도입된 광합성 소기관은 햄스터 세포가 더 빨리 성장하도록 도와
공상 과학 소설인가, 아니면 실현 가능한가? 동물이나 인간에게 광합성 능력을 부여할 수 있을까? 일본 연구자들은 이제 이를 향한 첫걸음을 내디뎠다. 그들은 처음으로 단세포 조류의 엽록체를 햄스터의 세포에 도입하여 며칠 동안 활성을 유지했다. 엽록체가 있는 햄스터 세포는 더 빠르게 성장했으며 도입된 세포 소기관의 광합성으로부터 이익을 얻을 수 있었다. 광합성 전자 수송도 감지되었다.
▲ 이 햄스터 세포는 광합성 활성 엽록체(자홍색)를 갖고 있으며 그로부터 이익을 얻다. © Aoki et al./ Proceedings of the Japan Academy Series B, CC-by-nc-nd 4.0
엽록체는 광합성이 일어나기 때문에 핵을 포함하는 모든 식물 세포의 에너지 공장이다. 그들은 약 19억 년 전에 시아노박테리움이 다른 세포에 의해 삼켜져 세포 소기관인 엽록체로 전환되었을 때 만들어졌다. 모든 진핵생물의 조류와 육상 식물은 이러한 내부 공생으로부터 출현했다. 그러나 이끼류, 일부 아메바 및 섬모류, 많은 산호를 포함해 단세포 조류와 긴밀하게 공생하는 일부 동물과 곰팡이도 있다.
동물세포에도 엽록체가 있을 수 있을까?
이러한 예는 고등동물과 어쩌면 우리 인간도 그러한 내부 공생으로부터 이익을 얻을 수 있는지에 대한 의문을 제기한다. 아이디어에 따르면 활성 엽록체가 우리 세포에 통합될 수 있다면 광합성 능력도 갖게 될 것이다. 이것은 우리 조직에 추가적인 산소와 영양분을 공급할 것이다. 2021년에 연구자들은 개구리 유충의 혈액에 살아있는 미세조류를 도입했을 때 뇌와 같은 기관이 이 "녹색 산소"로부터 이익을 얻을 수 있음을 입증했다.
도쿄 대학의 아오키 료타(Ryota Aoki)가 이끄는 팀은 이제 다음 단계를 수행하는 데 성공했다. 그들은 분리된 엽록체를 포유동물의 세포에 도입해 이틀 이상 계속해서 활발하게 광합성을 했다. “지금까지 분리된 엽록체는 숙주 세포에서 몇 시간 이상 활성 상태를 유지한 적이 없다”고 연구팀은 보고했다. "숙주 세포 내에서 검출 가능한 광합성으로 이어지는 그러한 전달에 대한 보고도 없었다.“
홍조류 엽록체가 있는 햄스터 세포
이제 Aoki와 그의 팀이 이를 달성했다. 그들은 단세포 홍조류인 Cyanidioschyzon merolae를 엽록체 기증자로 사용했다. 뜨겁고 산성인 샘에서 발생하는 이 조류는 세포 구조가 잘 알려져 있고 세포당 엽록체가 하나만 있기 때문에 이러한 목적에 적합하다. 또 다른 장점은 "조류 엽록체에는 일반적으로 약 100개의 유전자만 포함되어 있지만 Schyzon에는 243개가 있다"고 연구원은 설명했다. 이는 이들 엽록체가 식물 세포핵과 관계없이 더 오래 생존할 수 있음을 시사했다.
▲ 단세포 홍조류인 Cyanidioschyzon merolae(왼쪽)는 분리된 엽록체(오른쪽)의 기증자 역할을 했다. © Aoki et al./ Proceedings of the Japan Academy Series B, CC-by-nc-nd 4.0
실험을 위해 Aoki와 그의 팀은 생명공학에서 가장 일반적인 포유류 세포주 중 하나인 중국 드워프 햄스터(Cricetulus griseus) 난소 세포 배양에 분리된 홍조류 엽록체를 추가했다. 그런 다음 그들은 무슨 일이 일어났는지 조사하기 위해 다양한 형광 현미경 방법을 사용했다.
