3'50" 읽기
- 메탄은 강력한 온실 가스이며 그 중 약 40%가 천연 출처에서 방출된다.
- 미생물의 개입 없이 철과 디메틸 설폭사이드*(dimethyl sulfoxide, (CH3)2SO)가 있는 경우 특정 박테리아는 산소가 있는 상태에서도 메탄 형성

우리의 세포도 메탄을 생성한다.
보편적인 대사 경로는 생물학적 메탄 배출에 대한 새로운 시각을 제공한다.

놀라운 발견:
생각했던 것과는 달리, 특정 박테리아가 강력한 온실 가스인 메탄을 형성할 뿐만 아니라 아마도 인간을 포함한 모든 생물체도 마찬가지 일 것이다. 우리 세포는 정상적인 대사 활동 중에 메탄을 생성할 수 있는 생화학적 메커니즘을 가지고 있기 때문이다. 이것은 메탄의 생물학적 출처에 대한 몇 가지 신비를 밝히고 우리 자신의 신진대사에 대한 새로운 빛을 제공한다. 

▲ 모든 생물의 세포가 메탄을 생성할 수 있는 생화학적 경로가 있다는 것을 연구자들이 발견했다. © Ehmad Chehre/ 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소, Ernst

메탄은 강력한 온실 가스이며 그 중 약 40%가 천연 출처에서 방출된다.
출처는 주로 습지, 호수, 해동하는 영구 동토층 뿐 아니라 농업이다. 가스는 공기가 없는 상태에서 유기물이 분해돼 메탄을 형성하는 미생물에 의해 생성된다. 적어도 지금까지는 그렇게 생각했다.

혐기성 미생물만 있는 것은 아니다.

얼마 전에 과학자들이 일부 남세균(시아노박테리아), 식물 및 곰팡이가 미생물의 개입 없이 심지어 산소가 있는 상태에서도 분명히 메탄을 생성할 수 있다는 것이 발견됐다. 이러한 생물학적 메탄 합성이 일어나는 메커니즘은 여전히 ​​미스터리로 남아 있다. 이 유기체가 이를 위한 특별한 효소를 가지고 있을지도 모른다는 의심이 있었지만, 과학자들은 결코 그것들을 증명할 수 없었다.

최근 새로운 분석은 매우 다른 그림을 보여준다.
하이델베르그 대학의 레오나르드 에른스트(Leonard Ernst)와 그의 동료들이 이러한 유기체의 세포에서 메탄이 생성되는 방식과 이 새로 발견된 능력이 실제로 얼마나 놀랍도록 널리 퍼져 있는지를 발견했기 때문이다. "이 연구는 환경에서 호기성 메탄 형성에 대한 우리의 이해에 이정표"라고 하이델베르그 대학의 수석 저자인 프랑크 케플러(Frank Keppler)가 말했다. 

철과 자유 라디칼을 넘어 메탄으로

그들의 발견은 연구원들이 효소가 없는 생화학적 메탄 형성에 대한 가설을 조사하는 데 사용한 Bacillus subtilis 박테리아에 대한 실험으로 시작되었다. 이에 따르면, 소위 펜톤 반응은 대부분의 유기체의 세포에서 발생하며, 환원된 철과 과산화수소의 반응은 히드록실 라디칼 형태의 반응성이 높은 산소 화합물을 생성한다.

여기서 결정적인 요인은 이러한 방식으로 생성된 라디칼이 황 함유 화합물에서 메틸 그룹(-CH3)을 분리할 수 있다는 것이다. 이로부터 추가 단계에서 메탄이 형성된다. 실제로 이것은 Bacillus(막대 모양으로 막대세균 혹은 간균이라고 함) subtilis에 대한 연구에서 확인됐다. 철과 디메틸 설폭사이드*(dimethyl sulfoxide, (CH3)2SO)가 있는 경우 이 박테리아는 산소가 있는 상태에서도 메탄을 형성한다. 이전에 가정된 것과는 달리 이 메탄 형성에는 특별한 효소나 다른 촉매가 필요하지 않다.

