전기 먹는 박테리아 ?

 수십억년간이 진화를 통해서 박테리아들은 극도로 다양한 대사과정을 진화시켰습니다. 따라서 온갖 화학 물질을 이용해서 ATP 형태의 에너지를 얻어내는 박테리아의 다양성 자체는 놀라운 일이 아니지만 최근 하버드 대학의 연구자들이 보고한 새로운 대사 과정은 꽤 놀라움을 전해주고 있습니다. 왜냐하면 전자 자체를 주위 환경에서 끌어다 사용하고 있기 때문입니다. 즉 전자 (전기) 를 먹는 박테리아인 셈입니다.  

 하버드대 자연과학대 교수인 피터 거귀스 (Peter Girguis, John L. Loeb Associate Professor of the Natural Sciences) 와 박사후 과정인 아피타 보스 (Arpita Bose, post-doctoral fellow in Organismic and Evolutionary Biology) 및 그 동료들은 독특한 대사 과정을 지닌 박테리아인 Rhodopseudomonas palustris 을 연구했습니다.

 R.palustris 는 그람 음성균으로 광합성 세균의 하나인 자색 (홍색) 세균 (purple bacteria) 의 하나입니다. 자색 세균은 광합성의 결과물로 산소가 아닌 황화합물을 내놓을 수 있는데 그 중에는 R.palustris 처럼 황이외의 화합물을 내놓는 자색 비황세균 (purple non-sulfur bacteria) 도 존재합니다. R.palustris 는 주변 환경에 따라 무려 네가지의 대사 모드 (photoautotrophic, photoheterotrophic, chemoautotroph, chemoheterotrophic) 를 선택할 수 있으며 탄소 고정은 물론 질소 고정도 할 수 있습니다.  

 특히 이 세균이 연구자들에 의해서 널리 연구된 이유는 바로 광합성의 대사 부산물로 수소를 내놓을 수도 있기 때문입니다. 이 세균은 오염 물질을 분해하고 그 결과물로 유용한 에너지를 내놓을 수 있기 때문에 차세대 바이오 에너지원으로 연구되고 있습니다.  

( R.palustris 의 현미경 사진. 세균은 붉은 색 원이 아니라 뒤에 실타래 처럼 보이는 것.  Credit : U.S. Department of Energy/ OrkRidge National Laboratory  )    

 일반적으로 이런 자색 광합성 세균들은 여러가지 원소들에서 전자를 끌어내서 에너지원으로 사용합니다. R.palustris 의 경우 세포외 전자 전달 extracellular electron transfer (EET) 이라는 과정을 통해서 전자를 세포의 안팎에서 이동시키며 세포 밖에 있는 전자를 끌고 들어와서 그들의 에너지 대사에 사용할 수 있다고 합니다. 넓은 범위에서 말하면 아예 전자 자체를 포식한다고 할 수 있습니다.

 동시에 연구팀은 R.palustris 에서 EET 과정을 일으켜 전자를 포식하는데 관여하는 유전자도 발견했다고 합니다. 이 유전자가 작동하지 않게 하면 전자 대사 과정의 효율이 1/3 수준으로 감소했다고 하네요. 

 본래 자연 상태에서 이 세균이 전자를 공급받는 미네랄은 철입니다. 그러나 연구자들의 실험실 테스트에서는 철이 반드시 필요한 것이 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 연구팀이 전극을 세균의 콜로니에 넣었을 때 다른 전자가 풍부한 금속에도 반응을 했기 때문입니다. 하지만 실제 환경에서 가장 흔하게 의존하는 금속은 철이라고 알려져 있습니다. 이들은 철금속을 산화철로 바꾸면서 여기서 대사 과정에 필요한 전자를 끌어당기는 것으로 보입니다.   

 그러나 이 세균이 광합성을 할 수 있는 표면에는 철이 흔하지 않다는 문제가 있습니다. 이에 대한 전략으로 R.palustris 는 전도체가 될 수 있는 산화철 크리스탈을 주변에 형성하면서 이것이 일종의 전자가 흐르는 회로 역할을 해서 주변에 있는 미네랄에서 전자를 끌어당기는 전략을 취하고 있다고 합니다.R.palustris 자체는 앞서 언급했듯이 이전부터 많은 연구가 진행되어 왔지만 이런 독특한 생존 전략과 대사 과정까지 지녔는지는 처음 발견되는 것이라고 하네요.

 이 세균은 전류를 공급해서 전자를 주는 방식으로 뭔가를 만들도록 할 수 있습니다. 연구팀은 이 방식을 이용해서 이 세균의 독특한 응용범위가 있을 것으로 기대한다고 (예를 들어 제약 산업) 언급했습니다. 이 연구는 Nature Communications 에 실렸습니다.  

 참고

Journal Reference:

A. Bose, E.J. Gardel, C. Vidoudez, E.A. Parra, P.R. Girguis. Electron uptake by iron-oxidizing phototrophic bacteria. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4391

http://www.sciencedaily.com/releases/2014/03/140310144000.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Rhodopseudomonas_palustris

http://web.ornl.gov/info/ornlreview/v37_3_04/article06.shtml