» 애기장대. 출처/ Wikimedia Commons

사람들을 처음 만나는 자리에서 내 직업을 식물학 연구자로 소개할 때마다 나는 그 순간이 참 뿌듯하면서도, 한편으로는 두렵기도 하다. 다음에 이어질, 몇 년을 고민했지만 여전히 대답하기 난감한 질문이 너무나도 뻔히 예상되기 때문이다. “무슨 식물을 연구하세요?”

난 사실, 분명히 우리 주변에서 자라고 있지만 대부분이 눈여겨 보지 않았을, 소위 말하는 ‘잡초’ 를 키우고 있다. 하필 잡초를 연구 대상으로 삼은 이유에 대한 질문을 받으면 나는 더욱 난감해진다. 내가 유별난 연구 주제를 선택했기 때문은 아니다. 내가 속한 학과의 모든 식물학 실험실에서 같은 식물을 이용한 연구를 수행하고 있으니까 말이다. 작물에서의 생명 현상을 연구하는 농학자나 원예학자 등을 제외하고, 현재 기초과학계에서 활발한 연구 성과를 발표하는 식물 생명과학자들의 대다수는 실제로 잡초의 생명 현상을 연구하고 있다.

물론 식물생명과학을 연구하는 과학자들은 대부분 식물 그 자체를 매우 좋아하며, 식물의 생명 현상에 큰 관심을 갖고 연구를 시작한 사람들이다. 야외실습 시간에는 교수님과 함께 캠퍼스를 산책하며 주변에서 자라는 식물들의 이름과 그 특징에 대해 배웠다. 나의 지도교수님은 온갖 식물이 자라고 있는 화분으로 연구실을 채우시고 매일 돌보신다. 실험실 동료들과 학회 참석차 방문한 식물원에서는 다들 눈을 떼지 못하고 식물들을 관찰했고 돌아와서도 관찰한 식물에 대해 한참을 토론했다. 이렇듯 우리는 다양한 식물들에 관심을 갖고 또 함께 살고 있지만, 아쉽게도 우리 같이 분자 수준에서 식물학을 연구하는 사람들이 평소에 자신이 연구하는 하나의 ‘모델생물’ 이외의 식물을 연구할 기회는 매우 드물다.

» 식물의 생명 현상을 연구하는 기초과학 분야의 생명과학자 대다수는 생장이 빠르고 구조가 비교적 단순한 쌍떡잎식물 ‘애기장대’를 모델식물로 삼아 식물을 연구하고 있다. 사진은 국내 한 대학의 식물 생장실에서 재배 중인 애기장대의 모습. 한겨레 자료사진

자연탐구의 길잡이, ‘모델생물’

‘모델생물’ 이란 긴 시간에 걸쳐 다수의 연구자들에 의해 널리 연구된 생물종들을 총칭하는 용어다. 우리가 생명과학에 대해 생각할 때 흔히 연상하는 쥐, 초파리, 효모, 대장균 등이 모델생물의 예이다. 유전 법칙을 발견한 멘델이 모델 생물로 선택한 완두콩이 아마 식물학계의 모델 생물 중에서는 가장 대중적으로 알려진 사례일 것이다. 유전자의 자리바꿈 및 재배열 현상을 발견하여 노벨상을 수상한 바바라 매클린톡의 모델 생물은 옥수수였다.

» 싹을 틔운 실험실의 애기장대들. 한겨레 자료사진 일반적으로 연구자들은 자신이 풀고자하는 문제에 가장 수월하게 접근할 수 있는 생명체를 모델 생물로 선정하곤 한다. 지구상에는 헤아릴 수 없을 정도로 다양한 종류의 생물이 서식하고 있지만, 이 모든 생물에게 적합한 실험 방법이 모두 고안되어 있는 것은 아니기 때문이다. 따라서 모델 생물들은 일반적으로 다른 생물들에 비해 그 구조가 간단하고, 사육 및 재배가 용이하며, 다양한 실험이 가능하다는 특징을 공통적으로 갖는다. 어떠한 생명 현상을 세포 수준 및 분자 수준에서 정교하게 관찰하는 연구를 수행할 때 우리는 이러한 모델 생물에게 더욱 의존하게 된다.

물론 필요한 경우에는 연구하고자 하는 생물에게 최적화된 실험 기법을 오랜 시간에 걸쳐 개발하기도 한다. 세포의 크기 조절 기작을 연구하는 미국 샌프란시스코 캘리포니아대학(UCSF)의 월레스 마샬 교수는 자신의 실험실 철학을 “하나의 모델 생물에 집착하지 않고, 자신이 풀어야할 문제를 가장 간단하게 풀 수 있는 모델 생물을 자유롭게 찾아내어 사용하는 것” 이라 밝힌 바 있다.[1] 그러나 보통은 이미 개발된 실험 방법들을 다른 실험실에서 재현하는 것만으로도 상당한 시간과 노력이 들기 때문에, 대부분 연구자들은 선행 연구가 활발하게 수행되어 다양한 실험 기법들이 고안된 모델 생물을 주로 사용하곤 한다.
 