(*디메틸 설폭사이드: 무색무취의 흡습성 액체. 친수성이 강하다. 독성이 있어 주로 수정란을 동결할 때 사용)
 

▲ 원생동물, 균류, 식물, 포유류 또는 인간 여부: 모델 유기체에 대한 테스트는 모든 생물이 메탄 합성이 가능함을 시사한다. © Frank Keppler / Pixabay

인간 세포에서도 메탄 합성

"이 Fenton 구동 메탄 합성이 정상적인 환경 조건에서 발생한다는 것은 놀라운 일이다"고 Ernst와 그의 동료들은 말한다. "이것은 이 반응이 다른 살아있는 세포에서도 발생한다는 것을 시사한다." 연구팀은 생명수의 모든 영역에서 30개의 서로 다른 모델 유기체를 사용하여 이것이 사실인지 확인했다.

실제로 장내 세균인 대장균(Escherichia coli)에서 곰팡이, 효모, 식물 세포, 동물 및 인간 세포 배양에 이르기까지 연구자들은 모든 곳에서 메탄 생성을 입증할 수 있었다. 분명히 세포가 충분한 철, 메틸화 황 및 아미노산 및 산화 분자와 같은 질소 화합물을 함유할 때 항상 시작된다.

"모든 생명의 보편적인 부산물“

과학자들에 따르면, 이것은 이러한 형태의 메탄 형성이 거의 모든 유기체에서 발생할 수 있음을 증명한다. Ernst와 그의 팀은 "즉, 메탄은 생명의 보편적인 부산물로 생성될 수 있다"고 기술했다. 분명히 세포는 대사 활동이 높고 세포 스트레스를 받을 때마다 이 반응 경로를 켠다.

Ernst의 동료 Ilka Bischofs는 "세포가 활성화될수록 메탄이 더 많이 생성된다"고 밝혔다. 그들의 실험에서 테스트 셀은 증가된 주변 온도 또는 라디칼 형성 물질의 추가로 인해 스트레스를 받을 때 항상 더 많은 메탄을 방출했다. 

 

이러한 조건에서 세포 배양에서 메탄 형성은 평균 1.2~3.2배 증가했다. 장내 세균인 Escherichia coli는 생산량을 600배나 증가 시켰다.
"물리적 및 화학적 스트레스 요인과의 이러한 상호 작용은 단일 유기체가 매우 다른 양의 메탄을 방출할 수 있는 이유를 설명하기도 한다"고 Keppler는 말했다.

생물학적 메탄 배출에 대한 새로운 관점

이러한 새로운 발견은 세포 대사뿐만 아니라 생물학적 메탄 배출에 대한 우리의 관점에서 매우 중요하다. 이것은 모든 종류의 생명체로부터의 메탄 방출이 기후 변화와 관련된 온난화와 같은 잠재적으로 스트레스가 많은 조건에서 계속 증가할 수 있음을 의미할 수 있다. "따라서 지구의 환경 조건의 변화는 살아있는 유기체의 메탄 배출에 상당한 영향을 미칠 것이다"고 팀은 기술했다.

다른 한편으로, 인간 세포에서도 메탄 형성에 대한 지식은 의학에서 새로운 진단 가능성을 제공할 수 있다. "인간이 호흡하는 공기의 메탄 변동은 산화 스트레스 수준의 징후를 제공하거나 면역 반응을 나타낼 수 있다"고 연구자들은 말했다.

이번 연구에 참여하지 않은 중국 Xi'an Jiaotong University의 Chang Liu와 Jingyao Zhang 과학자도 새로운 발견이 중요하다고 생각한다. "생물학적, 비효소적 메탄 생산은 의학에서 지구과학, 우주 생물학에 이르기까지 광범위한 분야의 연구를 위한 새로운 길을 열어 준다"고논평에서 덧붙였다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04511-9)
출처: 하이델베르그 대학교, 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]