생물체에서는 다양한 생화학 반응이 매우 작고 좁은 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. 빛 에너지를 변환하는 엽록소의 광학적‧전기적‧화학적 특성은 그 동안 잘 연구돼 왔으나, 산(Acid)에 의한 엽록소의 마그네슘(Magnesium)이 수소이온(H+)으로 바뀌는 탈금속반응 (Demetallation)은 최근에야 연구가 이뤄져 왔다. 연구자들은 이 반응이 엽록소가 산화되는 것을 막아 엽록소를 보호하는 역할을 하기 때문에 광합성 효율 조절에도 영향을 미칠 것으로 보고있다.

실험실에서 일반 크기의 용액으로 실험해보면, 실제 광합성 과정에서의 빛 에너지 흡수 및 전달 속도에 비해 반응 속도가 매우 느려 중요성이 간과되어 왔다. 그러나 실제 식물의 광합성은 엽록체라는 매우 작은 공장에서 이루어진다. 때문에 제한된 물리적 공간 내에서의 엽록소 반응을 관찰해야 실제의 광합성 반응을 제대로 예측할 수 있다.

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 것으로 확인됐다. 엽록소 반응의 중요성을 재발견하여 새로운 광합성 조절 기전의 가능성을 제시한 것이다.

염산을 포함한 물방울과 엽록소를 포함한 물방울을 빠른 속도로 충돌시켜 얻은 14 마이크론 크기의 융합 액체가 비행하는 거리를 다르게 하여 엽록소가 산에 의해서 점차적으로 탈금속화 되는 과정을 마이크로초 단위로 측정했다. 35mM의 산 농도 하에서 엽록소의 탈금속반응은 수십 마이크로초의 짧은 시간에 일어나는 것을 발견했다. 이는 일반 크기의 용액 상태에서 측정된 값과 비교하면 약 천 배 정도나 빠른 속도다.

마이크로 크기의 물방울에서 반응 속도가 가속되는 현상은 최근 몇 년간 여러 연구 그룹에서 보고돼왔는데, 용매의 증발이나 하전된 전하가 가속 현상의 주원인이라는 의견이 대부분이었다. 본 연구진은 기존 주장을 그대로 받아들이지 않고 다양한 가설을 검증하는 실험을 실시했다.

먼저, 마이크로 물방울을 하전시키기 위해 걸어준 전압의 크기를 다르게 하면서 엽록소의 탈금속반응 속도를 측정했다. 전압의 크기를 0~5kV까지 증가한 결과 전압이 증가함에 따라 탈금속반응 속도가 증가하는 것이 측정됐다. 하지만, 대부분의 가속 정도가 전압을 걸어주지 않은 상태에서 측정되는 것으로 보아 하전된 전하가 가속 현상의 주된 원인은 아닌 것을 확인했다.

다음으로 물방울에서 용매의 증발에 따라 반응물의 농도가 증가하는 것이 가속 현상의 원인일 수 있다는 가정을 시험하기 위해 증발 속도가 다른 메탄올과 물의 혼합 비율을 다르게 하면서 엽록소의 탈금속반응 속도를 측정했다. 그 결과 증발 속도가 다른 것이 반응 속도에 미치는 영향이 크지 않다는 것을 알 수 있었다.

이들 결과를 통해 마이크로 물방울에서 보이는 엽록소의 탈금속반응 속도가 비약적으로 가속되는 현상은 마이크로 크기의 물방울이 갖는 물리적 공간의 제한 및 방울 자체의 표면 효과로 인한 것이라고 추정할 수 있다.

연구팀은 이 엽록소의 빠른 탈금속화가 엽록소의 산화 등 광합성 효율에 미치는 영향을 줄이기 위한 보호 기전으로 작동하거나, 엽록소의 빠른 변화를 통해 광합성을 조절하는 새로운 기전일 수 있다고 보고 후속 연구를 통해 엽록소의 변화가 광합성에 미치는 영향을 조사할 예정이다. 광합성의 작동 및 조절에 대한 새로운 기전의 발견을 통해 광합성에 대한 이해를 높이고, 이를 통해 생물체가 더 효율적인 광합성을 할 수 있는 요소 및 방법을 찾을 수 있을 것으로 기대한다.

▲ [그림. 1] 산에 의한 엽록소의 탈금속반응

대외협력실 김주연