[이미디어= 황원희 기자] 식물 신호 분자를 감지하는 센서는 농작물이 너무 강한 빛이나 열을 감지할 경우 혹은 곤충이나 미생물의 공격을 받을 때를 알려줄 수 있다.

최근 MIT와 싱가포르-MIT 합동공학연구센터의 연구원들은 탄소 나노튜브로 만든 한쌍의 센서를 이용해 곤충이나 박테리아로부터 열, 빛 혹은 공격과 같은 스트레스를 받을 나타나는 신호를 발견했다. 이같은 내용은 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 

이러한 센서들은 식물들이 스트레스에 대한 반응을 조율하기 위해 사용하는 두 개의 신호 분자, 즉 과산화수소와 살리실산(아스피린과 비슷한 분자)을 감지한다. 연구원들은 식물들이 각 종류의 스트레스에 대해 다른 시점에 이러한 분자들을 생성하고, 조기 경보 시스템의 역할을 할 수 있는 독특한 패턴을 생성한다는 것을 발견했다. 또한 농부들은 이러한 센서를 이용해 농작물에 대한 잠재적인 위협을 사전에 모니터링함으로써 농작물이 손실되기 전에 개입할 수 있다.

식물은 서로 다른 종류의 스트레스에 서로 다른 방식으로 반응한다. 연구진은 2020년에 식물 세포가 곤충의 공격을 받거나 박테리아 감염이나 너무 강한 빛과 같은 다른 스트레스를 받을 때 디스트레스 신호로 사용하는 과산화수소를 감지할 수 있는 센서를 개발했다.

이 센서들은 중합체로 감긴 작은 탄소 나노튜브로 구성된다. 중합체의 3차원 구조를 바꿈으로써, 표적이 존재할 때 형광 신호를 발산하면서, 센서들은 다른 분자들을 감지하도록 조정될 수 있다. 새로운 연구를 위해, 연구자들은 식물의 성장, 발달, 스트레스에 대한 반응의 다양한 측면들을 조절하는 데 관여하는 분자인 살리실산을 감지할 수 있는 센서를 개발하기 위해 이 접근법을 사용했다.

이러한 나노 센서들을 식물에 내장시키기 위해, 연구자들은 이를 용액에 녹이고, 그후 식물 잎의 아랫부분에 적용된다. 그 센서들은 기공이라고 불리는 구멍들을 통해 잎으로 들어갈 수 있고, 대부분의 광합성이 일어나는 층인 중간엽에 위치한다. 센서가 활성화될 때, 신호는 적외선 카메라를 사용하여 쉽게 감지될 수 있다.

이 연구를 통해 과산화수소와 살리실산 센서를 청경채나 배추로도 알려진 잎이 많은 녹색 채소인 배추에 적용했다. 그후 연구진은 식물을 네 가지 다른 종류의 스트레스 (열, 강렬한 빛, 병충해 피해, 박테리아 감염)에 노출시켰고, 이러한 식물들이 각각의 스트레스에 독특한 반응을 일으킨다는 것을 발견했다. 

각 유형의 스트레스는 식물이 몇 분 안에 과산화수소를 만들어낼 수 있도록 했으며, 한 시간 안에 최대치에 도달했다가 다시 정상으로 돌아왔다. 열, 빛, 세균 감염은 모두 자극 후 2시간 안에 살리실산 생성을 촉진시켰지다. 병충해 피해를 입은 것은 살리실산 생성을 전혀 자극하지 않았다.

이 연구결과들은 식물들이 스트레스에 대한 반응을 조율하기 위해 사용하는 "언어"를 나타낸다고 연구진은 말한다. 과산화수소와 살리실산 파동은 식물이 직면한 어떤 종류의 스트레스에도 생존할 수 있도록 돕는 추가적인 반응을 유발한다.

식물이 병충해 스트레스를 받으면 이 반응에는 곤충이 좋아하지 않는 화학 화합물이 생성되어 곤충을 식물에서 멀어지게 할 수도 있다. 살리실산과 과산화수소는 식물이 열과 다른 스트레스에 반응하도록 돕는 단백질의 생성을 켜는 신호 전달 경로를 활성화할 수도 있다.

연구진은 식물은 뇌도 없고, 중추신경계도 없지만, 다양한 화학물질 혼합물을 보내도록 진화했고, 그 방법으로 식물의 열스트레스나 곤충 포식자의 공격 등에 대한 반응을 전달할 수 있다고 밝혔다.

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