생물발광

생물발광(bioluminescence)은 생명체에서 스스로 또는 공생 생물의 작용에 의해 발광을 일으키는 현상으로 화학발광의 일종이다. 우리가 알고 있는 반딧불이 혹은 해파리에서의 빛의 발생이 대표적인 생물발광의 예이다. 생물발광은 이 외에도 수많은 생물에서 알려져 있는데, 식물에서는 버섯 등 균류에서 50여 종의 발광생물이 알려져 있으며, 동물에서는 하등동물에서 고등동물에 이르기까지 여러 종류에 분포되어 있는데 바다에 사는 동물에서 특히 많다. 미생물에서도 세균류에 약 70종이 알려져 있다. 어떤 발광세균은 동물에 공생하여 동물 발광의 원인이 되기도 한다. 생물발광은 유기화합물에 기반한 화학발광과 달리 열을 거의 발생치 않아 효율이 매우 높은(광자 비율: ~97%) 특징을 가지고 있다.¹

그림 1. 반딧불이의 생물발광 ()

목차

우리들이 흔히 볼 수 있는 반딧불이와 광박테리아에 대해 그 발광의 원리가 잘 연구되어 있다.

반딧불이(firefly) 혹은 개똥벌레의 생물발광은 열에 안정한 루시페린(luciferin)과 불안정한 루시페라제(luciferase)라 불리는 물질의 효소 반응에 의해 생긴다.² 반딧불이의 생물발광은 다음의 여러 단계의 반응을 거쳐 일어난다. 반딧불이는 자연 발광 분자로 루시페린을 가지고 있다. 이 루시페린의 IUPAC 명칭은 (4S)-2-(6-hydroxy-1,3-benzothiazol-2-yl)-4,5-dihydrothiazole-4-ca​rboxylic acid이며 아래의 화학구조로 되어 있다.

그림 2. 루시페린(luciferin)의 화학구조 ()

루시페린(D-LH₂)은 산화효소인 루시퍼레이즈(luciferase)의 도움으로 아데노신삼인산(ATP)과 아래의 반응을 진행하며 이러한 반응의 결과 이산화 탄소의 발생과 함께 노란색의 빛을 방출한다.

D-LH₂ + ATP @@NAMATH_INLINE@@\longrightarrow@@NAMATH_INLINE@@ oxyluciferin + AMP + CO₂ + 빛 (~495nm)

생물발광은 루시페린, ATP, 루시페레이즈 및 산소의 존재하에서 일어난다. 이 밖에도 2가 양이온 중에서 Mg²⁺, Mn²⁺, Co²⁺ 등이 있어야 한다는 것도 알려져 있다. 루시페린 한 분자의 산화에서 1광량자가 방출되는 것으로 계산되고 있음으로, 생물발광은 광효율이 매우 높아서 열의 발생을 거의 수반하지 않는다. 따라서, 생물발광에서 나오는 빛을 냉광이라고도 한다.

바닷속에 서식하는 박테리아의 생물발광은 지방족 알데하이드(aliphatic aldehyde)가 환원된 플래빈 모노뉴클레오타이드(FMNH₂)에 의해 산화되는 반응이 일어나고 이 반응을 통해 지방산(fatty acid)의 생성과 함께 청록색의 빛이 발생한다.²

FMNH₂ + O₂ + RCHO → FMN + RCOOH + H₂O + light

생물발광은 수질분석을 위한 생분석(bioassay) 혹은 바이오센서(biosensor)로 응용이 되고 있다.

면역분석법(luminescent immunoassay)은 항원 항체반응을 이용한 생분석법인데, 생물발광을 이용한 면역분석법은 표식된(labelling) 방사성 동위원소를 사용하지 않고 루시퍼레이즈(luciferase)와 같은 생물발광에 관여하는 효소를 사용한다. 이러한 분석법은 방사성 동위원소를 표식자로 사용하는 방사성 면역분석법에 의해 신속하고 고감도로 단백질 등의 생체분자를 검출할 수 있는 장점이 있다.

대표적인 예로는 박테리아 생물발광의 원리에 기초하여 하천이나 호수에 존재하는 독성물질을 검출하기 위한 분석시스템으로의 활용이다. 독극물이 없는 경우 일정량의 박테리아에서 발생한 생물발광의 빛의 세기는 일정하게 유지되지만, 독극물이 존재하는 경우 생물발광의 빛이 현저히 줄어들게 되므로 이를 통해 독극물의 존재를 검출할 수 있게 된다.