무산소 호흡?

• 광합성이나 화학합성 생물을 제외한 대부분 생물은 생활에 필요한 에너지를 호흡을 통해 얻습니다. 
• 인류를 비롯한 동물은 호흡을 통해 유기물을 산화시키고 산소는 환원시키는 반면, 미생물은 산소 대신 황산염이나 질산염, 산화철 등의 물질을 환원시키는 무산소 호흡도 가능합니다. 
• 지구 형성 이후 무산소 환경이 지속됐던 20억년 동안 미생물은 생명과 지구의 진화에 매우 중요한 역할을 담당했습니다. 

미생물에 의한 황산염환원?

• 미생물은 황이나 질소, 철 등 다양한 원소를 이용해 호흡하고 에너지를 생산합니다. 
• 황산염환원은 산소(O₂) 대신 황산이온(SO₄^2-)을 환원시켜 물(H₂O) 대신 황화수소(H₂S)를 발생시키는 혐기성 호흡 과정입니다. 
• 분자생물학, 지구화학적 연구 결과는 황산염 환원과정이 매우 오래된 대사과정으로 35억년 이상의 역사를 띤다고 지시합니다. 

뭘 발견했나

• 서울대학교 지구환경과학부 심민섭 교수와 동경공업대학교의 숀 맥 글린 교수가 참여한 국제공동연구팀은 황산염을 이용한 무산소 호흡의 필수 효소가 남기는 화학적 기록을 최초로 규명했습니다. 
• 미생물 활동이 남기는 화학적인 화석 중 하나는 같은 성질을 지니지만 질량에 미세한 차이가 있는 동위원소 사이의 비율 변화(동위원소 분별작용)이며, 황산염 환원을 통한 무산소 호흡 또한 황 동위원소 조성을 변화시킵니다. 
• 이 연구는 <네이처 커뮤니케이션스>에 게재됐습니다.

어떻게 조사했지?

• 이러한 미생물은 삼엽충이나 공룡과 같이 물리적인 화석 기록을 남기기 어려워 이들의 활동은 주로 화학적인 기록을 통해 연구했습니다. 
• 연구팀은 황산염환원에 참여하는 개별 효소들의 역할에 주목해 첫 번째 환원효소(APS 환원효소)의 반응 속도가 가벼운 동위원소(³²S)의 경우 무거운 동위원소(³⁴S)와 비교해 2% 빠른 것을 확인했고, 이를 기준으로 미생물의 활동이 동위원소 비율 변화에 미치는 영향을 새롭게 제안했습니다. 

특이한 점은?

• 현재 생물에 의해 일어나는 황 동위원소 조성 변화는 대부분 이번 연구 결과보다 큰 경향을 보이지만, 25억년 보다 오래된 퇴적암의 황 동위원소 조성은 이보다 작은 값을 나타냅니다.
• 당시 해양환경에서 황산염환원 미생물은 호흡을 할 때 유기물을 현재보다 쉽게 이용했음을 의미합니다.

이유가 뭐지?

• 대기 중 산소농도가 현재의 0.001% 미만에 불과했던 25억년 이전의 지구에서는 산소를 이용해 호흡하는 생명체들의 활동이 어려웠고, 그 결과 황산염환원 미생물들이 현재보다는 유리한 생태적 지위를 확보할 수 있었기 때문입니다. 

이 연구가 왜 중요하지?

• 이번 연구에서는 지질학적, 생물학적 황 순환에 중요한 역할을 담당하는 황산염환원 미생물이 혐기성 호흡 과정에서 이용하는 APS 환원효소가 발생시키는 동위원소 분별작용을 최초로 측정했습니다. 
• 이를 바탕으로 황 동위원소의 지질 기록을 재해석했습니다. 

"동위원소를 기반으로 한 미생물 활동의 이해는 과거의 생명활동 뿐만 아니라 암석권 깊은 곳에서 황을 기반으로 한 미생물의 활동을 확인하고 나아가 외계행성 물질에서 생명 활동을 추적하는데 이용될 수 있을 것으로 기대됩니다"

-심민섭 교수-

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