오태광의 바이오 산책 <56> 우주 육종 기술 (Space AgTech ) > News Insight

 우주정거장을 보유하고 있는 우주 강대국인 미국, 러시아, 중국은 우주정거장에 식물과 식물 종자(種子)를 가져가서 우주 환경에서 가져간 식물로 우주 육종시험을 진행하고 있다고 한다. 식물 기능과 생산성을 높이기 위한 육종(育種)시험은 노지(露地)에서 실험하여 좋은 품종을 얻을 수 있었는데, 하필이면 중력가속도가 떨어지고, 아예 진공이거나 공기가 희박한 우주공간에서 종자 육종시험을 하는 것일까? 우주 환경에서는 우주방사선이나 전자파, 진공, 미소중력(微小重力)과 같은 환경이 식물유전자를 쉽게 변형하여 더 좋은 신품종으로 개량할 확률이 높기 때문이다. 

우주 육종을 처음 시작한 나라는 구(舊)소련으로 1960년에 발사한 “스푸트니크(Sputnik) 4호”에 옥수수 씨앗을 우주로 보내며 시작하였고, 1960년 후반에 미국도 각종 식물 종자를 위성에 태워서 우주로 보내 육종시험을 하였다. 이런 여러 가지 우주 육종실험에서 우주 환경은 식물의 유전적 형질을 변환시켜 신품종을 만들거나, 품종개량을 하여 수확량과 필수 영양분 성분을 크게 증가시킨 결과를 얻었다. 아직은 정확하게 유전자 돌연변이 작용 기전(Mechanism)은 밝혀지지 않았지만, 지상에서 인공 돌연변이에 사용하는 화학 및 광학(UV 등으로 돌연변이 시켜서 얻는 결과보다는 좋게 나타났다. 

인구 14억으로 세계에서 제일 사람이 많이 사는 중국은 식량 자급량을 높이기 위해 주로 식량작물을 이용한 우주 육종시험을 많이 하였다. 실제 1987년 우주를 돌다가 임무 완성 후 지구로 귀환하는 계획으로 발사되었는데 이때는 우주 육종이 목적이 아닌 순수 과학적 호기심으로 우주에서 식물 종자의 영향력을 알기 위해 일부 종자를 보냈다. 하지만, 놀라운 결과는 마늘 등 일부 종자에서 돌연변이가 생겼고, 향상된 품질과 수확량을 발견하여 우주 육종에 지대한 관심을 가지게 되었다. 

14억이 넘는 인구를 식량문제를 해결하기 위해, 중국은 국가 식량안보 차원에서 우주 육종실험에 집착하게 되었다. 우주에서 식물이나 미생물과 같은 종자의 생리/생육이 어떻게 변하게 되는 가는 앞으로 2050년 세계 97억 명을 상위할 것이라는 보고(과학과 기술(2023.7))가 있어 더욱 큰 관심의 대상이다. 2022년 11월 세계인구가 80억 명을 돌파할 것이라는 보고, 농지는 심지어 기후변화로 감소하고 있고 식량문제를 걱정했는데, 2050년 97억 명으로 인구증가는 지구 식량 자구책 마련에 적색신호가 들어온 것이다. 수직 농업, LED 농업과 같은 생산방법을 비롯하여 단위면적당 생산량/기능성을 높이는 종자 육종기술은 필요하고 우주 육종/농업 기술도 좋은 대안 중 하나가 될 수도 있다. 

<육종(Breeding)>

  육종은 식물이나 동물을 인간이 원하는 방향으로 진화시켜 변형하는 과정으로 자연적이나 인위적으로 동/식물의 유전자를 변형시키는 기능이나 생산성을 향상해서, 우수한 품종을 얻는 과정이다. 우수품종을 선발하여 교잡(交雜)하는 전통적인 육종과 생명공학 기술로 유전자를 변형하는 분자육종 방식이 있고 이외에, 외부 유전자를 동식물에 전달하는 형질전환 방법을 사용한다. 전통적인 육종은 유전적으로 가깝거나 비슷한 두 품종을 교잡 육종(Interbreeding)하여 재배(또는 사육)하여 다시 재배하여 확인 작업을 하고 품종화하는 기술로 최소 7년~20년 이상 많은 시간이 걸리고, 성과가 불확실한 단점은 있지만, 비교적 안전한 방식으로 안정성에 대한 검증이 확실하여 사용에 문제점이 거의 없다. 

