A Microbial Pathway for Methanesulfonic Acid Biosynthesis from DMSP Expands the Marine Sulfur Cycle

대양은 지구의 기후를 움직이는 거대하고 고요한 엔진입니다. 이 바닷물 속에 떠다니는 미생물 생명체 안에는 생명에 필수적이며 지구가 온도를 조절하는 방식에서 핵심적인 역할을 하는 원소인 황을 포함한 복잡한 화학적 순환이 숨겨져 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 황이 거치는 한 가지 주요 경로를 이해해 왔습니다. 아주 작은 해양 식물들이 자신을 보호하기 위해 특정 화합물을 생성하면, 박테리아가 이를 분해할 때 공기 중으로 상승하는 가스를 방출한다는 것입니다. 일단 대기로 올라간 이 가스는 햇빛과 화학 작형을 통해 구름을 형성하는 데 도움을 주는 산(acid)으로 변하며, 이 구름은 다시 햇빛을 우주로 반사합니다. 이 과정은 메탄설폰산(methanesulfonic acid)이라고 알려진 이 특정 산이 해양 환경으로 유입되는 유일한 방법이며, 오직 하늘을 거치는 긴 여정을 마친 후에야 도달하는 것이라고 오랫동안 여겨져 왔습니다.

프리드리히 실러 예나 대학교(Friedrich Schiller University Jena)의 연구팀은 이제 이 산이 완전히 수중에서 일어나며 대기를 전혀 필요로 하지 않는, 전혀 다른 두 번째 경로를 밝혀냈습니다. 실험실과 야생의 해양 박테리아를 연구함으로써, 그들은 이 미생물들이 세포 내부에서 직접 일반적인 황 화합물을 메탄설폰산으로 전환할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 발견은 해양 황 순환의 지도를 새로 쓰며, 대양 스스로가 대기로부터 독립하여 이 기후 관련 산을 생성한다는 것을 보여줍니다.

이야기는 디메틸설포니오프로피오네이트(dimethylsulfoniopropionate), 즉 DMSP라는 분자에서 시작됩니다. 이 물질은 해양 먹이망의 기초를 형성하는 미생물 식물인 식물 플랑크톤에 의해 엄청난 양으로 생산됩니다. 이는 이 식물들에게 일종의 내부 방패 역할을 하며, 염분 스트레스와 산화로부터 그들을 보호합니다. 이 식물들이 죽거나 먹히면 박테리아가 DMSP를 분해합니다. 지금까지 과학자들은 이 분해가 세 가지 방식 중 하나로 일어난다고 믿었습니다. 박테리아가 가스를 방출하기 위해 분자를 쪼개거나, 메틸기를 제거하여 다른 황 화합물을 만들거나, 혹은 디메틸설폭소늄 프로피오네이트(dimethylsulfoxonium propionate), 즉 DMSOP로 산화시키는 것입니다. 마지막 것인 DMSOP는 다른 화합물로 더 분해될 수 있는 안정적인 중간체로 알려져 있었지만, 메탄설폰산으로 직접 이어지지는 않는 것으로 생각되었습니다.

연구진은 이야기가 불완전하다고 의심했습니다. 그들은 먼저 16가지 서로 다른 해양 박테리아 균주를 스크리닝하여 어떤 균주가 DMSP를 DMSOP로 바꿀 수 있는지 조사했습니다. 그 결과, Celeribacter baekdonensis라는 박테리아를 포함한 여러 종이 이 첫 번째 단계에서 매우 효율적이라는 것을 발견했습니다. 다음 단계에 어떤 일이 일어나는지 테스트하기 위해, 그들은 탄소의 무거운 동위원소로 화학적 표지를 한 DMSOP 버전을 박테리아에게 먹였고, 이를 통해 분자의 운명을 극도로 정밀하게 추적할 수 있었습니다. 배양 후 박테리아를 분석했을 때, 그들은 예상치 못한 것을 발견했습니다. 박테리아가 표지된 DMSOP를 새로운 표지 화합물로 전환했다는 것입니다.

