브만사 인터뷰 구. 브만사
식물의 세포분화가 어떻게 이루어지는지 구체적인 해답을 찾고 싶다
충남대학교 생명과학과 생명과학과 조형택 교수
<인터뷰 1편>
- 세포분화학 연구실 소개
- 세포 특이성 유전자의 발현 조절 연구
- 식물 뿌리털을 이용한 옥신수송체 연구
- 식물의 뿌리털을 선택한 이유
- 연구재료로써 식물의 뿌리털이 가지는 특징
- 연구결과가 가지는 의미
- 앞으로의 연구 과제
일시: 2008년 2월 27일, 오전 10:00
장소: 충남대 생명과학동
세포분화학 연구실 소개 "우리 실험실은 2003년 7월에 시작을 했다. 처음 실험실에 왔을 때는 텅 빈 공간에 의자 하나 없었는데, 6개월쯤 지나서 2004년 1월에 첫 번째 석사과정 학생이 왔고, 그 해 3월에 Postdoc. 이상호 박사가 왔고, 2월에 학부생 2명이 더 추가되는 식으로 시작을 했었다. 많을 때는 12명~13명까지 있었지만, 지금은 나를 포함해서 8명 정도가 있다. 처음부터 시작한 거는 두 가지 주제를 가지고 시작을 했었다. 하나는 전사 수준에서 세포 특이적인 유전자의 발현이 어떻게 조절되는지에 대한 연구이고, 다른 한 가지는 옥신 수송 관련이다. 식물에서는 7-8가지의 주요 호르몬들이 알려져 있는데, 그 중에서 연구한 지 가장 오래 되었고, 또 식물 발달에 있어서 굉장히 많은 부분에 영향을 주는 호르몬이 옥신이다. 옥신이 수송될 때는 식물의 한 부분에서 만들어져서 다른 부분으로 이동을 해야 하는데, 이동을 하는 이동체(수송체)가 필요하다. 수송체, 즉 수송 단백질이 필요한데, 수송 단백질을 연구하는 일들을 해왔다. 이 두 가지 주제가 핵심이고 한 4년 동안 그 두 개에 초점을 맞춰서 연구를 해왔다." 세포 특이성 유전자의 발현 조절 연구 "식물의 뿌리털을 보면, 뿌리 표피 세포 일부가 원래는 통자 세포인데 어느 순간에 한쪽 부분이 돌출되어 나와서 길게 자라고 이것이 뿌리털이 된다. 통자 세포가 어느 순간에 모양이 변하는 것은 뿌리털 세포에서만 특이적으로 어떤 유전자가 발현이 되어야 한다. 재미 있는 것은 뿌리 표피 세포가 뿌리를 삥 둘러싸고 있는데, 어떤 세포는 뿌리털을 만들고, 어떤 세포는 뿌리털은 못 만든다. 이렇게 운명이 결정되는 단계가 있고, 운명이 결정된 다음 모양을 만드는 단계가 있다. 우리가 하는 일은 운명이 결정되는 단계를 연구하는 것이 아니고, 뿌리털의 형태가 만들어지도록 하는 유전자들이 왜 뿌리털에서만 발현이 되는가 하는 것이다. 비 뿌리털 세포에서는 그런 유전자들이 발현이 안되기 때문에 뿌리털이 못 만들어지는 것이다. 그래서 이 문제에 접근하기 위해서 우리가 제일 처음 시도한 것은 유전자가 어떤 특정 부분에서 발현하게 하는 cis-element를 먼저 밝혀 내는 것이었다." * cis-element : 프로모터 내 어떤 장소에서 언제, 얼마만큼 유전자가 발현되어야 하는가 라는 정보를 담고 있는 핵산 부위. 전사조절인자(transcription factor)들은 cis-element 특정한 서열을 인지하기 때문에 전사를 개시하게 된다. "뿌리털 세포와 비 뿌리털 세포가 섞여 있다고 했는데, 이것은 식물마다 특정한 패턴을 가지고 있다. 