다세포 생명체의 생명현상의 이해에서 핵심적인 이슈 중 하나는 세포간 이동신호가 어떻게 세포사이를 통과하는 지에 알아내는 것이다. 세포 간 이동신호를 이야기할 때 중요하게 언급되는 것으로 옥신(auxin)이 있다.
이는 식물의 발달, 형태, 굴성, 패턴 형성을 조절하는 핵심 호르몬으로, 세포에 존재하는 옥신은 옥신을 세포에서 퍼내는 수송자 (efflux transporter)에 의해 세포 밖으로 나가고 세포 밖의 옥신은 세포 안으로 퍼 담는 수송자의 도움으로 이웃하는 세포 안으로 들어간다.
이와 관련, 국내 연구진이 “식물발달에 관여하는 대장(master) 호르몬 옥신이 세포사이를 연결하는 나노채널을 통해 이동한다”는 내용의 연구결과를 발표했다. 김재연 경상대 교수가 주도하고 한소 연구원(제1저자)의 이 연구결과는 셀(Cell) 자매지인 ‘디벨롭먼탈 셀(Developmental Cell)’ 온라인판에 게재됐다.


옥신 이동, 식물생장 조절 진화의 산물



하나의 식물세포는 수천에서 수십만 개의 나노채널인 ‘원형질연락사(plasmodesmata)’를 통해 주변 세포와 작은 영양물질, 더불어 고분자 물질인 단백질과 RNA도 주고받을 수 있다. 나노채널을 통한 물질이동이 매우 중요한 셈인 것이다.
반면 옥신은 옥신수송자에 의해 매개되는 이동을 통해 세포 간 농도차를 형성해 생물학적인 기능을 수행하는데, 만일 나노채널을 통해 옥신분자가 자유롭게 이동한다면 극성옥신이동에 의한 옥신 이동은 밑 빠진 독에 물 담기와 같아져 옥신농도차 또는 옥시최대치 형성이 불가능하게 된다.
“하지만 세포 간 옥신이동의 잠재적 경로인 나노채널을 통한 옥신이동 연구는 전혀 이뤄진 바가 없었어요. 그 가능성이 거의 무시됐다고 볼 수 있죠. 나노채널을 고려하지 않은 현재의 옥신이동 이론으로도 거의 모든 옥신관련 생명현상을 잘 설명할 수 있었기 때문입니다.
그런 이유로 세포 간 나노채널은 옥신이동의 비밀통로로 남아 있었어요. 우리 연구팀은 논리적으로 상충하는 현상에 근본적 의구심을 갖고 과학자들이 알지 못하는 생명의 비밀을 탐구하고자 이 연구를 진행하게 됐죠.”
식물은 옥신의 시공간적 농도차이를 만들기 위해 수송자 단백질을 이용, 정교한 수송기작을 진화시켜 왔지만 어떻게 옥신의 농도차이를 만들 수 있는지는 알려지지 않았다. 이에 따라 김재연 교수팀은 옥신이 세포간 물질이동 통로인 나노채널을 통해 이동할 수 있으며 해당 채널을 조여 주는 칼로스를 만드는 새로운 단백질(GSL8)을 규명하고 해당 단백질이 식물의 굴광성에 필수적임을 확인했다.
“식물의 굴광성(phototropism)이란 빛의 방향으로 식물 휘어 자라는 현상을 의미합니다. 우리 연구팀은 실험을 통해 나노채널 개폐조절에 문제가 생긴 돌연변이가 굴광성을 일으키지 못한다는 사실을 발견했어요. 이 때 나노채널의 조절에 중요한 역할을 하는 칼로스 합성을 수행하는 GSL8 유전자에 문제가 생겼음을 밝혔죠. 그런데 한 가지 질문이 생기더군요. 그것은 ‘어떻게 나노채널의 기능과 굴광성이 상호관련을 갖는가’라는 것이었어요.”
굴광성이 일어나는 이유는 햇빛이 한쪽 방향에서 들어오면 옥신이라는 식물호르몬이 빛을 피해 빛의 반대쪽으로 몰려들게 하기 때문이다. 이로 인해 성장이 촉진되고 빛이 들어오는 반대쪽인 부분이 상대적으로 빨리 자라므로 휘어지게 되면서 결과적으로 빛을 향해 자라게 된다.
하지만 나노채널이 열려있는 돌연변이 식물은 옥신이 세포간 나노채널을 통해 이동해 빠져나감으로써 세포간 옥신농도차를 유지할 수 없게 되어 굴광성을 잃어버린다. 이에 따라 옥신이 이 나노채널을 통해 이동한다는 사실을 증명한 김재연 교수팀의 연구는 옥신이동이 옥신수송자에 의해 방향성으로 매개된다는 기존 학계의 이론이 주류적 지위를 차지하고 있는 현실에서 매우 신선하고 독창적인 발견이라 할 수 있다.
더불어 GSL8의 발현이 옥신에 의해 양성적으로 조절돼 옥신 스스로가 자신의 농도구배를 형성하는 조절자임도 보여 나노채널 조절이 독립적이고 우연적인 현상이 아니라 식물생장 조절의 최적화를 향한 진화의 산물이라는 것을 선보였다.
“실제로 헤딩 유전자에 돌연변이를 만든 결과 식물이 빛 방향으로 휘어지지 않고 곧게 자랐어요. 칼로스 함량이 떨어져 열린 나노채널을 통해 옥신이 자유롭게 이동해 굴광성에 필요한 농도차이를 만들지 못했기 때문이죠.”


