차선신 교수팀, 바이오 수소 생산 조절 단백질의 작동 메커니즘 규명
차선신
화학·나노과학전공
친환경 에너지 기술의 핵심, 바이오 수소 생산 조절 단백질의 작동 메커니즘 규명
연구 성과 세계적 학술지 <Nucleic Acids Research>에 게재
본교 화학·나노과학과 차선신 교수팀이 친환경 에너지 기술의 핵심으로 평가받는 바이오 수소 생산 조절 단백질의 작동 메커니즘을 규명했다. 연구 결과를 담은 논문 「An archaeal transcription factor EnfR with a novel ‘eighth note’ fold controls hydrogen production of a hyperthermophilic archaeon Thermococcus onnurineus NA1」는 세계적 학술지 <Nucleic Acids Research(생화학·분자생물학 분야 상위 3.3%)>에 게재됐다.
(왼쪽부터) 손세영 석박사통합과정생, 차선신교수, 배다운 박사
차선신 교수와 배다운 박사, 손세영 석박사통합과정생으로 이루어진 연구팀은 ‘Thermococcus onnurineus NA1(이하 T. onnurineus NA1)’에서 수소 생산을 조절하는 전사 인자인 EnfR의 작동 메커니즘을 밝혀냈다. ‘T. onnurineus NA1’은 공동 연구기관인 한국해양과학기술원이 2002년 심해열수구로부터 분리한 초고온성 고세균으로, 독성가스인 일산화탄소를 원료로 수소를 생산할 수 있는 미생물이다. 수소는 연소 시 물을 제외한 부산물이 생성되지 않아 대기 오염 및 온실가스 배출을 최소화하는 깨끗하고 친환경적인 에너지원이다. 또한 기존에 사용되는 화석 연료에 비해 단위 질량당 에너지가 높아 동일한 양의 연료로 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 이러한 수소의 생산원인 T. onnurineus NA1은 차세대 에너지 생산자로서 전도유망한 미생물로, 2011년부터 해당 균주의 높은 수소 생산성을 산업에 적용하기 위한 노력이 진행되고 있다.
그림 . EnfR 단백질의 3차 구조 (좌). 돌연변이에 따른 단백질 3차 구조 변화로 DNA 결합력 및 전사인자로서의 활성 차이 (우).
오른쪽 패널에서 야생형은 파란색, 돌연변이는 주황색으로 나타내었음.
T. onnurineus NA1 균주의 장기 적응 배양을 통해 2016년 일산화탄소로부터 수소 생산을 촉매하는 효소군의 발현을 조절하는 전사인자로서 EnfR의 역할이 규명되었으나, EnfR의 3차 구조 및 생체 내 정확한 작동 기작은 밝혀지지 않았다. 본 연구에서 차선신 교수팀은 EnfR의 3차 구조를 규명하고, 한국해양과학기술원 및 본교 식품생명공학전공 김병식 교수팀과의 협업을 통해 발현 조절 메커니즘을 밝혔다. 이번 연구를 통해 EnfR은 이전에 알려진 단백질 구조와는 완전히 다른 독특한 '팔분음표(♪)' 구조를 갖고 있으며, EnfR이 일산화탄소 산화 효소 유전자 군의 프로모터 영역에 있는 특정 DNA 서열에 결합한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 연구팀은 보다 자세한 조절 메커니즘을 규명하기 위해 단백질 구조 분석, 프로모터와의 복합체 구조 예측 및 상호작용 분석, 돌연변이 실험을 진행했다. 이를 통해 EnfR의 특정 아미노산이 치환된 경우 단백질 구조 변화가 발생하여 DNA에 대한 친화도가 감소하고, 그 결과 일산화탄소 산화 효소군의 유전자 발현이 변화해 T. onnurineus NA1의 수소 생산성이 크게 증대되는 것을 확인했다.
현재 대부분의 에너지 개발 방식은 화석 연료인 석탄, 석유 및 천연가스를 사용하는 것이다. 그러나 화석 연료의 연소는 대기 오염 및 온실가스 배출 등의 문제를 야기하며, 장기적으로는 기후 변화를 초래한다. 또한, 화석 연료는 한정된 자원으로 자원 고갈의 위험성도 높다. 이러한 단점을 극복하기 위해 대안적인 재생 에너지원이 필요한 가운데 강력한 대체 에너지원으로 여겨지는 수소 연구가 주목을 받고 있다. 본 연구는 T. onnurineus NA1에서 수소 생산을 조절하는 핵심 인자인 EnfR의 특성을 원자적 수준에서 밝힌 최초의 보고로, EnfR이 친환경적 에너지 개발의 중요한 타겟이 될 수 있음을 시사해 주목받고 있다. 친환경 에너지 기술의 핵심인 바이오 수소 생산에 대한 이해, 개발 및 응용에 있어 중요한 단서를 제공했을 뿐 아니라, 향후 친환경적이고 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하는 데 있어 기여하는 바가 클 것으로 기대된다.