식물세포로 탁자를 만들 수 있다?

MIT 기발한 실험…식물세포, 목질화 조정 가능성 확인

나무가 벌목되면 선별, 제재, 건조, 가공 등의 과정을 거친다. 가장 빠르게 자란다는 포플러 나무도 수익성 있는 목재로 탄생하는데 20년 정도 걸린다. 최근 식물에서 떼어낸 조직을 배양해 나무 구조물로 성장시키는 기발한 개념의 연구를 매사추세츠 공과대학(MIT) 과학자들이 시도 중이다.

최근 식물에서 떼어낸 조직을 배양해 나무 구조물로 성장시키는 기발한 개념의 실험을 MIT 과학자들이 하고 있다. 사진은 연구 내용과 무관함. ⓒ게티이미지뱅크

MIT 연구진은 백일홍 잎에서 떼어낸 조직을 실험관 내에서 세포 배양해 나무와 같은 목질화 세포를 발현하는 데 성공했다. 이 논문은 국제 학술지 클리너 프로덕션(Journal of Cleaner Production)에 게재됐다.

호르몬, pH, 세포 밀도 조정…목질화 반응 실험

식물의 엽육(Mesophyll)은 잎의 상표피와 하표피 사이를 구성하고 광합성을 위해 특수화된 유세포로 이뤄져 있다. 엽육세포는 식물생장호르몬인 옥신과 사이토키닌을 포함한 배지에서 배양될 때 기관으로 분화한다.

연구진은 1980년에 발표된 백일홍 잎에서 떼어낸 엽육세포의 분화능력을 증명한 실험 방법을 이용했다. 백일홍은 세포 분리 후 3일 이내 분화되는 효율성이 있고, 65%의 엽육이 가도관요소로 분화되는 특징이 있다. 가도관은 수분, 양분이 이동하는 통도 기능 조직으로 시간이 지나면 목재층으로 축적된다.

백일홍(Zinnia elegans). 다른 식물은 캘러스 배양 단계를 거쳐야 하는 불편함이 있지만 백일홍은 이 과정 없이 쉽게 세포를 획득할 수 있다고 연구진들은 말했다. ⓒ픽사베이

식물 세포의 리그화. 즉, 2차 세포벽이 강화된 목질화된 세포배양을 위해선 외부 환경 물질이 얼마나 필요한지 알아야 했다. 연구진은 옥신과 사이토키닌 등의 식물생장조절물질과 pH 농도 수준을 달리해 백일홍 잎 조직의 변화를 관찰했다.

결과는 배지가 낮은 호르몬, 약산성, 높은 세포 밀도일 때 세포는 부피생장과 신장이 두드러지고 목질화가 이뤄지는 것을 확인했다. 세포는 10일 후 70% 이상의 높은 수준의 생존율을 보이고, 12일째 가장 낮은 생존율을 보였다. 그 이유는 가도관요소가 목질화되는 분화의 마지막 단계는 세포 사멸이 프로그램되어 있기 때문이다.

나무껍질, 뿌리, 잎 등 비사용 부위를 제외하고, 목질화된 세포 부위만 성장시켜 형태를 만들어 생산한다는 개념에서 일부는 증명한 셈이다. 형광현미경을 사용해 세포 구성과 구조를 확인한 논문 주저자이면서 MIT 기계공학 박사과정에 있는 애쉴리 백위드 연구원은 “이 연구를 통해 어떤 세포가 목질화되고 있는지, 시각적으로 평가할 수 있고 세포 생장과 신장을 측정할 수 있었다”고 말했다.

목질화 세포 배양 과정. MIT 연구진은 식물 잎에서 추출한 조직으로 나무와 같은 목질화된 세포로 배양하는 실험을 가졌다. ⓒDaniel Ackerman / MIT

3D 바이오프린팅 기술 비슷…산업화 시 지구환경 개선

이 연구는 최근 발전하는 3D 바이오프린팅 기술과 비슷하거나 확장된 개념이다. 세포 신장과 확대, 세포사멸 등 정확하게 측정된 세포가 배지에서 성장하면서 거푸집 역할을 하는 겔에 의해 물리적 형태로 만들어져 자란다.

공동 논문 저자인 MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 벨라스퀴즈 가르시아 연구원은 “이 개념은 재료의 속성 조정도 있지만, 모양과 형태를 조정하는 것”이라며 “언젠가 접착제나 못이 필요 없는 탁자를 키울 수 있는 날을 상상하게 된다”고 말했다.

하지만 아직 갈 길은 멀다. 식물 조직이 동물 세포 배양의 재료로 사용된 적은 있지만, 식물 제품을 위한 바이오 프린팅은 거의 없었다. 또한 백일홍 이외에 다른 식물종의 분화형성능, 세포 반응, 물리적 환경 등 세포를 확실하게 제어할 수 있는 기술을 입증해야 하는 과제가 남아있다.

식물과학을 연구하는 뉴욕 보이스톰슨연구소(Boyce Thompson Institute)의 데이비드 스턴 소장은 “이 기술의 경쟁력 여부가 중요하고 산업화하려면 정부와 민간 차원의 많은 투자가 필요하다”고 말했다.

그럼에도 연구진은 이 연구가 성공하면 현재 식물을 기반으로 한 건축자재 등 산업용, 가정용 목재를 생산하는 과정에 드는 시간과 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

바이오매스 수요가 증가하면서 나무를 심을 토지 확보나 나무 생산에 영향을 주는 계절과 기후를 걱정할 필요도 없다. 매년 130만 ㎢ 면적의 숲이 소실되는 위험을 막아, 지구 생물다양성과 탄소 격리 능력을 높일 수 있다. 또한, 원하는 목재 생산에 중간 과정을 생략할 수 있어 식물 폐기물, 수확 주기를 크게 줄일 수 있다.

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