“나노채널이 수행하는 생명현상 궁금했죠”

김재연 교수팀이 이번 연구를 수행한 것은 나노채널이 수행하는 생명현상이 무엇인지 알고 싶었기 때문이다. 그러던 중 옥신-굴광성 모델이 연구팀의 의문을 풀기에 적합한 시스템이라고 간주, 연구를 시작하게 됐다.
“옥신 외에 다른 신호들도 옥신과 유사한 기능을 수행할 수 있을 것이라고 봐요. 옥신이동 연구를 통해 얻을 수 있는 이점은 가장 먼저 다른 세포 간 신호전달 연구에 있어 중요한 모델을 제공한다는 점입니다. 그 다음으로는 옥신과 관련된 다양한 식물발달관련 표현형을 조절하는데 기초적인 단초를 제공했다는 것이죠.
옥신은 굴광성 조절 외에 모포젠(morphogen: 생명체의 형태를 조절하는 핵심인자)이라고 불릴 만큼 식물발달 및 형태를 조절하는 마스터(master) 호르몬이에요. 이 기능을 조절한다면 얻을 수 있는 작물형질 개선에서 많은 농업적인 혜택도 기대해 볼 수 있겠죠.”
연구가 좋은 성과를 나타냈지만 실험의 매 과정은 결코 만만치않았다. 김재연 교수는 “초기 세운 가설대로 칼로스 합성효소의 돌연변이가 굴광성을 보이지 않은 표현형을 발견했을 때 연구팀은 환호성을 질렀습니다. 하지만 그것이 고난의 시작이었죠. 생체 내에서 칼로스의 축적정도를 측정하는 것이며, 세포간 옥신의 이동을 측정하는 것 등 새로운 시스템을 정립하는데 어려움이 많았다”고 회고했다.
“무엇보다 힘들었던 것은 기존 옥신생물학자들이 내세운 기존 이론에 근거한 신랄한 비판을 넘어서는 일이었어요. 있던 길을 확장하기는 쉬워도 없던 길을 낸다는 것은 정말 도전적인 일이었죠. 현재 칼로스 합성효소 연구를 시작한지는 만 8년, 옥신과의 연관성 연구가 만 6년이 지났습니다. 3년 전 미국에서 기공세포 패터닝과 관련 원형질연락사 칼로스합성효소의 기능규명 논문이 출판돼 데이터의 일부분이 중첩되면서 우리 연구를 보다 심화시켜야 했습니다. 독과 약이 된 케이스죠.”
기존 연구에서는 칼로스 매개 나노채널의 조절에 대해서는 알려진 바가 있었지만 과연 얼마나 섬세하게 조절되는지에 대해서는 알지 못했다. 주로 생체고분자 또는 고분자 추적자를 사용해 일이 진행됐기 때문이다.
연구팀은 옥신의 이동이 조절된다는 사실은 나노채널 크기가 아주 정밀하게 조절됨을 보여줬다. 더불어 옥신이 그 자체로 GSL8 발현을 조절한다는 사실로부터 그 조절이 세포생물학적 또는 전체 식물개체 수준에서 필요에 따라 정교하게 조절된다는 사실을 규명했다.
“이번 연구는 기존 학계에서 인정되지 않았던 나노채널을 통한 옥신의 이동가능성을 실증적으로 검증해 보였다는 점에 의의가 있습니다. 또한 그 이동이 옥신에 의해 자체 조절됨으로써 생물학적 의미를 함께 갖는다는 사실을 규명했죠. 즉 나노채널의 도움 없이 기존 학설의 주류로 인정된 옥신수송자 매개 옥신이동만으로 생명현상을 제대로 조절할 수 없음을 보인 것입니다.
더불어 돌연변이 연구를 통해 나노채널을 통한 옥신의 이동을 보였지만 정상 야생형에서 옥신과 같은 작은 신호물질의 이동이 나노채널에 의해 조절된다는 사실을 역시 실증적으로 증명했어요. 나노채널이 아주 작은 저분자의 물질까지도 그 이동을 통제하는 섬세한 조절능력이 있다는 사실을 보여 준 거죠.”
김재연 교수팀이 선보인 연구는 기초연구 범위에 속한다. 때문에 연구의 실질적 응용까지 가기위해서는 넘어야 할 산이 많다.
김 교수는 “세포간 나노채널 연구는 세포간 물질재분배를 통한 수확량 증대, 신호교환을 통한 발달형질 조절, 세포간 바이러스 확산방지 등 연관분야가 많지만 응용․실용화까지는 10년 이상의 시간이 필요할 것”이라며 “원형질연락사의 구성 및 조절인자를 규명하고 그 조절기전을 규명해야 하며 많은 기관, 조직, 세포간 커뮤니케이션 방법을 이해해야 한다”고 덧붙였다.