플루오렌 분해를 이끄는 새로운 각형 디옥시게네이스의 구조와 기능

초록

Sphingomonas sp. LB126에서 플루오렌을 최초로 공격하는 유전자를 규명하였다. FlnA1A2라는 두 서브유닛(α, β) 디옥시게네이스는 Terrabacter sp. DBF63의 각형 디옥시게네이스와 각각 63%·51%의 서열 일치를 보이며, E. coli에서 과발현시 플루오렌, 플루오렌올, 플루오렌온, 디벤조퓨란, 디벤조‑p‑다이옥신을 각형 산화한다. 또한 다환방향족탄화수소와 이종방향족 화합물도 산화시켜, Terrabacter 효소보다 넓은 기질 스펙트럼을 가진다. 정량 결과는 플루오렌과 페난트렌이 가장 선호되는 기질임을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 플루오렌을 이용하는 환경오염 정화균 Sphingomonas sp. LB126의 초기 대사 경로를 분자 수준에서 규명한 점에서 의의가 크다. 플루오렌은 3고리 구조를 가진 PAH(다환방향족탄화수소)로, 일반적인 산화 효소가 접근하기 어려운 각형(angular) 위치에 전자를 제공한다. 저자들은 유전체 분석과 PCR 기반 스크리닝을 통해 두 개의 연속된 ORF, flnA1(α‑subunit)과 flnA2(β‑subunit)를 확인했으며, 이들의 아미노산 서열이 Gram‑positive Terrabacter sp. DBF63의 angular dioxygenase와 각각 63%와 51%의 동일성을 보인다는 점을 강조한다. 이는 구조적 보존성을 시사하면서도, Gram‑negative Sphingomonas 계통에서 유사 효소가 존재한다는 새로운 증거가 된다.

FlnA1A2 복합체를 E. coli BL21(DE3)에 과발현시킨 뒤, 세포 추출물로부터 효소 활성을 측정하였다. HPLC와 GC‑MS 분석을 통해 플루오렌, 플루오렌올, 플루오렌온, 디벤조퓨란, 디벤조‑p‑다이옥신이 각각 1‑산소화물(1‑hydroxy) 혹은 1,2‑다이올 형태로 전환되는 것을 확인했다. 특히, 플루오렌이 1‑hydroxy‑fluorene으로, 페난트렌이 1‑hydroxy‑phenanthrene으로 전환되는 비율이 가장 높았으며, 이는 효소가 각형 탄소(C‑1) 위치를 선호한다는 것을 의미한다.

기질 스펙트럼을 확장하기 위해 naphthalene, anthracene, pyrene, dibenzothiophene, benzothiazole 등 다양한 PAH와 이종방향족 화합물을 테스트했다. Terrabacter sp. DBF63의 dioxygenase가 전혀 반응하지 않던 dibenzofuran과 dibenzo‑p‑dioxin까지도 FlnA1A2에 의해 산화되었으며, 이는 β‑subunit의 구조적 변이가 기질 접근성을 조절한다는 가설을 뒷받침한다. 효소 활성은 pH 7.5, 30 °C에서 최적이며, NADH와 FMN을 전자 전달체로 사용한다는 점도 확인되었다.

정량적 분석에서는 플루오렌과 페난트렌이 각각 0.85 µmol·mg⁻¹·min⁻¹, 0.78 µmol·mg⁻¹·min⁻¹의 높은 Vmax/Km 값을 보였으며, 다른 PAH에 비해 3‑5배 높은 효율을 나타냈다. 이는 환경 시료에서 이 두 물질이 우선적으로 분해될 가능성을 시사한다. 또한, 효소 억제 실험에서 2,2′‑bipyridine와 같은 금속 킬레이터가 활성을 크게 감소시켰으며, 이는 Fe(II) 중심이 촉매 활성에 필수적임을 의미한다.

전체적으로, 본 논문은 Sphingomonas sp. LB126이 보유한 새로운 각형 디옥시게네이스 FlnA1A2가 기존에 알려진 Terrabacter 효소와 비교해 더 넓은 기질 범위와 높은 효율성을 갖는다는 점을 입증한다. 이는 플루오렌 및 유사 PAH 오염 토양·수계 정화에 적용 가능한 바이오촉매 개발의 기반이 될 수 있다. 향후 구조‑기능 관계를 밝히기 위한 X‑ray 결정학 및 단백질 공학 접근이 기대된다.