역사에 가정은 없다지만, 만약 과학사에 이름을 남긴 연구자들이 자신의 모델이 아닌 다른 모델 생물을 선정하여 같은 연구를 수행했다면 위대한 과학적 발견의 순간이 늦춰졌을지도 모르는 일이다. 실제로 멘델은 완두콩에서 유전의 법칙을 발견한 뒤 조밥나물(Hieracium)을 이용한 교배 실험을 수행했으나 성과를 얻지 못했는데, 나중에야 밝혀진 이유는 조밥나물은 무수정식물이라 모계의 유전체를 그대로 물려받기 때문이었다. 만약 멘델이 완두콩보다 조밥나물을 먼저 연구했더라면 유전의 법칙을 발견하기는 매우 어려웠을 것이다.
 

새로운 모델식물 애기장대의 부각

그렇다면 현재 식물생명과학을 대표하는 모델 생물은 무엇일까? 전통적으로 식물생명과학에서는 식량 생산량의 증대 및 식물 병충해의 예방 등 농학에서 중요한 문제들을 해결하기 위하여 벼와 옥수수, 밀 등의 주요 식량 작물을 비롯하여, 담배나 토마토 등의 특용 작물에서의 다양한 연구가 수행되었다. 여러 작물을 모델로 한 기초 연구를 통하여 과학자들은 동물과는 근본적인 차이가 있는, 식물 특유의 다양한 생명 현상들의 원리에 대해 이해할 수 있었다.

하지만 이러한 연구 경향은 1990년대에 들어서 바뀌기 시작한다. 아래 그림은 생명과학 분야의 대표적인 논문 검색 사이트인 퍼브메드 (Pubmed)에서 각 식물의 이름을 제목에 포함한 연구 논문의 편수를 년도별로 나타낸 그래프이다. 이 그래프를 자세히 보면 1990년대 초중반부터 ‘애기장대’ 라는, 대부분의 사람들은 그 이름을 들어보지도 못한 어떤 식물에 관련된 연구 논문의 편수가 폭발적으로 증가한다는 사실을 알 수 있다. 앞에서 언급한, 우리가 연구하는 잡초의 이름이 바로 애기장대이다.

» 생명과학 분야의 논문검색 사이트인 퍼브메드(Pubmed, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed)에서 각 식물의 영문명으로 검색한 결과의 년도별 추이 그래프. 1990년대 후반을 기점으로 식물학 분야에서 출판된 논문의 편수 역시 급격하게 증가했다는 사실을 감안하더라도, 애기장대 연구 논문의 급격한 증가 추세는 매우 이례적이다. 자료/ Pubmed

애기장대(Arabidopsis thaliana)는 배추, 무와 함께 십자화과에 속하는 쌍떡잎식물로, 성체의 폭이 5센티미터, 키가 60센티미터 정도 밖에 되지 않아 눈에 잘 띄지 않지만 엄연히 한국에서도 자생하고 있는 식물이다. 생장 주기가 4~6주 정도로 매우 짧아 다른 식물에 비해 빠른 속도로 연구를 수행할 수 있으며, 자화수분이 가능하기 때문에 곤충이나 바람 같은 수분매개자가 없는 온실에서도 키울 수 있다.

독일의 식물학자인 라이바흐는 애기장대의 이러한 특성들이 다양한 돌연변이를 제작하여 그 특징이 세대별로 유전되는 양상을 분석하는 유전학 연구에 적합하다는 것을 최초로 주장하였다.[2] 인간 유전체 해독 프로젝트가 시작되면서 식물종의 유전체 해독 프로젝트와 그 후보에 대한 논의가 이루어졌고, 그 결과 염색체가 다섯 쌍밖에 되지 않아 유전체 분석이 용이했던 애기장대가 최종 선정되었다. 2000년 12월, 21세기의 시작과 함께 애기장대의 유전체 해독이 끝났고, 본격적인 애기장대 식물학의 시대가 열렸다. 이제까지 밝혀진 애기장대에 대한 모든 연구 정보는 웹에서 공유되며, 원하는 유전자가 결손된 돌연변이 애기장대를 몇 번의 클릭만으로 주문할 수 있다.

[상자글]

애기장대 외 현대 식물학에서 사용되는 다른 대표적 모델생물을 간단히 소개하면 다음과 같다.