분자육종법은 유전자 조작 기술을 사용하여 원하는 유전적 특징(바이오 마커)을 정확하게 발현시킬 수 있고, 유전적 특징을 규명하여 개체를 선발하기 때문에 시간을 단축하거나, 병에 대한 저항성과 같이 특정 개체선발이 가능하지만, 가장 큰 문제점은 유전자 조작에 대한 대중의 우려가 크다. 형질전환 방법은 바이러스나 세포 등의 매개체를 통해 외부 유전자를 동식물에 전달하는 방식으로 효율성이 가장 높고, 원하는 형질을 정확하게 전달할 수는 있지만, 안정성과 윤리적 문제 등에 대중의 논란이 크다. 

분자육종이나 형질전환으로 만들어진 우수한 기능과 생산성을 가진 품종이나 생산물을 GMO(Genetical Modify Organism)로 정의하고 따로 분류하여 생산 및 유통관리를 하고 있다. 최근, 주목받고 있는 유전자가위 기술은 같은 품종 내의 유전자를 가위를 사용하여 정밀하게 제거하거나 교정하여 육종하는 방법으로 초기 외래 유전자를 사용하지 않기 때문에 GMO가 아니라고 미국, 일본 등에서 실용화하고 있지만, 아직은 GMO 분류 문제에도 여전히 많은 논란이 되고 있다. 

또한 빅 데이타를 이용한 디지털 육종(Digital Breeding)은 대용량 유전체 시퀀싱 기술인 NGS(Next Generation, Sequencing)로 실시간 유전체 서열 분석과 변이 개체의 다양한 표현형 정보생산이 가능하여 다양한 유전형-표현형(크기. 수, 이상 현상(색, 조직, 당도, 효소, 기능성 인자 등))에 기반을 둔 빅 데이타로 원하는 특정 형질의 개체를 선발하는 기술로 <그림 1>에 나타난 바와 같이 기간도 획기적으로 단축되고 상품화율도 10배 이상 증가하였다. 

  우주로 인공위성에 종자를 실어서 보내고, 우주정거장에 실험실을 만들어 연구하는 우주 육종시험을 현재, 많이 하고 있고, 가까운 미래에는 달이나 행성을 식민지로 개척하여 연구시설을 만들어 우주 육종을 하여 식량을 얻고 광합성으로 산소를 얻어 인간이 살 수 있는 환경을 만드는 시도가 점차 현실화하고 있다. 특히, 우주에서 식물 종자를 디지털 육종기술로 선발하여 좋은 품종을 얻어 우주에서 식량 확보와 동시에 산소를 얻어 인간의 생활 근거지를 만드는 것은 우주 개발에 필수 요소이기도 하지만, 획득되는 고기능과 풍부한 생산성은 지구에 사는 일류의 미래에도 보랏빛 꿈을 만들어 줄 수 있을 것이다. 

<우주 육종실험>

우주 육종시험은 주로 미국, 중국, 구 소련에서 실험하고 있는데, 가장 먼저 우주로 간 씨앗은 1960년 구소련의 “스푸트니크(Sputnik) 4호에 밀과 옥수수 씨앗을 보냈고, 소련에 자극을 받은 미국은 1960년 후반부터 각종 씨앗을 우주로 보내게 된다. 이때부터 우주 육종실험이 강대국 간 경합적으로 실험하게 된다. 우주 육종시험은 미세중력, 우주방사선, 전자파 등의 우주 환경에서 종자가 돌연변이나 유전자 변이를 유도하여 고품질의 종자를 개발하는 실험이다. 

