[1988 노벨화학상] 요한 다이젠호퍼·로베르트 후버·하르트무트 미헬 : 광합성의 심장부를 보다 — 막 단백질 구조 결정의 시대

식물의 잎에서는 매 순간 기적이 일어나고 있습니다.

빛이 화학에너지로 변환되는 이 기적을 광합성이라고 합니다. 수억 년 전 지구 생명체들이 개척한 이 능력은, 오늘날 지구상의 거의 모든 생명을 유지하는 에너지의 궁극적 원천입니다.

광합성이 어떻게 이루어지는지는 기본적으로 알려져 있었습니다. 그러나 그것이 구체적으로 어떤 분자들이, 어떤 구조로, 어떻게 상호작용하면서 일어나는지는 1985년까지 미지의 영역이었습니다. 광합성의 핵심 기계 — 광합성 반응 중심(photosynthetic reaction center) — 을 이루는 단백질 복합체의 3차원 구조가 결정되지 않았기 때문입니다.

1985년, 이 수수께끼가 마침내 풀렸습니다. 독일의 세 과학자 하르트무트 미헬, 요한 다이젠호퍼, 로베르트 후버가 X선 결정학으로 광합성 반응 중심의 완전한 3차원 구조를 결정하는 데 성공한 것입니다.

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🏆 광합성 반응 중심의 구조 — 수상의 의미

 

 

 

"광합성 반응 중심의 3차원 구조 결정에 기여한 공로를 인정하여"

 

 

1988년 노벨위원회의 수상 이유입니다. 이 발견의 의미는 단순히 하나의 단백질 구조를 밝혀냈다는 것을 훨씬 넘어섭니다.

첫째, 이것은 최초의 막 단백질(membrane protein) 결정 구조였습니다. 막 단백질은 세포막에 박혀 있는 단백질로, 세포막의 소수성(물을 싫어하는) 환경 때문에 결정화하기 극히 어렵습니다. 수용성 단백질에 비해 구조 결정이 훨씬 어려운 이 단백질들의 구조를 처음으로 원자 수준의 해상도로 결정한 것은 방법론적인 혁명이었습니다.

둘째, 광합성 반응 중심의 구조는 광합성의 분자적 메커니즘을 이해하는 핵심 열쇠였습니다. 빛에너지가 어떻게 전기화학적 에너지로 변환되는지의 구체적인 과정이 비로소 보이기 시작했습니다.

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📜 세 독일 과학자 — 막스 플랑크 연구소에서의 성과

 

세 수상자는 모두 독일 출신으로, 뮌헨 근교의 마르팅스리트(Martinsried)에 있는 막스 플랑크 생화학연구소(Max Planck Institute of Biochemistry)에서 함께 일했습니다.

 

하르트무트 미헬 — 결정화의 선구자

 

하르트무트 미헬은 1948년 7월 18일 독일 루트빅스부르크(Ludwigsburg)에서 태어났습니다. 그는 이 연구의 출발점을 만든 사람입니다.

미헬은 1970년대 말부터 막 단백질의 결정화에 도전했습니다. 당시 대부분의 전문가들은 막 단백질을 결정화하는 것이 불가능하다고 믿었습니다. 막 단백질은 그 본성상 지질막 안에서만 안정적으로 존재하며, 막에서 분리하면 구조를 잃어버리기 때문입니다.

미헬은 이 문제를 해결하기 위해 특수한 세정제(detergent)를 이용하는 방법을 개발했습니다. 세정제 분자들이 막 단백질의 소수성 표면을 감싸 안정화하면서, 막 단백질이 마치 수용성 단백질처럼 행동할 수 있게 해주었습니다.

이 방법으로 그는 1981년 자색 광합성 세균(Rhodopseudomonas viridis)의 광합성 반응 중심을 처음으로 결정화하는 데 성공했습니다. 당시 이 성공 자체가 엄청난 사건이었습니다.

 

요한 다이젠호퍼와 로베르트 후버 — 구조 결정의 완성

 

요한 다이젠호퍼는 1943년 9월 30일 독일 바이에른에서 태어났습니다. 로베르트 후버는 1937년 2월 20일 뮌헨에서 태어났습니다.

후버는 X선 결정학의 전문가로, 단백질 구조 결정에 풍부한 경험을 가지고 있었습니다. 다이젠호퍼는 후버의 연구실에서 X선 결정학을 연구하고 있었습니다.

