빛으로 에너지 얻는 태양광 효모 만든다

생물분야 국제학술지 '커런트 바이올로지(Current Biology)'는 과학자들이 효모에 빛으로부터 에너지를 얻는 새로운 능력을 부여했다고 2일 밝혔다. 이들 연구진은 이 기술이 놀라울 정도로 쉬우며, 진화를 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 더 나은 맥주와 바이오 연료를 만드는 데도 도움이 될 수 있다고 말하고 있다.

아마추어 양조자나 제빵사라면 누구나 알겠지만 효모는 빛에 매우 민감하다. 빛에 노출되면 효모가 죽어 빵이나 맥주가 푹 꺼져버린다. 효모는 완전한 어둠과 세심한 온도 관리 하에서 가장 잘 자라고 잘 작동하지만, 미국 조지아공대의 과학자들은 새로운 연구에서 효모가 빛에서도 생존할 뿐만 아니라 번성할 수 있도록 설계했다.

연구진은 효모의 유전자를 편집하여 빛을 포집하여 에너지를 생산하는 유기체, 즉 광합성 생물로 만들었다. 물론 식물이 가장 유명한 예이지만, 조류와 일부 유형의 박테리아도 광합성을 하는 생물이다. 대부분의 경우, 이러한 능력은 복잡한 분자 기계를 통해 이루어지며, 적절한 유전적 맥락이 없는 유기체에 삽입하기에는 너무 번거롭다.

새로운 연구를 위해 연구팀은 효모에 빛을 스스로 에너지로 변환하는 로돕신(rhodopsin)이라는 단백질을 훨씬 더 간단한 도구로 제공했다. 로돕신은 자체적으로 존재할 뿐만 아니라 수평 유전자 전달이라는 과정을 통해 거래용 카드처럼 유기체 간에 자연스럽게 유전자를 전달할 수 있다. 이 메커니즘은 항생제 내성과 같은 과정의 주요 요인이다.

이 연구의 수석 저자인 가을의 사나이 오텀 피터슨(Autumn Peterson)은 "로돕신은 생명체의 모든 곳에서 발견되며, 진화 과정에서 유기체가 서로 유전자를 주고받으면서 획득한 것으로 보인다"고 말했다.

연구팀은 기생 곰팡이에서 로돕신 유전자를 합성하여 효모 세포의 액포라는 세포 소기관(organelle)에 삽입했다. 이 효모는 아무런 최적화 없이도 빛으로부터 에너지를 생산하여 평소처럼 산소를 통해 에너지를 보존할 수 있었다. 조명을 받으면 편집된 효모는 자연 효모보다 약 2% 더 빠르게 성장했으며, 어둠 속에 보관한 편집 효모보다 더 나은 성능을 보였다.

이 연구의 교신저자인 앤서니 버네티(Anthony Burnetti)는 "여기에는 단일 유전자가 있고, 우리는 이 유전자를 여러 맥락에서 광합성을 한 적이 없는 혈통으로 끌어들인 것뿐인데, 그것이 작동했다"며 "이것은 이런 종류의 시스템이 새로운 유기체에서 적어도 때로는 그렇게 쉽게 작동할 수 있다는 것을 말해준다"고 덧붙였다.

연구진은 이 연구가 과학자들이 맥주에서 바이오 연료에 이르기까지 모든 것을 위해 더 생산적인 효모 균주를 설계하는 데 도움이 될 수 있다고 말하고 있다. 그러나 연구진은 이번 연구를 통해 진화, 특히 생명체가 단세포에서 다세포 형태로 어떻게 거대한 도약을 이룰 수 있었는지 연구하는 것이 목표였다. 작년에 연구진은 인위적인 자연 선택을 통해 수천 세대에 걸쳐 효모를 20,000배 더 크고 10,000배 더 단단하게 성장시켜 다세포주의의 일부 특성을 보이는 집단 군집을 형성시킨 바 있다.

이 프로젝트의 주요 과제 중 하나는 성장하는 효모에 충분한 에너지를 공급하는 것이었다. 산소가 주요 공급원이지만, 구조가 커지면서 충분한 산소를 전체적으로 확산시키기가 어려웠다. 연구진은 다음 단계로 광영양(phototropic) 효모로 다세포 진화 실험을 진행하여 에너지 생산에 더 많은 옵션을 제공하면 미생물이 더 활발하게 성장할 수 있는지 알아볼 계획이다.