미세조류를 활용한 분자 결정 생합성

와편모조류는 수용액에서 다양한 질소 헤테로고리 화합물을 질소 저장 결정으로 빠르게 축적할 수 있으며, 이는 이들이 용존 유기 질소를 대사하는 일반적 기전을 보여준다. 이러한 결정화 거동은 조작이 가능해, 복굴절성을 지닌 xanthine 구상집합체(spherulites)를 포함해 형태와 광학적 특성이 맞춤화된 결정을 생성할 수 있고, 상온 조건의 수용액에서 분자 결정을 생산하는 세포 공장으로서 미세조류를 활용할 수 있게 한다.

guanine과 같은 높은 반사성을 지닌 생체유래 결정은 독성이 있는 무기 광학 소재를 대체할 수 있는 생체적합성 대안으로 잠재력이 있다. 고부가가치 대사산물을 생산하기 위해 공학적으로 설계된 미생물 세포는 널리 이용돼 왔지만, 기능성 결정성 물질의 생합성은 아직 달성되지 않았다.

해양 와편모조류에서 guanine 결정은 고용량 질소 저장고로 작용하며, 환경 내 질소의 주기적 결핍을 극복하는 데 사용된다. 질소 결핍 상태의 Amphidinium carterae 세포를 약 40 μM의 용해된 guanine을 유일한 질소원으로 포함한 배양 배지로 옮겼을 때, guanine은 배지에서 빠르게 고갈됐고, 이와 동시에 guanine의 β 다형으로 구성된 복굴절성 다결정 구형체가 나타났다. 이러한 다결정 구형체는 세포 중심부에 위치한 막성 액포 안에 존재한다.

이 액포는 외인성 guanine에 노출된 지 불과 1–10분 후부터 결정을 축적하기 시작하고, 약 1–5시간 후 완전히 형성되며, 12–48시간 후부터 분해되기 시작한다. 와편모조류는 다양한 질소 헤테로고리 화합물을 직접 흡수하고 결정화하며 이를 이용해 증식할 수 있어, 결정 형태로 유기 질소를 저장하고 이후 그 결정으로부터 유기 질소를 방출하는 것이 이들의 용존 유기 질소 대사를 위한 일반적 전략임을 시사한다.

guanine과 같은 질소 헤테로고리 화합물은 저분자량 용존 유기 질소의 주요 구성 성분으로, 이는 해양의 환원형 질소 가운데 풍부하고 지속적으로 존재하는 형태다. 인위적 영향으로 용존 유기 질소는 증가해 왔으며, 미세조류가 질소 헤테로고리 화합물을 어떻게 대사하는지를 체계적으로 이해하는 것은 해양에서의 용존 유기 질소 순환을 이해하는 데 핵심적이다. 와편모조류의 질소 저장 전략은 산호와의 공생에서도 중요하며, 와편모조류로부터 이동된 유기 질소는 영양분이 부족한 해역에서 산호초가 번성할 수 있게 한다.

와편모조류가 수용액에서 질소 헤테로고리 화합물을 빠르게 결정화하는 능력은, 이러한 난용성 분자들이 시험관 내(in vitro) 재결정화에 극단적인 pH 값이나 유기용매를 필요로 한다는 점을 고려하면 두드러진다. 이번 결과는 미세조류를 수용액에서 분자 결정을 생산하는 세포 공장으로 활용할 수 있음을 보여주며, 향후 의약품 결정화와 독성물질의 생물학적 정화에도 응용될 가능성을 제시한다.