A Natural qE- and qZ-Deficient Alga Retains Functional Plant-Like and Chlorophycean Violaxanthin De-Epoxidases
이 연구는 녹조류인 *Auxenochlorella protothecoides*가 기능적이고 진화적으로 구별되는 두 개의 비올라잔스 데에피옥시다제(violaxanthin de-epoxidases)를 보유하고 있으면서도, 다른 광합성 생물들에서 발견되는 전형적인 제아잔틴 의존적 색소 역학과는 독립적으로 작동하는 독특하고 느리며 지속적인 비광화학적 소광 기작을 유지하고 있음을 밝혀냈다.
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햇빛은 식물과 조류에게 생명의 엔진이지만, 어떤 강력한 엔진과 마찬가지로 과열될 수 있습니다. 이러한 유기체들이 음식물을 만드는 데 사용할 수 있는 것보다 더 많은 빛 에너지를 흡수하면, 그 과잉 에너지는 세포를 손상시키는 위험한 형태의 산소로 변할 수 있습니다. 살아남기 위해 광합성을 하는 생명체들은 비광화학적 소광(non-photochemical quenching)이라는 안전 밸브를 진화시켜 왔습니다. 이 과정은 압력 배출 밸브처럼 작동하여, 추가적인 빛 에너지가 해를 끼치기 전에 무해한 열로 안전하게 전환합니다. 수십 년 동안 과학자들은 몇몇 잘 연구된 식물과 조류에서 이 방식이 어떻게 작동하는지 이해해 왔으며, 이 메커니즘이 녹색 계통 전체의 보편적인 규칙이라고 가정해 왔습니다. 그러나 한 새로운 연구는 규칙을 완전히 깨뜨린 듯한 아주 작은 단세포 조류를 조사함으로써 이러한 가설에 도전합니다.
연구진은 바이오 연료와 스트레스 내성을 연구하는 데 자주 사용되는 종인 '아욱세노클로레라 프로테테코이데스(Auxenochlorella protothecoides)'라는 녹조류에 집중했습니다. 대부분의 식물과 조류에서 이 안전 밸브는 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 첫 번째 부분은 qE로 알려져 있으며, 빛이 너무 밝아질 때 몇 초 내에 작동하는 신속한 반응입니다. 이는 세포의 에너지 생성 구획 내부의 산성도를 감지하고 열 방출을 유도하는 센서 역할을 하는 특정 단백질들에 의존합니다. 두 두 번째 부분은 qZ로 불리며, 발달하는 데 몇 분이 걸리고 열을 분산시키는 것을 돕기 위해 특정 색소의 형태를 변화시키는 화학적 순환을 포함합니다. 연구는 이 특정 조류의 게놈이 다른 종들에서 발견되는 신속 반응 센서에 대한 유전자가 결여된 것처럼 보인다는 수수께록에서 시작되었습니다.
이 미스터리를 풀기 위해 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스와 로런스 버클리 국립연구소의 연구팀은 이 조류가 일반적인 센서 없이 어떻게 밝은 빛을 처리하는지 알아보기 위해 나섰습니다. 그들은 이 조류의 돌연변이 버전을 만들었는데, 본질적으로 남은 몇 안 되는 센서 유사 단백질과 느린 색소 순환을 담당하는 효소들을 코딩하는 유전자들을 꺼버린 것입니다. 만약 표준적인 규칙이 적용된다면, 이 부분들을 제거했을 때 조류는 스스로를 보호할 수 없는 무력한 상태가 되어야 했습니다. 하지만 연구진은 이 조류가 놀라울 정도로 강건하다는 것을 발견했습니다. 일반적인 센서가 없어도, 이 조류는 여전히 과잉 빛 에너지를 분산시켰지만, 그 과정은 일반적인 식물보다 더 느리고 지속적이었습니다.
연구팀은 느린 색소 순환을 담당하는 효소들을 조사했습니다. 그들은 이 조류가 육상 식물에서 발견되는 버전과 특정 녹조류에 고유한 버전을 포함하여 두 가지 뚜렷한 유형의 효소를 보유하고 있다는 것을 발견했습니다. 표준적인 식물에서 이 효소들은 열을 관리하는 데 도움을 주기 위해 한 색소를 다른 색소로 빠르게 전환하는 스위치 역할을 합니다. 연구진은 만약 이 효소들을 제거한다면 조류가 빛을 다루는 능력을 잃을 것이라고 예상했습니다. 그러나 이 효소들을 위한 유전자를 삭제했을 때, 조류의 보호 능력은 거의 변하지 않았습니다. 색소는 예상된 방식으로 변화하지 않았고, 느린 열 분산 과정은 마치 효소들이 여전히 작동하고 있는 것처럼 계속되었습니다.
이 효소들이 실제로 그 역할을 수행할 수 있는지 확실히 하기 위해, 과학자들은 교차 종 테스트를 수행했습니다. 그들은 이 조류의 유전자를 가져와 자신의 색소 전환 효소가 결핍되도록 유전적으로 설계된 담배 식물에 삽입했습니다. 이렇게 수정된 담배 식물들은 밝은 빛에 노로출되었을 때, 즉시 올바른 색소를 생성하며 열 분산 능력을 회복하기 시작했습니다. 이는 조류의 효소들이 완전히 기능하고 있음을 입증했습니다. 다만 과학자들이 이전에 생각했던 방식과는 다르게 사용되고 있었을 뿐입니다.
이러한 발견은 이 조류가 독특한 생존 전략을 진화시켰음을 시사합니다. 이 조류는 표준적인 색소 전환을 수행할 유전적 도구를 보유하고 있지만, 밝은 빛에 대한 주요 방어 기제로 그것에 의존하지는 않습니다. 대신, 아직 완전히 규명되지 않은 다른 메커니즘을 사용하여 안전을 유지하는 것으로 보입니다. 이 발견은 광보호(photoprotection)의 규칙이 한때 믿어왔던 것만큼 엄격하지 않다는 점을 보여준다는 점에서 중요합니다. 녹색 가계도의 서로 다른 가지들은 너무 많은 태양빛 문제를 해결하기 위해 자신만의 방법들을 찾아냈으며, 이 작은 조류는 표준적인 신속 반응 및 느린 순환 시스템을 완전히 우회하는 경로를 찾아냈습니다. 이는 자연이 종종 동일한 문제에 대해 여러 가지 해결책을 찾아낸다는 점과, 우리가 보편적인 규칙이라고 간주하는 것이 사실은 몇몇 잘 연구된 종들의 흔한 습성일 수도 있다는 점을 상기시켜 줍니다.
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