생명과학과 이상호 교수 연구팀(제1저자 이영목)은 식물이 환경적 스트레스에 어떻게 반응하며 생존하는지에 대한 중요한 퍼즐 조각을 발견하였다. 이들은 초저온 전자현미경법(cryo-EM)을 통해 식물의 기공 조절에 있어 핵심적인 SLAC1 음이온 채널의 구조 기반 활성화 기전을 규명하였다. 해당 연구는 한국뇌연구원, 한국기초과학지원연구원 및 농촌진흥청 연구진과의 공동 연구를 통해 이루어졌다.

식물의 잎 표면에는 광합성을 위해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 기공이라는 미세한 구멍이 존재한다. 기공은 가뭄에서는 심각한 수분 유출을 초래하며, 병원균의 침입 통로로 활용되는 문제점을 지닌다. 식물은 이를 보완하기 위해 가뭄과 병원체, 이산화탄소, 오존 등 다양한 환경 요소에 반응하여 기공을 닫는 SLAC1 음이온 채널을 진화시켜 왔다. 그러나 기후 변화로 인한 온도와 이산화탄소의 급격한 증가로 식물의 정교한 기공 조절 과정이 교란되고 있다는 보고가 잇따르고 있다.

이러한 중요성에 힘입어 SLAC1이 어떻게 스트레스에 반응하여 활성화되는지 지난 십여 년 간 다양한 선행연구가 진행되었으나 채널 활성화에 대한 상반된 두 가설이 대립하고 있었다.

이에 연구진은 cryo-EM을 통해 SLAC1의 활성화 및 비활성화 상태의 분자 구조를 규명하고, 두 선행 가설을 모두 수용하는 새로운 활성화 기전을 제시하였다. 이번 연구로 인산화에 의한 SLAC1의 억제 이완-결합 활성화라는 두 단계로 이어지는 활성화 과정이 밝혀졌다.

이상호 교수는 “이번 연구를 통해 식물이 스트레스를 감지하여 기공을 조절하는 과정의 비밀이 마침내 밝혀졌다”며 “이를 토대로 기공 조절을 통한 식물의 기후 변화 적응, 스트레스 저항성 향상 등 다양한 응용 가능성이 열릴 것”이라고 밝혔다. 또한 “최근 교내에 도입된 최첨단 기기인 cryo-EM을 이용한 연구 사례를 보여주어 앞으로 해당 장비를 이용한 우수한 연구 성과 도출에 대한 기대감을 높여 주고 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 17.694)’에 11월 14일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Cryo-EM structures of the plant anion channel SLAC1 from Arabidopsis thaliana suggest a combined activation model

※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43193-3

※ 저자: 이영목 (제1저자, 석박통합과정), 정서연 (석박통합과정), Chi Truc Han Le (석사), 이상호 (교신저자, 성균관대학교 생명과학과 교수)

그림 1. SLAC1 음이온 채널의 비활성화 및 활성화 상태 구조

그림 2. SLAC1 음이온 채널의 복합 활성화 기작