Red states modulate energy localization between the antenna and trap in PSI
이 연구는 광계 I 코어 안테나 내 적색 엽록소의 구체적인 구조적 위치가 반응 중심으로 에너지를 전달하거나 안테나 평형을 늦추는 것 중 하나의 뚜렷한 기능적 역할을 결정한다는 것을 밝힘으로써, 에너지 국소화에 관한 이들의 중요성에 대한 이전의 상충하는 이론들을 화해시킨다.
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햇빛은 생명체가 포착하여 붙잡는 법을 배운 에너지의 급류입니다. 식물과 특정 박테리아로 이루어진 초록빛 세계에서, 이러한 포착은 광계(photosystems)라고 불리는 아주 작은 분자 기계 내부에서 일elle납니다. 이 기계들을 잎에 색을 입히는 색소인 수천 개의 엽록소 분자로 만들어진 정교한 태양광 패널이라고 생각해 보십시오. 광자 하나가 이 배열을 타격하면, 에너지가 중심 반응 중심에 도달하여 화학 연료로 전환될 때까지 분자 사슬을 따라 전달되어야 하는 에너지의 폭발이 일어납니다. 이 과정은 거의 완벽에 가까울 정도로 효율적이어서, 포착된 빛의 거의 모든 부분이 성공적으로 중심부까지 이동합니다. 그러나 자연은 이 고속 릴레이에 기묘한 반전을 더했습니다. 일부 엽록소 분자들은 더 낮은 에너지의 빛을 흡수하도록 조율되어 안테나 내에서 "적색(red)" 부위로 나타납니다. 이 적색 부위들은 에너지 함정처럼 작용하여, 주변의 다른 분자들보다 빛을 조금 더 오래 붙잡아 둡니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 적색 부위가 존재하며 이것이 에너지의 흐름을 늦춘다는 사실을 알고 있었지만, 한 가지 단순한 질문에 대해 의문을 품어 왔습니다. 즉, 이 함정들의 구체적인 위치가 중요한 것인지, 아니면 그저 우연히 그곳에 존재하는 무작위적인 특징인지에 대한 것입니다.
연구팀은 이 미스터리를 해결하기 위해 이 적색 함정들을 두 가지 매우 다른 위치에 의도적으로 배치함으로써 맞춤형 광계 버전을 제작하며 연구를 시작했습니다. 그들은 식물과 매우 유사하게 광합성을 수행하는 미생물인 남세균(cyanobacteria)의 한 종류를 연구 대상으로 삼았습니다. 정밀한 유전적 변화를 가함으로써, 그들은 두 가지 돌연변이 균주를 만들었습니다. 한 쪽에서는 적색 함정을 중심 반응 중심에서 멀리 떨어진 안테나 가장자리 근처에 도입했습니다. 다른 한 쪽에서는 적색 함정을 에너지가 최종적으로 사용되는 곳에서 불과 몇 단계 떨어진, 중심부에 훨씬 더 가깝게 배치했습니다. 이러한 변화가 정확히 어떤 모습인지 확인하기 위해, 과학자들은 분자를 제자리에 얼려 분자 구조를 드러내는 초저온 전자 현미경(cryo-electron microscopy)이라는 강력한 이미징 기술을 사용했습니다. 그들은 돌연변이가 엽록소 분자들이 배열되는 방식에 일으킨 미세하고 특정한 변화를 발견했으며, 이를 통해 계획했던 정확한 위치에 의도한 적색 부위를 성공적으로 만들었음을 확인했습니다.
구조가 지도화되자, 연구원들은 에너지가 어떻게 이동하는지 관찰하기 위해 초고속 분광법(ultrafast spectroscopy)을 활용했습니다. 그들은 샘플에 믿기지 않을 정도로 짧은 빛의 펄스를 발사하고 시간이 경과함에 따라 에너지가 어떻게 이동하는지 측정했습니다. 결과는 전적으로 함정이 어디에 위치하느냐에 따라 놀라운 차이를 보여주었습니다. 적색 함정이 중심에서 멀리 배치되었을 때, 그것은 병목 현상처럼 작용했습니다. 에너지는 그곳에 갇혀 탈출하여 반응 중심에 도달하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 이는 전체 과정을 늦추어 기계가 연료를 생산하기 시작할 수 있는 순간을 지연시켰습니다. 그러나 적색 함정이 중심에 가까이 있을 때는 효과가 달랐습니다. 에너지는 근처의 이 함정으로 빠르게 이동한 다음 반응 중심으로 신속하게 흘러 들어갔으며, 이는 먼 곳에 있는 함정과 비교했을 때 전달 단계를 가속화했습니다. 그렇다고 해서 전체 과정이 야생형(wild type)보다 빨라졌다는 의미는 아닙니다. 연구는 함정이 중심 근처에 있더라도 돌연변이가 포획 시간에 영향을 미치기 때문에, 자연적인 시스템의 속도를 초과할 수는 없다고 언급합니다.
이 발견은 자연이 이러한 에너지 함정을 관리하기 위해 영리한 전략을 가지고 있음을 시사합니다. 만약 함정이 중심에서 멀리 있다면 교통 체증을 유발할 위험이 있지만, 출구 바로 옆에 배치된다면 에너지가 필요한 곳으로 효율적으로 안내하는 역할을 할 수 있습니다. 비록 그것이 지연을 완전히 제거하지는 못할지라도 말입니다. 연구진은 단순화된 안테나 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 아이디어를 테스트했으며, 모델들은 실험적 결과와 일치함을 확인했습니다. 즉, 함정의 위치가 결정적인 요소라는 것입니다. 출구 근처의 함정은 먼 곳의 함정에 비해 흐름을 개선하는 반면, 먼 곳의 함정은 흐름을 방해합니다. 이는 왜 서로 다른 종의 광합성 생물들이 서로 다른 위치에 적색 부위를 가지고 있는지 설명해 줍니다. 그들은 아마도 더 넓은 범위의 빛 색상을 포착해야 하는 필요성과 에너지를 빠르게 계속 이동시켜야 하는 필요성 사이에서 균형을 맞추고 있는 것일 것입니다. 이 연구는 광합성의 모든 미스터리를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 이러한 저에너지 부위의 위치가 왜 중요한지에 대한 명확한 구조적 해답을 제공하며, 빛을 수확하는 미시 세계에서는 지리적 위치가 에너지 그 자체만큼이나 중요하다는 것을 보여줍니다.
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