Discovery and Characterization of Novel Fluorescent Proteins and Chromoproteins from the Intertidal Sea Anemone Anthopleura dowii Verrill 1869

햇빛이 변화하는 청록색 빛의 그림자를 드리우며 쏟아져 내려오는 깊은 바닷속에는, 많은 생명체가 스스로 빛을 내는 능력을 진화시켜 왔습니다. 이 현상은 형광 단백질이라 불리는 특별한 종류의 분자에 의존합니다. 이 단백질들을 산소에 의해 켜질 수 있는 작은 자가 발광 전구라고 생각해보십시오. 이들은 빛을 흡수하면 다른 색의 빛을 다시 방출하여, 밝은 녹색에서 짙은 빨간색에 이르는 선명한 빛을 만들어냅니다. 과학자들은 오랫동안 이 천연 광원을 살아있는 유기체 내부의 분자 이동을 추적하며 세포가 어떻게 작동하는지 관찰하는 도구로 사용해 왔습니다. 수십 년 동안 연구자들은 이 빛나는 단백질들이 특정 해파리처럼 스스로 빛을 내는 생물들에게서 주로 발견된다고 믿었습니다. 그러나 이후 산호나 말미 말미와 같이 빛을 내지 않는 많은 바다 생물들도 이 단백질들을 보유하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 동물들에게 있어 이 단백질들은 단순히 보여주기 위한 것이 아니라, 세포를 스트레스로부터 보호하고 환경에 반응하는 역할을 하는 것으로 보입니다. 그럼에도 불구하고 여전히 미스터리는 남아 있습니다. 왜 정확히 같은 종의 말미 말미들이 색깔 면에서 완전히 다르게 보이는가 하는 점입니다. 어떤 개체는 밝은 노란색인 반면, 그 이웃은 짙은 파란색이나 녹색일 수 있는데, 이는 그들이 동일한 유전적 설계도를 공유하고 있음에도 마찬가지입니다.

멕시코 국립 자치 대학교의 연구팀은 멕시코 바하 칼리포르니아의 암초 조간대에서 발견되는 Anthopleura dowii라는 특정 말미 말미를 연구함으로써 이 수수께끼를 풀기 위해 나섰습니다. 이 말미 말미들은 눈에 띄는 색상 변화로 잘 알려져 있지만, 이러한 색조를 담당하는 특정 단백질은 지금까지 완전히 식별되거나 특성이 규명된 적이 없었습니다. 과학자들은 먼저 이 말미 말미의 유전적 지침, 즉 몇 년 전 독성을 연구하기 위해 서열이 분석되었던 전사체를 살펴보기 시작했습니다. 이 유전 데이터를 다른 바다 생물들의 알려진 형광 단백질과 비교함으로써, 그들은 세 가지 잠재적 후보를 찾아냈습니다. 이 단백질들이 실제로 무엇을 하는지 이해하기 위해, 연구팀은 말미 말미가 자연적으로 이를 생성할 때까지 기다리지 않았습니다. 대신, 그들은 이 단백질들을 코딩하는 유전자의 합성 버전을 만들어 단백질을 빠르게 제조하는 능력으로 유명한 박테리아인 대장균(E. coli)에 삽입했습니다.

연구진은 환경이 단백질 생성에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 두 가지 다른 온도인 섭씨 30도와 37도에서 박테리아를 배양했습니다. 결과는 놀라웠으며, 온도와 말미 말미의 최종 색상 사이의 명확한 연결 고리를 드러냈습니다. 박테리아를 더 낮은 온도인 30도에서 배양했을 때, 밝은 노란색 형광 단백질과 초록색 형광 단백질이 성공적으로 생성되었습니다. 그러나 더 높은 온도인 37도에서는 박테리아가 이 두 단백질을 사용 가능한 형태로 만들 수 없었습니다. 이들은 서로 뭉쳐서 비활성화되었습니다. 대신, 따뜻한 온도는 세 번째 단백질인 어두운 파란색의 비형광 분자인 크로모프로틴(chromoprotein)의 생성을 유도했습니다. 이 크로모프로틴은 박테리아가 따뜻할 때만 나타났으며, 형광 단백질의 가까운 친척임에도 불구하고 전혀 빛을 내지 않았습니다.

