서리를 만드는 세균: Pseudomonas

 

 

Introduction

매년 예상하지 못한 온도의 변화로 인해 우리는 많은 피해를 입고 있습니다. 갑자기 온도가 올라가서 온열환자가 발생될 수 있으며, 이 현상이 지속되면 가뭄으로 농작물들이 말라죽어 식량공급에 문제를 줄 수 있습니다. 이와 반대로 갑자기 온도가 내려가면 면역력이 약해져 병에 걸리기 쉬워지기도 하며, 농작물에 서리가 생겨 저온피해가 발생하기도 합니다.(농작물이 말라죽거나 또는 제대로 된 열매를 맺기 힘들어집니다.) 이와 같이 예상치 못한 온도 변화는 많은 문제를 유발합니다. 이번 시간에는 온도가 갑자기 내려갔을 때 서리가 어떻게 발생되는지 알아보고, 서리를 발생시키는데 도와주는 생명체가 어떤 것이 있는지 그리고 유전공학을 통해서 만들어진 서리방지 세균이 어떻게 서리를 발생시키지 않도록 하는지에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

얼음 결정체

서리란 대기중에 있는 수분이 온도가 내려감에 따라 어는점에 도달하여 얼음 결정체가 된 것을 의미합니다. 저희는 물의 어는점이 섭씨 0°C라고 배웠습니다. 하지만 순수한 물은 섭씨 -48°C이하가 되어야 얼음 결정체로 됩니다. 왜 순수한 물의 경우에는 섭씨 -48°C가 되어야 얼음이 되는 걸까요? 그 이유는 순수한 물의 경우에는 이물질이 없기 때문입니다.

 

눈 결정체. 여러 개의 결정구조로 되어있다.

자연에는 먼지, 작은 입자, 작은 단백질 등 육안으로는 잘 보이지 않는 이물질들이 많이 있습니다. 이 이물질들은 결정화 중심핵의 역할을 하게 되어 얼음 결정체를 형성하게 하는데 도움을 주고 있습니다. 그렇기 때문에 섭씨 0°C가 되어도 물은 쉽게 결정구조를 형성하여 얼음이 됩니다. 그리고 자연에는 얼음 결정체를 형성하는데 도움을 주는 이물질을 만드는 세균이 널리 퍼져 있습니다. 세균의 이름은 Pseudomonas syringae이며, 이 세균이 있는 곳은 서리가 잘 형성되는 특징이 있습니다. 계속해서 Pseudomonas syringae에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

Pseudomonas syringae

Pseudomonas syringae는 크기가 1µm(1/1000000 m)인 작은 세균으로, 얼음 결정체의 형성에 관여하는 결정화 중심핵에 이 세균들이 모여있는 것을 발견한 것으로 시작하여 연구되기 시작하였습니다.

 

얼음 결정생성 핵 역할을 하고있는 Pseudomonas syringae

이 세균은 자연에 널리 퍼져있으며, 생명공학자인 Steven Lindow와 Nikolas Panopoulos가 Pseudomonas에 감염된 식물체와 감염되지 않은 식물체를 냉동고에 넣어 실험을 한 결과 감염된 식물체는 섭씨 -2°C에서 서리피해가 발생하였고 감염되지 않은 식물체는 섭씨 -10°C에도 서리피해가 없음을 확인 하였습니다.

실험 결과 Pseudomonas syringae가 서리를 발생하는데 도움을 주는 세균임을 밝혔습니다.

 

 

서리방지 세균(antifrost bacterai)

연구를 통해 Pseudomonas syringae의 특정 단백질이 얼음 결정체를 형성하는데 도움을 주는 것을 확인하였고, 유전공학을 통해 특정 단백질을 발현하는 DNA를 제거하여 더 이상 서리 형성에 도움을 주는 특정 단백질을 만들지 않도록 하였습니다. 그 결과 특정 DNA가 제거된 Pseudomonas syringae는 얼음 결정체 생성능력을 잃게 되었습니다. 그리고 이 세균을 서리방지 세균(antifrost bacteria)으로 명명하였습니다.

 

이렇게 만들어진 유전자 변형 세균은 실험 결과 식물체에 뿌려두는 것만으로도 서리방지에 효과를 주는 것으로 확인되었으며, 기존에 있던 Pseudomonas syringae(서리를 형성하는데 도움을 주고 있던 세균)을 밀어내는 것을 확인하였습니다. 유전자 변형 세균인 서리방지 세균을 이용하여 서리방지 뿐만 아니라 따듯한 곳에서만 자라는 식물체를 추운 지방에서 재배할 수 있는 가능성을 만들 수 있게 되었습니다.

 

그리고 1987년 4월 24일 캘리포니아의 딸기밭에 서리방지 세균을 뿌리는 실험이 진행되었는데 이 실험은 국가기관에서 허가받은 유전자변형 생물체를 생태계에 방사한 최초의 실험이었습니다. 하지만 허가받기 전에 비밀리에 과일나무에 서리방지 세균을 뿌린 사실이 밝혀졌고, 유전자가 변형된 미생물이 생태계에 어떤 영향을 끼칠지는 아무도 모르기 때문에 실험을 허가한 국가기관은 허가를 취소하였고, 결국 서리방지 세균은 사용할 수 없게 되었습니다.

 

 

인공눈 생산

식물에게 서리피해를 주는 세균인 Pseudomonas syringae는 오늘날 인공눈을 생산할 때 사용하고 있습니다. Pseudomonas가 생산하는 특정 단백질이 물이 얼음 결정체로 형성되는데 도움을 주는 점을 이용한 것입니다. Pseudomonas를 대량 생산하고 멸균하여 인공눈을 생산하는 기계에 넣으면 45% 이상 인공눈이 더 생산되는 이점이 있기 때문에 스키장에서 주로 사용되고 있으며, 앞으로 지구온난화로 기온이 올라가면 수요가 더 증가될 것으로 생각됩니다.

 

 

마무리

Pseudomonas syringae는 서리 형성에 도움을 주는 세균이며, 특정 단백질에 대한 DNA를 제거하여 서리방지 세균으로 만들었지만 유전자 변형 세균이 환경에 어떤 영향을 줄지 모르기 때문에 안타깝지만 사용되지 못하였습니다. 그리고 이 연구 결과로 현재 Pseudomonas의 특징을 이용하여 효율적인 인공눈을 생산하고 있습니다. 서리피해를 줄이고자 하는 목적은 생태계에 영향을 줄지 모른다는 우려 때문에 달성하지 못했지만 그 덕분에 우리는 인공눈을 효율적으로 생산할 수 있게 되었습니다.