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- 교과서들에 따르면, 산소를 생성하는 광합성은 두 광계 없이는 불가능하다고 여겨졌다.
- 단 하나의 광계만으로도 산소를 생성하는 광합성이 가능하다는 사실이 밝혀졌다
- 남세균은 여러 가지 적응을 통해 전자 및 양성자 전달 사슬을 재구성해
- 자연은 교과서에서 제시하는 것보다 훨씬 더 적응력이 뛰어나다.
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실험 결과가 광합성 패러다임을 반박한다.

근본적인 가정이 틀렸을까? 생물학 교과서에 따르면 광합성에는 두 가지 단백질 복합체, 즉 광계 I과 광계 II가 필수적이다. 그러나 최근 남세균을 이용한 실험에서 특정 조건하에서는 단 하나의 광계만으로도 산소를 생성하는 광합성이 가능하다는 사실이 밝혀졌다. 이 단세포 생물은 대안적인 반응 경로를 개발한 것이다. 이는 생물학의 근본적인 패러다임에 의문을 제기한다. 

▲ 일부 남세균은 광계 I의 부재를 보완할 수 있는 것으로 보이는데, 이는 생물학의 근본적인 가정과 모순된다.

광합성은 자연의 획기적인 "발명"이다. 식물은 오직 광합성을 통해서만 햇빛, 물, 이산화탄소를 이용하여 유기 분자와 생체 물질을 합성할 수 있다. 하지만 이 과정에는 복잡한 시스템이 필요하다. 핵심 구성 요소는 두 가지 단백질 복합체인 광계 I(PSI)과 광계 II(PSII)이다. 식물에서는 이들이 엽록체의 틸라코이드 막에 위치하고 있으며, 남세균에서는 틸라코이드가 세포막에서 함입되어 있다.

광합성의 첫 번째 단계에서 광계 II는 빛과 생화학적 촉매를 이용하여 물 분자를 분해하고 산소와 양전하를 띤 양성자를 방출한다. 이 분자들은 복잡한 반응 과정을 통해 화학 에너지 운반체인 아데노신 삼인산(ATP)을 생성한다. 이 과정에서 전자가 방출되고, 이 전자들은 빛과 함께 광계 I에 의해 사용된다. 광계 I은 더 복잡한 유기 분자를 합성하는 데 필요한 조효소인 NADPH를 생성한다.

이 원리는 50년 넘게 모든 생물학 교과서에 실려 있었다. 이 교과서들에 따르면, 산소를 생성하는 광합성은 이 두 광계 없이는 불가능하다고 여겨져 왔다. 적어도 지금까지는 그랬다.

모든 것은 잘못된 교환 실험에서 시작되었다.

하지만 교과서의 내용은 틀린 것으로 밝혀졌다. 남세균을 이용한 실험에서 밝혀진 바와 같이, 특정 조건하에서는 광계 I 없이도 광합성이 가능하다. "우리는 사실 완전히 다른 것을 목표로 했다"고 뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학교의 수석 저자인 다리오 라이스터(Dario Leister)는 설명했다. "이러한 결과로 광합성계 I 없이도 성장하고, 이산화탄소를 고정하고, 산소를 생산하는 생물이 탄생할 것이라고는 전혀 예상하지 못했다.“

이 실험의 원래 목표는 남세균 시네코시스티스(Synechocystis)의 광합성계 I을 꽃식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana)의 광합성계 I으로 대체하는 것이었다. 이를 위해 라이스터(Leister) 연구팀은 이 광합성계에 필요한 12개의 유전자가 모두 결핍된 남세균 균주를 만들었다. 연구진은 "시네코시스티스에서 광합성계 I을 제거하면 일반적으로 치명적이다"고 설명했다. 따라서 연구팀은 꽃식물의 PSI 유전자를 이 균주에 도입했다.

▲ 광계 I과 II를 이용한 산소 발생 광합성의 개략도 — © Yikrazuu/ CC-by-sa 3.0

광합성계 I 없이도 생존 가능

결과는 놀라웠다. 도입된 외래 유전자는 비활성화 상태로 남아 있었는데, 이는 조작된 남세균이 기능하는 광합성계 I을 가지고 있지 않다는 것을 의미한. 그럼에도 불구하고 남세균은 생존했고, 심지어 느리게나마 계속 성장했다. 생물학자들이 도입된 외래 유전자를 모두 제거한 후에도 이러한 현상은 유지되었다. "이 남세균 균주는 광합성 독립영양 성장을 유지했다. 따라서 시네코시스티스(Synechocystis)는 광계 I이 없더라도 특정 조건에서는 산소를 생성하는 광합성을 수행할 수 있다"고 연구팀은 결론지었다.

그렇다면 어떻게 가능했을까요? 추가 분석 결과, 실험실에서 배양된 남세균은 여러 가지 적응을 통해 전자 및 양성자 전달 사슬을 재구성한 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 분자 복합체 NDH-1이 이제 결여된 광계 I의 기능을 대체하여 광합성에 필요한 보조효소 NADPH를 생성할 수 있게 되었다는 것이 라이스터(Leister)와 그의 동료들이 발견한 사실이다.

자연은 교과서에서 제시하는 것보다 훨씬 더 적응력이 뛰어나다.

따라서 이 실험은 광계 I이 NADPH 생성에 필수적이라는 기존의 가정을 반박한다. 자연은 특정 조건에서 광계 I 없이도 생존할 수 있다는 것을 보여준다. 라이스터는 "이번 결과는 자연이 우리가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 유연하다는 것을 보여준다"고 말했다. 이는 광합성 시스템의 적응성에 대한 근본적인 질문을 제기하며, 산소 생산 광합성의 진화에 대한 가정도 바꿀 수 있다.

라이스터는 "교과서적인 패러다임이 무너지면, 단순히 우리가 알고 있는 지식의 세부적인 부분에만 영향을 미치는 것이 아니라, 근본적인 생물학적 과정에 대한 우리의 관점 자체가 바뀐다"며, "이번 연구는 겉보기에 반박할 수 없을 것처럼 보이는 교과서적인 개념조차도 새로운 실험 결과에 의해 도전을 받을 수 있다는 사실을 다시금 일깨워준다. 바로 이것이 기초 연구를 그토록 흥미롭게 만드는 이유다"고 설명했다.
출처: Marta Ludwiczak (Ludwig Maximilian University of Munich) et al., Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-74903-2

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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