작물의 자연 방어의 이해
곤충이 식물에 맛을 들이기 시작한 이후로 계속해서 식물은 같은 고민에 빠져 있다. 한정된 자원을 이용하여 살아가기 위해서 빛을 놓고 옆에 있는 식물과 치열한 경쟁을 하는데 쓸 것인지 아니면 배고픈 곤충에 대항하여 방어하는데 직접 투자할 것인지를 두고 선택을 해야 한다. 이제 생물학연구를 위한 솔크 연구소 (Salk Institute for Biological Studies)와 IFEVA (Investigaciones Fisiologicas y Ecologicas Vinculadas a la Agronomia)에 있는 한 국제 과학자팀은 식물이 경중을 재어보고나서 그에 따라 자기들의 에너지 투자 방향을 어떻게 잡아나가는지를 결정한다는 것을 발견해내었다.
연구자들은 다른 식물들이 주위에 밀집되어 있는 것을 검출해서 신호를 주어 식물 성장 호르몬 오옥신의 합성을 시작하게 하는 광 감지기가 전체 방어 화학물질의 합성을 조율하는 자스몬산 (jasmonic acid) 호르몬에 대한 식물의 반응성을 감소시킨다는 것을 국립과학아카데미회보의 최근 온라인 판에 출판된 한 논문에서 보고하고 있다.
“식물이 기계론적 수준에서 자원 배분의 궁지를 어떻게 해결하는가에 대한 이해가 작물의 자연 방어를 증가시킬 수 있는 가능성을 열어줍니다. 고도로 조밀하게 작물을 심어서 살충제를 정기적으로 뿌려야만 하는 현대 농업에는 더욱 그렇습니다”라고 주저자이며 아르헨티나 국립연구위원회 (CONICET)에서 일하는 선임연구원이자 부에노스 아이레스대학교 (University of Buenos Aires)에서 조교수로 있는 Carlos L. Ballare 박사는 설명한다.
초기 연구에서 Ballare는 식물이 빛을 놓고 치열한 경쟁이 벌어질 것으로 인식할 때에는 방어에 덜 투자하게 된다는 것을 발견했다. 그러나 광질의 변화가 식물의 보호 수준을 어떻게 떨어뜨리는지에 대해서는 여전히 잘 모르고 있었다. 그 둘을 연결시키기 위해서 그는 솔크 연구소의 식물학실험실에 있는 하워드 휴지스 의학연구소 (Howard Hughes Medical Institute)의 연구자인 Joanne Chory 박사와 이전의 실험실원인 Yi Tao 박사에게 찾아갔다. Yi Tao 박사는 식물들이 성장과 개화 시간을 그늘로 맞추는데 사용하는 분자 경로를 밝혀낸 바 있었다.
식물은 수간에 있는 잎들이 붉은 빛을 흡수하여 생기는 상대적인 적외선 유입량 증가와 이웃한 식물들에서 원적외선이 반사되는 것을 감지하여 인근에 다른 식물이 있는 여부를 감지한다. “그들을 피하기 위한 주요 광 수용체가 이웃을 감지할 때 식물은 성장 호르몬 오옥신 생산을 시작하고 그것을 줄기로 보내어 거기서 식물이 더 크게 자라도록 돕습니다”라고 Chory는 설명한다.
하지만 식물들은 초식생물들이 입에서 내는 분비물과 모충들이 가하는 기계적인 손상과 잎을 갉아먹는 것에서 발생하는 화학적 단서들에도 반응한다. 식물들은 특히, 자스몬 산 (jasmonic acid)이라는 방어-관련 호르몬들의 생산을 증가시켜 식물들을 맛없게 만들거나 최소한 초식생물들에게 영양가가 떨어지게 만드는 화학물질의 농도를 올린다.
“그런 반응들은 기회 비용을 발생시킵니다”고 Chory는 말한다. “경쟁에 자원 배분을 하게 되면 방어에 대한 투자가 제한됩니다. 그래서 초식생물의 공격에 대한 취약성이 늘어납니다. 반면이 방어에 배분하게 되면 인근 식물을 대항하는 경쟁 능력이 줄어들 수 있습니다”라고 그는 덧붙였다.
바로 그것이 정확히 말해서 Ballare의 실험실에서 대학원생으로 있는 제 1 저자 Javier E. Moreno가 발견한 사실이다. 옥수수, 수수, 기타 화본과 식물들을 씹어먹는 것을 좋아하고 강낭콩, 감자, 땅콩, 목화, 기타 작물들을 거부하지는 않는 거염벌레 애벌레들은 밀집한 조건이나 이웃이 근접한 것을 감지할 때 식물이 사용하는 광선인, 원적외선에 노출되었을 때 자란 애기장대풀 유묘에서 2배나 빠르게 자란다. 상업적으로 재배되는 많은 작물들처럼 식물학자들에게 실험실 쥐나 다름이 없는 애기장대풀은 그늘에 잘 견디지 못한다. 그러나 그것은 제한된 자원 문제 때문만은 아니다. 더 이상 원적외선에 반응하지 않고 원적외선 광수용체는 정상 수준으로 갖고 있는 돌연변이 애기장대풀 유묘도 여전히 방어 능력이 떨어져 있었다. 좀더 깊이 관찰한 결과 연구자들은 원적외선이 자스몬산염에 대한 식물의 감수성을 감소시켰다는 것을 알아내었다. 자스몬산염 신호를 무시하게 되면서 식물은 방어에 더 이상 투자하지 않게 되면서 자원을 절약하게 되고 동시에 자스몬산염의 생육 억제 효과를 피하게 되는 것이다.
