<그림 2. 진황녹슨버짐버섯과 목재 부패 모습>
그림출처 : 위키백과

신기하게도 갈색부후균은 진화과정에서 리그닌 분해 능력을 잃었음에도 불구하고 백색부후균보다 더 빨리 나무를 분해합니다. 2012년 미에너지성공동연구소(DOE-JGI)를 포함한 세계적 연구팀이 갈색부후균 중 건부(마른부패, dry rot)를 일으키는 Serpula lacrymans(진황녹슨버짐버섯)의 유전체를 신규 해독(42.8Mb / 12,917 genes)하고 이미 밝혀져 있던 다른 부후균류, 외균근류와의 비교유전체 분석을 수행하여 갈색부후균의 리그닌 처리 기작을 밝혔습니다.

<그림 3. 비교유전체 분석 결과>
그림출처 : EASTWOOD, Daniel C., et al. 2011.

그물버섯목에 속하는 진황녹슨버짐버섯은 갈색부후균이지만 구멍장이버섯목의 Postia placenta 보다는 기주로부터 영양분을 획득하는 외균근류 중 하나인 Austropaxillus sp. (외균근)와 가장 유연관계가 가까우며 그들 간의 분화는 약 1,500만~5,300만 년 전에 이루어진 것으로 예측되었습니다(그림 3-A).

Gene expansion/loss 분석 결과 부후균류의 공통조상은 66~83개의 lignocellulose-active CAZy(carbohydrate-active enzymes) 유전자와 27~29개의 oxidoreductase를 갖고 있었던 것으로 예측되었고 진황녹슨버짐버섯에서는 각각 36개, 19개로 해당 유전자의 소실이 일부 확인되었습니다.(그림 3-B, C; branch의 숫자는 조상 개체의 copy number를, bar는 gene gain/loss range를 나타냄.) 당연하게도 리그닌 분해에 관여하는 class II peroxidases는 갈색부후균과 외균근 모두에 결여되었고 진황녹슨버짐버섯의 유전체에는 glycoside hydrolases(GH) 계열의 유전자가 많이 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 유전자 발현 분석으로 진황녹슨버짐버섯은 포도당(glucose)을 영양분으로 직접 획득할 때보다 소나무를 분해하여 에너지를 얻을 때 셀룰로오스, 펙틴, 헤미셀룰로오스를 분해하는 효소(GH families 5, 61, 3, 28 ; 20-fold)들과 GH5 endoglucanase, GH74 endoglucanase/xyloglucanase(100-fold) 및 oxidoreductases(4-fold) 유전자의 발현을 증가시켰음이 확인되었습니다.

논문에서는 진황녹슨버짐버섯이 목재를 분해하는 메커니즘을 아래 그림과 같이 제안하였습니다.

<그림 4. 진황녹슨버짐버섯의 목재 분해 기작>
그림출처 : EASTWOOD, Daniel C., et al. 2011.

먼저 갈색부후균은 펜톤 반응 (Fenton reaction)을 통해 강력한 활성산소인 OH 라디칼(·OH)을 생성하여 세포벽을 공격함으로써 리그닌 구조를 느슨하게 만듭니다.

Fe²⁺ + H₂O₂ + H⁺ → Fe³⁺ + ·OH + H₂O  
펜톤반응 반응식

펜톤반응을 지속적으로 일으키기 위해서 glyoxal oxidase, copper radical oxidase 등 다양한 산화효소 (oxidase)의 대사작용을 일으켜 과산화수소(H₂O₂)를 생성하고 atromentic acid, xerocomic acid, variegatic acid 등 phenolates와 iron reductase를 이용하여 Fe³⁺ 이온을 Fe²⁺ 이온으로 환원시킵니다. 진황녹슨버짐버섯에는 Postia placenta와는 달리 특이적인 iron reductase가 있습니다. 이 효소는 CBM(Cellulose binding module)을 이용하여 이미 어느 정도 분해된 lignocellulose(셀룰로오스와 리그닌 결합체)와도 결합이 가능하므로 철 이온 환원과 그로 인한 펜톤 반응이 꾸준히 일어날 수 있도록 돕습니다. 그 결과 셀룰로오스의 노출을 증가시켰고 결론적으로 셀룰로오스 분해 효율을 높였습니다. 실제로 해당 유전자의 발현이 122-fold나 증가하였음이 실험을 통해 확인되었습니다.

그러나 OH 라디칼(·OH)은 매우 강력한 산화제이기 때문에 갈색부후균 자신과 셀룰로오스 분해 효소 역시 영향을 받을 수 있다는 점에서 의문이 남습니다. 먼저 펜톤반응은 균사가 식물 세포 내로 침투하였을 때 세포질에서 발생하는 것으로 스스로는 해를 입지 않습니다. 셀룰로오스 분해 효소의 경우 화학적으로 OH 라디칼(·OH)의 농도를 조절하여 보호한다는 설도 있었으나 최근 미국립과학원회보(PNAS)에 게재된 연구 결과에 따르면 활성산소를 필요로 하는 시기에만 단기적으로 생성하여 이용함으로써 문제를 피한다고 합니다.⁴⁾

갈색부후균은 에너지 소모가 큰 리그닌 분해 과정을 버리면서 새로운 기작(펜톤반응)을 통한 리그닌 처리 능력을 획득하거나 기생생물(외균근)로의 전환을 꾀했고, 결과적으로 펜톤반응 획득을 통해 보다 저비용으로 더 많은 에너지를 얻을 수 있게 되었습니다. 이러한 갈색부후균의 목재 분해 기작을 이용한다면 목재로부터의 바이오에탄올 생산 효율을 더욱 높이고 실용화를 앞당길 수 있을 것입니다.

끝으로 생물자원 확보의 중요성에 대해서도 생각해 볼 수 있습니다. 나고야의정서 발효에 따른 생물자원 전쟁 시대가 열린 지금, 전혀 생각지도 못했던 바이오에탄올 생산에 곰팡이가 이용될 수 있듯이 잠재적 가치가 무궁무진한 다양한 자생종에 대한 유전체 분석을 통하여 유용 생물자원을 선점하여야 할 것입니다.


Reference
1) 오늘 0시 '대한민국 1호 원전'이 멈췄다, <조건일보>, 2017년 6월 19일, 경제 B2 면
2) 문재인발 미세먼지 정책…‘신재생에너지 전환’ 시동걸까, <한겨레>, 2017년 5월 16일
3) EASTWOOD, Daniel C., et al. The plant cell wall–decomposing machinery underlies the functional diversity of forest fungi. Science, 2011, 333.6043: 762-765.
4) ZHANG, Jiwei, et al. Localizing gene regulation reveals a staggered wood decay mechanism for the brown rot fungus Postia placenta. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 201608454.