• 포플러: 나무 연구의 모델생물. 보통 나무들이 생장 시기가 느리고 형질전환이 어렵지만 포플러는 매우 빨리 자라고 또 실험이 간편하여 널리 사용된다.
  
• 메디카고 (Medicago truncatula): 콩과식물. 질소 고정 연구에 주로 사용된다.
  
• 클라미도모나스 (Chlamydomonas reinhardtii): 활동성이 있는 단세포 조류. 광합성 및 세포 주기 연구에 주로 사용된다. “초록 효모” 라고도 불린다.
  
• 피스코미트렐라 파텐스 (Physcomitrella patens): 이끼류의 대표적 모델.
  

그밖에 Ostreococcus tauri, Marchantia polymorpha 등의 생물들이 연구되고 있지만, 현재 소수의 실험실만이 이들 생물들을 다루고 있기 때문에 이들을 모델생물이라고 부르지는 않는다.

 
과연 모든 식물의 모델이 될 수 있을까?

하지만 이러한 애기장대 위주의 식물학 연구 풍토가 식물의 다양한 생명 현상을 이해하는 데 방해가 될 수도 있다는 가능성이 제시되었다. 영국 리즈 대학의 브랜든 데이비스 연구팀에서 최근 발표한 논문에서는 넌센스 전사체 분해(Nonsense mediate mRNA decay)라는 생명 현상에 관여하는 주요 유전자인 에스엠지1(SMG1)이 이제까지 해독된 식물종들의 유전체에 보존되어 있음을 규명하였다.[3] 얼핏 보면 식물 유전체에서 유전자 하나를 찾아낸 평범한 연구 결과 같지만, 이 연구의 시작에는 흥미로운 전제가 깔려있다.

여기에서 ‘난센스 전사체’란, 단백질을 합성하는 암호정보인 유전자 전사체(mRNA)의 돌연변이 중 하나로, 이런 전사체를 토대로 단백질이 합성되면 단백질이 원래 크기보다 짧아지는 불완전 형태로 생성돼 세포에 해를 끼치게 된다. 그러니 ‘난센스 전사체 분해’는 이런 전사체를 세포가 미리 인식해 분해함으로써 불완전한 단백질이 생성되는 것을 방지하는 작용을 말한다. 이 과정은 암을 비롯해 다양한 유전병과 식물의 면역 시스템 같은 생리 현상에 관여해 현재 관련 연구들이 활발히 진행되고 있다.

그런데 동물을 대상으로 한 연구에서는 SMG1 유전자가 이런 현상에 관여한다는 사실이 밝혀졌으나, 식물의 대표 모델인 애기장대의 유전체에선 이 유전자를 발견할 수 없었다. 이런 결과를 바탕으로, 그동안 많은 연구자들은 동물과 식물의 전사체 분해 조절 방법이 서로 다를 것이라 예측하며, 식물에서는 SMG1을 대신하는 새로운 유전자가 있을 것이라 가정하고 있었다.

그러나 이번 연구를 통해 SMG1 유전자가 다양한 식물 유전체에 보존되어 있음이 규명되었다. 심지어 애기장대의 가장 가까운 친척종(Arabidopsis lyrata)에서도 SMG1 유전자를 발견할 수 있었다. 결론적으로, SMG1 유전자는 동식물을 막론하고 대부분의 생명체에 존재하지만 애기장대에서는 빠져 있었던 것이다. 이런 연구 결과는 현재의 애기장대 중심의 식물 연구에 의문을 던진다. 이제까지 식물학자들은 애기장대의 선행 연구 결과를 바탕으로 SMG1이 애기장대를 비롯한 다른 식물에는 존재하지 않을 것이라는 성급한 결론을 알게 모르게 내리고 있었던 것은 아닐까. 애기장대에만 집중하는 우리는 식물의 다양한 생명현상 중 한쪽 면만을 보고 있는 것은 아닌가?

애기장대를 위한 변론

» 애기장대를 정밀하게 묘사한 18세기 그림. 출처/ Wikimedia Commons 식물의 다양성을 고려하지 않는다는 측면과 더불어, 애기장대 중심의 식물 연구는 현재 실용성의 문제로도 비판의 직격탄을 맞고 있다. 연구자들은 애초에 사람들이 먹지도 않고, 크기가 너무 작아서 바이오매스 생산에도 부적합한 잡초에 수억의 연구비를 사용해야하는 이유에 대해 해명하라는 요구를 종종 받는다. 이러한 비판은 애기장대 연구가 막 시작되던 시기에도 마찬가지였다. 1950년대부터 애기장대 연구를 선도한 과학자 라이델은 1969년 당시 미 국립과학원의 연구비 담당자가 “애기장대 연구를 계속 한다면 연구비 지원을 끊을 수밖에 없다” 고 충고한 사실을 밝힌 바 있다.[4] 그러나 애기장대의 연구는 실용성을 추구하는 농학과는 달리, 식물의 다양한 생명 현상을 이해하고자 하는 자연과학의 문제의식에 뿌리를 두고 있다는 사실을 염두에 두어야 한다.