예를 들어서 모델 식물로 쓰는 애기장대의 경우는 뿌리털 세포열과 비 뿌리털 세포열이 번갈아 가면서 있고, 위치 결정 인자에 의해서 어떤 세포열은 뿌리털 세포열이 되고, 어떤 세포열은 비 뿌리털 세포열이 된다. 단자엽 식물의 모델이 되는 벼 같은 경우 세포분열이 불균등하게 일어남으로써 긴 세포와 짧은 세포가 번갈아 있는데, 항상 짧은 세포에서 뿌리털을 만들게 된다. 이렇게 서로 패턴이 다르다는 것은 운명 결정 방식이 다르다는 것이고, 뿌리털 세포를 결정짓는 Upstream에 있는 master들이 서로 다른 종류라는 이야기이다. 그냥 뿌리털 세포에서 뿌리털이 튀어나오게 하는 형태 발생을 이끄는 일꾼 유전자들은 이런 master가 다름에도 불구하고 뿌리털을 만들기 위해서 프로모터의 cis-element들이 동일한지, 아니면 각각 master 마다 cis-element 모양이 다른 것인지에 대한 의문을 가졌었다. 뿌리털이 튀어 나오게 하기 위해서는 식물의 세포벽을 느슨하게 해야 하는데 그 역할을 하는 단백질이 Expansin이다. 이 단백질 유전자가 애기장대의 경우 한 36개 있고 그 중 두 개(Expansin7, Expansin18)가 뿌리털에서만 발현이 된다. 그 유전자를 가지고 cis-element 분석을 했더니 20 base의 정도 사이즈의 프로모터 부위에서 이 유전자가 뿌리털 특이적으로 발현되는데 절대적으로 필요하다는 것을 정밀 분석을 통해서 밝혀냈다. 뿌리털 분포 패턴이 다른 벼에도 50여 개의 Expansin 유전자가 있는데, 애기장대 Expansin 7하고 가장 가까운 서열을 찾아냈다. 그것을 ortholog라고 하는데, 진화적으로 같은 일을 했을 것으로 본다. 그것을 찾아서 프로모터를 봤더니 비슷한 셀이 있어서 애기장대 cis-element와 같은 기능을 하는지 알아보기 위해 벼의 프로모터 cis-element를 갖고 있는 것을 애기장대에 넣어 봤더니, 애기장대에서도 뿌리털에서 발현되는 것을 관찰하였다. 진화적으로 쌍자엽, 단자엽은 분화가 된지 한 2억년 정도로 잡고 있다. 그 때 이미 일꾼 유전자들은 뿌리털 특이적으로 발현되게 만드는 cis-element가 같다는 것은 결합을 하는 transcription factor도 같다는 의미이다. 이는 쌍자엽, 단자엽이 진화적으로 분화하기 이전에, 이미 cis(-Element), transcription (factor) 모두가 존재했다는 것이다. 이어서 우리가 하고 있는 것은 양치류 또는 하등 식물에서도 cis-element가 밝혀져 있는지 연구하고 있다." 식물 뿌리털을 이용한 옥신수송체 연구 "역사적 배경에 대해서 말하자면, 옥신이 발견된 것은 1930년 초다. 우리가 아는 진화학자며 자연 선택설을 주장한 찰스 다윈이 옥신의 존재에 대해서 예견했고, 옥신이 수송된다는 것을 예측했다. 우리가 흔히 잘 아는 굴광성이란 빛 쪽으로 휜다는 것은 바깥 쪽에 더 많이 자란다는 것이고 바깥쪽에 생장을 촉진시키는 물질(옥신)이 더 많이 축적되기 때문에 그런 것이다. 그런데 무엇이 옥신을 어떻게 수송하는지 몰랐다. 여기서 옥신 수송이라는 것은 세포와 세포 사이를 이동하는 것을 말하는 것이다. 