광합성 박테리아 1억3600만개 원자 시뮬레이션

“크로마토포어에는 안테나, 배터리 및 모터가 있다. 안테나는 빛을 수확하고, 배터리는 그 에너지를 모터로 보내고 모터는 ATP를 방출한다” – 연구 책임자 아비섹 싱가로이(Abhishek Singharoy) 美 애리조나주립대 교수.

과학자들이 유기체의 에너지를 생성하는 광합성 박테리아에서 광 수확 구조의 모든 원자를 시뮬레이션 하는데 성공했다.

연구원들은 슈퍼컴퓨터를 사용해 자주색 박테리아의 원시 광 수확 구조 1억 3600만 개 원자의 크로마토그래피 모델을 제작했다. 팀은 시뮬레이션에서 마이크로 기관이 자연 상태처럼 작동했다고 보고했다.

이 연구는 일부 생물학적 구조가 어떻게 햇빛을 화학 에너지로 전환하는 지를 이해하는 데있어 중요한 단계다.

연구는 학술 저널 Cell(Atoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism)에 게재됐다.

관련 연구는 원래 미국 얼바나 샴페인의 일리노이대(University of Illinois at Urbana–Champaign) 물리학 교수 클라우스 슐텐(Klaus Schulten)이 이끌었다. 연구는 2016년 슐텐의 죽음 이후에도 계속됐다. 이 연구는 부분적으로 수십 년간 원자 수준 상호작용 발생과 살아 움직이는 시스템 메커니즘을 발견하기 위한 시도였다.

슐텐은 일찍부터 일리노이대 BIAST(Beckman Institute of Advanced Science and Technology)에서 광합성 시스템에 대한 많은 연구가 수행했다.

슐텐과 연구 공동저자인 멜리 세너(Melih Sener)는 ATP로 알려진 분자 형태의 화학 에너지를 생성하는 원시 광합성 마이크로 기관의 크로마토그래피(Chromatography)를 모델링 했다.

크로마토그래피는 혼합물을 분리하는 실험적인 기법 중 하나 다. 혼합물은 이동 상(mobile phase)이라는 유체에 녹아 정지상(stationary phase)이라는 구조를 따라 움직이게 된다. 각 물질의 정지상에서의 이동 능력의 차이는 분리의 원동력이 되며, 이는 물질의 고유한 분배 계수(partition coefficient)의 차이로 설명할 수 있다.

이 작업에는 많은 실험 데이터를 제공한 영국 셰피드대 닐 헌터(Neil Hunter)와의 장기간 협력이 포함됐다.

공동 저자 에마드 타지코시스(Emad Tajkhorshid) 일리노이대 생화학 교수는 “슐텐은 물리학자였다. 그는 복잡성을 모형에 모두 넣는 경우에만 생물학이 작동한다는 것을 깨달았다. 그렇게 하는 유일한 방법은 슈퍼 컴퓨터를 사용하는 것이었다”고 말했다.

연구팀은 4년에 걸쳐 1억 3000만개 원자의 크로마토그래피 모델을 구축했다. 이 작업은 미국 테네시주 녹스빌에 있는 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 타이탄/써밋 슈퍼컴퓨터에서 수행됐다.

연구팀은 이에 앞서 크로마토그래피의 많은 개별 단백질 및 지질 성분에 대한 분자 시뮬레이션을 수행해 살아있는 세포에 전력을 공급하는 데 필요한 ATP를 생성했다.

연구 책임자인 아비섹 싱가로이(Abhishek Singharoy)는 “크로마토포어에는 안테나, 배터리 및 모터가 있다. 안테나는 빛을 수확하고, 배터리는 그 에너지를 모터로 보내고 모터는 ATP를 방출한다”고 말했다. 그는 2017년 에리조나 주립대 교수직 수락 전에 일리노이대에서 슐텐과 함께 일했다.

알렉세이 악시멘테예프(Aleksei Aksimentiev) 일리노이대 물리학 교수도 전자현미경 분석 등 프로젝트 완성을 도왔다.

크로마토그래피 실제 모델 확보 후 소금 농도 변경 등 여러 시나리오 시뮬레이션에서 마이크로 기관은 형태가 줄어들거나, 막의 특정 단백질이 서로 뭉치기도 했다.

응집 단백질은 시스템 전체에 걸쳐 전자의 분포를 촉진시키는 양전하와 음전하의 패치를 생성한다고 연구원들은 밝혔다. 전자는 양성자를 스왑해 궁극적으로 ATP를 생성하는 ‘ATP synthase’로 알려진 효소를 구동한다.

세너는“크로마토포어 구조는 회로도와 같다. 에너지와 전하가 어떻게 이동하는지 알고 있다면 기계의 작동 방식을 알 수 있다. 크로마토포어는 기본적으로 전자 장치”라고 말했다.

이 연구는 원자 규모에서 물리학이 생물학을 주도한다는 것을 확인했다. 이 연구는 다른 미생물과 식물과 동물에서 보다 복잡한 에너지 생성 마이크로 기관에 대한 향후 연구에 도움이 될 것이라고 그들은 말했다.

* 크로마토포어(chromatophore)

크로마토포어는 양서류, 어류, 파충류, 갑각류 및 두족류를 포함한 광범위한 동물에서 발견되는 색소 함유 및 광 반사 세포 또는 세포군이다. 포유류와 조류는 멜라닌 세포라고 불리는 세포 부류를 가지고 있다.