‘식물 단일세포 수준 유체역학 기초연구실’이 과학기술정보통신부의 기초연구실(Basic Research Laboratory, BRL) 사업에 선정됐다. 연구는 3년 계획으로 진행되며, ‘플랜트셀온어칩’을 개발해 식물 및 작물을 스크리닝하는 기술이 핵심 내용이다.

기초연구실(BRL) 사업 선정(4) 기계공학과 ‘식물 단일세포 수준 유체역학 기초연구실’
식물·작물 스크리닝하는 ‘플랜트셀온어칩’ 개발해 기후위기 대응

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 ‘2021년도 기초연구실(Basic Research Laboratory, BRL) 사업’에 총 4개 연구실이 선정됐다. 선정된 연구실은 △복잡계 지향 생체모방 분자 설계 연구실(연구책임자: 강은주 교수) △분자 재배열 글루칸 소재화 연구실(연구책임자: 박천석 교수) △식물 단일세포 수준 유체역학 기초연구실(연구책임자: 이충엽 교수) △전기화학발광 기반 탐침 활용 에너지 변환 기초연구실(연구책임자: 김주훈 교수)이다. 마지막 순서로 ‘식물 단일세포 수준 유체역학 기초연구실’ 연구책임자 이충엽 기계공학과 교수를 만나 기초연구실 사업 계획을 들었다.<편집자 주>

기후위기와 함께 세계적 식량부족 문제가 예기되면서, 식량 자급은 인류 생존을 위한 중요한 과제가 됐다. 일반적으로 농작물 생산 증대를 위한 기술적 방안으로 △재배 기술 개선 △병해충 및 잡초로 인한 손실 예방 △품종 육성 등이 있는 가운데, 우리나라는 재배 기술 개선을 위한 IoT 기술과 농업이 융합된 ‘스마트팜(Smart Fram)’ 발전에 집중하고 있다. 이충엽 기계공학과 교수가 연구책임자로 있는 ‘식물 단일세포 수준 유체역학 기초연구실(이하 연구실)’은 스마트팜의 효율적인 활용을 위해 병해충 및 잡초로 인한 손실 예방과 품종 육성 등을 동반하는 기초 연구에 도전했다.

연구실의 최종 목표는 ‘식물 단일세포 수준 유동 분석에 기반한 생물적·비생물적 스트레스 저항성 향상 연구 선도’다. 연구는 1년 차에 △대상 식물 및 유전자 조작군 선정 △대상 식물 단일세포 형성 조건 수립 △단일세포 분류·포집·분석 및 배양환경 정밀 제어를 위한 플랜트셀온어칩 플랫폼 설계 등을 진행하고, 2년 차에 △플랜트셀온어칩 제작 △단일세포 수준 유동 가시화 기법 개발 △단대상 식물 및 유전자 조작군들의 단일세포 수준 유동 측정 등을 진행할 계획이다. 마지막 3년 차에는 △단일세포질 내외 유동의 이론적 모델 개발 △유전자 조작군들 간의 단일세포 유동 특성 비교 분석 △단일세포 수준 유동 특성과 생물적·비생물적 스트레스 저항성과의 상관관계 정량화 등을 추진할 예정이다.

이충엽 기계공학과 교수가 연구책임을 맡았는데, 이 교수는 식물이 물로 움직이는 것을 유체학적으로 접근해 아이디어를 냈다.

‘플랜트셀온어칩’ 개발로 식물 및 작물별 취약한 환경 스트레스 빠르게 파악
기후위기에 따른 식량 문제에 대처하기 위해서는 ‘생물적 스트레스’, ‘비생물적 스트레스’ 등에 높은 저항성과 생산량을 가진 농작물 관련 과학기술 확보가 필요하다. 이때 생물적 스트레스란 병충해 피해를 의미하고, 비생물적 스트레스는 건조·열해·서리 등의 ‘환경 스트레스’를 말한다. 환경 스트레스에 저항성을 가진 새로운 품종 육성 개발을 위해서는 우수형질을 결정하는 유전자 탐색이 중요하고, 원하는 유전자가 도입된 개체를 신속하게 선별할 수 있어야 한다. 이런 과정은 대게 평균 8개월 이상 소요되며 시간적·경제적 비용이 크게 든다는 단점이 있다. 연구실은 기존 품종 개량 기술의 고정관념을 타파해 연구비용을 줄일 수 있는 기초 연구를 진행한다.

연구실은 ‘플랜트셀온어칩’을 개발해 식물세포 내에서 액체가 움직이는 유동성과 식물의 환경 스트레스 저항성 사이의 상관관계를 연구할 계획이다. 식물세포 내의 유동이 빠를수록 식물이 잘 자라는데, 식물의 유동은 엽록체에 싸여 잘 보이지 않아 유동 측정을 위한 실험 조건을 찾는 과정이 필요하다. 이런 유동성을 이용해 어떤 환경에서 식물이 잘 자랄 수 있는지 플랜트셀온어칩을 통해 빠르게 스크리닝하는 환경을 구축하는 게 연구의 주목적이다.

플랜트셀온어칩은 새로운 플랫폼으로 다양한 환경 스트레스에 의해 일어나는 유전자 발현 분석 등 기존에 불가능했던 실험을 가능케 한다. 실험은 세포 수준으로 진행되며, 환경 스트레스에 대한 다양한 반응을 분석할 수 있다. 이런 방법은 생체유체역학에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 한 기존 접근 방법과 차별화된 도전으로, 식물 배양과 품종 개발 등에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다. 쉽게 말해, 식물세포를 플랜트셀온어칩 스크리닝 디바이스 위에 올리고 주변 환경을 바꾸며 유동의 변화 등 식물세포의 반응을 분석하면, 식물 및 작물이 빠르게 클 수 있는 환경을 통합적으로 판단할 수 있게 된다.