세포들 간에는 세포벽들이 있고, 옥신을 합성한 세포에서 옥신을 세포 바깥으로 내뿜어야 하고 세포 바깥에서 다시 안으로 들어오는 식이다. 그 속도는 상당히 더디지만 사방으로 나가는 것이 아니라 특정 방향성을 가지고 이동한다. 이는 수송체가 세포의 한쪽 방향에만 위치하기 때문이다. 예를 들어서 옥신 방출 단백질이 아래 부분에만 있다면 옥신이 아래 부분으로 나가게 되고 유입하는 게 위쪽에만 있다면, 위 부분에서 들어오게 되고 이것이 반복되면서 전체적으로 흘러가게 될 것이다. 이러한 사실이 최근 10년 동안 밝혀지기 시작했다. 식물의 뿌리털을 선택한 이유 "미국의 Penn State University의 Dan Cosgrove 지도 교수의 실험실에 있었다. 그 분이 Expansin을 처음 발견하셨고 characterization도 많이 하셨다. 36개의 Expansin 발현이 어떻게 되는지 1990년대 말부터 보고 있었다. 그래서 프로모터:보고자유전자를 분석하는 와중에 두 개가 뿌리털에서만 발현이 되는 것을 봤다. 나도 프로젝트에 참여해서 각각 Expansin member들 마다 어디에서 발현이 되는지 봤지만, 그거를 보는 순간 굉장히 매혹되어 거기에 빠졌다. GUS staining이라고 해서 프로모터에 GUS를 붙이면 상당히 예쁜 파란색으로 보인다. 뿌리는 거의 무색에 가까운데 파란색이 Stripe 패턴으로 있는 것을 보고 상당히 예뻤고, 패턴이 나타난다는 것 자체가 상당히 신기했다. 그래서 그냥 '이거다' 싶은 생각에 하게 되었다." 연구재료로써 식물의 뿌리털이 가지는 특징 "굉장히 장점이 많다. 애기장대는 씨를 뿌리면 2일 만에 발아되고 3일이면 뿌리털을 관찰할 수 있다. 예를 들어 식물의 꽃을 연구하시는 분들은 씨를 뿌리고 꽃 필 때까지 일반적으로는 한달 이상이 걸린다. 우리는 3일만에 관찰할 수 있다. Agar plate에서 키울 때 세워서 키우기 때문에 아래로 자라니깐 표피에 있는 뿌리털을 관찰하기도 쉽다. 시간적으로나 재료로 봤을 때나 좋은 점은 있다. 단, 키우는 조건이 일정해야 재현성 있는 결과를 얻을 수가 있다. 미세한 차이로 뿌리털 길이에 영향을 줄 수 있기 때문에 처음 하시는 분들은 어떨 때는 더 길게 자라고 어떨 때는 짧게 자라기도 할 것이다. 뿌리털 길이를 가지고 assay를 하는데 결과가 일정하게 나오지 않으면 제대로 된 결과를 얻을 수 없다. Medium 만들 때도 항상 일정한 ph와 nutrient content, 온도, 빛조건, 항상 같은 자리 등 일정한 조건을 유지하는 것이 반드시 필요하다." 연구결과가 가지는 의미 "첫 번째 주제와 관련해서는 우리도 처음으로 특허를 출원 해 봤다. 뿌리털 특이적인 프로모터 시스템 관련이다. 보통 우리가 식물에서 형질 전환체를 만들 때 어떤 프로모터를 쓰느냐가 중요하다. 단, 문제가 되는 것이 먹는 부분에서는 영향이 없었으면 좋겠다 라는 것인데, 이것은 뿌리 중에서도 뿌리털에서만 발현되기 때문에 사실 다른 곳에 영향을 주지 않는다. 그래서 외부에서 도입하는 유전자를 뿌리에만 발현시킴으로써 뿌리를 튼튼하게 해서 잘 자라도록 하는데 이용할 수 있다. 