Anaerobic oxidation of propane by thermophilic archaea from marine hydrothermal sediments
이 연구는 *Candidatus* Syntrophoarchaeum caldarium가 황산염 환원 박테리아와의 공생 관계를 통해 프로판을 혐기성으로 산화할 수 있는 최초의 고세균임을 밝히고, 이 과정에 관여하는 구체적인 효소 기전과 대사 경로를 규명한다.
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해저 깊은 곳, 뜨거운 물과 차가운 암석이 만나는 뜨겁고 어두운 퇴적층 속에서, 생명체는 산소 없이도 숨을 쉬며 살아갈 방법을 찾아냅니다. 이러한 극한 환경에서는 지구 지각으로부터 천연가스라는 거대한 저장고가 위쪽으로 스며 나옵니다. 이 가스는 단순히 메탄만이 아닙니다. 여기에는 우리가 가정에서 사용하는 연료의 주요 성분인 3탄소 분자 프로판이 상당량 포함되어 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 특정 박테리아가 산소가 없는 상태에서 해수의 황산염을 사용하여 이 프로판을 분해할 수 있다는 사실을 알고 있었습니다. 하지만 중요한 퍼즐 조각 하나가 빠져 있었습니다. 연구자들이 최근 에탄이나 부탄 같은 다른 작은 가스 분자를 먹는 고세균(archaea)이라는 고대의 단세포 생물을 발견하기는 했지만, 프로판을 소비할 수 있는 고세균은 지금까지 단 한 번도 발견된 적이 없었습니다. 이러한 공백은 심해의 탄소 순환 방식과, 강력한 온실가스인 이 가스가 대기에 도달하기 전 자연적으로 얼마나 제거되는지에 대한 우리의 이해에 사각지대를 남겨 두었습니다.
연구팀은 이제 그 공백을 메웠으며, 프로판을 먹고 사는 특정 유형의 호열성 고세균을 식별해 냈습니다. 이 발견은 캘리포니아 해로(Gulf of California)의 가이마스 분지(Guaymas Basin)에 위치한 열수 분출원에서 채집된, 원래 부탄을 먹도록 배양된 미생물 배양액에서 시작되었습니다. 과학자들이 먹이원을 부탄에서 프로판으로 바꾸자, 미생물 군집이 극적으로 변화했습니다. 부탄을 먹던 우점종 박테리아가 사라졌습니다. 그 자리를 대신하여, 이전에는 덜 흔했던 다른 고세균이 나타나 파트너 박테리아와 함께 미세한 클러스터를 형성하며 자라났습니다. 연구진이 '프로판50(Propane50)'이라고 명명한 이 새로운 배양물은, 이 특정 고세균이 프로판에서 생존할 수 있을 뿐만 아니라 이를 유일한 에너지 및 탄소원으로 사용할 수 있으며, 황산염을 황화물로 전환하는 화학 반응을 주도한다는 것을 입증했습니다.
이 과정의 중심에 있는 생물은 Candidatus Syntrophoarchaeum caldarium이라는 후보 종입니다. 이 생물은 홀로 일하지 않습니다. 이들은 황산염 환원 박테리아인 Candidatus Desulfofervidus auxilii와 공생 관계를 형성합니다. 이 배열에서 고세균은 프로판을 분해하지만, 분해 과정에서 발생하는 과잉 전자를 처리할 수 없습니다. 대신 고세균은 이 전자를 파트너 박테리아에게 직접 전달하며, 박테리아는 이 전자를 사용하여 황산염을 황화물로 환원시킵니다. 이 교환은 매우 효율적이어서 두 생물은 조밀하고 눈에 보이는 응집체를 이루며 함께 성장합니다. 연구진은 고세균이 프로판을 분해하는 핵심적인 역할을 수행하고, 박테리아는 반응이 계속될 수 있도록 필수적인 전자 싱크(electron sink) 역할을 한다는 것을 확인했습니다.
이 작은 생물이 정확히 어떻게 프로판을 섭취하는지 이해하기 위해, 과학자들은 세포 내부를 들여다보았습니다. 그들은 고세온이 프로판 분자에 특정 헬퍼 분자를 결합시켜 프로필-코엔자임 M(propyl-coenzyme M)이라는 화합물을 만들어냄으로써 프로판을 활성화한다는 것을 발견했습니다. 이 단계는 프로판을 추가적인 분해가 가능한 취약한 상태로 만드는 결정적인 첫 단계입니다. 연구진은 이 결합을 수행하는 ACR1이라는 이름의 특정 효소 복합체를 식별했습니다. 흥м롭게도, 이 고세균의 게놈에는 네 가지 다른 버전의 이 효소에 대한 지침이 들어 있지만, 유기체가 프로판을 먹을 때 대량으로 실제로 생성되는 것은 오직 ACR1뿐입니다. 이는 ACR1이 3탄소 분자인 프로판을 높은 효율로 다룰 수 있는 특화된 도구임을 시사합니다.
프로판이 활성화되면, 고세균은 이를 이산화탄소로 완전히 연소할 수 있는 형태로 전환합니다. 이 경로는 프로판 유도체를 프로피오닐-CoA(propionyl-CoA)로 변환한 다음, 이를 많은 생명체의 중심 연료인 아세틸-CoA(acetyl-CoA)로 재배열하는 과정을 포함합니다. 마지막으로, 이 생물은 잘 알려진 대사 경로인 역방향 우드-룽달(reverse Wood-Ljungdahl) 경로를 사용하여 이 연료를 완전히 산화시켜 에너지와 이산 dioxide를 방출합니다. 전체 과정은 대부분의 생물에게 독성이 될 수 있는 조건에서도 생명이 번성할 수 있게 해주는 정교한 다단계 조립 라인과 같습니다.
이 발견은 지하 탄소 순로에 대한 우리의 관점을 바꿉니다. 이는 고세균이 메탄이나 에탄, 부탄과 같은 짝수 탄소 알칸만을 먹는 데 국한되지 않고, 프로판과 같은 홀수 탄소 분자도 다룰 수 있음을 증명합니다. 이 발견은 이러한 미생물들이 예상했던 것보다 훨씬 더 큰 역할을 수행하며 천연가스 분출물을 정화하고 있음을 시사합니다. 고세균이 프로판을 분해하는 방식은 박테리아가 하는 방식과 다른 화학적 지문을 남기기 때문에, 과학자들은 이제 이 지식을 활용하여 심해 저류층에서 발견되는 가스의 구성을 더 잘 해석할 수 있게 되었습니다. 이 연구는 심해의 생물학적 활동에 대한 숨겨진 층을 드러내며, 가장 뜨겁고 산소가 결핍된 퇴적층에서도 생명이 현대 세계의 연료가 되는 바로 그 가스들을 소비하기 위해 얼마나 전문화된 도구를 진화시켜 왔는지를 보여줍니다.
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