지구를 구하는 새로운 발견! 온실가스 감축에 도전하는 혁명적인 단백질이란? ─ 토양에서 시작되는 탈온실가스의 새로운 전략

도입──발견된 것은 '전제'를 바꾸는 단백질

2025년 10월 21일에 Phys.org가 전한 뉴스는 온실가스 대책의 지도에 새로운 지형을 추가했다. 미국 테네시 대학교 녹스빌 캠퍼스를 중심으로 한 연구팀이 N₂O(일산화이질소)를 기후 중립적인 질소(N₂)로 환원하는, 미지의 단백질 패밀리를 보고한 것이다. 기존의 교과서에서는 N₂O 환원효소(N₂OR, 유전자명 nosZ)가 두 개의 '계통(clade)'으로 정리되어 왔다. 그러나 이번 단백질은 서열 수준에서 양자와 크게 다른 '세 번째 계통'으로, AI에 의한 구조 예측과 질량 분석, 배양 실험을 결합하여 기능이 입증되었다고 한다.phys.org

배경──N₂O는 왜 까다로운가

N₂O는 CO₂에 비해 단위 질량당 온실효과가 매우 강하고, 더 나아가 성층권 오존을 파괴한다. 합성 질소 비료의 보급 이후, 농지 토양에 남은 질소가 미생물에 의해 변환되어 대량의 N₂O가 발생하는 구조는 잘 알려져 있다. 테네시 대학의 해설은 "CO₂의 약 300배"라는 비유로, 그 까다로움을 단적으로 나타낸다. 그렇기 때문에, 토양의 "N₂O를 제거하는 쪽"의 미생물과 효소의 이해는 현실적인 기후 대책에 직결된다.cee.utk.edu

무엇이 새로운가──L-N2OR / L-NosZ

연구팀은 산성 토양에서도 지속적인 N₂O 환원이 일어나는 것을 2024년에 보여주었다. 이어지는 대규모 메타게놈·메타프로테옴 분석과 최신 구조 예측에 의해, 기존의 nosZ와 40% 미만의 상동성만을 보이지만, 입체 구조상의 핵심 모티프를 공유하고 실제로 N₂O를 N₂로 환원하는 단백질 군을 동정하였다. 이를 "L-N2OR(lactonase-type N₂O reductase)"로 보고하였다. 계통학적으로는 기존의 틀 밖에 있으며, Nitrospinota 등 배양이 어려운 분류군을 포함하여 폭넓은 계통에 분포한다고 한다.Nature　PubMed

포인트는 세 가지가 있다.

1. 서열은 멀지만, 구조와 기능은 가깝다──수렴 진화의 한 예로도 해석할 수 있다.

2. 게놈 참조 라이브러리가 업데이트된다──지금까지 놓쳐왔던 '비슷하지만 다른' 서열이, N₂O 환원 후보로서 자동으로 포착될 수 있게 된다.

3. 질소 순환 모델의 재조정이 필요──"어디에서, 얼마나 N₂O가 사라지고 있는가"의 추정이 바뀔 가능성이 있다.phys.org

실험의 요체──AI×질량 분석×배양

논문(Nature, 2025)은 배양계에서의 N₂O 환원 속도의 가속, N₂O 존재하에서 특이적으로 발현하는 단백질 군, 그리고 리본 도면 수준에서 NosZ와 대응하는 구조 요소를 쌓아 기능을 증명하였다. 특히, N₂O 존재 시에만 검출되는 주변 유전자 군의 프로테옴 행동은 대사 경로로서의 일관성을 보강하고 있다.phys.org

"과거 연구의 재해석"이 시작된다

연구팀의 지적대로, 이 패밀리가 참조 데이터베이스에 포함되면, 기존 데이터의 재분석으로 "설명할 수 없었던 N₂O 환원 활성"에 소급적인 설명이 붙는다. 산성 조건에서도 성장 연동으로 N₂O를 줄이는 미생물 군집의 존재를 보여준 2024년의 보고는 그 하나의 단서였다.Nature

응용 가능성──현장 구현의 시나리오

• 토양 개량제／바이오스티뮬런트：L-N2OR을 가진 미생물을 선별·적응시켜 토양에 되돌려, 비료 살포 후의 N₂O 피크를 억제한다.

