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2025-09-25 (목)

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[퓨처 Eyes(103)] 英·中 공동 연구팀, 식물 뿌리 '굴중성' 비밀 밝혔다

식물의 뿌리가 어떻게 중력을 인지하고 땅속 깊이 파고드는지에 대한 오랜 수수께끼가 풀렸다. 영국과 중국 공동 연구진이 식물 호르몬 '옥신(auxin)'이 뿌리의 특정 부위 세포 성장을 억제하는 동시에 다른 부위의 성장은 유지시켜 중력 방향으로 휘어지게 만드는 핵심 분자 메커니즘을 규명했다. 영국 노팅엄 대학교 생명과학부와 중국 상하이 교통대학교 공동 연구팀은 옥신이 'OsILA1'으로 알려진 특정 키나아제(kinase) 효소를 통해 뿌리 아래쪽 세포벽을 단단하게 만들어 성장을 막는다는 사실을 밝혀내고, 관련 연구 결과를 세계적인 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 발표했다. 이번 발견은 식물이 토양 속 장애물을 만나더라도 다시 아래 방향으로 성장할 수 있는 생명력의 비밀을 분자 수준에서 풀어낸 성과로 평가된다. 옥신의 역설, 성장 촉진과 억제를 동시에 식물의 뿌리가 중력 방향을 따라 자라는 현상을 '굴중성(gravitropism)'이라고 한다. 쉽게 말해, 식물이 나침반 없이도 '아래'가 어디인지 알고 그쪽으로 뿌리를 뻗는 능력이다. 굴중성은 식물이 땅속 깊이 뿌리를 내려 안정적으로 몸을 지지하고, 물과 영양분을 효율적으로 흡수하기 위한 필수적인 생존 전략이다. 과학계는 오래전부터 식물 성장 호르몬인 옥신이 굴중성 과정에서 핵심적인 역할을 한다는 사실을 알고 있었다. 중력 자극을 받으면 뿌리 끝에서는 옥신이 아래쪽으로 몰리게 되고, 이로 인해 위쪽과 아래쪽 세포의 성장 속도에 차이가 생겨 뿌리가 휘어진다는 것이 기본 원리였다. 하지만 옥신이 어떻게 뿌리 위쪽 세포의 성장은 촉진하면서, 동시에 아래쪽 세포의 성장은 억제하는지에 대한 구체적인 기작은 오랫동안 베일에 싸여 있었다. 하나의 물질이 어떤 세포에는 '더 자라라'는 명령을 내리면서, 바로 옆 다른 세포에는 '성장을 멈춰라'는 정반대 명령을 내리는 셈이어서 과학자들에게는 큰 수수께끼였다. 세포벽 강화하는 핵심 효소 'OsILA1' 규명 연구팀은 이번 연구를 통해 옥신의 이중적 역할을 명확히 설명했다. 연구 결과에 따르면, 벼(rice)의 뿌리 끝 아래쪽에 축적된 옥신은 OsILA1 키나아제를 활성화하는 신호를 보낸다. 키나아제는 세포 안에서 특정 단백질에 인산(P)을 붙여 그 단백질의 스위치를 켜거나 끄는 역할을 하는 중요한 효소다. 이 신호를 받은 세포는 셀룰로스(cellulose)와 리그닌(lignin) 같은 세포벽 구성 요소의 생합성을 촉진해 기존보다 훨씬 더 견고하고 단단한 세포벽을 만든다. 셀룰로스는 식물 세포벽의 뼈대를 이루는 단단한 섬유소이며, 리그닌은 이 뼈대를 더욱 견고하게 만드는 접착제와 같은 역할을 한다. 이렇게 물리적으로 강화된 세포벽은 세포가 더 이상 길어지는 것(신장)을 막는 족쇄 역할을 한다. 