우리가 cis-element를 분석했기 때문에, cis-element를 약간 변형시킴으로써 프로모터의 강도를 조절할 수 있는데, 강하게 하고 싶으면 cis-element를 여러 copy를 넣으면 훨씬 더 강하게 발현될 수 있다. 그런 식으로 사용될 수 있다. 또한 옥신은 가장 기본적인 생장 호르몬이고 어떤 곳에서 만들어져서 특정 목적지까지 제대로 가야지 옥신이 제대로 작동을 한다. 옥신수송체 연구는 응용을 떠나서 일단 해 놔야 된다. 옥신이 어떻게 작동하는지 알아야 생장을 더 촉진할 것인지 억제할 것인지 알 수 있게 된다." 앞으로의 연구 과제 "진화적으로 양치 식물들에서도 cis-element가 보존되어 있는지 지금 분석 중이고, 더 나아가서 뿌리는 없지만 이끼류에서도 뿌리털과 비슷한 구조가 있는데, 혹시 거기서도 뿌리털 특이적인 cis-element가 보존되어 있는지 보고 있다. 육상 식물 전체에 있어서도 이런 뿌리털 특이적인 cis-element가 보존되어 있는지 확인하고 있다. 또 우리는 뿌리털에만 머물지 않고, 식물의 40 여 가지의 cell type으로 확산을 하려고 한다. 식물의 세포분화가 어떻게 이루어지는지 구체적인 해답을 찾고 싶다. 옥신 수송 관련해서 우리가 타깃으로 하는 것은 단백질 인산화 효소 중의 하나, 전에 밝혔던 PINOID 라는 것이 있는데, 분명히 protein kinase가 관여를 하는데 어떻게 관여하는지를 모른다. 그 쪽으로 연구하려고 한다. 단백질의 phosphorylation과 관련된 효소들이 어떻게 옥신 수송체의 membrane targeting에 어떤 영향을 주는지 연구하려고 한다." 기자: 박지민 |
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국내에서의 연구활동 특히 충남대에서 연구활동은 어떠한지? "일단 지방국립대라고 얘기들을 하는데, 지난 정부에서는 지방에 대한 배려가 있었다고 생각한다. 그런 점에서는 지난 5년 동안 저도 혜택을 봤다고 본다. 연구비라든지, 지방에 대한 portion을 인정을 해 줬고 누리사업, BK사업도 마찬가지다. 여전히 인력을 수급하는 것이 제일 문제다. 대학원으로 오는 인력이 전국적으로 적은 편인데 지방대인 경우에는 더욱 적다. 그나마 유능 학생들은 유명한 대학, 서울지역 대학, 포항공대, KAIST 등으로 옮겨가고, 항상 연구할 수 있는 인력을 뽑는 것이 문제점이라고 할 수 있다. 아무래도 지방대학은 예산이 부족하다 보니깐 연구자들한테 충분한 지원을 하기가 힘든 점도 있다. 특히 대전 지역은 연구단지 안에 충남대가 있고 학부생으로부터 올라오는 인력을 구하기가 어렵지만 가끔 낚시에 비유하면 입에 걸리는 것이 아니고 몸에 걸려서 오는 인력들이 있다. 그들은 대전에 연고가 있거나 운이 좋으면 좋은 인력을 구하기도 한다. " "일반적인 얘기를 하자면, 국외의 경우 전문인력이 많다는 점이 가장 부럽다. 내 분야만 하더라도 사람들이 많고 토론할 수 있는 기회가 훨씬 많아서 연구활동에서 상승작용을 얻을 수 있다. 토론을 하면서 새로운 정보를 얻는 것이 부럽다. 국내에서는 비슷한 분야를 하는 분이 거의 없을 정도여서 혼자 모든 일을 해야 된다는 것이 힘들다. 