[사이언스 데일리] 희귀한 박테리아 내부에서 오늘날 식물의 광합성을 가능하게 하는 구조와 비슷한 것이 발견되어 광합성 과정이 이전에 생각했던 것보다 더 오래되었다는 것을 시사하고 있다.

(2019년 7월 25일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 임페리얼 컬리지 런던

햇빛을 받은 잎 (스톡 이미지) Credit: © Korn V. / Adobe Stock

희귀한 박테리아 내부에서 오늘날 식물의 광합성을 가능하게 하는 구조와 비슷한 것이 발견되어 광합성 과정이 이전에 생각했던 것보다 더 오래되었다는 것을 시사하고 있다.

이번 발견으로 광합성의 진화에 대한 전통적인 아이디어들을 거꾸로 뒤집어 새롭게 생각해야 할 필요가 생겼다.

광합성은 태양의 에너지를 이용한 화학반응을 통해 당을 만들어내는 능력이다. 오늘날의 식물, 조류, 그리고 일부 박테리아는 ‘산소’ 광합성을 수행하는데 이 과정에서 물을 산소와 수소로 분해하여 산소를 부산물로 내놓는다.

일부 박테리아는 이와 달리 ‘무산소’ 광합성을 하는데, 이때는 물이 아닌 다른 분자를 이용해 필요한 에너지를 공급하며 산소를 발생시키지 않는다.

과학자들은 무산소 광합성이 더 ‘원시적’이고 산소 광합성이 그로부터 진화해왔다는 가정을 해왔다. 이 관점에서 보자면 무산소 광합성은 35억년 전에 출현했고, 산소 광합성은 그로부터 10억년이 더 흐른 다음 출현했다.

하지만, 임페리얼 컬리지 런던의 연구자들은 아주 오래된 종류의 박테리아 내부의 구조를 분석한 결과 산소 광합성에 있어 중요한 단계가 일반적으로 생각했던 것보다 10억 년 일찍 가능해졌으리라는 가능성을 제시했다.

새 연구는 학술지 ‘식물과학의 경향(Trends in Plant Science)’ 에 출판되었다.

이번 연구의 주 저자인 임페리얼 컬리지 생명과학과의 타나이 카르도나 박사의 말이다. “광합성의 진화에 대한 기존의 이야기들 상당수가 초기 박테리아의 광합성 체계의 구조와 기능과 관련하여 얻어낸 실제 데이터와 들어맞지 않는다는 것을 알게 되었습니다.”

이들이 연구한 박테리아는 헬리오박테리움 모데스티칼둠(Heliobacterium modesticaldum)으로 온천, 토양, 그리고 물에 잠긴 밭 등에서 발견되는데, 무산소 광합성을 하는 종류이다. 이 박테리아는 오늘날 산소 광합성을 수행하는 주된 박테리아인 남조류(cyanobacteria)와 매우 먼 관계다.

이 둘은 매우 먼 관계라서 이들 사이의 마지막 ‘공통조상’ 은 수십억 년 전에 존재했어야만 한다. 다시 말해 만일 이 두 박테리아가 공통된 특징을 가지고 있다면 그 특징은 아마도 이 두 박테리아의 조상이었던 아주 오래된 박테리아에도 존재했을 가능성이 높다는 이야기다.

H. modesticaldum 과 현생 남조류가 서로 다른 종류의 광합성을 하기 위해 공통으로 이용하는 구조를 분석하면서 카르도나 박사는 놀랄만한 유사점들을 발견했다.

양쪽 구조 모두 남조류와 식물들만이 물을 분리하기 위해 이용하는 바인딩사이트를 가지고 있었는데 이것은 산소 광합성을 위한 첫번째 중요한 단계다.

남조류의 진화는 보통 최초의 산소 광합성과 동시에 이루어졌다고 생각되었는데, H. modesticaldum 이 비슷한 바인딩사이트를 가지고 있다는 것은 산소 광합성을 위한 빌딩 블럭들이 이전에 생각했던 것보다 훨씬, 아마도 광합성 자체만큼이나 오래되었을 가능성이 높으며, 따라서 지구의 역사에서 훨씬 오래 전에 이런 일이 일어났으리라는 것을 의미한다.

카르도나 박사는 또 산소 광합성이 무산소 광합성으로부터 십억 년의 진화를 거쳐 만들어진 결과물이 아니며, 그보다 훨씬 일찍, 혹은 산소 광합성이 먼저 진화했을 수도 있다고 이야기하고 있다.

카르도나 박사의 말이다. “이번 결과는 왜 광합성과 산소 생성을 담당하는 시스템이 왜 오늘날과 같은 모습을 가지고 있는지 환상적으로 잘 설명해주고 있습니다. 하지만 이것이 말이 되려면 광합성의 진화에 대해 우리가 생각하고 있던 관점을 바꿔야만 하죠.”

“전통적인 관점에서는 무산소 광합성이 먼저 진화하여 약 10억년 동안 최초이자 유일한 광합성 방식이었다가 그 후에야 산소 광합성이 진화했다고 보고 있는데, 그것이 사실이라면 이번 연구읟 ㅐ상이 된 박테리아에서 이런 구조는 존재할 수 없는 것입니다.”

이번 연구는 리버흄 트러스트와 생명공학 및 생명과학 연구 위원회의 연구비 지원으로 이루어졌다.

참고문헌:
Tanai Cardona, A. William Rutherford. Evolution of Photochemical Reaction Centres: More Twists? Trends in Plant Science, 2019; DOI: 10.1016/j.tplants.2019.06.016

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