동물 세포의 활성 광합성
실제로 첫날에는 햄스터 세포의 약 20%가 1~3개의 조류 엽록체를 섭취했다. 이 엽록체는 적어도 이틀 동안 온전한 상태로 유지된 것으로 생화학적 테스트에서 밝혀졌다. “우리는 엽록체를 섭취한 지 몇 시간 후에 동물 세포에 의해 소화될 것이라고 예상했다”고 수석 저자인 도쿄 대학의 마츠나가 사치히로(Sachihiro Matsunaga)는 말했다. "그러나 우리는 그들이 이틀 동안 계속 일했다는 것을 발견했다.“
엽록체는 동물 세포에서 계속 활발하게 광합성을 했는데, 이는 명백히 숙주 세포에 이익이 되었다. "이틀간의 배양 동안 햄스터 세포는 대조군 세포보다 더 높은 성장률을 보였다"고 연구원은 보고했다. 테스트 결과, 이 기간 엽록체의 광합성 장치에서 전자 수송이 계속되는 것으로 나타났다. 이는 팀이 강조한 것처럼 엽록체나 숙주 세포의 유전자 조작 없이 달성되었다.
▲ 0, 2, 4일 후에 분리된 엽록체(I.C.)와 햄스터 세포의 엽록체에서 광합성 활성을 측정했다. © Aoki et al./ Proceedings of the Japan Academy Series B, CC-by-nc-nd 4.0
친환경 원단을 향한 첫걸음?
“우리가 아는 한, 이것은 동물 세포에 이식된 엽록체에서 광합성 전자 수송이 최초로 입증된 것이다”고 Matsunaga는 말했다. 이런 방식으로 '업그레이드'된 햄스터 세포의 증가된 성장은 동물 세포가 엽록체 광합성을 탄소원으로 사용할 수 있었음을 시사한다. 연구팀에 따르면 도입된 엽록체 주변에 미토콘드리아가 축적되는 것도 에너지와 물질의 교환을 의미한다고 한다.
Aoki와 그의 동료들에 따르면, 그들의 접근 방식은 미래에 동물 세포에 광합성 능력을 인공적으로 갖추기 위한 기초가 될 수 있다. 첫 번째 단계에서 이는 예를 들어 실험실에서 조직 및 장기 배양에 도움이 될 수 있다. Matsunaga는 “이러한 다층 조직은 산소 부족으로 인해 계속 성장할 수 없는 경우가 많다”며 "이러한 실험실 배양물에 엽록체가 있는 세포를 추가함으로써 우리는 광합성을 통해 이러한 조직의 산소 공급을 향상시킬 수 있었다"고 설명했다.
추가 최적화 필요
현재 실험에서 도입된 엽록체는 햄스터 세포에서 약 이틀 동안만 지속되었다. 그런 다음 그들은 숙주 세포에 의해 점차적으로 분해되어 파괴되었다. 그러나 Aoki와 그의 팀은 이미 이를 방지할 계획이다. 그들은 식세포작용(세포 자체의 "쓰레기 처리 시스템"에 의한 삼키기와 분해)을 방지하는 박테리아 효소를 엽록체에 장착할 수 있다.
엽록체와 물질의 세포 내부 교환을 최적화하는 추가 유전자를 동물 숙주 세포에 갖추는 것도 가능할 것이다. Matsunaga는 "우리는 이러한 '평면형' 세포가 녹색 변화를 달성하는 데 도움이 되는 게임 체인저가 될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
(Proceedings of the Japan Academy Series B, 2024; doi: 10.2183/pjab.100.035)
출처: Proceedings of the Japan Academy, University of Tokyo