1960년 중반 중국도 더 적극적으로 우주 육종시험에 많은 연구 노력을 투입하게 되는데, 부족한 식량을 자급할 수 있는 식량 안보적인 차원에서 시작되었다. 중국 인구는 현재 14억 명으로 대략 세계인구의 1/5을 차지하는데 옥수수, 밀, 쌀의 3대 곡물의 자급률은 98%(2020)로 보고하고 있지만, 콩(대두)의 자급률은 15.6%로 보고되고 있고 이외에도 자급률이 낮은 작물도 많다. 2000년까지는 전체 식량자급률이 93.6%였는데, 2020년은 65.8%로 보고되고 있고, 2021년 식용유(대두 유래) 수입 의존도는 70%에 달하고 있다.

 부족한 식량에 대한 중국 정부의 경각심이 2003년 세계 3번째 유인 우주선 “선저우 5호”에 우주인과 함께 씨앗을 우주로 보냈다. 이때 보낸 고추는 우주에서 변이하여 일반 고추보다 2배 크고 달콤한 고추 씨앗을 얻을 수 있었다. 이런 경과에서 중국은 우주 육종에 더욱 관심을 가지게 되어 2006년에 세계 최초로 우주 육종만을 위한 식물 육종 전문 위성 “스젠 8호”를 발사하였고, 벼, 곡물, 채소, 과일 등 9가지 씨앗 2,000개(무게 215kg)를 2주간 지구궤도를 돌고 회수하여 성장 속도 빠르고 수확량이 많은 “슈퍼 씨앗”을 찾는 노력이 시작되었다. 

이후 중국은 회수식 위성을 이용하여 400여 종의 종자를 우주로 보냈고, 70여 종의 우주 육종 신품종을 개발하여 농작물 생산성과 품질향상(2020, 한국항공우주연구원)을 도모하였다. 대표적인 성공 예로 쌀과 밀의 생산량이 증가하였는데, 벼의 경우는 6개 품종이 개발되었고 우리나라의 경우 보통 10a당 쌀 생산량이 약 522kg(2021)인데 비해 중국의 우주 육종 벼의 쌀 생산량은 10a당 815kg에 달했다. 우주 육종된 수박의 경우 기존 수박보다 당도가 13%나 증가한 달콤한 수박을 얻었고, 토마토와 오이도 획기적 수확량과 무르거나 썩지 않아 저장성이 높은 품종을 개발하였다. 오이의 경우는 무게가 1kg이나 되는 초거대 오이, 비타민 함량이 20% 증가한 특대고추, 길이가 1m나 되고 철분 함량 69%인 거대한 조 이삭, 녹색, 붉은색, 자색의 벼, 일찍 수확하고 생산량이 많은 고구마 등 많은 품종이 개발되었다. 미국의 NASA도 <그림 2>와 같은 우주정거장(International Space Station, ISS) 스페이스X “크루2”의 실험용 식물재배 장치에서 우주 고추를 수확(2021.10)했는데, 지상에서는 파종까지 120일이 소요되는 데 비해, 우주정거장의 밀폐된 미세중력 환경에서는 17일이 걸렸고 수확한 고추는 충분히 맵고 향도 풍부하다고 한다. 

우주 육종은 수백 년이나 천년이 걸린 자연 육종이 짧은 시간에 완성할 수 있는 기술이지만 우주 육종된 종자는 돌연변이처럼 인체 안전성 문제와 방사선, 유해 유독성 문제가 없다고 한다. 우리나라도 최초의 우주인 이소연 박사가 우주정거장(2008)에서 실험할 때 멸종위기의 토종 란인 진도 석곡 씨앗을 가져가서 우주 돌연변이를 하여 우주인 이소연 박사의 이름 딴 황금색 무늬의 “소연란”을 우주 육종한 경험이 있다. 

