ep 5. 이산화탄소 쑥쑥 빨아들이는 나무, 슈퍼트리 수다가 왔수다!🌲

온실가스 중 하나로 분류되는 대기 중 이산화탄소 💭 가장 원초적인 해결책은 바로 나무 심기와 같은 지구상의 카본 싱크 (Carbon Sink)를 늘리는 건데요.

점점 늘어나는 이산화탄소, 얼마나 많은 나무를 심어야 하는건지 감도 잘 안오고.. 실제로 이렇게 심는 게 효율성이 좋은건지 의문도 들죠. 그래서 생물학자들이 생각한 방법이 있는데요, 바로 이산화탄소를 평균적인 나무보다 더 많이 흡수하는 일명 슈퍼트리🌲를 개발하고자 한 거예요.

이산화 탄소를 많이 흡수하게 하려면 OOO이 빨라야 한다?

나무가 이산화탄소를 많이 흡수하게 하려면, 광합성이 빨라야 해요. 광합성은 크게 빛이 꼭 필요한 명(明)반응과 빛이 필요하지 않은 암(暗)반응으로 나뉘는데요. 실질적으로 1탄소 물질인 이산화탄소를 6탄소 물질인 포도당으로 바꾸는 과정은 암반응의 캘빈회로 (Calvin Cycle)에서 일어나게 돼요. 이 회로에서도 1탄소 물질이 들어가면 5탄소 물질인 RuBP라는 친구와 결합되게 되면서 6탄소 물질이 되는데요. 이 두 친구를 붙여주는 본드 역할을 하는 효소가 바로 루비스코(Rubisco)라는 친구예요.

효소계의 나무늘보🦥루비스코

그런데 이렇게 중요한 루비스코의 큰 약점이 있는데요, 바로 반응 속도가 느리다는 거예요. 한 마디로, 이 효소가 대사산물을 만들어내는 속도가 빨라야 대기 중 많은 이산화탄소가 바이오매스로 변환 (a.k.a 탄소고정) 되는데, 효소가 너무 느리니 탄소고정이 비효율적인 거죠.

그러면 루비스코가 더 많은 1탄소와 5탄소를 붙이도록 효소의 반응속도를 조절하면 되는 거 아니야?🤷 맞아요! 이게 연구진들이 처음으로 했던 생각이었어요. 일반적으로 효소의 양을 늘리면, 대사 산물이 만들어지는 속도 (a.k.a 효소-기질 복합체 형성 속도, 반응속도)가 빨라지거든요. 이에 따라 루비스코의 양을 늘리는 쪽으로 연구를 이어나갔어요.

광합성 속도의 Key🗝️= 광합성 효율!

루비스코의 양이 늘어나며 효소 반응 속도도 조금씩 빨라지긴 했어요. 하지만, 여전히 아쉬움이 남는 결과였죠. 루비스코는 원래 광합성의 기질인 이산화탄소와도, 부산물만 만드는 산소와도 반응하거든요. 루비스코가 산소와 반응하면 인산글리콜산과 같은 불필요한 부산물이 생기는데요, 이 친구는 독성과 저해성이 있어 광호흡 과정을 통해 우회처리돼요. 다만 이 과정에서 ATP/NADH를 사용하고, 탄소를 방출하기 때문에 순 광합성 효율은 떨어지고요. 따라서, 연구진들은 루비스코의 양이 아닌 광합성 효율에 집중하기 시작했어요. 광합성 효율을 높이면⬆️ 광합성 속도⬆️를 올릴 수 있고, 결론적으로 시간 대비 고정되는 탄소량⬆️을 올릴 수 있다는 거죠.

광합성 효율은 어떻게 올려?🧐

바로 그 우회처리를 하는 광호흡과정을 엽록체 안에서 발생되게끔 하는 거예요. 원래 자연스러운 광호흡은 엽록체(2-PG 생성→글리콜레이트) → 퍼옥시좀 → 미토콘드리아 → (글리세레이트로) 다시 엽록체 로 돌아오는 멀티-소기관 루트라서, CO₂와 에너지 손실이 생겨요.

이 루트를 잘 보다 보면, 이런 의문이 들 수 있어요.

🧐: 엽록체에서 시작해서, 다시 엽록체로 돌아올 거면, 왜 엽록체에서 시작하고 끝내는 건 안되는 거지?

