는 과정을 마이크로 초의 빠른 속도로 측정했다. 그 결과, 엽록소의 탈금속반응이 수십 마이크로초의 짧은 시간에 일어나는 것을 발견했다. 이는 일반 크기 용액의 상태에서 측정된 값과 비교하면 약 천 배 정도 빠른 속도다. 이러한 결과는 마이크로 크기의 물방울이 갖는 물리적 공간의 제한 및 방울 자체의 표면 효과로 인한 것으로 추정된다.

엽록소는 산화되면 광합성 기능을 잃지만, 탈금속반응은 엽록소의 산화를 방지하는 역할을 수행해 엽록소를 보호할 수 있다. 연구진은 엽록소의 탈금속반응을 엽록체를 보호하거나 광합성 효율을 조절할 수 있는 새로운 기전의 열쇠로 보고, 후속 연구를 통해 엽록소의 변화가 광합성에 미치는 영향을 조사할 예정이다. 광합성에 대한 이해를 높이고, 식물이 더욱 효율적으로 광합성할 수 있는 요소를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 생물물리분야 학술지인 쿼틀리 리뷰스 오브 바이오피직스(Quarterly Reviews of Biophysics, IF = 7.222) 온라인 판에 미국 동부시간으로 2월 1일자에 게재됐다.

▲ [그림 1] 산에 의한 엽록소의 탈금속반응

▲ [그림 2] 마이크로 크기의 물방울을 이용하여 엽록소의 산 유발 탈금속반응의 반응 역학을 측정하는 실험 방법

▲ [그림 3] 산 유발 탈금속반응의 반응 역학