“광합성을 계속할 만큼의 빛이 충분하지 않으면 식물은 에너지가 충분하지 않기 때문에 정교한 방어 전략을 펼칠 수 없게 됩니다”고 Ballare는 말한다. “그늘 회피 증후군을 방어에 대한 자원 배분 조절과 결부하면 야생에서 자라는 식물들에게 선발상의 큰 이점을 줄 수 있지만 조밀하게 자란 작물들이 해충에 더욱 취약해질 수도 있습니다”라고 그는 덧붙였다. GTB
중국, 키랄 나선 전기전도 폴리아닐린 나노섬유 연구
키랄은 자연계에서 광범위하게 존재하는 하나의 현상이고, 키랄 전기전도 폴러머 나노 구조는 키랄 식별과 분리, 은신재료 및 바이오센서 등 영역에서 비교적 큰 응용 전망이 있어 관심을 가지고 있다. 비록 여러 가지 유기/무기 키랄 나노 구조 재료는 키랄 템플렛, 키랄 유도(chiral induction), 용매휘발 등 작용을 통하여 획득할 수 있지만 서로 다른 크기와 구조를 가진 단일 키랄 나선 전기전도 폴리머 나노 섬유는 여전히 어려운 문제로 되었다. 최근 중국 국가자연과학기금위원회, 과학기술부, 중국과학원백인계획과 지식혁신공정의 지원 아래 국가나노과학센터의 연구원은 2007년에 키랄 도판트(chiral dopant) 유도로 단일 키랄 나선 폴리아닐린(polyaniline) 나노 섬유를 제조하였다. (Adv. Mater. 2007, 19, 3353-3357) 또한 연구원은 키랄 유도 개념을 키랄 슈퍼분자 액정(liquid-crystalline)시스템에 응용하였다. 키랄 슈퍼분자 액정 재료는 양이온 perylene tetracarboxylic diimide(PTCDI)과 음이온 키랄 인산염 표면활성제(BDP)의 결합 이온 자기조립(self-assembly)으로 제조되었다. (J. Mater. Chem. 2009, DOI: 10.1039/b817838k) 최근 연구원은 아닐린(aniline)과 o-메틸아닐린(o-methylaniline), 아닐린과 m-메틸아닐린(m-methylaniline)의 공중합체 나노 나노 섬유를 제조하였다.
연구원은 메타 메틸기의 뒤틀림효과(steric effect)가 나선 폴리아닐린 나노 섬유 키랄의 뒤틀림을 유도한다는 것을 발견하였다. 때문에 공중합체의 단량체의 조성을 간단히 변화시켜 폴리머 나선 구조와 나노와이어 나선 방향을 조절할 수 있다. 관련 연구 성과는 Angew. Chem. Int. Ed. (2009, 48, 2003-2006)에 수록하였다. D-camphorsulfonic acid(D-CSA)로 유도하여 형성된 나선 나노 섬유를 예로, 아닐린이 중합되어 형성된 것은 오른쪽 회전의 폴리아닐린(PANI) 나노 섬유이고, 아닐린과 m-methylaniline이 중합되어 형성된 것은 왼쪽 회전의 PMANI 나노 섬유이고, 아닐린과 o-methylaniline이 중합되어 형성된 것은 폴리아닐린 회전 방향과 같은 오른쪽 회전 POANI 나노 섬유이다. 이론적인 계산결과 중합과정에서 메타 메틸기의 뒤틀림효과는 PMANI의 분자 구조의 뒤틀림을 유도하였고 직접적으로 자기조립 나선 나노와이어의 방향의 뒤틀림을 초래한다. 키랄 나선 폴리아닐린 나노 섬유에 대한 연구는 폴리머의 조성성분과 나선 나노 섬유의 회전 방향을 조절할 수 있는 새로운 방법을 제기하였고 나선 나노 섬유의 제조에 중요한 의미가 있다. GTB

중국, 금나노 입자 생물 안전성 연구
금나노(nano gold) 입자는 생물의학 영역에서 광범위하게 응용되면서 금나노의 생물 안전성은 관련 연구자들의 연구 이슈가 되었다.
중국 국가자연과학기금위원회, 과학기술부와 중국과학원의 지원 아래 중국과학원 화학연구소 분자움직임/안정상태구조 국가중점실험실 자유라디칼생명과학연구팀은 금나노 생물 독성 연구를 진행하였다. 관련 성과는 미국화학회지(. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 40-41)에 수록하였다.
자유라디칼의 산화는 세포 독성을 조성하는 메커니즘의 하나이다. 연구팀은 금나노와 혈액의 상호작용으로 금나노와 혈액중의 내면 폴리펩티드(Internal polypeptide)의 상호작용을 연구하였다. 실험 결과 금나노 입자는 혈액중의 NO 함량을 신속하게 증가시킨 다는 것을 발견하였다.
심층 연구 결과 NO 함량 증가 원인은 혈액중의 내면 폴리펩티드와 금나노 입자가 Au-S 결합의 상호작용으로 활성 NO를 방출한다는 것을 밝혔다. 세포내부에서 방출된 NO는 초과산화음이온(superoxide anion)과 반응하여 산화 활성이 강하고 파괴성이 큰 peroxynitrite를 생성시킨다는 것을 밝혔다.
이러한 발견은 금나노 입자가 생물 탐침, 약물의 담체 및 주사용으로 세포 또는 생물체내의 응용에 붉은 신호등을 켰다. 금나노 입자의 생물 안전성 연구는 금나노 입자의 의학영역에서의 응용과 NO 관련 연구에 매우 중요한 의미가 있다. GTB