그러나, 국내에서의 장점도 있다. PI가 좋은 아이디어가 있다면 실험을 집중 시킬 수 있다는 것이다. PI가 지도력을 발휘할 수 있다는 것이고 가지고 있는 아이디어를 성취할 수 있다는 것이다. 모든 실험실을 동원해서 한 곳으로 집중하고 노력할 수 있다는 것이다. 미국에서는 학생이든 포스닥이든 하는 것을 거의 내버려두는 식이기 때문에 개별적인 것이 중요하다. 국내에서의 장점이 없는 것은 아니지만 대신 PI의 지도력이 필요하다." 과학자가 우리 사회에서 담당해야 할 역할 "일선 연구자들은 매우 바쁘게 생활하고 있다. 단순히 연구만 하는 것이 아니라 대학에 있는 분은 강의도 있고 연구할 시간이 침해될 정도로 다른 잡무가 꽤 많다. 그럼에도 불구하고 과학의 대중화, 일상언어로 과학을 얘기해 주는 것이 상당히 필요하다. 왜냐하면 연구집단들이 유지되는 것도 대중/국민들의 세금에 의한 것이고 관심에 의한 것이다. 관심을 가지고 있는 사람들이 있어야지 또 인력들이 또 충원될 것이다. 자연과학을 하는 사람들은 어렸을 때 꿈이 있었을 것이다. 나도 막연하게 나마 과학자가 되겠다는 꿈이 있었고, 과학잡지, 미디어 등을 통해서 접해 왔고 그런 작업은 꾸준히 이루어져야 한다. 신문지상을 보면 과학컬럼과 같은 글을 써 주시는 분들이 있어서 상당히 중요한 일을 하시고 있다고 본다. 그 외 분들도 좀더 관심을 가지시고 없는 시간 쪼개서 투고를 하거나 인터넷을 통해서 소개해 주셨으면 한다. 사실 자연과학, 특히 기초과학 하시는 분들을 어떤 측면에서는 철학자라고 본다. 우리가 이학박사를 Ph.D, Doctor of philosophy라고 하는데, 우리말로 해도 이치를 깨닫는다는 의미이다. 철학이란 존재라든지 사물의 이치가 어떻게 돌아가는지를 밝히는 것이고 바로 자연과학자들이 하는 일이다. 다른 분야, 인문학과 틀린 것은 관찰과 실험을 통해서 실제 사물에서 직접 진리를 깨낸다는 것이다. 굉장히 확고한 지식들을 뽑아낸다는 것이다. 물론 우리 사회생활 수준에서 설명을 곧바로 하지는 않지만 자연과학자들은 자신들의 손으로 확고한 진리를 깨낸다는 것에 자부심을 가질 필요가 있다. 기회가 될 때 마다 미디어를 통해서 또는 주변사람들에게 자연과학 얘기를 일상 언어로써 표현할 수 있다면 좋을 것이다." 박사학위자들이 안정적인 직장을 얻기 어려워지고 있는데… "이 부분에 대해서는 아무래도 제도적인 뒷받침이 되어야 한다. 그 사람들이 갈 데가 없다는 것이다. 계속 쏟아져 나오고는 있는데 수요가 없다는 말이다. 현재 상태로서는 학교든 연구소든 굉장히 자리가 제한되어 있다. 새로운 지식이 나오고 그것을 활용해서 새로운 산업이 나올 수 있는 것이어서 나라의 부에 기초가 되는 것이라는 것은 너무나도 뻔한 것이다. 그런데 아직까지는 (국가가) 박사학위자들이 갈 곳을 마련하지 못하고 있다는 것이다. 물론 이공계 뿐만 아니라 청년 실업 등 굉장히 많은 실업문제가 있기는 하지만, 이공계가 부를 창출하는 기본적인 기반 지식을 제공한다는 측면에서 결코 소홀히 해서는 안 된다. 그런 사람들이 갈 곳, 내가 정책적인 것을 많이 알지는 못하지만, 예를 들어 독일의 Max Planck 연구소, 일본의 Riken 연구소 와 같은 국가 차원의 많은 인력들의 Pool을 유지할 수 있는 연구소들을 만들면 새로운 지식들이 나와서 좋고, 사람들이 고용되어서 좋고, 물론 예산문제가 늘 있지만, 그런 쪽에 우선을 뒀으면 좋겠다. 