Redistribution of electron flow between redox cofactors branches in photosystem I from the menB variants of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

잎의 내부를 분주하고 첨단 기술을 갖춘 발전소라고 상상해 보세요. 이 발전소의 임무는 햇빛을 포착하여 식물이 성장하는 데 사용할 수 있는 전기로 바꾸는 것입니다. 이 과정은 '광계 I(Photosystem I)'이라고 불리는 아주 작은 공장들에서 일어납니다. 이 공장들은 나란히 달리는 두 개의 동일한 조립 라인, 즉 '가지(branch)'를 가지고 있다고 생각하면 됩니다. 이 라인 위에서 전자(작은 전하를 띤 입자)들은 출발점에서 결승점까지 달리는데, 마치 계주 선수들처럼 움직입니다. 보통 이 전자들은 '코팩터(cofactor)'라고 불리는 특별한 디딤돌 사이를 뛰어다닙니다. 건강한 식물에서 가장 중요한 디딤돌은 '필로퀴논(phylloquinone)'이라는 특정 분자로 만들어집니다. 과학자들은 오랫동안 이 두 개의 조립 라인 중 어느 것이 '주요' 라인이고 어느 것이 '예비' 라인인지에 대해 논쟁해 왔지만, 전자들이 너무 빠르게 움직여서 카메라가 사진을 찍을 수 있는 속도보다 더 빠르기 때문에 정확히 무슨 일이 일어나고 있는지 파악하기 어려웠습니다.

이 연구는 '고장 난 설명서'를 가진 특정 남조류(미생물 형태의 식물 유사 생물)를 집중적으로 조사합니다. 이들은 유전자가 결핍되어 정상적인 필로퀴논 디딤돌을 만들 수 없습니다. 대신, 이들은 조금 더 서투른 분자인 '플라스토퀴논(plastoquinone)'을 강제로 사용해야 합니다. 이러한 변화는 전자들의 움직임을 극적으로 늦추어, 번개처럼 빠른 질주를 느릿한 조깅으로 바꿔 놓았습니다. 이 경주를 늦춤으로써, 과학자들은 마침내 전자들이 어떻게 움직이는지 '보고' 두 조립 라인이 어떻게 업무를 나누어 수행하는지 알아낼 수 있었습니다. 자연이 어떻게 이토록 효율적인 태양 전지판을 만드는지 이해하는 것은 우리가 사용할 더 나은 인공 태양 전지나 배터리를 설계하는 데 도움이 될 수 있기 때문에 이 연구는 중요합니다.

연구진은 이 '고장 난' 박테리아의 두 가지 다른 버전을 자세히 살펴보기로 했습니다. 한 버전은 대체 분자가 느슨하고 흔들리는 형태인 '루즈 팀(Loose Team)'이었고, 다른 하나는 그 분자가 단단하게 들어맞는 형태인 '타이트 팀(Tight Team)'이었습니다. 그들은 분자의 느슨함이 전자의 경로 선택에 영향을 미치는지 알고 싶었습니다. 이를 위해 연구진은 '프로테오리포좀(proteoliposomes)'이라는 아주 작은 인공 기포를 만들고, 그 위에 박테리아의 광계 공장을 붙였습니다. 그런 다음, 공장에 초고속 섬광을 비추고 기포의 표면을 가로질러 튀어 오르는 아주 작은 전기 스파크를 측정했습니다.

연구 결과는 다음과 같았습니다. '타이트 팀'에서 전자들은 예측 가능한 리듬으로 움직였습니다. 약 60%의 전자가 약 5마이크로초(μs) 만에 빠른 경로(B-브랜치라고 부르는 가지)를 택했고, 나머지 40%는 약 30마이크로초 만에 약간 더 느린 경로(A-브랜치)를 택했습니다. 그러나 '루즈 팀'에서는 이야기가 달라졌습니다. 전자들은 훨씬 더 느려졌습니다. 빠른 경로는 약 10마이크로초가 걸렸고, 느린 경로는 약 100마이크로초까지 지체되었습니다. 더 중요한 점은 균형이 깨졌다는 것입니다. 루즈 버전에서는 무려 70%의 전자가 B-브랜치를 선택했고, 단 30%만이 A-브랜치로 갔습니다.

과학자들은 이러한 변화가 루즈한 분자가 A-브랜치를 일종의 막다른 길로 만들기 때문에 발생한다고 제안합니다. A-브랜치의 디딤돌에서 다음 스테이션으로 전자가 뛰어넘는 것이 에너지적으로 어려워지기 때문에, 전자들은 자연스럽게 이를 피하여 B-브랜치로 몰리게 됩니다. 이는 마치 다리의 한쪽 면에 거대한 구멍이 뚫려 있다면, 대부분의 자동차가 그 턱을 피하기 위해 본능적으로 반대편으로 차선을 변경하는 것과 같습니다. 이 연구는 이 돌연변이 박테리아에서 전자 흐름이 심하게 재분배되어, B-브랜치가 거의 모든 힘든 일을 도맡아 하고 있음을 확인해 줍니다.

연구진은 또한 이 느슨한 분자를 다른 화학 물질로 교체하여 시스템이 스스로 복구될 수 있는지 확인했습니다. 그 결과 '타이트 팀'은 고집스러웠습니다. 새로운 화학 물질이 원래의 분자를 밀어낼 수 없었습니다. 하지만 '루즈 팀'은 유연했습니다. 새로운 화학 물질이 쉽게 자리를 잡았고, 전자의 속도도 다시 변했습니다. 이는 특정 유형의 분자와 그것이 얼마나 단단하게 고정되어 있는지가 전자의 경로를 결정하는 핵심이라는 점을 증명했습니다.

요약하자면, 이 논문은 태양 공장 내부의 디딤돌 안정성이 교통 흐름을 결정한다는 것을 보여줍니다. 디딤돌이 느슨하고 불안정하면 전자들은 혼란을 겪으며 한쪽 차선에 병목 현상을 일으키고 속도가 느려집니다. 반면 디딤돌이 단단하고 안전하면 교통은 더 고르게 흐릅니다. 이 연구가 모든 식물의 작동 방식을 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 분자적 '가구'의 작은 변화가 어떻게 광계의 에너지 흐름을 완전히 재편할 수 있는지에 대한 명확하고 측정 가능한 그림을 제공합니다.