이러한 온도 의존적 행동은 야생에서 나타나는 색상 변화에 대한 설득력 있는 설명을 제공합니다. 이 연구는 단일 말미 말미가 경험하는 수온에 따라 다른 색을 생성할 수 있음을 시사합니다. 서늘한 조건에서는 동물이 노란색과 초록색 단백질을 발현하여 밝은 외형을 가질 수 있습니다. 반면 따뜻한 날씨에는 짙은 파란색의 크로모프로틴을 생산하는 쪽으로 전환하여 전체적인 모습을 바꿀 수 있습니다. 연구진은 단백질을 정제하고 화학적 성질을 분석함으로써 이를 확인했습니다. 그들은 노란색과 초록색 단백질이 빛을 내는 데 매우 효율적이며, 특히 노란색 버전이 매우 밝다는 것을 발견했습니다. 빛을 내지는 않지만 안정적이고 뚜렷한 특성을 가진 파란색 단백질 또한 확인되었습니다. 팀은 박테리아가 각 단백질을 얼마나 생산하는지 측정함으로써, 낮은 온도에서는 노란색 단백질이 훨씬 더 많은 양으로 만들어지는 반면, 높은 온도에서는 파란색 단백질만이 만들어진다는 것을 계산해 냈습니다.

이 작업은 또한 이 단백질들이 어떻게 구성되는지를 탐구했습니다. 연구팀은 노란색과 초록색 단백질이 말미 말미에서 흔히 볼 수 있는 구조인 4개 단위의 집단을 형성한다는 것을 발견했으며, 파란색 단백질 또한 유사한 집단을 형성했습니다. 그들은 또한 왜 단백질들이 온도에 따라 다르게 행동하는지 조사하였고, 박테리아가 유전적 지침을 읽는 속도와 단백질이 최종 형태로 접히는(folding) 속도 사이의 차이가 결정적인 요인임을 찾아냈습니다. 높은 온도에서는 단백질이 생산 속도를 따라잡을 만큼 충분히 빠르게 접히지 못해 덩어리가 생겼습니다. 낮은 온도에서는 올바르게 접혔습니다. 연구진은 심지어 유전 코드를 미세하게 수정함으로써 노른색 단백질의 생산량을 10배로 늘려 생산성을 높이는 데 성공했습니다. 이러한 성공은 이 천연 단백질들이 환경 조건에 따라 색이 변하는 센서와 같은 새로운 용도로 공학적으로 설계될 수 있는 잠재력을 강조합니다.

궁극적으로, 이 연구는 말미 말미의 유전자, 그들의 바다 집의 온도, 그리고 그들이 보여주는 생생한 색상 사이의 연결 고리를 이어줍니다. 이는 동일한 동물이 날씨에 따라 서로 다른 단백질 "의상"을 입을 수 있다는 현상인 다형성(polyphenism)을 보여줍니다. 이 세 가지 특정 단백질을 식별하고 특성을 규명함으로써, 과학자들은 자연이 변화하는 환경에 적응하기 위해 분자 도구를 어떻게 사용하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공했습니다. 이러한 변이체들의 발견, 특히 온도에 민한 생산 특성은 해양 생물이 조간대의 변동하는 조건 속에서 어떻게 생존하는지에 대한 우리의 이해를 심화시킵니다. 또한 이는 이 단백질들이 생물학적 과정을 시각화하거나 환경 변화를 더 정밀하게 감지할 수 있는 새로운 생명공학 도구로 설계될 수 있는 미래의 응용 가능성을 열어줍니다. 이 연구는 바다 생명체의 다양성이 단지 서로 다른 종의 문제뿐만 아니라, 단일 종이 주변 세계에 얼마나 유연하게 반응할 수 있는지의 문제임을 확인시켜 줍니다.