녹색 유전체의 비밀을 밝힌다!

모두 너무나 잘 알고 있듯이 산소가 없다면 우리는 살아갈 수 없다. 그러나 초기의 지구의 대기는 산소를 거의 가지고 있지 않았다고 한다. 그렇다면 현재 지구 대기의 21%를 차지하고 있는 이 막대한 양의 산소는 어디서 왔을까? 그 해답은 바로 시아노박테리움(cyanobacterium)에서 찾을 수 있다. 동물성을 띠는 세균이 광합성이라니 뜻밖의 일처럼 보일지도 모르지만 세균의 다양성을 생각해보면 그리 놀랄 일도 아니다.

이 cyanobacterium은 광합성 기작을 통해 태양 에너지를 생체 화학에너지로 바꾸어 타가 영양 생물들의 진화과정을 촉진해 왔다. 또한, 이 중 많은 종들은 질소를 고정할 수 있는 능력을 보유하고 있어서 다른 생물체들의 질소 동화작용을 돕고 있는 생태계의 중요 위치를 차지하고 있다.

이들 중에서 시네코시스티스 PCC 6803(Synechocystis sp. PCC 6803) 종은 1996년 일본 카주사(Kazusa) 연구소에서 이 세균의 전체 유전자 염기서열을 모두 해독하여 더욱 주목을 받고 있다. 이들은 광합성 세균이라는 이유뿐만 아니라

synechocystis의 형태

뛰어난 대장균(Escherichia coli), 고초균(Bacillus subtilus) 처럼 높은 형질 전환능력을 가지고 있어서 더욱 주목을 받고 있다. 이들은 다른 시아노박테리움과는 달리 질소 고정 능력을 가지고 있지 않아서 여기서는 그에 대한 내용을 다루지 않겠다.

이들은 다른 세균과 마찬가지로 원핵 생물로서, 30억 년 이상 전에 지구상에 나타났다고 생각된다. 다양한 환경에 넓게 서식하고 있고 단세포로 생활하는 것도 있지만 대부분은 염주 모양으로 연결된 형태로 되어 있거나 큰 집단(콜로니)을 형성하고 있다. 시아노박테리아는 육상 식물의 엽록체와 같은 방법으로 광합성을 하여 이산화탄소와 물로부터 녹말과 산소를 만든다. 원시 지구에 산소를 만든 것은 시아노박테리아라고 생각되고 있다. 그 증거가 되는 것이 스트로마톨라이트이다. 스트로마톨라이트는 약 30억 년 전 이후의 지층에서 발견되는 암석으로, 층 형태의 줄무늬 모양을 가지는 것이 특징이다. 이 스트로마톨라이트는 시아노박테리아를 비롯한 광합성을 하는 미생물의 작용으로 형성된 것으로, 현재도 서오스트레일리아에서는 형성 중인 스트로마톨라이트를 볼 수 있다. 또한 육상 식물의 엽록체와 시아노박테리아는 공통의 조상을 가진다고 생각되고 있다.

DNA 크기가 2Mb 정도면 바로 샷-건(shot-gun)방식을 사용하면 되지만 DNA의 크기가 3.57kb 정도로 조금 크기 때문에 람다 파지(λphage)와 코스미드(cosmid)에 실은 다음에 그것을 샷-건 방식으로 시퀀싱(sequencing)하였다. 이것은 샷-gun 방식을 약간 변형해서 사용했다고 볼 수 있다. 긴 피시알 산물(PCR-polymerase chain reaction products)은 갭 필링(gap-filling)에 사용되어졌다. 그리고 시퀀싱의 여러 가지 기술적인 면에 대해서는 많이 언급하지 않겠다. 여러 회사의 기기와 여러 곳의 데이터 베이스(data base)를 이용했다는 것만 얘기하겠다. 이 균의 염기 서열 분석은 1996년 카주사 연구소에서 끝냈다. 이들은 식물 관련 유전자를 앞으로 계속 연구할 것으로 보인다.

