지난 주에 이어 YTN 사이언스TV의 <과학, 미래를 열다>에 극한미생물 두번째 이야기, "극한의 위대한 발견II"가 방송되었습니다. 이번 주의 내용은 바이오에너지, 심해저탐사, 우주생물학, 쓰레기처리, 메탄균과 지구 온난화에 대한 이야기인데요. 지난 주 것과 함께 극한미생물의 응용에 대한 간단한 리뷰가 될 것도 같습니다. 극한미생물에 관심이 있으시다면 여기를 클릭하시면 보실 수 있습니다. 지난 번에 말씀드린대로 모바일에서는 아예 재생이 안되는 것 같고 크롬에서도 화면이 깨지니까 익스플로러로 보시거나 모바일에서는 YTN 사이언스 앱을 깔아야 합니다
이번 방송 내용 중에는 해양과학기술원 이정현/강성균 박사팀의 바이오수소이야기나 생명공학연구원 김병찬 박사팀의 이야기들이 포함되어 있는데 국내 연구자들의 훌륭한 연구들을 소개할 수 있어서 좋았습니다. 이 내용들은 지난 번 신라대학교 극한미생물연구소 개소기념 심포지엄에서 발표된 내용이기도 합니다. 물론 <과학, 미래를 열다> 프로그램이 주로 과학이 열어갈 미래에 대한 이야기를 하는 프로그램이라서 장미빛 미래만 너무 긍정적으로 이야기한 측면이 있는데 그건 좀 감안해 주시기 바랍니다.
과학, 미래를 열다 : 극한의 위대한 발견, 극한 미생물 2
1. 오프닝
안녕하세요 <과학 미래를 열다>이한승입니다. 지난 시간에 극한미생물에 대해 함께 알아봤는데요, 극한미생물은 극한의 온도와 염도, 압력 등을 필요로 하거나, 극한 상황에서 활발히 생육하는 미생물들 이라고 말씀을 드려습니다. 또한 극한미생물들은 다양한 공업에도 사용되고 있다고 말씀드렸는데요, 전분당 공업, 피혁 가공, 세탁용 세제 등 우리 삶의 다양한 부분에서 아주 중요하게 사용되고 있습니다. 오늘은 극한미생물 그 두 번째 시간인데요, 오늘은 극한미생물이 또 어떠한 분야에서 활약을 펼치고 있는지 알아보도록 하겠습니다.
그럼 또 새로운 극한미생물을 만나러 가볼까요?
2. 바이오에너지
현재 극한미생물이 가장 주목을 받는 분야는 바이오에너지 분야입니다. 바이오에너지는 크게 바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오수소로 나눌 수 있는데요. 알코올인 바이오에탄올을 만드는 과정은 우리가 술을 만드는 발효 과정과 크게 다르지 않기 때문에 이미 상업적인 생산에 들어갔습니다. 브라질과 미국, 두 나라의 바이오에탄올 생산량이 2010년 기준으로 전세계 바이오에탄올 생산량의 81%를 상회하고 있는 실정이죠.
하지만 현재 바이오에탄올 생산 원료가 식품인 옥수수나 설탕의 원료인 사탕수수이기 때문에 바이오에탄올의 생산은 전세계 식량 가격 상승 등 여러 가지 경제적 문제를 야기하기도 합니다. 때문에 식량 자원이 아닌 바이오매스 자원을 이용하여 바이오에탄올을 생산하려는 것이 가장 큰 이슈인데요. 식량자원이 아니면서 값이 싼 바이오매스로는 난분해성인 셀룰로스나 해조류의 다당류 등이 있습니다.
하지만 이러한 셀룰로스나 해조류의 다당류는 그 구조가 단단하고 분해 과정이 복잡하여 전처리 과정과 효소로 당화시키는데 비용과 시간이 많이 드는 것이 가장 큰 문제입니다. 게다가 일반 미생물에 의해서는 잘 분해도 되지 않기 때문에 고온에서 이들을 좀 더 손쉽게 분해하는 극한미생물을 탐색하고 있는 중이죠.
