단백질을 고쳐서 광합성의 첫 반응을 흉내 낼 수 있을까요?

상세 설명

녹조류와 식물의 광계 II, 그리고 일부 광합성 세균의 반응 중심에서 일어나는 핵심 광화학 반응은 빛에 의해 활성화된 클로린 복합체에서 결합된 퀴논 분자로 전자 하나를 전달하는 것이다. 연구진은 실험실 단백질 공학 실험에서 이 반응을 모방하도록 단백질을 개조했다.

연구진은 대장균(Escherichia coli)의 사이토크롬 b(562)의 소수성 내부에 시스테인을 도입해 고유한 퀴논 결합 부위를 만들었다. 이어 p-벤조퀴논과 2,3-디메톡시-5-메틸-1,4-벤조퀴논 등 여러 퀴논을 시스테인의 황과 퀴논 고리 사이의 첨가 반응을 통해 단백질에 공유결합시켰다. 시스테인의 위치는 퀴논이 결합된 포르피린의 가장자리에서 약 10 Å 떨어진 곳에 결합하도록 설계했다.

형광 측정으로 결합된 하이드로퀴논이 단백질의 소수성 내부 쪽에 자리하며 용매로부터 부분적으로 차폐되어 있음을 확인했다. 결합된 퀴논은 산화·환원 활성을 유지했으며, 중성 pH에서 2전자 과정으로 산화되었다가 다시 환원될 수 있었다. 높은 pH에서는 1전자 환원으로 세미퀴논을 생성할 수 있었고, 단백질에 서로 다른 퀴논을 결합시키면 이 과정의 중간점 전위를 약 500 mV 조절할 수 있었다.

연구진은 이어 개조한 사이토크롬의 헴 결합 부위를 엽록소 유사체인 아연 클로린 e(6)로 재구성했다. 전자상자성공명(EPR)과 고속 광학 기법을 이용해 여러 클로린–단백질–퀴논 복합체에서 빛에 의해 클로린의 전자가 결합된 산화형 퀴논으로 전달될 수 있지만, 하이드로퀴논으로는 전달되지 않음을 보였다. 전자 전달 속도는 10⁸ s⁻¹ 정도였다.