이 균은 총 3.57 Mb의 염기서열을 가지고 있다. 이중에서 약 3000개의 ORF(open reading frame)이 존재하지만 그 기능이 완전히 밝혀진 것은 30%정도에 지나지 않는다. 이들에 관한 정보는 일본 카주사 연구소에서 제공하고 있다.

오른쪽의 그림은 시네코시스티스 PCC 6803의 둥근 형의 유전자 지도로서 제한 효소로 자른 유전자의 지도를 보여주는 것이다.

2차원 겔 전기 영동 (gel electrophoresis-2DE)에 의해 단백질을 분석한 결과 TTG가 비록 확인되긴 했지만 ATG와 GTG는 주요 시작 코돈(initiation codons)이다.

ORF는 ATG 또는 GTG codon으로 시작되는 적어도 50개의 인접한 센스 코돈(sense codons)으로 시험적으로 규정되었다.

유전자 지도 (kazusa 대학 연구소)

또한 RNA 오페론이 둘 존재하는데 두 RNA 오페론(operons)의 하나는 유전자 지도의 68% 위치에 존재한다. 오페론은 5,028bp, rRNA 유전자는 다음의 이어진 차례로 배열한다. [16s rRNA]-[Ile-tRNA]-[23s rRNA]-[5S rRNA]

유전자 지도의 93%에 위치한 다른 오페론 또한 분석되었다. 위의 그림은 RNA 오페론을 나타낸 그림인데 빨간 색 굵은 화살표와 비슷한 모양으로 표시된 부분이 그것이다. 그 위의 파란색 굵은 띠는 최근에 이 팀에서 시퀀싱한 것을 나타내고 간혹 그것과 겹쳐져 있는 얇은 파란색 띠는 이미 시퀀싱되어 있던 부분을 나타낸다. 그리고 그 위에는 유전자의 위치를 나타낸 것을 볼 수 있다.

이것은 시네코시스티스 PCC 6803의 특성을 보여주는 유전자에 대한 것이라 할 수 있다. 우선, 시아노박테리아를 포함한 다양한 광합성 독립 영양 생물을 이용해 광합성에 관여하는 다양한 유전자가 연구되었는데 시네코시스티스로부터는 71종의 유전자가 분리되었다. 현재 시네코시스티스 유전체(genome)가 다양한 광합성 과정에 관여하는 71개의 보고된 유전자를 포함하여 총 126개의 유전자들을 포함한다는 것을 알고 있다.

이러한 과정들은 광계(photosystems)Ⅰand Ⅱ, 피코빌리좀(phycobilisome) 형성, ATP 합성, 이산화탄소 고정, 전자 전달계들 이다. 그러나 광계Ⅰ의 서브유닛(subunits)을 위한 psaG, psaP, psaN과 광계 Ⅱ의 서브유닛을 위한 psbP, psbQ, psbR, psbS, psbT, psbW는 일반적으로 고등 식물의 핵 속에도 존재하는 것으로 시네코시스티스 게놈의 특징적인 것은 아니다.

다음으로 트랜스포세이즈는 이 균의 높은 형질 전환 능을 설명할 수 있는 단적인 예라고 할 수 있겠는데, 게놈의 유전자 조직으로 여겨지는 주목할만한 특징은 총 99개의 ORFs이다. ORFs는 기본적인 유사성에 의해 6개의 그룹으로 분류될 수 있다. 그들 각각은 삽입 유전자(IS-like element)를 구성하는 부분 안에 위치되는 것으로 나타났다.

마지막으로 이 균에서 진핵 생물에서 나타나는 특징적인 서열이 발견되었다. 전체 시네코시스트스의 게놈에서 5개의 유전자(sll0163, sll1491, slr1409, slr1410, slr0143)는 전형적인 반복 서열에 포함되는 것으로 발견되었다. 다른 진핵 생물형 유전자들에는 아래와 같은 것들이 있다.

