스스로 빛을 내는 반딧불이나 심해어처럼 자연의 '생물 발광(Bioluminescence)' 현상은 인류의 상상력을 자극해왔다. 스스로 빛을 내는 식물로 가로등을 대체하고 도시를 밝히는 미래는 공상 과학 영화의 단골 소재였다. 

최근 중국 과학자들이 유전자를 조작하는 대신, 빛을 저장하는 특수 입자를 식물에 주입해 세계 최초로 다채로운 색상의 빛을 내게 하는 데 성공하며 이러한 상상이 현실에 한 걸음 더 다가섰다.

최근 학술지 '매터(Matter)'에 발표된 이번 연구는 저렴하고 안전한 방식으로 식물을 '살아있는 램프'로 바꿀 수 있는 새로운 길을 열었다는 평가를 받는다.

'유전자 변형' 한계 넘은 발상의 전환

과거 과학계는 식물이 빛을 내도록 유전자 자체를 바꾸는 '유전 공학' 기술에 집중했다. 주로 식물성 플랑크톤 등에서 발견되는 생물 발광 유전자를 식물 DNA에 삽입하는 이 방식은 빛이 희미하고 비용이 많이 들었으며, 조작된 유전자가 자연 생태계로 퍼져나갈 수 있는 '유전자 변이'의 위험성을 안고 있었다.

유전 공학의 대안으로 빛을 내는 입자를 주입하는 '소재 공학' 연구 역시 있었지만, 초기 단계에 머물렀다. 반딧불이의 발광 효소인 '루시페레이스'에서 추출한 나노 입자를 사용한 경우, 빛이 약했을 뿐만 아니라 30분 만에 급격히 어두워지는 뚜렷한 한계를 보였다.

중국 화남농업대학 연구팀은 발상을 전환해 새로운 해법을 찾았다. 바로 야광 장난감이나 안전 표지판 등에 널리 쓰이는 '무기 잔광 입자'다. 이 입자는 햇빛이나 LED 조명 등 외부의 빛 에너지를 흡수해 저장했다가 어두운 곳에서 서서히 방출하는 성질을 가졌다. 연구팀은 이 입자를 식물의 잎에 직접 주입하는 간편한 방식을 고안했다.

이 기술은 복잡한 유전자 조작 없이 10분 남짓한 시간 안에 식물을 발광체로 만들 수 있다. 비용 또한 식물 하나당 10위안(약 2000원)에 불과해 대량 생산과 상용화 가능성을 크게 높였다.

연구를 이끈 슈팅 리우 제1 저자는 "우리는 실험실에서 이미 다루는 재료를 사용해 영화 '아타바'의 비전을 실현하고 싶었다"며 "가로등을 대체하는 빛나는 나무를 상상해 보라"고 말했다.

'적혈구 크기' 입자, 다육식물서 최적 해법 찾아

연구의 성공은 적절한 입자 크기를 찾는 것과 이를 효과적으로 흡수할 식물을 발견하는 데 달려있었다. 연구팀은 입자의 최적 크기가 약 7마이크로미터(μm), 즉 사람의 적혈구 하나와 비슷한 너비라는 것을 밝혀냈다. 이보다 작은 나노 입자는 식물 조직 내에서 쉽게 퍼졌지만 빛이 약했고, 더 큰 입자는 빛은 훨씬 밝았지만 크기 탓에 멀리 이동하지 못하는 딜레마가 있었다.

이 난제를 해결해 준 것은 뜻밖에도 다육식물 '에케베리아 메비나'였다. 스킨답서스나 청경채 같은 일반 잎 식물과 달리, 다육식물은 조밀하면서도 균일한 내부 조직 구조를 갖고 있었다. 바로 이 구조가 입자들이 뭉치지 않고 잎 전체로 빠르고 고르게 퍼져나갈 수 있는 이상적인 '통로' 역할을 한 것이다.

리우는 "정말 예상치 못한 결과였다. 입자들이 단 몇 초 만에 확산되었고, 다육식물 잎 전체가 빛났다"고 밝혔다. 이렇게 빛 에너지를 가득 머금은 다육식물은 최대 2시간 가까이 밝은 빛을 유지했다. 다육식물은 책을 읽을 수 있을 만큼의 빛을 냈다. 

안전성·다양성 확보…살아있는 '컬러 램프' 구현

안전성 또한 중요한 과제였다. 연구팀은 입자 표면을 '인산염'으로 코팅해 식물 조직 내에서 거부 반응 없이 안정적으로 머무는 '생체 적합성'을 높였다. 실제로 입자를 주입한 식물은 며칠이 지나도 엽록소, 당, 단백질 수치가 정상적으로 유지돼 생명 활동에 아무런 지장이 없는 것으로 확인됐다.

나아가 연구팀은 다양한 종류의 인광체를 섞어 녹색뿐만 아니라 적색, 청색, 청자색 등 여러 색상의 빛을 자유자재로 구현했다. 56개의 다육식물을 벽처럼 배열해 주변의 책을 읽을 수 있을 만큼 밝은 빛을 내는 시연에 성공했으며, 자외선(UV)을 이용해 잎사귀에 원하는 글자나 그림을 일시적으로 새기는 것도 가능함을 보여주었다.

지속가능한 도시의 빛…친환경 건축 청사진 제시

이번 연구는 지속 가능한 도시 설계와 친환경 건축에 새로운 청사진을 제시한다. 식물이 내뿜는 빛은 시간이 지나면 사라지지만, 햇빛을 받으면 얼마든지 재충전된다. 정원이나 산책로, 실내 디자인에 화학 전지나 전력 공급 없이 활용할 수 있는 친환경 조명의 무한한 가능성을 연 셈이다. 다만 연구팀은 해당 물질이 식물에 미치는 장기적인 안전성에 대해서는 계속 연구를 진행 중이라고 밝혔다.

리우는 "완전히 인간이 만든 마이크로 스케일의 재료가 식물의 자연 구조와 이토록 완벽하게 결합할 수 있다는 것이 정말 놀랍다"며 "그들이 통합되는 방식은 거의 마법과 같고, 특별한 종류의 기능성을 창출한다"고 연구의 의의를 설명했다.