• 축산·바이오가스 시설에서의 바이오필터：고농도 N₂O 가스 흐름에 적응한 바이오리액터를 설계한다.

• 모니터링：L-N2OR 유전자를 바이오마커로 하여, 토양·수역의 N₂O '싱크 능력'을 정량화한다.
  이들은 지금 당장의 제품화를 의미하지 않지만, 기존의 NosZ 계통 Ⅰ·Ⅱ만을 전제로 한 설계보다 탐색의 사정이 넓어지는 것은 틀림없다.PubMed

리스크와 제약──"만능약"은 아니다

• 생태계에의 개입：외래 종의 도입은 경쟁·유전자 수평 전파 등 생태 리스크를 수반한다.

• 환경 의존성：pH, 탄소원, 산화 환원 상태 등 현장 조건에서 활성이 크게 변한다. 산성 토양에서의 지속성이 시사되었다고는 하나, 보편적이지는 않다.

• 계측 과제：플럭스 측정이나 동위원소 방법의 공간 스케일 의존성에 의해, 효과 검증의 통계력 확보가 어렵다.

• 규제：GMO/비GMO에 관계없이, 실제 필드 시험에는 환경 안전성 평가가 필요하다.Nature

SNS의 반응──"기대"와 "신중"의 중간

이번 논문은 8월 하순에 'Nature'에서 공개되었고, 그 직후에 Nature 공식 X 계정이 소개하였다. 포스트의 확산을 기점으로, 기후·농업 커뮤니티에서 "세 번째 N₂O 환원 효소"에 대한 관심이 급격히 높아졌다. Facebook의 Nature 공식 페이지나, 과학계 미디어의 Instagram에서도 시각화되어, 일반층까지 화제가 확산되었다. 경향을 요약하면 다음과 같다.

• 환영 분위기："CO₂ 대책에 비해, N₂O의 비장의 카드는 적었다. 돌파구다"라고 평가.

• 구현 질문："토양에 언제·어떻게 넣을까? 산소에 약하지 않나? 측정할 수 있나?"라는 기술 조건에 대한 구체적 질문.

• 회의와 시시비비："실험실의 활성이 그대로 밭에서 나올지는 모른다. 장기 데이터를"이라는 냉정한 지적.
  이들은 SNS상의 실제 게시물(Nature의 X/Facebook, 과학계 Instagram 게시물)을 바탕으로 한 요약으로, 열광과 현실주의의 균형이 특징적이었다.X (formerly Twitter)　Facebook

왜 '세 번째 계통'이 중요한가

2010년대 이후, nosZ 유전자는 "전형(clade I)"과 "비전형(clade II)"으로 크게 나뉘어, 후자는 탈질을 하지 않는데 N₂O만을 환원하는 균도 포함되기 때문에, N₂O 싱크의 담당자로 주목받아 왔다. 이번의 L-N2OR은, 그것들의 정의 틀을 넘어 '구조는 비슷하지만 서열은 먼' 군을 시각화한 점에서 획기적이다. 놓쳐왔던 N₂O 싱크의 지리적 분포나 기여율이 상향 조정될 가능성이 있다.ASM Journals

앞으로의 검증 포인트

1. 필드에서의 재현성：강우 후·시비 후 피크 등, 다이내믹한 조건에서의 실지 검증.

2. 숙주 범위와 생태적 위치：어떤 분류군·환경에서 가장 활발한가(예: Nitrospinota).

3. 합성 생물학：안전한 숙주에 L-N2OR 기능을 이식하여, 안정적으로 발현·활성화할 수 있는가.

4. 모델 통합：기후·질소 순환 모델에 신 패밀리를 포함하여, 지역별 감소 잠재력을 정량.PubMed

요약──"시각화"가 전략을 바꾼다

온난화 대책은, CO₂뿐만 아니라 N₂O의 '시각화'와 '제거 능력'의 강화가 열쇠가 된다. L-N2OR/L-NosZ의 동정은, 현장에서 사용할 수 있는 구체책(개량제, 바이오리액터, 모니터링)의 설계도를 업데이트하고, 동시에 과거 데이터의 재해석을 촉진한다. 연구팀의 발견은, 과학의 기초와 정책 구현의 교차점에 위치하고 있다. 다음은 필드에서의 지속적 효과의 제시와, 안전하고 공정한 전개를 어떻게 설계할 것인가이다.phys.org