이번 연구의 특이점은 유전자 조작 식물군 간의 단일세포 수준의 특성을 비교하고 분석하는 최초의 시도라는 것이다. 이 교수는 “플랜트셀온어칩을 활용한 식물세포의 배양을 성공적으로 이끌기 위해서는 기존 기술 수준을 뛰어넘는 정밀 환경제어와 식물세포 내에서 직접 3D 유동장을 정밀 측정할 수 있는 기술 등이 필요”하다며 “이번 연구가 식물 배양부터 정밀 환경제어가 가능한 플랜트셀온어칩 제작, 식물세포 내 유동장 측정 및 이론적 모델 개발 등 다양한 도전적 주제를 포함하고 있다”고 전했다.

스마트팜 전문 연암대학교 등과 협업 통해 깊이 있는 융합연구 진행
지금까지 시도되지 않은 연구 목표를 성공적으로 달성하기 위해서는 관련 전문가와 긴밀한 협업 연구가 필요하다. 이에 연구실은 △식물 배양 및 유전자 조작과 환경 스트레스 저항성을 판별할 수 있는 생명공학 및 농업 분야 전문가 △식물 내 유동 특성과 스트레스 저항성의 상관관계를 이해하고 이론적 모델을 제시할 수 있는 생체유체역학 전문가 △미세 수준에서 유동장을 정밀하게 측정해 식물세포 분석하는 플랜트셀온어칩 제작이 가능한 미세 유체역학 전문가 △식물 생장 환경 조성을 위해 공간적·시간적으로 정밀하게 환경제어를 할 수 있는 열 및 환경제어 전문가 등과 융합연구를 진행한다.

각 분야의 필수 전문가로 구성된 연구실은 이 교수를 중심으로 생체유체역학 및 연성물질역학 전문가인 가천대학교 박근환 교수, LG가 설립한 국내 최고의 차세대농업기술 선도대학이자 스마트팜 전문 대학인 연암대학교 이현아 교수, 카이스트 남영석 교수 등과 협업한다. 이 교수는 “깊이 있는 연구를 하려면 융합연구는 필수적”이라며 “참여 연구원 사이의 유기적인 집단 연구를 통해 도전적인 연구 목표를 성공적으로 달성하고자 한다”고 말했다.

이 교수는 학부연구생의 연구 참여를 독려하고 있다. 그는 “학생들의 활발한 연구 활동은 학교의 수준을 높일 뿐 아니라 훌륭한 연구 인력을 배출하는 데도 도움 된다”며 “학생들이 연구에 관심을 가질 수 있게 다양한 기회를 제공하고 있다”고 말했다. 사진 왼쪽부터 남미송 연구원, 이충엽 교수, 최정환 기계공학과 17학번 재학생.

“‘최초의 시도’로 기후위기에 빠른 대응 가능한 식물 및 작물 배양 기술 이끌 것”
이번 연구의 의미는 학문적 관점, 경제·산업적 관점, 사회·환경적 관점에서 바라볼 수 있다. 학문적 관점에서는 플랜트셀온어칩 플랫폼으로 단일 식물 세포 내 유동을 분석하는 게 이전에 시도되지 않은 획기적인 방법이라는 점에서 국제적인 연구를 선도할 수 있다는 평가를 받는다. 경제·산업적 관점에서는 플랜트셀온어칩을 활용한 스크리닝 기술로 새로운 식물 및 작물 개발기간과 개발비를 줄이고, 우수한 품종 개발 주기를 앞당겨 향후 관련 산업 발전에 크게 기여할 수 있다. 사회·경제적 관점에서는 기후위기에 선제적으로 대처함으로써 환경 변화에 적응할 수 있는 우수한 품종 개발을 이끌고, 생명공학과 미세 열유체 분야의 전문가를 양성할 것으로 전망된다.

이 교수는 “기후위기는 인류의 먹거리 위기와 연결돼있다. 기후가 바뀌면 작물이 바뀌는데, 바뀐 환경에 적응하는 작물을 만드는 데 지금처럼 10년씩 걸리면 힘든 상황이 도래할 수 있다”고 지적하며 “이에 대응할 수 있는 기술을 만드는 데 이번 연구가 큰 의미가 있다”고 설명했다. 이어 “1년 차 연구인 지금 유전자 데이터가 많은 애기장대(Arabldopsls) 식물군을 분양받아 유동 측정을 위한 셋업을 구축하고 있다. 2년 차 연구에서는 본격적으로 유동 측정과 플랜트셀온어칩 개발을 진행할 계획”이라며 “연구가 도전과제라는 점에서 상용화에 실패하더라도 과학적으로 얻을 수 있는 부분이 많다”고 전했다.

연구실은 기존 연구와 다른 연구 방법을 채택해 최초의 시도를 하고 있다. 이 교수는 “‘되는 연구를 할 것이냐, 실패할 가능성이 큰 연구에 도전할 것이냐’ 두 가지 선택의 기로에서 많은 연구자가 후자를 택한다”며 “새로운 시도는 저명한 연구자에게도 새로운 지식을 배울 수 있는 기회라 생각한다. 계속 도전하는 연구를 진행하고 싶다”고 전했다. 이 교수의 신념처럼 연구실은 사회에 긍정적인 영향을 줄 수 있는 연구를 해내고자 도전과제 3년을 넘어 10년을 내다보는 지속가능한 연구를 추진하고 있다.

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글 손은주 eve@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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