그런 의미에서 새로운 가능성이 발견됐는데요, 지난 2009년 미국 조지아 대학의 마이클 아담스 교수팀이 Anaerocellum thermophilum 라는 미생물을 발견했습니다. 현재 이름은 Caldicellulosiruptor bescii이죠. 이것은 아무런 전처리 없이 목질을 완전히 분해하는 특성을 보였습니다. 이런 바이오매스의 분해는 셀룰라제와 같은 하나의 효소에 의한 작용이 아니라 다른 여러 가지 효소의 복합적 작용이기 때문에, 그 분해에 관여하는 여러가지 새로운 유전자를 도입하면 값싸고 효율적인 바이오에탄올 생산이 앞으로 가능할 것으로 보입니다.
또한 바이오에탄올과 함께 또한 주목을 받는 바이오연료가 바로 바이오수소인데요. 수소는 에너지 효율이 석유의 2.5배인데다 연소시 대기 오염물질 방출량이 매우 적은 청정에너지로 각광을 받고 있습니다.
최근에는 미생물로 수소를 생산하는 바이오수소 생산 기술도 극한미생물을 이용하여 진행되고 있는데요, 가장 주목을 받는 연구는 바로 우리나라 해양과학기술원의 이정현 박사팀의 연구입니다. 이들은 2002년, 온누리호라는 탐사선을 타고 서태평양 파푸아뉴기니 인근의 수심 1,650m속 심해열수구에서 Thermococcus onnurineus NA1 이라는 초고온성 미생물을 발견하게 됩니다. 그리고 이 NA1 균주를 이용해 바이오수소를 생산할 수 있다는 것을 알게됐죠.
이 NA1 균주는 다른 미생물과 달리 수소화효소 유전자 집단을 8종이나 갖고 있어서 미생물 중에 가장 많은 수소화효소 유전자를 가지고 있을 뿐만 아니라 수소 생산 능력이 매우 뛰어나 전세계 학계에서도 큰 주목을 받았습니다. 지난 2010년 <네이처>에 논문이 발표되기도 했죠.
이미 NA1 미생물과 일산화탄소, 개미산, 전분 등을 이용한 바이오수소 연구는 상당히 진행이 된 상태인데요. 특히 제철소 등에서 나오는 상당량의 일산화탄소 부생가스를 이용하여 수소를 대량 생산하려는 연구가 진행 중에 있습니다.
또한 이 균주의 유전자 조절을 이용하는 유전체학이나 대사산물을 조절하는 대사체학 지식을 이용하여 유전 공학적 기법을 통해 바이오수소 생산성이 증가된 변이체를 만들기 위한 노력도 함께 진행되고 있죠.
이처럼 난분해성 바이오매스를 이용한 바이오에탄올이나 바이오수소의 상업적 생산을 위해서는 생산성과 경제성의 벽을 뛰어넘어야 하는 과제가 아직 남아 있는데요, 하지만 앞으로 기술이 꾸준히 개발된다면, 이러한 어려움을 딛고 바이오연료를 사용할 날이 올 것으로 기대되고 있습니다.
3. 심해저 탐사
앞서 국내 연구진이 발견한 바이오수소 생산균은 심해열수구에서 분리한 균이라고 말씀드렸는데요. 마그마가 분출되는 바닷 속의 화산 지대를 심해열수구라고 합니다. 이런 열수구에서는 아직도 용암이 분출되고 있는데요, 섭씨 1200도가 넘는 용암이 바닷물과 만나면 그 주변 온도가 100도를 넘게 되죠. 그리고 그 주변에는 다양한 미생물들이 존재하고 있습니다. 지금까지 발견된 90도 이상에서 자라는 초고온성 미생물들의 상당수는 바로 이런 심해열수구에서 발견된 미생물들입니다.
심해열수구는 온도만 높은 것이 아니라 빛도 전혀 들어오지 못하고 압력도 매우 높기 때문에 극한미생물 및 극한 생물체의 보고라고 하지 않을 수 없습니다. 그래서 전 세계 많은 나라에서 심해저 탐사에 큰 관심을 가지고 있고 앞으로 심해저 탐사 기술은 계속 발전할 것으로 생각합니다.
