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Isolation & Expression of Marine Bacterial Rhodopsins from Polar Ocean : Comparative Study of Rhodopsins between Arctic and Antarctic Ocean

  • 정병훈 (Jung, Byung Hoon, 생명과학과 생명과학전공)

초록/요약

로돕신은 all-trans 레티날을 발색단으로 갖는 광감지 막단백질이다. 프로티오로돕신은 바다 미생물에서 발견되며 에너지 생산을 위해 양성자를 막 내부로부터 외부로 이동시키는 활성을 이용한다. 통상적으로 프로티오로돕신은 최대 흡수 파장을 기준으로 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 하나의 경우는 청색프로티오로돕신으로 490 nm 주위의 파장을 흡수하고 다른 하나의 경우는 녹색프로티오로돕신으로 530 nm 주위의 파장을 흡수한다. 이전 연구에서 노르웨이의 스발바드 제도 근처의 바다에서 18개의 녹색프로티오로돕신 유사 유전자를 분리하여 그 특성을 파악하였다. 그 결과 양성자 펌핑과 광화학적반응 비율이 양의 상관관계를 갖는다는 것을 알아내었다. 또한 여러가지의 200번째 잔기의 타이로신에 변화가 있는 로돕신을 얻었다. 이 위치의 아미노산 잔기의 녹색프로티오로돕신의 경우 타이로신으로 청색프로티오로돕신의 경우 아스파라진으로 보존되어 있었으며, NPR8 로돕신의 경우 온도에 덜 민감하고 녹색프로티오로돕신과 청색프로티오로돕신의 중간에 해당하는 광화학 변화 비율을 나타내었다. 본 연구에서는 남극의 킹 조지섬에 있는 세종기지 근해 표면의 미생물 게놈에서 중합효소연쇄반응을 통하여 로돕신 유전자를 얻어 내어 북극 유래 로돕신들과 비교 분석하였다. 보존된 지역을 인식하는 프라이머를 사용하여 로돕신 유전자 조각을 얻어 내었으며, 두 개의 전체 로돕신 유전자 또한 얻어내었다. 그 중 하나는 녹색프로티오로돕신와 완전히 동일한 유전 정보를 갖고 있었으며, 다른 하나는 청색프로티오로돕신과 유사한 로돕신 유전자였으며 대장균에서 발현 정제하여 새로운 로돕신의 광화학적 특성을 규명하였다. 이 로돕신은 500 nm 정도의 파장을 흡수하며, 세포막을 경계로 양성자를 펌핑하는 것을 관찰하였고, 이전 실험에서 얻은 NPR8과 최대 흡수 파장은 다르지만 비슷한 온도 민감성을 갖고 있다는 것을 확인 하였다. HSG119는 온도 적응과 수소이온 펌핑 능력 향상이라는 두 가지 면에서 진화를 이룬 것으로 생각이 된다. 또한 우리는 남극과 북극의 녹색프로티오로돕신과 청색프로티오로돕신의 분포 성향이 다음과 같은 두 가지 이유에서 기인했다고 제안하였다. 남북극 바닷물의 혼탁도 차이와 자외선 조사에 의한 회피가 그것이다. 위 결과로 로돕신이 차가운 바다 환경에 적응해나간 것이라고 예측했다.

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초록/요약

Rhodopsin is a seven-transmembrane light-harvest protein that has all-trans retinal as a chromophore. Proteorhodopsin (PR) is discovered from marine bacteria and has proton pumping activity from inside to outside of the cell using light energy. Generally, PR is classified into two groups by the maximum absorption spectra. One is the BPR which absorbs blue (490 nm) wavelength light and the other is the GPR which absorbs green (530 nm) wavelength region of visible spectrum. Previously, We have isolated and characterized 18 GPR homologues from the sea near Svalbard, Norway. We have confirmed the positive-correlation between proton pumping function and photochemical reaction rate. And I obtained several rhodopsin variants in the position of 200th residue. In the case of GPR type rhodopsin, Tyr200 is conserved and Asn200 is found in BPR type rhodopsin. Our Tyr200Asn variant, NPR8, indicated a mild temperature sensitivity to the rate of photocycle between GPR and BPR. Based on this result we were predicted that the rhodopsins are adapted to the change of temperature in cold ocean environment. However, I still have the question that is the reason why GPR was usually discovered from Arctic ocean and BPR was Antarctic ocean. In this study, I isolated the several conserved regions of rhodopsin like gene by PCR from the sea near King George Island and compared them with Arctic microbial rhodopsins. And I also found several sequence between helix C and helix F of rhodopsin by conserved primers. I also isolated two of full sequence of Antarctic rhodopsin. One was the exactly same sequence with MBP (GPR type) and another one was a newly discovered sequence. I tried to determine the photochemical properties of newly found rhodopsin protein. New PR absorbs blue region, about 500 nm wavelength and is able to pump protons out of the cell membrane. I found that the temperature dependency of new one is similar to those of NPR8. I suggested about HSG119 that is evolved in cold adaptation and proton pumping activity. In the conclusion, I give the two reasons about the distribution of GPR and BPR which is turbidity and UV radiation.

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