식물도 사람 등 동물처럼 고유의 자가 면역 시스템을 작동한다. 하지만 때때로 자기 단백질 구조를 병원균으로 오인해 스스로를 공격하는 '자가면역 반응'을 일으키기도 한다.

특히 서로 다른 품종 간 교배 후, 후손 식물이 건강하게 자라지 못하고 스스로 고사하는 '잡종 괴사'(hybrid necrosis) 현상은 오랫동안 식물학자와 농업 연구자들에게 해결이 어려운 문제로 여겨져 왔다.

한국과학기술원(KAIST) 등 국내외 연구진이 식물 자가면역 반응 유발 메커니즘을 규명하고, 이를 사전에 예측·회피할 수 있는 신개념 품종 개량 전략을 제시했다.

KAIST는 생명과학과 송지준 교수 연구팀이 국립싱가포르대학(NUS), 옥스퍼드대학 연구팀과 함께 초저온 전자현미경(Cryo-EM) 기술을 활용, 식물 자가면역 반응을 유발하는 단백질 복합체 'DM3'의 구조와 기능을 규명했다고 21일 밝혔다.

식물 면역 반응에 관여하는 DM3는 '위험 조합'(DANGEROUS MIX, DM)이라 불리는 특정 단백질 조합에서 그 구조가 망가지면서 문제를 일으킨다.

DM3 변이체 중 하나인 'DM3Col-0'은 6개의 단백질이 안정적으로 결합, 정상으로 인식돼 면역 반응을 일으키지 않는다. 그러나 또 다른 'DM3Hh-0' 변이체는 6개 단백질 간 결합이 제대로 안 돼 식물이 이를 '비정상적 상태'로 인식, 자가 면역을 유발한다.

연구팀은 이 구조를 원자 해상도의 초저온 전자현미경을 통해 시각화했다. 또 면역 유도 능력은 DM3 단백질의 효소 기능 때문이 아니라 '단백질 결합력의 차이'라는 것을 밝혀냈다.

식물이 외부 병원균뿐 아니라 '내부 단백질 구조'가 비정상적으로 변화할 때도 이를 병균으로 인식해 면역반응을 일으킬 수 있다는 것을 보여주는 것이라고 연구팀은 설명했다.

그러면서 "서로 다른 품종의 식물을 교배할 때 유전자가 섞이고 단백질 구조가 변하면 식물 면역계가 얼마나 자가면역반응을 일으키는지 보여준다"며 "자연교배 및 품종개량 과정에서 발생할 수 있는 유전적 충돌(Genetic Incompatibility)에 대한 이해를 크게 높였다"고 말했다.

송지준 교수는 "식물 잡종 간 교배 때 면역 수용체의 비정상적 반응으로 발생하는 잡종 괴사의 원인을 단백질 구조 결함'에서 찾았다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "식물 면역 시스템이 외부 병원균뿐 아니라 자기 단백질의 구조적 이상까지 감지할 수 있다는 사실은 생명공학 및 작물 교배 전략에 새로운 기준을 제시할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '셀(Cell)' 자매지인 '분자 세포'(Molecular Cell)에 지난 17일 자로 실렸다.