영화를 좋아하시는 분들은 제임스 카메론 감독을 잘 아실텐데요. 영화 <터미네이터>, <타이타닉>, <아바타>의 감독이죠, 그런데 이 제임스 카메론 감독이 지난 2012년 3월26일 인류 역사에 기념비적인 기록을 하나 남겼습니다. 혼자서 지구상의 가장 깊은 바다에 유인 잠수정을 타고 내려가 탐사에 성공한 이른바 “심해 도전(Deepsea Challege)” 프로젝트였죠.
지구상의 가장 깊은 바다는 북태평양 괌 인근 마리아나 해구의 챌린저 딥(Challenger Deep)이라고 불리는 곳입니다. 깊이는 에베레스트 산 높이보다 더한 해저 약 11,000m에 달하고, 압력은 무려 1100기압에 이르며, 태양 빛을 비롯한 어떤 빛도 비추지 않는 칠흑 같은 암흑의 환경입니다. 역사상 무인 잠수정도 딱 2번밖에 내려가지 못한 곳인데요, 유인잠수정은 1960년 트리에스테호를 탄 2명이 촬영 장비도 없이 20분 정도 머문 것이 유일합니다. 그만큼 사람의 손길이 닿지 않았던 미지의 세상이라고 할 수 있죠. 그런데 바로 이 미지의 세계를 영화감독 제임스 캐머런이 혼자서 탐사했다는 것입니다.
이 프로젝트는 지난 7년간 계속 되었고 카메론 감독은 오랜 친구이자 탐사팀의 수석 엔지니어인 론 앨럼과 함께 수직으로 강하하는 유인 잠수정 딥씨 챌린저(Deepsea challenger)호를 직접 설계하기까지 했습니다. 게다가 위험을 무릅쓰고 자신이 실제로 조종간을 잡았으며 세 시간이 넘게 심연의 바닥에서 다양한 생물과 지구 환경을 3D 카메라로 촬영하였죠. 게다가 제임스 카메론의 탐사팀은 미국 스크립스 해양연구소, 크레이그 벤터 연구소, 와카야마 대학 등 세계 유수의 과학자들과 함께 심해 생태계와 해저 생물과 극한미생물의 다양성에 관한 연구를 함께 진행하고 있는데요, 이미 몇몇 국제학회에선 심해저 속의 미생물 다양성에 관한 연구 결과들이 발표되기도 했습니다.
이러한 심해저 탐사 소식은 중국을 비롯한 세계 여러 나라에서 심해저 탐사 연구를 촉발시켰는데요, 특히 중국은 2011년 7월 자체 개발한 유인 잠수정 자오룽(蛟龍)호를 만들어 수심 5천미터 탐사에 성공했습니다. 그리고 2012년 6월에는 해저 7000m까지 탐사에 성공하기도 했죠. 해저 7천미터면 일부의 아주 깊은 해구들을 제외하고는 사실상 거의 모든 심해저 탐사가 가능한 수준입니다. 우리나라는 심해무인잠수정인 '해미래'로 6000m 해저 탐사능력을 보유하고 있으나 유인잠수정은 없는 상태이고 심해저탐사에 대한 연구도 활성화되진 못하고 있는 실정입니다.
인간의 발이 닿지 않은 땅은 거의 없지만 인간의 손길이 닿지 않은 바다는 아직도 무궁무진한데, 이러한 심해 탐사는 해저 광물 자원뿐만 아니라 해저 생태계 그리고 심해저 속의 다양한 극한미생물의 발견에도 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 생각됩니다. 이런 다양한 극한미생물의 탐색을 통해 생명공학과 정밀화학 분야가 더욱 발전하길 기대해봅니다.
4. 우주생물학
새로운 극한미생물을 발견하려는 과학자들의 노력이 집중되고 있는 또 다른 분야 중 하나가 바로 우주생물학 분야입니다. 우주생물학은 지구 밖 생명체의 기원, 진화, 생물 분포 등을 연구하는 분야인데요. 아마 과학 뉴스에 관심이 있으신 분들은 지난 2010년 12월 미국항공우주국 NASA에서 외계생명체와 관련된 발표를 한다고 해서 전세계적인 소동이 벌어졌던 것을 기억하실지도 모르겠습니다.