반면, 옥신 농도가 상대적으로 낮은 뿌리 위쪽 세포에서는 이러한 세포벽 강화 과정이 일어나지 않는다. 따라서 위쪽 세포들은 정상적으로 신장하며 계속 자라나는 반면, 아래쪽 세포들은 성장을 멈추게 된다. 이러한 비대칭적인 성장 속도 차이가 결국 뿌리 전체가 아래쪽으로 구부러지게 만드는 힘으로 작용하는 것이다. 연구팀은 유전자를 조작해 OsILA1 효소가 제대로 작동하지 못하는 돌연변이 벼를 만들어 실험했다. 그 결과, 이 벼는 뿌리가 중력에 잘 반응하지 못하고 세포벽도 약해져, OsILA1이 뿌리의 방향을 결정하는 핵심 스위치임을 증명했다. 이번 연구를 공동으로 이끈 노팅엄 대학교 생명과학부의 라훌 보살레 부교수는 "지금까지 옥신이 어떻게 뿌리 아래쪽 세포의 팽창을 억제하는지는 불분명했다"며 "우리 연구는 옥신이 세포벽 생합성을 촉진해 아래쪽 세포벽을 강화함으로써 성장을 막는다는 것을 보여줌으로써 이 오랜 의문을 해결했다. 이 이중 메커니즘은 세포 신장을 촉진하고 억제하는 옥신의 상반돼 보이는 역할을 설명해준다"고 밝혔다. 중력과 가뭄, 환경 신호에 반응하는 뿌리의 지능 이번 성과는 가뭄을 감지하는 호르몬으로 알려진 앱시스산(ABA)이 옥신 수치에 영향을 주어 뿌리의 성장 각도를 조절한다는 연구팀의 선행 연구와도 맥을 같이한다. 두 연구를 종합하면, 식물의 뿌리는 중력, 수분 등 다양한 외부 환경 신호를 호르몬 네트워크를 통해 통합적으로 감지하고, 토양 탐색과 자원 획득을 최적화하는 뿌리 구조를 형성하는 정교한 적응 시스템을 갖추고 있음을 알 수 있다. 보살레 박사는 "우리는 옥신이 뿌리 굴중성에 중요하다는 사실은 이미 알고 있었지만, 오랫동안 옥신의 하위 신호 전달 과정에서 무엇이 작용하는지는 알지 못했다"며 "이번 새로운 연구에서 밝혀낸 것이 바로 그것이며, 이는 뿌리 시스템의 작동 방식을 근본적으로 이해하는 데 중요하다"고 연구의 의의를 강조했다. 기초 과학에서 미래 농업으로…슈퍼 작물 개발 기대 연구팀은 이번 발견이 미래 농업 기술에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대한다. 옥신의 작용 원리를 상세히 이해함으로써, 척박하거나 단단한 토양에서도 뿌리를 더 깊고 넓게 뻗을 수 있는 품종을 개발할 길이 열렸기 때문이다. 예를 들어, 토양이 단단한 지역에서는 뿌리가 이를 감지하고 더 강하게 뚫고 나갈 수 있도록 유전자를 조절하거나, 가뭄이 잦은 곳에서는 물을 찾아 더 깊이 파고드는 뿌리 시스템을 갖도록 개량할 수 있다. 궁극적으로 가뭄, 다져진 토양, 영양 부족 환경에 대한 작물의 저항성을 높여 농업 생산성과 지속가능성을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 보살레 박사는 "호르몬의 역할을 이렇게 상세하게 이해하면 스트레스에 강하고 토양 속 장애물을 극복할 수 있는 작물을 공학적으로 개발할 가능성이 열린다"고 전망했다. 기후 변화로 인한 환경 스트레스가 심화하는 상황에서, 이러한 기초 연구는 전 세계 식량 생산을 안정적으로 확보하는 데 더욱 중요해질 것이다.