분자의 정확한 무게를 식별하는 기술인 고해상도 질량 분석법을 사용하여, 연구팀은 이 새로운 화합물이 메탄설폰산임을 결정했습니다. 이는 이 연구 전까지 메탄설폰산이 대기 중의 디메틸설파이드 가스가 햇빛에 의해 산화되어 형성되는 순수하게 대기 화학의 산물로 간여되었기 때문에 매우 중요한 발견이었습니다. 연구진은 박테리아가 단순히 환경으로부터 산을 흡수하는 것이 아니라, 이를 능동적으로 제조하고 있음을 확인했습니다. 그들은 박테리아 세포 내부에 산이 축적되고 주변 물로 방출되는 것을 관찰했습니다.

이 변환이 어떻게 일로 일어나는지 이해하기 위해, 팀은 특정 효소를 분리해 냈습니다. 그들은 박테리아의 표준적인 황 화합물 분해 도구 세트에 포함된 DmdA, DmdC, DmdD로 알려진 세 가지 단백질을 식별했습니다. 일련의 실험을 통해, 그들은 이 효소들이 함께 작용하여 DMSOP에서 메틸기를 제거하고 남은 조각들을 재배열할 수 있음을 보여주었습니다. 이 과정은 매우 불안정한 중간체를 생성하며, 이는 산소와 빠르게 반응하여 메탄설폰산을 형성합니다. 연구팀은 정제된 효소와 필요한 화학적 조력자들을 시험관에 섞고 산이 형성되는 과정을 지켜봄으로써 이를 입증했으며, 생물학적 기계 장치만으로도 이 반응을 일으키기에 충분하다는 것을 증명했습니다.

이 발견의 중요성은 실험실을 훨씬 넘어섭니다. 이 과정이 실제 바다에서도 일어나는지 확인하기 위해, 연구진은 생물학적 생산성이 높은 지역으로 알려진 남극 웨델해(Weddell Sea)에서 채취한 해수 샘플을 분석했습니다. 그들은 물을 두 가지 분획으로 나누었습니다. 자유롭게 떠다니는 용존 화학 물질과 아주 작은 유기체들의 내용물입니다. 두 분획 모두에서 상당한 양의 메탄설폰산이 발견되었습니다. 일부 지점에서는 세포 내부의 산 농도가 원래의 DMSP보다 높았는데, 이는 전환이 빠르고 효율적임을 시사합니다. 용존수에서 발견된 산의 존재는 박테리아가 이를 환경으로 방출하여 해양의 화학적 목록에 직접적인 생물학적 원천을 추가하고 있음을 나타냈습니다.

이 발견은 모든 해양 메탄설폰산이 하늘에서 온다는 오랜 견해에 도전합니다. 대기 침적 역시 역할을 하지만, 이 연구는 해양 박테리아가 주요하고 독립적인 원천임을 보여줍니다. 이는 황 순환이 이전에 생각했던 것보다 더 밀접하게 연결되어 있으며, 미생물의 대사와 해수의 화학적 조성 사이에 직접적인 연결 고리가 있음을 의미합니다. 박테리아가 생성한 산은 다른 미생물들에 의해 탄소와 에너지원으로 사용될 수 있어, 먹이망에 새로운 루프를 만듭니다.

이 발견이 갖는 함의는 기후 과학 측면에서 매우 심오합니다. 메탄설폰산은 구름 입자가 형성되는 중심인 구름 응결핵(cloud condensation nuclei)을 형성하는 핵심 성분입니다. 구름은 햇빛을 반사하여 지구를 냉각시킵니다. 만약 메탄설폰산의 상당 부분이 대기로부터 도착하는 것이 아니라 바다에서 직접 생성된다면, 이는 과학자들이 바다와 하늘 사이의 황의 균형을 계산하는 방식을 변화시킵니다. 이는 해양의 생물학적 활동 자체가 기존 모델들이 설명했던 것보다 구름 형성과 기후 조절에 있어 더 능동적인 동력임을 시사합니다.

식물 플랑크톤 세포의 보호용 방패에서부터 기후에 영향을 미치는 산에 이르기까지 단 하나의 분자의 경로를 추적함으로써, 이 연구는 박테리아 효소의 미시 세계와 기후 역학의 지구적 규모를 연결합니다. 이는 바다가 단순히 대기 화학 물질의 수동적인 수혜자가 아니라, 보이지 않는 거주자들의 대사 과정을 통해 화학 물질을 능동적으로 생성하는 곳임을 드러냅니다. 이 연구는 바다의 생명체가 어떻게 지구의 화학적 구조를 형성하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공하며, 아주 작은 유기체들조차 지구 시스템에서 결정적인 역할을 수행하고 있음을 상기시켜 줍니다.