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지구 생명체는 중력에 맞도록 오랜 진화를 거쳐 현재의 생물학적 생활사를 구축했다. 하지만 지구에서 자라는 식물을 우주에서 완벽하게 재배하려면 우주라는 열악한 환경을 극복해야 한다.

나사(NASA)는 지난 29일 우주 환경에서 연구할 여러 과학실험 재료를 실은 스페이스 엑스(Space X)의 ‘펠콘9(Falcon9)’이 국제 우주정거장을 향해 발사됐다고 밝혔다. 상업용 보급 임무를 가진 23번째 발사체다.

8월 29일(현지시간 오전 3시 14분) 플로리다 NASA 케네디 우주센터의 발사 단지에서 무인 우주선을 탑재한 SpaceX Falcon9이 하늘로 치솟았다. 로켓은 새로운 과학 조사, 보급품 등 NASA와 SpaceX의 23번째 상업용 재보급 서비스 임무를 위해 국제우주정거장으로 출발했다. ⓒNASA 유튜브 캡처

미국 위스콘신 메디슨대 패트릭 마손 유전학 교수는 “우주에서 실행할 이 실험은 미세중력 환경에서 반응하는 식물의 다양한 유전형을 관찰하는 것”이라고 밝혔다.

우주 스트레스, 폴리아민 기능 밝히는 실험

우주는 지구권과 달리 방사선, 빛 부족, 미세중력 등 식물에는 혹독한 환경조건이다. 특히, 미세중력 환경에서 자란 식물은 스트레스를 받아 성장 불균형을 겪는다. 식물 내 스트레스 반응에 관여하는 물질로 ‘폴리아민(Polyamine)’이 있다.

폴리아민은 2개 이상의 아미노기를 포함한 지방족 질소 염기다. 현재까지 연구된 바로는 꽃 발달, 배아 발생, 기관 형성, 노화, 과일 성숙 등의 스트레스 반응에 관여하는 물질로 알려진다.

푸트레신으로부터 스페르미딘과 스페르민의 생합성 과정으로 세 개 물질이 폴리아민이다. 두 개의 아미노기를 포함한 퓨트레신은 아르기닌(Arg)에서 아그마틴을 거쳐 생성된다. ⓒ위키피디아

연구진은 폴리아민 종류 중 잎에서 가장 풍부한 ‘푸트레신(putrescine)’에 초점을 맞췄다. 푸트레신은 폴리아민 생합성 경로의 중심 산물로 세포분열에 필요한 생장 인자다. 스트레스를 받으면 푸트레신이 세포 내 축적된다. 동물은 오르니틴 회로를 통해 푸트레신을 만들고, 식물은 아그마틴(agmatine)을 거쳐 만든다. 아그마틴이 가수분해되면 푸트레신이 생성된다.

APEX-8 실험에 사용되는 식물은 애기장대(학명 Arabidopsis thaliana)다. 애기장대가 미세중력 환경에 놓이면 폴리아민 합성 경로에 이상을 일으켜 스트레스를 받는다는 가설 입증에 목표를 둔다. 폴리아민 합성과 분해 경로를 인위적으로 제어한다면 미세중력 스트레스를 완화할 수 있다는 이야기다.

9일간 반응 관찰…지속 가능한 작물 재배 생리 밝힐 전망

이번 국제 우주정거장에서 수행하는 첨단 식물 실험(APEX, Advenced plant experiment)은 애기장대 야생형의 1개 대조군과 돌연변이체 5개 실험군으로 구성된다. 군당 6개 배양 접시에 각각 애기장대 종자 50개를 담을 예정이다. 실험군은 푸트레신 합성과 분해 회로에 작용하는 유전자 등을 조작한 돌연변이체다.

국제 우주정거장과 유사한 온도, 습도 및 이산화탄소 조건에서 9일동안 성장한 애기장대. 지난해 NASA 케네디 우주 센터에서 수행된 과학 검증 테스트 중에 촬영됐다. B3(Col)은 대조군이고 나머지는 실험군이다. 더 느리게 성장하는 cuao3-100cdr7(푸트레신 분해에 영향받는 인자) 돌연변이체를 제외하고 모든 유전자형은 비슷하게 성장했다. ⓒNASA ∣ Dr. Shih-Heng Su

지구에서 출발 전 발아 억제를 위해 원적외선에 노출된 배양접시는 알루미늄 포일로 싸서 우주정거장으로 보내진다. ‘베지(VEGGI)’라는 채소 생산시스템에 최대 9일간 성장 과정을 지켜보고 사진으로 기록된다. 그리고 RNA 보존제인 ‘RNAlater’에 12~24시간 고정된 후 냉장 보관 상태로 지구로 반송된다. 지구에 도착하면 RNA를 추출하고 RNA 염기서열을 분석한다.

이것이 끝은 아니다. 지구에 도착하면 우주정거장을 모방한 환경조건에서 대조 실험하고 각각의 결과를 비교한다. 마손 교수는 “우주정거장 표본을 지상 실험 결과와 비교해 식물 내 푸트레신 대사 관련 유전자 변화가 미세중력 환경에서 식물이 어떤 영향을 받는지 알 수 있을 것”이라고 말했다.

지난해 11월 플로리다 NASA 케네디 우주센터에서 진행된 애기장대 성장 테스트. 이 테스트는 23번째 상업용 재보급 서비스 임무 실험에 앞서 우주 연구를 점검하는 과정이다. APEX-08 연구에는 환경 스트레스에 대한 식물의 반응을 조절하는 유기 화합물 그룹에서 반응을 이끌어내는 유전자 변형이 포함된다. ⓒNASA ∣ Lucy Orozco

이번 실험은 우주에서 식물이 미세중력 스트레스를 견디는 능력을 찾으려는 연구다. 오늘날까지 많은 시도를 통해 우주에서 식물 재배 가능성을 확인했다. 최근 우주로 진출 가능성이 높아지면서 우주에서 장기적인 식물 재배와 관련한 생리 연구에 집중하는 추세다.

루시 오로즈코 나사 프로젝트 담당자는 “NASA의 지속 가능한 식물 성장 연구를 통해 달, 화성, 그 너머까지 인간의 우주 탐사를 지원할 수 있을 것이다”라고 말했다.

한편, 애기장대 식물실험 외에도 여러 실험이 수행된다. △미세중력과 우주 방사선이 뼈 성장에 미치는 영향, △망막 진단 장치를 이용한 눈 측정, △일본 우주로봇 벤처기업인 지타이(GITAI)가 설계한 로봇팔 시험, △우주복, 우주선 피복 등 혹독한 우주 환경을 견디는 특수 재료 등의 테스트가 진행된다.

또, 680명의 플로리다 시트러스 걸스카우트가 제출한 과학실험 목록 중 선정된 우수작을 우주정거장 ‘페러데이 연구장치’에서 실험할 예정이다. 선정된 실험은 우주 환경에서 토마토‧고추‧레몬그라스 성장 과정, 개미의 터널링 행동, 신선한 단백질 공급원으로서 ‘브라인 새우’의 배양 가능 여부 등으로 구성됐다.

이번 펠콘9은 28일 발사할 계획이었으나, 기상 악화 탓에 하루 늦춰 출발했다.

[23번째 보급품 실은 펠콘9과 나사의 미션 영상]