- 포커스온
2025-09-25 13:15:00
개발도상국 도시 빈곤층, 플라스틱 연료 사용 급증⋯독성 물질 배출로 건강 위협

전 세계적으로 조리 연료로서의 플라스틱 연소가 심각한 문제로 대두되고 있다. 특히 개발도상국 도시 빈곤층에서 가스나 전기 등 에너지원을 확보하지 못하거나, 전통적인 연료인 목재조차 부족한 상황에서 플라스틱을 난방 및 조리 연료로 사용하는 사례가 급증하고 있다. 이는 독성 물질 배출로 인해 수백만 명의 건강을 위협하는 위험한 관행으로 지적된다. 급격한 도시화로 에너지 수요는 증가하는 반면, 저렴하고 청정한 연료 대안을 지원하는 정책은 여전히 미흡한 실정이다. 아프리카, 아시아, 라틴아메리카 등 인구 밀집 지역에서는 청정 에너지원을 감당할 수 없는 인구가 상당수를 차지하는 등 심각한 에너지 소비 패턴이 나타나고 있다. 제한된 선택지 속에서 많은 가정은 가용 가능한 모든 가연성 물질에 의존하며, 이는 오염과 질병의 악순환을 심화시킨다. 도시화, 위기 심화시켜 개발도상국의 급속한 도시화는 플라스틱 연소 위기를 더욱 심화시키고 있다. 과거 농촌 지역에서 쉽게 구할 수 있었던 목재나 숯 같은 전통적인 연료는 급속히 팽창하는 도시 내에서 점점 희소해지고 있다. 반면, 부적절한 폐기물 관리로 인해 플라스틱 폐기물이 과잉 공급되고 있으며, 이는 위험하지만 쉽게 구할 수 있는 연료원으로 인식되고 있다. 호주 커틴대학교 연구진이 주도한 새로운 연구는 플라스틱 연료 문제의 심각성을 부각하며, 플라스틱 연료 사용을 억제하기 위한 긴급 조치를 촉구하고 있다고 어스닷컴이 25일(현지시간) 보도했다. 플라스틱 연소, 건강 위협 연구를 주도한 비샬 바라드와즈 박사는 플라스틱 연소로 인해 수백만 명이 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있는 독성 물질에 노출된다고 경고했다. 바라드와즈 박사는 "플라스틱 연소는 다이옥신, 퓨란, 중금속과 같은 유해 화학 물질을 공기 중에 방출하며, 이는 폐 질환과 같은 여러 건강 문제와 복지 문제를 야기할 수 있다"고 지적했다. 특히 실내에서 더 많은 시간을 보내는 여성과 어린이에게 위험이 더욱 심각하지만, 그 영향은 광범위하게 확산되어 인근 지역과 도시 전체에 영향을 미칠 수 있다. 이번 연구는 플라스틱 연소 문제의 규모를 강조하며 다양한 지역의 충격적인 통계를 제시했다. 바라드와즈 박사는 "설문 조사에서 나이지리아 가구의 13%가 조리 연료로 쓰레기를 사용한다고 보고했으며, 인도네시아의 토양 및 식품 샘플에서는 플라스틱 연소와 관련된 위험한 수준의 독성 물질이 검출됐다"고 밝혔다. 플라스틱 소비 추세 심화 이 문제는 빈곤과 불평등으로 이미 어려움을 겪고 있는 수백만 명에게 영향을 미친다는 점에서 더욱 심각하다. 더욱이 도시 인구 규모가 급격히 늘어날수록 플라스틱 소비 또한 기하급수적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 바라드와즈 박사는 "2050년까지 전 세계 인구의 3분의 2가 도시에 거주하게 될 것이며, 이미 많은 도시가 폐기물 수거와 같은 기본적인 서비스를 제공하는 데 어려움을 겪고 있다"고 설명했다. 