연구자들은 감자 밭 토양 속에서 자라는 한 세균에 있는 효소가 감자에 발생하는 해충을 방제하기 위해 사용되는 강력한 농약의 잔류물을 분해시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이것은 농민들에게는 더 많은 비용 지출을 가져오게 할 수도 있겠지만 환경적인 측면에서는 다행스러운 일이다. 왜냐하면 만일 그 특정한 효소의 존재를 노스캐롤라이나대학 연구자들이 밝혀내지 못했더라면, 매주 감자 밭에 사용되는 농약이 분해되는 반감기가 10,000년 정도 소요되었을 것이기 때문이다. 그리고 이 농약은 현재 상당히 많은 양 사용되고 있는 감자 밭 토양에 남아서 지하수 오염 및 인간 및 동물 건강에 위해 요인이 될 수도 있기 때문이다.
본 연구 결과에 관한 상세한 내용은 PNAS 온라인 버전 10월 24일자에 소개되었다. 저자들로는 노스캐롤라이나대학 화학 전공자 Christopher M. Horvat 그리고 노스캐롤라이나 의과대학 생화학생물리학 교수인 Richard V. Wolfenden이다. “이 농약의 반감기는 물 속에 들어있는 다른 알려진 환경오염물질들의 반감기에 비해 더 오랜 시간을 필요로 한다. 예를 들어 atrazine, aziridine, paraoxon 그리고 1, 2-dichloroethane의 반감기는 각각 5개월, 52시간, 13개월 그리고 72년이다. 반면에 감자용 농약인 chloroacrylate의 반감기는 10,000년이나 되는데, 원자력 발전소에서 사용되는 위험한 동위원소인 플루토늄-239의 반감기와 비슷하다고 그는 설명했다.
Pseudomonas pavonaceae 세균은 이 감자용 농약 1, 3-dichloropropene가 사용되는 토양에서 진화했고 유일한 탄소 및 에너지원으로서 이것을 이용해서 성장할 수 있다고 그 연구자들은 주장했다. 이 농약을 분해하는데 관여된 효소는 그 화합물이 처음 감자 밭에 사용되었던 1946년부터 진화한 것이다. 이 농약의 일반명은 Shell D-D와 Telone II이다. “이 놀라운 효소가 이미 이 세균에 존재했었을 가능성은 충분히 있다고 나는 생각한다. 이 세균은 정상적인 대사기작에 필요한 아직까지 밝혀지지 않은 반응을 통해 또 다른 것을 촉매하기도 한다. 이 효소의 놀라운 촉매 활성은 지금까지 밝혀진 일부 천연물에 대해 작용하도록 진화한 어떤 효소의 부수적인 작용일 수도 있다”고 Wolfenden은 이 세균이 갖고 있는 효소의 작용특성에 대한 자신의 견해를 피력했다.
Horvat은 Wolfenden의 연구실에서 다양한 온도에서 이 농약이 잔류할 때 어떤 일이 일어나는 지를 분석하는 연구를 수행한 후, 그 세균이 그 농약을 분주하게 분해하지 않을 때는 얼마나 오랫동안 그 농약이 남아있는 지를 밝혀내기 위해 산출된 결과들을 실온에서의 효과로 변경시키는 연구를 실시했다. “이 효소가 이렇게 빠른 속도로 어떤 것을 분해시킬 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이다. 만일 이들이 없었다면 이 농약은 수천년 동안 토양에 잔류하게 될 것이다. 이 발견은 진화와 자연선택이 무엇인지를 보여주는 한 예이다”고 Horvat는 설명했다.
비록 이 연구의 활용성에 대해 정확하게 예측하기 어려울지라도 이 연구는 분명히 사람들이 나중에 효소를 설계하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다고 그는 부연했다. 반응시킬 때 효소들을 이용하는 것은 수많은 화학 공정들에 소요되는 비용을 크게 경감시킬 수 있다. 기존에 한번도 Shell D-D 농약에 노출된 적이 없는 야외에 존재하는 어떤 세균에 존재하는 효소를 찾아낸 것은 이것이 과거 50년 동안에 진화한 것은 아니라는 것을 보여준다고 Wolfenden은 설명했다.
“한가지 새롭고 예측하지 못한 사실은 그 세균에는 이 새로운 효소 CaaD가 함유되어 있고 CaaD와 구조적으로 유사하면서 기존의 대사기작에 관여하는 어떤 반응을 촉매하는 또 다른 효소인 tautomerase가 존재한다는 점이다. 따라서 tautomerase와 CaaD가 진화학적으로 공통적인 기원을 가질 수 있다고 여겨진다. 이 새로운 효소는 기존의 반응을 촉매하는 기존 효소 보다 이와 같은 새로운 반응을 더 잘 촉매하는 특성이 있다.”고 그는 부연했다.
만일 이 효소가 과거 50년 이내에 출현했다고 한다면 그것은 진화적인 관점에서 볼 때 아주 예외적인 사례에 해당하게 될 것이다고 Wolfenden은 강조했다.