일본산업뉴스요약

차세대 선도자
식물의 자극 전달 구조 밝혀
변화를 가시화해 증거 확보

▶사이타마대학 조교수 도요타 마사쓰쿠(豊田正嗣)(39);
1979년 가가와(香川) 현 출생. 2008년 나고야대학원 박사학위 수료. 나라(奈良)첨단과학기술대학원대학 특별연구원 등을 거쳐 2016년 10월부터 현직에 재직. 2017년에 문부과학장관 표창 젊은 과학자상 수상

줄곧 움직이지 않는 식물은 자극을 어떻게 전신으로 전달할까? 사이타마(埼玉)대학의 도요타 조교수는 형광빛으로 자극을 가시화해 그 구조를 조사. 상처가 나도 아무런 변화가 없는 듯이 보이는 식물이지만, 자극을 신속하게 전달하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 이번 발견이 식물의 보이지 않는 일면을 세상에 알려 식물 연구에도 서광이 비추길 기대한다.

현미경 렌즈 아래 놓인 모델 식물 애기장대는 외견 상 매우 평범해 보인다. “이 잎을 핀셋으로 강하게 눌러보세요”. 도요타 교수의 말대로 잎을 세게 누르자 모니터에는 잎의 한 면에 황색 형광빛이 나타났다. 이 형광빛은 옆에 있는 잎으로 그물 모양의 잎맥을 따라 확대되었다.

“이것이 식물이 자극을 전달하고 있다는 증거입니다”라고 도요타 조교는 기쁜 표정으로 말했다. 이 형광빛의 정체는 칼슘이온에 반응하는 단백질이다. 실험에 사용한 애기장대에는 칼슘이온이 닿으면 형광빛을 내는 단백질이 들어있다. 칼슘이온은 인체에서도 신경이 자극을 전달하는데 이용된다. 도요타 조교는 칼슘이온을 이용해 식물의 자극을 전달하는 모습을 가시화해 관찰할 수 있도록 했다.

식물은 해충 등이 잎을 갉아먹으면 다른 잎에서 벌레가 싫어하는 물질을 분비한다는 사실은 알려져 있다. 하지만 떨어져있는 다른 잎에서 1분도 지나지 않아 물질이 분비되는 구조는 밝혀지지 않았다. 도요타 조교는 벌레가 먹은 잎의 세포에서 글루탐산이 분비되고 그로 인해 칼슘이온 농도가 변화해 잎맥을 따라 자극이 전해지는 구조를 발견했다

올해 발표한 논문은 미국 과학잡지 사이언스에 게재되었다. 프랑스 등 해외 언론으로부터도 큰 반향이 있었다고 한다. 도요타 조교는 “구미에서는 베지테리언이 많아 식물에 대한 관심이 높다고 생각한다”라고 말한다.

식물의 기초연구에서 큰 성과를 낸 도요타 조교이지만, 사실 어릴 적 그는 생명체에 전혀 관심이 없었다. “천체와 별에 관심이 많아 우주 연구자가 되고 싶었다”. 대학도 이과부에서 물리학을 전공했다.

도요타 조교가 식물 연구를 하게 된 계기는 대학교 3학년 때다. 우연히 아버지가 보내준 물건에 뇌와 유전자를 다룬 방송 프로그램 비디오가 있었다. 별 생각 없이 보는 사이에 점점 흥미를 느끼게 되었다고 한다. 생물은 수학처럼 논리로 설명하기 어려운 점 때문에 좋아하지 않았지만, “뇌에는 밝혀지지 않은 점이 많아 만약 뇌를 이론적으로 재현할 수 있다면 굉장한 일이 아닐까?”라고 느꼈다고 한다.

이 때부터 그의 행동은 빨랐다. 4학년 때 생물물리학 연구실에 들어가 신경 연구를 시작했다. 신경의 활동을 조사하기 위해서는 측정장치가 필요하다. 손으로 만드는 것에 자신 있던 도요타 조교는 실험에 필요한 도구를 하나씩 만들기 시작했다. 학부에서 배운 물리 지식도 큰 도움이 되었다고 한다.

박사 과정부터는 뇌의 연구를 하기 위해 의학계 연구실로 옮겨 신경을 연구할 계획이었다. 하지만 도요타 조교에게 주어진 것은 식물의 연구였다.

사람의 뇌 신경 등에는 물질의 흐름을 조절하는 ‘이온채널(Ion Channel)’이라는 단백질이 자극 전달에 관련되어 있다. 식물에서도 새로운 이온채널이 발견되어 그 기능 분석을 담당하게 된 도요타 조교. “뇌는 신경 활동의 조합이지만, 식물은 그 신경에 해당하는 것도 발견하지 못했다. 뇌보다도 더 미지의 연구 대상인 식물에 흥미를 갖게 되었다”.

도요타 조교는 중력이라는 자극에 대해 식물은 어떤 반응을 하는지를 조사하기 위해 칼슘이온의 변화로 빛을 발생시켜 그것을 관찰할 수 있는 장치를 처음부터 스스로 만들었다. 매우 미약한 빛을 감지할 수 있는 장치를 개발하는데 3년이 걸렸다.

지금까지 그는 중력과 충해 등 다양한 자극에 대한 식물의 반응을 연구했다. 담배와 벼 등의 식물들에서도 칼슘이온이 관련되어 있다는 것을 밝혀냈다. 현재는 미모사와 파리지옥 등 잎이 자극을 받으면 특이한 움직임을 보이는 식물에서 칼슘이온이 어떻게 기능하는지를 연구하고 있다.

식물이 자극을 받게 되면 빛이 발생해 확산되는 실험은 어린이들에게도 인기가 높다. 도요타 조교는 연구 내용을 자신의 자녀에게 이야기했을 때의 반응을 중요하게 생각한다. 그는 “소박한 식물에게도 큰 움직임이 존대한다는 것에 어린이들도 흥미를 갖게 될 것이다. 식물 연구의 즐거움을 모두에게 알리고 싶다”라며 웃었다.

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