미헬이 결정화에 성공한 광합성 반응 중심 결정은 후버와 다이젠호퍼 팀에게 전달되었습니다. 이들은 시너크로트론 방사광 X선 시설(synchrotron X-ray facility)을 이용하여 회절 데이터를 수집하고, 컴퓨터를 이용한 복잡한 계산으로 구조를 결정했습니다.

1985년 마침내 광합성 반응 중심의 완전한 3차원 구조가 원자 수준의 해상도(약 3옹스트롬)로 결정되었습니다.

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🔬 광합성 반응 중심의 구조 — 빛을 전기로 바꾸는 분자 기계

 

결정된 구조가 보여준 것들은 광합성 연구자들에게 엄청난 충격이었습니다.

 

구조의 개요

 

자색 광합성 세균의 광합성 반응 중심은 4개의 단백질 서브유닛(L, M, H, 사이토크롬)으로 이루어진 복합체입니다. 이 복합체 안에는 광합성에 직접 관여하는 여러 보조인자들이 정밀하게 배치되어 있습니다.

박테리오클로로필(bacteriochlorophyll) 분자들, 박테리오페오피틴(bacteriopheophytin), 퀴논(quinone) 분자들, 그리고 비헴 철(non-heme iron) — 이 분자들이 단백질 골격 안에서 마치 정밀한 기계의 부품처럼 정확한 위치에 놓여 있었습니다.

 

전자 전달의 경로

 

구조가 밝혀지면서 광합성의 핵심 반응 — 빛에 의한 전자 전달 — 의 구체적인 경로가 드러났습니다.

빛이 반응 중심에 도달하면, 특별한 클로로필 이합체(P870이라 불리는 특수 박테리오클로로필 쌍)가 빛에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 됩니다. 이 들뜬 전자가 인접한 박테리오클로로필 단량체를 거쳐 박테리오페오피틴으로, 그 다음 퀴논 A(QA)로, 마지막으로 퀴논 B(QB)로 전달됩니다.

이 전자 전달 과정이 세균의 세포막을 가로질러 일어나면서 전자화학적 전위차(화학삼투 전위)가 형성되고, 이 에너지가 ATP 합성에 이용됩니다.

구조 데이터는 이 전자 전달 과정이 왜 그토록 빠르고(피코초 수준의 시간) 효율적(거의 100%)인지를 설명해주었습니다. 전자 수용체들이 단백질 안에서 적절한 거리와 배향으로 배치되어 있어, 전자가 효율적으로 터널링(quantum tunneling)을 통해 이동할 수 있었던 것입니다.

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⚡ 막 단백질 결정학의 시대 개막

 

미헬, 다이젠호퍼, 후버의 업적에서 어쩌면 더 큰 의미는, 막 단백질 결정 구조 결정이 가능하다는 것을 증명한 것입니다.

세포막 단백질은 전체 단백질의 약 30%를 차지하며, 이들 중 많은 수가 중요한 생리적 기능을 담당하고 의약품의 표적이 됩니다. 이온 채널, G단백질 결합 수용체(GPCR), 수송 단백질 등이 대표적입니다.

이 단백질들의 구조를 알아야만 그 기능을 완전히 이해하고, 선택적으로 작용하는 약물을 설계할 수 있습니다. 광합성 반응 중심의 구조 결정 성공은, 막 단백질 결정학이라는 새로운 분야의 문을 활짝 열었습니다.

이후 수십 년간 수천 개의 막 단백질 구조가 결정되었고, 이 구조 정보는 현대 신약 개발의 핵심 기반이 되었습니다.

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🌍 인공 광합성을 향한 길

 

광합성 반응 중심의 구조가 밝혀진 이후, 과학자들은 이 자연의 정밀한 기계를 모방하는 인공 광합성 시스템을 개발하려는 노력을 본격화했습니다.

빛에너지를 이용하여 물을 분해하고 수소를 만들거나, 이산화탄소를 유기화합물로 변환하는 인공 시스템 — 이것이 실현된다면, 화석 연료를 대체할 수 있는 청정 에너지원이 될 수 있습니다.

광합성 반응 중심의 원리를 모방한 인공 광합성 촉매, 페로브스카이트 태양전지 등의 연구가 현재도 활발히 진행 중입니다. 이 모든 연구의 출발점이 된 것이 바로 세 독일 화학자들이 밝혀낸 광합성 반응 중심의 구조입니다.

요한 다이젠호퍼와 하르트무트 미헬과 로베르트 후버 — 이들은 아직 생존해 있으며 각자의 연구를 계속하고 있습니다. 그들이 1985년에 열어준 창을 통해, 생명이 빛을 어떻게 이용하는지의 비밀이 하나씩 드러나고 있습니다.