< 행성 및 위성에서 우주 육종실험>

 행성(Planets)은 수성, 금성, 지구, 화성 등과 같이 태양을 공전하거나 궤도를 돌고 있고, 달처럼 행성(지구) 주위를 공전하고 위성(Satellites) 있어서, 태양계에는 달(Moon)을 비롯한 160개의 위성이 있다고 한다. 중국의 우주 육종시험은 달에서도 계속 진행되었고, 2019년 세계 최초로 인간이 볼 수 없었던 달의 뒷면 착륙에 성공한 “창어 4호”에는 목화씨를 비롯한 유채, 감자, 애기장대의 종자와 미생물로는 효모, 초파리의 알을 가져갔다. 달에 가져간 목화씨는 싹이 움텄고 발아한 사진이 공개되었지만, 달의 극한환경에서 목화씨가 죽는 결과로 나타났지만, 우주 육종시험이 시작되었다는 데는 큰 의미가 있다. 영화 “마션”에서 화성에 홀로 남겨진 우주인이 생존을 위해 화성의 토양과 자기 배설물로 감자를 수확하여 연명한 SF영화가 있다. 미국 NASA에서는 화성에 유인 우주선을 보내 탐사하기에 앞서 화성과 같은 조건에서 감자를 재배할 수 있는지 국제 감자센터와 함께 지구상에서 시험에 착수하였다. 감자 이외에 화성에서 키울 수 있는 작물을 토마토, 밀 등을 비료 없이 50일간 화성에서 키울 수 있다는 연구 결과를 발표하기도 하였다. 

<맺는말 >

 식물의 품종개량을 위해서 방사선, 전자파, 초진공과 중력가속도가 낮은 우주공간에서 실험하여 만든 우주 육종 종자가 지상에서 재배했을 때 기능적인 면과 생산성이 우수하게 나타났다. 중국에서는 쌀의 경우 대량 생산하여 10a당 800kg 이상을 수확하는 고생산 품종을 개발하였고, 고도 340km에서 우주 육종한 “루우안502”란 밀 품종은 일반 밀보다 수확량은 11% 증산하였고, 가뭄과 해충에 잘 견딘다고 한다. 아울러, 지상에서는 일반 육종에 필요한 기간은 5~8년 걸리는 데 비해, 우주 육종은 3~4년밖에 걸리지 않아 신제품 개발이 쉽고 생산량도 보통 10~30%까지 증산 효과가 있고, 비타민 등의 영양 성분이 높을 뿐만 아니라, 병충해에도 강한 품종이 개발되고 있다. 

우주 육종은 지구 표면에서 200~500Km 상공에서 자기장, 무중력, 방사선, 전자파 등의 복합효과로 지상에서와는 다른 기전으로 돌연변이를 만들고 있다. 우리나라도 2006년에는 중국의 협조로 “스젠 8호”에 벼, 콩, 들깨를 우주로 보냈고, 2008년 우리나라 최초의 우주인 이소연 박사가 코스모스, 민들레, 무궁화, 콩, 벼 등 11가지를 우주정거장에서 우주 육종실험에 참여하여 멸종품종인 재래의 “석곡란”에서 아름다운 노란색 잎의 “소연란”을 얻었다. 2006년 “스젠 8호”를 사용하여 경제성을 조사한 결과 위성 발사 비용을 생각하면 씨앗 1g당 2,000US$의 고비용이 필요하다. 

우리도 이제 자력으로 개발된 한국형 발사체 “누리호” 3차 발사에 성공(2023.5.25.)하였고, 이미, 달 탐사 궤도선 다누리호 (2022.12)가 달 궤도에 진입하여 성공적인 임무를 수행하고 있다. 앞으로 3번 더 누리호를 발사하고 특히, 민간이 담당하여 한국판 뉴 페이스 시대(TV CHOSUN 뉴스, 2023.5.26.)를 연다고 한다. 이제 우리도 우주 육종과 우주 농업뿐만 아니라 우주 바이오, 우주 정밀화학, 우주 건축까지 새로운 우주산업에 대해서 진출할 준비를 해야 할 것이다. 

<ifsPOST>