[이미디어= 황원희 기자] 메탄영양체 박테리아는 매년 3천만 미터톤의 메탄을 소비하며, 강력한 온실가스를 사용 가능한 연료로 바꾸는 타고난 능력으로 연구자들을 사로잡고 있다. 그러나 이렇듯 복잡한 반응이 어떻게 일어나는지에 대해 거의 알지 못하기 때문에, 아직 그 쓰임새에 제한이 있으며 연구가능성도 무궁무진하다.

이 박테리아가 반응을 촉매하기 위해 사용하는 효소를 연구함으로써 노스웨스턴 대학의 연구진은 이제 이 과정을 주도할 수 있는 핵심 구조를 발견했다.

사이언스지에 발표된 연구에 따르면 궁극적으로 메탄가스를 메탄올로 바꾸는 인간이 만든 생물학적 촉매 개발로 이어질 수 있다.

연구진은 메탄은 매우 강력한 결합을 가지고 있기 때문에 효소의 역할에 대해 주목하고 있다. 이 연구를 주도한 노스웨스턴 대 연구진은 효소가 이 어려운 화학작용을 정확히 어떻게 수행하는지 이해하지 못한다면, 이를 생명공학적인 용도에 맞게 설계하고 최적화할 수 없을 것으로 보고 있다.

미립자 메탄 모노옥시게나아제라고 불리는 이 효소는 박테리아 세포막에 내장되어 있기 때문에 특히 연구하기 어려운 단백질이다.

일반적으로, 연구자들이 이러한 메탄영양체 박테리아를 연구할 때, 세제 용액을 사용하여 단백질을 세포막에서 떼어내는 힘든 과정을 거친다. 이 과정이 효소를 효과적으로 분리하는 동안, 모든 효소 활동을 죽이고 연구자들이 수집할 수 있는 정보의 양을 제한한다. 예를 들어, 심장 박동 없이 심장을 감시하는 것과 같다.

이 연구에서 연구팀은 완전히 새로운 기술을 사용했는데 효소를 원래의 환경과 비슷한 막에 다시 주입함으로써 새로운 것을 발견할 수 있을지 궁금했다. 이는 나노디스크라고 불리는 보호 입자 안에 막을 형성할 수 있도록 박테리아로부터 얻은 지질들을 사용했고, 그 막에 효소를 주입했다. 이를 통해 나노디스크 내에서 효소의 본래 환경을 재현함으로써 효소에 대한 활성을 회복시킬 수 있었다. 그 후, 지질 이중층이 어떻게 활동을 회복시켰는지를 원자 수준에서 결정하기 위해 구조 기술을 사용할 수 있었다. 이를 통해 메탄 산화가 발생할 가능성이 있는 효소 내 구리 부위의 완전한 배치를 발견했다.

연구진은 지질막 환경이 실험 내내 방해받지 않기 때문에 막 단백질에 적합한 기술인 저온전자현미경법(cryo-EM)을 사용했다. 이것은 그들이 처음으로 높은 분해능으로 활성 효소의 원자 구조를 시각화할 수 있게 했다. 그 결과 연구진은 기존의 생각을 뒤집을 수 있는 여지를 발견했다. 연구진은 극저온 전자 단층 촬영이라고 불리는 최전방 영상 기술을 사용하여 박테리아 세포 내에서 직접 효소를 연구할 계획이다.

성공할 경우 연구진은 그 효소가 세포막에서 어떻게 배열되어 있는지 정확히 볼 수 있을 것이고, 그것이 진짜 자연 환경에서 어떻게 작동하는지를 결정할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 효소 주변의 다른 단백질들이 그것과 상호작용하는지 알 수 있을 것이다. 이러한 발견은 엔지니어에게 중요한 누락 링크를 제공할 수 있다. 이를 통해 박테리아와 공학적 효소를 사용하여 프래킹 현장에서 메탄을 채취하거나 기름 유출을 청소할 수 있다. 

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