그는 "2060년까지 전 세계 플라스틱 소비량이 3배로 증가하고, 개발도상국의 급속하고 무분별한 도시화로 인해 불평등이 심화될 것을 고려하면 이는 더욱 심각한 문제가 될 것이다"라고 경고했다. 다각적인 접근 방식으로 문제 해결해야 페타 애쉬워스 교수에 따르면 이 위기를 해결하기 위해서는 다각적인 접근 방식이 필요하다. 효과적인 정부 개입이 필수적이지만, 현재 정책은 플라스틱 연소로 가장 큰 영향을 받는 지역 사회의 요구를 제대로 고려하지 못하는 경우가 많다. 애쉬워스 교수는 "많은 정부가 슬럼가와 같이 소외된 지역에 집중되어 있기 때문에 이 문제를 효과적으로 해결하지 못하고 있다. 사람들이 따뜻하게 지내고 음식을 조리할 다른 선택지가 없다면 플라스틱 연소 금지는 도움이 되지 않을 수 있다"고 지적했다. 대신, 연구는 취약 계층에게 대체 에너지원을 제공하는 실용적이고 포용적인 해결책의 필요성을 강조한다. 애쉬워스 교수는 "문제 해결을 위한 가능한 방법으로는 빈곤층 가구가 감당할 수 있도록 청정 연료에 대한 보조금 지급, 슬럼가에 플라스틱이 쌓이는 것을 방지하기 위한 폐기물 관리 개선, 플라스틱 연소의 위험성에 대한 지역 사회 교육 캠페인, 저소득 지역에 맞춘 저비용 혁신적인 조리 솔루션 등이 있다"고 말했다. 앞으로 나아갈수록, 이 위기의 전체 규모를 파악하고 현실적인 해결책을 개발하기 위해서는 종합적인 연구와 협력적인 노력이 필수적이라는 점이 분명해진다. 플라스틱 연소의 파급 효과 플라스틱 연소 위기는 개발도상국에서 가장 두드러지지만, 그 영향은 직접적인 영향을 받는 지역 사회를 훨씬 넘어선다. 공기 중으로 방출되는 독성 오염 물질은 전 세계적인 대기 오염에 영향을 미친다. 이는 호흡기 질환과 환경 오염을 심화시킬 수 있다. 국제기구, 정책 입안자, 연구진은 지속 가능하고 장기적인 해결책을 개발하기 위해 협력해야 한다. 전 세계적인 폐기물 관리 정책 강화, 대체 에너지 기술 투자, 국경을 넘나드는 협력 촉진은 위기 완화를 위한 중요한 단계가 될 것이다. 더욱 도시화된 미래로 나아가는 세상에서, 명확한 과제는 대담하고 즉각적인 조치가 없다면 수백만 명이 이 침묵의 위기의 결과로 계속 고통받을 것이라는 점이다. 본 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 시티즈(Nature Cities)'에 게재됐다.
- ESGC
2025-02-26 14:52:00
'영원한 화학물질' 과불화화합물(PFAS) 분해하는 박테리아 발견

자연적으로는 분해되지 않는다고 해 '영원한 화학물질(forever chemicals)'이라고 불리는 과불화화합물(PFAS)은 발암성 오염물질이다. 식품 포장재, 조리기구 등 생활용품에 널리 사용되는 플라스틱 재료로 인간의 건강에 치명적인 영향을 미치며 최근의 연구에서는 인간의 피부를 뚫고 혈관에까지 침투할 수 있는 것으로 밝혀져 충격을 안겨주기도 했다. 커피나 물 한 잔 속에도 영원한 화학물질의 위협이 숨겨져 있는 것이다. 그런 가운데 영원한 화학물질인 PFAS를 파괴하는 박테리아가 한 연구진에 의해 발견돼 큰 관심을 모은다고 환경 전문 어스닷컴이 전했다. 캘리포니아 주립대 리버사이드 캠퍼스(UC Riverside)의 유지 멘 교수 연구팀은 아세토박테리움(Acetobacterium) 속의 박테리아가 PFAS를 파괴한다는 사실을 규명했다. 