사람들마다 외양의 차이는 있지만 해부학적인 구조는 서로 유사한 것과 같이, 세포 수준에서의 주요 생명 현상은 기본적으로 생명체들 간에 유사한 형태를 띠고 있다.심지어 동물과 식물 사이에도 수많은 공통점이 있어서, 식물 연구자들은 동물에서의 연구 결과를 수집하여 식물 연구의 아이디어로 삼기도 한다. 이는 이제까지 애기장대 연구자들이 축적해놓은 방대한 양의 연구 자료가 기초과학의 발전에 큰 기여를 했으며, 앞으로 다양한 식물종 및 작물 연구에 응용할 수 있는 중요한 자산이라는 점을 시사한다.

실제로 모델생물 연구 성과를 새로운 생물종의 연구에 어떻게 활용할 것인지에 대한 다양한 아이디어들이 제시되고 있다. 그 중 하나의 가능성으로 주목받는 방법은 생물정보학에 기반한 비교유전체학이다. 최근 유전체 해독 기술의 급격한 발전으로 인하여 다양한 생물종에서 추출한 유전체의 염기 서열을 저렴한 가격으로 빠르게 해독할 수 있게 되었다. 이렇게 얻은 염기 서열을 이제까지 해독된 모델 생물 유전체의 염기 서열과 비교하거나, 기계 학습 기반의 알고리즘을 이용하여 기존의 연구 결과를 바탕으로 아직 연구가 진행되지 않은 생물의 유전자들과 그 특징에 대해 이해하고자 하는 연구가 진행 중이다.

 

단순모델의 효용, 복잡한 문제 푸는 열쇠

생명과학의 문제들 뿐만 아니라 세상의 모든 문제들은 대부분 간단하지 않다. 다양한 요소들이 복잡하게 결합하여 그 실체를 한 눈에 파악하기 어려운 경우가 대부분이다. 복잡한 문제를 해결하는 첫 번째 방법은 일단 그 문제를 먼저 현재의 지식으로 풀 수 있을 수준으로 간단하게 만드는 것이다. 이렇게 만든 모델 문제의 풀이방법을 바탕으로, 원래 문제에 관여하는 요소들을 하나씩 더해가며 실제 상황에 걸맞는 답을 찾을 수 있다. 모델생물의 정립은 생명과학자들이 문제의 해결 방안을 가장 효율적으로 찾고자 노력한 결과물로, 식물학자들은 애기장대라는 간단하면서도 훌륭한 길잡이를 이용하여 단시간에 식물 생명과학의 비약적인 발전을 이룩할 수 있었다.

그리고 우리는 하나의 모델을 이용하여 그 문제의 해결책을 고민하는 것과 동시에, 처음에 세운 단순한 모델이 실제 상황을 완벽하게 반영하지 않는다는 사실을 항상 염두에 두어야 할 것이다. 멘델이 완두콩에서 발견한 법칙을 조밥나물에 적용하는 실험을 수행했기 때문에 우리는 식물의 다양한 생식 방법과 그 유전 방식의 차이에 대한 아이디어를 얻을 수 있었다. 지구 생명체의 다양성은 무궁무진하며, 그 속에는 아직 우리가 찾아내지도, 이해하지도 못한 흥미로운 생명 현상들이 숨겨져 있다. 이것이 바로 우리 연구자들이 모델 생물을 공부하면서도 자연에서 눈을 떼지 못하는 이유이기도 하다.◑

[주], 참고문헌 및 더 읽을거리

[1] http://marshalllab.ucsf.edu/research.html
[2] E. M. Meyerowitz (2001). “Prehistory and History of Arabidopsis Research”. Plant Physiology 125(1): 15–19. DOI: 10.1104/pp.125.1.15
[3] J. P. B. Lloyd and B. Davies (2013). “SMG1 is an ancient nonsense-mediated mRNA decay effector” Plant Journal, in press DOI: 10.1111/tpj.12329
[4] E. Pennisi (2000). 'Plant genomics. Arabidopsis comes of age.' Science 290(5489):32-35. DOI: 10.1126/science.290.5489.32

· 김우재, “모델생물의, 모델생물에 의한, 모델생물을 위한”, 한국과총 웹진 http://online.kofst.or.kr/Board/?acts=BoardView&bbid=1144&nums=31604

· 김상규, “삽과 호미로 시작하는 식물 연구”, 한겨레 사이언스온  http://scienceon.hani.co.kr/135053