연구 인력들이 적재적소에 흡수가 되어서 자기성취도 하고 국가에도 기여할 수 있었으면 한다." 젊은 학생들에게 전하고픈 이야기 "제가 강조하는 것은 실험 과학자니깐 실험 데이터에서 제대로 된 사실을 깨 내는 것이다. Solid한 데이터, 재현성 있는 데이터를 얻는 것이 중요하다고 생각한다. 학생들 입장에서는 괴롭겠지만 배워야 할 점이다. 자연과학자에 대한 뿌듯한 내용을 얘기 했지만 사실을 제대로 캐내려면 전략을 잘 세워야 하고 끊임없이 검증을 해야 하기 때문에 쉬운 일은 아니다. 학생들은 그것을 배우는 과정이고, 자신이 하는 일을 확실하고 꼼꼼하게 해야 한다. 자연과학자가 대충하게 되면 안 좋은 일을 치를 수가 있기 때문이다." 장래를 걱정하는 젊은 연구자들에게... "제 경우도 돌이켜 보면 분명히 힘들었었다. 특히 불확실성이 제일 견디기 힘들었고 과연 내가 직장을 얻을 수 있을까, 박사학위를 받은 다음에도 과연 이게 나한테 맞을까 하는 생각도 했었다. 그 당시에는 힘든 것을 결코 가볍게 여길 수가 없었다. 그러나, 지나고 나서 장기적으로 생각해 봤을 때 그렇지 않을 수 있다는 생각이 든다. 앞으로 어떻게 될지 불확실하니까 장기적으로 보기도 힘들 것이다. 그러나, 장기적으로 봤을 때는 그렇게 조급할 필요가 없다는 생각이 든다. 긴 호흡을 가지고 보면 불안감을 훨씬 덜 수 있다고 생각한다. 불안감과 조급함이 느껴질 때는 현재 연구가 잘 진행되기 힘들다. 예를 들어, 장기적으로 큰 연구를 생각하고 해야 하는 데, 내가 내년, 후 내년이 어떻게 될 지 모른다는 불안감을 가지게 되면 큰 프로젝트 또는 좀더 근본적인 일을 하기가 힘들어질 것이다. 불안감 없이 긴 호흡을 가지고 몰두했을 때 좋은 성과가 나올 수 있고, 잘 되기 마련이다. 불안감을 떨쳐 버리기가 힘들다는 것은 알고 있지만, 잠시 잊어버리시고 긴 호흡으로 연구에 몰두하는 것이 필요하다는 생각이 든다." 힘들었던 시기에 도움이 되었던 것들 "제일 힘들었던 것은 포스닥을 오래 하고 나서 처음 충남대로 와서 시작하는 것이었던 것 같다. 일단 와서는 동료 교수들의 도움이 컸다. 옆 실험실에 있는 박연일 교수님이 친구이자 동료이기도 해서 실험실을 셋업하거나 실험 시작하는 데에 많은 도움을 받았다. 실험과 관련된 문제는 혼자 해결할 수 밖에 없는데 학생 때부터 혼자서 문제 해결 하려고 애를 썼었다. 또 중요한 것이 실험실에서 활동하기 때문에 건강을 잘 돌보는 것이 중요하다고 생각한다. 누구나 다 느끼시겠지만, 정기적인 운동도 해야 하고 예를 들어 주말에 등산을 한다든지 출퇴근을 걸어서 한다든지, 이렇게 하고 있다." 어떤 과학자의 모습을 꿈꾸시는지… "훌륭한 연구자들이 많이 있고, 인터뷰도 제 차례는 한참 뒤라고 생각하고 있었는데 일찌감치 하게 된 거 같다. 바램은 10뒤 까지 열심히 하는 모습으로 있었으면 하고, 연구하는 방향도 재료를 떠나서 식물이든 동물이든 떠나서 생물학의 근본적인 문제에 매달려 있는 모습이 그 때까지 발견되었으면 하는 생각을 하고 있다." 기자: 박지민 |