[논문]'AKR2 유전자' 통해 엽록체 생성 기원 밝혔다

황인환

문제 정의

우리가 식물세포에서 엽록체의 생성 기작을 밝히려는 가장 중요한 목적은 인간이 과학적인 측면에서 생명현상을 어떻게 이해할 수 있는가 하는 질문에 대한 답을 구하고자 하는 것이다. 현재의 생명체가 어떻게 진화돼 왔으며, 또 수천 년, 수억 년 후의 미래에는 어떻게 변할 것인가와 같은 생명체에 대한 근본적인 질문에 대한 기초적인 지식을 제공할 수 있을 것이다.

제안 방법

연구진은 이러한 과정이 엽록체의 생성 과정이나 식물체의 발달과정에서 어떤 의미를 갖는지를 연구하기 위해 AKR2가 결손된 식물체를 만들었다. 이 경우 AKR2가 결손된 식물체가 엽록체를 제대로 만들지 못하고 성장하지도 못한다는 것을 통하여 AKR2에 의한 엽록체의 외막으로의 외막단백질의 이동이 엽록체의 생성에 필수적이라는 사실을 밝혔다.
엽록체로의 이동이 저해를 받는 재조합유전자(cOEP64N67-GFP)를 인위적으로 발현시킨 다음 형광현미경으로 관찰한 결과 (색), 엽록체(파란색) 주변에 퍼져 있던 단백질들이 AKR2A와 함께 발현시킨 세포에서는 많은 양이 엽록체로 이동되어 있음을 볼 수 있었다 엽록체로 이동하는 재조합 유전자(OEP7-RFP)를 함께 발현시켜 대조군으로 사용하였다(빨간색).

성능/효과

이 경우 AKR2가 결손된 식물체가 엽록체를 제대로 만들지 못하고 성장하지도 못한다는 것을 통하여 AKR2에 의한 엽록체의 외막으로의 외막단백질의 이동이 엽록체의 생성에 필수적이라는 사실을 밝혔다. 또한 엽록체가 생성되지 않는 식물체는 광합성을 할 수 없을 뿐만 아니라, 식물세포가 필요로 하는 식물 호르몬과 같은 다양한 화학물질을 만들지 못하여 정상적 인 식물로 발달하지 못하게 된다는 것을보였다.

후속연구

AKR2에 의한 외막 단백질 이동 기작을 규명한 것은 이러한 과정규명의 시작에 불과하다. AKR2가 어떻게 정확히 엽록체 외막 단백질을 인식하며, 또한 이 AKR2가 세포의 여러 소기관들 중에서 어떻게 엽록체만을 인식하게 되며, 또한 어떤 과정을 통하여 이들을 엽록체 외막으로 데려다 주는지에 대한 더 많은 연구가 필요하다. AKR2 는 외막 단백질만을 특이적으로 데려다 주므로 외막 단백질 외의 엽록체 단백질의 경우에는 다른 종류의 단백질이 관여할 것으로 생각된다.
이렇게 인위적으로 새로이 추가된 단백질이 의료용 단백질과 같은 고부가가치의 단백질이 라면이 식물체는 고부가가치의 의료용 단백질을 만들어서 엽록체에 대량으로 저장하고 있는 식물체가 될 것이다. 궁극적으로는 이러한 응용 가능성을 확대하여 , 식물세포를 재설계하는 방법을 통하여 식물세포를 고부가가치의 유용하고 다양한 단백질을 생산하는 생산시스템으로 활용할 수 있을 것이며, 이는 어떤 단백질을 생산하고자 하느냐에 따라 산업적으로 무한한 가능성을 갖게 될 것이다.
위에서 설명하였듯이 엽록체는 원시 식물세포에서 초기에는 광합성을 담당하는 소기관이 었을 것이지만 지금은 식물세포가 필요로 하는 수많은 생화학물질을 공급하기 위한 화학반응을 수행하는 소기관으로서의 역할을 수행한다. 따라서 인간의 필요에 따라서 엽록체에 인위적으로 새로운 기능을 추가할 수 있을 것이다. 물론 새로운 기능을 추가하기 위해서는 이 기능을 수행하는데 필요한 단백질을 암호화하고 있는 유전자가 있어야 한다.
현재의 생명체가 어떻게 진화돼 왔으며, 또 수천 년, 수억 년 후의 미래에는 어떻게 변할 것인가와 같은 생명체에 대한 근본적인 질문에 대한 기초적인 지식을 제공할 수 있을 것이다. 또 다른 중요한 목적은 생명현상에 대한 기초연구를 통하여 발견한 원리를 응용하거나 활용하세 포의 기초적인 구성 원리, 엽록체의 생성원리 등을 응용하여 식물세포의 엽록체를 재설계하여 광합성의 효율이 더 향상된 식물을 개발할 수 있을 것이다. 물론 이렇게 하기 위해서는 단백질 이동과정을 포함한 더 많은 기초연구가 필요하다 광합성 효율이 증가된식물은 더 많은 이산화탄소를 흡수하여 현재 가장 커다란 환경문제로 대두되고 있는 이산화탄소의 제거에 활용할 수 있을 것이다.
또 다른 중요한 목적은 생명현상에 대한 기초연구를 통하여 발견한 원리를 응용하거나 활용하세 포의 기초적인 구성 원리, 엽록체의 생성원리 등을 응용하여 식물세포의 엽록체를 재설계하여 광합성의 효율이 더 향상된 식물을 개발할 수 있을 것이다. 물론 이렇게 하기 위해서는 단백질 이동과정을 포함한 더 많은 기초연구가 필요하다 광합성 효율이 증가된식물은 더 많은 이산화탄소를 흡수하여 현재 가장 커다란 환경문제로 대두되고 있는 이산화탄소의 제거에 활용할 수 있을 것이다.
아직 식물세포의 소기관인 엽록체의 생성 기원이나 엽록체의 기능을 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요할 것이다. AKR2에 의한 외막 단백질 이동 기작을 규명한 것은 이러한 과정규명의 시작에 불과하다.
이러한 문제는 수많은 게놈 프로젝트를 통하여 무수히 많은유전자가 알려져 있기 때문에 이들 게놈 프로젝트에서 얻어진 정보를 활용하여 유전자를 확보할 수 있을 것이다. 이렇게 확보된 유전자는 식물세포에 형질전환기법을 통하여 도입할 수 있을 것이다. 이때 이 유전자를 약간 변형시켜 엽록체로 이동할 수 있는 형태로 식물체에 도입한다면, 이 유전자가 암호화하고 있는 단백질은 세포질에서 만들어져 엽록체로 이동하여 저장될 것이다.
하는 질문에 대한 답을 구하고자 하는 것이다. 현재의 생명체가 어떻게 진화돼 왔으며, 또 수천 년, 수억 년 후의 미래에는 어떻게 변할 것인가와 같은 생명체에 대한 근본적인 질문에 대한 기초적인 지식을 제공할 수 있을 것이다. 또 다른 중요한 목적은 생명현상에 대한 기초연구를 통하여 발견한 원리를 응용하거나 활용하세 포의 기초적인 구성 원리, 엽록체의 생성원리 등을 응용하여 식물세포의 엽록체를 재설계하여 광합성의 효율이 더 향상된 식물을 개발할 수 있을 것이다.

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