이 연구는 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 저널에 게재됐다. PFAS는 매우 강력한 탄소-불소 결합으로 인해 '영원한 화학물질'로 불린다. 자연환경(특히 수자원)에서 오랜 기간 분해되지 않고 머물러 있으면서 자연을 파괴하고 인간 건강애 치명적인 영향을 미친다. 장기 지속성으로 인해, 지하수를 비롯한 오염된 수자원 처리는 큰 고민거리였다. 그런데 연구팀은 아세토박테리움 박테리아가 탄소-불소의 강한 결합을 끊는 능력이 탁월하며, 이 박테리아는 전 세계적으로 폐수에서 흔히 발견된다고 밝혔다. 멘 교수는 "이는 PFAS 구조를 해체하고 탈 불소를 달성할 수 있는 첫 번째 발견된 박테리아“라고 말했다. 다만 이 박테리아에게는 한 가지 한계도 있다고 한다. PFAS 중에서도 탄소-탄소 이중 결합을 포함한 불포화 PFAS 화합물에만 효과를 나타냈다는 것이다. 멘 교수팀은 이번 탄소-불소 분리 박테리아 발견에 앞서 지난해에는 PFAS 화합물의 탄소-염소 결합을 끊는 미생물도 찾아냈다. 연구팀은 또 이번 박테리아 조사 과정에서 탄소-불소 결합을 절단하는 특정 효소도 규명해 냈다. 연구팀의 가장 큰 성과가 여기에 있다는 지적도 나온다. 효소는 생화학 반응의 촉매 역할을 하는 단백질로, 발견된 효소는 PFAS 분해의 게임 체인저가 될 수도 있다는 기대다. PFAS 분해 효소를 생산할 수 있는 길을 열 수 있기 때문이다. 오염된 지하수를 정화하는 데 박테리아를 사용하는 것은 충분히 비용 효율적이다. 박테리아는 영양분 주입을 통해 개체수를 늘리는 것도 가능하다. 미생물의 힘을 빌리기 때문에 ‘자연자원 솔루션’이기도 하다. 최근 미 환경보호국(EPA)이 마련한 새로운 PFAS 강화 규정으로 인해 박테리아를 이용한 분해 솔루션의 필요성은 더욱 높아졌다. EPA의 새 규정은 수돗물에 존재하는 특정 PFAS 화합물을 1조 분의 4까지로 제한한다. 새로운 규정에 부응하기 위해 물 공급업체는 PFAS 분해 솔루션을 찾는데 온 힘을 기울이고 있다. 그러나 저비용 고효율 솔루션을 찾기가 어려운 상황이었다. 이런 고민을 이번 연구 결과가 해결해 줄 수 있을 것으로 보인다. 박테리아 및 미생물학적 솔루션에 의한 PFAS 분해 성공은 다른 잔류성 화학물질에 대한 해법 연구로도 확대될 것으로 예상된다. 악명 높은 두 가지 환경 오염 물질인 폴리염화비페닐(PCB)과 다이옥신 등의 분해에 활용할 수 있다는 것이다. 다양한 산업 분야에 사용된 PCB는 자연 분해가 어렵고 토지 및 해수에 오래 잔류하면서 인간 건강과 생태계 모두에 심각한 위험을 초래한다. 산업 공정의 부산물인 다이옥신은 독성이 매우 높으며 암 및 생식 등 질병을 일으킨다. 전 세계 연구팀이 PCB와 다이옥신에 대해 효과적일 수 있는 다른 미생물 균주를 조사하고 있다. 전문가들은 미생물을 이용한 화학물질 분해 솔루션이 혁신적이고 지속 가능한 해법이 될 것이라고 낙관하고 있다. 미생물학과 환경 과학의 융합이 자연을 복원하고 유지하는 중추적인 역할을 담당할 것이며, 희망적인 미래를 예고하고 있다는 지적이다.
- IT/바이오
2024-07-22 09:37:00