하지만 결국 NASA의 발표를 듣고 보니 우주 생명체에 대한 발표가 아니라, 독성 물질인 비소를 DNA에 갖고 있는 미생물 GFAJ-1을 찾았다는 발표였는데요. DNA는 당, 인산, 염기로 구성되어 있는데, 이 미생물의 DNA에는 인산 대신 같은 족 원소인 독성물질 비소를 가지고 있다는 것이었죠. 따라서 우리가 지금까지 알고 있는 유전물질과 다른 유전물질이 존재할 수도 있을지 모른다는 가능성을 제시한 것인데요. 이 GFAJ-1이라는 미생물은 미국 캘리포니아주의 모노 레이크라는 염호에서 발견된 호염성 세균이었습니다. 하지만 나중에 다시 밝혀지기로는 GFAJ-1은 비소가 많은 환경에 적응한 것일 가능성이 높고, 실제로는 DNA에 비소를 갖고 있지는 않은 것으로 보인다고 해서 아직까지 논쟁 중입니다.
그런데 왜 미국항공우주국 NASA는 이런 극한미생물을 찾고 이에 관한 연구를 하는 것일까요? 실제로 나사에는 우주생물학 연구소가 있는데 그건 아마도 만일 외계에 생물이 존재한다면, 산소도 없고, 유기물도 부족하고 독성 무기물이 많은 환경에서 자랄 수 있는 극한미생물일 가능성이 높기 때문입니다. 따라서 극한미생물의 생육 환경과 생육 조건, 또는 과거 흔적들을 잘 이해하면 기존의 생물과는 다른 독특한 외계 생명체를 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것이라고 생각하는 것이죠. 때문에 우주생물학자들은 지구상에 외계의 환경과 비슷한 조건을 가진 곳들을 찾아다니며 그런 곳에서 사는 극한미생물들을 탐색하기도 하는데요.
가장 대표적인 곳들이 화산지대가 많은 미국의 옐로우스톤 국립공원이나 오스트레일리아 서부 샤크만의 스트로마톨라이트, 카리니지 국립공원과 같은 곳들입니다. 물론 아직까지 외계에 생물체가 살고 있다는 직접적인 증거는 전혀 발견되지 않았고, 생물체가 살기 위한 근본적인 조건인 물의 존재도 논란이 많은 상태인데요, 때문에 실제로 들어가는 비용에 비해 결과물이 부족하다는 비판을 받기도 하는 분야가 바로 우주생물학 분야입니다. 그래서 그만큼 우주생물학 분야는 어렵고 힘든 분야이기도 합니다만 외계 생명체를 찾기 위한 노력은 앞으로도 계속될 것이고 때문에 극한미생물과 관련된 우주생물학 연구는 계속 진행될 것입니다. 그러다 언젠가 외계 생명체를 발견하는 엄청난 일이 벌어질지도 모르죠.
5. 지구온난화 예방
아파트와 같이 공동생활 시설이 많은 우리나라는 음식물 쓰레기를 모범적으로 분리수거하는 나라인데요. 이렇게 분리수거된 음식물 쓰레기는 재활용하여 퇴비나 사료나 에너지 등을 만드는데 사용하고 있습니다, 하지만 최근 실제로는 상당량의 음식물 쓰레기가 소각되고 있다는 보도가 있었는데요. 그 이유는 음식물 쓰레기 처리 시설이 턱없이 부족하기 때문이라고 합니다.
음식물 쓰레기는 수거 후 파쇄, 탈수, 건조 또는 발효를 통해 퇴비, 사료, 연료 등으로 재활용 하는데요. 사실 우리나라 음식물 쓰레기를 미생물을 이용하여 분해하는 것은 생각보다 쉽지 않습니다. 왜냐하면 우리나라의 식품들은 염분 함량이 높아 음식물 쓰레기에도 염분의 농도가 매우 높기 때문입니다. 그래서 일반 미생물로 음식물 쓰레기를 발효해서 분해하는 효율이 상당히 낮은 것이 큰 문제인데요. 하지만 극한미생물 중에는 염전이나 이스라엘 사해와 같은 거의 포화 농도에 가까운 염분 속에서도 생육하는 호염성 극한미생물이 있기 때문에 이러한 호염성 극한미생물을 이용하여 발효하면 염도가 높은 음식물 쓰레기를 분해하는 것이 가능합니다.