맞아요! 이런 거예요. 그냥 처음과 끝을 같게 해볼 수 없을까? 라는 이 질문에 연구진들은 바로 엽록체 표적 효소들을 도입하는데요. 이 효소는 엽록체 내에서 이산화탄소를 제동화하게 하거나 우회 경로를 엽록체 안으로 이동시켜 소기관간 왕복 과정에서 잃어나는 이산화 탄소와 에너지 손실 및 시간 지연을 줄이거든요. 이 효소는 탄소가 캘빈회로에 빠르게 재투입되게 만들고, 결론적으로 더 높은 순광합성률을 이끌어내요.

유전적으로 '부스팅'해주는 부스터 유전자 (BSTR)

또 다른 방법으로는 유전적으로 부스팅 해주는 부스터 유전자, BSTR이 있어요. 사실 이 유전자는 비교적 최근에 발견되어 적용되기 시작했는데요. 이 메카니즘은 비광학적 에너지 소산 (Non -Photochemical Quenching, NPQ)라는 것을 주목해요.

세포 속 청기백기? NPQ! ⚪️🔵

간단하게 설명하자면, 광합성 과정은 세포에서 포도당을 공장의 컨베이어벨트에서 만드는 것과 상당히 유사한데요. 식물이 너무 강한 햇빛에 노출되는 경우, 이 공장에 갑자기 너무 많은 양의 에너지가 투입되면서 전체적인 시스템이 고장나고 손상을 입을 수 있어요. 따라서 햇빛이 강할 때에는 모든 햇빛 에너지를 다 쓰기보다, 잉여 에너지를 남겨두어 이런 손상을 미리 대비하는데요. 이 메커니즘이 바로 비광학적 에너지 소산, NPQ예요. 마치 햇빛 많으면 - 청기 들어! 🔵 하며 NPQ를 키고, 햇빛이 적으면 백기 들어! ⚪️하면서 NPQ를 끄는 것이죠. 근데 이 청기 백기를 빠릿빠릿하게 바꾸지 못하면 하루에도 수십번씩 바뀌는 빛의 세기를 따라가지 못하고, 빛이 필요한 순간에 빛에너지를 제한을 걸어버리는 일이 생겨요.

연구진들은 청기 백기의 반응 속도를 어떻게 하면 올릴 수 있을지 연구했고, 마침내 BSTR이라 불리는 유전자 (Orphan Gene, 멀리 떨어져 있어서 이렇게 구분합니다!) 발견했어요.

쉽게 말해, BSTR은 식물에게 청기백기 신호를 전달하는 일종의 '확성기' 같은 단백질을 만들어내요. BSTR 유전자의 발현을 높여서 이 확성기를 왕창 키워버리는 거죠! 전에는 한 사람이 멀리서 작게 청기백기를 외쳤다면, 이제는 확성기 100대가 동시에 신호를 보내니 식물도 훨씬 빠릿빠릿하게 반응할 수 있게 돼요. 이 방식을 통해 광합성 효율을 획기적으로 끌어올린 연구 결과들이 나오고 있고요.

정말 신기하지 않나요? ㅎㅎ

맺음말

우리가 흔히 'GMO'라고 하면 부정적인 인식을 먼저 떠올리곤 하잖아요. 저도 평소에 음식을 살 때 Non-GMO 제품을 찾게 되고요. 아마 많은 분들이 공감하실 거예요.

하지만 직역하면 '유전자 변형 생물'인 GMO가 단순히 비용을 줄이기 위해서만 개발되는 것은 아니랍니다. 전 세계 연구소에서는 더 많은 이산화탄소를 흡수하고 바이오매스를 빠르게 키울 수 있는 작물과 나무를 통해 기후위기까지 해결하기 위해 발 빠르게 노력하고 있어요.

세상이 변하고 기후가 달라져도, 각자의 자리에서 묵묵히 인류의 최대 과제를 해결해 나가는 연구자들의 모습이 새삼 참 멋지게 느껴집니다. 최근에 과제와 업무, 알바에 치여 살다 보니 내가 왜 지금 런던에 와 있는지 그 초심을 잊고 지냈던 것 같아요. 오래전에 써두었던 글을 꺼내 읽으니 다시 마음이 두근거리고 설레네요.

다음에도 이 두근거리는 마음을 담아 재미있는 과학 이야기 포스팅해 볼게요. 우리 길지 않은 시간 안에 다시 만나요!

표지 사진 출처: Photo by niko photos on Unsplash