시네코시스티스 게놈과 식물의 핵에서 tRNA 유전자와 단백질이 매우 유사하기 때문에 시아노 박테리아와 식물 사이의 계통발생학적 측면도 어딘 가에서 논의될 것이다.

psaB 변이주

정상 균주(wild type, 이하 w)의 포도당 흡수는 포도당 농도에 비례하였는데, 이 돌연 변이주는 암조건일 때 흡수량이 w보다 많았다. 이것은 돌연변이주가 보다 포도당 의존화 한 것으로 해석된다. 아이소시트레이트 데하이드로게네이즈 (Isocitrate dehydrogenase: IDH)와 글루코스-6-포스페이트(Glucose-6-phosphate dehydrogenase: G6PDH)의 활성도를 조사한 결과, IDH의 활성도는 미미하였으나, G6PDH의 활성도는 높았다. 이 결과는 종속 영양의 시아노 박테리아가, 외부에서 넣어 준 포도당의 유기호흡 대사 경로로 5탄당 인산 산화 회로를 이용한다는 보고와 일치한다. PsaB 돌연변이주는 포도당을 넣어 주었을 때, 더우기 암조건일 때 G6PDH의 활성도가 높

color mutant (SMCC)

았다. 이는 광합성 전자전달에 이상이 있을 때, 호흡에 의한 전달이 PSⅠ, PSⅡ및 전자전달 매개체들의 합성과 활성에 영향을 주는 것으로 해석된다.

Synechocystis sp. PCC 6803의 야생형과 PSI - 돌연변이주의 색소 및 틸라코이드막의 단백질 발현 양상을 비교한 실험을 보면 틸라코이드막에서 엽록소 a의 함량과 포피린링 (porphyrin ring, FNR)의 활성도 서로 비례적인 관계를 나타내었으며, FNR의 활성도는 변이주에서 공통적으로 낮게 나타난 것을 볼 수 있다. 막에 따른 색소 분포를 분석한 결과, 엽록소는 변이주에서 적게 나타났다. 웨스턴 블롯팅(Western blotting)의 결과, 서브유닛I은 모두에서 탐지되었고, 서브유닛 II는 변이주에서 소량 탐지되었다. 결과적으로 돌연 변이 물질을 통한 PSI-서부유닛 I의 기능성 부분(functional domain)의 변화는 엽록소와 카로티노이드의 분포에 영향을 미치며, 서브유닛 II의 결합에도 변화를 일으킨 것으로 생각되었다. 이는 전체적으로 광합성 효율에도 영향을 미친것으로 해석된다.

ABC transporter gene

이 균은 활주 운동을 통한 광주성을 가진다. 이 균을 무작위하게 돌연 변이를 일으켜서 아가(Agar)배지에 키웠더니 12마리의 활주 운동을 하지 않는 돌연변이를 발견해서 그것을 여러 유전자 조작 방법을 통해 알아보았더니 slr1149 유전자가 code하는 2개의 ATP 결합 모티프(motifs)와 ABC 전달체(transporter)에 이상이 생겼다는 것을 알 수 있었다. 이 결과로 이 균의 이동력은 ATP의 가수분해로 생기는 것이라는 것을 알 수 있다.

옆의 그림은 운동성에 변이가 생긴 균을 정상의 균과 비교해서 보여주는 것으로 정상의 것과는 조금 다르게 뭉쳐있는 형태가 보인다.

활주 운동의 변이 (SMCC)

우리 나라는 비록 DNA의 염기 서열을 밝히는 연구에는 참여하지 못했지만, 유전자의 기능 연구에서라도 후발주자로 나서기 위해 많은 노력들이 보인다. 한국 식물학자들이 이것을 이용해 여러 가지 활용하기 위해서 연구에 동참한 것이 보인다. SMCC (synechocystis sp. PCC6803 mutants culture collection)은 이들의 기능을 밝히기 위해서 트랜스포존(transposone)을 이용하여 무작위로 돌연 변이를 시켜 지금 약 4,500여 종의 일차 돌연변이를 확보했다. 그리고 최근에는 이 돌연변이로부터 트랜스포존의 삽입 유전자를 쉽게 해독할 수 있는 역 피시알 기술이 완성되어 본격적인 유전자 탐색과 기능연구의 실마리를 마련하게 되었다. 이들은 다른 12개의 연구진들과 콘소시움을 형성하게 되었다. 그리하여 막대한 자본을 투입하는 다른 선진국들과 어깨를 나란히 하고자 한다.