최근 호염성 극한미생물은 젓갈과 같은 고염도 식품에도 상당수 존재하고 있는 것으로 밝혀지고 있는데요. 이러한 호염성 미생물들이 단백질 분해효소인 프로테아제나 전분질 분해효소인 아밀라제 등을 분비하여 젓갈이나 가자미 식해 등의 발효에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 때문에 이러한 호염성 효소들을 분비하는 미생물로 음식물 쓰레기를 처리하면 분해 효율을 높이고 궁극적으로는 환경 파괴를 막고 지구 온난화를 예방할 수 있겠죠.
하지만 극한미생물들이 꼭 좋은 일만 하는 것은 아닙니다. 특히 동물의 위장관 속에 존재하는 메탄생성균은 온실 가스 생산의 주범으로 알려져 있는데요. 전 세계 메탄가스 생산량의 약 37%가 반추동물에서 나오고 특히 소 한 마리가 트림이나 방귀로 1년간 방출하는 메탄양은 무려 소형 자동차 1대가 1년간 배출하는 이산화탄소와 같은 온실효과를 내는 것으로 알려져 있습니다. 때문에 동물의 장내 메탄생성균의 생육을 억제하려는 연구들도 진행되고 있는데요. 이를 위해서는 메탄생성균의 생리적 특성을 잘 알아야 하기 때문에 동물 장내 메탄생성균에 대한 연구도 최근 큰 주목을 받으며 진행되고 있습니다.
게다가 최근 중국과 미국의 연구진들은 인간의 장내 메탄균인 Methanobrevibacter smithii가 인간의 비만과 관련이 있다는 논문을 발표하여 주목을 받았는데요. 이 메탄균은 장내의 다른 미생물이 만드는 수소를 먹어치운 뒤 메탄을 만들어낸다고 합니다. 그리고 수소의 수치가 낮아지면 장내 발효가 촉진돼, 신체는 섭취 음식으로부터 더 많은 에너지를 얻으려 하기 때문에 비만을 불러온다고 설명하고 있죠. 결국 메탄균의 생육을 조절하면 비만을 억제할 수 있을 수도 있다는 것인데요,
이렇게 메탄균의 역할이 주목을 받는 가운데 최근 한국생명공학연구원의 김병찬 박사팀은 우리나라 한우의 장내에서 신규 메탄생성 미생물 Methanobrevibacter hanwoensis를 분리하였고 이 균의 전체 게놈 서열을 보고하였습니다. 사실 메탄생성균은 산소가 조금이라도 있는 조건에서는 전혀 생육하지 않기 때문에 배양이 무척 까다롭고 어려운데요, 하지만 철저한 혐기적 조건을 만들어주는 기구들을 고안하여, 동물이나 사람의 장으로부터 계속 새로운 미생물을 찾아내고 있습니다. 그리고 이렇게 분리된 장내 메탄 생성 미생물의 생육 특성을 탐색함으로써, 메탄균의 생육을 저해할 수 있는 물질을 탐색하고 있죠.
조만간 메탄균 생육 저해 물질을 찾는다면 이를 동물 사료에 첨가해 메탄생성균 저해 사료를 개발하고, 이를 소에게 먹여 소에 의한 메탄 발생을 줄일 수 있을텐데요, 이것은 곧 온실가스 생산량을 줄여 지구온난화 예방을 할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
6. 클로징
오늘은 극한미생물의 또다른 가능성에 대해 알아봤는데요, 바이오수소 생산부터 지구온난화를 예방하는 데까지 이렇게 다양하게 사용될 만큼, 앞으로 극한미생물은 우리에게
새로운 과학을 선물할 것으로 보입니다. 또한 여러분에게 극한미생물이 더 이상 낯선 존재가 아니라 친숙한 존재가 되었으면 좋겠습니다. 과학 미래를 열다, 시청해주신 여러분 고맙습니다.
