광화학계 II 복합체의 정확한 3차원 원자구조 해명

오카야마대학 대학원 자연과학연구과와 이화학연구소 방사광과학종합연구센터이용시스템개발연구부문 빔라인기반연구부, 생명계방사광이용시스템개발유닛 연구팀은 X선 자유전자 레이저(XFEL) 시설 SACLA를 이용하여 광합성에 의한 물분해 반응을 촉매하는 광화학계 II 복합체의 구조를 1.95A의 분해능으로 정확하게 알아내었다.

광합성의 산소발생반응은 태양의 광에너지를 이용하여 생물이 이용 가능한 화학에너지로 변환함으로써 물을 분해하여 생물의 생존에 필요한 산소를 만들어 낸다. 이 반응을 수행하는 것은 조류 및 식물의 잎에 존재하는 엽록체로 광화학계II 복합체라는 단백질 복합체이다. 이 복합체는 19개의 단백질로 이루어지면, 거대하고 상당히 복잡한 막단백질 복합체이다.

2011년 일본의 온천 유래 남조류의 일종에서 광학계II 복합체의 양질의 결정을 작성하여, 그 구조를 SPring-8의 방사광 X선을 이용하여 1.9A라는 상당히 높은 분해능으로 해석하였다. 그때까지 미해명이었던 수분해반응을 담당하는 촉매 중심의 구조를 분명히 밝힌 성과는 “Science”에 의해 2011년 과학상의 10대 발견으로 선정되었다. 그러나 X선 결정구조 해석으로 사용하는 X선 회절사진의 촬영에 필요한 수초간의 X선 조사 사이에 수분해반응을 담당하는 촉매중심의 일부가 X선에 의한 방사선 파손을 받아, 본래의 구조와 약간 다를 가능성이 있었다.

이번에 X선에 의한 방사선 손상의 영향이 없는 광화학계II의 본래 구조를 해석하기 위하여 SACLA의 X선 유래 전자 레이저를 이용하였다. X선 유래 전자 레이저의 펄스 X선은 1펄스로 X선 회절사진을 촬영할 수 있을 정도로 상당히 밝으며, 1펄스의 계속시간이 100조분의 1초(10펨토초)로 상당히 짧기 때문에 X선에 의한 방사선 파손으로 분자의 구조변화가 일어나기 전에 X선 회절사진을 촬영할 수 있다.

본 연구그룹은 SACLA에서 개발한 “펨토초 X선 결정 구조해석법”과 세계 최고품질의 광화학계II의 결정을 작성하는 기술을 조합함으로써 광화학계II 복합체의 방사성 손상을 받고 있지 않은 본래의 구조를 1.95A 분해능으로 상세히 해석함으로써 세계에서 처음으로 성공하였다. 이번 해석에서 밝혀낸 무손상의 Mn4CaO5 클러스터는 지금까지 SPring-8의 방사광을 이용하여 얻은 구조보다도 원자간의 거리가 0.1~0.3A 정도 짧게 되며, 촉매의 본래 구조를 반영한다. 이 구조로부터 수분해반응의 구조에 관한 새로운 지견을 얻을 수 있다.

광화학계II의 촉매중심인 Mn4CaO5클러스터는 주위의 아미노산이 협조적으로 구조 변화되어 주기적 5개의 중간상태를 지나 극히 효율이 높은 수분해반응이 수행되나, 상세한 동적 메커니즘은 불분명한 상태이다. 본 연구의 성과는 광화학계II의 반응주기의 제1상태에 대하여 반응성을 유지한 채 본래의 Mn4CaO5 클러스터와 주변의 구조를 분명히 한 것이며, 태양의 가시광 에너지를 이용한 수분해반응을 인공적으로 실현하기 위한 촉매의 구조기반을 제공하였다. 이 반응을 모방한 “인공광합성”이 실현되면, 광에너지를 고효율로 전기에너지와 화학에너지로 변환할 수 있다. 이러한 꿈의 “인공광합성”은 태양에서 청정하며 재생 가능한 무제한의 광에너지를 고효율로 이용할 수 있으며, 우리들이 직면한 에너지문제, 환경문제 및 식량문제의 해결로도 이어질 것으로 기대한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 광화학계 II 복합체의 정확한 3차원 원자구조 해명